Pytanie: W jaki sposób starsze typy kabli wpływają na wydajność sieci Ethernet 10BASE-T1L i które cechy tych kabli mają wpływ na maksymalny osiągalny zasięg?

Odpowiedź: Rozwiązania 10BASE-T1L firmy Analog Device zostały zaprojektowane w celu ułatwienia cyfryzacji i zapewnienia płynnej łączności ethernetowej dla starszych czujników komunikacyjnych używanych w różnych branżach przemysłowych. Aby to osiągnąć, technologia 10BASE-T1L musi obsługiwać różnorodne typy kabli, w tym te, które są używane w starszych systemach komunikacyjnych i istniejących instalacjach. Elastyczność specyfikacji kabli w standardzie 10BASE-T1L stanowi znaczną przewagę nad innymi technologiami, umożliwiając ponowne wykorzystanie takich kabli. Czynniki takie jak straty wtrąceniowe (tłumienie sygnału), straty odbiciowe (straty związana z odbiciami sygnału) i inne cechy mają wpływ na wydajność łącza i maksymalny zasięg kabla. Parametry te przyczyniają się popowstawania różnic w zasięgu kabli różnych typów.

Wprowadzenie

Zaawansowana warstwa fizyczna i 10BASE-T1L

Specyfikacja zaawansowanej warstwy fizycznej (APL) i specyfikacja IEEE 802.3cg 10BASE-T1L to dwa różne standardy, które są ze sobą powiązane, ale nie powinny być stosowane zamiennie. Standard IEEE 802.3cg definiuje warstwę fizyczną 10BASE-T1L dla komunikacji ethernetowej o dużym zasięgu za pośrednictwem pojedynczej skrętki niezależnie od zastosowania, natomiast standard APL dodaje dodatkowe specyfikacje i definicje do standardu IEEE 802.3cg w celu wykorzystania tej samej warstwy fizycznej w zastosowaniach sterowania procesami w środowiskach iskrobezpiecznych. Oznacza to, że każde urządzenie APL jest zgodne ze standardem 10BASE-T1L (warstwa danych, ale nie zasilanie przez linię danych), ale nie każde urządzenie 10BASE-T1L jest zgodne z APL.

Dokument APL zawiera specyfikacje dotyczące warstwy danych i definicje systemu, obejmujące takie aspekty, jak kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), połączenie ekranowania kabla i topologia sieci. Na przykład specyfikacja APL definiuje dwa rodzaje łączy danych w tej samej sieci: odgałęzienie i magistrala. Taki przypadek przedstawiono na rys. 1. Połączenia odgałęzione łączą się bezpośrednio z urządzeniami terenowymi i ich długość nie może przekraczać 200 metrów. Działają przy tym na poziomach transmisji 1,0 V_pp ze względu na iskrobezpieczne środowiska urządzeń terenowych. Główna magistrala, które łączy przełączniki terenowe lub łączy się z najbliższym przełącznikiem zasilania, może mieć długość do 1000 metrów i działać przy poziomach transmisji 2,4 V_pp.

W innych zastosowaniach 10BASE-T1L, takich jak technologie automatyki budynkowej, zgodność z APL nie jest wymagana. Dlatego koncepcje odgałęzienia i łącznika nie mają znaczenia. W rzeczywistości topologie sieci w tej technologii mogą różnić się od gwiazdy do pierścienia, lub ich kombinacji. Poziom transmisji można wybrać w oparciu o ograniczenia mocy lub odporności na zakłócenia, niezależnie od umiejscowienia czujnika lub przełącznika sieciowego. Pozwala to na większą elastyczność w stosowaniu kabli, ponieważ poziom transmisji 2,4 V_pp może być stosowany niezależnie od umiejscowienia łącza. W tym przypadku dopuszczalne stają się większe straty w kablu, a nominalna impedancja kabla nie musi być rygorystycznie przestrzegana. Zostanie to omówione bardziej szczegółowo w dalszej części artykułu.

Charakterystyka kabli określona w normach

Charakterystyka segmentu łącza, którą musi spełniać kabel, aby był zgodny z normą IEEE 802.3cg, jest określona w podpunkcie 146.7 tego artykułu. Określono w nim granice tłumienia wtrąceniowego, tłumienia odbiciowego, maksymalnego opóźnienia łącza, konwersji różnicowej na tryb wspólny (dla kabli nieekranowanych) oraz tłumienia sprzężenia (dla kabli ekranowanych). Dodatkowo, w przypadku zastosowań związanych z bezpieczeństwem wewnętrznym, dla instalacji w strefach zagrożonych wybuchem (strefa 0, wysoce wybuchowa; strefa 1, prawdopodobieństwo wystąpienia pożaru lub wybuchu; strefa 2, możliwe wystąpienie wybuchu lub pożaru, ale mniej prawdopodobne), dokument specyfikacji APL dodaje dodatkowe zasady i definicje dotyczące działania warstwy fizycznej 10BASE-T1L, które obejmują definicje okablowania: klasyfikację kabli, maksymalną długość kabli dla odgałęzień i magistral, ekranowanie itp.

Rys. 1. Topologia sieci APL dla aplikacji automatyzacji procesów (po lewej). Topologie liniowe i pierścieniowe dla technologii automatyzacji budynków (po prawej).

Strata wtrąceniowa

Strata wtrąceniowa w kablach, mierzona w decybelach (dB), odzwierciedla osłabienie sygnału wzdłuż linii transmisyjnej (kabla). Oblicza się ją jako stosunek mocy sygnału transmitowanego do mocy sygnału odbieranego na końcu kabla. Strata ta, czyli tłumienie, rośnie wraz z długością kabla i częstotliwością sygnału. Zgodnie z normą IEEE 802.3cg maksymalna dopuszczalna strata wtrąceniowa różni się w zależności od poziomów transmisji: jest wyższa dla 2,4 V_pp niż dla 1,0 V_pp, dostosowując się do różnych sił sygnału i ich odpowiednich wymagań.

Specyfikacja IEEE 802.3cg

Obie krzywe graniczne są określone w podpunkcie 146.7.1.1 normy IEEE 802.3cg w następujący sposób:

Dla poziomu transmisji 1,0 V_pp:

Dla poziomu transmisji 2,4 V_pp:

W obu równaniach f jest częstotliwością podaną w MHz i 0,1MHz≤f≤20MHz. Na rys. 2 przedstawiono oba limity strat wtrąceniowych odpowiadające poziomom transmisji 1,0 V_pp i 2,4 V_pp.

Rys. 2. Specyfikacja strat wtrąceniowych 10BASE-T1L 802.3cg

Klasyfikacja APL

Specyfikacja kabli APL dzieli kable na cztery kategorie w oparciu o ich tłumienie wtrąceniowe, które określa maksymalną dopuszczalną długość łącza dla łączy danych typu spur lub trunk. Kategorie te są również zgodne ze specyfikacją kabli IEEE 802.3cg 10BASE-T1L. Limity strat wtrąceniowych dla 1,0 V_pp i 2,4 V_pp są dostosowane odpowiednio do wymagań operacyjnych dla odgałęzień i magistrali. Odgałęzienia muszą działać przy 1,0 V_pp, przestrzegając odpowiedniego limitu strat wtrąceniowych, natomiast magistrale działają przy 2,4 V_pp, przestrzegając wyższego limitu strat wtrąceniowych. W tab, 1, zestawiono wszystkie kategorie kabli APL i ich definicje dotyczące długości kabla i krzywych strat wtrąceniowych.

Tab. 1. Klasyfikacja kabli APL – tłumienie wtrąceniowe; f w równaniach 3 i 4jest podane w MHz

Należy zauważyć, że równanie 4 jest identyczne z równaniem 2 ze specyfikacji IEEE 802.3cg 10BASE-T1L, natomiast wartość podana w równaniu 3 jest mniejsze niż połowa wartości równania 1, co oznacza bardziej konserwatywne ograniczenie dla kabli łączących się z odgałęzieniami.

Prawidłowe zrozumienie tabeli 1 polega na tym, że aby dany typ kabla należał do kategorii APL IV, tłumienie wtrąceniowe próbki tego kabla o długości 1000 m musi być niższe od progu określonego w równaniu 4. Jeśli tak nie jest, kabel nie spełnia norm kategorii IV. Aby kabel został sklasyfikowany jako należący do kategorii APL III, jego próbka o długości 750 m musi mieć tłumienie wtrąceniowe niższe od wartości określonej w równaniu 4. Jeśli nie spełnia on tego kryterium, ale próbka kabla o długości 500 m spełnia ten wymóg, wówczas kabel kwalifikuje się do kategorii APL II. Jeśli próbka o długości 500 m nie spełnia wymogu, ale próbka o długości 250 m spełnia próg określony w równaniu 4, kabel jest klasyfikowany jako APL kategorii I. Jeśli kabel nie spełnia żadnego z tych kryteriów, nie jest zgodny z APL.

Straty odbiciowe

W idealnym scenariuszu, gdy sygnał jest przesyłany jednym końcem kabla, powinien zostać całkowicie pochłonięty przez obciążenie na drugim końcu. Jednak, jak wspomniano wcześniej, sygnał jest osłabiany z powodu strat wtrąceniowych kabla, a część energii jest również odbijana z powrotem w kierunku źródła. Odbicia te, spowodowane niedopasowaniem impedancji między nadajnikiem a kablem lub wzdłuż samego kabla, mogą wystąpić w dowolnym miejscu. Strata odbicia danego kabla określa ilość sygnału odbijanego z powrotem do źródła i jest zwykle mierzona w decybelach. Strata odbicia jest obliczana jako stosunek sygnału transmitowanego do sygnału odbitego i, podobnie jak strata wtrąceniowa, zmienia się wraz z częstotliwością.

Zakładając, że kabel jest wysokiej jakości, jego impedancja będzie stała na całej długości, minimalizując niedopasowania impedancji z wyjątkiem punktów połączeń z nadajnikami-odbiornikami. Nie dotyczy to jednak przypadku, gdy dane łącze kablowe ma uszkodzenia na całej długości spowodowane usterką techniczną lub złym wykonaniem. Taki scenariusz zostanie jednak pominięto dla celów niniejszego dokumentu.

W przeciwieństwie do specyfikacji strat wtrąceniowych IEEE 802.3cg 10BASE-T1L, specyfikacja strat odbicia jest niezależna od poziomu transmisji. Wynika to bezpośrednio z faktu, że straty odbicia prawidłowo zakończonego kabla nie zależą od jego długości. Dlatego, niezależnie od tego, czy kabel ma długość 200 m, czy 500 m, straty odbicia powinny pozostać stałe, z wyjątkiem zmian spowodowanych procesami produkcyjnymi lub warunkami środowiskowymi, takimi jak wilgotność i temperatura.

Specyfikacja IEEE 802.3cg

Norma IEEE 802.3cg określa minimalną krzywą strat odbicia (w zależności od częstotliwości), którą musi spełniać kabel, w następujący sposób:

gdzie częstotliwość f jest wyrażona w MHz.

Specyfikacja APL

Specyfikacja APL określa również minimalną stratę odbicia dla kabla zgodnego z APL. Specyfikacja ta jest znacznie prostsza niż dla strat wtrąceniowych, ponieważ nie rozróżnia dwóch poziomów transmisji transceiwera.

gdzie częstotliwość f jest wyrażona w MHz.

Należy zauważyć, że specyfikacja strat odbiciowych kabla APL jest bardziej rygorystyczna niż specyfikacja IEEE 802.3cg, ponieważ dodaje dodatkowy margines 6 dB. Na rys. 3 pokazano, że wszystkie kable o stratach odbiciowych zgodnych ze specyfikacją APL są również zgodne ze specyfikacją strat odbiciowych 10BASE-T1L, ale nie każdy kabel zgodny ze specyfikacją strat odbicia 10BASE-T1L jest zgodny ze specyfikacją APL.

Rys.3. Specyfikacje strat odbiciowych dla 10BASE-T1L i APL

Maksymalne opóźnienie łącza

Opóźnienie łącza odnosi się do czasu, jaki zajmuje sygnałowi przejście od jednego końca kabla do drugiego końca tego samego kabla. Wynika to z budowy kabla i może wykazywać wahania w zależności od temperatury. Opóźnienie łącza można również wyrazić jako funkcję nominalnej prędkości propagacji (NVP) kabla, która jest definiowana jako stosunek prędkości sygnału w kablu do prędkości światła. Wartości NVP kabli są zawsze poniżej 1,0, a w przypadku większości kabli wynoszą od 0,6 do 0,8. W niektórych przypadkach kable mogą mieć wartości NVP bliższe 0,5, co oznacza, że opóźnienie łącza dla danej długości kabla jest dłuższe.

Maksymalne opóźnienie łącza określone w normie IEEE 802.3cg dla 10BASE-T1L jest stałą wartością odpowiadającą kablowi o długości 1589 m i NVP wynoszącym 0,6. Prowadzi to do maksymalnego opóźnienia łącza wynoszącego 8834 ns.

Konwersja trybu i tłumienie sprzężenia

Strata wtrąceniowa i strata odbicia kabla są głównymi parametrami określającymi wydajność kabla w normalnych warunkach. Jednak zastosowania przemysłowe wymagają, aby systemy były odporne na środowiska o wysokich zakłóceniach elektromagnetycznych (EMI). Mogą one obejmować zarówno stałe częstotliwości sprzężone z kablem, jak i sporadyczne impulsy o wysokiej częstotliwości i energii. Niezależnie od zakłóceń, łącze komunikacyjne 10BASE-T1L lub APL zachować sprawność i zapobiegać utracie danych. Ponieważ większość zakłóceń elektromagnetycznych pochodzi ze źródeł zewnętrznych, jednym z głównych mechanizmów sprzężenia jest długi kabel jednoparowy. Dlatego też charakterystyka kabla odgrywa ważną rolę w ogólnej odporności elektromagnetycznej.

Tłumienie sprzężenia — kable ekranowane

W przypadku kabli ekranowanych norma IEEE 802.3cg określa minimalne tłumienie sprzężenia. Odnosi się to do maksymalnego sygnału, który sprzęga się różnicowo z parą danych. W przypadku kabla ekranowanego wynika to z jakości i pokrycia ekranu oraz symetrii przewodów w tej samej parze. Różne ekrany będą zatem miały różne reakcje. Na przykład kabel z ekranem foliowym i przewodem uziemiającym będzie prawdopodobnie wykazywał inne właściwości niż kabel z ekranem plecionym o pokryciu 90%.

Na rys. 4 przedstawiono specyfikację IEEE 802.3cg dla systemów zainstalowanych w środowiskach elektromagnetycznych E1, E2 i E3. E1 odpowiada urządzeniom rozmieszczonym w środowiskach elektromagnetycznych, takich jak budynki mieszkalne, komercyjne i mniejsze budynki przemysłowe. E2 odpowiada urządzeniom rozmieszczonym w środowiskach elektromagnetycznych w innych budynkach przemysłowych, a E3 odpowiada urządzeniom zasilanym z akumulatora pojazdu.

Rys. 4. Tłumienie sprzężenia IEEE 802.3cg dla kabli ekranowanych

Konwersja różnicowa na Common Mode — kable nieekranowane

Zakładając, że oba przewody w tej samej parze są idealne i symetryczne, sygnały powinny sprzęgać się równomiernie. Skutkuje to powstaniem sygnału wspólnego, który może być skutecznie filtrowany w obwodach MDI w ścieżce sygnału 10BASE-T1L. Jednak asymetria przewodów może powodować, że część sygnału wspólnego przejawia się w linii transmisyjnej jako sygnał różnicowy. Jeśli sygnał ten mieści się w interesującym nas paśmie 10BASE-T1L (100 kHz do 20 MHz) i jest wystarczająco duży, może zakłócić proces automatycznej negocjacji lub transmisję danych. Ponadto asymetria ta może przekształcić część sygnału różnicowego 10BASE-T1L w sygnał wspólny, zwiększając straty w kablu i potencjalnie pogarszając wydajność.

Aby złagodzić te problemy, norma IEEE 802.3cg określa minimalną konwersję różnicową na wspólną (TCL) w oparciu o środowisko elektromagnetyczne, w którym działa kabel. Na rys. 5 przedstawiono specyfikację dla środowisk elektromagnetycznych E1 i E2.

Rys. 5. Specyfikacja konwersji sygnału różnicowego na sygnał wspólny IEEE 802.3cg dla kabli nieekranowanych

Zależność charakterystyki od długości

W normie IEEE802.3cg 10BASE-T1L charakterystyka kabli nie jest zdefiniowana dla konkretnej długości. Prowadzi to do częstych zapytań dotyczących maksymalnego zasięgu i zgodności. Na przykład kabel Cat5/Cat6 o długości 1000 m zazwyczaj nie jest zgodny z normą 10BASE-T1L, ponieważ jego straty wtrąceniowe przekraczają limity określone w równaniach 1 i 2, natomiast ten sam kabel o długości około 700 m może być z tą normą zgodny.

Zależność strat wtrąceniowych od długości kabla

Jak wspomniano wcześniej, straty wtrąceniowe to parametr określający tłumienie sygnału i jest zazwyczaj wyrażany w odniesieniu do częstotliwości. Wynika z tego, że straty wtrąceniowe wyrażane w decybelach są wprost proporcjonalne do długości kabla.

Oznacza to, że segment łącza o długości x-razy większej od długości innego kabla tego samego typu ma całkowite straty x-razy większe od strat krótszego kabla. Na przykład próbka kabla o długości 1000 m ma krzywą strat wtrąceniowych w przybliżeniu równą dziesięciokrotności krzywej strat próbki kabla tego samego typu o długości 100 m.

Zależność strat odbiciowych od długości kabla

Zakładając jednolitą konstrukcję na całej długości (stała średnica przewodu, stały odstęp między przewodami, jednolite skręcenie na metr itp.), straty odbiciowe kabla nie zmieniają się wraz z długością.

Założenie to sprawdza się dość dobrze w zakresie częstotliwości komunikacji 10BASE-T1L. Jednak kabel złożony z połączonych segmentów tego samego typu może wykazywać gorsze straty odbiciowe niż pojedynczy ciągły segment ze względu na możliwe odbicia w każdym połączeniu. Dla uproszczenia założono tu, że straty odbiciowe danego typu kabla pozostają stała niezależnie od długości.

Opóźnienie łącza a długość kabla

W przypadku danego kabla opóźnienie sygnału jest wprost proporcjonalne do jego długości. Opóźnienie sygnału w kablu różni się w zależności od typu kabla i jest funkcją jego konstrukcji. Zazwyczaj producenci kabli podają tę informację jako funkcję NVP. Równanie 8 pokazuje, jak obliczyć opóźnienie łącza na podstawie wartości NVP kabla.

gdzie L to długość danego kabla, NVP to nominalna prędkość propagacji kabla, a c to prędkość światła.

Na rys. 6 przedstawiono opóźnienie łącza w zależności od długości kabla dla dwóch typów, jednego o NVP = 0,5 drugiego o NVP = 0,8. Należy zauważyć, że nawet przy niskiej wartości NVP norma może uwzględniać opóźnienie łącza odpowiadające ponad 1300 m. Norma gwarantuje wystarczający margines bezpieczeństwa dla zapewnienia odporności i tolerancji na zmiany temperatury.

Rys 6. Specyfikacja opóźnienia łącza IEEE 802.3cg oraz opóźnienie łącza w zależności od długości dla kabli o NVP = 0,5 i NVP = 0,8

Maksymalny zasięg kabla

Głównym ograniczeniem zasięgu kabla jest zazwyczaj strata wtrąceniowa, dlatego kategorie APL opierają się na tym czynniku. Strata wtrąceniowa jest wprost proporcjonalna do długości kabla, co determinuje ograniczenia jego długości w ramach kategorii APL.

W przypadku zastosowań innych niż APL technologia 10BASE-T1L zapewnia większą elastyczność, obsługując zarówno kable ekranowane, jak i nieekranowane, kable o większym niedopasowaniu impedancji, ponowne wykorzystanie okablowania itp. Ponadto niektóre zastosowania mogą działać z kablami, które przekraczają specyfikacje normy IEEE 802.3cg. Aby dostosować się do tych zastosowań, portfolio 10BASE-T1L firmy Analog Devices zawiera znaczny wbudowany margines, umożliwiający komunikację na odległość do 1700 m i zapewniający odpowiednią wydajność w przypadku różnych typów kabli.

Maksymalny zasięg różni się jednak w zależności od typu kabla, nie każdy więc kabel dostępny na rynku pozwala osiągnąć komunikację na dystansie 1700 m. Niektóre kable mogą wykazywać większe straty sygnału, co prowadzi do krótszego zasięgu.

Maksymalny zasięg i zgodność kabli z normą IEEE 802.3CG

Jeśli instalacja ma być zgodna z normą IEEE 802.3cg, zarówno okablowanie, jak i urządzenia PHY muszą spełniać wymagania tej normy. W tej części artykułu omówiono specyfikacje dotyczące strat wtrąceniowych i odbiciowych, a także proces weryfikacji zgodności. Ponadto przedstawiono metodę szacowania i testowania maksymalnego zasięgu danego typu kabla. Metodę obliczania maksymalnego zasięgu przedstawiono na rys. 7.

Przedstawiona na tym rysunku sieć działań oparta jest opiera na pomiarze strat wtrąceniowych i strat odbiciowych określonych dla próbki danego kabla. Teoretycznie długość kabla nie powinna mieć wpływu na te wyniki. Jednak w praktyce błąd pomiaru wzrasta wraz ze zmniejszaniem się długości kabla. Z tego powodu specyfikacja APL zaleca pomiar kabli przy użyciu próbki o długości 500 m. Aby uzyskiwane wyniki były akceptowalne w przypadku zastosowań innych niż APL, dokument ten zaleca użycie kabla co najmniej 100 metrowego.

Rys. 7. Schemat blokowy służący do sprawdzenia, czy próbka kabla jest zgodna ze specyfikacjami dotyczącymi strat wtrąceniowych i odbiciowych oraz do obliczenia maksymalnej długości kabla zgodnej ze specyfikacją

Aby zapewnić zgodność EMC, pierwszym krokiem jest ocena strat odbiciowych kabla dla różnych częstotliwości. Jeśli strata odbiciowa spadnie poniżej progu określonego w równaniu 5, kabel nie spełnia norm. Oznacza to, że wykonywanie testów staje się bezzasadne. Jeśli jednak straty odbiciowe kabla są powyżej określonej krzywej, następnym krokiem jest ocena strat wtrąceniowych kabla dla wartości odniesienia określonych w równaniach 1 lub 2. Jeśli strata wtrąceniowa przekracza te krzywe, uznaje się, że kabel nie zachowuje zgodności.

Po zweryfikowaniu strat wtrąceniowych i odbiciowych diagram z rys. 7 sugeruje metodę oszacowania maksymalnej dopuszczalnej długości, która spełnia specyfikacje. Osiąga się to przez pomnożenie zmierzonej straty wtrąceniowej przez współczynnik k, co prowadzi do uzyskania krzywej jak najbardziej zbliżonej do tej opisanej w równaniu 1 dla poziomów transmisji 1,0 V_pp lub równaniu 2 dla poziomów transmisji 2,4 V_pp. Mnożąc przez współczynnik k, ekstrapolacja szacuje straty wtrąceniowe dla kabla tego samego typu, ale wydłużonego do k-krotności długości badanej próbki. Celem jest określenie maksymalnej wartości k, przy której ekstrapolowana krzywa strat wtrąceniowych pozostaje poniżej wymaganej krzywej specyfikacji, iteracyjnie korygując wartość k w trakcie procesu ekstrapolacji.

Przykład:

Poniższy przykład może posłużyć do zilustrowania tej metody i zakłada, że zmierzono straty wtrąceniowe i odbiciowe.

Krok 1: Weryfikacja strat odbicia

Na rys. 8 przedstawiono weryfikację strat odbiciowych kabla X danego typu o długości 100 m oraz specyfikacje strat odbiciowych zarówno dla IEEE 802.3cg, jak i APL. Należy zauważyć, że każdy punkt zmierzonych strat odbicia kabla jest większy niż specyfikacje strat odbicia zarówno APL, jak i IEEE 802.3cg. Oznacza to, że zmierzony kabel jest zgodny z obydwoma normami dotyczącymi strat odbicia.

Rys. 8. Weryfikacja strat odbicia. Kolor niebieski przedstawia zmierzone straty odbicia dla kabla danego typu. Żółte linie pokazują specyfikację strat odbicia APL, a czerwone linie pokazują specyfikację strat odbicia IEEE 802.3cg

Krok 2: Weryfikacja strat wtrąceniowych

Straty wtrąceniowe można zweryfikować, wykreślając starty wtrąceniowe kabla w na wykres specyfikacji, jak pokazano na rys. 9. Starty wtrąceniowe kabla X zostały zmierzone i są pokazana niebieską linią ciągłą. Należy zauważyć, że krzywa ta znajduje się znacznie poniżej specyfikacji 1,0 V_pp i 2,4 V_pp 10BASE-T1L przedstawionych liniami przerywanymi i kropkowanymi w kolorze czerwonym. Oznacza to, że każde 100-metrowe połączenie tego samego typu kabla X może być używane w połączeniach 10BASE-T1L dla 1,0 V_pp lub 2,4 V_pp.

Rys. 9. Weryfikacja strat wtrąceniowych. Czerwona linia kropkowana: maksymalna strata wtrąceniowa IEEE 802.3cg dla poziomu transmisji 2,4 Vpp, żółta linia przerywana: maksymalna strata wtrąceniowa IEEE 802.3cg dla poziomu transmisji 1,0 Vpp. Niebieska linia ciągła: zmierzona strata wtrąceniowa kabla X o długości 100 m

Krok 3: Obliczenie maksymalnej długości zgodnej z normą IEEE 802.3cg

W tej części skupiono się na normie IEEE 802.3cg, a nie na klasyfikacji APL. Jednak podobną analizę można przeprowadzić zgodnie z tabelą 1.

Zmierzoną stratę wtrąceniową można ekstrapolować, mnożąc każdy punkt danych przez współczynnik k, tak aby wynikowa krzywa, po naniesieniu na wykres w odniesieniu do standardu 1,0 V_pp lub 2,4 V_pp, znalazła się poniżej jednej z tych dwóch krzywych, w zależności od zastosowanej amplitudy transmisji.

Na rys. 10 przedstawiono specyfikacje strat wtrąceniowych IEEE 802.3cg dla napięcia 1,0 V_pp oraz ekstrapolowaną krzywą uzyskaną dla k = 7 (zielona linia). Krzywa zielona została uzyskana poprzez pomnożenie każdego punktu danych strat wtrąceniowych próbki kabla o długości 100 m przez k = 7. Należy zauważyć, że uzyskana ekstrapolacja znajduje się tuż poniżej specyfikacji 1,0 V_pp, co oznacza, że 700 m (wynikające z pomnożenia długości kabla przez k = 7) to przybliżona maksymalna długość zgodną z poziomem transmisji 1,0 V_pp w zastosowaniach innych niż APL. Każda długość poniżej 700 m jest również zgodna ze specyfikacją poziomu transmisji 1,0 V_pp.

Podobnie, na rys. 10 przedstawiono specyfikację strat wtrąceniowych IEEE 802.3cg dla 2,4 V_pp oraz ekstrapolowaną krzywą uzyskaną poprzez wybór k = 12 (niebieska linia). Krzywa ta została uzyskana w podobny sposób, jak wyjaśniono powyżej, poprzez pomnożenie każdego punktu danych strat wtrąceniowych próbki kabla o długości 100 m przez k = 12. Należy zauważyć, że ekstrapolowana krzywa również znajduje się tuż poniżej specyfikacji 2,4 V_pp, co oznacza, że 1200 m jest przybliżoną maksymalną długością zgodną z poziomem transmisji 2,4 V_pp (na podstawie strat wtrąceniowych). Każda długość poniżej 1200 m będzie również zgodna ze specyfikacją 2,4 V_pp.

Rys. 10. Ekstrapolacja strat wtrąceniowych kabla X w celu uzyskania maksymalnej długości kabla zgodnej ze specyfikacjami IEEE 802.3cg 1,0 Vpp i 2,4 Vpp

Powyższa analiza pozwala stwierdzić, że w oparciu o kryteria start wtrąceniowych i odbiciowych maksymalna dopuszczalna długość segmentu łącza dla tego konkretnego typu kabla w zastosowaniach innych niż APL wynosi około 700 m dla poziomów transmisji 1,0 V_pp oraz 1200 m dla poziomów transmisji 2,4 V_pp. Jednak w zastosowaniach wymagających pełnej zgodności z normą maksymalna długość segmentu łącza nie może przekraczać 1000 m.

Metodologię tę można zastosować do innych typów kabli, co potencjalnie może skutkować maksymalnymi segmentami łącza zgodnymi z normą o długości mniejszej niż 1000 m. Na przykład, gdy podobne oceny są przeprowadzane dla kabli Cat5/Cat6, typowa maksymalna długość zgodna z normą 10BASE-T1L wynosi zazwyczaj nie więcej niż 700 m. Może się ona jednak różnić w zależności od konkretnej marki i modelu kabla, ponieważ niektóre z nich mogą zapewniać dodatkowy margines.

Testowanie kabli w celu oszacowania maksymalnego zasięgu z użyciem ADIN1100, ADIN1110 i ADIN2111

Procedury testowania kabli obejmują użycie wektorowego analizatora sieci do oszacowania parametrów kabla oraz zestawu ewaluacyjnego EVAL-ADIN1100EBZ firmy ADI do przeprowadzenia testów ruchu w sieci Ethernet. Zestaw ewaluacyjny ma funkcję konwertera mediów i zapewnia dostęp do funkcji diagnostycznych (takich jak generator ramek, sprawdzanie ramek, średni błąd kwadratowy i tryby pętli zwrotnej) za pośrednictwem oprogramowania ewaluacyjnego.

Procedura testowania

Testowanie kabli obejmuje pomiar strat wtrąceniowych i odbiciowych testowanego kabla za pomocą wektorowego analizatora sieci. Parametry te są następnie wykorzystywane do oceny zgodności kabla i oszacowania maksymalnej długości kabla zgodnej z normą IEEE802.3cg 10BASE-T1L. Maksymalne długości zgodne z normą odpowiadają maksymalnym długościom określonego typu kabla, które nadal są zgodne z krzywymi tłumienności wtrąceniowej 2,4 V_pp lub 1,0 V_pp, zdefiniowanymi w normie IEEE 802.3cg, przedstawionej na rysunku 2.

Dalsze testy obejmują połączenie dwóch płytek ewaluacyjnych EVAL-ADIN1100EBZ za pomocą testowanego kabla w celu ustanowienia łącza 10BASE-T1L. Kolejne testy wydajności łącza obejmują transmisję ruchu Ethernet przy pełnej przepustowości za pomocą generatora ramek wbudowanego w układ scalony. Średni błąd kwadratowy (MSE) łącza 10BASE-T1L jest monitorowany na każdej płytce EVAL-ADIN1100EBZ wraz z liczbą błędów i liczbą odebranych ramek Ethernet. Testy są oznaczane jako zaliczone tylko wtedy, gdy:

• 10BASE-T1L zostało pomyślnie ustanowione,
• MSE jest lepszy niż –20,5 dB,
• podczas wykonywania testu w odebranych ramkach nie występują żadne błędy.

Test ten jest przeprowadzany wielokrotnie dla różnych długości tego samego typu kabla w celu określenia punktu awarii. Jednak w niektórych przypadkach maksymalna testowana długość odpowiada maksymalnej długości dostępnej w laboratorium i niekoniecznie maksymalnemu zasięgowi kabla. Podobnie, w sytuacjach, gdy przyrosty długości kabla przekraczają 100 m, zidentyfikowany punkt awarii może nie odzwierciedlać dokładnie absolutnej maksymalnej długości kabla. Na przykład, jeśli dostępne są tylko segmenty o długości 500 m, poprawne połączenie może zostać ustanowione przy użyciu kabla 1000 m (dwa połączone segmenty o długości 500 m), ale nie powiedzie się dla 1500 m. Prawdziwa maksymalna długość może wynosić 1200 m, ale ta konkretna długość nie jest dostępna do testowania, więc ostatni zarejestrowany punkt danych pozostaje dla 1000 m.

Tab. 2 zawiera parametry różnych kabli, które zostały przetestowane w laboratorium, szacowaną maksymalną długość zgodną ze standardem 10BASE-T1L dla obu poziomów transmisji oraz długości przetestowane przy napięciach 2,4 V_pp i 1,0 V_pp przy użyciu płytki ewaluacyjnej EVAL-ADIN1100EBZ.

Wnioski

Elastyczna definicja kabla w standardzie IEEE 802.3cg-2019 obsługuje szeroką gamę typów kabli stosowanych wcześniej w starszych protokołach komunikacyjnych, zapewniając szeroki zasięg do płynnego łączenia urządzeń brzegowych poprzez łączność Ethernet bez konieczności stosowania bram.

Tab. 2. Typowa wydajność łącza ADIN1100/ADIN1110/ADIN2111 w przypadku różnych typów kabli

Uwaga 1. Maksymalna długość przetestowana w laboratorium odpowiada najdłuższej długości z funkcjonalnym połączeniem podczas testów.

Uwaga 2: Maksymalna długość przetestowana w laboratorium ograniczona dostępnością kabla i koniecznie ograniczona zasięgiem nadajnika-odbiornika.

Uwaga 3: Parametry kabla nie są dostępne ani zmierzone.

¹Testowany kabel Helu 82836 to kabel Profibus PA, który jest znormalizowany dla szybkości transmisji 31,25 kB, impedancji charakterystycznej 100 ± 20 Ω i tłumieniu maks. 3 dB przy 39 kHz.

Układy ADIN1100, ADIN1110 i ADIN2111 firmy ADI mają wbudowany margines, który pozwala na obsługę zarówno kabli zgodnych z normą, jak i niezgodnych. Chociaż idealnym rozwiązaniem dla aplikacji jest zgodność ze specyfikacjami IEEE 802.3cg lub APL, szczególnie w przypadku sterowania procesami, w rzeczywistości w celu obniżania kosztów wiele systemów musi ponownie wykorzystywać istniejące okablowanie. Wbudowany margines zwiększa niezawodność łącza danych i ułatwia wdrożenie technologii 10BASE-T1L z różnymi typami kabli, do których mogą należeć również te, które są już zainstalowane dla innych protokołów komunikacyjnych. Elastyczność ta gwarantuje, że urządzenia 10BASE-T1L firmy ADI mogą utrzymać stały zasięg kabla zarówno dla poziomów transmisji 1,0 V_pp, jak i 2,4 V_pp.

Ponadto narzędzia diagnostyczne Analog Devices 10BASE-T1L, takie jak generator ramki, sprawdzanie ramki, wskaźnik jakości łącza na podstawie średniego błędu kwadratowego oraz detektor uszkodzeń kabla z TDR, wspierają diagnostykę systemu podczas planowania, uruchamiania i eksploatacji. Narzędzia te pomagają usprawnić wdrożenie, zminimalizować przestoje poprzez dostarczanie informacji diagnostycznych oraz ograniczyć konserwację naprawczą w przypadku wystąpienia usterki.

Autor oryginału: Hector Arroyo

Hector Alberti Arroyo jest inżynierem ds. aplikacji systemowych w firmie Analog Devices, zajmującym się produktami Industrial Ethernet. W 2014 r. ukończył Worcester Polytechnic Institute w Massachusetts w Stanach Zjednoczonych, uzyskując dyplom z inżynierii elektrycznej i komputerowej. W latach 2014–2015 pracował jako inżynier ds. oceny produktów w Energy Metering Group, a następnie jako inżynier ds. czujników zdalnych w Ministerstwie Środowiska i Zasobów Naturalnych Salwadoru oraz jako wykładowca na Wydziale Matematyki i Fizyki Uniwersytetu Narodowego Salwadoru w latach 2016–2019.

Opracowanie: Jarosław Doliński