Come il PHY riceve il segnale dall’estremità remota
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Le due direzioni condividono un doppino.
Stima
Il PHY usa come riferimento i simboli che trasmette.
Sottrazione
In questo campione illustrativo, il risultato della sottrazione è 0.22.
Lista di controllo per la verifica al banco
Confrontare un cordone di permutazione di cui si è verificato il corretto funzionamento con il canale installato. Annotare la velocità, la modalità duplex e le variazioni dei contatori.
Collegando due dispositivi Gigabit in un quadro di controllo, il controllore può inviare una richiesta di polling mentre riceve i dati di un’altra transazione. Un tipico cavo Ethernet contiene otto conduttori in rame intrecciati a formare quattro doppini. In 1000BASE-T full duplex, ogni doppino trasporta segnali in entrambe le direzioni contemporaneamente. Il ricevitore riesce a separarli perché conosce già la propria sequenza di trasmissione. Stima come tale sequenza si ripresenta nel percorso di ricezione e sottrae il valore stimato.
I quattro doppini lavorano insieme
Occorre distinguere la forma del connettore dalle regole di trasmissione. Un tipico collegamento 100BASE-TX usa due doppini, uno per la trasmissione e uno per la ricezione. In modalità full duplex, 1000BASE-T usa tutti e quattro i doppini insieme. Entrambe le estremità inviano segnali su ciascun doppino, perciò non è possibile assegnare permanentemente ai pin una funzione di sola ricezione. Full duplex significa che la comunicazione può avvenire contemporaneamente nelle due direzioni. Non significa che la velocità del collegamento raddoppi in una delle due direzioni.
La logica dello switch nel quadro elabora le trame Ethernet. Il ricetrasmettitore di livello fisico, o PHY, codifica le informazioni digitali in segnali elettrici adatti ai doppini e li accoppia al cavo tramite i componenti magnetici della porta. L’estremità remota fa lo stesso. L’illustrazione evidenzia un solo doppino per rendere più facile seguire le due direzioni. Un ricetrasmettitore Gigabit elabora e allinea i simboli ricevuti sui quattro doppini per ricostruire i dati. La perdita di un doppino non comporta semplicemente la perdita di una quota fissa della capacità del collegamento Gigabit.
Le applicazioni vedono un collegamento bidirezionale, mentre il circuito vede due segnali differenziali sovrapposti sullo stesso doppino. Un ricevitore differenziale risponde alla differenza di tensione tra i conduttori. In questo modo attenua parte delle interferenze captate in modo simile da entrambi i fili. Anche il trasmettitore locale, però, genera un segnale differenziale: calcolare la differenza tra i due fili non basta quindi al PHY per stabilire da quale estremità provenga il segnale.
Lo stadio analogico di ingresso attenua per primo il segnale locale
Si consideri una scheda generica che ospita una porta. Il connettore e i componenti magnetici si trovano sul lato cavo. I circuiti di trasmissione e ricezione sono all’interno del PHY. Il segnale remoto arriva attraverso il cavo e i componenti magnetici, mentre il segnale trasmesso localmente esce attraverso lo stesso percorso di accoppiamento. Se la forma d’onda risultante dalla sovrapposizione fosse inviata direttamente al campionatore, una forte componente locale potrebbe mascherare le variazioni molto più piccole del segnale remoto dopo un lungo tratto di cavo.
Una soluzione comune impiega un circuito ibrido analogico. Questo permette alla trasmissione e alla ricezione di condividere il collegamento lato linea, attenuando parte della componente trasmessa localmente prima del campionamento. Il campionatore riesce così a distinguere meglio il segnale in arrivo. Il connettore, i componenti magnetici e il PHY occupano nell’illustrazione posizioni funzionali generiche. Il disegno non identifica il chip utilizzato in alcun prodotto Feichang, né implica che il circuito ibrido sia un componente separato e visibile sulla scheda.
Connettori, pannelli di permutazione e tratti di cavo non possono mantenere un’impedenza ideale in ogni punto. Una variazione di impedenza può riflettere parte del segnale locale. La riflessione impiega del tempo a tornare. Sottrarre soltanto il segnale locale trasmesso nell’istante corrente lascerebbe comunque le componenti ritardate, e discontinuità diverse possono generare echi con ampiezze e ritardi diversi. Il ricevitore necessita quindi di un secondo stadio di cancellazione.
Stimare l’eco a partire dalla sequenza di trasmissione nota e sottrarla
Il PHY dispone già di una copia dei simboli che ha trasmesso. L’elaborazione digitale in ricezione può usare come riferimento i simboli locali attuali e precedenti, ponderando i contributi ai diversi ritardi per stimare l’eco nel punto di campionamento. Sottraendo tale stima dal campione che contiene entrambi i segnali, diventa più facile rilevare i simboli provenienti dall’estremità remota. Una modifica al cablaggio può cambiare il percorso dell’eco: la stima deve quindi adattarsi al percorso, anziché applicare lo stesso valore fisso a ogni cavo.
Si consideri un singolo campione ipotetico. A valle dello stadio analogico di ingresso, il ricevitore rileva un valore combinato di 0.8 unità arbitrarie. Si supponga che 0.6 sia l’eco locale e che 0.2 provenga dall’estremità remota. Se l’elaborazione digitale stima un’eco pari a 0.58, la sottrazione dà 0.22. Il risultato è vicino al valore remoto di 0.2, con un errore residuo di 0.02. I numeri permettono di verificare il calcolo. Non rappresentano né tensioni standard né misure effettuate su apparecchiature. In un altro istante di campionamento l’eco può essere negativa, nel qual caso sottrarla aumenta il risultato.
I ricevitori reali devono anche fare i conti con la diafonia proveniente dagli altri doppini, l’attenuazione del canale e l’interferenza intersimbolica. La cancellazione della diafonia di estremità vicina e l’equalizzazione agiscono su fenomeni diversi. Queste operazioni avvengono mentre il PHY recupera i simboli. La logica dello switch a valle vede le trame recuperate o gli errori di ricezione. Una cattura da una porta di mirroring dello switch può mostrare come transitano le trame al livello successivo, ma non può mostrare l’eco residua interna.
Perché un cordone di permutazione corto può funzionare quando il canale installato non funziona correttamente
Due dispositivi possono negoziare un collegamento Gigabit stabile su un cordone di permutazione corto, per poi rinegoziare occasionalmente il collegamento o accumulare errori di ricezione quando vengono ricollegati attraverso il pannello di permutazione del quadro e il cablaggio permanente. Il confronto aiuta a circoscrivere la ricerca della causa. Una coppia divisa, un contatto difettoso, uno svolgimento eccessivo dei doppini, la perdita di inserzione, la diafonia o una differenza di configurazione possono tutti produrre sintomi simili. Una spia di collegamento accesa indica che in quel momento è stato stabilito un collegamento. Non ne misura il margine operativo.
Durante una finestra di manutenzione autorizzata, annotare la velocità negoziata e i conteggi degli errori di ricezione a entrambe le estremità. Ripetere la prova per confronto con un cordone di permutazione corto di cui si è verificato il corretto funzionamento, usando gli stessi dispositivi, le stesse impostazioni e lo stesso traffico. Ripristinare il canale installato e usare un certificatore di cablaggio idoneo per verificare la mappa dei conduttori, la perdita di inserzione, la perdita di ritorno e la diafonia di estremità vicina rispetto ai limiti previsti per l’installazione. La perdita di ritorno fornisce informazioni sulle riflessioni nel canale. Gli errori di ricezione indicano come si comporta il collegamento in servizio. I risultati possono confermarsi a vicenda, ma nessuno dei due, da solo, rivela lo stato del filtro interno del PHY.
Se il canale installato presenta un problema, isolare il cordone di permutazione del quadro, la terminazione sul pannello di permutazione, il cavo permanente e la terminazione in campo, intervenendo su un solo elemento alla volta. Dopo ogni modifica, registrare il traffico in entrambe le direzioni e l’incremento dei contatori di errore. Confrontare intervalli di osservazione di pari durata. Se il progetto richiede verifiche di stabilità più prolungate, includere condizioni rappresentative del funzionamento delle apparecchiature, delle vibrazioni e del fissaggio del cavo in opera. Il superamento di una singola prova al banco non dimostra l’affidabilità del collegamento in produzione.
Come leggere le specifiche dei prodotti e i risultati delle prove
Le specifiche dello switch gestito Feichang per guida DIN, con quattro porte ottiche 10G e otto porte Gigabit in rame, indicano otto interfacce 10/100/1000BASE-T RJ45 con autonegoziazione. È un esempio dell’interfaccia industriale in rame descritta qui. L’architettura analogica specifica, la stima digitale, la diagnostica e il comportamento in fase di ripristino dipendono dall’apparecchiatura. Se lo switch dispone anche di porte in fibra, verificare separatamente il canale in rame e il bilancio di potenza ottica.
Per il collaudo, porsi tre domande a cui si può rispondere con verifiche concrete. I dispositivi hanno negoziato la velocità e la modalità duplex previste? Le misure di riflessione e diafonia rispettano i limiti scelti per il cablaggio? L’applicazione effettiva riesce a scambiare traffico in entrambe le direzioni nel tempo? Lo stato dei dispositivi risponde alla prima domanda, il certificatore di cablaggio alla seconda, mentre i contatori e i risultati dell’applicazione rispondono alla terza. Si collega così il meccanismo che permette al PHY di ricevere il segnale remoto ai riscontri che un tecnico può effettivamente raccogliere.
Fonti e ambito di applicazione
PHY Marvell 88E1111, §2.6.3 · Switch industriale Feichang con quattro porte ottiche -10G e otto porte Gigabit in rame (in cinese)
Tradotto dall'articolo tecnico in cinese: Leggi l'articolo originale in cinese.
Domande frequenti
Gigabit Ethernet full duplex riserva doppini distinti alla trasmissione e alla ricezione?
In 1000BASE-T full duplex, ciascuno dei quattro doppini trasporta segnali in entrambe le direzioni.
La ricezione differenziale elimina il segnale trasmesso localmente?
La ricezione differenziale attenua parte delle interferenze di modo comune. Anche il segnale trasmesso localmente è differenziale e richiede la cancellazione dell’eco.
Una cattura di pacchetti può mostrare l’eco residua?
Una normale cattura contiene le trame recuperate. Confrontare i risultati della certificazione del canale, i contatori delle porte e le prove di sostituzione controllata.
Approfondimenti
Perché il CAN classico inserisce bit di stuffing · Che cosa trasmette una porta Gigabit in fibra tra una trama e l'altra
