Zgomotul electric din mediu este un ucigaș atunci când este vorba despre comunicația prin fir. Atât prin emisie, cât și prin cuplare, performanțele de comunicație pot suferi prin pierderea de pachete de date sau, chiar mai rău, prin interferența cu electronica din apropiere. Chiar și tehnologii robuste precum Ethernet pot avea de suferit de pe urma efectelor zgomotului, dacă ele sunt implementate în medii de duritate crescută precum controlul industrial și industria auto. Vestea bună este aceea că pe piață sunt așteptate noi tehnologii, care elimină zgomotul și limitează sensibilitatea, deschizând calea Ethernet-ului ca tehnologie de comunicație viabilă pentru medii dure. În primul rând trebuie înțeleși factorii de bază care afectează comunicațiile Ethernet.
Figura 1: Construcția cablului Ethernet.
Compatibilitatea electromagnetică
Atunci când se transmit date pe distanțe mari, firele sunt susceptibile de emisii de zgomot și cuplare. Compatibilitatea electromagnetică (EMC) este știința măsurării impactului acestor efecte asupra performanțelor sistemului, într-un mediu date.
Emisiile apar atunci când datele sunt transmise prin fire. Firele acționează ca o antenă, radiind zgomot în mediul din apropiere. În S.U.A. FCC stabilește regulile cu privire la nivelele de emisii permise. Există clase separate, A și B, care definesc aceste nivele pentru mediile casnice sau industriale. Acest lucru asigură că produsele și sistemele nu vor cauza probleme atunci când se instalează unele lângă altele.
Cuplarea reprezintă o altă componentă măsurată în cadrul studiului EMC. Zgomotul cuplat în firele de comunicație ce provine de la surse din apropiere, poate cauza interferențe, reducând viteza de transfer de date a sistemului sau cauzând probleme de funcționare.
Scopul studierii EMC-ului produsului este de a reduce aceste efecte, astfel încât sistemele să poată lucra împreună fără probleme.
Figura 2: Semnal echilibrat.
Ethernet și EMC, o relație complexă
Pentru a reduce interferența, Ethernet utilizează metode de cablare și semnalizare, numite semnalizare diferențiată și cabluri pereche torsadate (figura 1), care au fost inventate de Alexander Graham Bell.
Prin trimiterea de semnale cu polaritate opusă, de exemplu diferențial, cantitatea de emisie radiată este redusă prin faptul că acestea își elimină una alteia modelul de zgomot. Ele sunt, de asemenea, mult mai imune la zgomot, deoarece receptorul diferențial poate distinge mai eficient între semnale și zgomot. Până acum, prin torsadarea firelor cu semnal diferențial, orice zgomot cuplat la semnale este egal sau în mod comun. La aceasta se referă semnalizarea echilibrată (Figura 2). În cele din urmă, la nivelul receptorului, zgomotul de mod comun este redus și mai mult utilizând cuplarea transformatorului.
Aceste metode simple, dar eficiente de îmbunătățire a EMC au permis Ethernet-ului să devină o tehnologie prezentă peste tot, acasă sau la birou.
Dacă ne mutăm acum cu Ethernet-ul în medii de duritate crescută și cabluri mai lungi (antene mai lungi), precum liniile de producție industriale, distribuție electrică și control auto, performanțele EMC sunt mai importante decât oricând. Genialele și simplele tehnici create în timpul lui Bell nu mai pot fi utilizate, iar o tehnologie actualizată este acum necesară pentru a umple golul.
Figura 3: Performanțele Quiet-WIRE PHY vs. standard PHY.
Tehnologia de îmbunătățire EMC Quiet-WIRE®
Pentru a împinge și mai departe performanțele EMC Ethernet, a fost creată tehnologia Quiet-WIRE. Aceasta introduce două îmbunătățiri cheie ale transceiverului Ethernet. Transmițătorul are integrată o filtrare activă, care taie zgomotul de peste 60MHz. Suplimentar, receptorul a îmbunătățit eliminarea zgomotului prin utilizarea tehnologiei de procesare digitală a semnalului (DSP), ce nu era disponibilă pe timpul lui Bell. Combinate, aceste două îmbunătățiri tehnologice moderne ridică substanțial performanțele în medii dure.
Figura 3 prezintă rezultatele testării de laborator utilizând metoda BCI (Bulk Current Injection), o metodă uzual acceptată pentru testarea performanțelor EMC. Datele demonstrează transmisiile fără eroare în prezența unui curent de zgomot injectat de 200mA, pe domeniul de frecvență complet, de la 1MHz la 400MHz pentru transceivere cu tehnologie Quiet-WIRE. Rezultatul corespunde limitelor OEM din industria auto, care reprezintă unul dintre cele mai stringente standarde.
Prin contrast, un receptor fără tehnologie Quiet-WIRE are o degradare a semnalului de 9dBm, reprezentând performanțe de 10 ori mai sărace.
Tehnologia Quiet-WIRE dispune, de asemenea, de un Indicator al Calității Semnalului, care aproximează raportul semnal-zgomot și este o măsură a lungimii cablului, a calității cablului și a zgomotului de mediu cuplat. Un avantaj cheie al indicatorului mai sus amintit îl reprezintă instalarea mai rapidă a sistemului. Prin revederea valorilor indicatorului, tehnicianul poate obține o reprezentare în timp real a condițiilor de mediu ce au impact asupra sistemului. Dacă sunt valori ridicate ale zgomotului de mediu, indicatorul de calitate al semnalului poate arăta tehnicianului că sursa de zgomot trebuie corectată, sau că este nevoie de o retrasare a cablurilor înainte ca sistemul să fie lansat în producție. În acest fel se pot realiza economii semnificative cauzate de chemări în service pentru diagnosticare, oprirea regulată sau nu a serviciului, precum și operarea la performanțe sub cele optime.
Figura 4: Diagrama rețelei într-un vehicul.
Quiet-WIRE® este acum
Microchip Technology a creat un portofoliu complet de produse cu tehnologie Quiet-WIRE pentru implementare în medii dure.
Figura 4 prezintă o diagramă bloc tipică pentru rețelele din vehicule ce utilizează Ethernet cu produse disponibile astăzi. KSZ8061 PHY și switch-ul KSZ8567 conțin amândouă Quiet-WIRE, care poate fi activat prin utilizarea unei opțiuni de pin de conectare la momentul fabricației, fără necesitatea unei intervenții software.
Microchip oferă douăzeci și patru de produse Ethernet cu tehnologie Quiet-WIRE, inclusiv produse calificate AEC-Q100, suportând temperaturi extinse de până la 105°C. Așa că puteți fi liberi să pășiți în “zona periculoasă” cu medii de comunicație zgomotoase, utilizând Ethernet.
Atunci când utilizați produse cu tehnologie Quiet-WIRE, vă puteți aștepta la o comunicație de înaltă siguranță în funcționare, cu performanțe EMC îmbunătățite, și cu încrederea că sistemul va continua să funcționeze bine pentru toată durata de viață a aplicației.
Informații suplimentare: http://www.microchip.com/design-centers/ethernet/ethernet-devices/technology/quiet-wire
Bibliografie:
• Cablu torsadat: https://en.wikipedia.org/wiki/Twisted_pair
• EMC:
http://answers.google.com/answers/threadview/id/526221.html
http://www.electronicdesign.com/energy/design-electromagnetic-compliance-ethernet-systems
• Injectare brută de curent:
http://www.cvel.clemson.edu/workshop/pdf/Auto EMC-Workshop-Steffka.pdf
http://www.rapidtables.com/convert/power/Watt_to_dBm.htm
Autor: Jason Tollefson, Sr. Product Marketing Manager la Microchip Technology
Microchip Technology | www.microchip.com
