Манчестерский код - это что такое?

Серийная цифровая связь стала довольно популярной. Существует много разновидностей: среди стандартных интерфейсов на уровне плат у нас есть UART, SPI и I2C. «Цифровая» связь также может быть достигнута с помощью аналоговых сигналов. Одним из примеров является линия радиочастотной передачи данных, которая использует изменения аналоговой амплитуды, частоты или фазы для беспроводной передачи двоичных данных. Также есть высокоскоростные дифференциальные интерфейсы, такие как последовательные линии связи на основе LVDS или USB.

Манчестерский код: что это такое и зачем его использовать

При передаче данных внедряются различные методы кодирования для обеспечения безопасности данных и быстрой передачи. Манчестерское кодирование является одним из таких цифровых способов кодирования. Оно сильно отличается от других методов, поскольку по умолчанию каждая длина бит данных фиксируется. Состояние бит определяется в соответствии с направлением перехода. Различные системы представляют бит-статус по-разному, но большинство систем представляют 1 бит против перехода от низкого к высокому и 0 бит для перехода с высоким и низким.

Манчестерское кодирование — это метод модуляции данных, который может использоваться во многих ситуациях, но особенно полезен при двоичной передаче информации на основе аналоговых, радиочастотных, оптических, высокоскоростных цифровых или дальних цифровых сигналов.

Синхронизация сигналов является основным преимуществом манчестерского кодирования. Она обеспечивает более высокую надежность с той же скоростью передачи данных по сравнению с другими методами. Но манчестерское кодирование также имеет некоторые недостатки. Например, оно потребляет больше полосы пропускания, чем исходный сигнал.

Все виды кодирования по Манчестеру имеют следующие характеристики:

• Каждый бит передается в фиксированное время.
• "1" отмечается, когда происходит переход от высокого к низкому; "0" выражается, когда выполняется переход от низкого до высокого.
• Переход, который используется для примечания 1 или 0, точно встречается в середине периода.

Кодирование в общем понимании — это процесс преобразования данных в формат, необходимый для удовлетворения потребностей в обработке информации, в том числе:

• Компиляция и исполнение программы.
• Передача данных, хранение и сжатие (декомпрессия).
• Обработка данных приложений, таких как преобразование файлов.

Все виды кодов могут иметь два значения:

• В компьютерной технологии кодирование представляет собой процесс применения определенного кода, такого как буквы, символы и цифры, к данным для преобразования в эквивалентный шифр.
• В электронике кодирование относится к аналого-цифровому преобразованию.

Немного истории

Манчестерский код (впервые опубликован в 1949 году) представляет собой синхронную технологию кодирования часов, используемую физическим уровнем для кодирования тактового сигнала и данных синхронного потока бит. В этом методе фактические двоичные данные, которые должны передаваться по кабелю, не отправляются как последовательность логических единиц и нолей (известные технически как Non Return to Zero или NRZ). Вместо этого биты преобразуются в несколько иной формат, который имеет ряд преимуществ перед использованием прямого двоичного кодирования.

Манчестерский код содержит частые переходы уровня, которые позволяют приемнику извлекать синхронизирующий сигнал с помощью цифровой фазовой блокированной петли (DPLL) и правильно декодировать значение и синхронизацию каждого бита. Чтобы обеспечить надежную работу с использованием DPLL, передаваемый бит-поток должен содержать высокую плотность бит-переходов. Все виды кодов гарантируют это, позволяя принимающему DPLL правильно извлекать тактовый сигнал.

Техническое описание

Двухфазный манчестерский код может потреблять примерно вдвое большую ширину полосы исходного сигнала (20 МГц). Это штраф за введение частых переходов. Для локальной сети 10 Мбит/с спектр сигналов лежит между 5 и 20 МГц. Манчестерское кодирование используется в качестве физического уровня локальной сети Ethernet, где дополнительная пропускная способность не является существенной проблемой для передачи коаксиального кабеля. Ограниченная пропускная способность кабеля CAT5e потребовала более эффективного метода кодирования для передачи 100 Мбит/с с использованием кода MLT 4b/5b. Это использует три уровня сигнала (вместо двух уровней, используемых в манчестерском кодировании), и следовательно, сигнал 100 Мбит/с занимает только полосу пропускания 31 МГц. Gigabit Ethernet использует пять уровней и кодирование 8b/10b, чтобы обеспечить еще более эффективное использование ограниченной пропускной способности кабеля, передавая 1 Гбит/с в полосе пропускания 100 МГц.

Определение понятия

При передаче данных манчестерский код представляет собой форму цифрового кодирования, в котором биты данных представлены переходами из одного логического состояния в другое. Это отличается от более распространенного метода, в котором бит представлен либо высоким состоянием, например, +5 вольт, либо низким состоянием, например 0 вольт.

Когда используется код Манчестера II, длина каждого бита данных устанавливается по умолчанию. Это делает сигнал самосинхронизирующимся. Состояние бит определяется в соответствии с направлением перехода. В некоторых системах переход от низкого к высокому представляет логику 1, а переход от высокой к низкой представляет логику 0. В других системах переход от низкого к высокому представляет логику ноля и единицы (как переход от высокой к низкой).

Хорошо, но не идеально. Плюсы и минусы технологии

Главным преимуществом манчестерского кодирования является тот факт, что сигнал синхронизируется. Это минимизирует частоту ошибок и оптимизирует надежность. Основным недостатком является тот факт, что сигнал, закодированный в Манчестере, требует передачи большего количества бит, чем в исходном сигнале.

Несмотря на непреодолимые преимущества стандартной цифровой связи по сравнению с аналоговой сигнализацией, существуют некоторые общие ограничения технологии.

Одно из них — проблема синхронизации: приемник должен знать, когда именно передается информация для отбора входящих данных. Обратите внимание, что эта синхронизация не нужна для аналоговой аудиопередачи. Демодулированный аудиосигнал может быть доставлен в динамик без явной интерпретации данных на стороне приемника.

Другим недостатком является необходимость подключения постоянного тока. Цифровые данные могут включать длинные непрерывные последовательности из них или нули, и, таким образом, стандартный цифровой сигнал, используемый для передачи этих данных, будет оставаться на одном и том же напряжении в течение относительно длительного периода времени.

Решение проблем ограничений

Манчестерское кодирование предлагает средство для устранения этих двух ограничений. Это простая цифровая схема модуляции, которая выполняет две функции:

• гарантирует, что сигнал никогда не будет оставаться на логическом низком или высоком уровне логики в течение длительного периода времени;
• преобразует сигнал данных в сигнал данных плюс синхронизация.

Способы кодирования

Во многих случаях вполне приемлемо использовать отдельный тактовый сигнал для достижения синхронизации между передатчиком и приемником. Но иногда такой подход нежелателен, например, когда вам нужно минимизировать количество межсоединений между частями системы или когда миниатюризация требует микроконтроллера с наименьшим количеством контактов, который может каким-то образом обеспечить требуемую функциональность.

В других ситуациях отдельный тактовый сигнал просто не является вариантом. Например, было бы крайне неэффективно включать два отдельных радиочастотных передатчика и приемника (то есть один для данных и один для часов) в сложной беспроводной линии передачи данных.

Ограничения интерфейсов

В случае с интерфейсом UART вместо внешних часов, передаваемых передатчиком и приемником, можно использовать внутренние синхронизирующие сигналы. Но эта стратегия приносит существенные ограничения:

• Не устойчива к частотным изменениям, которые становятся более проблематичными, когда передатчик и приемник находятся в разных условиях.
• Не обладает гибкостью, поскольку требует, чтобы устройства Tx и Rx были явно предварительно сконфигурированы для одной и той же скорости передачи данных.
• Обычно приемнику требуется внутренняя тактовая частота, которая значительно выше, чем скорость передачи данных, и это может привести к жестким ограничениям на максимальную скорость передачи данных.

Избегание постоянного тока

Сложные системы, особенно с высоким напряжением, не всегда способны обеспечить синфазное напряжение передаваемого сигнала совместимо с допустимым диапазоном общего режима приемника. Еще одна проблема - токи повреждения. Постоянное соединение не защищает от опасных долгосрочных токов, возникающих в результате короткого замыкания.

Таким образом, соединение переменного тока является простым способом уменьшить неудобства и риски, связанные с режимами синфазного напряжения и режимами отказа.

Технология линейного кодирования используется в стандартных сетях Ethernet, специфицированная — в стандарте IEEE 802.3. Линейное кодирование — это процесс, посредством которого цифровая информация в двоичном битовом потоке преобразуется в электрические сигналы для передачи.

Как это работает

Двухуровневый код использует переход напряжения в двух состояниях для представления одного бита информации. Бинарный 0 представлен переходом от более высокого к более низкому напряжению в течение времени, установленного для передачи одного бита (то есть одного «битового времени»). Бинарная 1 представлена переходом от низшего к высшему. Для сетей Ethernet высокое напряжение обычно составляет +0,85 вольта, а уровень низкого напряжения обычно составляет -0,85 вольта, что делает каждый переход напряжения равным 1,7 вольта.

Положительные стороны процесса

Манчестерское кодирование имеет то преимущество, что позволяет передавать данные без необходимости в дополнительном тактирующем сигнале. Это возможно, потому что переходы напряжения происходят в середине каждого интервала передачи бит, который устанавливает шаблон синхронизации. Таким образом, изменение среднего интервала позволяет приемным станциям поддерживать надлежащую синхронизацию друг с другом, чтобы обеспечить целостность передачи. Из-за дополнительного перехода на бит, который используется для целей синхронизации, кодировка Манчестера эффективна только на 50 %. Например, для получения скорости передачи данных 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 20 МГц.

Другая версия, называемая дифференциальным манчестерским кодированием, представляет собой двоичный код нуля путем перехода напряжения в начале битового интервала и двоичный код единицы без перехода в начале битового интервала. В обоих случаях переход происходит в середине интервала для целей синхронизации. Дифференциальная манчестерская кодировка используется для сетей Token Ring IEEE 802.5.