MHz frente Mbits y codificación

• MHz: una unidad de frecuencia, describe señales eléctricas. Pertenece al medio físico
• Mbits: Una velocidad de los datos, describe el rendimiento obtenido por el sistema (la electrónica, el software y los medios)

Momento para una historia

Érase una vez, yo era muy feliz si mi módem funcionaba de forma fiable a 4800 bps, de hecho, estaba eufórico si conseguía conectarme a 9600 o 9,6 kbps. Ahora uso un módem de 56 kbps que parece que funciona bien (aunque nunca se conecta uno exactamente a 56 k). La línea de teléfono de mi casa no ha cambiado; sigo teniendo el mismo cable de cobre. La codificación de la señal (estándar V.90) combinada con los códigos de corrección de errores y la compresión ha hecho posible esta transferencia de datos más rápida e incluso más fiable. Una situación similar se produce para Gigabit Ethernet a través de Cat 5.

Codificación de la señal digital

"Man" en la segunda línea designa la codificación "Manchester" que se usa en la Ethernet estándar. La línea inferior muestra la codificación "Differential Manchester" que es muy similar (pero diferente, como puede ver) y es la que usa Token Ring. En ambos sistemas Manchester, la señal pasa por una transición de alta a baja o la dirección contraria en la mitad de cada ranura de tiempo de bits. Esta transición garantiza una buena sincronización entre el remitente y el receptor. Por tanto, las personas en ocasiones comentan que 10BASE-T se ejecuta sobre "hilo desnudo". En realidad se usa una técnica de codificación de señal muy robusta. Sin embargo, observe también que la codificación de la señal Manchester realiza prácticamente el doble de cambios de nivel por tiempo que la señal NRZ anterior. Por tanto, la codificación Manchester es muy poco eficiente en cuanto a requisitos de ancho de banda. Para transmitir 10 Mbps necesita un ancho de banda de al menos 10 MHz para la señal en el cable. (Este es un mínimo muy sencillo. Por fortuna, Cat 3 se comporta bastante bien hasta 16 MHz.)

Obviamente, para obtener mayores velocidades de datos en un cableado de par trenzado, hay que encontrar otros sistemas de codificación de la señal que podrían proporcionar una sincronización fiable. Uno de esos sistemas es la codificación 4 bit- 5 bit. Cada cuatro bits de datos se trasladan a una secuencia de 5 bits para su transmisión. Los cinco bits proporcionan 32 combinaciones distintas. De estas 32 combinaciones, solo 16 (la mitad) tienen que seleccionarse para la codificación de datos. Es posible seleccionar esas secuencias de 5 bits que proporcionan el número máximo de "transiciones" para una buena sincronización. Por ejemplo, 00000 y 11111 se excluirán, seguro.

A continuación se muestran algunas ventajas adicionales: es posible usar los demás códigos 16 para delimitadores o patrones inactivos, pero si un patrón "ilegítimo" aparece, se habrá detectado que el cable transmitió algo por error. Sin embargo, el flujo de datos ha crecido el 25 %. Para transmitir 100 millones de bits de datos, es necesario transmitir 125 millones de señales en el cableado y el nivel de señal es válido durante 8 ns. Para contener el requisito de ancho de banda para esta velocidad de señalización. La señalización usa una codificación "pseudo-ternaria". No se trata de una señal lógica de tres niveles sino que se elegirán 0 voltios para una señal que representa una 0 lógica. La señal 1 lógica "alternará" entre +1 V y -1 V. Vea a continuación. Parecerá intuitivo que se necesitan menos transiciones de señal por unidad de tiempo. También hay una prueba matemática para los requisitos de ancho de banda de la señal.

Codificación de la señal 100BASE-TX

Explicaremos una codificación de señal de cuatro niveles. Gigabit Ethernet usa en la actualidad PAM-5, un esquema de codificación de nivel cinco. El "quinto" nivel se usa para una sincronización adicional, así como para la detección/corrección de errores. Tenga en cuenta que la sincronización de la señal es de 8 ns, exactamente el mismo valor que encontramos en la codificación Fast Ethernets 4B-5B.

Las señales en el cable pueden tomar cinco niveles distintos mientras que el cambio total de tensión del valor mínimo al máximo siguen siendo los mismos 2 V (de -1 V a +1 V). Los niveles de la señal ya no están separados por 2 V, sino por 0,5 V. El resultado directo de esta separación es que si un pico de ruido de 0,25 V golpea al cable, probablemente el receptor no podrá determinar qué nivel de señal se ha transmitido. Esta situación se alivia en cierta manera por el nivel de codificación de detección /corrección de error.

Codificación de señal de cuatro niveles

Este es un ejemplo de cómo podría ser un esquema de codificación de cuatro niveles. Recuerde que esto ilustra el tipo de codificación de la señal que se usa en 1000BASE-T. El verdadero sistema de codificación se llama PAM-5, que es un sistema de cinco niveles.

Teorema Nyquist para un canal sin ruido

Para incluir algo de teoría en la imagen. Puede que haya oído hablar de la frecuencia Nyquist. A continuación se ofrece una explicación resumida. La ley de Shannons se aplica para predecir la cantidad de ancho de banda que tiene que haber disponible por encima del mínimo de Nyquist basándose en las relaciones de señal y radio esperadas.

limitación determinada por el ancho de banda de la señal R=2Wlog₂M

Donde R es la velocidad de transmisión de datos, W es la frecuencia máxima y M es el número de niveles de codificación

Ejemplo 1: 10BASE-T

Este es una codificación de dos niveles, por lo que M=2,
Por tanto, el ancho de banda (W) = R / log₂2 * 2 que proporciona 10 MHz (recuerde que el throughput de 10BASE-T es de 20 Mbits)

Ejemplo 2: 1000BASE-T

Esta es una codificación de cuatro niveles por lo que M=4 (el 5º nivel es solo para la sincronización)
Por tanto, el ancho de banda (W) = R / log₂4 * 2 que proporciona 62,5 MHz (R = 250 Mbits/s)
Esta es la teoría, y en la vida real, el protocolo para 1000BaseT necesita un poco más de 80 MHz, por lo que la IEEE especifica la comprobación de cables en todos los pares hasta 100 MHz.

El rendimiento de transmisión para componentes e instalaciones de Cat 6 tiene que comprobarse con 250 MHz. Con el modelo ACR de ancho de banda, la instalación se prevé para que tenga un margen positivo similar en el tamaño al margen de una instalación Cat 5 a 100 MHz. A 250 MHz, la instalación tendrá un margen ACR negativo. La IEEE ha sido el instigador para fomentar las comprobaciones a 250 MHz teniendo en cuenta la posibilidad de que el desarrollo continuado de la tecnología DSP permitirá la transmisión más allá del ancho de banda de ACR. Recuerde que esta tecnología se había desarrollado inicialmente para 100BASE-T2, que nunca se implementó. El estándar 1000BASE-T confía en gran medida en estas técnicas de DSP para garantizar la transmisión fiable a través de Cat 5. MHz Mbits MHz Mbits MHz Mbits MHz Mbits MHz Mbits MHz Mbits MHz Mbits

El desarrollo de One-Gbps Ethernet comenzó en el comité IEEE 802,3 como el proyecto IEEE 802.3z. Sin embargo, quedó claro que el desarrollo de 1000BASE-T (100 m en categoría 5) requeriría más trabajo y se iba a retrasar con respecto a la solución de fibra y de cobre de corto recorrido (25 m). Puesto que Gigabit Ethernet buscaría primero la aplicación en la red troncal donde la fibra es el medio predominante, tenía sentido dividir los dos esfuerzos y acelerar la solución de fibra.

Por tanto, se creó un proyecto IEEE 802.3ab independiente para abordar específicamente el desarrollo de 1000BASE-T.

• 1000BASE-LX (longitud de onda larga: >1300 nm)
  Fibra multimodo hasta 550 m
  Fibra monomodo hasta 2.500 m
• 1000BASE-SX (longitud de onda corta: 850 nm)
  Fibra multimodo hasta 62,5 m hasta 220 m
  Fibra multimodo hasta 50 m hasta 300 m
• 1000BASE-CS
  Cobre de recorrido corto (25 m)

La solución de cobre de recorrido corto usa el cable triaxial (IBM) y está pensada solo para aplicaciones de la red troncal en una sala de equipos, interconectando los concentradores u otros dispositivos electrónicos de red en una sala de equipos. Definitivamente, no se considera parte de una solución de cableado genérica. Se espera que estos cables de cobre de corto recorrido se fabriquen en fábrica en longitudes fijas.

Esta parte de One-Gbps Ethernet se aprobó en junio de 1998. El desarrollo de estándares para fibra encontró algunos problemas restantes con el ancho de banda modal, que se traducía en una fluctuación excesiva en la fibra multimodo. Esto dio lugar a la definición de la distancia máxima en fibra multimodo como se muestra anteriormente. La dispersión modal y la fluctuación resultante es una función del diámetro del núcleo y de la longitud de onda (y espectro) de la fuente de luz.

IEEE 802.3ab ahora está completamente dedicada a One-Gbps Ethernet en cableado de par trenzado de categoría 5. Se usan todos los pares de cables 4 en el cableado de cuatro pares estándar y la transmisión es de dúplex lleno en todos los pares de cables 4. También se implementan técnicas de cancelación de NEXT. Esta técnica se desarrolló inicialmente (aunque nunca se implementó) para la 100BASE-T2 propuesta. La última se definió como una solución de dos pares de cables en la categoría 3 para Fast Ethernet (velocidad de los datos de 100 Mbps). Se adoptó un sistema de codificación de cinco niveles; se llama PAM-5, y podrá obtener más información más adelante. El objetivo inicial del comité IEEE 802,3 era obtener un estándar completado para finales de 1998; los retrasos con respecto a la pérdida de retorno produjeron que se retrasase. Sin embargo, se llegó a un acuerdo en agosto de 1999.

El grupo de trabajo IEEE 802.3ab solicitó asistencia al grupo de tareas UTP de TIA TR41.8.1 para rellenar los requisitos necesarios para la operación de One-Gbps en el cableado de categoría 5. (Tenga en cuenta que en diciembre de 1998 el nombre de este grupo de TIA cambió a TR.42.)

Este grupo de tareas había adoptado un proyecto de seguimiento "rápido" para hacerlo y el objetivo era igualar el marco temporal para 1000BASE-T. Ambos proyectos se han "deslizado" juntos. Se detecta en todas las maneras posibles que se espera que el cableado de categoría 5 existente, e instalado en la actualidad, debería satisfacer normalmente los requisitos adicionales, que se dejaron anteriormente sin especificar. Como resultado, la TIA podrá llamar al nuevo cable compatible "categoría 5" y no algo como "categoría 5e" o "categoría 6". Las especificaciones de Cat 5 se han modificado con un nivel de rendimiento recomendado para los nuevos parámetros de comprobación (mediciones relacionadas con FEXT y pérdida de retorno). Las recomendaciones se especifican en un Boletín de sistemas de telecomunicaciones (Telecommunications Systems Bulletin, TSB95). Los TSB no tienen el peso de un "estándar"; son recomendaciones. (TSB67 fue una excepción; tiene el peso normativo de un estándar.)

Lo que decimos es que la medida última del éxito en la transmisión de datos es el hecho de que los tramos se transmiten con éxito. No hay errores de bits (no hay errores de FCS) y no hay retransmisiones. La capa física desempeña un papel crítico a la hora de obtener una transmisión sin errores en la capa de enlace de datos. Las características de ancho de banda de la capa física deben coincidir con el requisito de la codificación de señal física que usa la red.

(1) Necesitamos explicar las reglas básicas para todos los gráficos de "frecuencia" que usaremos durante los análisis de las normas y especialmente para describir el rendimiento de los parámetros que varían con la frecuencia como NEXT y atenuación. En el dominio de frecuencia, dibujamos la frecuencia en el eje horizontal y mostramos "algo" acerca de una señal con dicha frecuencia en el eje vertical. El sencillo ejemplo que se muestra a continuación representa a la izquierda cómo una frecuencia pura sinusoidal varía en el tiempo. Si asumimos que el período es 1 microsegundo, la señal se repetirá un millón de veces por segundo o se llama un megahercio (MHz). En el gráfico de dominio de tiempo a la derecha, representamos la amplitud de dicha señal.

Los comienzos del análisis de Fourier

(2) Tenemos un segundo objetivo. Para definir la base para explicar que la señalización digital contiene una gran cantidad de frecuencias y que el medio de transmisión tiene que hacer un "trabajo adecuado", definido por un estándar, para todas las frecuencias de interés.

Por último, este juego de dibujos se puede usar para introducir la técnica de comprobación digital. Los comprobadores de la serie DSP de Fluke envían pulsos que contienen muchas frecuencias.

Añada dos señales sinusoidales para que la señal del dominio de tiempo se dibuje en el gráfico de la izquierda. Hemos añadido a la señal de 1 MHz de la diapositiva anterior una señal de 3 MHz con una amplitud igual a 1/3 de la señal 1 MHz. La imagen del dominio de frecuencia anterior muestra las dos frecuencias, cada una con su valor de amplitud.

Ahora hemos añadido 4 señales juntas. Las señales con frecuencias más altas, llamadas armónicas, tienen sucesivamente amplitudes más pequeñas: 1/3, 1/5, 1/7, etc. Puede ver que la imagen del dominio de tiempo se acerca a la señalización digital, es decir, dos niveles de tensión distintos.

Por último, estamos listos para cambiar todo en la otra dirección. En teoría, estamos transmitiendo la señal digital que se muestra en la imagen del dominio de tiempo, una onda cuadrada perfecta. El dominio de frecuencia muestra que dicha señal digital contiene una serie de frecuencias. De hecho, se representa cada frecuencia entre 0 y algunos valores superiores. Para una señal digital de dos niveles, el valor superior es la frecuencia igual a la velocidad de datos.

Ejemplo: Con la codificación NRZ para ATM 155, este punto nulo se encuentra a 155 MHz. ¿No deberíamos realizar pruebas a 155 MHz? La señal creada por el transmisor no muestra los tiempos de subida y caída perfectos que se observan en el modelo teórico. Los cambios de un nivel de tensión a otro requieren una cantidad de tiempo finita (medida como los tiempos de subida y bajada). El espectro de frecuencias de la señal ATM NRZ "real" es tal que la "cola" en la imagen del dominio de frecuencia cae drásticamente. Varias personas han debatido cuánta energía está realmente presente por encima de los 100 MHz. El segundo problema que recordar es que el receptor puede no necesitar o esperar ninguna frecuencia por encima de 100 MHz para decodificar correctamente la señal digital que se transmite.

Megaherzio (MHz) no es igual a Megabits por segundo (Mbps)