ノイズの多い環境でのシングル ペア イーサネット (SPE) の使用

ネットワーキングは興味深いトピックです。 もっと詳しく知りたかったです。 多くの人は、現在使用したい電子機器が計画どおりに動作する限り、使用しているネットワークについてさえ考えません。

私が初めて実際のネットワークに触れたのは、1980 年末から 1981 年の初め頃でした。これが大学卒業後の最初の仕事で、International Computers でメインフレーム コンピュータ用の CPU を設計するチームのメンバーとして働きました。英国マンチェスターのリミテッド (ICL)。

私たちが設計していたマシンは大きな部屋ほどの大きさでしたが、小型の卓上マシンにもアクセスできました。 誰が作ったのかは分かりませんが、最初の IBM PC よりも前から存在していました。 これらを使用して、Pascal で小さなプログラムを作成しました。Pascal は C に似ていますが、異なります。

Wikipedia には次のように書かれています。「Pascal は命令型の手続き型プログラミング言語で、構造化プログラミングとデータ構造化を使用した適切なプログラミングの実践を奨励することを目的とした小型で効率的な言語としてニクラス ヴィルトによって設計されました。この名前は、フランスの数学者に敬意を表して付けられました。哲学者であり物理学者のブレーズ・パスカルです。」

昔は、異なるメーカーのコンピューターは相互にそれほど通信していなかったということを覚えておく必要があります。 たとえば、ほとんどのコンピュータは、コンピュータ、電気通信機器、その他のデバイス内のテキストを表現するために、米国標準情報交換コード (ASCII) を使用していました。 比較すると、IBM コンピューターは拡張 2 進数 10 進数交換コード (EBCDIC) を採用していましたが、これは IBM 以外のコンピューターと通信する場合には役に立ちませんでした。

楽しさと軽薄さを増すために、EBCDIC には複数のフレーバーがありました (57 という数字が頭に浮かびましたが、それが実際の数字かどうかはわかりません)。 新しい IBM コンピューターはそれぞれ異なる種類の EBCDIC を使用していたため、同じメーカーのコンピューターであっても相互に通信するのが困難でした。

最近、私たちはユーザーとして、個々の特性に関係なく、地球上のすべてのコンピューターがインターネット経由でデータを共有しているという事実を考えていません。 しかし、これは物事の仕組みの中では比較的新しい現象です。 1980/1981年に戻ると、私はある日の午後、大規模なデモに招待されたことを覚えています。 「サンドイッチが出ますよ」と言われました。 私は若く、薄給のエンジニアでした。 彼らは私を「サンドイッチ」にしてくれました。

このデモンストレーションには、ICL のメインフレーム コンピューターと、別の誰かが製造した小型デスクトップ コンピューターが含まれていました。 これら 2 台のマシンは独自のネットワークによってリンクされていました。 ワッフルをたくさん食べた後、デモンストレーターはメインフレーム コンピューターを使用してテキスト ファイルを作成しました。 それから彼はメインフレーム上でこのファイルを閉じ、…待って…待って…同じファイルを小型コンピュータで開きました。 彼は小型コンピュータを使用していくつかの編集を行い、ファイルを閉じました。そして…ご想像のとおり、彼はメインフレーム コンピュータを使用して再度ファイルを開き、変更がまだ残っていることを明らかにしました。

"だから何？" そう言うのが聞こえます。 まあ、私が言えるのは、これは当時大きなニュースだったということだけです。 実際、あまりに大規模だったので、当時の大手全国紙はすべて、この 8 月のイベントに出席するためにロンドン (約 200 マイル離れており、イギリスでの往復 1 日に相当) から記者を派遣したほどです。

イーサネット (当時はそうではありませんでしたが、今はそうです) と言えば、これはユビキタス ネットワーキング標準、プロトコル、その他のものの 1 つとして成長しました。 私たちが当たり前だと思っている他の多くのものと同様に、イーサネットは 1973 年から 1974 年にかけてゼロックス PARC で開発されました。再びウィキペディアから: 「イーサネットは、ローカル エリア ネットワーク (LAN) やメトロポリタン エリア ネットワークで一般的に使用される有線コンピュータ ネットワーキング テクノロジのファミリーです。イーサネットは、1980 年に商業的に導入され、1983 年に IEEE 802.3 として初めて標準化されました。それ以来、イーサネットは、より高いビット レート、より多くのノード数、より長いリンク距離をサポートするように改良されてきましたが、多くの下位互換性が保たれています。」

私は、オフィスのインターネット ルーターにコンピューターを接続するためにイーサネット ケーブルを使用しているという事実以外、イーサネットについてあまり知りません。 そうは言っても、私は趣味のプロジェクトの一環としてイーサネット ケーブルを分解することがあります。各ケーブルには、ノイズ耐性に優れた 4 本の色分けされたツイストペア線が含まれているからです (これが、そもそも分解する理由です)。

最近まで、「イーサネット ケーブルには何本のワイヤがありますか」と尋ねられたら、「質問してよかったです。実際には、ツイスト ペアが 4 本あります。」と答えていたでしょう。 したがって、シングル ペア イーサネット (SPE) のようなものが存在することを知った私の驚きは想像するしかありません。 これは、Broadcom が BroadR-Reach 標準をリリースした 2011 年に遡ることがわかりました。 このアイデアは、自動車メーカーがオープンでスケーラブルな 100Mbps イーサネット ベースのネットワーク プロトコルを標準化できるようにすることでした。

また、SPE の使用が爆発的に増加しており、ほんの数例を挙げると、自動車から航空宇宙、モノのインターネット (IoT)、産業用 IoT (IIoT) にまで拡大していることも判明しました。 言うまでもないことですが (とにかく言っておきます)、これらの環境にはすべて、騒々しいという共通点があります (大声を出すことをお許しください)。

私が今このようなことをすべて知っているのは、ちょうど UWBX の CTO である Andy Ackland と話をしていたからです。 アンディは、受信ノイズに対処し、放射基準を満たすために、多くの開発者が、以下の図 1 に示すように、2 つのコンデンサとコモン モード チョーク (CMC) で構成される回路を使用して SPE フロントエンド絶縁を実装していると教えてくれました。 。 これにより、10MHz 以上ではコモンモードノイズが良好に抑制されますが、10MHz を下回ると大幅に低下します。

UWBX/Halo ホワイトペーパーの画像 (出典: UWBX/Halo)

比較すると、コンデンサを絶縁トランスに置き換えると (図 2)、コモンモード ノイズ除去が DC に至るまで大幅に改善され、CMC と組み合わせると、周波数帯域全体にわたってノイズ除去が許容可能になります (図 3)。

アンディ氏は、周波数範囲のローエンドで多くの干渉が発生する可能性があり、これが彼らの技術が輝くところであると述べています。 彼はまた、彼らが独自のテクノロジーで成し遂げたことは、周波数範囲のトップエンドまで到達しながら、あまり損失なくトランスとして機能させることだとも述べています。

私はこのテーマの専門家ではありませんが、アンディによれば、この分野の設計エンジニアなら、非常に高い周波数に対応した変圧器を作るのが難しいことを知っているはずです。だからこそ人々は、高周波に対応したものを作ろうと他の技術に手を伸ばしているのです。容量結合はその一例です。

アンディは私に、「100Mbps で動作する変圧器ソリューションはありましたが、当社が数年前に登場するまで、2.5Gbps では動作しませんでした。」と言いました。

アンディはまた、静電気放電 (ESD) について知っているかどうか私に尋ねました。 私は（歯を食いしばりながら）ESDと私は古い友人だと答えました。 アンディは、絶縁トランスのもう 1 つの利点は、トランスのセンター タップをライン側のグランドに配置することで、コモン モードと ESD 散逸に必要な部品の数を削減できることだと教えてくれました。

アンディの会社 UWBX は、貪欲ではなく、自社の知的財産 (IP) と特許をライセンス供与しています。 たとえば、HALO Electronics は、イーサネット市場における変圧器の世界第 2 位のサプライヤーであり、この UWBX IP のライセンスを取得しています。

また、Andy と HALO Electronics のエンジニアリング ディレクターである Peter Lu が、このすべてを詳細に説明するホワイトペーパー「ノイズの多い環境におけるシングル ペア イーサネット (SPE) の干渉からの耐性」を執筆したことも判明しました。

申し訳ありませんが、このホワイトペーパーを読んで、シングル ペア イーサネット実装でのノイズと ESD 問題を軽減するトランスの使用方法について詳しく学ぶ必要があるため、申し訳ありません。 理由はわかりませんが、そう遠くない将来、SPE の使用についてよく聞くようになるのではないかと密かに疑っています。 あなたはどうですか？ SPE について聞いたことがありますか、またはご自身で使用したことがありますか?