Как PHY выделяет сигнал с дальнего конца
Поделиться
Одна пара используется для передачи в обоих направлениях.
Оценка эха
PHY использует собственные передаваемые символы в качестве опорной последовательности.
Вычитание
В этом иллюстративном примере после вычитания остаётся 0.22.
Контрольный список для стендовой проверки
Сравните работу с заведомо исправным патч-кордом и со смонтированным кабельным каналом. Зафиксируйте изменения скорости, режима дуплекса и показаний счётчиков.
Если соединить два гигабитных устройства в шкафу управления, контроллер сможет отправлять запрос опроса и одновременно получать данные другой транзакции. Типичный кабель Ethernet содержит восемь медных жил, скрученных в четыре пары. В полнодуплексном режиме 1000BASE-T каждая пара одновременно передаёт сигналы в обоих направлениях. Приёмник может разделить их, поскольку ему уже известна собственная передаваемая последовательность. Он оценивает, как эта последовательность проявляется в приёмном тракте, и вычитает полученную оценку.
Все четыре пары работают вместе
Не следует путать форму разъёма с правилами передачи. В типичном соединении 100BASE-TX используются две пары: одна для передачи, другая для приёма. В полнодуплексном режиме 1000BASE-T задействованы все четыре пары. В каждую пару подают сигнал устройства с обоих концов, поэтому контакты нельзя постоянно закрепить только за приёмом. Полный дуплекс означает, что передача может идти одновременно в обоих направлениях. Он не удваивает скорость ни в одном из направлений.
Логика коммутатора в шкафу обрабатывает кадры Ethernet. Приёмопередатчик физического уровня (PHY) кодирует цифровую информацию в электрические сигналы, подходящие для передачи по витой паре, и подаёт их в кабель через трансформаторную развязку порта. На дальнем конце происходит то же самое. На рисунке выделена одна пара, чтобы было проще проследить оба направления. Гигабитный приёмопередатчик обрабатывает и синхронизирует символы, принятые по всем четырём парам, чтобы восстановить данные. При потере одной пары пропускная способность гигабитного соединения не просто уменьшается на фиксированную долю.
Для приложений соединение двунаправленное, а в электрической цепи на одной паре накладываются друг на друга два дифференциальных сигнала. Дифференциальный приёмник реагирует на разность напряжений между жилами. Это подавляет часть помех, которые примерно одинаково наводятся на обе жилы. Однако местный передатчик тоже формирует дифференциальный сигнал, поэтому по одной лишь разности напряжений между жилами PHY не может определить, с какого конца пришёл сигнал.
Сначала аналоговый входной тракт ослабляет местный сигнал
Рассмотрим типовую плату порта. На кабельной стороне находятся разъём и трансформаторная развязка. Цепи передачи и приёма расположены внутри PHY. Сигнал с дальнего конца поступает через кабель и развязку, а местный сигнал выходит по тому же тракту. Если подать суммарный сигнал непосредственно на схему дискретизации, мощная местная составляющая может замаскировать гораздо меньшие изменения сигнала, пришедшего с дальнего конца по длинному кабелю.
В распространённой схеме используется аналоговый гибрид. Он позволяет передающему и приёмному трактам совместно использовать подключение к линии и при этом подавляет часть сигнала собственного передатчика до дискретизации. Благодаря этому схема дискретизации лучше различает входящий сигнал. Разъём, трансформаторная развязка и PHY показаны на рисунке как условные функциональные узлы. Рисунок не указывает, какая микросхема используется в каком-либо изделии Feichang, и не подразумевает, что гибрид выполнен в виде отдельного компонента, который можно увидеть на плате.
Разъёмы, патч-панели и участки кабеля не могут обеспечить идеальный импеданс в каждой точке. При изменении импеданса часть местного сигнала может отразиться и вернуться. Отражённый сигнал возвращается с задержкой. Если вычитать только текущий сигнал собственного передатчика, задержанные составляющие останутся, а неоднородности в разных местах могут давать эхо с разными амплитудами и задержками. Поэтому приёмнику нужна вторая ступень эхокомпенсации.
Оценка эха по известной передаваемой последовательности и вычитание этой оценки
У PHY уже есть копия переданных им символов. При цифровой обработке в приёмном тракте текущие и предыдущие символы собственного передатчика можно использовать как опорные. Вклад символов с разными задержками учитывается с соответствующими весами, чтобы оценить эхо в момент взятия отсчёта. Вычитание этой оценки из суммарного отсчёта облегчает обнаружение символов с дальнего конца. При изменении кабельной линии может измениться и тракт распространения эха, поэтому оценка должна подстраиваться под этот тракт, а не оставаться одинаковой для всех кабелей.
Рассмотрим один условный отсчёт. После аналогового входного тракта суммарный отсчёт на приёмнике составляет 0.8 условных единиц. Пусть 0.6 приходится на местное эхо, а 0.2 — на сигнал с дальнего конца. Если цифровая обработка даёт оценку эха 0.58, то после вычитания остаётся 0.22. Это близко к значению сигнала с дальнего конца, равному 0.2, с остаточной ошибкой 0.02. Эти числа позволяют проверить арифметику. Они не являются ни стандартными значениями напряжения, ни результатами измерений на оборудовании. В другой момент взятия отсчёта эхо может быть отрицательным, и тогда его вычитание увеличит результат.
В реальных приёмниках также приходится учитывать перекрёстные наводки от других пар, затухание в канале и межсимвольные помехи. Компенсация перекрёстных наводок на ближнем конце и эквализация устраняют разные эффекты. Эти операции выполняются при восстановлении символов в PHY. Далее логика коммутатора получает восстановленные кадры или сведения об ошибках приёма. Захват трафика с зеркального порта коммутатора может показать, как передаются кадры на следующем уровне, но не позволяет увидеть остаточное эхо внутри PHY.
Почему соединение может работать с коротким патч-кордом, но не со смонтированным кабельным каналом
Два устройства могут согласовать стабильное гигабитное соединение через короткий патч-корд, но при подключении через патч-панель шкафа и стационарную кабельную линию периодически заново согласовывать параметры соединения или накапливать ошибки приёма. Такое сравнение сужает круг возможных причин. Сходные симптомы могут вызывать перепутанные жилы разных пар, плохой контакт, чрезмерное расплетение пар, вносимые потери, перекрёстные наводки или различие в настройках. Горящий индикатор связи показывает, что в этот момент соединение установлено. Он не показывает запас до предела работоспособности.
В согласованное окно технического обслуживания зафиксируйте согласованную скорость и показания счётчиков ошибок приёма на обоих концах. Проверьте соединение через заведомо исправный короткий патч-корд, используя те же устройства, настройки и трафик. Затем восстановите подключение через смонтированный канал и с помощью подходящего кабельного анализатора проверьте схему соединения жил, вносимые потери, возвратные потери и перекрёстные наводки на ближнем конце на соответствие нормам для данной кабельной системы. Возвратные потери характеризуют отражения в канале. Ошибки приёма характеризуют работу соединения в эксплуатации. Эти результаты могут подтверждать друг друга, но ни один из них сам по себе не показывает состояние внутреннего фильтра PHY.
Если в смонтированном канале обнаружена проблема, поочерёдно проверьте патч-корд в шкафу, заделку на патч-панели, стационарный кабель и заделку на стороне полевого оборудования, изменяя только один элемент за раз. После каждого изменения фиксируйте трафик в обоих направлениях и прирост показаний счётчиков ошибок. Сравнивайте интервалы наблюдения одинаковой продолжительности. Если проект предусматривает более длительную проверку стабильности, учитывайте характерные режимы работы оборудования, вибрацию и фактическое крепление кабеля. Одно успешное стендовое испытание не подтверждает надёжность кабельной линии в рабочих условиях.
Как читать спецификации оборудования и результаты испытаний
В спецификации управляемого коммутатора Feichang для монтажа на DIN-рейку с четырьмя оптическими портами 10G и восемью гигабитными медными портами указаны восемь интерфейсов 10/100/1000BASE-T RJ45 с автосогласованием. Это пример рассматриваемого здесь промышленного медного интерфейса. Конкретная аналоговая архитектура, цифровая оценка, диагностика и поведение при восстановлении зависят от оборудования. Если у коммутатора есть и оптические порты, проверяйте медный кабельный канал и бюджет оптической мощности отдельно.
При приёмке задайте три вопроса, на которые можно ответить по результатам проверки. Согласовали ли устройства требуемые скорость и режим дуплекса? Соответствуют ли результаты измерения отражений и перекрёстных наводок выбранным нормам для кабельной системы? Может ли реальное приложение обмениваться трафиком в обоих направлениях на протяжении периода наблюдения? На первый вопрос отвечает состояние соединения по данным устройств, на второй — результаты проверки кабельным анализатором, на третий — показания счётчиков и результаты работы приложения. Так можно связать принцип выделения сигнала с дальнего конца в PHY с данными, которые инженер действительно может собрать.
Источники и область применимости
PHY Marvell 88E1111, §2.6.3 · Промышленный коммутатор Feichang с четырьмя оптическими портами -10G и восемью гигабитными медными портами (на китайском языке)
Переведено с китайской технической статьи: Прочитать оригинальную статью на китайском языке.
Частые вопросы
Используются ли в полнодуплексном Gigabit Ethernet отдельные пары для передачи и приёма?
В полнодуплексном режиме 1000BASE-T каждая из четырёх пар передаёт сигналы в обоих направлениях.
Устраняет ли дифференциальный приём сигнал собственного передатчика?
Дифференциальный приём подавляет часть синфазных помех. Сигнал собственного передатчика тоже дифференциальный, поэтому для его подавления нужна эхокомпенсация.
Можно ли увидеть остаточное эхо при захвате пакетов?
При обычном захвате трафика видны восстановленные кадры. Сопоставьте результаты проверки кабельного канала на соответствие нормам, показания счётчиков портов и результаты испытаний с контролируемой заменой компонентов.
Дополнительные материалы
Почему классический CAN вставляет дополнительные биты · Что передаёт гигабитный оптический порт между кадрами
