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

Question

TL,DR:

Esto es un montón de texto porque he incluido mucha información de fondo. Sin embargo, finalmente habrá una pregunta buena y precisa: ¿Debo utilizar una red de adaptación de impedancias cuando conecto cables de distinta impedancia, como 50 Ω y 75 Ω? Las posibles respuestas probablemente comenzarán con un "depende...", y es por ello que primero proporciono una gran cantidad de información de fondo.

Introducción

Quería deshacerme de un cable Ethernet tirado por las escaleras de mi casa. Un cable coaxial de repuesto que había instalado originalmente para la televisión por satélite parecía prometedor como alternativa, limpiamente escondido en las paredes. Justo cuando estaba a punto de comprar las cajas adecuadas para el cable coaxial de Ethernet sobre antena (75 Ω, capaz de algo así como 270 Mbit/s), me recordado 10base2 - el viejo 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 de concentradores con conector BNC o incluso de lujosos "convertidores de Ethernet" (de coaxial a par trenzado) sigue siendo muy bueno. Lo único que no tenía claro era el tema de la impedancia. 10base2 utiliza una instalación de 50 Ω con cable RG58, y casi cualquier coaxial para sistemas de antena doméstica (como mi cable de repuesto para la televisión por satélite) tiene una impedancia de 75 Ω.

Ahora me complace informar que 10base2 es lo suficientemente robusto como para soportar el abuso de ser ejecutado a través de 10...20 m de coaxial inapropiado de 75 Ω. ¡Ya está, lo he arreglado! ¡Sí!

Sin embargo, ...

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

Sin ninguna adaptación entre los segmentos de 50 Ω y 75 Ω del coaxial, el resultado muestra una cantidad muy evidente de ruido reflejado. A pesar de este inconveniente, el "ojo" sigue bien abierto y los descodificadores pueden hacer felizmente su trabajo, lo que resulta en una pérdida de paquetes exactamente nula. Estamos viendo una combinación de las señales transmitidas y recibidas por el hub ethernet cerca del osciloscopio. A juzgar por la parte "limpia", la señal transmitida tiene aproximadamente 1,9 V _pkpk y la señal recibida tiene 1,6 V _pkpk . Si podemos suponer que ambos conductores tienen una salida de la misma amplitud, podemos incluso calcular la pérdida introducida por el cable: 20×log(1,6/1,9)dB = 1,5 dB. Es suficiente, porque el cálculo para 15 m de coaxial típico con 6,6 dB/100 m da como resultado 1 dB.

El ruido se reduce en gran medida cuando se inserta una red de adaptación en los extremos cercanos o lejanos de la parte de 75 Ω del coaxial. Su aspecto es el siguiente (Créditos a esta fuente )...

Con la red de concordancia en el extremo cercano... ... todavía son visibles algunos reflejos viajando hacia atrás desde el extremo lejano no emparejado.

Con la red de adaptación en el extremo lejano, también debe haber reflexiones a lo largo del comparativamente corto cable de 50 Ω entre el concentrador y la discontinuidad etiquetada como "cercana", pero como he aprendido de un amigo, el osciloscopio no puede "verlas", porque son absorbidas por el conductor. Además, una parte de la señal del conductor "lejano" se refleja y viaja de vuelta a lo largo del cable de 75 Ω, y se termina en la red de adaptación en el extremo lejano:

En comparación con la configuración sin emparejar, la amplitud de la señal del extremo lejano se reduce aproximadamente a la mitad (-6 dB), lo que concuerda con la teoría que predice una pérdida de 5,6 dB sobre la red y la impedancia a la que "mira".

Todo lo anterior funciona, es decir, no hay red coincidente o hay una red coincidente en el extremo cercano o en el extremo lejano. "Funcionan" significa que puedo ping -f sobre el segmento durante horas sin un solo paquete perdido.

Ahora, ¿por qué no utilizar dos redes coincidentes en "cerca" y ¿"Lejos"? Bueno, la 10base2 está diseñada para una longitud máxima de 185 m de RG58, con 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 se comerían casi toda la señal y me acercarían tanto al límite permitido que, incluyendo el cable, hay demasiada pérdida en total. Sigo dudando de que una solución de bajas pérdidas basada en un transformador funcione porque creo que 10base2 ("cheapernet") necesita un camino de CC: "DC LEVEL": La componente DC de la señal tiene que estar entre 37 mA y 45 mA. La tolerancia aquí es ajustada ya que las colisiones se detectan monitorizando el nivel medio de DC en el coaxial." ( Fuente: p.4 ; también respaldado por esta hoja de datos ) Por otra parte, la red de adaptación resistiva también pondrá en problemas cualquier polarización de CC...

Después de todo,

... la pregunta corta de nuevo: ¿Debo utilizar una red de adaptación de impedancias cuando conecto cables de distinta impedancia, como 50 Ω y 75 Ω?

Cualquier cosa entre "prefiero la configuración no emparejada/emparejada porque me gusta más este/el otro oscilograma" hasta respuestas con mucha información de fondo sobre RF o el hardware de bajo nivel de 10base2 es muy apreciada.

Editar

Si tiene acceso al interior de la Interfaz Transceptora Coaxial (CTI), puede modificar el circuito entre el chip ( 8392 parece ser el tipo hecho por una gran variedad de fabricantes y también el tipo que se utiliza casi exclusivamente para casi cualquier interfaz hecha por cualquier persona para los adaptadores 10base2) y el conector BNC. Es posible un intercambio de cables con 75 Ω y 93 Ω a costa de la longitud de bus permitida. National Semiconductor hizo una nota de aplicación sobre este tema, llamada AN-620 (pdf, septiembre de 1992).

Pero incluso después de encontrar esta app'note, sería genial encontrar algo de información sobre lo que hay dentro de un 8392, es decir, lo que uno tendría que utilizar para construir la interfaz utilizando partes discretas y tal vez algo de lógica de cola y opamps.

Answer 1

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

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

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

Y, para tu configuración de 50/75 ohmios será de -0,2. Por lo tanto, la señal que se introduce en el cable de (digamos) 3Vp-p producirá una reflexión de 0,6Vp-p. ¿Es esto demasiado? No es genial, pero ciertamente no es terrible.

Answer 2

Experiencia 1 ha demostrado que la red de adaptación resistiva es una buena opción para Ethernet de 10 bases 2 sólo a primera vista. Ayuda a mejorar la situación cuando se trata de 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 ser entendidos por 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.

Las reflexiones de la señal y los excesos causados por el desajuste no molestarán mucho a los transceptores, pero la detección de colisiones examina la corriente media (filtrada) en el cable, y con la red de adaptación resistiva, el nivel de corriente está a veces fuera de los límites especificados. Todo se reduce a la consideración de las corrientes continuas creadas por las tensiones de los transmisores que caen a través de las terminaciones de 50 Ω del cable (I=U/R). La adición de la red resistiva creará un camino paralelo a las terminaciones y aumentará la corriente continua. Esto puede a veces estropear la detección de colisiones. En mi experiencia, esto ocurrirá principalmente en los días calurosos de verano con altos niveles de humedad, probablemente debido al aumento de la fuga de CC a lo largo del dieléctrico en el coaxial.

TL, DR: La base 10 2 soportará fácilmente el abuso de ser enviada a través de un coaxial de antena de 75 Ω. Los sobregiros, las reflexiones y cualquier otro efecto secundario de la parte de RF de la señal no son una preocupación. Sin embargo, la detección de colisiones mira las corrientes de baja frecuencia, y necesita exactamente dos resistencias de terminación de 50 Ω en cada extremo del coaxial. Añadir resistencias cambiará la resistencia de CC de (50 Ω)/2 = 25 Ω y hará que los circuitos de detección de colisiones no funcionen de forma fiable.

Habiendo leído en internet TM y haber hablado con algunos expertos de la vieja escuela de la LAN ha demostrado que esta es una idea errónea muy común. Por lo tanto, disculpen el tipo de letra en negrita de arriba. El concepto erróneo es incluso en wikipedia , como esta pregunta relacionada espectáculos.

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Nota a pie de página:

1 Mirando la fecha de la pregunta original, me he dado cuenta de que el sistema, con y sin la red de adaptación resistiva, lleva ya más de dos años en uso. Tuve problemas en algunos días de calor en el verano de 2015. Entonces, quité la red de adaptación resistiva y no he tenido ningún problema desde entonces.