Auswirkungen der Impedanzanpassung zwischen 50- und 75-Ohm-Koaxialkabeln für 10 Mbit/s, Manchester-codierte Signale (20 MHz)

TL,DR:

Das ist ziemlich viel Text, weil ich viele Hintergrundinformationen eingefügt habe. Aber zum Schluss gibt es noch eine gute und präzise Frage: Soll ich ein Impedanzanpassungsnetzwerk verwenden, wenn ich Kabel mit unterschiedlichen Impedanzen wie 50 Ω und 75 Ω anschließe? Mögliche Antworten beginnen wahrscheinlich mit "Es kommt darauf an ...", und deshalb liefere ich zuerst eine Menge Hintergrundinformationen.

Einleitung

Ich wollte ein Ethernet-Kabel loswerden, das entlang der Treppe meines Hauses geworfen wurde. Ein vorhandenes Ersatz-Koaxialkabel, das ich ursprünglich für Satellitenfernsehen installiert hatte, schien als Alternative vielversprechend zu sein, sauber in den Wänden versteckt. Gerade als ich dabei war, richtige kleine Boxen für Ethernet-über-Antennen-Coax (75 Ω, fähig zu ungefähr 270 Mbit/s) zu kaufen, erinnerte ich mich10base2 - das gute alte koaxiale BNC/RG58-Ethernet-System, und entschied, dass seine 10 Mbit/s mehr als genug für meine Bedürfnisse waren. Der Gebrauchtmarkt für Hubs mit BNC-Anschluss oder auch ausgefallene „Ethernet-Konverter“ (Koax auf Twisted Pair) ist nach wie vor sehr gut. Das einzige, worüber ich mir nicht sicher war, war das Impedanzproblem. 10base2 verwendet eine 50-Ω-Installation mit RG58-Kabel, und so ziemlich jedes Koaxialkabel für Heimantennensysteme (wie mein Ersatzkabel für Satellitenfernsehen) hat eine Impedanz von 75 Ω.

Ich freue mich jetzt, Ihnen mitteilen zu können, dass 10base2 robust genug ist, um den Missbrauch zu bewältigen, wenn es durch 10 ... 20 m eines ungeeigneten 75-Ω-Koaxialkabels geführt wird. Da habe ich es behoben! Yay!

Jedoch, ...

Ich war immer noch neugierig, ob der Hack, den ich gemacht hatte, wirklich schlecht war (wie in: gerade noch gut genug) oder vielleicht sogar ganz akzeptabel war. Ich habe mir das Signal mit einem Oszilloskop angesehen. Die Einrichtung ist wie folgt:Aufstellen

Ohne Anpassung zwischen den 50-Ω- und 75-Ω-Segmenten des Koaxialkabels zeigt das Ergebnis eine sehr offensichtliche Menge an reflektiertem Rauschen. Trotz dieses Mankos ist das „Auge“ noch weit offen und die Decoder können fröhlich ihre Arbeit verrichten, was zu einem Paketverlust von genau null führt. Kein passendes Netzwerk an beiden Enden.Wir betrachten eine Kombination der Signale, die vom Ethernet-Hub in der Nähe des Oszilloskops gesendet und empfangen werden. Gemessen am "sauberen" Teil hat das übertragene Signal ca. 1,9 V pkpk und das empfangene Signal hat 1,6 V pkpk . Wenn davon ausgegangen werden kann, dass beide Treiber dieselbe Amplitude ausgeben, können wir sogar die Dämpfung durch das Kabel berechnen: 20×log(1,6/1,9)dB = 1,5 dB. Gut genug, denn die Rechnung für 15 m typisches Koax mit 6,6 dB/100 m ergibt 1 dB.

Das Rauschen wird stark reduziert, wenn ein Anpassungsnetzwerk am nahen oder fernen Ende des 75-Ω-Teils des Koaxialkabels eingefügt wird. Es sieht so aus (Credits zu dieser Quelle ) ...Matching_Network

Mit dem passenden Netzwerk am nahen Ende... Anpassendes Netzwerk am nahen Ende des 75-Ω-Koaxialkabels... sind immer noch einige Reflexionen sichtbar, die vom nicht angepassten fernen Ende zurücklaufen.

Mit dem passenden Netzwerk am fernen Ende muss es auch Reflexionen entlang des vergleichsweise kurzen 50-Ω-Kabels zwischen dem Hub und der mit "nahe" bezeichneten Unterbrechung geben, aber wie ich von einem Freund erfahren habe, kann das Oszilloskop nicht "sehen". weil sie vom Fahrer absorbiert werden. Außerdem wird ein Teil des Signals vom „fernen“ Treiber reflektiert und wandert entlang des 75-Ω-Kabels zurück und wird in das passende Netzwerk am fernen Ende terminiert:Anpassendes Netzwerk am anderen Ende des 75-Ω-Koaxialkabels

Im Vergleich zum nicht angepassten Setup ist die Amplitude des Signals vom fernen Ende ungefähr halbiert (-6 dB), und dies stimmt gut mit der Theorie überein, die einen Verlust von 5,6 dB über das Netzwerk und die Impedanz, die es "aussieht", vorhersagt. hinein.

Alle oben genannten Arbeiten, dh kein passendes Netzwerk oder ein passendes Netzwerk entweder am nahen oder am fernen Ende. "Arbeiten" bedeutet, dass ich ping -fdas Segment stundenlang ohne ein verlorenes Paket überstehen kann.

Warum also nicht zwei passende Netzwerke bei „nah“ und „fern“ verwenden? Nun, 10base2 ist für eine maximale Länge von 185 m von RG58 ausgelegt, mit einem Verlust von 6,6 dB/100 m oder 12,2 dB/185 m. Daher würden zwei meiner resistiven Anpassnetzwerke bereits fast das gesamte Signal fressen und mich so nahe an die erlaubte Grenze bringen, dass einschließlich des Kabels insgesamt zu viel Verlust entsteht. Ich bezweifle immer noch, dass eine verlustarme, transformatorbasierte Lösung funktionieren würde, weil ich denke, dass 10base2 ("Cheapernet") einen DC-Pfad benötigt: "DC LEVEL: Die DC-Komponente des Signals muss zwischen 37 mA und 45 mA liegen . Die Toleranz hier ist eng, da Kollisionen durch Überwachung des durchschnittlichen DC-Pegels auf dem Koaxialkabel erkannt werden.“ ( Quelle: S.4 ; auch durch dieses Datenblatt belegt) Dann wieder; Das resistive Anpassungsnetzwerk wird auch jede DC-Vorspannung in Schwierigkeiten bringen ...

Schließlich,

... noch einmal die kurze Frage: Sollte ich ein Impedanzanpassungsnetzwerk verwenden, wenn ich Kabel mit unterschiedlicher Impedanz wie 50 Ω und 75 Ω anschließe?

Alles zwischen "Ich bevorzuge das nicht angepasste / angepasste Setup, weil mir dieses / jenes Oszillogramm besser gefällt" bis hin zu Antworten mit vielen Hintergrundinformationen zu HF oder der Low-Level-Hardware von 10base2 wird sehr geschätzt.

Bearbeiten

Wenn Sie Zugriff auf das Innere des Coaxial Transceiver Interface (CTI) haben, können Sie die Schaltung zwischen den Chips modifizieren ( 8392 scheint der Typ zu sein, der von einer Vielzahl von Herstellern hergestellt wird, und auch der Typ, der fast ausschließlich für so ziemlich alle verwendet wird Schnittstelle von jedermann für 10base2-Adapter) und den BNC-Anschluss. Ein Kompromiss für Kabel mit 75 Ω und 93 Ω ist auf Kosten der zulässigen Buslänge möglich. National Semiconductor hat zu diesem Thema eine Application Note mit dem Titel AN-620 (pdf, Sept. 1992) herausgegeben.

Aber selbst nachdem Sie diese App'note gefunden haben, wäre es großartig, einige Hintergrundinformationen darüber zu finden, was in einem 8392 steckt, dh was man verwenden müsste, um die Schnittstelle mit diskreten Teilen und vielleicht etwas Glue-Logik und Operationsverstärkern zu erstellen.

Es wäre interessant, dieses Szenario simuliert zu sehen.
@Dzarda Ich bin ein halb erfahrener LTspice-Benutzer (und habe kürzlich sogar das Seminar von Mike Engelhardt besucht). Ich habe jedoch keine Erfahrung mit der Simulation von Übertragungsleitungen. Tust du? Dies eröffnet Ideen für mindestens eine weitere interessante Frage, die gestellt werden kann ...
Ich wollte Transformatoren vorschlagen, da Manchester dafür eine gute Übergangsdichte hat, bis ich den Teil über die Aufrechterhaltung des Gleichstrompegels für die Kollisionserkennung gelesen habe. Dies führt jedoch zu der zusätzlichen Komplikation, dass jedes Widerstandsnetzwerk, das Sie zum Anpassen verwenden, auch den Gleichstrompegel aufrechterhalten muss - also müssen Sie wahrscheinlich getrennte Verbindungen für Gleichstrom und Signal haben. Vielleicht etwas so Einfaches wie eine Induktivität, die Gleichstrom zwischen den beiden Seiten eines Anpassungstransformators überträgt.
@zebonaut LTspice hat spezielle Modelle für Abschnitte der Übertragungsleitung.
Ich hätte an beiden Enden des Kabels drahtlose Zugangspunkte verwendet. Ich müsste immer noch eine Impedanzanpassung vornehmen, aber jedes der Anpassungsnetzwerke könnte (und sollte tatsächlich) eine Dämpfung von 15 dB haben, wodurch das Problem gut gelöst wird.
@SimonRichter Heh. Kabellos. Daran hatte ich nicht gedacht. Dies wäre eine Alternative, falls 10 Mbit/s nicht ausreichen. Und ich könnte sogar alte Zugriffspunkte oder (verdummte) Router verwenden, die unbrauchbar geworden sind, weil sie keine gute Verschlüsselung unterstützen.
Vielleicht ist es nicht mehr relevant, aber ich habe mich nur gefragt, warum Sie sich entschieden haben, die Impedanzanpassung nicht mit aktiven Schaltungen durchzuführen, sondern nur mit den Widerstandsteilern? Fügen Sie an jedem Ende einen Operationsverstärker hinzu; Dämpfungsproblem gelöst...
@ Oleksandr. Aktive Schaltungen sind natürlich eine Option, aber ich habe sie ausgeschlossen, weil ich nichts mit einer Stromversorgung zwischen den PHYs haben wollte. Um fair zu sein, wurde dieser Ausschluss nicht im Kleingedruckten der Frage erwähnt, ich dachte nur implizit, dass es über das Konzept hinausging, an das ich gedacht hatte ...

Antworten (2)

Der Reflexionskoeffizient aufgrund einer Impedanzfehlanpassung ist: -

R − Z Ö R + Z Ö

Wobei Zo die Impedanz des Kabels und R der Quellen- oder Lastwiderstand ist.

Und für Ihr 50/75-Ohm-Setup wird -0,2 sein. Das Signal, das Sie an das Kabel von (sagen wir) 3 Vp-p anlegen, erzeugt also eine Reflexion von 0,6 Vp-p. Ist das zu viel? Es ist nicht großartig, aber es ist sicherlich nicht schrecklich.

Heh. Ich genieße es auf jeden Fall, wie gut Ihre berechneten 0,6 Vp-p mit den Reflexionen in meinem ersten Oszillogramm übereinstimmen. Theorie bewiesen. Bitte entschuldigen Sie jedoch, dass ich meine eigene Antwort hinzugefügt habe. Der Grund hat mit der Art und Weise zu tun, wie 10base2 die Kollisionserkennung handhabt. Nachdem mein Aufbau mehr als zwei Jahre mit und ohne resistives Anpassnetzwerk in Betrieb war, kann ich nun berichten, dass die Reflexionen kein Problem sind, wohl aber die gefilterten Ströme über die Abschlusswiderstände. Mein "Backbone" (haha. Backbone! 10Mbit!) funktioniert ohne das passende Netzwerk einwandfrei. Mit dem Netzwerk, nur manchmal.

Erfahrung 1 hat gezeigt, dass das resistive Anpassnetzwerk nur auf den ersten Blick eine gute Option für 10 Base 2 Ethernet ist. Es hilft, die Situation in Bezug auf die HF-Signalqualität zu verbessern, aber ich habe die Probleme übersehen, die durch die Art und Weise verursacht werden, wie 10 Base 2 die Kollisionserkennung handhabt, die niederfrequente Effekte sind und durch einfache DC-Überlegungen verstanden werden können.

Die Verbindung funktioniert am besten ohne ein ohmsches Impedanzanpassungsnetzwerk zwischen den 50-Ω-Abschlüssen und dem 75-Ω-Kabelsegment.

Signalreflexionen und Überschwinger, die durch die Fehlanpassung verursacht werden, stören die Transceiver nicht sehr, aber die Kollisionserkennung betrachtet den durchschnittlichen (gefilterten) Strom in das Kabel, und mit dem resistiven Anpassungsnetzwerk liegt der Strompegel manchmal außerhalb der angegebenen Grenzen. Es läuft alles auf die Betrachtung von DC-Strömen hinaus, die durch die Spannungen der Sender erzeugt werden, die über die 50-Ω-Abschlüsse des Kabels fallen (I=U/R). Durch Hinzufügen des Widerstandsnetzwerks wird ein paralleler Pfad zu den Abschlüssen erstellt und der Gleichstrom erhöht. Dies kann manchmal die Kollisionserkennung beeinträchtigen. Nach meiner Erfahrung tritt dies hauptsächlich an heißen Sommertagen mit hoher Luftfeuchtigkeit auf, wahrscheinlich aufgrund erhöhter DC-Leckage entlang des Dielektrikums im Koaxialkabel.

TL, DR: 10 Base 2 verkraftet problemlos den Missbrauch, über 75-Ω-Antennenkoax gesendet zu werden. Überschwinger, Reflexionen und andere Nebenwirkungen des HF-Teils des Signals sind kein Problem. Die Kollisionserkennung betrachtet jedoch niederfrequente Ströme und benötigt genau zwei 50-Ω-Abschlusswiderstände an jedem Ende des Koaxialkabels. Das Hinzufügen von Widerständen ändert den DC-Widerstand von (50 Ω)/2 = 25 Ω und führt dazu, dass die Kollisionserkennungsschaltungen unzuverlässig arbeiten.

Die Lektüre von Internets TM und Gespräche mit einigen ziemlich erfahrenen LAN-Experten der alten Schule haben gezeigt, dass dies ein weit verbreitetes Missverständnis ist. Bitte entschuldigen Sie daher die Fettschrift oben. Das Missverständnis ist sogar auf Wikipedia , wie diese verwandte Frage zeigt.

Fußnote:

1 Wenn ich mir das Datum der ursprünglichen Frage ansehe, ist mir aufgefallen, dass das System mit und ohne resistivem Anpassungsnetzwerk nun seit mehr als zwei Jahren im Einsatz ist. An einigen heißen Tagen im Sommer 2015 hatte ich Probleme. Dann entfernte ich das resistive Anpassungsnetzwerk und hatte seitdem überhaupt keine Probleme mehr.

Auswirkungen der Impedanzanpassung zwischen 50- und 75-Ohm-Koaxialkabeln für 10 Mbit/s, Manchester-codierte Signale (20 MHz)
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