Verwendung von Single Pair Ethernet (SPE) in lauten Umgebungen

Networking ist ein interessantes Thema. Ich wünschte, ich wüsste mehr darüber. Viele Leute denken nicht einmal über die Netzwerke nach, die sie nutzen, solange das elektronische Gerät, mit dem sie gerade spielen möchten, wie geplant funktioniert.

Das erste Mal, dass ich mit einem Netzwerk in freier Wildbahn in Kontakt kam, war irgendwann gegen Ende 1980 und Anfang 1981. Dies war mein erster Job nach meinem Universitätsabschluss, als ich als Mitglied eines Teams arbeitete, das CPUs für Großrechner bei International Computers entwarf Limited (ICL) in Manchester, Großbritannien.

Obwohl die von uns entworfenen Maschinen die Größe großer Räume hatten, hatten wir Zugang zu kleinen Tischmaschinen. Ich weiß nicht, wer sie hergestellt hat, aber sie waren älter als der erste IBM-PC. Ich habe sie verwendet, um kleine Programme in Pascal zu schreiben, das wie C ist, aber anders.

Wie wir auf Wikipedia lesen: „Pascal ist eine imperative und prozedurale Programmiersprache, die von Niklaus Wirth als kleine, effiziente Sprache entwickelt wurde, die gute Programmierpraktiken durch strukturierte Programmierung und Datenstrukturierung fördern soll. Sie ist nach dem französischen Mathematiker benannt, Philosoph und Physiker Blaise Pascal.

Man muss bedenken, dass Computer verschiedener Hersteller damals nicht wirklich viel miteinander kommunizierten. Beispielsweise verwendeten die meisten Computer den American Standard Code for Information Interchange (ASCII), um Text in Computern, Telekommunikationsgeräten und anderen Geräten darzustellen. Im Vergleich dazu verwendeten IBM-Computer den Extended Binary Coded Decimal Interchange Code (EBCDIC), was bei der Kommunikation mit Nicht-IBM-Computern wirklich nicht hilfreich war.

Um den Spaß und die Frivolität zu steigern, gab es mehrere Varianten von EBCDIC (die Zahl 57 kam mir gerade in den Sinn, aber ich weiß nicht, ob das die echte Zahl ist oder nicht). Jeder neue IBM-Computer verwendete eine andere EBCDIC-Variante, was bedeutete, dass selbst Computer desselben Herstellers Schwierigkeiten hatten, miteinander zu kommunizieren.

Heutzutage denken wir als Nutzer nicht mehr darüber nach, dass – unabhängig von ihren individuellen Besonderheiten – alle Computer auf dem Planeten Daten über das Internet austauschen. Aber das ist ein relativ neues Phänomen im Gesamtsystem. Als ich auf das Jahr 1980/81 zurückblickte, erinnere ich mich, dass ich eines Nachmittags zu einer großen Demonstration eingeladen wurde. Mir wurde gesagt, dass „Sandwiches serviert werden“. Ich war ein junger, schlecht bezahlter Ingenieur. Sie hatten mich bei „Sandwiches“.

Bei dieser Demonstration handelte es sich um einen Großrechner von ICL und einen kleinen Desktop-Rechner, der von … jemand anderem hergestellt wurde. Diese beiden Maschinen waren über ein proprietäres Netzwerk verbunden. Nach langem Waffeln, das ich nicht wirklich hörte, weil ich gerade Sandwiches aß, erstellte der Demonstrator mit dem Großrechner eine Textdatei. Dann schloss er diese Datei auf dem Großrechner und… warte darauf… warte darauf… öffnete dieselbe Datei auf dem kleinen Computer. Er nahm mit dem kleinen Computer einige Änderungen vor, schloss die Datei und ... Sie haben es erraten, er öffnete sie erneut mit dem Großrechner und stellte fest, dass die Änderungen noch vorhanden waren.

"Na und?" Ich höre dich sagen. Nun, ich kann nur sagen, dass das damals eine große Neuigkeit war. So groß, dass alle damaligen großen nationalen Zeitungen Reporter aus London (ungefähr 200 Meilen entfernt, was einer Tagesreise in England entspricht) entsandten, um an dieser erhabenen Veranstaltung teilzunehmen.

Apropos Ethernet (das waren wir nicht, aber wir sind es jetzt): Es hat sich zu einem der allgegenwärtigen Netzwerkstandards oder -protokolle oder was auch immer entwickelt. Wie so viele andere Dinge, die wir für selbstverständlich halten, wurde Ethernet zwischen 1973 und 1974 bei Xerox PARC entwickelt. Nochmals aus der Wikipedia: „Ethernet ist eine Familie kabelgebundener Computernetzwerktechnologien, die häufig in lokalen Netzwerken (LANs) und städtischen Netzwerken verwendet werden.“ (MANs) und Wide Area Networks (WANs). Es wurde 1980 kommerziell eingeführt und erstmals 1983 als IEEE 802.3 standardisiert. Ethernet wurde seitdem verfeinert, um höhere Bitraten, eine größere Anzahl von Knoten und längere Verbindungsentfernungen zu unterstützen behält viel Abwärtskompatibilität bei.“

Ich weiß nicht viel über Ethernet, außer dass ich meinen Computer über ein Ethernet-Kabel mit dem Internet-Router in meinem Büro verbinde. Allerdings zerlege ich im Rahmen meiner Hobbyprojekte gelegentlich Ethernet-Kabel, da jedes Kabel vier farblich gekennzeichnete Twisted-Pair-Drähte enthält, die sich hervorragend für die Störfestigkeit eignen (weshalb sie das überhaupt tun).

Wenn Sie mich bis vor Kurzem gefragt hätten: „Wie viele Drähte hat ein Ethernet-Kabel?“, hätte ich geantwortet: „Ich bin froh, dass Sie gefragt haben. Tatsächlich gibt es vier verdrillte Paare.“ Sie können sich also meine Überraschung vorstellen, als ich entdeckte, dass es so etwas wie Single Pair Ethernet (SPE) gibt. Es stellt sich heraus, dass dies auf das Jahr 2011 zurückgeht, als Broadcom seinen BroadR-Reach-Standard veröffentlichte. Die Idee bestand darin, Automobilherstellern die Standardisierung auf ein offenes, skalierbares 100-Mbit/s-Ethernet-basiertes Netzwerkprotokoll zu ermöglichen.

Es zeigt sich auch, dass der Einsatz von SPE explosionsartig zunimmt und sich von der Automobilindustrie auf die Luft- und Raumfahrt, das Internet der Dinge (IoT) und das industrielle IoT (IIoT) ausgeweitet hat, um nur einige zu nennen. Es versteht sich von selbst (aber ich sage es trotzdem), dass alle diese Umgebungen eines gemeinsam haben: SIE SIND LÄRM (bitte entschuldigen Sie, dass ich schreien muss).

Der Grund, warum ich das alles jetzt weiß, ist, dass ich gerade mit Andy Ackland gesprochen habe, dem CTO von UWBX. Andy erzählte mir, dass viele Entwickler ihre SPE-Frontend-Isolierung mithilfe einer Schaltung implementieren, die aus zwei Kondensatoren und einer Gleichtaktdrossel (CMC) besteht, um empfangenes Rauschen zu bekämpfen und Emissionsstandards einzuhalten, wie in Abbildung 1 unten dargestellt . Dies sorgt für eine gute Gleichtaktrauschunterdrückung ab 10 MHz, fällt jedoch unterhalb von 10 MHz deutlich ab.

Bilder aus dem UWBX/Halo-Whitepaper (Quelle: UWBX/Halo)

Im Vergleich dazu kann der Austausch der Kondensatoren durch einen Trenntransformator (Abbildung 2) eine deutlich verbesserte Gleichtakt-Rauschunterdrückung bis hin zu Gleichtakt ermöglichen, und – in Kombination mit einem CMC – ist die Rauschunterdrückung über das gesamte Frequenzband akzeptabel (Abbildung 3).

Andy sagt, dass am unteren Ende des Frequenzbereichs viele Störungen auftreten können und dass hier ihre Technologie glänzt. Er sagt auch, dass sie es mit ihrer einzigartigen Technologie geschafft haben, bis zum oberen Ende des Frequenzbereichs vorzudringen und sie trotzdem als Transformatoren ohne allzu große Verluste arbeiten zu lassen.

Ich bin kein Experte auf diesem Gebiet, aber Andy sagt, dass Ingenieure, die in diesem Bereich entwerfen, wissen, dass Transformatoren für sehr hohe Frequenzen schwer herzustellen sind, weshalb man auf andere Technologien zurückgegriffen hat, um zu versuchen, etwas zu schaffen, das das schafft funktionieren, wobei die kapazitive Kopplung ein Beispiel ist.

Andy erzählte mir: „Es gab zwar Transformatorlösungen, die mit 100 Mbit/s funktionierten, aber mit 2,5 Gbit/s funktionierten sie erst, als wir vor ein paar Jahren auf den Markt kamen.“

Andy fragte mich auch, ob ich etwas über elektrostatische Entladung (ESD) wüsste. Ich antwortete (mit zusammengebissenen Zähnen), dass ESD und ich alte Freunde seien. Andy teilte mir dann mit, dass ein weiterer Vorteil eines Trenntransformators darin besteht, dass man durch die Platzierung eines Transformator-Mittelabgriffs zur Erde auf der Leitungsseite die Anzahl der für den Gleichtakt- und ESD-Ableitung erforderlichen Komponenten reduzieren kann.

Anstatt gierig zu sein, lizenziert Andys Unternehmen, UWBX, sein geistiges Eigentum (IP) und seine Patente. HALO Electronics ist beispielsweise der zweitgrößte Anbieter von Transformatoren auf dem Ethernet-Markt weltweit und lizenziert dieses UWBX-IP.

Es stellt sich außerdem heraus, dass Andy und Peter Lu, Director of Engineering bei HALO Electronics, ein Whitepaper geschrieben haben, das all dies in erfreulichen Details erklärt: Immunity from Interference for Single Pair Ethernet (SPE) in Noisy Environments.

Ich fürchte, Sie müssen mich entschuldigen, denn ich muss dieses Whitepaper lesen und mehr über den Einsatz von Transformatoren im Hinblick auf ihre Fähigkeit zur Minderung von Rauschen und ESD-Problemen bei Single-Pair-Ethernet-Implementierungen erfahren. Ich weiß nicht warum, aber ich habe den leisen Verdacht, dass ich in nicht allzu ferner Zukunft noch viel mehr über den Einsatz von SPE hören werde. Und du? Haben Sie schon einmal von SPE gehört oder es selbst genutzt?