Kod Manchester

Utrzymanie synchronizacji w strumieniu danych

W prostym modelu transmisji wysokie napięcie oznacza '1', a niskie '0'. Model ten, znany jako NRZ (Non-Return-to-Zero), działa przy zróżnicowanych danych. Długa sekwencja identycznych bitów, na przykład 11111111 lub 00000000, utrzymuje sygnał na stałym poziomie przez wiele okresów bitowych.

Stały poziom sygnału utrudnia pracę odbiornika. Odbiornik potrzebuje zegara, aby próbkować sygnał w odpowiednich chwilach i odczytać każdy bit. Bez przejść jego zegar może przesunąć się względem zegara nadajnika, przez co próbki trafią zbyt wcześnie lub zbyt późno. Odbiornik może wtedy utracić granice bitów i błędnie odczytać próbki w tym odcinku. Kodowanie Manchester umieszcza informację o zegarze bezpośrednio w sygnale danych. Odbiornik musi utrzymać to odniesienie przez całą ramkę.

Kodowanie Manchester i przejście w środku bitu

Manchester to samotaktujący kod liniowy. W każdym okresie bitowym występuje przejście sygnału w połowie, niezależnie od tego, czy wysyłane jest '0', czy '1'. Przejście dostarcza odbiornikowi informacji potrzebnej do utrzymania synchronizacji. Przejście na granicy bitów także może wystąpić, zależnie od sąsiednich symboli, lecz gwarantowane przejście środkowe jest odniesieniem czasowym.

Zasady kodowania

Stosowane są dwie konwencje. W sieci Ethernet standard IEEE 802.3 definiuje następujące przypisanie poziomów:

• Logiczne '0': Występuje przejście napięcia z poziomu wysokiego na niski w połowie okresu bitowego. Sygnał jest wysoki przez pierwszą połowę i niski przez drugą.
• Logiczne '1': Występuje przejście napięcia z poziomu niskiego na wysoki w połowie okresu bitowego. Sygnał jest niski przez pierwszą połowę i wysoki przez drugą.

Właściwości sygnału i kompromisy

Konstrukcja kodu Manchester wyznacza jego właściwości i kompromis między synchronizacją a zajmowanym pasmem.

Główne zalety

• Odzyskiwanie zegara: Przejście w każdym bicie dostarcza układom odzyskiwania zegara, na przykład pętli PLL, regularnych zboczy do śledzenia taktowania danych. W torze spełniającym wymagania odbiornika ułatwia to utrzymanie synchronizacji.
• Brak składowej stałej: W każdym okresie bitowym sygnał spędza tyle samo czasu na dodatnim i ujemnym poziomie o tej samej wartości bezwzględnej, więc średnie napięcie stałe idealnego przebiegu wynosi zero. Ułatwia to transmisję przez systemy ze sprzężeniem AC, takie jak transformatory, które nie przenoszą składowej stałej.

Wpływ kodowania na pasmo

W opisanym polarnym modelu każdy symbol Manchester składa się z dwóch odcinków o przeciwnych polaryzacjach, każdy o czasie trwania $T_b/2$. Dla niezależnych i jednakowo prawdopodobnych bitów pierwsze dodatnie zero gęstości widmowej mocy znajduje się przy częstotliwości $2R_b$, gdzie $R_b=1/T_b$ oznacza przepływność bitową.

Dla prostokątnych impulsów pierwsze zero widma polarnego NRZ występuje przy $R_b$. Kod Manchester ma więc dwukrotnie większą jednostronną szerokość widma mierzoną do pierwszego zera. Pasmo wymagane w rzeczywistym kanale zależy także od kształtowania impulsów, charakterystyki toru i dopuszczalnego zniekształcenia.

Zastosowania

Właściwość samotaktowania sprawiła, że kodowanie Manchester stosowano we wczesnych standardach sieci lokalnych (LAN).

• Ethernet 10BASE-T: Standard 10 Mb/s dla skrętki miedzianej używa kodowania Manchester.
• Token Ring: Technologia LAN określona w IEEE 802.5 stosuje różnicowe kodowanie Manchester, w którym przejście w środku bitu służy do taktowania.
• RFID: Kod Manchester występuje w wybranych pasywnych protokołach identyfikacji radiowej (RFID), gdzie przejścia wspierają odbiór bez osobnej linii zegarowej.

Szybszy Ethernet korzysta z innych schematów. 100BASE-TX łączy kodowanie 4B/5B z MLT-3, a 1000BASE-X stosuje 8B/10B. Manchester pozostaje prostym przykładem kodu samotaktującego w sieciach komputerowych.