PHYが対向側の信号を受信する仕組み
共有
双方向の信号が1つのペアを共有します。
推定
PHYは自身の送信シンボルを基準として使います。
減算
この説明用のサンプルでは、減算後に残る値は0.22です。
ベンチ検証チェックリスト
正常動作が確認済みのパッチコードを使った場合と、敷設済みチャネルを使った場合を比較します。リンク速度、デュプレックスモード、カウンター値の変化を記録します。
制御盤内で2台のギガビット対応機器を接続すると、コントローラーは別のトランザクションのデータを受信しながら、ポーリング要求を送信できます。一般的なイーサネットケーブルには8本の銅導体があり、2本ずつより合わせて4ペアを構成しています。全二重の1000BASE-Tでは、各ペアが双方向の信号を同時に伝送します。受信側は自身の送信シンボル列をすでに把握しているため、2つの信号を分離できます。そのシンボル列が受信経路にどのように現れるかを推定し、その推定値を差し引きます。
4ペアすべてを連携させて使う
コネクターの形状と伝送方式は分けて考えます。一般的な100BASE-TX接続では、送信用と受信用に1ペアずつ、計2ペアを使います。全二重の1000BASE-Tでは、4ペアすべてを同時に使います。両端が各ペアに信号を送出するため、ピンを恒常的な受信専用として割り当てることはできません。全二重とは、双方向の通信を同時に行えることです。どちらの方向についても、リンク速度が2倍になるわけではありません。
制御盤内のスイッチの論理回路は、イーサネットフレームを処理します。物理層トランシーバーであるPHYは、デジタル情報をツイストペアに適した電気信号に符号化し、ポートのマグネティクスを介してケーブルに結合します。対向側も同じ処理を行います。図では信号の流れを追いやすくするため、1ペアを強調しています。ギガビットトランシーバーは、4ペアすべてから受信したシンボルを処理し、タイミングをそろえてデータを復元します。1ペアが使えなくなっても、ギガビットの伝送容量が単純に一定の割合だけ減るわけではありません。
アプリケーションからは双方向リンクに見えますが、回路上では1つのペアに2つの差動信号が重畳しています。差動受信回路は、2本の導体間の電圧差に応答します。これにより、両方の導体に同じように入り込む干渉の一部を除去できます。ただし、自端の送信回路も差動信号を出力するため、導体間の電圧差を取るだけでは、PHYはどちらの端から送信された信号かを判別できません。
まずアナログフロントエンドで自端の送信信号を抑える
一般的なポート基板を例に考えます。コネクターとマグネティクスはケーブル側にあり、送受信回路はPHY内部にあります。対向側の信号はケーブルとマグネティクスを通って到達し、自端の送信信号は同じ結合経路を通ってケーブルへ出ていきます。重畳した波形をそのままサンプリング回路に入力すると、ケーブルが長い場合、対向側から届くはるかに小さな信号の変化が、自端の強い信号成分に埋もれることがあります。
一般的な設計では、アナログハイブリッド回路を使います。これにより、送受信が回線側の接続を共有しながら、サンプリング前に自端の送信成分の一部を抑えられます。その結果、サンプリング回路は受信信号を識別しやすくなります。図中のコネクター、マグネティクス、PHYの位置は、一般的な機能配置を示したものです。図は飛暢のいずれかの製品に使われているチップを特定するものではなく、ハイブリッド回路が基板上で目視できる独立部品であることを示すものでもありません。
コネクター、パッチパネル、ケーブル区間のすべての箇所で、理想的なインピーダンスを保つことはできません。インピーダンスが変化すると、自端の信号の一部が反射して戻ることがあります。反射が戻るまでには時間がかかります。その時点の自端の送信信号だけを差し引いても遅延成分は残り、インピーダンスの不連続箇所によって、戻るエコーの振幅や遅延は異なります。そのため、受信側には第2段のキャンセル処理が必要です。
既知の送信シンボル列からエコーを推定し、差し引く
PHYは、自身が送信したシンボルのコピーをすでに持っています。デジタル受信処理では、現在およびそれ以前の自端の送信シンボルを基準とし、遅延ごとの寄与に重みを付けて、サンプリング時点でのエコーを推定できます。その推定値を重畳したサンプル値から差し引くと、対向側のシンボルを検出しやすくなります。配線を変更するとエコーの経路も変わることがあるため、すべてのケーブルに同じ固定値を適用するのではなく、経路の変化に合わせて推定値を調整する必要があります。
仮のサンプルを1つ考えます。アナログフロントエンドを通過した後、受信側が得る重畳値は任意単位で0.8とします。このうち、自端のエコーが0.6、対向側からの成分が0.2だとします。デジタル処理でエコーを0.58と推定すると、減算後に0.22が残ります。これは対向側の値である0.2に近く、残留誤差は0.02です。これらの数値は計算を確認するためのもので、規格で定められた電圧値でも機器の実測値でもありません。別のサンプリング時点ではエコーが負になることもあり、その場合は差し引くと結果が大きくなります。
実際の受信回路では、他のペアからのクロストーク、チャネル損失、シンボル間干渉も生じます。近端クロストークのキャンセルと等化は、それぞれ異なる影響に対処する処理です。これらは、PHYがシンボルを復元する過程で行われます。後段のスイッチの論理回路が受け取るのは、復元されたフレームまたは受信エラーです。スイッチのミラーポートでキャプチャすれば、次の層でのフレームの流れは確認できますが、内部の残留エコーは確認できません。
敷設済みチャネルではうまくいかないのに、短いパッチコードでは接続できる理由
2台の機器を短いパッチコードでつなぐと、ネゴシエーションで安定したギガビットリンクが確立しても、制御盤のパッチパネルと固定配線を経由する接続に戻すと、ときどき再ネゴシエーションが発生したり、受信エラーが蓄積したりすることがあります。この比較で原因の候補を絞り込めます。スプリットペア、接触不良、より戻し過多、挿入損失、クロストーク、設定の違いはいずれも、似た症状を引き起こす可能性があります。リンクインジケーターの点灯は、その時点でリンクが確立していることを示しますが、動作マージンを測定するものではありません。
承認済みのメンテナンス時間帯に、両端でネゴシエーションにより決まった速度と受信エラー件数を記録します。機器、設定、トラフィックを変えずに、正常動作が確認済みの短いパッチコードを使った場合と比較します。敷設済みチャネルに戻し、適切なケーブル認証テスターで、ワイヤーマップ、挿入損失、反射損失、近端クロストークが施工に適用される限度を満たすかを確認します。反射損失はチャネル内の反射の程度を示し、受信エラーは運用中のリンクの状態を示します。両者の結果は互いを裏付けることがありますが、どちらか一方だけでPHY内部のフィルターの状態を把握することはできません。
敷設済みチャネルに問題が見られる場合は、制御盤内のパッチコード、パッチパネルの成端部、固定ケーブル、現場側の成端部を、1か所ずつ変更しながら切り分けます。変更のたびに、双方向のトラフィックとエラーカウンターの増加量を記録します。比較する観測時間は同じ長さにそろえます。プロジェクトでより長時間の安定性確認が必要な場合は、実際の使用を代表する機器の稼働状況や振動、敷設時のケーブル固定状態を試験条件に含めます。ベンチ試験に一度合格しただけでは、実運用経路の信頼性は確認できません。
製品仕様と試験結果の読み方
飛暢のDINレール取付型マネージドスイッチは、10G光ポート4基とギガビット銅線ポート8基を備え、仕様にはオートネゴシエーション対応の10/100/1000BASE-T RJ45インターフェース8基が記載されています。これは、本稿で扱う産業用銅線インターフェースの一例です。アナログ回路の具体的な構成、デジタル推定、診断、復旧時の動作は機器によって異なります。スイッチに光ポートもある場合は、銅線チャネルと光パワーバジェットを別々に検証します。
受け入れ試験では、検証できる3つの問いを立てます。機器はネゴシエーションで意図した速度とデュプレックスモードに設定されているか。反射とクロストークの測定結果は、選定した配線の許容限度を満たしているか。実際のアプリケーションは、時間が経過しても双方向にトラフィックをやり取りできるか。1つ目は機器のステータス、2つ目はケーブル認証テスター、3つ目はカウンターとアプリケーションの動作結果で確認します。こうすることで、PHYが対向側の信号を受信できる仕組みと、技術者が実際に収集できる証拠とを結び付けられます。
出典と適用範囲
Marvell 88E1111 PHY §2.6.3 · 飛暢の産業用スイッチ：-10G光ポート4基、ギガビット銅線ポート8基（中国語）
以下の中国語技術記事から翻訳： 中国語の原文記事を読む.
よくある質問
全二重のギガビットイーサネットでは、送信と受信に別々の専用ペアを使うのでしょうか？
全二重の1000BASE-Tでは、4ペアのそれぞれが双方向の信号を伝送します。
差動受信で自端の送信信号を除去できるのでしょうか？
差動受信はコモンモード干渉の一部を除去します。自端の送信信号自体も差動信号であるため、エコーキャンセルが必要です。
パケットキャプチャで残留エコーを確認できるのでしょうか？
通常のキャプチャに含まれるのは復元されたフレームです。チャネルの認証試験結果、ポートカウンター、条件をそろえた交換試験の結果を比較します。
