magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

lidHogyan teszi az Ethernet-technológia fejlődése biztonságosabbá a működést „zavaros” környezetben?

Az Ethernet-alapú hálózati kommunikáció annyira természetes része az életünknek, hogy szinte tudomást sem veszünk róla. Előnyei miatt az ipari és automotív alkalmazások tervezői is „szemet vetetettek” rá, de előfordul, hogy ezekben a „zajos” környezetekben már nem teljesít elég jól.
A cikk arra mutat megoldást, hogyan lehet digitális jelfeldolgozással zavartűrőbbé tenni az Ethernet-hálózatokat, megtartva ugyanakkor a kompatibilitást is a hagyományos fizikai interfésszel rendelkező Ethernet-eszközökkel.

 

A környezet elektromos zaja a vezetékes kommunikáció gyilkosa. A kommunikáció csomagvesztésekkel fizet a zajkibocsátásért és -felvételért, vagy ami még ennél is rosszabb, a kommunikációs vezetékek kölcsönösen zavarhatják egymást a szomszédos elektronikai áramkörökkel. Még az Ethernethez hasonlóan robusztus technológiák is szenvednek a zaj hatásától, ha olyan – a szokásosnál mostohább – környezetben kell működniük, mint az autóipar vagy az ipari irányítástechnika.
Jó hír viszont, hogy egyre újabb technológiák jelennek meg a piacon, amelyek csökkentik a zajhatásokat és korlátozzák a zajérzékenységet, amelyek újra „járható úttá” teszik az Ethernetet a nagy zajjal terhelt környezetben is.
Először is próbáljuk meg megérteni azokat a tényezőket, amelyek nehezítik az Ethernet-kommunikáció működését.

MCA733 Figure 1

1. ábra  Az Ethernet-kábel felépítése

 

Az elektromágneses kompatibilitás

Ha vezetékes módszerrel továbbítunk adatokat nagy távolságra, a vezetékek hajlamossá válnak a zaj kibocsátására, illetve felvételére. Az elektromágneses kompatibilitás (Electromagnetic Compatibility – EMC) az a szakág, amely ezen hatások nagyságát méri egy termék teljesítőképességére, egy adott alkalmazási környezetben.
Zajkibocsátás akkor történik, ha vezetékes úton továbbítunk adatokat. A vezetékek antennaként működnek, amelyek zajt sugároznak ki a környezetükbe. Az Amerikai Egyesült Államokban az FCC (Federal Communications Commisssion – Szövetségi Kommunikációs Hatóság) szabja meg ennek a megengedett legnagyobb szintjeit. Két kategória létezik (A és B), amely az otthoni és üzleti környezetben határozza meg ezeket a szinteket. Ez garantálja, hogy a termékek és rendszerek egymás közelébe telepítve is nehézségek nélkül működhessenek. Az olyan alkalmazásokban, mint az autóipar más szervezetek (a CISPR, az ISO és az SAE) dolgozzák ki a követendő szabványokat.
Az EMC tárgya az is, hogyan hat a kibocsátott zaj egy másik készülékre. A közeli források zajának rácsatolódása a kommunikációs vezetékekre átviteli zavart okozhat, csökkentheti az időegység alatt átvihető információ mennyiségét, sőt még kifejezetten hibás működést is eredményezhet.
A termékek EMC-je tanulmányozásának célja ezen hatások csökkentése olyan mértékig, amelynél azok már problémamentesen együtt (illetve egymás mellett) tudnak működni.

 

MCA733 Figure 2

2. ábra  A szimmetrikus jelátvitel

 

 

Az Ethernet és az EMC összefüggése

Az interferenciák csökkentése érdekében az Ethernet azt a kábelezési és jelátviteli módszert (a csavart érpárú kábelezést és a differenciális jelátvitelt) alkalmazza (1. ábra), amit még Alexander Graham Bell talált fel. Azáltal, hogy a jeleket a két vezetéken ellentétes polaritással (differenciálisan) visszük át, a kisugárzott energia mértéke is csökken, mivel a vezetékek kioltják egymás zajhullámait. Ugyanezen okból a differenciális jelvevők is hatékonyabban képesek megkülönböztetni a jelet és a zajt.
Azzal, hogy a differenciális vezetékeket össze is csavarjuk, bármilyen külső zaj csatolódik a vezetékekre, az mindkét vezetékre egyenlő mértékben hat – ezt nevezzük „közös módusú” jelnek, amely két (differenciális) vezeték jelszintje közötti, a jelet reprezentáló különbséget nem változtatja meg. Ezt nevezzük szimmetrikus jelátvitelnek (2. ábra). Végül pedig – a vevőáramkörnél – a közös módusú zaj hatását a transzformátoros csatolás is csökkenti.
Ezek az egyszerű, de hatásos EMC-javítási módszerek tették lehetővé, hogy az Ethernet tényleg átütő erejű technológiává válhasson az otthonokban és az irodákban egyaránt. Viszont ha továbblépünk a mostohább alkalmazási környezetek és a hosszabb kábelek felé (amelyek így hosszabb antennaként működnek), például az ipari gyártósoroknál, az elektromos energiaátvitelnél és az automotív alkalmazásoknál az EMC-teljesítőképesség minden addiginál fontosabbá válik. A Bell által feltalált, brilliánsan egyszerű módszerek kezdenek csődöt mondani, és korszerűbb technológiára van szükség a védelmi pajzs réseinek befoltozására.

 

MCA733 Figure 3

3. ábra  A Quiet-WIRE® által virtuálisan „meghosszabbított” kábel

 

A Quiet-WIRE® EMC-javító technológia

A Quiet-WIRE® („csendes vezeték”) technológiát az Ethernet EMC-teljesítőképességének fokozása érdekében dolgozták ki. Ez a módszer két fontos ponton javítja az Ethernet-adóvevő áramköröket. Az adóban aktív digitális jelfeldolgozás- (DSP-) alapú szűrést alkalmaznak az elektromágneses zavarsugárzás csökkentésére. Ezenkívül a vevőben is megnövelt hatásfokú zajelnyomást alkalmaznak, ugyancsak a digitális jelfeldolgozás módszerével. Ezek a technológiák Bell idejében még ismeretlenek voltak, de most – amint azt a következőkben látni fogjuk – ez a két korszerű technológiai fejlesztés jelentősen képes megnövelni az EMC-teljesítőképességet.

 

Az elektromágneses zaj csökkentése virtuális kábelhosszabbítással

Annak érdekében, hogy jobban megérthessük, hogyan képes a digitális jelfeldolgozás az EMC javítására, először meg kell vizsgálnunk az összefüggést a kábelhosszúság és a sugárzott zaj nagysága között.
Az IEEE 802.3u (100Base-TX) szabvány szerinti technológiát úgy definiálták, hogy az legfeljebb 100 m kábelhosszúságig használható. Ha az összes felhasznált kábel egyforma hosszúságú lenne, ezt a feladatot jelentősen könnyebb lenne megvalósítani, mivel a kábelimpedanciák is egyformák lennének. A valódi alkalmazásokban viszont a kábelhosszúságok 0,5 m-től 100 m-ig változhatnak. Ez a változatosság jelentős impedancia-illesztetlenségek forrása lehet, amely nagyobb sugárzott zajt eredményez.
A szabadalmaztatott Quiet-WIRE® technológia arra használja a digitális jelfeldolgozó (DSP) elemeit, hogy virtuális kábelhosszakkal egészíti ki a fizikai kábeleket, ezáltal optimalizálva az impedanciaillesztést, és – ezen keresztül – csökkentve a zajt. A 3. ábra illusztrálja ennek hatását egy 2 m hosszúságú kábel esetén. Az ábrát a Quiet-WIRE® bekapcsolt állapotában készítettük, és úgy állítottuk be, hogy a kábel impedancia-egyenértéke egy 100 m-es kábelének feleljen meg.
Ez a „virtuális kábelhosszabbítás” úgy történik, hogy a rendszer a jel amplitúdóját a „virtuális” hosszúságtöbblet csillapításának megfelelően csökkenti, és annyi fáziskésleltetést alkalmaz, amennyit az impedanciaillesztés megkíván. Az amplitúdó-csökkenés „egy az egyben” jelentkezik az elektromágneses interferencia (EMI) csökkenésében, míg a fáziskésleltetés növelésével kisebb lesz a jelváltozási sebesség, ami még kisebb EMI-t eredményez.
A szabványos 100Base-TX jelvevőkkel való együttműködésre ez nincs hatással, ennek megfelelően lehetséges a különféle gyártóktól származó rendszerelemek „kevert használata” egyazon hálózaton belül.
Ráadásul az adó által keltett zavarok csökkentésén kívül a Quiet-WIRE® technológia növeli a vevők zavarelnyomó képességét is. Ezt egy, a vevőbe épített másik DSP-szűrővel érik el. Az ipari és automotív környezetben a hagyományos irodai hálózati alkalmazásokban megszokottnál nagyobb zajenergiára kell számítani.
A Quiet-WIRE® technológia olyan vevőáramkört használ, amelynek szűrőit ezen zajforrások hatásos elnyomásához alakították ki, amely további szembetűnő javulást eredményez az EMC-teljesítőképességben.
A 4. ábrán egy laboratóriumi vizsgálat eredménye látható, amelyet BCI-módszerrel végeztek. Ez általánosan elfogadott eljárás a kommunikációban az EMC-paraméterek vizsgálatára. A vizsgálati eredmények hibátlan kommunikációt mutatnak 200 mA beinjektált zajáram mellett, amelynek frekvenciaspektruma 1 MHz-től 400 MHz-ig terjed. A teszt a Quiet-WIRE® technológiájú Ethernet-adóvevők zajérzékenységét vizsgálta. Az ábrán látott eredmény megfelel az automotív OEM-követelményeknek, amelyek közül nem egy a létező legszigorúbb szabványok közül kerül ki. Ezzel szemben egy olyan vevőegység, amely nem használja a Quiet-WIRE® technológiát, nagymértékű zavarásnál körülbelül 9 dBm-es jelminőségromlást mutat, amely tízszer gyengébb minőségnek felel meg.
A Quiet-WIRE® technológia egy jelminőség-indikátoregységet (Signal Quality Indicator) is magába foglal, amely becslést ad a jel/zaj viszonyról, méri a kábelhosszúságot, a kábel minőségét és a környezetből felvett zajt. A jelminőség-indikátor egyik lényeges haszna a gyorsabban végrehajtható telepítésben nyilvánul meg. Az általa mért értékek áttekintésével ugyanis a karbantartó személyzet valós időben ellenőrizheti azt a zajkörnyezetet, ami egy adott pillanatban hatást gyakorol a rendszerre. Ha a környezeti zaj magas értékű, a jelminőség-indikátor figyelmeztetheti a karbantartó személyzetet, hogy valamilyen módon intézkedjen a zaj csökkentéséről, esetleg változtassa meg a kábel nyomvonalát, mielőtt a rendszert használatba veszik. Ezzel jelentős számú, költséges diagnosztikai szervizbeavatkozást, a szolgáltatás megszakadását vagy az előírt minőségi szint alatti működését, illetve az optimálisnál gyengébb teljesítőképességet lehet elkerülni.

 

MCA733 Figure 4

4. ábra  A szokásos és a Quiet-WIRE® technológiás fizikairéteg-csatoló minőségének összehasonlítása

 

 

A Quiet-WIRE® az automotív alkalmazásokban

Az automotív alkalmazásokban a Quiet-WIRE® három különös előnyt kínál: magas jelminőséget a rövid kábelhosszúságú alkalmazásokban, „testre szabott” zavarelnyomást a csatlakozások igényeinek megfelelően, valamint a zavarkibocsátási specifikációnál jobb zavarójel-emissziót.
Mint arra korábban is utaltunk, a járműfedélzeti hálózatok különféle kábelhosszúságú csatlakozások tucatjait tartalmazzák. Ahelyett, hogy minden csatlakozást azonos hosszúságúra készítenének, a Quiet-WIRE® lehetővé teszi az EMI korlátozását különféle kábelhosszúságok esetén is. A kábelek nyomvonalát egy jármű belsejében nehéz a jelentősen eltérő zavart előállító források elkerülésével vezetni. A Quiet-WIRE® lehetővé teszi a zajelnyomás helytől függő „finomhangolását”. Az 5. ábra egy Quiet-WIRE® technológiájú termék sugárzott zajának diagramját mutatja a CISPR 25 szabvány előírásaival összehasonlítva. Láthatjuk, hogy a zavarkibocsátás szintje a szabvány által elfogadhatónak minősített szint alatt marad.

 

MCA733 Figure 5

5. ábra  Egy Quiet-WIRE® adóáramkör sugárzott zajszintje  a CISPR 25 szabvánnyal összehasonlítva

 

A Quiet-WIRE® jelene

A Microchip Technology teljes portfóliót állított össze az olyan mostoha körülmények között is működőképes termékekből, mint az automotív környezet. A 6. ábra egy olyan járműfedélzeti Ethernet-hálózatot mutat, amely a már ma is kapható Quiet-WIRE® Ethernet-termékekből áll. Mind a KSZ8061 PHY (fizikairéteg-interfész – A ford. megj.), mind a KSZ8567 kapcsoló Quiet-WIRE® technológiát alkalmaz egyszerű alkalmazást lehetővé tevő kivezetéselrendezéssel. Ezek – akár a tömeggyártásra jellemző mennyiségekben is – már ma is elérhetők, alkalmazásuk pedig semmiféle szoftvermódosítást nem igényel.

 

MCA733 Figure 6

6. ábra  Egy járműfedélzeti hálózat vázlata

 

A Microchip választékában jelenleg 24 féle, a Quiet-WIRE® technológát alkalmazó Ethernet-terméket találunk, köztük az AEC-Q100-minősítésű, kiterjesztett hőmérséklet-tartományú, +105 °C-ig működőképes eszközökkel. Így a tervezők az Ethernet-alapú hálózatokkal is bátran beléphetnek a zajos kommunikációs környezet „veszélyzónájába”. Ha Quiet-WIRE® technológiájú termékeket használnak, nagy megbízhatóságú kommunikációra számíthatnak a korábbi, hagyományos termékekhez képest jobb EMC-jellemzőkkel és azzal a bizalommal, hogy a rendszerük a termék egész élettartama folyamán jól teljesít majd.

 

További információk
http://www.microchip.com/design-centers/ethernet/ethernet-devices/technology/quiet-wire

 

Hivatkozások
Csavart érpáros kommunikáció:
https://en.wikipedia.org/wiki/Twisted_pair

 

EMC:
http://answers.google.com/answers/threadview/id/526221.html

http://www.electronicdesign.com/energy/design-electromagnetic-compliance-ethernet-systems

http://www.ets-lindgren.com/pdf/AutomotiveComponentEMCTesting.pdf


Quiet-WIRE® szabadalom:
patents.google.com/patent/US8462880B2

 

Bulk Current Injection:
http://www.cvel.clemson.edu/workshop/pdf/AutoEMC-Workshop-Steffka.pdf

http://www.rapidtables.com/convert/power/Watt_to_dBm.htm

 

 

Szerző: Jason Tollefson, vezető termékmenedzser – Microchip Technology

 

www.microchip.com

 

Még több Microchip