بررسی پروتکل ارسال و دریافت بر روی فیبر نوری با کدینگ منچستر

بررسی پروتکل ارسال و دریافت بر روی فیبر نوری با کدینگ منچستر

 

چرایی و چگونگی سیگنال‌دهی تفاضلی

امروزه مخابرات دیجیتال سریال در ارتباطات جایگاه ویژه‌ای یافته است. مخابرات "دیجیتال" می‌تواند با استفاده از سیگنال‌های آنالوگ انجام شود؛ به طور مثال لینک داده RF، از تغییرات در دامنه، فرکانس یا فاز آنالوگ برای انتقال بی‌سیم داده‌های باینری استفاده می‌کند. رابط‌های تفاضلی پرسرعت همچون لینک‌های مخابراتی سریال مبتنی بر LVDS یا USB نیز به کار گرفته می‌شوند.

در مخابرات دیجیتال، کدگذاری منچستر یک روش مدولاسیون داده است که می‌تواند در بسیاری از موقعیت‌ها، به ویژه در انتقال داده‌های باینری مبتنی بر آنالوگ، RF، نوری، دیجیتال پرسرعت یا سیگنال‌های از راه دور دیجیتال به کار رود.

محدودیت‌های مخابرات دیجیتال استاندارد

علی‌رغم مزیت‌های بسیار زیادی که مخابرات دیجیتال در مقایسه با سیگنال دهی آنالوگ دارد، برخی محدودیت‌های کلی نیز در آن وجود دارد. یکی از این محدودیت‌ها، سنکرون‌سازی است. بدین منظور، گیرنده می‌بایست زمان نمونه‌برداری از داده‌های ورودی را به درستی تعیین کند. (توجه داشته باشید که این سنکرون‌سازی برای مثال در انتقال صوتی آنالوگ ضروری نیست سیگنال صوتی دمدوله‌شده می‌تواند بدون تفسیر صریح داده‌ها در طرف گیرنده به اسپیکر تحویل داده شود).

یک محدودیت دیگر نیاز به کوپلاژ DC است. داده‌های دیجیتال می‌توانند شامل دنباله‌های طولانی و بدون وقفه از یک‌ها یا صفرها باشند، بنابراین یک سیگنال دیجیتال استاندارد که برای انتقال این داده‌ها استفاده شده است، در همان ولتاژ برای مدت زمان نسبتا زیادی باقی خواهد ماند. در صورتی که این سیگنال با استفاده از یک خازن بازدارنده DC، به طور AC کوپلاژ شود، همانطور که در اشکال LT spice زیر نشان داده شده، مشکل ایجاد خواهد شد.

 

 

شکل1. سیگنال دیجیتال استاندارد کوپلاژ DC

 

بهکارگیری کدگذاری منچستر راه‌حلی برای رفع این دو محدودیت می‌باشد. به کمک کدگذاری منچستر که یک مدولاسیون دیجیتال ساده است، میتوان از دو نکته زیر اطمینان یافت:

1- سیگنال هرگز برای مدت زمان زیادی در منطق پایین یا منطق بالا باقی نمی‌ماند.

2- سیگنال داده‌ها به یک سیگنال داده به‌علاوه سنکرون‌سازی تبدیل می‌گردد.

قبل از اینکه وارد جزئیات کدگذاری منچستر شویم، اجازه دهید به دو سوال زیر پاسخ بدهیم: چرا یک سیگنال کلاک جداگانه برای سنکرون سازی به کار گرفته نمی‌شود؟  چرا ما می‌خواهیم یک سیگنال دیجیتال را به صورت AC کوپلاژ کنیم؟

پرهیز از به کارگیری کلاک جداگانه

در بسیاری از موارد، استفاده از یک سیگنال کلاک جداگانه برای  سنکرون‌سازی  فرستنده و گیرنده کاملا قابل قبول است. اما گاهی اوقات این رویکرد نامطلوب است. به طور مثال زمانی‌که لازم است تعداد اتصالات بین قسمت‌هایی از یک سیستم را به حداقل رسانید یا زمانی‌که  نیاز به استفاده از میکروکنترلری با حداقل تعداد پین می‌باشد، به نحوی که عملکرد لازم فراهم گردد.

اگر با رابط UART آشنا هستید، می‌دانید که استفاده از سیگنال‌های زمان‌بندی داخلی به جای یک کلاک خارجی به اشتراک گذاشته شده توسط فرستنده و گیرنده امکان‌پذیر است. اما این استراتژی محدودیت‌های قابل توجهی را به همراه می‌آورد:

1- در مقابل تغییرات فرکانس کلاک داخلی مقاوم نیست و زمانی‌که فرستنده و گیرنده در محیط‌های متفاوتی باشند، این مساله بیشتر مشکل‌ساز می‌شود.

2- فاقد انعطاف پذیری است زیرا نیازمند دستگاه‌های Tx و Rx است که برای همان نرخ داده به درستی از پیش‌ تنظیم شود.

3- عموما به یک فرکانس کلاک داخلی که به طور قابل‌توجهی از نرخ داده بالاتر است، نیاز دارد و این می‌تواند محدودیت‌های آزاردهنده‌ای را در انتقال داده با بیشترین سرعت ایجاد کند.

استفاده از کوپاژ AC به جای کوپاژ DC

در سیستم‌های پیچیده و به ویژه آن دسته از سیستم‌هایی که ولتاژ بالایی دارند، همیشه اطمینان از سازگار بودن ولتاژ حالت مشترک سیگنال ارسال شده با محدوده قابل قبول حالت مشترک گیرنده، آسان نیست (این حتی هنگام استفاده از یک استاندارد تفاضلی مثل RS-485 نیز یک مشکل است). نگرانی دیگر، جریان‌های خطا است.  کوپلاژ DC در برابر جریان‌های طولانی مدت خطرناک ناشی از اتصال کوتاه هیچگونه محافظتی را به عمل نمی‌آورد. بنابراین، کوپلاژ AC یک روش ساده برای کاهش ناملایمات و ریسک‌های مرتبط با ولتاژهای مشترک و جریان‌های خطا است.

کدگذاری منچستر چیست؟

ایده‌ی اساسی کدگذاری منچستر به کارگیری حالت‌های گذار ولتاژ به جای سطوح ولتاژ برای نمایش یک‌ها و صفرهاست. نمودار زیر را در نظر بگیرید:

 

شکل2. کدگذاری منچستر

 

در بخش بالایی نمودار یک رابط دیجیتال استاندارد شامل سیگنال داده و سیگنال کلاک داریم.

در بخش پایینی نمودار یک سیگنال کدگذاری شده منچستر برای همان داده وجود دارد. توجه داشته باشید که چگونه گذر در میان حالت‌های منطقی سیگنال داده استاندارد رخ می‌دهد (به عبارت دیگر، انتقال منچستر با لبه کلاک هماهنگ است که می‌تواند برای نمونه‌برداری داده‌ها استفاده شود). همچنین توجه داشته باشید که یک بیت منطقی با بیشترین ارزش همیشه متناظر با یک گذر بالا به پایین است و یک بیت منطقی با کمترین ارزش همیشه متناظر با یک گذر پایین به بالا است (می‌توانید از انتقال پایین به بالا برای باارزش ترین بیت منطقی و از انتقال بالا به پایین برای کم‌ارزش ترین بیت استفاده کنید، مسئله مهم این است که مدار گیرنده می‌داند که چه فرمتی را انتظار داشته باشد).

همان گونه که مشخص است مشکل کوپلاژ AC بت به کارگیری کدگذاری منچستر حذف می‌گردد زیرا هر بیت نیازمند یک گذار در ولتاژ است، بنابراین سیگنال داده‌ها هرگز برای مدت زمان طولانی در سطح منطقی‌ پایین یا سطح منطقی بالا نخواهد ماند. این مساله، در نمودار زیر مشهود است، که یک سیگنال دیجیتال استاندارد برای کد باینری 111111 و سیگنال منچستر کدگذاری شده برای همان دنباله باینری را نشان می‌دهد، مشهود است.

 

شکل3. سیگنال منچستر کدگذاری شده

 

حل مسئله سنکرون‌سازی کمی ‌پیچیده‌تر است زیرا ما نیاز داریم تا حدی کلاک را از سیگنال جدا کنیم، با این وجود همان‌گونه که دیده می‌شود، حالت‌های گذار ولتاژ اطلاعاتی را در مورد اینکه چه زمانی سیگنال داده‌ها باید نمونه‌برداری شود، فراهم می‌سازد. ویدئو کانورتر 4 کانال هوشمند ساختار اسپادانا SAE-4V1bD-T_R، جهت انتقال داده از روش کدگذاری منچستر استفاده می‌کند. این دستگاه با به‌کارگیری فناوری‌های پیشرفته آنالوگ و دیجیتال، 4 کانال آنالوگ ویدئویی را بصورت دیتا دیجیتال دو طرفه بر روی فیبر نوری انتقال می‌دهد.این مبدل با استفاده از فیبر نوری قابلیت انتقال دیتا در مسافت حداکثر 120 کیلومتر را به سادگی فراهم نموده است. SAE-4V1bD-T_R توانایی اتصال  front-end  به تمام دستگاه‌های ویدئویی استاندارد و انتقال بر یک تار فیبر نوری را دارد. این محصول قابل انطباق با تمام سیگنال‌های ویدئویی غیرفشرده (Composite) در مدهای PAL و NTSC است. یک هسته فیبر نوری در مدهای PAL یا NTSC استفاده می‌شود. 

همان‌گونه که در نمودار قبلی دیده می‌شود، در کدگذاری منچستر نرخ داده‌ها به نسبت پهنای باند سیگنال داده‌ها به نصف کاهش می‌یابد. این مسئله می‌تواند یک نقطه ضعف برای کد‌گذاری منچستر به شمار رود. یک سیگنال کدگذاری شده منچستر به یک انتقال برای هر بیت نیاز دارد، به این معنی که دو حالت منطقی منچستر برای انتقال یک حالت منطقی استاندارد استفاده می‌شود. بنابراین، برای انتقال داده‌ها در همان نرخ نیاز لازم است از پهنای باندی دو برابر پهنای باند قبل استفاده شود.

سوالی که در اینجا می‌توان مطرح نمود، چرا از یک سیگنال فرکانس بالا استفاده نکنیم؟ در صورتی که پهنای باند سیگنال، عامل محدود کننده سرعت انتقال داده از فرستنده به گیرنده باشد و همچنین اگر داده‌ها با حداکثر سرعت ممکن انتقال داده می‌شود، نمی‌توان  فرکانس سیگنال را دوبرابر نمود؛ در عوض، باید نرخ داده‌ها را به نصف کاهش داد.

نتیجه‌گیری

اکنون می‌دانید که کدگذاری منچستر چیست و چرا علی‌رغم کاهش سرعت داده‌ها و نیاز به مدار یا (firmware) اضافی برای تولید یا تفسیر داده‌های کدگذاری شده، کد گذاری منچستر روشی کاربردی است.