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

TL, DR:

Este es un montón de texto porque he incluido mucha información de fondo. Sin embargo, finalmente habrá una pregunta buena y precisa: ¿Debería 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 primero proporciono una gran cantidad de información de fondo.

Introducción

Quería deshacerme de un cable Ethernet arrojado por las escaleras de mi casa. Un cable coaxial de repuesto existente que instalé originalmente para TV satelital parecía prometedor como alternativa, escondido limpiamente en las paredes. Justo cuando estaba a punto de comprar cajas pequeñas adecuadas para coaxial estilo ethernet sobre antena (75 Ω, capaz de algo así como 270 Mbit / s), recordé10base2: el buen sistema antiguo de ethernet coaxial BNC / RG58, y decidió 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 Ethernet" elegantes (coaxiales a par trenzado) sigue siendo muy bueno. De lo único que no estaba seguro era del problema de la impedancia. 10base2 utiliza una instalación de 50 Ω con cable RG58, y casi cualquier coaxial para sistemas de antenas domésticas (como mi cable de repuesto para TV satelital) tiene una impedancia de 75 Ω.

Ahora me complace informar que 10base2 es lo suficientemente robusto como para manejar el abuso de pasar por 10 ... 20 m de cable coaxial inadecuado de 75 Ω. ¡Allí 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. Miré la señal con un osciloscopio. La configuración es así:

Sin ninguna coincidencia entre los segmentos de 50 Ω y 75 Ω del coaxial, el resultado muestra una cantidad muy obvia de ruido reflejado. A pesar de este inconveniente, el "ojo" todavía está abierto, y los decodificadores pueden hacer su trabajo con gusto, lo que resulta en una pérdida de paquetes de exactamente cero. Estamos viendo una combinación de las señales transmitidas y recibidas por el hub de 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 suponer 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 en gran medida cuando se inserta una red coincidente en los extremos cercanos o lejanos de la parte de 75 Ω del cable coaxial. Se ve así (Créditos a esta fuente ) ...

Con la red de adaptación en el extremo cercano ... ... todavía hay algunas reflexiones volver itinerante visible desde el otro extremo sin igual.

Con la red correspondiente en el otro extremo, también debe haber reflejos a lo largo del cable relativamente corto de 50 Ω entre el concentrador y la discontinuidad etiquetada como "cerca", pero como he aprendido de un amigo, el alcance no puede "ver" ellos, porque son absorbidos por el conductor. Además, una parte de la señal del controlador "lejano" se refleja y viaja a lo largo del cable de 75 Ω, y se termina en la red correspondiente en el extremo lejano:

En comparación con la configuración incomparable, la amplitud de la señal del extremo lejano se reduce aproximadamente a la mitad (-6 dB), y esto está en buen acuerdo con la teoría que predice una pérdida de 5.6 dB en la red y la impedancia que "parece" dentro.

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

Ahora, ¿por qué no usar dos redes coincidentes en "cerca" y "lejos"? Bueno, 10base2 está diseñado para una longitud máxima de 185 m de RG58, con una pérdida de 6.6 dB / 100 mo 12.2 dB / 185 m. Por lo tanto, dos de mis redes de coincidencia resistiva ya consumirían casi toda la señal y me acercarían tanto al límite permitido que, incluido el cable, hay demasiadas pérdidas por completo. Todavía tengo dudas de que una solución basada en transformador de baja pérdida funcionaría porque creo que 10base2 ("cheapnet") 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 coincidencia resistiva también pondrá problemas de DC en problemas ...

Después de todo,

... la breve pregunta nuevamente: ¿Debería 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 incomparable / coincidente porque me gusta este / ese oscilograma mejor" a las 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 de transceptor 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 usa casi exclusivamente para casi cualquier interfaz hecha por cualquiera para adaptadores 10base2) y el conector BNC. Es posible una compensación para 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 nota de aplicación, sería genial encontrar información de fondo 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 alguna lógica de pegamento y opamps.

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

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

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

Y, para su configuración de 50/75 ohmios será -0.2. Entonces, la señal que pones 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.

La experiencia ¹ ha demostrado que la red de adaptación resistiva es una buena opción para 10 bases 2 Ethernet solo 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 entenderse 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 señal y los sobreimpulsos causados ​​por la falta de coincidencia no molestarán mucho a los transceptores, pero la detección de colisión observa la corriente promedio (filtrada) en el cable, y con la red de adaptación resistiva, el nivel actual a veces está fuera de los límites especificados. Todo se reduce a una consideración de las corrientes de CC creadas por los voltajes de los transmisores que caen a través de las terminaciones de 50 Ω del cable (I = U / R). Agregarle una red resistiva creará una ruta paralela a las terminaciones y aumentará la corriente continua. Esto a veces puede interferir con la detección de colisión. En mi experiencia, esto sucederá principalmente en los calurosos días 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 una antena coaxial de 75 Ω. Los excesos, los 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 observa 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 colisión funcionen de manera poco confiable.

Después de haber leído los Internets ^TM y de haber hablado con algunos expertos en LAN de la vieja escuela bastante experimentados, ha demostrado que este es un error muy común. Por lo tanto, disculpe la fuente en negrita de arriba. La idea errónea está incluso en Wikipedia , como muestra esta pregunta relacionada .

Nota:

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