MHz vs. Mbits e codificação

• MHz: Uma unidade de frequência, descreve sinais elétricos. Pertence ao meio físico
• Mbits: Uma categoria de dados, descreve o rendimento obtido pelo sistema (eletrônico, software e meio)

Hora de ouvir uma história

Havia uma vez... Eu ficaria muito feliz se pudesse ter meu modem trabalhando com segurança em 4800 bps, na verdade, eu nem caberia em mim de contente se me conectasse a 9600 ou 9,6 kbps. Agora estou usando um modem de 56 kbps que parece funcionar bem (embora você nunca tenha se conectado a exatamente 56k). A linha de telefone até minha casa não mudou; ainda é o mesmo fio de cobre. A codificação do sinal (norma V.90) combinada com códigos e correção de erros e compressão possibilitou esta transferência mais rápida de dados e a tornou ainda mais confiável. Uma situação semelhante está se desdobrando para Gigabit Ethernet com o Cat 5.

Codificação do sinal digital

"Man" na segunda linha significa codificação "Manchester", que é usada para Ethernet padrão. A linha inferior representa a codificação "Manchester diferencial", que é muito semelhante (mas diferente, como você pode ver) e é usada pela Token Ring. Em ambos os sistemas Manchester, o sinal passa por uma transição de alto a baixo ou na direção oposta no meio de cada período de bit. Esta transição garante uma boa sincronização entre emissor e receptor. Consequentemente, as pessoas, às vezes, afirmam que 10BASE-T passa por cima de "arame farpado". Na verdade, ele usa uma técnica de codificação de sinais muito robusta. Mas observe também que a codificação de sinais Manchester é quase duas vezes maior que as mudanças de nível por vez que o sinal NRZ acima. Por conseguinte, a codificação Manchester é muito ineficiente em termos de requisitos de largura de banda. Para transmitir 10 Mbps, é necessário, pelo menos, uma largura de banda de 10 MHz para o sinal no cabo. (Isso é o mínimo dos mínimos. Felizmente, o Cat 3 se comporta muito bem até 16 MHz.)

Obviamente, para se obter classificações de dados mais altas nos cabeamentos de par trançado, tivemos que encontrar outros sistemas de codificação de sinais que ainda pudessem fornecer uma sincronização confiável. Um sistema como esse é a codificação de 4 bit- 5 bit. Cada quatro bits de dados são traduzidos em uma sequência de 5 bits para transmissão. Cinco bits fornecem 32 diferentes combinações. Destas 32 combinações apenas 16 (metade) devem ser selecionadas para codificação de dados. Podemos selecionar essas sequências de cinco bits que fornecem o número máximo de "transições" para boa sincronização. Por exemplo, 00000 e 11111 serão excluídos, com certeza.

Estão listadas abaixo algumas vantagens extras: podemos utilizar os 16 códigos remanescentes para delimitadores ou padrões inativos, e se um padrão "ilegal" surgir, teremos detectado que o cabo transmitiu algo errado. O fluxo de dados cresceu 25 %, no entanto. Para transmitir cem milhões de bits de dados, precisamos transmitir 125 milhões de sinais no cabo e o nível de sinais é válido para 8 nseg. Conter o requisito de banda larga para esta taxa de sinalização. A sinalização usa uma codificação "pseudoternária". Isso não é um sinal lógico de três níveis, porém, escolheremos 0 volt para um sinal que represente um 0 lógico. O sinal 1 lógico alternará entre +1 V e -1 V. Veja abaixo. Parecerá intuitivo que transições de sinais menores sejam necessárias por unidade de tempo. Também há uma prova matemática para os requisitos de largura de banda de sinal.

Codificação de sinal 100BASE-TX.

Explicaremos uma codificação de sinais de quatro níveis. A Gigabit Ethernet usa, na verdade, PAM-5, um esquema de codificação de cinco níveis. O "quinto" nível é usado para sincronização adicional e para detecção e correção de erros. Observe que o tempo do sinal é de 8 nseg, que é exatamente o mesmo valor que encontramos na codificação 4B-5B de Ethernet rápida.

Os sinais no cabo podem ter cinco níveis diferentes enquanto a oscilação de voltagem de mínima a máxima ainda é a mesma oscilação de 2 V (de -1 V a +1 V). Os níveis de sinais não são mais separados por 2 V, mas por 0,5 V. O resultado direto desta separação é que, se um aumento de ruído de 0,25 V atingir o cabo, o receptor provavelmente não poderá determinar que nível de sinal foi transmitido. A situação está um pouco atenuada pelo nível de codificação de detecção/correção de erro.

Codificação de sinais de quatro níveis

Este é um exemplo do que seria um esquema de codificação de quatro níveis. Lembre-se de que isso ilustra o tipo de codificação de sinais usada no 1000BASE-T. O sistema de codificação real é chamado de PAM-5, que é um sistema de cinco níveis.

Teorema Nyquist para um canal livre de ruído

Para colocar um pouco de teoria no cenário. Talvez você já tenha ouvido falar da frequência de Nyquist. Aqui está uma breve explicação. A lei de Shannons se aplica para prever quanta banda larga precisa estar disponível acima do mínimo de Nyquist com base na relação sinal-ruído.

Limite determinado pela largura de banda de sinal R=2Wlog₂M

Onde R é a taxa de transmissão de dados, W é a frequência máxima e M é o número de níveis de codificação.

Exemplo 1: 10BASE-T

Esta é uma codificação de dois níveis, portanto, M=2,
Logo, a banda larga (W) = R / log₂2 * 2 que dá 10 MHz (Lembre-se de que a produtividade de 10BASE-T é de 20 Mbits)

Exemplo 2: 1000BASE-T

Este é um código de quatro níveis, portanto, M=4 (o quinto nível atende a fins de sincronização apenas)
Logo, a banda larga (W) = R / log₂4 * 2que dá 62,5 MHz (R = 250 Mbits/s)
Isso é teoria, e na vida real, o protocolo para 1000BaseT tipicamente precisa de mais 80 MHz, portanto, o IEEE especifica testes de cabo em todos os pares até 100 MHz.

O desempenho de transmissão para componentes e instalações Cat 6 precisa ser verificada para 250 MHz. Usando o modelo ACR de banda larga, prevê-se que a instalação tenha uma margem positiva semelhante no tamanho à margem de uma instalação Cat 5 em 100 MHz. Em 250 MHz a instalação terá uma margem ACR negativa. O IEEE vem sendo o instigador para incentivar testes a 250 MHz com um olhar na possibilidade de que o desenvolvimento contínuo da tecnologia DSP permitirá a transmissão além da banda larga ACR. Lembre-se de que esta tecnologia foi inicialmente desenvolvida para 100BASE-T2, que nunca foi implementada. O padrão 1000BASE-T se baseia fortemente nestas técnicas DSP para garantir transmissão confiável pelo Cat 5. MHz Mbits MHz Mbits MHz Mbits MHz Mbits MHz Mbits MHz Mbits MHz Mbits

O desenvolvimento da Ethernet One-Gbps começou dentro do comitê da IEEE 802,3 como o projeto IEEE 802.3z. No entanto, ficou claro que o desenvolvimento da 1000BASE-T (100 m na categoria 5) exigiria mais trabalho e seria adiado em relação à solução de fibra e cobre de curta distância (25 m). Desde que a Gigabit Ethernet encontraria aplicação na coluna onde a fibra é o meio predominante, seria bom senso dividir os dois esforços e agilizar a solução de fibra.

Por conseguinte, um projeto IEEE 802.3ab foi criado para o desenvolvimento específico do endereço 1000BASE-T.

• 1000BASE-LX (comprimento de onda longa: >1300 nm)
  Fibra MM até 550 m
  Fibra SM até 2.500 m
• 1000BASE-SX (comprimento de onda curta: 850 nm)
  Fibra MM 62,5 m até 220 m
  Fibra MM 50 m até 300 m
• 1000BASE-CS
  Cobre de curta distância (25 m)

A solução de cobre de curta distância (IBM) usa cabo triax e atende apenas a aplicações de coluna em uma sala de equipamentos, interconectando as centrais ou outras redes eletrônicas em uma sala de equipamentos. Definitivamente não é considerado parte de uma solução de cabeamento genérico. Espera-se que estes cabos de cobre de curta distância sejam produzidos pela fábrica em comprimentos fixos.

Esta parte da Ethernet One-Gbps foi aprovada em junho de 1998. O desenvolvimento dos padrões de fibra encontraram alguns outros problemas com banda larga modal em instabilidades excessivas na fibra multimodo. Isso resultou na definição da distância máxima na fibra MM conforme demonstrado acima. A dispersão modal e instabilidade resultante é uma função do diâmetro do núcleo e do comprimento de onda (e espectro) da fonte luminosa.

O IEEE 802.3ab está, agora, completamente dedicado à Ethernet One-Gbps no cabeamento de par trançado de categoria 5. Todos os pares de fios 4 no cabo de quatro pares padrão são usados, e a transmissão é completamente bidirecional em todos os pares de fios 4. Técnicas de cancelamento NEXT também foram implementadas. Esta técnica foi desenvolvida (mas nunca implementada) para a 100BASE-T2 proposta. A técnica posterior foi definida como uma solução de dois pares de fios na categoria 3 para Ethernet rápida (taxa de dados de 100 Mbps). Um sistema de codificação de cinco níveis foi adotado; é chamado PAM-5, mais sobre isso posteriormente. A meta inicial do comitê IEEE 802,3 foi obter uma norma completa até o final de 1998; atrasos na perda do retorno causaram um atraso. No entanto, isso foi resolvido em acordo em agosto de 1999.

O grupo de trabalho do IEEE 802.3ab solicitou assistência do grupo de tarefas TIA TR41.8.1 para preencher os requisitos necessários para a operação One-Gbps no cabeamento de categoria 5. (Observação: em dezembro de 1998 o nome deste grupo TIA mudou para TR.42.)

Este grupo de tarefa adotou um projeto de rastreamento "rápido" para fazer isso, e a meta era cumprir com o prazo para o 1000BASE-T. Ambos os projetos "deslizaram" juntos. Foi enfatizado de todas as formas possíveis que a expectativa é de que o cabeamento de categoria 5 existente e atualmente instalado deva cumprir normalmente com os requisitos adicionais, que não foram especificados anteriormente. Consequentemente, a TIA ainda pode denominar o cabo recentemente conforme de "categoria 5" e nada parecido a "categoria 5e" ou "categoria 6". As especificações Cat 5 foram emendadas com um nível de desempenho recomendado para os novos parâmetros de teste (medidas relacionadas a FEXT e perda de retorno). As recomendações são específicas em um boletim dos sistemas de comunicação (TSB95). Os boletins dos sistemas de comunicação não têm o peso de um "padrão"; eles são recomendações. (O TSB67 era uma exceção; ele tem o peso normativo de um padrão.)

Estamos dizendo que a última medida de sucesso em transmissão de dados é o fato de que as estruturas são transmitidas com sucesso. Não há erros de bit (sem erros FCS) e nenhuma retransmissão. A camada física desempenha um papel fundamental para atingir uma transmissão isenta de erros na camada de conexão de dados. As características da banda larga da camada física precisam cumprir com os requisitos da codificação de sinais físicos usada pela rede.

(1) Precisamos explicar as regras fundamentais básicas para todos os gráficos de "frequência" que estaremos usando durante as discussões dos padrões e especialmente para descrever o desempenho dos parâmetros que variam com a frequência, como NEXT e atenuação. No domínio da frequência, marcamos a frequência durante o eixo horizontal e mostramos "algo" sobre um sinal com essa frequência no eixo vertical. O simples exemplo abaixo representa, do lado esquerdo, como um puro sinal de frequência sinusoidal varia com o tempo. Se supormos que o período é de 1 microssegundo, o sinal se repetirá um milhão de vezes por segundo ou é denominado um megaherts (MHz). No momento em que o domínio é marcado na direita, representamos a amplitude do sinal.

O início das análises Fourier.

(2) Temos uma segunda meta. Estabelecer a base para explicar que a sinalização digital contém uma multidão de frequências e que o meio de transmissão precisa fazer um "trabalho adequado", definido como um padrão, para todas as frequências de interesse.

Por último, este conjunto de figuras pode ser usado para introduzir a técnica de teste digital. Os testadores da série DSP da Fluke envia pulsos que contêm muitas frequências.

Adicione dois sinais sinusoidais para obter o mesmo sinal de domínio representado no lado esquerdo do gráfico. Adicionamos ao sinal de 1 MHz do slide anterior um sinal de 3 MHz com amplitude igual a 1/3 do sinal de 1 MHz. A figura de domínio acima mostra as duas frequências, cada qual com seu valor de amplitude.

Adicionamos, agora, 4 sinais juntos. Os sinais com frequências mais altas, denominadas harmônicas, têm sucessivamente amplitudes menores: 1/3, 1/5, 1/7, etc.. Você pode ver que a figura de domínio de tempo está abordando sinalização digital, isto é, dois níveis distintos de voltagem.

Finalmente, estamos prontos para reverter tudo. Em teoria, estamos transmitindo o sinal digital mostrado na figura de domínio do tempo, uma perfeita onda quadrada. O domínio de frequência mostra que esse sinal digital contém um número de frequências. De fato, toda frequência entre 0 e algum valor acima é representada. Para um sinal digital de dois níveis, o valor superior é a frequência igual à classificação dos dados.

Exemplo: usando a codificação NRZ para ATM 155, este ponto nulo está em 155 MHz. Não deveríamos testar para 155 MHz? O sinal criado pelo transmissor não exibe os tempos de subida e descida perfeitas que você observa no modelo teórico. As mudanças de um nível de voltagem a outro requer uma quantidade finita de vezes (medidas como tempos de subida e descida). O espectro da frequência do sinal de ATM NRZ "real" é tal que a "cauda" na figura de domínio da frequência cai drasticamente. Tem sido discutido quanta energia está realmente presente acima de 100 MHz. O segundo ponto a se lembrar é que o receptor pode não precisar ou esperar que qualquer frequência acima de 100 MHz decodifique adequadamente o sinal digital que é transmitido.

Megahertz (MHz) não é igual a Megabits por segundo (Mbps)