¿Cuál es el propósito de un transformador magnético Ethernet y cómo se utilizan?
On febrero 13, 2021 by adminMe han dicho que los transformadores magnéticos Ethernet se utilizan para Ethernet base-t cuando la transmisión se envía a través de un cable largo. ¿Cuál es el propósito del transformador? (¿Es para filtrado o refuerzo de señal?)
Además, tengo un circuito que se ha utilizado para una configuración Ethernet de 8 hilos (1000base-t). ¿Funcionaría el mismo circuito para una configuración de 4 cables (100base-t) si solo conectara los pines 1, 2, 3 & 6? si es así, ¿el rendimiento sería el mismo que el de la configuración de 8 cables?
Lo siento si no puedo ser coherente en mi pregunta, ya que no estoy muy familiarizado con el hardware Ethernet. Gracias por revisar mi pregunta .
PD: No estoy seguro de cómo se transmiten los datos a través de Ethernet. ¿Es que todos los pares diferenciales (DA: pines 1 & 2, DB: pines 3 & 6, DC: pines 4 & 5, DD: pines 8 & 7) son buses donde los datos se pueden transmitir en ambos sentidos (a diferencia del UART donde RX tiene que estar conectado a TX)? y en caso de que solo esté usando 2 pares, ¿estaría conectando solo DA y DB? ¿También hay un problema con la conexión de 4 conectar el dispositivo a una red que utiliza 8 cables?
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Tengo Se ha dicho que los transformadores magnéticos Ethernet se utilizan para Ethernet base-t cuando la transmisión se envía a través de un cable largo.
Siempre se utilizan, no solo cuando «se envían por un cable largo»
¿Cuál es el propósito del transformador?
El propósito principal es el aislamiento. Por lo general, también se utilizan como parte del acondicionamiento de la señal, convirtiendo un par de unidades de un solo extremo en una señal diferencial en la transmisión y estableciendo el voltaje de modo común correcto para el receptor en la recepción. Por esta razón, el lado del dispositivo de los transformadores suele tener una toma central.
El aislamiento es una muy buena idea en los sistemas de comunicaciones que conectan una gran cantidad de hardware en un área amplia. No desea que las corrientes / voltajes de falla provenientes de fallas en el cableado de la red o dispositivos se propaguen a través de su cableado de comunicaciones.
Básicamente, existen dos opciones para el aislamiento, opto y transformador. El aislamiento del transformador tiene un par de Principales ventajas. En primer lugar, la potencia de la señal pasa a través del transformador, lo que significa que no es necesario llevar una fuente de alimentación al lado «aislado» de la barrera. En segundo lugar, los transformadores son muy buenos para generar y recibir señales diferenciales al tiempo que brindan un alto rechazo de modo común, lo que los convierte en una buena combinación con cableado de par trenzado. En tercer lugar, es más fácil diseñar transformadores para alta frecuencia (también conocida como alta velocidad) que los optoacopladores.
El acoplamiento de transformadores tiene algunas desventajas, los transformadores no funcionan en CC y los transformadores pequeños que funcionan bien en altas frecuencias no lo hacen «. Funciona bien a bajas frecuencias, pero esto se resuelve fácilmente mediante esquemas de codificación de línea que evitan las bajas frecuencias.
P.D. No estoy seguro de cómo se transmiten los datos a través de Ethernet. ¿Es que todos los pares diferenciales (DA: pines 1 & 2, DB: pines 3 & 6, DC: pines 4 & 5, DD: los pines 8 & 7) son buses donde los datos se pueden transmitir en ambos sentidos (a diferencia del UART, donde RX tiene que estar conectado a TX )? y en caso de que solo esté usando 2 pares, ¿conectaría solo DA y DB?
Depende de la versión de Ethernet. 10BASE-T y 100BASE-TX utilizaron un par en cada dirección. En hardware más antiguo, tenía que asegurarse manualmente de que el transmisor estaba conectado al receptor (utilizando cables cruzados si es necesario), pero el hardware más reciente generalmente tiene AUTO-MDIX que lo detecta automáticamente.
1000BASE-T usa los cuatro pares en ambas direcciones al mismo tiempo utilizando técnicas de cancelación de eco para separar los datos recibidos de los datos transmitidos.
Creo que 10GBASE-T también usa técnicas de cancelación de eco, pero «no estoy seguro de eso.
¿También hay un problema con conectar un dispositivo de 4 cables a una red que utiliza 8 cables?
La mayoría de los dispositivos admiten modos de velocidad más baja, pero no todos. En particular, par trenzado a medios de fibra Por lo general, los convertidores solo admiten una velocidad única en el lado del par trenzado. Los dispositivos que admiten 10GBASE-T generalmente también admiten 1000BASE-T pero solo a veces admiten 100BASE-TX y afaict nunca admiten 10BASE-T.
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- xGBASE-T usa (en gran medida) la misma cancelación de eco por híbridos que introdujo 1000BASE-T.
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El transformador magnético ethernet es requerido por el estándar ethernet. Encontrará esta pregunta, « ¿Por qué los enchufes Ethernet / RJ45 están acoplados magnéticamente? » respondida en el Electrical Engineering SE .
Las especificaciones de cableado UTP requieren un cable de cuatro pares. 10BASE-T y 100BASE-TX usan dos de los pares, uno de transmisión y otro de recepción, mientras que 1000BASE-T requiere los cuatro pares, tanto transmitiendo como recibiendo al mismo tiempo. Si intenta ejecutar 1000BASE-T en solo dos pares, negociará con 100BASE-TX.
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- Cuando dijo » mientras que 1000BASE-T requiere los cuatro pares, ambos transmitiendo y recibiendo al mismo tiempo «, ¿quiso decir que cualquiera de los 4 pares puede actuar? como TX o RX en cualquier momento, a diferencia de 10 / 100base-t donde tx y rx están dedicados a pares específicos? Para mi caso, solo tengo 4 cables (2 pares) de mi dispositivo 100base-t. ¿Importa que los conecte a los pines 1, 2, 3 & 6, o puedo conectarlos a otros pares? Finalmente, ¿funcionaría mi circuito transformador para 1000base-tx para 100base-tx? Encontré muchos circuitos disponibles en línea y me confundieron.
- Quiero decir que 1000BASE-T usa los cuatro pares para enviar y recibir simultáneamente. Tanto 10BASE-T como 100BASE-TX utilizan los pines 1, 2, 3 y 6, y deben conectarse con un par trenzado en 1-2 y otro par trenzado en 3-6. Dividir un par trenzado no funcionará correctamente. Si no ‘ no sabía lo anterior, dudo seriamente que pueda crear sus propias interfaces Ethernet, por lo que no debe ‘ preocuparse por el transformadores. Si desea crear sus propias interfaces Ethernet, debe hacer sus preguntas en Ingeniería eléctrica .
Respuesta
El transformador está ahí principalmente para desacoplar señales de modo común de CC, como se ha explicado en otras respuestas, y también proporciona el aislamiento eléctrico necesario en redes de datos prácticas ( en lugar de ejecutar toda la red en su banco, todo alimentado desde la misma regleta de extensión, por ejemplo). El fabricante del transformador indicará qué subestándar IEEE 802.3 cumple. Por lo general, los transformadores para 1GBASE-T pueden funcionar hasta velocidades de 10MBASE-T, y parece que los transformadores 10GBASE-T conservan un rendimiento similar, pero no garantiza completamente que un transformador 10GBASE-T funcionará con, por ejemplo, un 100BASE -T PHY chip, ya que algunos parámetros clave han cambiado.
Pero ciertamente es al menos teóricamente posible, por ejemplo, diseñar una cadena de procesamiento de señal digital 10M / 100M / 1G / 10G BASE-T en una FPGA (o una GPU moderna, o un ASIC), conéctelo a un front-end A / DD / A que funcione a 800MS / S y utilice magnéticos 10GBASE-T, y tenga una solución compatible con velocidades de 10M a 10G, más de 3 órdenes de magnitud . Pero, en realidad, nadie diseña cadenas de procesamiento digital de » de banda ancha «, ya que sería una pérdida de esfuerzo ya que los puertos 10G son conectarles algo más lento es una pérdida total de dinero. Por lo general, 10G PHY será solo velocidades de gigabit, a menudo ni siquiera 1G pero más alto: 2.5G, 5G y 10G. ¡Algunos son solo 10G!
Ethernet de par trenzado a velocidades de 1 GBit y más funcionan como los sistemas telefónicos analógicos: se usa un solo par para transmitir datos en ambas direcciones a la vez. Los sistemas telefónicos analógicos tienen una única conexión » loop » diferencial: no es que un cable transmita y otro reciba. Es una única circuito cerrado que trabaja en dos direcciones al mismo tiempo. Funciona según el principio de que el remitente tiene toda la información necesaria para suprimir su propia señal de lo que recibe del bucle.
Cada extremo de la conexión es tanto un transmisor como un receptor. La señal transmitida se superpone a la señal ya existente en el circuito. A continuación, el receptor mide esta señal sumada y le resta su propia señal transmitida. Lo que queda es lo que han estado transmitiendo los otros transmisores en el enlace. Dado que estos enlaces suelen ser de punto a punto, una vez que resta su propia transmisión de la señal recibida, lo que queda es la otra señal transmitida desde el punto más lejano. final de la línea.
La sustracción de la señal transmitida de la señal recibida en general debe realizarse ya sea que estemos hablando de Ethernet gigabit o líneas telefónicas de dos cables. En las líneas telefónicas, las señales son lentas lo suficiente como para que un dispositivo pasivo llamado híbrido, esencialmente un transformador con una terminación, pueda funcionar adecuadamente.Estos híbridos están presentes en teléfonos analógicos y otros equipos telefónicos simples. El enfoque basado en transformadores no funciona muy bien cuando, por ejemplo, existen retrasos geoestacionarios y es insuficiente para los módems de alta velocidad, por lo que incluso los módems que funcionan con líneas telefónicas deben implementar un » híbrido » en el dominio digital. Todavía usan el transformador para el aislamiento y pueden conectarlo de manera híbrida, pero el rendimiento de ese transformador es inadecuado por sí mismo.
Una vez que se volvió más barato, en conjunto, trabajar con señales digitales usando chips que pesan microgramos en lugar de fabricar y enviar trozos de hierro y cobre conocidos como transformadores híbridos (que individualmente pesan más que todos los chips semiconductores en su PC, combinado), la función de un híbrido en redes telefónicas de voz se ha implementado mediante procesamiento de señal digital.Como un ejemplo: un microcontrolador ARM M0 humilde tiene suficiente capacidad computacional para implementar un híbrido telefónico adaptativo en software, con excelente desempeño, y su fabricación utiliza muchos menos recursos que la fabricación de un transformador híbrido telefónico. Hay beneficios de que la tecnología moderna sea liviana que van más allá de la mera conveniencia 🙂 Un transformador más liviano y simple todavía está ahí para aislar la línea telefónica con sus transitorios de voltaje del resto relativamente sensible del circuito.
Como las tasas de datos aumentan, también lo hace la capacidad computacional necesaria para realizar esta separación de los datos transmitidos y recibidos, y para adaptarse a las imperfecciones de la planta de cables (por ejemplo, cada conector / toma o torcedura produce ecos). Entonces, cuando miras un chip PHY 10GBASE-T, tiene tantos transistores como el Pentium III (Katmai): ~ 10 millones. Por supuesto, solo una parte de este presupuesto de transistores se relega a la cancelación y ecualización de eco cercano y lejano, pero aún no es una parte insignificante. Conjeturando a partir de los diagramas de bloques proporcionados por, por ejemplo, Broadcom, un buen 1/10th-1 / 3rd del chip se ocupa precisamente de eso (no estoy tratando con ese diseño de chip y no tengo ninguna regla práctica para proporcionar una estimación más estrecha). Los filtros digitales utilizados para la cancelación de eco y la ecualización de ruta tienen longitudes del orden de 100-1000T (taps). Eso significa que la PHY tiene que hacer algunos miles de multiplicaciones y adiciones de 10-12 bits por cada período de muestreo solo para separar las señales transmitidas de las señales recibidas y para igualar las imperfecciones del sistema de cable; y se necesitan 800 MSamples / s para ejecutar 10GBASE-T. Así que estamos hablando del orden de 1TMAC / s (es decir, un Tera MAC / s, o un millón de millones de multiplicaciones y adiciones por segundo).
Podría emular esto usando una GPU moderna. En perspectiva: una de las primeras plataformas Intel HD Graphics de 2010 podría funcionar tal vez con 0.03TMAC / s. Intel Iris Graphics introducida en 2013 podría manejar alrededor de 1TMAC / s con la mitad de precisión, y tendría casi la capacidad necesaria para realizar la ecualización y la cancelación de eco para un único transceptor 10GBASE-T. Y esto es solo para obtener » limpias » señales digitalizadas que todavía tengo que demodular, descifrar, decodificar y corregir errores (y hacer lo contrario al transmitir). Eso es fácilmente otro equivalente de unos pocos cientos de GFLOP / s, imagino, aunque una gran parte no es de punto flotante sino operaciones de bits paralelas y búsquedas rápidas de memoria.
Un aparte: podría tener más de dos transmisores distribuidos a lo largo de la línea, siempre que sus señales de lo contrario podría separarse. Los sistemas de posicionamiento por satélite se encargan de esto: todos los satélites GPS envían a la misma frecuencia, pero sus señales se codifican de manera diferente, de modo que si usa un código que decodifica los datos de un satélite, todas las señales de los demás satélites se convierten en ruido. que se pueden separar de los datos útiles. Esto se llama multiplexación por división de código. Pero esto fue realmente un aparte, ya que el GPS es unidireccional: los transmisores son los satélites y los » dispositivos GPS » como si los teléfonos fueran solo receptores. Intentar transmitir en frecuencias GPS lo pondrá en problemas legales, y en estos días con bastante rapidez (no importa que sea totalmente inútil: ¡los satélites no lo están escuchando!).
Pero En principio, podría utilizar multiplexación por división de código para, por ejemplo, colocar varios PHY equivalentes a 10GBit / s en un solo » ether «, p. ej. use balunes para acoplar esos PHY a un buen cable coaxial de 75 ohmios de red delgada. Entonces, digamos que cada uno de los PHY se limitaría a transmitir a 10 MBit / s. Podría tener docenas de ellos, todos transmitiendo a la vez, utilizando diferentes parámetros de código, y cada uno de ellos podría escuchar instantáneamente a todos los demás y producir los 10MBit / s recibidos en flujo de cualquier otro – de hecho, con los recursos de una PHY 10GBASE-T personalizada, podría decodificar muchas de esas transmisiones a la vez.Por lo tanto, con la tecnología moderna, una » buena » Ethernet coaxial de 75 ohmios de 10 MBit podría cambiarse de TDMA a CodeDMA (¡no CDMA! !) y permitir segmentos de red libres de colisiones que tengan la cantidad de nodos típicamente presentes en esos segmentos en el pasado (de unas pocas a unas pocas docenas). No sería posible obtener un ancho de banda completo de 10 GBit / s con un solo cable coaxial, pero imagino que sería posible de 1 a 3 GBit / s … con cada tarjeta de red utilizando los recursos computacionales de mil máquinas Cray-1. Ahora todos saben por qué no tenían Ethernet multiplex por división de código en los años 80; es bastante elemental: Cray-1 tuvo una producción de alrededor de 100 unidades. Si hubieran hecho alrededor de 2000 de ellos, podría usar cada 1000 para armar un nodo CodeDMA 10BASE-T para demostrarlo todo. Además, en ese entonces, los ADC y DAC necesarios eran en su mayoría ficción, por lo que la implementación debería realizarse utilizando convertidores más lentos con traducción de frecuencia intermedia, y el procesamiento digital tendría que volver a traducir las subbandas a la serie temporal de banda base de banda ancha. formato, y luego fuera de él en el lado de transmisión. Pero, por supuesto, el factor limitante fue la escasa disponibilidad de supercomputadoras, fíjate 🙂 Sí, la FFT óptica podría aprovecharse para implementar algunos de esos segmentos FIR. Pero en los 80 eso era algo bastante secreto 🙂
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