Problem: Jak utrzymać takt w strumieniu danych?

Wyobraźmy sobie prosty sposób wysyłania danych: użyjmy wysokiego napięcia dla '1' i niskiego dla '0'. Ta metoda, znana jako NRZ (Non-Return-to-Zero), działa dobrze przy zróżnicowanych danych. Co się jednak stanie, gdy musimy wysłać długą sekwencję identycznych bitów, jak 11111111 lub 00000000? Sygnał pozostaje na stałym poziomie przez długi czas.

Stwarza to krytyczny problem dla odbiornika. Odbiornik potrzebuje sygnału zegarowego, aby wiedzieć dokładnie, kiedy próbkować przychodzący sygnał w celu odczytania każdego bitu. Bez żadnych zmian w sygnale zegar odbiornika może "rozjechać się" z zegarem nadawcy. Może zacząć próbkować za wcześnie lub za późno, co prowadzi do błędów. Długi ciąg zer mógłby zostać całkowicie pominięty. Kodowanie Manchester rozwiązuje ten problem, w sprytny sposób osadzając sygnał zegarowy bezpośrednio w sygnale danych.

Jak działa kodowanie Manchester: Przejście w środku bitu

Manchester to samotaktujący kod liniowy. Jego podstawową zasadą jest to, że w każdym okresie bitowym występuje przejście sygnału w jego połowie, niezależnie od tego, czy wysyłane jest '0', czy '1'. Ta stała aktywność gwarantuje, że odbiornik zawsze może utrzymać synchronizację.

Zasady Kodowania

Ważne jest, aby pamiętać o istnieniu dwóch konwencji. Najpopularniejsza we współczesnych sieciach jest zdefiniowana w standardzie IEEE 802.3 (Ethernet):

• 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.

Interaktywny Kod Manchester

Właściwości sygnału i kompromisy

Konstrukcja kodu Manchester nadaje mu charakterystyczne właściwości, co wiąże się ze znaczącym kompromisem między niezawodnością a wydajnością.

Kluczowe Zalety

• Gwarantowane Odtwarzanie Zegara: Ciągłe przejścia pozwalają układom odzyskiwania zegara w odbiorniku (takim jak pętla PLL) łatwo i niezawodnie zsynchronizować się z taktowaniem przychodzących danych. To jest główna zaleta tego kodu.
• Brak Składowej Stałej: Ponieważ w każdym okresie bitowym sygnał spędza tyle samo czasu na poziomie wysokim, co na niskim, średnie napięcie stałe sygnału wynosi zero. Czyni to go idealnym do przesyłania przez systemy ze sprzężeniem AC, takie jak transformatory, które nie przenoszą składowej stałej.

Główna Wada: Szerokość Pasma

Główną wadą kodowania Manchester jest jego nieefektywne wykorzystanie pasma. Ponieważ najszybsze zdarzenie w sygnale trwa pół okresu bitu, podstawowa częstotliwość sygnału jest skutecznie podwojona w porównaniu do kodowania NRZ.

Oznacza to, że główny płat widmowy (gdzie znajduje się większość energii sygnału) jest dwa razy szerszy. W skrócie, aby przesłać dane z szybkością $R_b$ bitów na sekundę, potrzebujesz kanału o szerokości pasma co najmniej $R_b$ Herców, podczas gdy NRZ wymaga tylko $R_b / 2$ Herców. Jest to kod o sprawności 50%; poświęcasz połowę potencjalnej szybkości transmisji na rzecz niezawodności.

Zastosowania

Dzięki doskonałym właściwościom synchronizacyjnym, kodowanie Manchester stało się kamieniem węgielnym wczesnych standardów sieci lokalnych (LAN).

• Ethernet 10Base-T: To najsłynniejsze zastosowanie. Oryginalny standard Ethernet 10 Mbit/s przez skrętkę miedzianą używał kodowania Manchester.
• Token Ring: Niektóre warianty tej technologii LAN również wykorzystywały podobny schemat samotaktujący, zwany Różnicowym Kodowaniem Manchester.
• RFID: Wciąż jest używany w wielu pasywnych protokołach identyfikacji radiowej (RFID) w celu zapewnienia niezawodnej komunikacji.

Chociaż szybsze, nowoczesne standardy Ethernet (takie jak 100Base-TX i Gigabit Ethernet) przeszły na bardziej wydajne widmowo kody (takie jak 4B/5B z MLT-3 lub 8B/10B), prostota i niezawodność kodu Manchester ugruntowały jego pozycję jako fundamentalnej technologii w sieciach komputerowych.