MHz vs Mb/s et codage

• MHz : Une unité de fréquence, décrit les signaux électriques. Relève du support physique
• Mb/s : Un débit de données, décrit le débit effectué par le système (composants électroniques, logiciel et support)

L’heure de raconter une histoire

Il était une fois, j’étais très heureux lorsque je pouvais faire fonctionner mon modem de manière fiable à 4800 b/s, à vrai dire, j’étais aux anges si je me connectais à un débit de 9600 ou 9,6 kb/s. Aujourd’hui, j’utilise un modem de 56 kb/s qui semble marcher très bien (Bien que l’on ne se connecte jamais exactement à 56k). La ligne téléphonique de mon domicile n’a pas changé ; c’est toujours le même fil en cuivre. Le codage du signal (norme V.90) combiné à des codes de correction d’erreur et à la compression a rendu possible ce transfert de données plus rapide et encore plus fiable. Un scénario semblable est en train de se produire pour le gigabit Ethernet sur la Cat 5.

Codage de signal numérique

« Man » de la deuxième ligne désigne le code « Manchester » qui est utilisé pour l’Ethernet standard. La dernière ligne représente le codage « Manchester différentiel » qui est très semblable (mais différent, comme vous le voyez) et est utilisé par le token ring. Dans les deux systèmes Manchester, le signal passe par une transition valeur élevée à valeur basse ou dans le sens opposé au milieu de chaque temps d’attente de réception de bit. Cette transition garantit une bonne synchronisation entre l’émetteur et le récepteur. Par conséquent, les gens affirment parfois que la norme 10BASE-T fonctionne sur du « fil de fer barbelé ». En effet, il recourt à une technique de codage de signal très robuste. Mais, notez également que le code de signal Manchester passe à peu près par deux fois plus de changements de niveau par période que le signal NRZ ci-dessus. Par conséquent, le codage Manchester est très inefficace en ce qui concerne les exigences de la bande passante. Pour assurer une transmission de 10 Mb/s, il faut au moins une bande passante de 10 MHz pour le signal dans le câble. (Il s’agit du strict minimum. Heureusement, la Cat 3 se comporte plutôt bien jusqu’à 16 MHz.)

Manifestement, pour obtenir des débits de données plus élevés sur un câblage à paire torsadée, il nous fallait trouver d’autres systèmes de codage de signaux qui pourraient toujours permettre une synchronisation fiable. L’un de ces systèmes est le codage 4 bit 5 bit . Tous les quatre bits de données sont traduits en une séquence de 5 bits de transmission. Cinq bits permettent 32 différentes combinaisons. Parmi ces 32 combinaisons, seuls 16 (la moitié) doit être sélectionnée pour le codage des données. Nous pouvons sélectionner ces séquences de 5 bits qui permettent le nombre maximal de « transitions » pour une bonne synchronisation. Par exemple, 00000 et 11111 seront exclus, à coup sûr.

Certains avantages supplémentaires sont énumérés : nous pouvons utiliser le reste des 16 codes des délimiteurs ou de modèles au repos, et si un modèle « illicite » apparaît, nous avons découvert que le câble transmettait quelque chose par erreur. Pourtant, le flux de données a connu une croissance de 25%. Pour transmettre 100 millions de bits de données, il faut transmettre 125 millions de signaux sur le câble et le niveau de signal est valable pendant 8 ns. Afin de répondre à l’exigence de la bande passante pour cette rapidité de signalisation. La signalisation fait appel à un codage « pseudo-ternaire ». Il ne s’agit pas d’un signal logique à trois niveaux, mais au lieu de cela, nous choisirons 0 volt pour un signal qui représente un 0 logique. Le signal 1 logique « alterne » entre +1 V et -1 V. Voir ci-dessous. Il apparaît intuitif que moins de transitions de signaux sont requis par unité de temps. Il existe également une preuve mathématique des exigences de la bande passante des signaux.

Codage du signal 100BASE-TX

Nous expliquerons ce qu’est un codage de signal à quatre niveaux. Le gigabit Ethernet utilise en réalité le PAM-5, un système de codage à cinq niveaux. Le « cinquième » niveau est utilisé pour une synchronisation supplémentaire et une détection d’erreur/correction d’erreur. Remarquez que la synchronisation des signaux est de 8 ns, ce qui correspond exactement à la même valeur que celle que nous avons rencontré dans le codage Fast Ethernets 4B-5B.

Les signaux peuvent prendre cinq niveaux sur le câble tandis que la variation de tension totale passant de min. à max. est toujours la même plage de 2 V (de -1 V à +1 V). Les niveaux de signal ne sont plus séparés par 2 V, mais pas 0,5 V. la conséquence directe de cette séparation, c’est que si le pic de bruit de 0,25 V atteint le câble, le récepteur ne sera probablement pas à mesure déterminer le niveau de signal qui a été transmis. Cette situation est quelque peu atténuée par le niveau de codage de correction d’erreur/détection d’erreur.

Codage d’un signal à quatre niveaux

C’est un exemple de ce à quoi un système de codage à quatre niveaux peut ressembler. N’oubliez pas cela illustre le type de codage de signaux utilisé dans 1000BASE-T. Le véritable système de codage s’appelle PAM-5, un système de codage à cinq niveaux.

Théorème de Nyquist pour un canal exempt de bruit

Pour faire intervenir la théorie. Vous avez peut-être entendu parler de la fréquence de Nyquist. Voici une brève explication. La loi de Shannon s’applique pour prévoir la quantité dont la bande passante a besoin pour être disponible au-dessus du minimum Nyquist, en fonction des rapports signal/bruit prévus.

Limitation définie par la bande passante du signal R=2Wlog₂M

Où R désigne le débit de transmission des données, W est la fréquence maximale et M le nombre de niveaux de codage

Exemple 1 : 10BASE-T

Ceci est un codage à deux niveaux, donc M=2,
Par conséquent, la bande passante (W) = R / log₂2 * 2 qui donne 10 MHz (n’oubliez pas que le débit de 10BASE-T est de 20 Mb/s)

2Exemple : 1000Base-T

C’est un codage à quatre niveaux, donc M=4 (le 5e niveau est destiné uniquement à la synchronisation)
Par conséquent, la bande passante (W) = R / log₂4 * 2 ce qui donne 62,5 MHz (R = 250 Mb/s)
Ce n’est qu’une théorie, et dans la réalité, le protocole de 1000BaseT nécessite un peu plus généralement 80 MHz, ainsi, la norme IEEE spécifie le test de câble sur toutes les paires jusqu’à 100 MHz.

La performance de la transmission des composants et des installations de la Cat 6 doit être vérifiée jusqu’à 250 MHz. À l’aide du modèle ACR de la bande passante, on prévoit que l’installation possède une marge positive comparable du point de vue de la dimension à une installation de Cat 5 à 100 MHz. À 250 MHz, l’installation aura une marge ACR négative. La norme IEEE a favorisé le test à 250 MHz sans perdre de vue la possibilité que l’évolution continue de la technologie DSP pourra permettre une transmission au-delà de la bande passante ACR. Rappelez-vous que cette technologie a été initialement mise au point pour la norme 100BASE-T2, qui n’a jamais été mise en œuvre. La norme 1000BASE-T est fortement tributaire de ces techniques DSP pour garantir une transmission fiable sur Cat 5. MHz Mb/s MHz Mb/s MHz Mb/s MHz Mb/s MHz Mb/s MHz Mb/s MHz Mb/s

La mise au point de l’Ethernet un Gb/s a commencé au sein du comité 802,3 IEEE en tant que projet IEEE 802.3z. Toutefois, il est devenu évident que la mise au point de la norme 1000BASE-T (100 m sur la catégorie 5) nécessiterait davantage de travail et que cela allait connaître un retard par rapport à la solution de fibre optique et de cuivre sur courte distance (25 m). Comme le gigabit Ethernet trouve son application d’abord dans le backbone où la fibre optique est le principal support, il était raisonnable de partager les deux efforts et de trouver une solution rapide de fibre optique.

Par conséquent, un projet IEEE 802.3ab distinct a été créé pour répondre spécialement au développement de 1000BASE-T.

• 1000BASE-LX (longueur d'onde longue : >1300 nm)
  Fibre optique multimode allant jusqu’à 550 m
  Fibre optique monomode allant jusqu’à 2 500 m
• 1000BASE-SX (longueur d'onde courte : 850 nm)
  Fibre optique multimode de 62,5 m à 220 m
  Fibre optique multimode de 50 m à 300 m
• 1000BASE-CS
  Cuivre courte distance (25 m)

La solution de cuivre sur courte distance fait appel au câble triaxial (IBM) et elle est conçue uniquement pour les applications de backbone dans une salle d’équipements, l’interconnexion des hubs ou des autres électroniques de gestion de réseau dans une salle d’équipements. Il n’est pas définitivement considéré comme faisant partie d’une solution de câblage générique. Il est prévu que ces câbles en cuivre de courte distance seront fabriqués en usine dans des longueurs fixes.

Cette partie d’Ethernet One-Gbps a été approuvée en juin 1998. L’évolution des normes relatives aux fibres optiques a rencontré quelques problèmes qui subsistent avec la bande passante modale, ce qui provoque une gigue excessive sur la fibre optique multimodale. Cette situation a donné lieu à la définition de la distance maximale sur une fibre optique multimodale, comme indiqué ci-dessus. La dispersion modale et la gigue qui en résulte constituent une fonction du diamètre du cœur et de la longueur d'onde (et le spectre) de la source lumineuse.

IEEE 802.3ab est désormais entièrement consacré à l’Ethernet One-Gbps sur le câblage à paire torsadée de la catégorie 5. Toutes les 4 paires câblées du câble standard à quatre paires et la transmission est full duplex sur toutes les 4 paires câblées. Les techniques d’annulation de NEXT sont également mises en œuvre. Cette technique a été d’abord mise au point (mais elle n’a jamais été mise en œuvre) pour la norme 100BASE-T2 proposée. Cette dernière a été définie comme une solution à deux paires câblées de la catégorie 3 pour un Ethernet rapide (débit de données de 100 Mb/s). Un système de codage à cinq niveaux a été adopté ; il s’appelle PAM-5, mais nous y reviendrons plus tard. L’objectif initial du comité 802,3 de la norme IEEE était de parvenir à une norme complète fin 1998 ; les délais dans la perte de retour ont été à l’origine d’un retard. Cependant, cette situation a été résolue et un commun accord convenu en Août 1999.

Le groupe de travail sur la norme IEEE 802.3ab a sollicité l’aide du groupe spécial UTP TR41.8.1 de TIA pour remplir les exigences nécessaires au fonctionnement d’un Gb/s pour le câblage de la catégorie 5. (Bien noter qu’en décembre 1998, le nom de ce groupe TIA a été remplacé par TR.42.)

Ce groupe spécial a adopté un projet en procédure « accélérée » pour le faire et l’objectif était de faire correspondre l’échéancier de 1000BASE-T. Les deux projets ont évolué ensemble. Il est à noter de toutes les manières possibles qu’il est prévu que le câblage de catégorie 5 existant et actuellement installé doive normalement répondre aux exigences supplémentaires qui n’ont pas été précédemment spécifiées. Par conséquent, la norme TIA continuera de désigner par « Catégorie 5 » le nouveau câble qui répond aux normes, et rien de tel que « catégorie 5e » ou « catégorie 6 ». Les spécifications Cat 5 ont été modifiées par un niveau de performance recommandé pour les nouveaux paramètres de test (les mesures liées au FEXT et la perte de retour). Les recommandations sont spécifiées dans un Telecommunications Systems Bulletin (TSB95). Les TSB n’ont pas la même importance qu’une « norme » ; ils sont des recommandations. (TSB67 fut une exception ; il a l’importance normative d’une norme.)

Nous affirmons que l’ultime mesure de la réussite dans la transmission des données réside dans le fait que les trames sont transmises avec succès. Il n’existe pas d’erreurs de bit (pas d’erreurs FCS) et pas de nouvelles transmissions. La couche physique joue un rôle majeur dans la réalisation d’une transmission exempte d’erreurs sur la couche physique des données. Les caractéristiques de la bande passante de la couche physique doivent satisfaire à l’exigence de codage du signal physique utilisé par le réseau.

(1) Nous devons expliquer les règles de base pour tous les schémas de « fréquence » que nous utiliserons lors de l’examen des normes et particulièrement pour décrire la performance des paramètres qui varient avec la fréquence, par exemple, la NEXT et l’atténuation. Dans le domaine de la fréquence, nous représentons graphiquement la fréquence le long de l’axe horizontal et nous affichons des « données » concernant un signal avec la fréquence concernée dans l’axe vertical. Le simple exemple ci-dessous représente sur le côte gauche la manière dont un signal de fréquence sinusoïdal pur varie dans le temps. Si nous supposons que la période est égale à 1 microseconde, le signal se répétera un million de fois par seconde ou il est appelé un mégahertz (MHz). Dans la représentation graphique du domaine temporel à droite, nous représentons l’amplitude du signal.

Les prémices de l’analyse de Fourier

(2) Nous avons un deuxième objectif. Afin de jeter les bases d’une explication selon laquelle la signalisation numérique contient une multitude de fréquences et que le support de la transmission doit effectuer un « travail adéquat », défini par une norme, pour toutes les fréquences à étudier.

Enfin, cette série de schémas peut servir à introduire la technique de test numérique. Les testeurs de la série DSP de Fluke envoient des impulsions qui contiennent de nombreuses fréquences.

Ajouter deux signaux sinusoïdaux pour obtenir le signal du domaine temporel décrit dans la représentation graphique à gauche. Nous avons ajouté au signal de 1 MHz de la diapositive précédente un signal de 3 MHz avec une amplitude égale à 1/3 du signal de 1 MHz. Le domaine de fréquences illustré ci-dessus montre les deux fréquences avec chacune sa valeur d’amplitude.

Nous avons maintenant additionné 4 signaux. Les signaux aux fréquences plus élevées, appelés les harmoniques, se caractérisent par des amplitudes plus petites les unes après les autres : 1/3, 1/5, 1/7, etc.. Vous pouvez constater que la représentation du domaine temporel se rapproche de la signalisation numérique, c’est-à-dire deux niveaux de tension distincts.

Pour terminer, nous sommes prêts à retourner tout cela dans l’autre sens. En principe, nous transmettons le signal numérique affiché dans la représentation du domaine temporel, une parfaite onde carrée. Le domaine de fréquence montre que ce type de signal numérique contient un certain nombre de fréquences. À vrai dire, chaque fréquence comprise entre 0 et une quelconque valeur supérieure est représentée. Pour un signal numérique à deux niveau, la valeur supérieure correspond à la fréquence égale au débit de données.

Les procédures de test sont numérotées FOTP-x. à l’aide du codage NRZ de l’ATM 155, ce point nul se situe à 155 MHz. Ne doit-on pas effectuer un test à 155 MHz ? Le signal créé par le transmetteur ne montre pas le temps idéal de montée et de retombée que vous voyez dans le modèle théorique. Les modifications survenues d’un niveau de tension à l’autre nécessitent une durée limitée (mesurée sous forme de temps de montée et de retombée). Le spectre des fréquences du signal ATM NRZ « réel » est tel que la « queue » de la représentation du domaine des fréquences chute considérablement. Plusieurs personnes ont débattu afin de savoir quelle quantité d’énergie est effectivement présente au-dessus de 100 MHz. La deuxième question à retenir, c’est que le récepteur peut ne pas avoir besoin ou s’attendre à des fréquences supérieures à 100 MHz pour décoder correctement le signal numérique qui est transmis.

Le mégahertz (MHz) n’est pas égal aux mégabits par seconde (Mb/s)