Обеспечение ЭМС Ethernet-приложений в жестких условиях эксплуатации

Внешние электрические помехи являются губительными для работы проводных сетей. Например, под влиянием электромагнитного излучения и наводок теряются пакеты данных. Даже те приложения, в которых применяется устойчивая к сбоям технология Ethernet, страдают от шума, если они эксплуатируются в жестких условиях, например в автотранспорте или в промышленном оборудовании.

Однако в настоящее время на рынке появляются технологии, которые позволяют подавить шум и ограничить восприимчивость Ethernet-приложений даже в условиях сильной зашумленности.

Для начала мы определим те факторы, которые влияют на Ethernet-системы.

Электромагнитная совместимость

При передаче данных на большие расстояния на провода сети воздействуют помехи и наводки. Электромагнитная совместимость (ЭМС) является той мерой, которая определяет влияние этих эффектов на рабочие характеристики устройств в конкретных условиях эксплуатации.

Электромагнитные помехи возникают при передаче данных по проводам. Эти провода играют роль антенны, которая излучает помехи в окружающее пространство. В США допустимые уровни помех регламентируются Федеральной комиссией по связи (FCC). Два класса (A и B) определяют эти уровни для приложений, использующихся в быту и коммерции, благодаря чему рядом расположенные устройства и системы получают возможность нормально функционировать.

Уровень наводок определяется путем анализа электромагнитной совместимости. Шум, проникающий в проводные соединения от близко находящихся источников, вызывает помехи, которые ухудшают пропускную способность системы, или отказы.

Цель анализа ЭМС изделия состоит в таком уменьшении влияния шума от разных систем, при котором не нарушаются их рабочие характеристики.

Обеспечение ЭМС с помощью витой пары

Для уменьшения уровня помех в Ethernet-приложениях применяется дифференциальная передача сигнала и кабели «витая пара» (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция Ethernet-кабеля

При прохождении сигналов по дифференциальной паре уровень электромагнитных помех снижается благодаря тому, что шумы от сигналов разной полярности взаимоуничтожаются. Кроме того, такая связь является более устойчивой к помехам за счет того, что дифференциальный приемник отличает сигнал от шума с большей эффективностью.

При использовании балансного подключения один и тот же сигнал проходит по двум разным проводам, но в одном из них он инвертирован (рис. 2). При этом на каждый из сигналов в равной мере действует синфазный шум, который исключается в приемном устройстве с помощью трансформаторной связи.

Рис. 2. Балансный сигнал

Эти простые, но эффективные меры по улучшению ЭМС позволили Ethernet-технологии завоевать огромную популярность в домашних и офисных приложениях. В настоящее время, по мере все большего применения Ethernet в жестких условиях эксплуатации в сетях с достаточно длинными кабелями в промышленных установках, электрораспределительных системах и автомобильной электронике, ужесточились требования к обеспечению ЭМС.

Технология Quiet-WIRE

Чтобы в еще большей мере повысить ЭМС Ethernet-сетей, была разработана технология Quiet-WIRE, расширившая возможности приемопередатчика Ethernet. В передатчик интегрирована схема активной фильтрации, которая подавляет шум выше 60 МГц, а шумоподавление приемника стало выше благодаря использованию технологии цифровой обработки сигналов (DSP). Оба этих технологических усовершенствования в значительной мере улучшают помехозащищенность системы в жестких условиях эксплуатации.

На рис. 3 представлены результаты лабораторных испытаний с помощью метода инжекции объемного тока (Bulk Current Injection, BCI), который применяется для тестирования электромагнитной совместимости. Полученные данные показывают, что у трансиверов, реализованных с помощью технологии Quiet-WIRE, отсутствуют ошибки при передаче сигнала под воздействием шумового тока 200 мА в диапазоне частот 1–400 МГц. Таким образом, эти устройства отвечают требованиям самых строгих стандартов для автомобильных электронных систем.

Рис. 3. Сравнение производительности Quiet-WIRE

В то же время у приемника, который не использует технологию Quiet-WIRE, деградация сигнала составляет около 9 дБм, что в 10 раз хуже того же показателя приемника с этой технологией.

В технологии Quiet-WIRE применяется индикатор качества сигнала, который аппроксимирует отношение сигнала к шуму и по показаниям которого можно судить о величине шума от окружающей среды. Главное преимущество этого индикатора заключается в сокращении времени монтажа системы. По показаниям индикатора монтажник в режиме реального времени узнает состояние окружающей среды, которая воздействует на систему. При высоких уровнях внешнего шума индикатор предупреждает о необходимости уменьшить помехи от источника или иначе проложить кабели, что обеспечивает существенную экономию за счет отказа от привлечения специалистов для диагностики системы.

Изделия с технологией Quiet-WIRE

Компания Microchip Technology выпускает целый ряд изделий для жестких условий эксплуатации, в которых используется технология Quiet-WIRE. На рис. 4 показана типовая структурная схема автомобильной Ethernet-сети, в которой применяются эти изделия. KSZ8061 PHY и переключатель KSZ8567 Switch оснащаются функциями Quiet-WIRE на этапе производства с помощью выводов. При этом программное обеспечение не используется.

Рис. 4. Структурная схема автомобильной сети

Компания Microchip предлагает 24 изделия с функцией Quiet-WIRE для Ethernet-сетей, в т. ч. продукцию, сертифицированную согласно требованиям стандарта AEC-Q100 и работающую в расширенном диапазоне температуры до 105°C. Благодаря этим изделиям Ethernet-приложения получают возможность безопасно функционировать в зашумленных средах. Используемая в них технология Quiet-WIRE обеспечивает связь с высокой надежностью при соблюдении самых строгих требований к ЭМС и дает уверенность, что системы выполнят возложенные на них задачи в течение всего срока службы.