Манчестерський код - це що таке?

Серійна цифровий зв'язок стала досить популярною. Існує багато різновидів: серед стандартних інтерфейсів на рівні плат у нас є UART, SPI і I2C. «Цифрова» зв'язок також може бути досягнута за допомогою аналогових сигналів. Одним з прикладів є лінія радіочастотної передачі даних, яка використовує зміни аналогової амплітуди, частоти або фази для бездротової передачі двійкових даних. Також є високошвидкісні диференціальні інтерфейси, такі як послідовні лінії зв'язку на основі LVDS або USB.

Манчестерський код: що це таке і навіщо його використовувати

При передачі даних впроваджуються різні методи кодування для забезпечення безпеки даних і швидкої передачі. Манчестерське кодування є одним з таких цифрових способів кодування. Воно сильно відрізняється від інших методів, оскільки за замовчуванням кожна довжина біт даних фіксується. Стан біт визначається у відповідності з напрямком переходу. Різні системи являють біт-статус по-різному, але більшість систем являють 1 біт проти переходу від низького до високого і 0 біт для переходу з високим і низьким. Манчестерське кодування — це метод модуляції даних, який може використовуватися в багатьох ситуаціях, але особливо корисний при передачі двійкової інформації на основі аналогових, радіочастотних, оптичних, високошвидкісних цифрових чи далеких цифрових сигналів. Синхронізація сигналів є основною перевагою манчестерського кодування. Вона забезпечує більш високу надійність з тією ж швидкістю передачі даних у порівнянні з іншими методами. Але манчестерське кодування також має деякі недоліки. Наприклад, воно споживає більше смуги пропускання, ніж вихідний сигнал.


Всі види кодування з Манчестера мають наступні характеристики: Кожен біт передається у фіксований час. "1" відмічається, коли відбувається перехід від високого до низького; "0" виражається, коли виконується перехід від низького до високого. Перехід, який використовується для примітки 1 або 0 точно зустрічається в середині періоду. Кодування в загальному розумінні — це процес перетворення даних у формат, необхідний для задоволення потреб в обробці інформації, в тому числі: Компіляція і виконання програми. Передача даних, зберігання і стиснення (декомпресія). Обробка даних додатків, таких як перетворення файлів. Всі види кодів можуть мати два значення: В комп'ютерній технології кодування являє собою процес застосування певного коду, такого як букви, символи і цифри, до даних для перетворення в еквівалентний шифр. В електроніці кодування відноситься до аналого-цифрового перетворення.

Трохи історії

Манчестерський код (вперше опублікована в 1949 році) представляє собою синхронну технологію кодування годин, використовувану фізичним рівнем для кодування тактового сигналу і даних синхронного потоку біт. У цьому методі фактичні двійкові дані, які повинні передаватися по кабелю, не надсилаються як послідовність логічних одиниць і нулів (відомі як технічно Non Return to Zero або NRZ). Замість цього біти перетворюються в дещо інший формат, який має ряд переваг перед використанням прямого двійкового кодування.
Манчестерський код містить часті переходи рівня, які дозволяють приймачу витягувати синхронізуючий сигнал з допомогою цифрової фазової блокованої петлі (DPLL) і правильно декодувати значення і синхронізацію кожного біта. Щоб забезпечити надійну роботу з використанням DPLL, переданий біт-потік повинен містити високу щільність біт-переходів. Всі види кодів гарантують це, дозволяючи приймає DPLL правильно витягувати тактовий сигнал.

Технічний опис

Двофазний манчестерський код споживати приблизно вдвічі більшу ширину смуги вихідного сигналу (20 МГц). Це штраф за введення частих переходів. Для локальної мережі 10 Мбіт/с спектр сигналів лежить між 5 і 20 МГц. Манчестерське кодування використовується в якості фізичного рівня локальної мережі Ethernet, де додаткова пропускна здатність не є істотною проблемою для передачі коаксіального кабелю. Обмежена пропускна здатність кабелю CAT5e зажадала більш ефективного методу кодування для передачі 100 Мбіт/с з використанням коду MLT 4b/5b. Це використовує три рівня сигналу (замість двох рівнів, використовуваних в манчестерському кодуванні), і отже, сигнал 100 Мбіт/с займає смугу пропускання 31 МГц. Gigabit Ethernet використовує п'ять рівнів та кодування 8b/10b, щоб забезпечити ще більш ефективне використання обмеженої пропускної здатності кабелю, передаючи 1 Гбіт/с в смузі пропускання 100 МГц.

Визначення поняття

При передачі даних манчестерський код являє собою форму цифрового кодування, в якому біти даних представлені переходами з одного логічного стану в інший. Це відрізняється від більш поширеного методу, в якому біт представлений або високим станом, наприклад, +5 вольт, або низьким станом, наприклад 0 вольт.
Коли використовується код Манчестера II, довжина кожного біта даних встановлюється за замовчуванням. Це робить сигнал самосинхронизирующимся. Стан біт визначається у відповідності з напрямком переходу. В деяких системах перехід від низького до високого являє логіку 1 а перехід від високої до низької являє логіку 0. В інших системах перехід від низького до високого являє логіку нуля та одиниці (як перехід від високої до низької).

Добре, але не ідеально. Плюси і мінуси технології

Головною перевагою манчестерського кодування є той факт, що сигнал синхронізується. Це мінімізує частоту помилок і оптимізує надійність. Основним недоліком є той факт, що сигнал, закодований у Манчестері, вимагає передачі більшої кількості біт, ніж у вихідному сигналі. Незважаючи на нездоланні переваги стандартної цифрового зв'язку в порівнянні з аналогової сигналізацією, існують деякі загальні обмеження технології. Одне з них — проблема синхронізації: приймач повинен знати, коли саме передається інформація для відбору вхідних даних. Зверніть увагу, що ця синхронізація не потрібна для аналогової аудіопередач. Демодулированный аудіосигнал може бути доставлений в динамік без явної інтерпретації даних на стороні приймача. Іншим недоліком є необхідність підключення постійного струму. Цифрові дані можуть включати довгі безупинні послідовності з них або нулі, і, таким чином, стандартний цифровий сигнал, який використовується для передачі цих даних, буде залишатися на одному і тому ж напрузі протягом відносно тривалого періоду часу.

Рішення проблем обмежень

Манчестерське кодування пропонує засіб для усунення цих двох обмежень. Це проста цифрова схема модуляції, яка виконує дві функції: гарантує, що сигнал ніколи не буде залишатися на логічному низькому або високому рівні логіки протягом тривалого періоду часу; перетворює сигнал даних сигнал даних плюс синхронізація.

Способи кодування

У багатьох випадках цілком прийнятно використовувати окремий тактовий сигнал для досягнення синхронізації між передавачем і приймачем. Але іноді такий підхід небажаний, наприклад, коли вам потрібно мінімізувати кількість межз'єднань між частинами системи або коли мініатюризація вимагає мікроконтролера з найменшою кількістю контактів, який може якимось чином забезпечити необхідну функціональність. В інших ситуаціях окремий тактовий сигнал просто не є варіантом. Наприклад, було б вкрай неефективно включати два окремих радіочастотних передавача і приймача (тобто один для даних і один для годин) у складній бездротової лінії передачі даних.

Обмеження інтерфейсів

У випадку з інтерфейсом UART замість зовнішніх годин, переданих передавачем і приймачем, можна використовувати внутрішні синхронізуючі сигнали. Але ця стратегія приносить суттєві обмеження: Не стійка до частотним змін, які стають більш проблематичними, коли передавач і приймач знаходяться в різних умовах. Не володіє гнучкістю, оскільки вимагає, щоб пристрої Tx і Rx були явно попередньо сконфігуровані для однієї і тієї ж швидкості передачі даних. Зазвичай приймача потрібна внутрішня тактова частота, яка значно вище, ніж швидкість передачі даних, і це може призвести до жорстких обмежень на максимальну швидкість передачі даних.

Уникання постійного струму

Складні системи, особливо з високою напругою, не завжди здатні забезпечити синфазное напруга сигналу, який передається сумісно з допустимим діапазоном загального режиму приймача. Ще одна проблема - струми пошкодження. Постійне з'єднання не захищає від небезпечних довгострокових струмів, що виникають у результаті короткого замикання. Таким чином, з'єднання змінного струму є простим способом зменшити незручності і ризики, пов'язані з режимами синфазної напруги і режимами відмови. Технологія лінійного кодування використовується в стандартних мережах Ethernet, специфицированная — у стандарті IEEE 802.3. Лінійне кодування — це процес, за допомогою якого цифрова інформація в двійковому бітовому потоці перетвориться в електричні сигнали для передачі.

Як це працює

Дворівневий код використовує перехід напруги в двох станах для представлення одного біта інформації. Бінарний 0 представлений переходом від вищого до нижчого напруги протягом часу, встановленого для передачі одного біта (тобто одного «бітового часу»). Бінарна 1 представлена переходом від нижчого до вищого. Для мереж Ethernet висока напруга зазвичай становить +085 вольта, а низький рівень напруги зазвичай становить -085 вольта, що робить кожен перехід напруги рівним 17 вольта.

Позитивні сторони процесу

Манчестерське кодування має ту перевагу, що дозволяє передавати дані без необхідності в додатковому тактирующем сигналі. Це можливо, тому що переходи напруги відбуваються в середині кожного інтервалу передачі біт, який встановлює шаблон синхронізації. Таким чином, зміна середнього інтервалу дозволяє прийомних станцій підтримувати належну синхронізацію один з одним, щоб забезпечити цілісність передачі. З-за додаткового переходу на біт, що використовується для цілей синхронізації, кодування Манчестера ефективна тільки на 50 %. Наприклад, для отримання швидкості передачі даних 10 Мбіт/с потрібно смуга пропускання 20 МГц. Інша версія, яка називається диференціальним манчестерським кодуванням, являє собою двійковий код нуля шляхом переходу напруги на початку бітового інтервалу і двійковий код одиниці без переходу на початку бітового інтервалу. В обох випадках перехід відбувається в середині інтервалу для цілей синхронізації. Диференціальна манчестерська кодування використовується для мереж Token Ring IEEE 802.5.