50 和 75 欧姆同轴电缆之间阻抗匹配对 10 Mbit/s、曼彻斯特编码信号 (20 MHz) 的影响

电器工程 以太网 阻抗匹配 曼彻斯特编码
2022-01-27 11:05:00

长话短说:

这是相当多的文字,因为我包含了大量的背景信息。但是,最终会有一个很好且准确的问题:在连接不同阻抗(如 50 Ω 和 75 Ω)的电缆时,是否应该使用阻抗匹配网络?可能的答案可能会以“这取决于...”开头,这就是我首先提供大量背景信息的原因。

介绍

我想摆脱沿着我家楼梯扔下的以太网电缆。我最初为卫星电视安装的现有备用同轴电缆似乎很有希望作为替代品,干净地隐藏在墙壁中。就在我准备为以太网天线式同轴电缆(75 Ω,能够达到 270 Mbit/s)购买合适的小盒子时,我记得10base2 - 老式 BNC/RG58 同轴以太网系统,并认为它的 10 Mbit/s 足以满足我的需求。带有 BNC 连接器甚至花哨的“以太网转换器”(同轴电缆到双绞线)的集线器的二手市场仍然非常好。我唯一不确定的是阻抗问题。10base2 使用 50 Ω 安装和 RG58 电缆,几乎所有家用天线系统的同轴电缆(例如我用于卫星电视的备用电缆)的阻抗为 75 Ω。

我现在很高兴地报告,10base2 足够强大,可以处理穿过 10...20 m 不合适的 75 Ω 同轴电缆的滥用。在那里,我修好了!耶!

然而, ...

我仍然很好奇我所做的 hack 是否真的很糟糕(例如:只是勉强够好)或者甚至可以接受。我用示波器查看了信号。设置是这样的: 设置

同轴电缆的 50 Ω 和 75 Ω 段之间没有任何匹配,结果显示出非常明显的反射噪声量。尽管有这个缺点,“眼睛”仍然是大开的,解码器可以愉快地完成他们的工作,导致丢包恰好为零。 两端没有匹配的网络。 我们正在查看示波器附近以太网集线器发送和接收的信号组合。从“干净”部分来看,传输的信号大约有。1.9 V pkpk,接收信号为 1.6 V pkpk如果可以安全地假设两个驱动器的输出幅度相同,我们甚至可以计算电缆引入的损耗:20×log(1.6/1.9)dB = 1.5 dB。足够好,因为 15 m 的典型同轴电缆与 6.6 dB/100 m 的计算得出 1 dB。

当在同轴电缆的 75 Ω 部分的近端或远端插入匹配网络时,噪声会大大降低。它看起来像这样(归功于此来源)... 匹配_网络

随着近端的匹配网络 75 Ω 同轴电缆近端的匹配网络 ......仍然有一些可见的反射从不匹配的远端返回。

对于远端的匹配网络,集线器和标记为“近”的不连续点之间的相对较短的 50 Ω 电缆也必须存在反射,但正如我从朋友那里了解到的,示波器无法“看到”它们,因为它们被驾驶员吸收了。此外,来自“远”驱动器的部分信号被反射并沿 75 Ω 电缆返回,并终止于远端的匹配网络: 75 Ω 同轴电缆远端的匹配网络

与不匹配的设置相比,来自远端的信号幅度大约减半 (-6 dB),这与预测网络损失 5.6 dB 及其“看起来”的阻抗的理论非常吻合进入。

所有上述工作,即没有匹配网络或在近端或远端有一个匹配网络。“工作”意味着我可以ping -f在这段时间内完成几个小时而不会丢失一个数据包。

现在,为什么不在“近”“远”使用两个匹配网络呢?那么,10base2 设计用于 RG58 的最大长度为 185 m,损耗为 6.6 dB/100 m 或 12.2 dB/185 m。因此,我的两个电阻匹配网络已经吃掉了几乎所有的信号,使我非常接近允许的极限,包括电缆在内,总共有太多的损失。我仍然怀疑基于变压器的低损耗解决方案是否可行,因为我认为 10base2(“便宜的网络”)需要直流路径:“直流电平:信号的直流分量必须在 37 mA 和 45 mA 之间. 这里的容差很严格,因为通过监控同轴电缆上的平均直流电平来检测碰撞。来源:第 4 页;也由本数据表支持) 再说一次;电阻匹配网络也会给任何直流偏置带来麻烦……

毕竟,

...再次简短的问题:在连接不同阻抗的电缆(例如 50 Ω 和 75 Ω)时,我应该使用阻抗匹配网络吗?

非常感谢“我更喜欢不匹配/匹配的设置,因为我更喜欢这个/那个示波器”之间的任何内容,以回答关于 RF 或 10base2 的低级硬件的大量背景信息。

编辑

如果您可以访问同轴收发器接口 (CTI) 的内部,则可以修改芯片之间的电路(8392似乎是各种制造商制造的类型,也是几乎专门用于几乎任何类型的类型任何人为 10base2 适配器制作的接口)和 BNC 连接器。以允许的总线长度为代价,可以对 75 Ω 和 93 Ω 的电缆进行权衡。National Semiconductor 就该主题制作了一份应用说明,称为AN-620(pdf,1992 年 9 月)。

但是,即使在找到这个应用笔记之后,如果能找到一些关于 8392 内部的背景信息也会很棒,例如,使用离散部件和可能的胶合逻辑和运算放大器构建接口时必须使用什么。

2个回答

阻抗失配导致的反射系数为: -

\$\dfrac{R-Z_o}{R+Zo}\$

其中,Zo 是电缆的阻抗,R 是源电阻或负载电阻。

而且,对于您的 50/75 欧姆设置,将是 -0.2。所以你放下(比如)3Vp-p 的电缆的信号会产生 0.6Vp-p 的反射。这太多了吗?这不是很好,但肯定不可怕。

经验1表明,电阻匹配网络乍一看是 10 base 2 以太网的一个不错的选择。它有助于改善射频信号质量的情况,但我忽略了由 10 base 2 处理碰撞检测的方式引起的问题,这是低频效应,可以通过简单的 DC 考虑来理解。

在 50 Ω 终端和 75 Ω 电缆段之间没有任何电阻性阻抗匹配网络时,连接效果最佳。

由失配引起的信号反射和过冲不会对收发器造成太大影响,但碰撞检测会查看进入电缆的平均(过滤)电流,并且使用电阻匹配网络,电流水平有时会超出规定的限制。这一切都归结为考虑由发射器电压在电缆的 50 Ω 终端 (I=U/R) 上下降所产生的直流电流。添加电阻网络将为终端创建平行路径并增加直流电流。这有时可能会干扰碰撞检测。以我的经验,这主要发生在炎热的夏季,高湿度,可能是因为同轴电缆中电介质的直流泄漏增加。

TL、DR:10 base 2 将轻松处理通过 75 Ω 天线同轴电缆发送的滥用。信号射频部分的过冲、反射和任何其他副作用都不是问题。然而,碰撞检测关注的是低频电流,并且它需要在同轴电缆的每一端恰好有两个 50 Ω 的终端电阻。添加电阻会改变(50 Ω)/2 = 25 Ω的直流电阻,导致碰撞检测电路工作不可靠。

阅读了 internet TM并与一些非常有经验的老派 LAN 专家交谈后表明,这是一个非常普遍的误解。因此,请原谅上面的粗体字。正如这个相关问题所示,这种误解甚至出现在wikipedia上。


脚注:

1查看原始问题的日期,我注意到该系统,无论有无电阻匹配网络,现在已经使用了两年多。在 2015 年夏天的一些炎热的日子里,我遇到了麻烦。然后,我移除了电阻匹配网络,从那以后就没有任何问题了。