Методы кодирования

Наиболее распространенные в промышленной автоматизации стандарты 10Base-T и 100 Base-TX используют манчестерский код (см. раздел"Физический уровень") для скорости передачи 10 Мбит/с и 4B/5B кодирование в сочетании с NRZI (NRZ Inverted - инвертированный NRZ, см. рис. 2.28) для скорости 100 Мбит/с.

При низкой скорости обмена (10 Мбит/с) используется манчестерский код, при котором логическая единица кодируется переходом сигнала с низкого уровня на высокий (рис. 2.28), а логический ноль - переходом с высокого уровня на низкий. Недостатком манчестерского кода является широкая полоса частотного спектра, связанная с необходимостью переключения уровней сигнала при поступлении каждой двоичной цифры (сравните его с NRZ-кодом на рис. 2.28). В спектре манчестерского кода присутствует две ярко выраженные гармоники, которые при скорости передачи 10 Мбит/с составляют 10 МГц при передаче всех единиц и 5 МГц - для сигнала, состоящего из чередующихся нулей и единиц.

Рис. 2.28. Сравнение разных способов кодирования двоичных цифр электрическими сигналами

Для уменьшения помех, излучаемых линией передачи при скорости 100 Мбит/с (100Base-TX), используется NRZI-кодирование, при котором двоичной единице соответствует смена уровня NRZI-сигнала, а нулю - ее отсутствие (рис. 2.28). Высокий или низкий уровень NRZI-сигнала устанавливается в зависимости от того, какой уровень был до него. Логической единице соответствует изменение сигнала независимо от того, какой уровень присутствовал на шине ранее. Уровень не изменяется, если нужно закодировать логический ноль. Иначе говоря, логическая единица при NRZI-кодировании инвертирует предыдущее логическое состояние, поэтому в названии кода присутствует слово " Inverted".

NRZI-кодирование, как и NRZ, позволяет передать в два раза больше информации по сравнению с манчестерским кодированием при той же частоте смене уровней сигнала и, соответственно, в два раза понизить максимальную частоту излучаемых помех при той же скорости передачи информации. Максимальная частота смены уровней при NRZI кодировании понижается до 62,5 МГц по сравнению с максимальной частотой смены уровней сигнала 125 МГц для скорости передачи 100 Мбит/с (пояснения см. ниже, при описании 4В/5В кодирования).

При переходе к скорости передачи 100 Мбит/с проблема снижения мощности излучаемых помех становится особенно остро, поэтому для дальнейшего снижения ширины спектра сигнала в 100Base-TX вместо двухуровневого сигнала используется трехуровневый MLT-3 ("MultiLevel Threshold-3"- "многоуровневый  3-пороговый"), см. рис. 2.28. Благодаря тому, что для кодирования информации используются три уровня (а не два), увеличивается количество информации, которое может быть закодировано в сигнале при той же ширине спектра и длительности сигнала. Максимальная частота смены уровней сигнала при скорости передачи 100 Мбит/с снижается с 62,5 МГц при NRZI-кодировании до 31,25 Мгц при сочетании NRZI кода с MLT-3.

Поскольку при использовании NRZI-кодирования последовательность нулей кодируется нулевым уровнем сигнала, в передаваемом сигнале появляются последовательности из нескольких повторяющихся нулей, которые порождает проблему синхронизации на стороне приемника. Для ее устранения используют кодирование 4B/5B. Суть его состоит в следующем. К каждой тетраде (4 бита) передаваемых данных добавляется 5-й бит. Получившееся слово длиной 5 бит позволяет записать   кодовых комбинаций, из которых исключают комбинации, имеющие три и более нулей. Оставшиеся комбинации ставят в соответствие шестнадцатеричным  числам от 0 до F, получая таим образом таблицу кодирования. Этот подход позволяет обеспечить по крайней мере 2 фронта сигнала на одну тетраду, что упрощает синхронизацию данных в приемнике. Добавление пятого бита (25% от длины тетрады) влечет за собой необходимость увеличения частоты передачи со 100 МГц до 125 МГц для сохранения эффективной пропускной способности канала 100 Мбит/с.

Диапазон частот, в котором мощность излучаемых помех максимальна, зависит от распределения нулей и единиц в передаваемых данных. При 4B/5B кодировании максимальная мощность помех приходится на частоту, с которой повторяются 5-битные последовательности. Для уменьшения помех можно выбрать такое шифрование (скремблирование) передаваемых данных, при котором мощность помех будет распределена по всему диапазону частот равномерно. Это выполняется с помощью блока скремблирования и позволяет на 20 дБ (в 10 раз) снизить мощность основной гармоники, распределив ее равномерно по всему диапазону излучаемых частот.

Рис. 2.29. Структурная схема блока PHY Ethernet [A beginners]

Перечисленные методы уменьшают ширину спектра до 31,25 МГц при скорости передачи 100 Мбит/с.

Структурная схема блока PHY показана на рис. 2.29. Блок состоит из приемного (внизу) и передающего (вверху) канала, которые через изолирующие трансформаторы подключаются к линии передачи (две витые пары) через разъем RJ-45. Трансформаторы используется для изоляции трансивера от высоких синфазных напряжений, которые могут появляться на линии вследствие электромагнитных и электростатических наводок.

Цоколевка разъема RJ45 показана на рис. 2.30.  При соединениях двух компьютеров (и других конечных станций, которые имеют идентичные разъемы) необходим перекрещивающийся кабель (рис. 2.30, б), поскольку приемник должен быть соединен с передатчиком, и наоборот. При соединении компьютера с сетевыми устройствами (коммутаторами, повторителями и т.д.) используется прямой кабель (рис. 2.30, а), поскольку необходимые соединения контактов с печатной платой выполнены на самой плате. Многие современные Ethernet-коммутаторы автоматически определяют полярность жил кабеля, поэтому для них можно использовать оба варианта. Неиспользуемые выводы на рис. 2.30иногда применяются для передачи напряжения питания между устройствами.