百兆以太網使用的電信號編碼分析
時間：2018-09-29 來源：未知
以太網是一種計算機局域網的組網技術。在IEEE制定的IEEE 802.3標準給出了以太網的技術標準。它規定了包括物理層的連線、電信號和介質訪問層協議的內容。以太網是當前應用普遍的局域網技術。它很大程度上取代了其他局域網標準，如令牌環、FDDI和ARCNET。
我們常見的網線是一種雙絞線，內部是銅制電纜，傳輸的是電信號。我們說的線路的編碼，就是要考慮到電信號如何更適合在銅制電纜上的傳輸，使信號能夠無損的到達接收方。我們在閱讀網絡驅動相關的代碼時，可能會看到NRZ編碼、Manchester編碼、4B/5B編碼 、8B/10B編碼這樣的名詞概念，為了更好的理解代碼，不對相關概念產生迷惑，所以就對常見的10MBase-T和100MBase-T的以太網接口的電信號編碼方法和原理做如下的分析和說明。
先分析10MBase-T接口的編碼，10MBase-T接口對發送數據使用Manchester編碼的方式進行編碼然后發送，Manchester編碼的基本原理是這樣的，將0作為由低到高的跳變，1作為由高到低的跳變。因為0和1都導致信號的跳變，所以接收方能有效地恢復時鐘。（還有一種曼徹斯特編碼的變種，稱為差分曼徹斯特（differential Manchester）編碼。其方法是若信號的前一半與前一比特信號的后一半信號相等則編碼為1，若信號的前一半與前一比特信號的后一半信號相反則編碼為0。
曼徹斯特編碼方案存在的問題是使鏈路上信號跳變的速率加倍，這意味著接收方有一半的時間在檢測信號的每一個脈沖。信號變化的速率稱為鏈路的波特率（baud rate）。在曼徹斯特編碼中，比特率是波特率的一半，所以認為編碼的效率僅為50%。
100MBase-T接口的編碼是用的4B/5B編碼與MLT-3編碼組合方式，發送碼流先進行4B/5B編碼，再進行MLT-3編碼，后再上線路傳輸；千兆以太網用的是8B/10B編碼與NRZ編碼組合方式。
我們對使用到的4B/5B編碼 MLT-3編碼 和NRZ編碼進行介紹，首先介紹一下什么是4B/5B編碼，4B/5B編碼是百兆以太網（即快速以太網）中線路層編碼類型之一，就是用5bit的二進制數來表示4bit二進制數，映射方式如下表所示：
為什么要進行4B/5B編碼？
在通信網絡中，接收端需要從接收數據中恢復時鐘信息來保證同步，這就需要線路中所傳輸的二進制碼流有足夠多的跳變，即不能有過多連續的高電平或低電平，否則無法提取時鐘信息。
Manchester（曼切斯特）編碼可以保證線路中碼流有充分的跳變，因為它是用電平從“-1”到“+1”的跳變來表示“1”，用電平從“+1”到“-1”的跳變來表示“0”，但是這種編碼方式的效率太低，只有50%，相當于用線路的有效帶寬來換取信號的跳變，十兆以太網就是使用Manchester編碼，雖然線路的有效帶寬只有10Mbps，但實際使用的帶寬卻是20Mbps。
為了避免曼徹斯特編碼的低效率，100MBase-T接口使用了4B/5B編碼加MLT-3的編碼方式。
4B/5B編碼其實就是用5bit的二進制碼來代表4bit二進制碼。此編碼的效率是80%，比Manchester碼高。4B/5B編碼的目的在前面已經說過了，就是讓碼流產生足夠多的跳變。4位二進制共有16種組合，5位二進制共有32種組合，如何從32種組合種選取16種來使用呢？這里需要滿足兩個規則：
1). 每個5比特碼組中不含多于3個“0”；
2). 或者5比特碼組中包含不少于2個“1”；
此規則是怎么來的？這就要從MLT-3碼的特點來解釋了。 MLT-3碼的特點簡單的說就是：逢“1”跳變，逢“0”不跳變。為了讓4B/5B編碼后的碼流中有足夠多的跳變就需要編碼后的碼流中有盡量多的“1”和盡量少的“0”。
4B/5B編碼的特點是將欲發送的數據流每4bit作為一個組，然后按照4B/5B編碼規則將其轉換成相應5bit碼。5bit碼共有32種組合，但只采用其中的16種對應4bit碼的16種，其他的16種或者未用或者用作控制碼，以表示幀的開始和結束。此外還有8B/10B編碼與4B/5B的概念類似，例如在千兆以太網中就采用了8B/10B的編碼方式。
MLT-3編碼的基本方法
MLT-3即Multi-Level Transmit -3，多電平傳輸碼，MLT-3碼跟NRZI碼有點類型，其特點都是逢“1”跳變，逢“0”保持不變，并且編碼后不改變信號速率。如NRZI碼不同的是，MLT-3是雙極性碼，有”-1”、“0”、“1”三種電平，編碼后直流成份大大減少，適合通過電信號進行電路傳輸，100Base-TX采用此碼型。
MLT-3編碼規則：
1).如果下一輸入為“0”，則電平保持不變；
2).如果下一輸入為“1”，則產生跳變，此時又分兩種情況。
(a).如果前一輸出是“＋1”或“－1”，則下一輸出為“0”；
(b).如果前一輸出是“0”，其信號極性和近一個非“0”相反。
