Efectos de la adaptación de impedancia entre cables coaxiales de 50 y 75 ohmios para señales codificadas Manchester de 10 Mbit/s (20 MHz)

TL,DR:

Este es un montón de texto porque he incluido mucha información de fondo. Sin embargo, finalmente habrá una buena y precisa pregunta: ¿Debo usar una red de adaptación de impedancia al conectar cables de diferente impedancia, como 50 Ω y 75 Ω? Las posibles respuestas probablemente comenzarán con "Depende...", y es por eso que proporciono un montón de información de fondo primero.

Introducción

Quería deshacerme de un cable Ethernet tirado por las escaleras de mi casa. Un cable coaxial de repuesto existente que había instalado originalmente para la televisión por satélite parecía ser una alternativa prometedora, limpiamente escondido en las paredes. Justo cuando estaba a punto de comprar unas cajitas adecuadas para ethernet-over-antenna-style-coax (75 Ω, capaz de algo así como 270 Mbit/s), recordé10base2: el viejo y buen sistema de ethernet coaxial BNC/RG58, y decidí que sus 10 Mbit/s eran más que suficientes para mis necesidades. El mercado de segunda mano para concentradores con un conector BNC o incluso "convertidores de Ethernet" sofisticados (coaxial a par trenzado) sigue siendo muy bueno. Lo único que no estaba seguro era el tema de la impedancia. 10base2 usa una instalación de 50 Ω con cable RG58, y prácticamente cualquier cable coaxial para sistemas de antena domésticos (como mi cable de repuesto para televisión por satélite) tiene una impedancia de 75 Ω.

Ahora estoy feliz de informar que 10base2 es lo suficientemente robusto como para manejar el abuso de ser ejecutado a través de 10...20 m de coaxial de 75 Ω inapropiado. ¡Ahí lo arreglé! ¡Hurra!

Sin embargo, ...

Todavía tenía curiosidad si el truco que había hecho era realmente malo (como en: apenas lo suficientemente bueno) o tal vez incluso bastante aceptable. Observé la señal con un osciloscopio. La configuración es así:Configuración

Sin ninguna coincidencia entre los segmentos de 50 Ω y 75 Ω del cable coaxial, el resultado muestra una cantidad muy obvia de ruido reflejado. A pesar de este inconveniente, el "ojo" todavía está bien abierto y los decodificadores pueden hacer su trabajo felizmente, lo que resulta en una pérdida de paquetes de exactamente cero. No hay red coincidente en ninguno de los extremos.Estamos viendo una combinación de las señales transmitidas y recibidas por el concentrador Ethernet cerca del osciloscopio. A juzgar por la parte "limpia", la señal transmitida tiene aprox. 1,9 V pkpk , y la señal recibida tiene 1,6 V pkpk . Si es seguro asumir que ambos controladores tienen una salida de la misma amplitud, incluso podemos calcular la pérdida introducida por el cable: 20 × log (1,6/1,9) dB = 1,5 dB. Lo suficientemente bueno, porque el cálculo de 15 m de coaxial típico con 6,6 dB/100 m produce 1 dB.

El ruido se reduce considerablemente cuando se inserta una red coincidente en los extremos cercano o lejano de la parte de 75 Ω del cable coaxial. Se ve así (Créditos a esta fuente )...Coincidencia_Red

Con la red coincidente en el extremo cercano... Red coincidente en el extremo cercano del coaxial de 75 Ω... todavía hay algunos reflejos visibles que viajan desde el otro extremo no coincidente.

Con la red coincidente en el otro extremo, también debe haber reflejos a lo largo del cable comparativamente corto de 50 Ω entre el concentrador y la discontinuidad etiquetada como "cercana", pero como aprendí de un amigo, el osciloscopio no puede "ver". ellos, porque son absorbidos por el conductor. Además, una parte de la señal del controlador "lejano" se refleja y viaja de regreso a lo largo del cable de 75 Ω, y termina en la red coincidente en el otro extremo:Red coincidente en el otro extremo del coaxial de 75 Ω

En comparación con la configuración inigualable, la amplitud de la señal del otro extremo se reduce aproximadamente a la mitad (-6 dB), y esto está de acuerdo con la teoría que predice una pérdida de 5,6 dB en la red y la impedancia que "aparenta". en.

Todo lo anterior funciona, es decir, ninguna red coincidente o una red coincidente en el extremo cercano o lejano. "Trabajo" significa que puedo ping -fsobre el segmento durante horas sin perder un paquete.

Ahora, ¿por qué no usar dos redes coincidentes en "cerca" y "lejos"? Pues bien, 10base2 está diseñado para una longitud máxima de 185 m de RG58, teniendo una pérdida de 6,6 dB/100 m o 12,2 dB/185 m. Por lo tanto, dos de mis redes de adaptación resistiva ya consumirían casi toda la señal y me acercarían tanto al límite permitido que, incluido el cable, hay demasiada pérdida en total. Todavía tengo dudas de que una solución basada en transformadores de baja pérdida funcione porque creo que 10base2 ("red más barata") necesita una ruta de CC: "NIVEL DE CC: el componente de CC de la señal debe estar entre 37 mA y 45 mA La tolerancia aquí es estricta ya que las colisiones se detectan al monitorear el nivel promedio de CC en el cable coaxial". ( Fuente: p.4 ; también respaldado por esta hoja de datos) Entonces otra vez; la red de adaptación resistiva también pondrá en problemas cualquier sesgo de CC...

Después de todo,

... la pregunta breve nuevamente: ¿Debo usar una red de adaptación de impedancia al conectar cables de diferente impedancia, como 50 Ω y 75 Ω?

Cualquier cosa entre "Prefiero la configuración inigualable/coincidente porque me gusta más este/aquel oscilograma" a las respuestas con mucha información de fondo sobre RF o el hardware de bajo nivel de 10base2 es muy apreciado.

Editar

Si tiene acceso al interior de la interfaz de transceptor coaxial (CTI), puede modificar el circuito entre el chip (el 8392 parece ser el tipo fabricado por una gran variedad de fabricantes y también el tipo que se usa casi exclusivamente para casi cualquier interfaz hecha por cualquiera para adaptadores 10base2) y el conector BNC. Es posible una compensación por cables con 75 Ω y 93 Ω a costa de la longitud de bus permitida. National Semiconductor elaboró ​​una nota de aplicación sobre este tema, denominada AN-620 (pdf, septiembre de 1992).

Pero incluso después de encontrar esta nota de aplicación, sería genial encontrar información básica sobre lo que hay dentro de un 8392, es decir, lo que uno tendría que usar para construir la interfaz usando partes discretas y tal vez algo de lógica de pegamento y amplificadores operacionales.

Sería interesante ver este escenario simulado.
@Dzarda Soy un usuario de LTspice semiexperimentado (e incluso fui al seminario de Mike Engelhardt recientemente). Sin embargo, no tengo experiencia en la simulación de líneas de transmisión. ¿Tú? Esto abre ideas para al menos otra pregunta interesante para hacer...
Iba a sugerir transformadores ya que Manchester tiene una buena densidad de transición para eso, hasta que leí un poco sobre cómo mantener el nivel de CC para la detección de colisiones. Pero eso presenta la complicación adicional de que cualquier red resistiva que use para hacer coincidir también debe mantener el nivel de CC, por lo que probablemente tendrá que tener conexiones separadas para CC y señal. Tal vez algo tan simple como un inductor que lleva corriente continua entre los dos lados de un transformador coincidente.
@zebonaut LTspice tiene modelos dedicados para secciones de línea de transmisión.
Habría usado puntos de acceso inalámbrico en cualquier extremo del cable. Todavía necesitaría igualar la impedancia, pero cada una de las redes coincidentes podría (y de hecho debería) tener 15 dB de atenuación, resolviendo el problema muy bien.
@SimonRichter Je. Inalámbrico por cable. No había pensado en eso. Esta sería una alternativa en caso de que 10 Mbit/s no fueran suficientes. E incluso podría usar puntos de acceso antiguos o enrutadores (simplificados) que se volvieron inútiles porque no admiten un buen cifrado.
Tal vez ya no sea relevante, pero me preguntaba por qué eligió no hacer la coincidencia de impedancia con circuitos activos en lugar de solo los divisores resistivos. Agregue un opamp en cada extremo; Problema de atenuación resuelto...
@OleksandrR. Los circuitos activos son una opción, por supuesto, pero los descarté porque no quería nada con una fuente de alimentación entre los PHY. Para ser justos, este descarte no se mencionó en la letra pequeña de la pregunta, simplemente pensé implícitamente que estaba más allá del concepto en el que había pensado...

Respuestas (2)

El coeficiente de reflexión debido a un desajuste de impedancia es: -

R − Z o R + Z o

Donde Zo es la impedancia del cable y R es la fuente o resistencia de carga.

Y, para su configuración de 50/75 ohmios, será -0.2. Entonces, la señal que coloca en el cable de (digamos) 3Vp-p producirá un reflejo de 0.6Vp-p. ¿Es esto demasiado? No es genial, pero ciertamente no es terrible.

je. Ciertamente disfruto lo bien que sus 0.6Vp-p calculados coinciden con los reflejos en mi primer oscilograma. Teoría probada. Disculpe, sin embargo, que he agregado mi propia respuesta. La razón tiene que ver con la forma en que 10base2 maneja la detección de colisiones. Después de que mi configuración haya estado en servicio durante más de dos años con y sin la red de adaptación resistiva, ahora puedo informar que los reflejos no son un problema, pero las corrientes filtradas a través de las resistencias de terminación sí lo son. Mi "columna vertebral" (jaja. ¡columna vertebral! ¡10 Mbit!) Funciona completamente bien sin la red correspondiente. Con la red, solo a veces.

La experiencia 1 ha demostrado que la red de adaptación resistiva es una buena opción para Ethernet 10 base 2 solo a primera vista. Ayuda a mejorar la situación en lo que respecta a la calidad de la señal de RF, pero he pasado por alto los problemas causados ​​por la forma en que 10 base 2 maneja la detección de colisiones, que son efectos de baja frecuencia y pueden entenderse mediante simples consideraciones de CC.

La conexión funcionará mejor sin ninguna red de adaptación de impedancia resistiva entre las terminaciones de 50 Ω y el segmento de cable de 75 Ω.

Los reflejos de señal y los sobreimpulsos causados ​​por la falta de coincidencia no molestarán mucho a los transceptores, pero la detección de colisiones analiza la corriente promedio (filtrada) en el cable y, con la red de coincidencia resistiva, el nivel de corriente a veces está fuera de los límites especificados. Todo se reduce a una consideración de las corrientes de CC creadas por la caída de los voltajes de los transmisores en las terminaciones de 50 Ω del cable (I=U/R). Agregar la red resistiva creará una ruta paralela a las terminaciones y aumentará la corriente continua. Esto a veces puede interferir con la detección de colisiones. En mi experiencia, esto ocurrirá principalmente en días calurosos de verano con altos niveles de humedad, probablemente debido a una mayor fuga de CC a lo largo del dieléctrico en el cable coaxial.

TL, DR: 10 base 2 manejará fácilmente el abuso de ser enviado a través de un coaxial de antena de 75 Ω. Los sobreimpulsos, reflejos y cualquier otro efecto secundario de la parte de RF de la señal no son motivo de preocupación. Sin embargo, la detección de colisión analiza las corrientes de baja frecuencia y necesita exactamente dos resistencias de terminación de 50 Ω en cada extremo del cable coaxial. Agregar resistencias cambiará la resistencia de CC de (50 Ω)/2 = 25 Ω y hará que los circuitos de detección de colisiones no funcionen de manera confiable.

Después de haber leído Internets TM y haber hablado con algunos expertos en LAN de la vieja escuela bastante experimentados, se ha demostrado que este es un concepto erróneo muy común. Por lo tanto, disculpe el tipo de letra en negrita anterior. El concepto erróneo está incluso en wikipedia , como muestra esta pregunta relacionada .

Nota:

1 Mirando la fecha de la pregunta original, he notado que el sistema, con y sin la red de adaptación resistiva, ha estado en uso durante más de dos años. Tuve problemas en algunos días calurosos en el verano de 2015. Luego, eliminé la red de adaptación resistiva y no he tenido ningún problema desde entonces.

Efectos de la adaptación de impedancia entre cables coaxiales de 50 y 75 ohmios para señales codificadas Manchester de 10 Mbit/s (20 MHz)
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