Манчестър кодекс е какво?

Серийната цифрова комуникация стана доста популярна. Има много варианти: сред стандартните интерфейси на ниво дъска имаме UART, SPI и I2C. "Цифрова" комуникация може да бъде постигната и с помощта на аналогови сигнали. Един пример е радиочестотната линия за предаване на данни, която използва промени в аналоговата амплитуда, честота или фаза за безжично предаване на бинарни данни. Също така има високоскоростни диференциални интерфейси, като например серийни линии, базирани на LVDS или USB.

Манчестър код: какво е то и защо да го използвате

При прехвърлянето на данни се въвеждат различни методи за кодиране, за да се гарантира сигурността на данните и бързото им прехвърляне. Манчестър кодирането е един такъв метод за цифрово кодиране. Тя е много различна от другите методи, защото по подразбиране всяка дължина на данните е фиксирана. Състоянието на битовете се определя в зависимост от посоката на прехода. Различните системи представляват различно състояние на бита, но повечето системи представляват 1 бит срещу прехода от нисък към висок и 0 бита за висок и нисък преход.

Манчестър кодирането е метод за модулация на данни, който може да се използва в много ситуации, но е особено полезен за двукомпонентно предаване на информация, базирана на аналогови, радиочестотни, оптични, високоскоростни цифрови или дигитални сигнали на дълги разстояния.

Синхронизирането на сигналите е основното предимство на кодирането на Манчестър. Тя осигурява по-висока надеждност със същата скорост на предаване на данни в сравнение с други методи. Но кодирането на Манчестър има и някои недостатъци. Например, той изразходва повече трафик от първоначалния сигнал.

Всички видове кодиране в Манчестър имат следните характеристики:

• Всеки бит се предава на фиксирано време.
• "1" обозначава кога възниква висок до нисък преход, "0" се изразява, когато преходът е от нисък към висок.
• Преходът, който се използва за бележка 1 или 0, възниква точно в средата на периода.

Кодирането в общия смисъл е процесът на преобразуване на данните във формат, необходим за удовлетворяване нуждите от обработка на информацията, включително:

• Съставяне и изпълнение на програмата.
• Предаване на данни, съхранение и компресия (декомпресия).
• Обработка на данни за приложението, като например преобразуване на файлове.

Всички видове кодове могат да имат две значения:

• В компютърната технология кодирането е процесът на прилагане на определен код, като например букви, символи и цифри, към данни за преобразуване в еквивалентен шифър.
• В електрониката кодирането се отнася за преобразуване от аналогово към цифрово.

Малко история

Манчестърският код (публикуван за пръв път през 1949 г.) е технология за синхронизирано кодиране на часовника, използвана от физическия слой, за да кодира часовника и синхронните битстрийми данни. При този метод действителните бинарни данни, които трябва да бъдат предадени по кабела, не се изпращат като последователност от логически единици и нули (технически известни като Non Return to Zero или NRZ). Вместо това битите се преобразуват в малко по-различен формат, което има редица предимства пред използването на директно двоично кодиране.

Манчестърският код съдържа чести преходи на ниво, които позволяват на приемника да извлече синхронизиращия сигнал с цифрова фиксирана линия (DPLL) и правилно да декодира стойността и синхронизацията на всеки бит. За да се осигури надеждна работа с DPLL, предаваният битстрийм трябва да съдържа висока плътност на преходите на битовете. Всички видове кодове гарантират това, което позволява на приемащия DPLL да извлече правилно часовника.

Техническо описание

Двуфазовният код на Манчестър може да консумира приблизително два пъти по-голяма честотна лента от оригиналния сигнал (20 MHz). Това е добре за въвеждането на чести преходи. За локална мрежа от 10 Mbps спектър от сигнали е между 5 и 20 MHz. Манчестър кодирането се използва като физически слой на Ethernet LAN, където допълнителната честотна лента не е сериозен проблем за предаването на коаксиален кабел. Ограничената честотна лента на CAT5e кабела изисква по-ефективен метод за кодиране за предаване на 100 Mbps, използвайки MLT 4b / 5b кода. Това използва три нива на сигнала (вместо двете нива, използвани в кодирането в Манчестър) и оттам сигналът от 100 Mbps заема само широчина на честотната лента от 31 MHz. Gigabit Ethernet използва пет слоя и 8b / 10b кодиране, за да осигури още по-ефективно използване на ограничената честотна лента на кабела, предавайки 1 Gb / s при честотна лента от 100 MHz.

Определение на понятието

При предаване на данни кодът на Манчестър е форма на цифрово кодиране, в която бита данни се представят чрез преходи от едно логическо състояние в друго. Това е различно от по-често срещания метод, при който битовете се представят или от високо състояние, например +5 волта, или от ниско състояние, например 0 волта.

Когато се използва код Манчестър II, дължината на всеки бит за данни е зададена по подразбиране. Това прави сигнала самостоятелно синхронизиране. Състоянието на битовете се определя в зависимост от посоката на прехода. В някои системи преходът от нисък към висок представлява логика 1, а преходът от висока към ниска представлява логика 0. В други системи преходът от нисък към висок представлява логиката нула и една (като преход от високо към ниско).

Добър, но не и перфектен. Предимства и недостатъци на технологиите

Основното предимство на кодирането на Манчестър е фактът, че сигналът е синхронизиран. Това свежда до минимум процента на грешки и оптимизира надеждността. Основният недостатък е фактът, че сигналът, кодиран в Манчестър, изисква да се предават повече бита, отколкото в оригиналния сигнал.

Въпреки непреодолимите предимства на стандартната цифрова комуникация в сравнение с аналоговата сигнализация, има някои общи ограничения на технологията.

Един от тях е проблемът със синхронизацията: приемникът трябва да знае кога точно е изпратена информацията, за да избере входящите данни. Обърнете внимание, че тази синхронизация не е необходима за аналогово аудио предаване. Демодулираният аудио сигнал може да се достави на високоговорителя без изрична интерпретация на данните от страната на приемника.

Друг недостатък е необходимостта от свързване на постоянен ток. Цифровите данни могат да включват продължителни последователни последователности от тях или нули и по този начин стандартният цифров сигнал, използван за предаване на тези данни, ще остане при същото напрежение за относително дълъг период от време.

Решаване на проблеми с ограниченията

Манчестър кодирането предлага средство за премахване на тези две ограничения. Това е проста схема за цифрова модулация, която изпълнява две функции:

• гарантира, че сигналът никога няма да остане на логическо ниско или високо логическо ниво за дълъг период от време;
• преобразува информационния сигнал в сигнал за данни плюс синхронизация.

Методи за кодиране

В много случаи е напълно приемливо да се използва отделен часовников сигнал, за да се постигне синхронизация между предавателя и приемника. Но понякога такъв подход е нежелан, например когато трябва да намалите броя на връзките между частите на системата или когато миниатюризацията изисква микроконтролер с най-малко контакти, които по някакъв начин могат да осигурят необходимата функционалност.

В други ситуации отделен часовников сигнал просто не е опция. Например, би било изключително неефективно да се включат два отделни радиочестотни предавателя и един приемник (т.е. един за данни и един за часовник) в сложна безжична връзка за данни.

Интерфейсни ограничения

При интерфейса UART може да се използва вътрешен часовник вместо външния часовник, предаван от предавателя и приемника. Но тази стратегия носи значителни ограничения:

• Не са устойчиви на промени в честотата, които стават по-проблемни, когато предавателят и приемникът са в различни условия.
• Той няма гъвкавост, защото изисква устройствата Tx и Rx да са предварително конфигурирани за една и съща скорост на предаване на данни.
• Обикновено приемникът се нуждае от вътрешна честота на часовника, която е значително по-висока от скоростта на предаване на данни, което може да доведе до сериозни ограничения на максималната скорост на предаване на данни.

Избягване на постоянен ток

Комплексните системи, особено тези с високо напрежение, не винаги са в състояние да осигурят общото напрежение на предавания сигнал, съвместимо с приемливия обхват на общия режим на приемника. Друг проблем е токов ток. Постоянната връзка не предпазва от опасни дългосрочни токове, които са резултат от късо съединение.

Така AC връзката е прост начин за намаляване на неудобствата и рисковете, свързани с режимите на напрежение в общ режим и режимите на отказ.

Технологията на линейно кодиране се използва в стандартни Ethernet мрежи, определени в стандарта IEEE 802.3. Линейно кодиране е процесът, чрез който цифровата информация в бинарен битстрийм се преобразува в електрически сигнали за предаване.

Как работи

Кодът на две нива използва преход на напрежение в две състояния, за да представлява една част от информацията. Двойственото 0 е представено чрез преход от по-високо към по-ниско напрежение за времето, зададено за предаването на един бит (т.е., едно "време за бит"). Двоичното 1 е представено чрез прехода от по-ниското към по-високото. За Ethernet мрежите високо напрежение обикновено е +0.85 волта, а ниското напрежение обикновено е -0.85 волта, което прави всеки преход на напрежение равен на 1.7 волта.

Положителните аспекти на процеса

Манчестър кодирането има предимството, че позволява предаването на данни без нужда от допълнителен сигнал за синхронизация. Това е възможно, тъй като преходите на напрежението се появяват в средата на всеки интервал на предаване на бита, който задава синхронизиращия шаблон. По този начин промяната на средния интервал позволява на получаващите станции да поддържат правилна синхронизация помежду си, за да се осигури цялостността на предаването. Поради допълнителния преход към бита, който се използва за синхронизация, кодирането в Манчестър е ефективно само с 50%. Например, за да се получи скорост на предаване на данни от 10 Mbps, е необходима честотна лента от 20 MHz.

Друга версия, наречена диференциално кодиране на Манчестър, е двоичен код нула от напрежението преход в началото на бита интервал и двоичен код на единица без преход в началото на бит интервал. И в двата случая преходът се извършва в средата на интервала за целите на синхронизацията. Диференциалното кодиране на Манчестър се използва за мрежи Token Ring IEEE 802.5.