Wie der PHY das Signal der Gegenstelle erkennt
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Beide Übertragungsrichtungen nutzen dasselbe Aderpaar.
Schätzen
Der PHY verwendet seine eigenen Sendesymbole als Referenz.
Subtrahieren
Bei diesem beispielhaften Abtastwert bleibt 0.22 übrig.
Checkliste für die Prüfung am Testaufbau
Vergleichen Sie ein nachweislich funktionsfähiges Patchkabel mit der installierten Übertragungsstrecke. Protokollieren Sie Datenrate, Duplexmodus und Änderungen der Zählerstände.
Sind zwei Gigabit-Geräte in einem Schaltschrank verbunden, kann die Steuerung eine Abfrage senden und gleichzeitig Daten aus einer anderen Transaktion empfangen. Ein typisches Ethernet-Kabel enthält acht Kupferadern, die zu vier Paaren verdrillt sind. Bei 1000BASE-T im Vollduplexbetrieb überträgt jedes Aderpaar gleichzeitig in beide Richtungen. Der Empfänger kann die Signale trennen, weil er seine eigene Sendesequenz bereits kennt. Er schätzt, wie diese Sequenz im Empfangspfad wieder auftritt, und zieht den Schätzwert ab.
Alle vier Aderpaare arbeiten zusammen
Die Bauform des Steckverbinders ist von den Übertragungsregeln zu unterscheiden. Eine typische 100BASE-TX-Verbindung verwendet zwei Aderpaare: eines zum Senden und eines zum Empfangen. 1000BASE-T nutzt im Vollduplexbetrieb alle vier Paare gemeinsam. Beide Enden speisen Signale in jedes Aderpaar ein, sodass sich die Kontakte nicht dauerhaft ausschließlich dem Empfang zuordnen lassen. Vollduplex bedeutet, dass beide Übertragungsrichtungen gleichzeitig genutzt werden können. Die Datenrate pro Richtung verdoppelt sich dadurch nicht.
Die Switch-Logik im Schaltschrank verarbeitet Ethernet-Frames. Der Transceiver der Bitübertragungsschicht, kurz PHY, codiert digitale Informationen als elektrische Signale, die sich für verdrillte Aderpaare eignen, und koppelt sie über die Port-Übertrager in das Kabel ein. Die Gegenstelle arbeitet genauso. In der Abbildung ist ein Aderpaar hervorgehoben, damit sich die Übertragungsrichtungen leichter nachvollziehen lassen. Ein Gigabit-Transceiver verarbeitet die über alle vier Paare empfangenen Symbole und richtet sie zeitlich aufeinander aus, um die Daten zu rekonstruieren. Beim Ausfall eines Aderpaars geht nicht einfach ein fester Anteil der Gigabit-Übertragungskapazität verloren.
Für die Anwendungen ist es eine bidirektionale Verbindung; in der Schaltung überlagern sich zwei differenzielle Signale auf einem Aderpaar. Ein differenzieller Empfänger reagiert auf die Spannungsdifferenz zwischen den Adern. Dadurch wird ein Teil der Störungen unterdrückt, die sich ähnlich in beide Adern einkoppeln. Der lokale Sender erzeugt jedoch ebenfalls ein differenzielles Signal. Aus der Spannungsdifferenz allein kann der PHY daher nicht erkennen, von welchem Ende das Signal stammt.
Das analoge Frontend schwächt zunächst das lokale Signal ab
Betrachten wir eine typische Portplatine. Auf der Kabelseite sitzen der Steckverbinder und die Übertrager. Die Sende- und Empfangsschaltungen befinden sich im PHY. Das Signal der Gegenstelle trifft über das Kabel und die Übertrager ein, während das lokale Sendesignal denselben Kopplungspfad in Gegenrichtung durchläuft. Würde das überlagerte Signal direkt der Abtastschaltung zugeführt, könnte ein starker lokaler Signalanteil die deutlich kleineren Signaländerungen der Gegenstelle nach einer langen Kabelstrecke verdecken.
Eine gängige Bauweise verwendet eine analoge Hybridschaltung. Sie ermöglicht es dem Sende- und dem Empfangspfad, denselben leitungsseitigen Anschluss zu nutzen, und unterdrückt einen Teil des lokalen Sendesignals vor der Abtastung. Die Abtastschaltung kann das eingehende Signal dann besser auflösen. Steckverbinder, Übertrager und PHY sind in der Abbildung nur schematisch als Funktionsblöcke dargestellt. Die Zeichnung gibt weder an, welcher Chip in einem Feichang-Produkt verbaut ist, noch legt sie nahe, dass die Hybridschaltung als separates Bauteil auf der Platine sichtbar ist.
An Steckverbindern, Patchfeldern und Kabelabschnitten lässt sich die ideale Impedanz nicht an jeder Stelle einhalten. Eine Impedanzänderung kann einen Teil des lokalen Signals reflektieren. Diese Reflexion trifft mit Verzögerung wieder ein. Würde nur das jeweils aktuelle lokale Sendesignal abgezogen, blieben verzögerte Anteile bestehen. Unterschiedliche Impedanzsprünge können Echos mit unterschiedlichen Amplituden und Verzögerungen hervorrufen. Der Empfänger benötigt daher eine zweite Kompensationsstufe.
Das Echo anhand der bekannten Sendesequenz schätzen und abziehen
Dem PHY liegt bereits eine Kopie der von ihm gesendeten Symbole vor. Die digitale Empfangsverarbeitung kann die aktuellen und früheren lokalen Symbole als Referenz verwenden und die Beiträge bei unterschiedlichen Verzögerungen gewichten, um das Echo zum Abtastzeitpunkt zu schätzen. Wird dieser Schätzwert vom überlagerten Abtastwert abgezogen, lassen sich die Symbole der Gegenstelle leichter erkennen. Eine Änderung der Verkabelung kann den Echopfad verändern. Die Schätzung muss sich daher an den jeweiligen Pfad anpassen, statt für jedes Kabel denselben festen Wert anzusetzen.
Betrachten wir einen einzelnen hypothetischen Abtastwert. Hinter dem analogen Frontend erfasst der Empfänger einen Mischwert von 0.8 in willkürlichen Einheiten. Angenommen, 0.6 entfallen auf das lokale Echo und 0.2 stammen von der Gegenstelle. Schätzt die digitale Signalverarbeitung das Echo auf 0.58, bleiben nach der Subtraktion 0.22 übrig. Das liegt nahe am Wert der Gegenstelle von 0.2; der Restfehler beträgt 0.02. Anhand dieser Zahlen lässt sich die Rechnung nachvollziehen. Es handelt sich weder um genormte Spannungswerte noch um Messwerte von Geräten. Zu einem anderen Abtastzeitpunkt kann ein Echo negativ sein; in diesem Fall erhöht sich das Ergebnis durch die Subtraktion.
In realen Empfängern kommen außerdem Übersprechen von anderen Aderpaaren, Übertragungsdämpfung und Intersymbolinterferenzen hinzu. Die Kompensation des Nahnebensprechens und die Entzerrung setzen an unterschiedlichen Effekten an. Diese Verarbeitungsschritte finden statt, während der PHY die Symbole zurückgewinnt. Die nachgelagerte Switch-Logik sieht die rekonstruierten Frames oder Empfangsfehler. Ein Mitschnitt an einem gespiegelten Switch-Port kann zeigen, wie Frames auf der nächsthöheren Schicht übertragen werden, macht das interne Restecho aber nicht sichtbar.
Warum ein kurzes Patchkabel funktionieren kann, obwohl die installierte Übertragungsstrecke Probleme macht
Zwei Geräte können über ein kurzes Patchkabel eine stabile Gigabit-Verbindung aushandeln. Werden sie anschließend über das Patchfeld im Schaltschrank und die fest installierte Verkabelung verbunden, können sie die Verbindung gelegentlich neu aushandeln oder es können sich Empfangsfehler häufen. Der Vergleich grenzt die Fehlersuche ein. Aufgetrennte Aderpaare (Split Pairs), schlechte Kontakte, zu weit aufgedrehte Aderpaare, Einfügedämpfung, Übersprechen oder abweichende Einstellungen können ähnliche Symptome hervorrufen. Eine leuchtende Link-Anzeige zeigt, dass zu diesem Zeitpunkt eine Verbindung zustande gekommen ist. Sie misst nicht die Betriebsreserve der Verbindung.
Protokollieren Sie in einem genehmigten Wartungsfenster die ausgehandelte Datenrate und die Anzahl der Empfangsfehler an beiden Enden. Führen Sie den Vergleich mit einem nachweislich funktionsfähigen kurzen Patchkabel durch und verwenden Sie dabei dieselben Geräte, Einstellungen und denselben Datenverkehr. Stellen Sie die installierte Übertragungsstrecke wieder her und prüfen Sie mit einem geeigneten Kabelzertifizierer die Aderbelegung, die Einfügedämpfung, die Rückflussdämpfung und das Nahnebensprechen anhand der für die Installation geltenden Grenzwerte. Die Rückflussdämpfung gibt Aufschluss über Reflexionen in der Übertragungsstrecke. Empfangsfehler zeigen, wie sich die Verbindung im Betrieb verhält. Die Ergebnisse können sich gegenseitig stützen, doch keines von beiden gibt für sich allein Aufschluss über den Zustand des internen PHY-Filters.
Zeigt die installierte Übertragungsstrecke ein Problem, grenzen Sie den Fehler auf das Patchkabel im Schaltschrank, den Anschluss am Patchfeld, das fest installierte Kabel oder den Anschluss im Feld ein. Ändern Sie dabei jeweils nur eine Komponente. Protokollieren Sie nach jeder Änderung den Datenverkehr in beiden Richtungen und den Anstieg der Fehlerzähler. Vergleichen Sie gleich lange Beobachtungszeiträume. Sind für das Projekt längere Stabilitätsprüfungen erforderlich, berücksichtigen Sie repräsentative Betriebsbedingungen der Geräte, Vibrationen und die Kabelbefestigung im eingebauten Zustand. Ein einmalig bestandener Prüfstandstest belegt nicht die Zuverlässigkeit der Übertragungsstrecke im Produktionsbetrieb.
Produktspezifikationen und Prüfergebnisse richtig einordnen
Für den verwalteten Hutschienen-Switch von Feichang mit vier optischen 10G-Ports und acht Gigabit-Kupferports sind acht 10/100/1000BASE-T-Schnittstellen mit RJ45 und Autonegotiation angegeben. Er ist ein Beispiel für die hier beschriebene industrielle Kupferschnittstelle. Die konkrete analoge Architektur, die digitale Schätzung, die Diagnosefunktionen und das Wiederherstellungsverhalten hängen vom jeweiligen Gerät ab. Verfügt ein Switch auch über Glasfaserports, prüfen Sie die Kupferstrecke und das optische Leistungsbudget getrennt.
Stellen Sie für die Abnahme drei überprüfbare Fragen. Haben die Geräte die vorgesehene Datenrate und den vorgesehenen Duplexmodus ausgehandelt? Liegen die Messwerte für Reflexionen und Übersprechen innerhalb der gewählten Grenzwerte für die Verkabelung? Kann die tatsächliche Anwendung über längere Zeit Daten in beide Richtungen austauschen? Die erste Frage beantwortet der Gerätestatus, die zweite der Kabelzertifizierer und die dritte beantworten die Zählerstände und die Ergebnisse der Anwendungsprüfung. So lässt sich das Funktionsprinzip, mit dem der PHY das Signal der Gegenstelle erkennt, mit den in der Praxis erfassbaren Prüfergebnissen in Verbindung bringen.
Quellen und Geltungsbereich
Marvell 88E1111 PHY §2.6.3 · Industrie-Switch von Feichang mit vier optischen -10G-Ports und acht Gigabit-Kupferports (Chinesisch)
Übersetzt aus dem chinesischen Fachartikel: Chinesischen Originalartikel lesen.
Häufige Fragen
Verwendet Gigabit-Ethernet im Vollduplexbetrieb getrennte Aderpaare zum Senden und Empfangen?
Bei 1000BASE-T im Vollduplexbetrieb überträgt jedes der vier Aderpaare in beide Richtungen.
Entfernt der differenzielle Empfang das lokale Sendesignal?
Der differenzielle Empfang unterdrückt einen Teil der Gleichtaktstörungen. Das lokale Sendesignal ist selbst differenziell und erfordert eine Echokompensation.
Lässt sich das Restecho in einem Paketmitschnitt erkennen?
Ein gewöhnlicher Paketmitschnitt enthält die rekonstruierten Frames. Vergleichen Sie die Ergebnisse der Streckenzertifizierung, die Portzähler und die Ergebnisse kontrollierter Austauschtests.
Weiterführende Informationen
Warum Classical CAN Stuff-Bits einfügt · Was ein Gigabit-Glasfaserport zwischen Frames sendet
