Manchester-Codierung
Was ist die Manchester-Codierung?
Bei der Datenübertragung ist die Manchester-Codierung eine Form der digitalen Codierung, bei der der Zustand eines Datenbits (0 oder 1) durch den Übergang von einem Spannungspegel (V) zum anderen dargestellt wird. Dieser Ansatz unterscheidet sich von vielen anderen Codierungsmethoden, bei denen der Zustand eines Bits durch den Spannungspegel selbst repräsentiert ist. Zum Beispiel könnte ein Pegel von +5 Volt als der hohe Zustand (1) und ein Pegel von 0 Volt als der niedrige Zustand (0) betrachtet werden.
Bei der Manchester-Codierung ist die Länge der einzelnen Datenbits standardmäßig so festgelegt, dass jede Bitperiode gleich lang ist. Dies wird erreicht, indem das Taktsignal zusammen mit dem Datensignal in einen einzigen Bitstrom codiert wird, ein Prozess, der als Selbsttaktung bekannt ist. Der Zustand des Bits wird durch die Richtung des Übergangs von hoher Spannung zu niedriger Spannung oder von niedriger Spannung zu hoher Spannung bestimmt.
Manchester-Codierung vs. andere Codierungsverfahren
Bei der Manchester-Codierung gibt es zwei Ansätze für die Interpretation der Spannungsübergänge. Der erste basiert auf dem ursprünglichen Verfahren der Manchester-Codierung, das in den späten 1940er Jahren entwickelt wurde. Der zweite Ansatz wird vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) in seiner Veröffentlichung IEEE 802.3 definiert.
Der ursprüngliche Ansatz basiert auf der Arbeit von G. E. Thomas und anderen Ingenieuren an der Universität von Manchester in England. In diesem System entspricht der Übergang von niedriger Spannung zu hoher Spannung der logischen 0 und der Übergang von hoher zu niedriger Spannung der logischen 1. Bei IEEE 802.3 ist das Gegenteil der Fall: Der Übergang von Low zu High steht für eine logische 1, der Übergang von High zu Low für eine logische 0.
Abbildung 1 zeigt die beiden Ansätze zur Manchester-Codierung. Die horizontalen blauen Linien stellen den Spannungspegel dar. In diesem Fall wird +5 V für den hohen Pegel und 0 V für den niedrigen Pegel verwendet. Die vertikalen blauen Linien stellen den Übergang von einem Pegel zum anderen dar, wobei die Pfeile die Richtung des Übergangs angeben. In beiden Fällen findet der Übergang in der Mitte der Bitperiode statt, wobei der Bitstatus durch die Richtung bestimmt wird.
Weitere Ansätze zur Datencodierung
Andere Ansätze zur Datencodierung basieren auf dem Spannungsniveau und nicht auf dem Übergang von einem Niveau zum anderen. Zum Beispiel wird bei der NRZ-Codierung (Non-Return-to-Zero) häufig die höhere Spannung zur Darstellung von 1 und die niedrigere Spannung zur Darstellung von 0 verwendet. Abbildung 2 zeigt ein NRZ-Signal für die Bitfolge 10010110, zusammen mit dem Taktsignal, das mit dem NRZ-Bitstrom synchronisiert ist, um sicherzustellen, dass jedes Bit korrekt übermittelt wird.
Das Taktsignal hat eine konstante Frequenz und bleibt im Idealfall kontinuierlich mit dem Datensignal synchronisiert. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu erreichen, aber eine der gebräuchlichsten ist die Übertragung des Taktsignals auf einer separaten Leitung in Verbindung mit der Datenleitung. Leider erhöht die Trennung der beiden Signale das Risiko von Fehlern beim Codieren von Bits, weil sich die Signale so nicht immer synchronisieren lassen. Wenn der Bitstrom lange Sequenzen aufeinanderfolgender 1en oder 0en enthält, können bei der geringsten Störung eines der Signale Bits ausgelassen oder zusätzliche Bits hinzugefügt werden.
Da bei der Manchester-Codierung die Takt- und Datensignale in einem einzigen Bitstrom kombiniert werden, sind solche Fehler weniger wahrscheinlich. Das Signal synchronisiert sich selbst, was die Fehlerrate minimiert und einen zuverlässigeren Mechanismus für die Datenübertragung bietet. Abbildung 3 zeigt die Manchester-Codierung für die Bitfolge 10010110, wobei sowohl der Originalstandard als auch der IEEE 802.3-Standard zum Einsatz kommen. Das Taktsignal ist separat dargestellt, um zu zeigen, wie es sich mit den Datenbitströmen und den Übergängen zwischen den Spannungspegeln synchronisiert, obwohl es innerhalb der Manchester-Codierung enthalten ist.
Die Manchester-Codierung verwendet eine boolesche Exklusiv-ODER-Funktion (XOR), um die Takt- und Datensignale zu einem einzigen Bitstrom zu kombinieren. Jede Bitperiode spiegelt den Übergang von einem Spannungspegel zum anderen wider. Der Übergang findet immer in der Mitte der Bitperiode statt, so dass der Bitstatus klar ersichtlich ist. Dies gilt sowohl für den ursprünglichen Manchester-Standard als auch für den IEEE 802.3-Standard.
Der Hauptnachteil der Manchester-Codierung besteht darin, dass mehr Bits übertragen werden müssen als bei einem Bitstrom ohne Taktsignal, wodurch sie sich weniger für Situationen eignet, in denen die Bandbreite ein Problem darstellt. Die Manchester-Codierung kann bei höheren Datenübertragungsraten auch frequenzbedingte Probleme verursachen, was ihre Einsatzmöglichkeiten weiter einschränkt.
Unter den richtigen Umständen kann die Manchester-Codierung jedoch ein wertvolles Hilfsmittel sein, insbesondere wenn die Zuverlässigkeit entscheidend ist oder wenn ein separates Taktsignal nicht praktikabel wäre. Aus diesem Grund wird die Manchester-Codierung häufig in der Radiofrequenz-Identifikation (RFID), der Nahfeldkommunikation (NFC) und in Infrarotprotokollen verwendet.
