Leitungscode

Leitungscodierung wandelt Bits in Signale um. Sie sorgt für Taktrückgewinnung, Gleichspannungsfreiheit und einen sparsamen Umgang mit Bandbreite.

Leitungscodierung bezeichnet das Verfahren, mit dem eine Folge von Bits in physikalische Signale auf einer Leitung überführt wird. Sie liegt auf der Bitübertragungsschicht und ist von der Modulation zu unterscheiden, die dasselbe für Funkstrecken und Trägerverfahren leistet.

Bits einfach als hohen und niedrigen Pegel zu senden, wäre die naheliegende Lösung — und funktioniert nicht. Aus den Problemen dieses naiven Ansatzes ergeben sich die Anforderungen an jede brauchbare Leitungscodierung.

Die drei Anforderungen

Taktrückgewinnung. Sender und Empfänger teilen keine Taktleitung. Der Empfänger muss den Takt aus dem Datensignal ableiten und benötigt dafür regelmäßige Pegelwechsel. Eine lange Folge gleicher Bits liefert keine — nach einigen Dutzend identischen Werten weiß der Empfänger nicht mehr, wie viele es waren.

Gleichspannungsfreiheit. Ethernet-Strecken sind über Übertrager galvanisch getrennt. Übertrager übertragen keinen Gleichanteil. Ein Signal, das über längere Zeit überwiegend auf einem Pegel liegt, wird dadurch verzerrt. Die Codierung muss dafür sorgen, dass sich hohe und niedrige Anteile im Mittel ausgleichen.

Bandbreiteneffizienz. Je häufiger das Signal wechselt, desto höher die benötigte Bandbreite der Leitung. Eine Codierung, die für jedes Bit mehrere Wechsel erzeugt, verschenkt Übertragungskapazität — und stößt schnell an die Grenzen dessen, was ein Kupferkabel hergibt.

Die drei Anforderungen stehen im Konflikt. Viele Pegelwechsel erleichtern die Taktrückgewinnung und kosten Bandbreite; wenige Wechsel sparen Bandbreite und gefährden die Synchronisation. Die Geschichte des Ethernet lässt sich als Folge von Antworten auf diesen Zielkonflikt lesen.

Die Entwicklung im Ethernet

10BASE-T löst das Taktproblem großzügig: Der Manchester-Code garantiert bei jedem einzelnen Bit einen Pegelwechsel. Das ist robust und einfach, kostet aber die doppelte Bandbreite. Für 10 Mbit/s werden 20 MBaud benötigt.

Auf 100 Mbit/s ließ sich das nicht übertragen. Manchester hätte 200 MBaud verlangt — mehr als Kategorie-5-Verkabelung mit ihren 100 MHz zu leisten vermag.

100BASE-TX teilt die Aufgabe deshalb auf zwei Verfahren auf. 4B5B sorgt dafür, dass keine zu langen Folgen ohne Wechsel entstehen, und kostet dabei nur 25 Prozent Zusatzaufwand statt 100. Die resultierenden 125 MBaud überschreiten die Kabelgrenze immer noch — deshalb folgt MLT-3, das mit drei Pegeln arbeitet und die tatsächliche Signalfrequenz auf rund ein Viertel senkt. Erst die Kombination beider Verfahren passt auf ein Kategorie-5-Kabel.

1000BASE-T geht einen anderen Weg: Statt schneller zu senden, sendet es breiter. Alle vier Adernpaare übertragen gleichzeitig und in beide Richtungen, mit fünf Pegelstufen und derselben Symbolrate von 125 MBaud wie 100BASE-TX. Dieselbe Verkabelung trägt dadurch die zehnfache Datenrate.

Der Preis der Effizienz

Die Entwicklung verläuft von einfach und verschwenderisch zu effizient und aufwendig.

Der Manchester-Code lässt sich mit wenigen Logikgattern erzeugen und auswerten. 1000BASE-T benötigt digitale Signalverarbeitung, Echokompensation, adaptive Entzerrer und Trellis-Decodierung — ohne integrierte Schaltungen wäre es nicht realisierbar.

Zugleich sinkt der Störabstand. Zwei Pegel lassen sich sicherer unterscheiden als fünf, und ein Signal mit geringer Signalfrequenz übersteht mehr Dämpfung als eines nahe der Kabelgrenze. Was an Bandbreite gewonnen wird, muss durch Rechenleistung und bessere Verkabelung erkauft werden.

Genau deshalb sind die Anforderungen an Kabel und Steckverbinder mit jeder Generation gestiegen — und deshalb machen sich Verkabelungsfehler wie ein Split Pair erst bei den höheren Datenraten bemerkbar.