MHz gegenüber Mbit/s und Codierung

• MHz: Eine Einheit für Frequenz, beschreibt elektrische Signale. Bezieht sich auf das physische Medium
• Mbit/s: Ein Maß für Datenübertragungsgeschwindigkeit, beschreibt die vom System erreichte Leistung (Elektronik, Software und Medium)

Zeit für eine Geschichte

Es war einmal, dass ich sehr glücklich war, wenn ich es schaffte, dass mein Modem zuverlässig mit 4800 Bit/s arbeitete und ich war überwältigt, wenn ich eine Verbindung mit 9600 oder 9,6 kBit/s erhielt. Jetzt verwende ich ein 56 kBit/s-Modem, das genau richtig zu arbeiten scheint (obwohl die Verbindung nie genau 56k ist). Die Telefonleitung zu meinem Haus hat sich nicht geändert, sie ist immer noch der gleiche Kupferdraht. Die Signalcodierung (Standard V.90), zusammen mit Fehlerberichtigungs-Codes und Komprimierung, hat diese schnellere Datenübertragung nicht nur ermöglicht, sondern sogar zuverlässiger gemacht. Ein ähnliches Szenario bildet sich für Gigabit Ethernet über Cat 5.

Digitale Signalcodierung

„Man“ in der zweiten Zeile bedeutet „Manchester“-Codierung, die für Standard-Ethernet verwendet wird. Die letzte Zeile beschreibt „Differential Manchester“-Codierung, die sehr ähnlich ist (jedoch unterschiedlich, wie man sehen kann) und von Token Ring verwendet wird. In beiden Manchester-Systemen macht das Signal in der Mitte jedes Bit Time Slots einen Übergang von hoch zu niedrig oder umgekehrt. Dieser Übergang garantiert gute Synchronisation zwischen Sender und Empfänger. Daher wird manchmal gesagt, dass 10BASE-T sogar über „Stacheldraht“ läuft. In der Tat verwendet es eine sehr robuste Signalcodierungs-Methodik. Es ist aber auch zu beachten, dass die Manchester-Signalcodierung etwa doppelt so viele Stufenwechsel durchgeht wie das NRZ-Signal oben in der gleichen Zeit. Daher ist die Manchester-Codierung sehr ineffizient bezüglich der Bandbreitenanforderungen. Zum Übertragen von 10 Mbit/s ist eine Bandbreite von mindestens 10 MHz für das Signal auf dem Kabel erforderlich. (Das ist das absolute Minimum. Glücklicherweise benimmt sich Cat 3 recht gut bis zu 16 MHz.)

Um höhere Datenübertragungsraten über Twisted Pair-Kabel zu erhalten, mussten wir offensichtlich andere Signalcodierungssysteme finden, die weiterhin zuverlässige Synchronisierung leisten konnten. Eines dieser Systeme ist die 4 Bit- 5 Bit-Codierung. Jeweils vier Datenbits werden in eine Folge von 5 Bits für die Übertragung übersetzt. Fünf Bits ergeben 32 verschiedene Kombinationen. Von diesen 32 Kombinationen brauchen nur 16 (die Hälfte) für die Datencodierung ausgewählt zu werden. Wir können diese 5-Bit-Sequenzen auswählen, die die höchste Anzahl von „Übergängen“ für gute Synchronisation bieten. So werden zum Beispiel 00000 und 11111 sicherlich ausgeschlossen.

Einige zusätzliche Vorteile werden aufgelistet: Wir können die restlichen 16 Codes als Begrenzer oder Leermuster verwenden und wenn ein „illegales“ Muster erscheint, haben wir festgestellt, dass das Kabel etwas fehlerhaft übertragen hat. Der Datenstrom ist jedoch um 25 % angewachsen. Zur Übertragung von 100 Millionen Datenbits müssen wir 125 Millionen Signale auf dem Kabel übertragen und der Signalpegel ist gültig für 8 ns. Begrenzen der Bandbreitenanforderung für diese Signalübertragungsgeschwindigkeit: Die Signalübertragung verwendet eine „pseudo-ternäre“ Codierung. Dies ist kein dreistufiges Logiksignal, aber wir werden statt dessen 0 V für ein Signal, das eine logische 0 repräsentiert, auswählen. Das logische 1-Signal „wechselt“ zwischen +1 V und -1 V. Siehe unten. Es wird intuitiv erscheinen, dass weniger Signalübertragungen pro Zeiteinheit erfordert werden. Es gibt auch einen mathematischen Nachweis für die Anforderungen der Signalbandbreite.

100BASE-TX Signalcodierung

Wir werden eine vierstufige Signalcodierung erklären. Gigabit Ethernet verwendet PAM-5, ein fünf-stufiges Codierungsschema. Die „fünfte“ Ebene wird für zusätzliche Synchronisation und Fehlererkennung / Fehlerkorrektur. Es ist zu beachten, dass das Signaltiming 8 ns ist, genau der gleiche Wert, den wir in der 4B-5B-Codierung von Fast Ethernet gesehen haben.

Die Signale auf dem Kabel können fünf verschiedene Ebenen haben, während die gesamte Spannungsschwankung von Min zu Max weiterhin 2 V beträgt (von -1 V zu +1 V). Die Signalpegel sind nicht weiter durch 2 V sondern durch 0,5 V getrennt. Das direkte Ergebnis dieser Trennung ist, dass bei einer Rauschspitze von 0,25 V der Empfänger wahrscheinlich nicht in der Lage sein wird, festzustellen, welcher Signalpegel übertragen worden ist. Diese Situation wird durch die Codierungsstufe Fehlererkennung/Fehlerkorrektur etwas gemildert.

Vierstufige Signalcodierung

Dies ist ein Beispiel für ein vierstufiges Codierungsschema. Wie erwähnt, stellt dies die in 1000BASE-T verwendete Signalcodierung dar. Das tatsächliche Codierungssystem wird PAM-5 genannt, das ein fünfstufiges System ist.

Nyquist-Theorem für einen rauschfreien Kanal

Bringen wir ein bisschen Theorie ins Spiel. Sie haben vielleicht schon von der Nyquist-Frequenz gehört. Hier ist eine kurze Erklärung. Shannons Theorem bestimmt, welche Bandbreite oberhalb des Nyquist-Minimums verfügbar sein muss, basierend auf den zu erwartenden Signal-Rausch-Abständen.

Durch Signalbandbreite bestimmte Limitation R=2Wlog₂M

wobei R = Geschwindigkeit der Datenübertragung, W= maximale Frequenz und M= Anzahl der Codierungsstufen ist

Beispiel 1: 10BASE-T

Dies ist eine zweistufige Codierung, daher: M= 2.
Also ist die Bandbreite (W) = R / log₂2 * 2, was 10 MHz ergibt (man erinnere sich, dass der Durchsatz von 10BASE-T 20 Mbit/s entspricht)

Beispiel 2: 1000BASE-T

Dies ist eine vierstufige Codierung, daher: M= 4 (5. Stufe ist nur für Synchronisierung)
Also ist die Bandbreite (W) = R / log₂4 * 2, was 62,5 MHz ergibt (R= 250 MBit/s)
All dies ist Theorie und in der Praxis erfordert das Protokoll für 1000BASE-T normalerweise eher 80 MHz, daher gibt IEEE das Kabeltesten auf alle Paaren bis zu 100 MHz vor.

Die Übertragungsleistung für Cat 6-Komponenten und -Installationen müssen auf 250 MHz geprüft werden. Bei Verwendung des ACR-Modells für Bandbreite wird erwartet, dass die Installation eine positive Spanne aufweisen wird, die der Spanne einer Cat 5-Installation bei 100 MHz ähnlich ist. Bei 250 MHz wird die Installation eine negative ACR-Spanne aufweisen. Die IEEE war der Anreger für das Testen auf 250 NHz mit einem Auge auf die Möglichkeit, dass die fortgesetzte Entwicklung der DSP-Technologie eine Übertragung über die ACR-Bandbreite hinaus erlauben wird. Sie werden sich vielleicht erinnern, dass diese Technologie für 100BASE-T2 entwickelt wurde, der nie eingeführt wurde. Der Standard 1000BASE-T stützt sich stark auf diese DSP-Techniken für eine zuverlässige Übertragung über Cat 5. MHz Mbit/s MHz Mbit/s MHz Mbit/s MHz Mbit/s MHz Mbit/s MHz Mbit/s MHz Mbit/s

Die Entwicklung von Ein-Gbit/s Ethernet begann innerhalb des IEEE 802,3-Komitees mit dem IEEE 802.3z-Projekt. Es wurde jedoch bald klar, dass die Entwicklung von 1000BASE-T (100m auf Kategorie 5) mehr Arbeit erfordern würde und bezüglich der Glasfaser- und Kurzstrecken-(25 m)-Kupferlösung verzögert würde. Da Gigabit Ethernet zuerst im Backbone eingesetzt würde, wo Glasfaser das vorrangige Medium ist, war es äußerst sinnvoll, die beiden Bestrebungen aufzuteilen und die Glasfaserlösung zu fördern.

Daher wurde ein separates Projekt IEEE 802.3ab speziell für die Entwicklung von 1000BASE-T geschaffen.

• 1000BASE-LX (lange Wellenlänge: >1300  nm)
  MM Glasfaser bis zu 550 m
  SM Glasfaser bis zu 2.500 m
• 1000BASE-SX (kurze Wellenlänge: 850 nm)
  MM Glasfaser 62,5 m bis zu 220 m
  MM Glasfaser 50 m bis zu 300 m
• 1000BASE-CS
  Kurzstrecken-Kupfer (25 m)

Diese Kupferlösung für Kurzstrecken verwendet (IBM) Triax-Kabel und ist nur für Backbone-Anwendungen in Schalträumen gedacht – zur Verbindung von Hubs oder anderer Netzwerkelektronik in einem Schaltraum. Sie gehört definitiv nicht zu einer generischen Verkabelungslösung. Es wird erwartet, dass diese kurzen Kupferkabel in festen Längen gefertigt werden.

Dieser Teil von One-Gbps Ethernet wurde im Juni 1998 genehmigt. Die Entwicklung der Glasfaserstandards stieß auf einige verbleibende Probleme mit der modalen Bandbreite, die übermäßiges Jitter auf Multimodefaser verursachten. Dies führte zur Definition der maximalen Länge von MM-Glasfaser wie oben angezeigt. Die modale Dispersion und das daraus entstehende Jitter sind eine Funktion von Kerndurchschnitt und Wellenlänge (sowie Spektrum) der Lichtquelle.

IEEE 802.3ab ist jetzt völlig dem One-Gbps Ethernet auf Twisted Pair-Verkabelung der Kategorie 5 gewidmet. Alle 4 Drahtpaare im standardmäßigen vierpaarigen Kabel werden verwendet und die Übertragung ist Voll-Duplex auf allen 4 Drahtpaaren. NEXT-Stornierungstechniken werden ebenfalls eingesetzt. Diese Methode wurde zuerst für den vorgeschlagenen 100BASE-T2 entwickelt (jedoch nie umgesetzt). Dieser Standard wurde als eine Zweidrahtpaar-Lösung auf Kategorie 3 für Fast Ethernet (Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Mbit/s) gesetzt. Ein fünfstufiges Codierungssystem wurde übernommen, genannt PAM-5. Mehr darüber später. Das ursprüngliche Ziel des IEEE 802,3-Komitees war ein kompletter Standard bis Ende 1998; Probleme mit Einfügedämpfung verursachten eine Verzögerung. Diese wurden jedoch bis August 1999 gelöst.

Die Arbeitsgruppe IEEE 802.3ab forderte von der TIA TR41.8.1 UTP-Arbeitsgruppe Hilfe mit den Anforderungen für One-Gbps-Betrieb über Kategorie 5-Kabel an. (Im Dezember 1998 wurde der Name dieser TIA-Gruppe zu TR.42 geändert.)

Diese Arbeitsgruppe hat dafür ein Fast-Track-Projekt eingeleitet, mit dem Ziel, mit der Terminplanung für 1000BASE-T übereinzustimmen. Beide Projekte sind „zusammengerutscht“. Es wird auf jede mögliche Weise betont, dass erwartet wird, dass die vorhandene – und derzeit installierte – Verkabelung der Kategorie 5 im Normalfall den zusätzlichen Anforderungen genügen wird, die bisher nicht festgelegt waren. Deshalb wird TIA das neu konforme Kabel weiterhin „Kategorie 5“ nennen und nicht etwas wie „Kategorie 5e“ oder „Kategorie 6“. Die Spezifikationen für Cat 5 wurden um eine Empfehlung für eine Leistungsstufe für die neuen Testparameter erweitert (FEXT-bezogene Messwerte und Rückflussdämpfung. Die Empfehlungen werden in einem Telecommunications Systems Bulletin (TSB95) definiert. TSB haben nicht den Einfluss eines „Standards“, sie sind Empfehlungen. (TSB67 war eine Ausnahme; es hat den normativen Einfluss eines Standards.)

Wir sagen, dass das endgültige Maß für Erfolg bei der Datenübertragung die Tatsache ist, wie erfolgreich Rahmen übertragen werden. Es gibt keine Bitfehler (keine FCS-Fehler) und keine Übertragungswiederholungen. Die physische Ebene spielt eine kritische Rolle beim Erreichen von fehlerfreien Übertragungen auf der Datenverbindungsebene. Die Bandbreiteneigenschaften der physischen Schicht müssen mit der Anforderung für das vom Netzwerk verwendeten physischen Signalcodierung übereinstimmen.

(1) Wir müssen hier die allgemeinen Grundregeln für all die „Frequenz“-Plots erklären, die wir während der Diskussion der Standards verwenden werden und insbesondere für die Beschreibung der Leistung der Parameter, die frequenzabhängig sind, wie NEXT und Dämpfung. In der Frequenzdomäne zeichnen wir Frequenz entlang der horizontalen Achse und wir zeigen „etwas“ über ein Signal mit dieser Frequenz in der vertikalen Achse. Das einfache Beispiel unten zeigt auf der linken Seite wie sich ein reines sinusförmiges Frequenzsignal über die Zeit ändert. Wenn wir annehmen, dass die Periode 1 Mikrosekunde ist, wird das Signal eine Million mal pro Sekunde wiederholt oder ein Megahertz genannt. Im Zeitdomänen-Plot auf der rechten Seite repräsentieren wir die Amplitude dieses Signals.

Die Anfänge der Fourier-Analyse

(2) Wir haben ein zweites Ziel. Den Grundstein für die Erklärung zu legen, dass das Senden von digitalen Signalen eine Vielzahl von Frequenzen enthält und dass das Übertragungsmedium „ausreichende“ Arbeit leisten muss – von einem Standard definiert – für alle Frequenzen von Interesse.

Und schließlich kann dieser Satz von Zeichnungen zum Einführen der digitalen Testtechnik verwendet werden. Die Testgeräte der Serie DSP von Fluke senden Impulse, die viele Frequenzen enthalten.

Fügen Sie zwei sinusförmige Signale hinzu, um das Zeitdomänensignal zu erhalten, das im linken Plot gezeigt wird. Wir haben dem 1 MHz-Signal der vorherigen Folie ein Signal von 3 MHz mit einer Amplitude hinzugefügt, die 1/3 das 1 MHz-Signals entspricht. Das Bild der Frequenzdomäne oben zeigt die beiden Frequenzen, jedes mit ihrem Amplitudenwert.

Wir haben jetzt 4 Signale addiert. Die Signale mit höheren Frequenzen, genannt Oberschwingungen, haben fortlaufend kleinere Amplituden: 1/3, 1/5, 1/7, usw. Sie können sehen, dass das Zeitdomänenbild sich digitalem Signalsenden nähert, d.h. zwei verschiedenen Spannungsstufen.

Und schließlich können wir das Ganze in die umgekehrte Richtung umdrehen. Theoretisch übertragen wir das digitale Signal, das im Zeitdomänenbild gezeigt wird, eine perfekte Rechteckwelle. Die Frequenzdomäne zeigt, dass ein derartiges digitales Signal eine Anzahl von Frequenzen enthält. In der Tat ist jede Frequenz zwischen 0 und einem höheren Wert repräsentiert. Für ein zweistufiges digitales Signal ist der obere Wert das Frequenz gleich der Datenübertragungsgeschwindigkeit.

Beispiel: Bei Verwendung der NRZ-Codierung für ATM 155 ist dieser Nullpunkt bei 155 MHz. Sollten wir nicht auf 155 MHz testen? Das vom Sender erstellte Signal zeigt nicht die perfekten Anstiegs- und Abfallzeiten, die man im theoretischen Modell sieht. Änderungen von einer Spannungsstufe zu einer anderen erfordern einen begrenzten Zeitraum (gemessen als Anstiegs- und Abfallzeiten). Das Frequenzspektrum des „wahren“ ATM NRZ-Signals ist so gestaltet, dass das Ende im Frequenzdomänenbild drastisch abfällt. Es wurde von Manchen diskutiert, wie viel Energie wirklich oberhalb 100 MHz vorhanden ist. Das zweite zu bedenkende Thema ist, dass der Empfänger keine Frequenzen oberhalb 100 MHz benötigt oder erwartet, um das übertragene digitale Signal ordnungsgemäß decodieren zu können.

Megahertz (MHz) ist nicht gleich Megabit pro Sekunde (Mbit/s)