Manchesterský kód je co?

Sériová digitální komunikace se stala velmi populární. Existuje mnoho variant: mezi standardními rozhraními na úrovni desky máme UART, SPI a I2C. "Digitální" komunikaci lze dosáhnout také pomocí analogových signálů. Jedním z příkladů je přenosová linka rádiových frekvencí, která používá změny v analogové amplitudě, kmitočtu nebo fázi k bezdrátovému přenosu binárních dat. Také existují vysokorychlostní diferenciální rozhraní, například sériové linky založené na LVDS nebo USB.

Manchester kód: co je to a proč ho používat

Při přenosu dat jsou zavedeny různé způsoby kódování, aby byla zajištěna bezpečnost dat a rychlý přenos. Manchester kódování je jeden takový digitální způsob kódování. To je velmi odlišné od jiných metod, protože ve výchozím nastavení je každá bitová délka dat opravena. Stav bitů se určuje podle směru přechodu. Různé systémy představují stav bitů odlišně, ale většina systémů představuje 1 bit proti přechodu z nízké na vysokou a 0 bitů pro vysoký a nízký přechod.

Manchester kódování - metoda modulace dat, které mohou být použity v mnoha situacích, ale je zvláště užitečné, když přenášení binární informace založené na analogové, rádiové frekvence, optické, digitální, nebo vysokorychlostní dálkových digitálních signálů.

Synchronizace signálů je hlavní výhodou kódování Manchesteru. Poskytuje vyšší spolehlivost se stejnou rychlostí přenosu dat ve srovnání s jinými metodami. Ale kódování Manchesteru má i některé nevýhody. Například spotřebuje větší šířku pásma než původní signál.

Všechny typy kódování v Manchesteru mají následující charakteristiky:

• Každý bit se přenáší ve stanoveném čase.
• "1" označuje, kdy nastane přechod mezi vysokými a nízkými hodnotami, když je přechod od nízké k vysoké.
• Přechod, který se používá pro poznámku 1 nebo 0, probíhá přesně ve středu období.

Kódování v obecném smyslu je proces převodu dat do formátu nezbytného pro splnění požadavků na zpracování informací, včetně:

• Kompilace a provádění programu.
• Přenos dat, ukládání a komprese (dekomprese).
• Zpracování aplikačních dat, například konverze souborů.

Všechny druhy kódů mohou mít dva významy:

• V oblasti výpočetní techniky je kódování procesem použití určitého kódu, jako jsou písmena, symboly a číslice, na data, která se převádějí na ekvivalentní šifru.
• V elektronice se kódování týká konverze analogově-digitální.

Trochu historie

Manchesterský kód (nejprve publikován v roce 1949) je technologie kódování synchronních hodin používaná fyzickou vrstvou pro zakódování datového signálu hodinového a synchronního datového toku. V této metodě nejsou skutečné binární data, které musí být přenášeny přes kabel, odeslány jako sekvence logických jednotek a nula (technicky známá jako Non Return to Zero nebo NRZ). Namísto toho jsou bity převedeny na trochu jiný formát, který má řadu výhod oproti použití přímého binárního kódování.

Manchester kód obsahuje přechody časté úrovni, které umožňují přijímač pro extrakci hodinového signálu prostřednictvím digitální smyčky fázového závěsu (DPLL) a správně dekódovat hodnotu a synchronizaci každého bitu. Pro zajištění spolehlivého provozu pomocí DPLL, vysílaný bitový tok by měl obsahovat vysokou hustotu bitových přechodů. Všechny tyto kódy zaručují, což umožňuje příjemci DPLL správně extrahovat hodinový signál.

Technický popis

Dvoufázový kód Manchesteru může spotřebovat přibližně dvojnásobek šířky pásma původního signálu (20 MHz). To je dobré pro zavedení častých přechodů. Pro lokální síť 10 Mb / s spektrum signálů leží mezi 5 a 20 MHz. Manchester kódování se používá jako fyzická vrstva Ethernet LAN, kde další šířka pásma není významný problém pro přenos koaxiálního kabelu. Omezená šířka pásma CAT5e kabelu vyžadovala efektivnější způsob kódování pro přenos 100 Mb / s pomocí kódu MLT 4b / 5b. Používá se zde tři úrovně signálu (namísto dvou úrovní použitých v kódování v Manchesteru), a proto signál 100 Mbps zaujímá pouze šířku pásma 31 MHz. Gigabitový Ethernet využívá kódování pěti vrstev a 8b / 10b, aby bylo možné ještě efektivněji využívat omezenou šířku pásma kabelu a přenášet 1 Gb / s v šířce pásma 100 MHz.

Definice pojmu

Při přenosu dat je kód Manchester forma digitálního kódování, ve kterém jsou datové bity reprezentovány přechody z jednoho logického stavu do druhého. To se liší od běžnější metody, při které bit je reprezentován buď vysokým stavem, například +5 volty, nebo nízkým stavem, například 0 volty.

Při použití kódu Manchester II je délka každého datového bitu nastavena jako výchozí. Tím je signál samočinně synchronizován. Stav bitů se určuje podle směru přechodu. V některých systémech přechod z nízké na vysokou reprezentuje logiku 1 a přechod z vysokého na nízkou představuje logiku 0. V jiných systémech přechod z nízké na vysokou reprezentuje logiku nula a jednoho (jako přechod z vysokého na nejnižší).

Dobrá, ale ne dokonalá. Výhody a nevýhody technologie

Hlavní výhodou kódování v Manchesteru je skutečnost, že signál je synchronizován. To minimalizuje chybovost a optimalizuje spolehlivost. Hlavní nevýhodou je skutečnost, že signál zakódovaný v Manchesteru vyžaduje více bitů, které mají být přenášeny než v původním signálu.

Navzdory nepřekonatelným výhodám standardní digitální komunikace ve srovnání s analogovou signalizací existují některá obecná omezení technologie.

Jedním z nich je problém synchronizace: přijímač musí vědět, kdy přesně jsou informace odeslány k výběru příchozích dat. Všimněte si, že tato synchronizace není potřebná pro analogový přenos zvuku. Demodulovaný zvukový signál může být dodán k reproduktoru bez explicitní interpretace dat na straně přijímače.

Další nevýhodou je potřeba připojit stejnosměrný proud. Digitální data mohou obsahovat dlouhé kontinuální sekvence z nich nebo nuly, takže standardní digitální signál používaný pro přenos těchto dat zůstane na stejném napětí po poměrně dlouhou dobu.

Řešení problémů s omezením

Manchester kódování nabízí prostředky k odstranění těchto dvou omezení. Jedná se o jednoduchou schéma digitální modulace, která provádí dvě funkce:

• zajišťuje, že signál nikdy nezůstane na logické nízké nebo vysoké logické úrovni po dlouhou dobu;
• převede datový signál na datový signál plus synchronizaci.

Metody kódování

V mnoha případech je dokonale přijatelné použít samostatný hodinový signál pro dosažení synchronizace mezi vysílačem a přijímačem. Ale někdy je tento přístup nežádoucí, například když je potřeba, aby se minimalizovalo množství propojení mezi částmi systému, nebo když je miniaturizace vyžaduje mikroprocesor s nejnižším počtem kontaktů, které mohou nějakým způsobem poskytovat požadovanou funkčnost.

V jiných situacích, samostatný hodinový signál jednoduše není volbou. Například by bylo nesmírně neúčinné zahrnout do komplexního bezdrátového datového spojení dva samostatné radiofrekvenční vysílače a přijímač (tj. Jeden pro datové a jeden pro hodiny).

Rozhraní omezení

V případě rozhraní UART lze namísto externích hodin vysílaných vysílačem a přijímačem použít interní hodiny. Tato strategie však přináší významná omezení:

• Není odolný vůči změnám kmitočtu, které se stanou problematičtějšími, pokud jsou vysílač a přijímač v různých podmínkách.
• Nemá flexibilitu, protože vyžaduje, aby zařízení Tx a Rx byla explicitně předkonfigurována pro stejnou datovou rychlost.
• Přijímač typicky potřebuje rychlost interních hodin, která je výrazně vyšší než přenosová rychlost, což může vést k vážným omezením maximální rychlosti přenosu dat.

Zabránění stejnosměrnému proudu

Komplexní systémy, obzvláště vysokonapěťové, nejsou vždy schopné zajistit společné napětí vysílaného signálu kompatibilní s přijatelným rozsahem obecného režimu přijímače. Dalším problémem je poruchový proud. Trvalé připojení chrání před nebezpečnými dlouhodobými proudy, které jsou výsledkem zkratu.

Spojení střídavého proudu je proto jednoduchým způsobem, jak snížit nepříjemnosti a rizika spojená s režimy napětí v běžném režimu a režimy selhání.

Technologie lineárního kódování se používá ve standardních sítích Ethernet, specifikovaných standardem IEEE 802.3. Lineární kódování je proces, kterým se digitální informace v binárním bitovém proudu přeměňují na elektrické signály pro přenos.

Jak to funguje

Dvouúrovňový kód používá přechod napětí ve dvou stavech a reprezentuje jeden bit informací. Binární hodnota 0 je reprezentována přechodem z vyššího na nižší napětí na dobu nastavenou pro přenos jednoho bitu (tj. Jeden "bitový čas"). Binární 1 představuje přechod od nižšího k vyššímu. U sítí Ethernet je vysoké napětí typicky +0,85 V a nízká úroveň napětí je obvykle -0,85 V, což činí každý přechod napětí rovný 1,7 V.

Pozitivní aspekty procesu

Manchester kódování má tu výhodu, že umožňuje přenos dat bez nutnosti dalšího časovacího signálu. To je možné, protože přechody napětí se vyskytují uprostřed každého přenosového intervalu bitu, který nastavuje synchronizační vzorec. Změna průměrného intervalu tak umožňuje přijímacím stanicím udržovat správnou synchronizaci, aby se zajistila celistvost přenosu. Kvůli dalšímu přechodu na bit, který se používá pro účely synchronizace, kódování v Manchesteru je účinné pouze o 50%. Například pro získání datové rychlosti 10 Mb / s je požadována šířka pásma 20 MHz.

Další verze, nazývaná diferenciální kódování Manchester, je binární kód nulu přepnutím napětí na začátku bitového intervalu a binárním kódem jednotky bez přechodu na začátku bitového intervalu. V obou případech se přechod vyskytuje uprostřed intervalu pro účely synchronizace. Diferenciální kódování Manchester se používá pro sítě Token Ring IEEE 802.5.