←

Transmisiuni de Date în Bandă de Bază și Transmisiuni Multinivel

Codificări, forme de undă, formule și instrumente interactive

Nivel Fizic — Rețele de Calculatoare

Familii de Codificări

Unipolară
NRZ
Polară
Manchester
Bipolară
AMI, HDB3
Multinivel
MLT-3, 2B1Q
Bloc
4B/5B, 8B/10B
PAM
PAM-5
Unipolară Polară Bipolară Multinivel Codificare Bloc PAM
Banda de Bază

Transmisiuni în Bandă de Bază

Codificări care transmit semnalul direct pe mediul fizic, fără modulare pe o purtătoare

NRZ-L (Non-Return-to-Zero Level)

Unipolară/Polară
Regula: Bitul 1 = nivel de tensiune pozitiv (+V); Bitul 0 = nivel de tensiune negativ (−V). Nivelul se menține pe toată durata bitului.
Avantaje
Simplu de implementat; eficiență maximă a lățimii de bandă (1 bit/baud)
Dezavantaje
Componentă DC prezentă; fără recuperare ceas; probleme la secvențe lungi de 0 sau 1
Lățime de Bandă
B = R/2 (minimă); fără auto-sincronizare
Utilizare
RS-232, comunicații seriale simple, memorii magnetice

NRZ-I (Non-Return-to-Zero Inverted)

Polară
Regula: Bitul 1 = tranziție (schimbare de nivel) la începutul bitului; Bitul 0 = fără tranziție (se menține nivelul anterior).
Avantaje
Imunitate la inversarea polarității; mai bun decât NRZ-L pentru secvențe de 1
Dezavantaje
Probleme la secvențe lungi de 0 (fără tranziție); componentă DC posibilă
Lățime de Bandă
B = R/2; eficient spectral
Utilizare
USB, codificare 4B/5B + NRZI (Fast Ethernet)

RZ (Return-to-Zero)

Polară
Regula: Bitul 1 = +V în prima jumătate, 0V în a doua; Bitul 0 = −V în prima jumătate, 0V în a doua. Semnalul revine la zero la mijlocul fiecărui bit.
Avantaje
Auto-sincronizare (tranziție la fiecare bit); bun pentru recuperarea ceasului
Dezavantaje
Necesită lățime de bandă dublă; 3 niveluri de tensiune necesare
Lățime de Bandă
B = R (dublă față de NRZ)
Utilizare
Utilizat rar direct; bază conceptuală pentru Manchester

Manchester (IEEE 802.3)

Polară
Regula: Bitul 1 = tranziție de la −V la +V la mijlocul bitului; Bitul 0 = tranziție de la +V la −V la mijlocul bitului. Tranziția la mijloc este obligatorie.
Avantaje
Auto-sincronizare excelentă; fără componentă DC; detecție ușoară a erorilor
Dezavantaje
Necesită lățime de bandă dublă față de NRZ (eficiență 50%)
Lățime de Bandă
B = R (1 baud = 1 bit, dar 2 tranziții/bit posibile)
Utilizare
10BASE-T Ethernet (IEEE 802.3), Token Ring (802.5)

Manchester Diferențial

Polară
Regula: Tranziție la mijlocul bitului — mereu (pentru ceas). Bitul 0 = tranziție și la începutul bitului; Bitul 1 = fără tranziție la începutul bitului.
Avantaje
Auto-sincronizare; imunitate la inversarea polarității; fără componentă DC
Dezavantaje
Lățime de bandă dublă; complexitate mai mare de implementare
Lățime de Bandă
B = R (identic cu Manchester)
Utilizare
Token Ring (IEEE 802.5)

AMI (Alternate Mark Inversion)

Bipolară
Regula: Bitul 0 = 0V (nici un semnal); Bitul 1 = alternativ +V și −V (fiecare 1 are polaritate opusă față de precedentul).
Avantaje
Fără componentă DC; detecție simplă a erorilor (violare de alternare)
Dezavantaje
Secvențe lungi de 0 → pierdere sincronizare
Lățime de Bandă
B = R/2; eficient spectral
Utilizare
T1/E1 (ISDN BRI), linii telefonice digitale

HDB3 (High Density Bipolar 3)

Bipolară
Regula: Bazat pe AMI, dar la fiecare secvență de 4 zerouri consecutive se face o substituție: 000V (dacă numărul de 1 de la ultima substituție este impar) sau B00V (dacă este par). V = bit de violare (același semn ca precedentul 1), B = puls bipolar normal.
Avantaje
Garantează tranziții la fiecare 4 biți; fără componentă DC; sincronizare excelentă
Dezavantaje
Complexitate mai mare; logica de substituție necesită urmărirea stării
Lățime de Bandă
B = R/2; spectru similar AMI dar fără componente joase
Utilizare
E1 (Europa, 2.048 Mbps), E3, linii trunk telecom
Multinivel

Transmisiuni Multinivel și Codificări Bloc

Codificări care folosesc mai mult de două niveluri de semnal sau transformă grupuri de biți

MLT-3 (Multi-Level Transmit 3)

Multinivel
Regula: Bitul 1 = trece la următorul nivel în secvența ciclică: +V → 0 → −V → 0 → +V...; Bitul 0 = rămâne la nivelul curent.
Avantaje
Lățime de bandă redusă (frecvența fundamentală = R/3); EMI scăzut
Dezavantaje
Necesită codificare prealabilă (4B/5B) pentru sincronizare
Lățime de Bandă
B = R/3 (foarte eficient)
Utilizare
100BASE-TX Fast Ethernet (cu 4B/5B)

2B1Q (2 Binary 1 Quaternary)

Multinivel
Regula: Fiecare pereche de 2 biți este codificată ca un singur simbol cu 4 niveluri: 00 = −3V, 01 = −1V, 11 = +1V, 10 = +3V.
Avantaje
Eficiență spectrală dublă (2 biți/simbol); baud rate = bit rate / 2
Dezavantaje
Sensibil la zgomot (niveluri apropiate); necesită SNR mai mare
Lățime de Bandă
B = R/4 (foarte eficient)
Utilizare
ISDN BRI (U interface), DSL (HDSL)

4B/5B (4 Binary / 5 Binary)

Codificare Bloc
Regula: Fiecare grup de 4 biți este înlocuit cu un codeword de 5 biți ales astfel încât să nu existe mai mult de 3 zerouri consecutive. Apoi se transmite cu NRZI sau MLT-3. Eficiență: 80%.
Avantaje
Garantează tranziții suficiente pentru sincronizare; overhead doar 25%
Dezavantaje
Reduce eficiența la 80%; necesită codificare suplimentară (NRZI/MLT-3)
Lățime de Bandă
Crește rata de semnal cu 25% (100 Mbps → 125 Mbaud)
Utilizare
100BASE-TX/FX (Fast Ethernet), FDDI

8B/10B

Codificare Bloc
Regula: Fiecare octet (8 biți) este codificat în 10 biți, menținând balanța DC (disparitate) și suficiente tranziții. Utilizează o tabelă de lookup cu urmărirea disparității. Eficiență: 80%.
Avantaje
Balanță DC excelentă; detecție erori integrată; sincronizare garantată
Dezavantaje
Overhead 20%; tabelă de lookup mare
Lățime de Bandă
Crește rata cu 25% (1 Gbps → 1.25 Gbaud)
Utilizare
Gigabit Ethernet (1000BASE-X), Fibre Channel, SATA I/II, PCIe 1.0–2.0, USB 3.0

PAM-5 (4D-PAM5)

PAM
Regula: Utilizează 5 niveluri de tensiune (−2, −1, 0, +1, +2) pe 4 perechi simultane (4D). Prin codificare Trellis, se ating 2+ biți/simbol/pereche. Transmite 250 Msimboli/s pe fiecare pereche pentru a obține 1 Gbps total.
Avantaje
Eficiență spectrală ridicată; funcționează pe cablu Cat5e existent
Dezavantaje
Complexitate DSP ridicată; sensibil la zgomot; necesită echalizare avansată
Lățime de Bandă
125 MHz pe 4 perechi = 1 Gbps total
Utilizare
1000BASE-T (Gigabit Ethernet pe cablu UTP)
Formule

Formule Cheie

Formulele fundamentale pentru capacitate, rată de transfer și lățime de bandă

Teorema Nyquist

C = 2 × B × log₂(M)

C = capacitatea maximă a canalului (bps)
B = lățimea de bandă (Hz)
M = numărul de niveluri de semnal

Valabil pentru canale fără zgomot. Definește limita superioară a ratei de transfer pe un canal ideal.

Teorema Shannon-Hartley

C = B × log₂(1 + SNR)

C = capacitatea maximă a canalului (bps)
B = lățimea de bandă (Hz)
SNR = raportul semnal/zgomot (liniar, nu dB)

Limita absolută pentru canale cu zgomot. Nu se poate depăși indiferent de codificare.

Relația Bit Rate – Baud Rate

Bit Rate = Baud Rate × log₂(M)

Baud Rate = numărul de simboluri pe secundă
M = numărul de niveluri/stări posibile

Exemplu: 2B1Q are M=4 → log₂(4)=2, deci Bit Rate = 2 × Baud Rate.

Interactiv

Generator de Semnale

Introduceți o secvență binară și vizualizați forma de undă pentru toate codificările

Calculator

Calculator Nyquist / Shannon

Calculați capacitatea canalului și ratele de transfer în timp real

Calculator Nyquist

C = 2 × B × log₂(M)
Capacitate maximă
6,000 bps

Calculator Shannon

C = B × log₂(1 + SNR)
Capacitate maximă
29,901 bps

Bit Rate ↔ Baud Rate

Bit Rate = Baud Rate × log₂(M)
Bit Rate
2,000 bps
Comparație

Matrice de Comparație

Toate codificările comparate — filtrați după categorie

Codificare Tip Balanță DC Recuperare Ceas Eficiență BW Complexitate Utilizare
NRZ-L Polară Nu Nu R/2 Scăzută RS-232
NRZ-I Polară Nu Parțial R/2 Scăzută USB, NRZI
RZ Polară Nu Da R Medie Rar utilizat
Manchester Polară Da Da R Medie 10BASE-T
Diff. Manchester Polară Da Da R Medie Token Ring
AMI Bipolară Da Parțial R/2 Medie T1, ISDN
HDB3 Bipolară Da Da R/2 Ridicată E1, E3
MLT-3 Multinivel Da Parțial R/3 Medie 100BASE-TX
2B1Q Multinivel Nu Parțial R/4 Medie ISDN, HDSL
4B/5B Bloc Indirect Da 80% Medie Fast Ethernet
8B/10B Bloc Da Da 80% Ridicată GbE, SATA, PCIe
PAM-5 PAM Da Da 2+ bit/sym Ridicată 1000BASE-T
Aplicații

Aplicații Practice

Unde sunt folosite aceste codificări în lumea reală

10BASE-T Ethernet

IEEE 802.3 • 10 Mbps

Folosește codificarea Manchester pe o singură pereche torsadată. Tranziția la mijlocul bitului asigură sincronizare excelentă.

Manchester

100BASE-TX Fast Ethernet

IEEE 802.3u • 100 Mbps

Combină 4B/5B (pentru eliminarea secvențelor lungi de 0) cu MLT-3 (pentru reducerea lățimii de bandă). Rata de semnal: 125 Mbaud.

4B/5B + MLT-3

1000BASE-T Gigabit Ethernet

IEEE 802.3ab • 1 Gbps

Utilizează 4D-PAM5 pe toate cele 4 perechi ale cablului Cat5e simultan, cu codificare Trellis pentru corecție de erori.

4D-PAM5

1000BASE-X (Fibră)

IEEE 802.3z • 1 Gbps

Codificare 8B/10B pe fibră optică sau STP. Rata de semnal: 1.25 Gbaud cu overhead de 20%.

8B/10B

USB (Universal Serial Bus)

USB 1.1 – 3.x

USB 1.1/2.0 folosesc NRZI cu bit stuffing. USB 3.0+ utilizează 8B/10B (Gen1) sau 128B/132B (Gen2).

NRZI / 8B/10B

ISDN BRI (Basic Rate Interface)

ITU-T I.430 • 160 kbps

Interfata U foloseste 2B1Q pentru transmisie pe o singură pereche. AMI se foloseste pe interfata S/T.

2B1Q / AMI

T1/E1 (Linii Trunk)

T1: 1.544 Mbps • E1: 2.048 Mbps

T1 (America) foloseste AMI cu B8ZS. E1 (Europa) foloseste HDB3 pentru a garanta sincronizarea pe linii lungi.

AMI / HDB3

SATA & PCIe

Stocare & Interconectare

SATA I/II și PCIe 1.0–2.0 folosesc 8B/10B. PCIe 3.0+ a trecut la 128B/130B pentru eficiență mai bună (96.9% vs 80%).

8B/10B / 128B/130B

Token Ring

IEEE 802.5 • 4/16 Mbps

Foloseste Manchester Diferențial, care oferă imunitate la inversarea polarității — esențial pentru topologia inel.

Diff. Manchester