無線網路 DIY ----- 乙太網路實體層信號格式與波形篇

近幾週都在研究 10base-t & 100base-t 線路傳輸波形與設計相關轉換電路, 以便讓 10base-t 信號通過無線影音傳輸與 100base-t 透過雷射光傳輸, 當然直接以高頻寬類比電路的方式直接介接也是可以, 但若能知道其波形與封包型態, 就可以製作波形整型. 儲存. 編解碼. 串並列轉換等應用轉換電路, 目前對 100base-t 的連結交握信號格式還不太清楚, 故 100base-t 的部分僅就編碼波形作一介紹 ...


乙太線路的模組介面, 主體是 AUI 介面, 不管 10base-t 與 100base-t 都有 AUI 介面層, AUI 介面層有的已經內含在 1 chip 上, 不外接接腳出來, 如 realtek 的 8139c (螃蟹卡)便是, 而 AUI 其上的信號波形是雙值的 H 與 L , 編碼方式是曼測斯特碼(MII)...


ps:山賊事後修訂: AUI 型介面在 100BASE-T 裡頭不是每種都有的, 倒是有一個 MII (Medium Independent Interface ), 相當於 AUI, 但兩者不太相同, 在文中所述及 100base-t 的 AUI, 除幾種 IC 產品外, 您當視為 MII (Medium Independent Interface ), ....


所謂的曼測斯特碼(MII), 係以 L-H. H-L 波形的變化來代表資料的 0 與 1, 舉一組串列資料 1010111000 來說, 其表現出來的波形是 H-L-L-H-H-L-L-H-H-L-H-L-H-L-L-H-L-H-L-H-L-H , 曼測斯特碼的好處是沒有 DC 成分, 如資料中的連續的零與連續的一, 可以通過以電容或變壓器作交連的交流型放大器, 而且曼測斯特碼內含同步信號, 接收端可以直接以倍頻電路從曼測斯特碼本身獲取同步信號來對資料取樣, 您可以這麼看曼測斯特碼, 係對等同於傳輸率頻率的載波作同步絕對 PSK 調變...


ps:山賊事後附記: ethernet 所使用的曼測斯特碼是 Manchester II, 此文中所指的 MII 編碼都用來代表 Manchester II 編碼, 其意義不同 MII 介面....


但是曼測斯特碼(MII)本身有一個缺點, 就是信號本身所佔頻帶寬較寬, 在一般串列資料以 10Mbit/s 傳輸而言, 為 101010101010 時所含頻率組成最高, 將波峰代表為 1 , 波谷代表為 0 時最低主頻率為 5Mhz, 而曼測斯特碼在資料通通為 1 或通通為 0 時所含頻率組成最高, 此時最低的主頻率為 10Mhz, 換言之, 一個電路要處理 10Mbit/s 的串列資料串, 資料格式為一般二進位時, 頻率響應最少需為 5Mhz, 而資料格式為曼測斯特碼時, 頻率響應最少需為 10Mhz...


一個方波在數學上, 是由同頻率正弦波與其頻率倍數無限個階波所組成, 一般都會取到第十個階波, 換言之一個類比電路要漂亮地傳送 10Mhz 的方波, 則此類比電路頻率響應要達到 100Mhz, 而在實際電路處理上, 卻可以只傳送最低主頻率, 在接收端利用有門限功能與時基同步的電路, 將該主頻的正弦波整型為方波, 如此該類比傳送電路所需頻率響應, 可以低到接近最低主頻...


現階段乙太網卡已很少將 AUI 介面接續在外供 USER 使用了, 很多 ALL in one 的電路甚至內建在 IC chip 裡, 使用者能接觸到的介面層多為 10base-t & 100base-t, 所以有必要對該兩者收發器波形信號格式有所了解...


10Base-t 收發器上的波形格式, 也是曼測斯特碼(MII), 與 AUI 介面層不同的地方是它還多加了連結測試脈波 (這是 10base-2(5) 所沒有的, 所以不能將 10base-2(5) 從 50ohm 同軸電纜用平衡器 balun 直接介接到 10base-t), 在沒有傳收任何封包時, 每隔約 10~20ms 送出寬度約 100ns 的 H 信號, 波幅與資料(曼測斯特碼)相同 , 由此可知 10base-t 的波形是雙值型的方波...


100base-t 收發器上的波形格式, 是三值型的 AMI 碼, 稱為 MLT-3, 這種碼在資料為 1 時發生電壓變化, 如資料為 0110100111110, 則波形為 0.+1.0.0.-1.-1.-1.0.+1.0.-1.0.0, 由波形可知, 在資料都為 1 時頻率組成最高, 這種編碼不同於曼測斯特碼(MII), 故需先將曼測斯特碼解碼成一般資料碼後, 再編碼成 MLT-3...


一般資料要編碼成 MLT-3, 也要考慮資料連續為 0 的情況, 此時 MLT-3 會呈現直流位準, 不利於電路放大處裡與同步檢測, 故 100Base-t 收發器電路內會將資料作轉碼處理, 有點類似早期 APPLE ][ 電腦磁碟機編碼的做法(62與44編碼), 將每 4 個 bits 為單位, 轉成以 5 個 bits 來表示, 使得連續零不超過 3 個, 稱為 4B/5B 轉換, 除了表示 16 組資料外, 剩餘的還可以用來作啟始與錯誤表示之用, 故 100Base-t 線路上實際傳輸率, 是 100Mbit/s / 4 * 5 = 125Mbit/s, 主頻最高時則為 31.25Mhz...


有需要這個轉碼表的網友, 直接在搜索引擎找尋 4B5B 資料即可...


或許有網友會問, 100base-t 乙太介面卡電路為何不直接將一般資料碼編碼成 MLT-3 與 MII , 在輸出入端切換就好了, 而要 DATA --> MIIenc --> AUI --> MIIdec --> data --> MLT-3, 事實上也是有這麼做的, 但是對 ic 設計有一定程度了解的網友都知道, 現今 IC 設計多半採用功能模組化設計, 除非有必要(專利權), 直接拿已內含 AUI 介面的功能模組, 加上所需應用模組(如 10base-2, 10base-t, 100base-t 100base-f) 是較為省事的做法, 所以您去翻閱網卡 IC 手冊會發現, 很多網卡 IC 內部還會有 AUI 介面, 只是這個 AUI 未必如同正式的 AUI , 有 +D, -D 兩條線, 而是一個 D, 而且不外接, 有些功能較完備的 100base-t 的網卡或 HUB (或 switcher), 還有 AUI 介面外接, 只不過由以上所敘述, 這類 AUI 外接介面要用時, 有的會被鎖定在 10BASE 的狀態, 原因是信號頻率太高, 若用在 100Base, 高達 100Mhz 的方波, 容易有不必要的電磁輻射, 干擾 FM 收音機.電視機及無線電...


100base-t 如同 10base-t, 也有連結測試脈波(還含有模式選擇), 好像類似 10base-t 那樣, 有一個脈衝, 但是波幅.寬度及間隔時間則還不清楚, 知道的網友還請不吝留言告知...


10base 與 100base 的封包型態在 AUI 層是相同的, 有封包起始位元組, 結束位元組, 封包間隔時間, 不同之處在於傳輸率(位元時間)不同而已, 所謂封包間隔時間就是網卡本身每傳送完一組封包後, 要停頓一段時間, 以讓其他網路設備也有機會發送封包, 這個時間在 10base-t 是 9.6uS, 在 100base-t 是 0.96uS, 1000base-t 是 0.096uS, 所以若有網友想將半雙工(收發同頻帶)ISM 頻道的無線收發器運用在乙太介面上, 就需考量收發切換時間須遠短於封包間隔時間, 免得對方沒機會發送封包(電波在 9.6us 內來回約僅 1.44Km)...


目前個人在拆除影音傳輸器聲音副載波濾波電路後, 在還未裝設波形整型電路下, 已測試通過 2Base-t (2Mbit/s 曼測斯特碼)的信號, 是將 10base-t 的網卡更換 x'tal 為 4Mhz 獲得的, 並以 1~20Mhz 方波測試影音傳輸器, 3db 頻率響應約在 6.3Mhz 左右, 可辨識頻率最高到 10Mhz, 計畫製作別種編碼電路(MLT-3. QPSK. QAM等)來提高傳輸率...

真佩服你能打那麼多字.....
不過看完以後覺得你說的無線網路真奇怪
就我所知100base的規格裡面沒有100base-t這種規格
倒是有100base-tx,100base-t2,100baset4等規格
而且你們的曼徹斯特編碼簡寫居然是MII
在802.3裡的MII可是PCS與MAC間的溝通介面的簡稱勒
就我所知的"有線網路"裡，100base-tx編碼方面
data->MII->4B5B->screamble->MLT3
總之，你們做的東西看起來真奇怪
和我所知道的有點不同....
打字好累~~

[QUOTE][i]最初由 疾風 [/i]
[B]真佩服你能打那麼多字.....
打字好累~~ [/B][/QUOTE]


嗯! 您觀察得真是仔細, 我打字太累了, 能省則省, 下次改進...^_^"


>就我所知100base的規格裡面沒有100base-t這種規格
那是泛稱, 意指 100base-t(x.2.4.etc) , 您到搜索引擎 [url]www.google.com[/url] 輸入 100base-t, 就會發現一堆都是直接以 100base-t 來解釋....


>在802.3裡的MII可是PCS與MAC間的溝通介面的簡稱勒
嗯! 您所指的這個 MII 指的是 Medium Independent Interface.
而文中所述及 ethernet 所使用的曼測斯特碼, 是 Manchester II...
這兩個 MII 的確不一樣, 容易混淆, 沒解釋清楚, 真是罪過....^_^"


而 100BASE-T 的架構中, 也沒規定一定要有 AUI 介面型態, 其實很多 fast ethernet 的 ic chip 內沒這個, 而是如您所說的那樣的介面流程, 而這個 Medium Independent Interface 也不太同於 AUI, 有興趣請參考:[url]http://www.wpi.edu/~shahzad/cs576/a8.htm[/url]


我在文中有解釋, 有好一部份 fast ethernet 的 ic chip, 內含會先將資料串經 MII (Manchester II) encode 化後, 然後再 decode 的電路結構, 原因是以原有 10BASE 模組開發的關係, 個人提及 100BASE-T 內含 AUI 而不外接, 其目地是在於述說為何在 100mbps 的傳輸率下, 以無線頻譜的觀點來看, 不太可能以 Manchester II 來編碼傳送 100base...


但是我們要自行製作雷射網路, 以 Manchester II 編碼卻是比較好的做法, 原因無它, 該種編碼整形容易, 取得同步也很容易, 而且只有兩種電壓位準, 不似 MLT-3, 而且 100BASE 在做 MLT-3 之前會有 scrambler, 其目的除了避免在無線電頻譜上產生單一高能頻率, 而把電磁輻射能量分散在整個頻譜上外, 也提供接收端有個同步依據, 單純的 MLT-3 並沒有同步信號在裡頭...


而 10base-t 與 100base-t 都有連結測試脈波, 這在無線應用上並不是一定需要的, 而且目前打算把 10base-t 的 Manchester II 轉換成同 MLT-3 碼一樣的三值碼型態來降低頻寬好通過無線影音傳輸器, 這個測試脈波會造成轉碼的麻煩, 還要多設電路去把它過濾...


雖然曾經一度考慮以絕對值電路對 MLT-3 整流成雙值型態來用在雷射網路, 但是 100BASE 的資料經由 4B/5B 轉換後, 資料量變為 125Mbps, 超過目前打算用的平衡不平衡轉換 IC(NE592) 有效頻寬, 若是能在 AUI (MII)層取得資料串, 不僅 10BASE 要無線化容易, 將 100BASE 雷射化也簡單, 但是目前遇到一個難題, 沒見過 100BASE 有 AUI 型態的介面, 只曾查過有內建在 IC 裡頭的, 目前硬是將 100base-t 上的 MLT-3 透過自製雷射傳輸, 大概只有以類比模式比較節省成本及容易自製, 要不就要用 100BASE-F 的介面, 但是 $$ 不是我這等市井小民所能負擔的了....


若您對自製微波無線及雷射光網路有興趣, 上一篇" 無線網路 DIY " 還請賜教...^_^"


[url]http://www.pczone.com.tw/showthread.php?t=10385&highlight=%B5L%BDu%BA%F4%B8%F4+DIY[/url]


[url]http://www.pczone.com.tw/showthread.php?t=15158&highlight=%B5L%BDu%BA%F4%B8%F4+DIY[/url]

[QUOTE][i]最初由 山賊 [/i]
[B]
我在文中有解釋, 有好一部份 fast ethernet 的 ic chip, 內含會先將資料串經 MII (Manchester II) encode 化後, 然後再 decode 的電路結構, 原因是以原有 10BASE 模組開發的關係, 個人提及 100BASE-T 內含 AUI 而不外接, 其目地是在於述說為何在 100mbps 的傳輸率下, 以無線頻譜的觀點來看, 不太可能以 Manchester II 來編碼傳送 100base...


但是我們要自行製作雷射網路, 以 Manchester II 編碼卻是比較好的做法, 原因無它, 該種編碼整形容易, 取得同步也很容易, 而且只有兩種電壓位準, 不似 MLT-3, 而且 100BASE 在做 MLT-3 之前會有 scrambler, 其目的除了避免在無線電頻譜上產生單一高能頻率, 而把電磁輻射能量分散在整個頻譜上外, 也提供接收端有個同步依據, 單純的 MLT-3 並沒有同步信號在裡頭...


而 10base-t 與 100base-t 都有連結測試脈波, 這在無線應用上並不是一定需要的, 而且目前打算把 10base-t 的 Manchester II 轉換成同 MLT-3 碼一樣的三值碼型態來降低頻寬好通過無線影音傳輸器, 這個測試脈波會造成轉碼的麻煩, 還要多設電路去把它過濾...

[/B][/QUOTE]

原來如此，您這樣解釋解了我當初看那篇文章時的疑惑(因為在一般有線網路中100base-tx
不用曼徹斯特)
不知道PAM5的訊號有沒有辦法用在您的無線系統上？
雖然這種編碼讓人有點頭大，不過如果弄出來，相信對將來的發展會有好處的

[QUOTE][i]最初由 疾風 [/i]
[B]不知道PAM5的訊號有沒有辦法用在您的無線系統上？
雖然這種編碼讓人有點頭大，不過如果弄出來，相信對將來的發展會有好處的 [/B][/QUOTE]


嗯! 謝謝您提供的資訊! 這個我參考看看.......^_^


現在有個問題是當初寫無線網路 diy 的目地在於以最省的成本及簡單的電路, 設法自行製作出所要用的無線網路, 一旦所設計的電路複雜, 提供給非電子學科的網友來自製就有困難, 所以能以最簡單易懂的方式建構出來是我的目的, 如目前用影音傳輸器的方式, 就只單純更換 x'tal 來達到通過影音傳輸器, 高增益天線使用最容易自製的螺管天線等, 雷射網路則是希望用兩三顆基本邏輯閘 IC 就能介接, 雖然心中有腹案, 但是 100BASE-T 下的架構, 除非用類比的方式介接, 否則還是要設法確認聯結測試波形的型態, 設法轉碼, 這實在傷腦筋...

[QUOTE][i]最初由 山賊 [/i]
[B]


嗯! 謝謝您提供的資訊! 這個我參考看看.......^_^


現在有個問題是當初寫無線網路 diy 的目地在於以最省的成本及簡單的電路, 設法自行製作出所要用的無線網路, 一旦所設計的電路複雜, 提供給非電子學科的網友來自製就有困難, 所以能以最簡單易懂的方式建構出來是我的目的, 如目前用影音傳輸器的方式, 就只單純更換 x'tal 來達到通過影音傳輸器, 高增益天線使用最容易自製的螺管天線等, 雷射網路則是希望用兩三顆基本邏輯閘 IC 就能介接, 雖然心中有腹案, 但是 100BASE-T 下的架構, 除非用類比的方式介接, 否則還是要設法確認聯結測試波形的型態, 設法轉碼, 這實在傷腦筋... [/B][/QUOTE]

山賊大哥:
加油....加油.....,(不過我不流行拿旗子....)
小弟有個淺見:
無線傳輸若要用在全向性, 似乎有1.頻寬(總不能將頻率無線提伸)2.執照3.距離
4.穿透性5.人性等等, 好像越來越嚴重.
可能做末端連接之用較好,畢盡500公尺平方
與5公里平方的複雜度不成正比
若要做主幹線, 似乎雷射網路較單純.
小弟覺得還是將無線網路留給廠商較好點, 以免浪費自已的資源....
而雷射網路似乎從收發器開始會較單純,
您說呢?
淺見而已.........

嗯! 您的看法相當好, 前幾天逛賣場, 看到聯強的 LM WL-211 pcmcia 無線網卡, 賣價為 nt2300, 已非常接近之前問到最低價的影音傳輸器價格, 可惜該款無線網卡的天線好像不能拆下換裝自製的高增益天線, 還要找找看有否 PCI 或 ISA 介面, 有個外接小天線的那種, 最好還提供 DOS 下的 packet driver, 看看能否有這樣的價位可購得, 若您有相關資訊, 敬請不吝提供..


>無線傳輸若要用在全向性, 似乎有
>1.頻寬(總不能將頻率無線提伸)
>2.執照
>3.距離
>4.穿透性
>5.人性等等, 好像越來越嚴重.
因為我的應用是直視, 距離 20km, 使用 ISM Band, 基本上前四項不成大問題, 唯獨第五項, 因為住家是公寓, 自架不同於電視天線形狀的天線, 可能會招鄰居抗議質疑, 這倒是瞞傷腦筋, 我在考慮把天線偽裝成 UHF 電視天線....


>若要做主幹線, 似乎雷射網路較單純.
>小弟覺得還是將無線網路留給廠商較好點, 以免浪費自已的資源....
>而雷射網路似乎從收發器開始會較單純,
可惜在地面用雷射光傳 20kM 太困難, 若是在太空, 那當然用它是最省事, 最初也曾經想用雷射, 也試過在晴朗的夜晚以雷射二極體, 由 10Km 外的同事觀察直射的光亮度, 只觀察到比發射地背景路燈稍亮的光而已, 這在晴朗夜晚不成問題, 天候一不佳, 或白天時, 可就不能用了...


因為最近公司業務較煩, 相關電路進度緩慢, 如您所言般, 有點想直接購買無線網卡來安裝, 把精力投注在雷射上, 畢竟自製光電介面要比自製微波電路要來得簡單及便宜..