Der Mythos „LAN-Übertrager“

| Autor / Redakteur: Heinz Zenkner * / Thomas Kuther

Ein LAN-Übertrager der WE-LAN-AQ-Serie: mit ihm lassen sich besonders performante Ethernet- Kommunikationsschnittstellen aufbauen.
Ein LAN-Übertrager der WE-LAN-AQ-Serie: mit ihm lassen sich besonders performante Ethernet- Kommunikationsschnittstellen aufbauen. (Bild: Würth Elektronik eiSos)

Als Schnittstelle zwischen Gerät und Ethernetkabel übernimmt der Ethernet-Transformer wichtige Funktionen. Deshalb sollten bei der Wahl eines LAN-Übertragers unbedingt einige Aspekte beachtet werden.

Der Ethernet-Transformer (LAN-Übertrager) ist die Schnittstelle zwischen Gerät und dem Ethernetkabel. Der Übertrager sorgt für die sicherheitsrelevante galvanische Trennung zwischen Gerät und Kabel und gleichzeitig für die Impedanzanpassung. Jedoch muss das Bauteil auch die Daten bis zu 1 Gbit/s breitbandig übertragen, ohne das Sende- und das Empfangssignal wesentlich zu dämpfen.

Im Consumer-Bereich geht der Trend zu WiFi, im Industrie-4.0-Bereich werden die technischen Anforderungen an die drahtgebundene LAN-Schnittstelle immer härter. Was sind die wesentlichen Parameter, die der Entwickler zur Auswahl dieses Bauelementes benötigt und wo machen sich Qualitätsunterschiede bemerkbar? Worin besteht der Vorteil der neuen LAN-Übertrager Serie WE-LAN-AQ? Diese Punkte werden anhand von technischen Daten und wichtigen Hinweisen für die System-Performance erläutert.

LAN- oder Ethernetübertrager haben die folgende Aufgaben:

  • schützen das Gerät vor transienten Störungen, unterdrücken Gleichtaktsignale zwischen dem Transceiver-IC und dem Kabel, sowohl vom Gerät nach außen, als auch vom äußeren Kabel zur Elektronik im Gerät.
  • trennen das Gerät vom Kabel galvanisch, koppeln bei PoE (Power Over Ethernet) die erforderliche Betriebsspannung ein.
  • passen die interne Logik impedanzmäßig an die symmetrischen Adernpaare an und bewirken somit auch eine Signalformung, bzw. Signalaufbereitung.

Der Übertrager allein macht jedoch noch nicht die Ethernetschnittstelle, es sind zahlreiche zusätzliche Bauelemente nötig. Es gibt zwei Ansätze, um die Schnittstelle in das entsprechende Gerät zu integrieren. Der Einsatz eines fertigen Modules, oder ein Aufbau mit diskreter Technik.

Diskrete und integrierte Module haben beide Vor- und Nachteile. Wenn man ein eigenes Modul für den Einsatz zwischen dem PHY-Chip der RJ45-Buchse festlegt, kann der nötige EMV-Schutz selbst bestimmt werden, da die Auswahl der Bauelemente, die Anordnung und das Layout dem Entwickler überlassen wird. Es ist zwar etwas mehr Designarbeit erforderlich, aber die diskrete Version ist günstiger und es können, für spezielle Anforderungen, Isolationsspannungen bis 6 kV erreicht werden.

Die Alternative sind Module mit integrierter Technik, die als Integrated Connector Modules (ICM) bezeichnet werden. ICMs sind sehr schnell und einfach zu implementieren und bieten die Sicherheit, dass die Schaltung den Ethernetstandards entspricht. Sie sind sehr kompakt und helfen, bei beengten Platzverhältnissen wertvollen Boardbereich zu sparen, indem sie zahlreiche einzelne Komponenten kombinieren.

Systembetrachtung

Wenn man sich für einen diskreten Aufbau entschieden hat – wie wählt man den passenden Übertrager aus, was sind die kritischen Parameter? Die Schnittstelle muss zusammen mit dem anzuschließenden Kabel betrachtet werden. Grundsätzlich hat UTP eine Impedanz von 100 Ω und STP 150 Ω (1000BASE-T: IEEE 802.3, z.B. Abschnitt 39). Im Falle von Markenkabeln: 5e, 6 und 6a sind sowohl geschirmt als auch ungeschirmt erhältlich, und die Kategorien 7 und 7a sind immer geschirmt. Die Schaltungstechnik in den Geräten ist zum Großteil „etabliert“, d.h. weit verbreitet. In Bild 1 ist das Blockschaltbild dargestellt.

Der LAN-Übertrager sorgt für eine DC-Trennung zwischen der Boardelektronik und dem Netzwerkkabel. Der mittlere Abgriff der isolierten Wicklung hat den erwähnten „Bob Smith“-Abschluss durch einen 75-Ω-Widerstand und einen Kondensator mit einem typischen Kapazitätswert von 1000 bis 2000 pF zur Gehäusemasse. Der Abschlusskondensator sollte für eine Spannung von mindestens 2 kV ausgelegt sein. Die „Bob-Smith“-Terminierung wird verwendet, um Störungen zu reduzieren, die durch Gleichtaktstromflüsse verursacht werden und um die Anfälligkeit für Störungen durch unbenutzte Adernpaare am RJ-45-Anschluss zu reduzieren.

Bob Smith bezog sich auf eine Impedanz von etwa 145 Ω pro Aderpaar. Aufgrund von Marktverfügbarkeit vieler verschiedener Kabeltypen, Unterschieden in den Basisimpedanzen der verschiedenen Kabeltypen und der Tatsache, dass die Kabel wegen der Verdrillung keine konstante Impedanz über die Länge aufweisen, wurden Gleichtaktdrosseln implementiert. Aber leider können diese Drosseln die Abweichungen in der Impedanzanpassung nicht korrigieren, sie verbessern aber die EMV. Wenn man sich die Referenzdesigns ansieht, findet man immer noch überall die 75-Ω-Anpassungswiderstände, die Bob Smith einmal vorgeschlagen hat.

Bob Smith bezog sich nur auf das CAT5-Kabel und verwies auf die Tatsache, dass die Leitungspaare als isolierte Übertragungsleitungen zu betrachten sind – aber das ist falsch, die Impedanzen müssen im Verhältnis zu den anderen Kabeln im Bündel betrachtet werden.

Wie wird die charakteristische Impedanz im Kabel gemessen? Für den Fall, dass ein Paar gegenüber den anderen drei offenen Paaren betrachtet wird, ergeben sich 100 Ω. Wird hingegen das Paar gegenüber drei zusammengeschalteten Paaren betrachtet, beträgt die gemessene Impedanz 70 Ω (Bild 2). Es muss also immer das gesamte Impedanzsystem betrachtet werden, da sich die Adern gegenseitig beeinflussen – eine 145-Ω-Konstellation, wie sie bei Bob Smith als Referenz genommen wurde, ist jedoch in keiner der Adernkombinationen ermittelbar.

Ein Parameter, der im Kabel das Übersprechen maßgebend bestimmt, ist der Verdrillungsgrad (Pitch). Jedes der vier Paare in einem CAT5-Kabel hat einen anderen Verdrillungsgrad, um das Übersprechen zwischen den Paaren zu minimieren. Leider ist dieser Parameter in der Norm nicht festgelegt. Typisch bewegen sich die Werte pro Umdrehung zwischen 1 und 2 cm – also 50 bis 100 Verdrillungen pro Meter. Da der Verdrillungsgrad in die Länge und damit in die Kosten des Kabels eingeht, kann man sich vorstellen, in welche Richtung die Tendenz geht.

Durch aufwändige Labormessungen lässt sich ermitteln, dass der impedanzmäßig richtige Abschluss am mittleren Abgriff des Übertragers etwa 53 Ω beträgt, was den besten (höchsten) Wert bei der Rückflussdämpfung ergibt. Dies bezieht sich jedoch auf eine Gleichtaktimpedanz des Kabels von 75 Ω.

CAT6-Kabel haben eine höhere Gleichtaktimpedanz. Dies wird aufgrund der signifikanten Unterschiede in der Konstruktion erwartet (Bild 3). Durch die Konstruktion sind die Wellenwiderstände gleichmäßiger zueinander und entlang der Kabellänge. Am Ende muss also die Anpassungsimpedanz an den Kabeltyp des Systems und die Auswirkungen bzw. Unterschiede angepasst werden, was in der Praxis sehr schwer zu messen ist – eine Möglichkeit ist die Bit-Error-Rate zu messen.

Der LAN-Übertrager und seine Daten im Einzelnen

Die von Würth Elektronik verfügbaren LAN-Übertrager der WE-LAN-AQ-Serie sind kostengünstige, robuste und zuverlässige Komponenten. Durch die 100% maschinelle Fertigung ist eine gleichbleibend hohe Qualität gewährleistet. In Bild 5 sind die technischen Daten des Übertragers WE-LAN-AQ 749020310 dargestellt, der auch für 1000Base-T eingesetzt werden kann; im rechten Teil von Bild 5 sind die mechanischen Maße gezeigt. Der Übertrager hat eine maximale Bauhöhe von 4,5 mm.

Die Übertragerserie zeichnet sich durch besonders gute elektrische Werte und deren Reproduzierbarkeit in der Serie aus. Somit können besonders performante Ethernet-Kommunikationsschnittstellen aufgebaut werden, deren Qualität auch in der Produktion größerer Stückzahlen sichergestellt werden kann.

Die folgenden Faktoren sind bei der Auswahl eines LAN-Übertragers zu berücksichtigen:

  • Übersprechen (Cross Talk): Ein wichtiger Parameter ist das Übersprechen zwischen Sende- und Empfangskanal. Dieses Übersprechen kann bei der EMV-Prüfung zu Problemen führen. Übertrager mit einer Abschirmung zwischen den beiden Kanälen können das Übersprechen minimieren und zusätzliche 10 dB Dämpfung erreichen. Übersprechen entsteht durch die Wechselwirkung von elektromagnetischen Feldern, die von benachbarten Signalen erzeugt werden, während sie sich über Übertragungsleitungen und Bauelemente ausbreiten.
  • Einfügungsdämpfung (Insertion Loss): Die Einfügungsdämpfung ist der Verlust der Übertragungsenergie von der Quelle zur Last und stellt somit den Teil an übertragener Signalenergie dar, der im entsprechend gemessenen System zwischen Eingang und Ausgang verloren geht und damit eng mit der möglichen Reichweite bzw. Kabellänge zusammenhängt.
  • Rückflussdämpfung (Return Loss): Die Rückflussdämpfung ist ein Maß für die reflektierte Leistung an der Schnittstelle. Ein höherer, negativer dB-Wert der Rückflussdämpfung stellt eine geringere reflektierte und damit verlorene Leistung und eine höhere Vorwärtsübertragung im Kommunikationssystem dar (z.B. –16 dB ist besser als –10 dB). Im Ethernet-Standard IEEE 802.3 ist die Rückflussdämpfung auf Systemebene an der RJ45-Schnittstelle spezifiziert. Die Norm gibt an, dass die Schnittstelle mit der Impedanz der Eigenschaften des UTP-Kabels von 100 Ω übereinstimmt. Die Rückflussdämpfung definiert somit den Grad der Anpassung zwischen Quelle und Lastimpedanz. Der Bereich der Referenzimpedanz erstreckt sich von 85 bis 115 Ω, um den Betrieb über einen weiten Bereich von installierten UTP-Kabeln sicherzustellen. Die Messwerte sind zwischen 1 und 80 MHz für Fast-Ethernet- (FE) Schnittstellen und zwischen 1 und 100 MHz für Gigabit-Ethernet- (GbE) Schnittstellen spezifiziert.
  • Gleichtaktunterdrückung (Common Mode Rejection): Die Gleichtaktunterdrückung ist die Fähigkeit, ein Signal zu unterdrücken, das, bezogen auf die Masse, an beiden Eingängen die gleichen Werte in Amplitude und Phase hat. Dieses Signal, das in der Regel das Ergebnis von eingekoppelten Störungen oder einer Fehlanpassung ist, erzeugt eine kleine differentielle Fehlerspannung am Ethernet-Signaleingang. Diese Störung wird mit dem Nutzsignal im Controller verstärkt und führt unweigerlich zu Bit-Fehlern (Bit-Error-Rate steigt). Der Übertrager ist dabei die Schlüsselkomponente, um die Gleichtaktstörungen auf ein Minimum zu reduzieren.
  • Differenziell-/Gleichtakt-Unterdrückung (Differential-/Common Mode Rejection): Selbst wenn die symmetrische Signalquelle ein perfekt abgestimmtes Differenzsignal sendet, kann das Signal, wenn die beiden Signalwege im Übertrager nicht identisch sind, zu einem bestimmten Anteil „unsymmetriert“ werden. Diese Asymmetrie kann nicht nur zu EMV-Problemen führen, sondern auch die Bit-Error-Rate deutlich erhöhen. Dieser Umwandlungsprozess wird als „Differential-/Gleichtakt-Umwandlung“ bezeichnet. Der Testparameter, ist das Differential-zu-Gleichtakt-Unterdrückungsverhältnis (DCMR in dB). Der Parameter ist also das Verhältnis des differentiellen Signals zum Gleichtaktsignal.

Die Messkurven in den Bildern 6 bis 10 belegen die elektrischen Parameter der WE-LAN-AQ-Serie gegenüber herkömmlichen Übertragern. Die Messungen wurden mit jeweils zehn Mustern aus verschiedenen Losen durchgeführt. Die roten Kurven repräsentieren jeweils die LAN-AQ-Serie.

Aus den dargestellten Messkurven ist deutlich zu erkennen, dass die LAN-Übertragerserie LAN-AQ eine geringe Streuung der elektrischen Parameter aufweist und zudem deutlich bessere Werte hat. Dennoch, der Übertrager ist „nur die halbe Miete“. Die Komponente benötigt ein „EMV-, bzw. HF-gerechtes“ Umfeld, das betrifft besonders die Punkte

  • Qualität der restlichen Bauelemente in der Interface-Schaltung,
  • PCB-Layout (Impedanzen, Übersprechen, Symmetrie, Lagenisolierung),
  • Bezugs-/Referenzmasse, Gehäusekonstruktion,
  • RJ45-Buchse (Schirmung, ggf. Masseanschluss),
  • Entkopplung der Einheit von der Stromversorgung.
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* Dr.-Ing. Heinz Zenkner ist Application Engineer im Technical Marketing bei der Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG.

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