Манчестерский код: схема кодирования данных для ранних накопителей и Ethernet. Самосинхронизирующийся сигнал без постоянной составляющей, разработан в Манчестере.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Линейный код, используемый в ранних системах магнитного хранения данных и Ethernet.
Line code used in early magnetic data storage and Ethernet
В телекоммуникациях и хранении данных код Манчестера (также известный как фазовое кодирование или PE) — это линейный код, в котором кодирование каждого бита данных осуществляется либо переходом от низкого к высокому уровню, либо от высокого к низкому, за равное время. Это самосинхронизирующийся сигнал, не имеющий постоянной составляющей. Следовательно, электрические соединения, использующие код Манчестера, легко поддаются гальванической изоляции. Код Манчестера получил свое название в честь разработки в Манчестерском университете, где он применялся для хранения данных на магнитных барабанах компьютера Manchester Mark 1. Код Манчестера широко использовался для магнитной записи на компьютерных лентах плотностью 1600 бит на дюйм до появления лент плотностью 6250 бит на дюйм, которые использовали более эффективную групповую кодировку. Код Манчестера применялся в ранних стандартах физического уровня Ethernet и до сих пор используется в потребительских инфракрасных протоколах, RFID и ближней бесконтактной связи.
In telecommunication and data storage, Manchester code (also known as phase encoding, or PE) is a line code in which the encoding of each data bit is either low then high, or high then low, for equal time. It is a self clocking signal with no DC component. Consequently, electrical connections using a Manchester code are easily galvanically isolated. Manchester code derives its name from its development at the University of Manchester, where the coding was used for storing data on the magnetic drums of the Manchester Mark 1 computer. Manchester code was widely used for magnetic recording on 1600 bpi computer tapes before the introduction of 6250 bpi tapes which used the more efficient group coded recording. Manchester code was used in early Ethernet physical layer standards and is still used in consumer IR protocols, RFID and near field communication.
Особенности
Манчестерское кодирование является частным случаем фазовой манипуляции (BPSK), где данные управляют фазой несущей прямоугольной волны, частота которой равна скорости передачи данных. Манчестерский код обеспечивает частые переключения напряжения линии, прямо пропорциональные частоте тактового сигнала, что облегчает восстановление синхронизации. Постоянная составляющая закодированного сигнала не зависит от данных и, следовательно, не несет информации. Благодаря этому соединения могут быть выполнены индуктивным или емкостным способом, позволяя передавать сигнал по гальванически изолированным средам (например, Ethernet) с использованием сетевого изолятора – простого импульсного трансформатора, не способного передавать постоянный ток.
Manchester coding is a special case of binary phase shift keying (BPSK), where the data controls the phase of a square wave carrier whose frequency is the data rate. Manchester code ensures frequent line voltage transitions, directly proportional to the clock rate; this helps clock recovery. The DC component of the encoded signal is not dependent on the data and therefore carries no information. Therefore connections may be inductively or capacitively coupled, allowing the signal to be conveyed conveniently by galvanically isolated media (e. g., Ethernet) using a network isolator—a simple one to one pulse transformer which cannot convey a DC component.
Ограничения
Скорость передачи данных при манчестерском кодировании составляет лишь половину скорости передачи данных некодированного сигнала, что ограничивает его применение системами, где пропускная способность не является критичным фактором, например, в локальных вычислительных сетях (LAN). Манчестерское кодирование создает сложные проблемы, связанные с частотой, из-за чего оно не подходит для использования при высоких скоростях передачи данных. Существуют более сложные схемы кодирования, такие как 8B/10B, которые позволяют достичь той же скорости передачи данных, занимая меньшую полосу пропускания, но могут быть менее устойчивы к частотным погрешностям и джиттеру в опорных генераторах передатчика и приемника.
Manchester coding's data rate is only half that of a non coded signal, which limits its usefulness to systems where bandwidth is not an issue, such as a local area network (LAN). Manchester encoding introduces difficult frequency related problems that make it unsuitable for use at higher data rates. There are more complex codes, such as 8B/10B encoding, that use less bandwidth to achieve the same data rate but may be less tolerant of frequency errors and jitter in the transmitter and receiver reference clocks.
Кодирование и декодирование
Манчестерский код всегда имеет переход в середине каждого битового периода и может (в зависимости от передаваемой информации) иметь переход и в начале периода. Направление перехода в середине бита указывает на данные. Переходы на границах периода не несут информации; они служат только для установки сигнала в нужное состояние, необходимое для перехода в середине бита.
Manchester code always has a transition at the middle of each bit period and may (depending on the information to be transmitted) have a transition at the start of the period also. The direction of the mid bit transition indicates the data. Transitions at the period boundaries do not carry information. They exist only to place the signal in the correct state to allow the mid bit transition.
Конвенции для представления данных
Существуют две противоположные конвенции для представления данных. Первая из них была впервые опубликована Г. Э. Томасом в 1949 году, и ей последовали многочисленные авторы (например, Энди Таненбаум). Она определяет, что для бита 0 уровни сигнала будут низкий-высокий (при условии амплитудного физического кодирования данных) – с низким уровнем в первой половине битового периода и высоким уровнем во второй половине. Для бита 1 уровни сигнала будут высокий-низкий. Это также известно как код Манчестера II или бифазный код L. Вторая конвенция также используется многими авторами (например, Уильямом Сталлингсом), а также стандартами IEEE 802.4 (token bus) и более медленными версиями IEEE 802.3 (Ethernet). Она утверждает, что логический 0 представлен последовательностью высокий-низкий сигнала, а логический 1 – последовательностью низкий-высокий сигнала. Если манчестерский кодированный сигнал инвертируется при передаче, он преобразуется из одной конвенции в другую. Эту неоднозначность можно устранить, используя дифференциальное манчестерское кодирование.
There are two opposing conventions for the representations of data. The first of these was first published by G. E. Thomas in 1949 and is followed by numerous authors (e. g., Andy Tanenbaum). It specifies that for a 0 bit the signal levels will be low–high (assuming an amplitude physical encoding of the data) – with a low level in the first half of the bit period, and a high level in the second half. For a 1 bit the signal levels will be high–low. This is also known as Manchester II or Biphase L code. The second convention is also followed by numerous authors (e. g., William Stallings) as well as by IEEE 802.4 (token bus) and lower speed versions of IEEE 802.3 (Ethernet) standards. It states that a logic 0 is represented by a high–low signal sequence and a logic 1 is represented by a low–high signal sequence. If a Manchester encoded signal is inverted in communication, it is transformed from one convention to the other. This ambiguity can be overcome by using differential Manchester encoding.
Декодирование
Существование гарантированных переходов позволяет сигналу быть самосинхронизирующимся, а также обеспечивает правильную синхронизацию приемника; приемник может определить, смещен ли он на половину длительности бита, поскольку в этом случае переход не будет происходить в каждом периоде бита. Цена этих преимуществ – увеличение требуемой полосы пропускания вдвое по сравнению с более простыми схемами кодирования NRZ.
The existence of guaranteed transitions allows the signal to be self clocking, and also allows the receiver to align correctly; the receiver can identify if it is misaligned by half a bit period, as there will no longer always be a transition during each bit period. The price of these benefits is a doubling of the bandwidth requirement compared to simpler NRZ coding schemes.