Особенности физического уровня

Устройство физического уровня (PHY) обеспечивает логическое и сигнальное кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию приемника и передатчика, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике. Это устройство принимает данные в параллельном формате от MAC-подуровня, транслирует их в один (для TX и FX) или три (для T4) последовательных потока бит, осуществляет их сигнальное кодирование и передает физические сигналы через разъем в кабель. На приемном узле устройство PHY выполняет обратные преобразования. Между спецификациями PHY-FX и PHY-TX есть много общего, поэтому общие для них свойства будут рассматриваться под обобщенным названием PHY FX/TX.

Повышение скорости передачи до 100 Мбит/с предъявило более жесткие требования к полосе пропускания используемых кабелей, поэтому актуальными были любые меры, позволяющие уменьшить верхнюю границу требуемой полосы частот. Для этого, в частности, были использованы потенциальные коды, имеющие более узкий, в сравнении с манчестерским кодом, спектр. Однако, прямое использование потенциальных кодов оказалось невозможным по причине их плохой самосинхронизующей способности при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Эта проблема была решена посредством применения логического кодирования по схеме 4В/5В. При использовании пяти бит для кодирования шестнадцати исходных 4-х битовых комбинаций, можно построить такую таблицу кодирования, в которой любой исходный 4-битовый символ представляется 5-битовым кодом с достаточно часто чередующимися нулями и единицами. Коды 4B/5B построены так, что гарантируют присутствие не более трех нулей подряд при любом сочетании бит в исходной информации, что и создает условия для надежной синхронизации приемника. Так как исходные биты MAC-подуровня должны передаваться со скоростью 100 Мбит/c, то наличие одного избыточного бита вынуждает передавать биты результирующего кода со скоростью 125 Мбит/c.

Поскольку из 32 возможных комбинаций 5-битовых символов для кодирования порций исходных данных нужно только 16, то появилась возможность определить ряд служебных и запрещенных символов. Их наличие позволяет использовать в спецификациях FX/TX схему непрерывного обмена сигналами между передатчиком и приемником при свободном состоянии среды, что отличает их от спецификации 10Base-T, когда незанятое состояние среды обозначается полным отсутствием в ней импульсов. Для обозначения незанятого состояния среды в устройствах 100Base FX/TX используется служебный символ Idle (11111), который постоянно передается, поддерживая синхронизацию приемников и передатчиков станций в периодах между передачами кадров, а также позволяет контролировать физическое состояние линии. Существование запрещенных символов усиливает также помехоустойчивость кода и повышает устойчивость работы сетей с PHY FX/TX.

Пятибитовые символы PHY представляются оптическими или электрическими сигналами в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации PHY-FX и PHY-TX используют для этого различные методы сигнального кодирования - NRZI (дифференциальный NRZ) и MLT-3 соответственно. Напомним, что в методе NRZI - Non Return to Zero Invert to ones (метод без возврата к нулю с инвертированием для единиц) используется два уровня сигнала, но потенциал кодирования текущего бита, зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита. Если кодируемый бит имеет значение 1, то ему соответствует потенциал, являющийся инверсией потенциала предыдущего бита, независимо от значения последнего. Если же кодируемый бит имеет значение 0, то ему соответствует потенциал предыдущего бита (рис. 3.2). Частота основной гармоники сигнала NRZI будет максимальной при битовой последовательности, в которой не встречаются подряд нескольких нулей или единиц. В этом случае период основной гармоники равен временному интервалу двух битов, то есть при скорости передачи 100 Мбит/с частота основной гармоники будет 50 МГц.

Спецификация PHY-ТX предусматривает еще одно дополнительное логическое кодирование битового потока посредством скремблирования, что способствует более равномерному распределению энергии сигнала в его спектре и позволяет уменьшить побочное электромагнитное излучение кабеля. Для сигнального кодирования применяется код MLT-3. Этот код (многоуровневый троичный с чередованием полярности единиц) попеременно использует уровни +V, 0, -V для представления логических 1 и не изменяет полярность сигнала при представлении логических 0 (рис. 4.29). В коде MLT-3 максимальная частота основной гармоники достигается при подаче на вход кодера длинных последовательностей логических единиц. В этом случае период основной гармоники соответствует временному интервалу четырех битов. Следовательно, при скорости передачи 125 Мбит/с максимальная частота первой гармоники будет около 31 МГц., а первые три гармоники укладываются в полосу менее 100 МГц. Передача с такой скоростью оказывается возможной по медному кабелю с верхней границей полосы пропускания немного превышающей 100 МГц. Обратим внимание на то, что сохранение манчестерского кода, потребовало бы существенно более широкополосной среды, поскольку тактовая частота в этом случае составляла бы 200 МГц. Ряд дополнительных мер, предусмотренных спецификацией PHY-TX, позволили еще более ослабить требования к полосе пропускания медного кабеля.