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

TL, DR:

Dies ist eine ganze Reihe von Texten, da ich viele Hintergrundinformationen beigefügt habe. Es wird jedoch endlich eine gute und genaue Frage geben: Soll ich ein Impedanzanpassungsnetzwerk verwenden, wenn ich Kabel mit unterschiedlicher Impedanz wie 50 Ω und 75 Ω anschließe? Mögliche Antworten beginnen wahrscheinlich mit "Es kommt darauf an ...", und deshalb gebe ich zuerst eine Menge Hintergrundinformationen.

Intro

Ich wollte ein Ethernet-Kabel loswerden, das die Treppe meines Hauses hinuntergeworfen wurde. Ein vorhandenes Ersatz-Koaxialkabel, das ich ursprünglich für Satellitenfernsehen installiert hatte, schien als Alternative vielversprechend zu sein und war sauber in den Wänden versteckt. Gerade als ich die richtigen kleinen Boxen für Ethernet-über-Antennen-Koaxialkabel (75 Ω, etwa 270 Mbit / s) kaufen wollte, erinnerte ich mich10base2 - das gute alte koaxiale Ethernet-System BNC / RG58, und entschied, dass seine 10 Mbit / s mehr als genug für meine Bedürfnisse waren. Der Second-Hand-Markt für Hubs mit BNC-Anschluss oder sogar ausgefallenen "Ethernet-Konvertern" (Koax zu Twisted Pair) ist immer noch sehr gut. Das einzige, bei dem ich mir nicht sicher war, war das Impedanzproblem. 10base2 verwendet eine 50 Ω-Installation mit RG58-Kabel, und so gut wie jedes Koaxialkabel für Heimantennensysteme (wie mein Ersatzkabel für Satellitenfernsehen) hat eine Impedanz von 75 Ω.

Ich freue mich jetzt berichten zu können, dass 10base2 robust genug ist, um den Missbrauch zu bewältigen, durch 10 ... 20 m unangemessenes 75 Ω-Koaxialkabel geführt zu werden. Dort habe ich es repariert! 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. Ich betrachtete das Signal mit einem Oszilloskop. Das Setup ist wie folgt:

Ohne eine Übereinstimmung zwischen den 50 Ω- und 75 Ω-Segmenten des Koax zeigt das Ergebnis eine sehr offensichtliche Menge an reflektiertem Rauschen. Trotz dieses Nachteils ist das "Auge" immer noch weit offen und die Decoder können ihre Arbeit glücklich erledigen, was zu einem Paketverlust von genau Null führt. Wir betrachten eine Kombination der vom Ethernet-Hub in der Nähe des Oszilloskops gesendeten und empfangenen Signale. Gemessen am "sauberen" Teil hat das übertragene Signal ca. 1,9 V _pkpk , und das empfangene Signal hat 1,6 V _pkpk . Wenn man davon ausgehen kann, dass beide Treiber einen Ausgang mit der gleichen Amplitude haben, können wir sogar den durch das Kabel verursachten Verlust berechnen: 20 × log (1,6 / 1,9) dB = 1,5 dB. Gut genug, denn die Berechnung für 15 m typisches Koax mit 6,6 dB / 100 m ergibt 1 dB.

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

Mit dem passenden Netzwerk am nahen Ende ... ... sind noch einige Reflexionen sichtbar, die vom unübertroffenen fernen Ende zurückgehen.

Mit dem passenden Netzwerk am anderen Ende müssen auch Reflexionen entlang des vergleichsweise kurzen 50 Ω-Kabels zwischen dem Hub und der mit "nah" gekennzeichneten Diskontinuität auftreten, aber wie ich von einem Freund erfahren habe, kann das Oszilloskop nicht "sehen". sie, weil sie vom Fahrer aufgenommen werden. Außerdem wird ein Teil des Signals vom "fernen" Treiber reflektiert und wandert entlang des 75 Ω-Kabels zurück und wird am fernen Ende in das passende Netzwerk terminiert:

Im Vergleich zum unübertroffenen Aufbau 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 "sieht", vorhersagt. in.

Alle oben genannten Funktionen funktionieren, dh weder am nahen noch am fernen Ende ein passendes Netzwerk oder ein passendes Netzwerk. "Arbeit" bedeutet, dass ich ping -fstundenlang über das Segment gehen kann, ohne dass ein Paket verloren geht.

Warum nicht zwei passende Netzwerke bei "nah" und "fern" verwenden? Nun, 10base2 ist für eine maximale Länge von 185 m RG58 ausgelegt und weist einen Verlust von 6,6 dB / 100 m oder 12,2 dB / 185 m auf. Daher würden zwei meiner resistiven Anpassungsnetzwerke bereits fast das gesamte Signal verbrauchen und mich so nahe an die zulässige Grenze bringen, dass es einschließlich des Kabels insgesamt zu viel Verlust gibt. Ich bin immer noch im Zweifel, dass eine verlustarme, transformatorbasierte Lösung funktionieren würde, da 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 ist hier eng, da Kollisionen durch Überwachen des durchschnittlichen Gleichstrompegels am Koax erkannt werden. " ( Quelle: S.4 ; ebenfalls durch dieses Datenblatt gesichert) Dann wieder; Das resistive Anpassungsnetzwerk wird auch jede DC-Vorspannung in Schwierigkeiten bringen ...

Letztendlich,

... noch einmal die kurze Frage: Soll ich beim Anschluss von Kabeln unterschiedlicher Impedanz wie 50 Ω und 75 Ω ein Impedanzanpassungsnetzwerk verwenden?

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

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Wenn Sie Zugriff auf das Innere der Koaxial-Transceiver-Schnittstelle (CTI) haben, können Sie die Schaltung zwischen den Chips ändern ( 8392 scheint der Typ zu sein, der von einer Vielzahl von Herstellern hergestellt wird, und auch der Typ, der fast ausschließlich für so ziemlich jeden 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 einen Application Note mit dem Namen AN-620 (pdf, Sept. 1992) erstellt.

Aber selbst nachdem Sie diese App'note gefunden haben, wäre es großartig, Hintergrundinformationen darüber zu finden, was sich in einem 8392 befindet, dh was man verwenden müsste, um die Schnittstelle mit diskreten Teilen und möglicherweise etwas Klebelogik und Opamps zu erstellen.

Der Refektionskoeffizient aufgrund einer Impedanzfehlanpassung beträgt:

$\dfrac{R-Z_o}{R+Zo}$

Dabei ist Zo die Impedanz des Kabels und R die Quelle oder der Lastwiderstand.

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

Die Erfahrung ¹ hat gezeigt, dass das resistive Matching-Netzwerk 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. Dies sind niederfrequente Effekte, die durch einfache DC-Überlegungen verstanden werden können.

Die Verbindung funktioniert am besten ohne ein Netzwerk zur Anpassung der Widerstandsimpedanz zwischen den 50-Ω-Anschlüssen und dem 75-Ω-Kabelsegment.

Signalreflexionen und Überschwingungen, die durch die Nichtübereinstimmung 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. Alles läuft auf die Berücksichtigung von Gleichströmen hinaus, die dadurch erzeugt werden, dass die Spannungen der Sender über die 50 Ω-Anschlüsse des Kabels fallen (I = U / R). Durch Hinzufügen des Widerstandsnetzwerks wird ein paralleler Pfad zu den Anschlüssen erstellt und der Gleichstrom erhöht. Dies kann manchmal die Kollisionserkennung beeinträchtigen. Nach meiner Erfahrung wird dies hauptsächlich an heißen Sommertagen mit hoher Luftfeuchtigkeit geschehen, wahrscheinlich aufgrund einer erhöhten Gleichstromleckage entlang des Dielektrikums im Koax.

TL, DR: 10 Basis 2 kann den Missbrauch des Sendens über 75 Ω Antennenkoax problemlos bewältigen. Überschwingungen, Reflexionen und andere Nebenwirkungen des HF-Teils des Signals sind kein Problem. Die Kollisionserkennung berücksichtigt jedoch niederfrequente Ströme und benötigt genau zwei 50 Ω-Abschlusswiderstände an jedem Ende des Koax. Durch Hinzufügen von Widerständen wird der Gleichstromwiderstand von (50 Ω) / 2 = 25 Ω geändert und die Kollisionserkennungsschaltungen arbeiten unzuverlässig.

Das Lesen im Internet ^TM und das Gespräch mit einigen ziemlich erfahrenen LAN-Experten der alten Schule haben gezeigt, dass dies ein sehr häufiges Missverständnis ist. Entschuldigen Sie daher bitte die fett gedruckte Schrift oben. Das Missverständnis ist sogar auf Wikipedia , wie diese verwandte Frage zeigt.

Fußnote:

^{1 Beim} Datum der ursprünglichen Frage habe ich festgestellt, dass das System mit und ohne resistives Anpassungsnetzwerk seit mehr als zwei Jahren in Betrieb ist. Ich hatte an einigen heißen Tagen im Sommer 2015 Probleme. Dann entfernte ich das resistive Matching-Netzwerk und hatte seitdem überhaupt keine Probleme mehr.