Uso de Ethernet de par único (SPE) en entornos ruidosos

La creación de redes es un tema interesante. Ojalá supiera más al respecto. Mucha gente ni siquiera piensa en las redes que están usando mientras el equipo electrónico con el que quieren jugar funcione según lo planeado.

La primera vez que entré en contacto con una red en la naturaleza fue a fines de 1980 y principios de 1981. Este fue mi primer trabajo después de dejar la universidad, como miembro de un equipo que diseñaba CPU para computadoras centrales en International Computers. Limited (ICL) en Manchester, Reino Unido.

Aunque las máquinas que estábamos diseñando eran del tamaño de salas grandes, teníamos acceso a máquinas pequeñas de sobremesa. No sé quién los hizo, pero son anteriores a la primera PC de IBM. Los usé para escribir pequeños programas en Pascal, que es como C pero diferente.

Como leemos en la Wikipedia: "Pascal es un lenguaje de programación imperativo y procedimental, diseñado por Niklaus Wirth como un lenguaje pequeño y eficiente destinado a fomentar las buenas prácticas de programación utilizando la programación estructurada y la estructuración de datos. Recibe su nombre en honor al matemático francés, filósofo y físico Blaise Pascal".

Debe recordar que las computadoras de diferentes fabricantes realmente no se comunicaban mucho entre sí en esos días de antaño. Por ejemplo, la mayoría de las computadoras usaban el Código estándar estadounidense para el intercambio de información (ASCII) para representar texto en computadoras, equipos de telecomunicaciones y otros dispositivos. En comparación, las computadoras de IBM empleaban el código de intercambio decimal codificado en binario extendido (EBCDIC), que realmente no ayudaba cuando se comunicaban con máquinas que no eran de IBM.

Solo para aumentar la diversión y la frivolidad, había varios sabores de EBCDIC (el número 57 me vino a la mente, pero no sé si ese es el número real o no). Cada nueva computadora de IBM usaba un sabor diferente de EBCDIC, lo que significaba que incluso las computadoras del mismo fabricante tenían dificultades para comunicarse entre sí.

En estos días, como usuarios, no pensamos en el hecho de que, independientemente de sus peculiaridades individuales, todas las computadoras del planeta comparten datos a través de Internet. Pero este es un fenómeno relativamente nuevo en el esquema de las cosas. Volviendo a 1980/81, recuerdo que una tarde me invitaron a asistir a una gran manifestación. Me dijeron que "se servirán sándwiches". Yo era un ingeniero joven y mal pagado. Me tenían en "sándwiches".

Esta demostración involucró una computadora central de ICL y una pequeña máquina de escritorio fabricada por... otra persona. Estas dos máquinas estaban unidas por una red propietaria. Después de un montón de gofres, que en realidad no escuché porque estaba ocupado comiendo sándwiches, el demostrador creó un archivo de texto usando la computadora central. Luego cerró este archivo en el mainframe y... espéralo... espéralo... abrió el mismo archivo en la computadora pequeña. Hizo algunas ediciones usando la computadora pequeña, cerró el archivo y... lo adivinaste, lo abrió de nuevo usando la computadora central para revelar que los cambios aún estaban allí.

"¿Así que lo que?" te escucho decir Bueno, todo lo que puedo decir es que esta fue una gran noticia en ese momento. Tan grande, de hecho, que todos los grandes periódicos nacionales de la época enviaron reporteros desde Londres (a unas 200 millas de distancia, lo que equivale a un día de ida y vuelta en Inglaterra) para asistir a este augusto evento.

Hablando de Ethernet (no lo éramos, pero ahora lo somos), se ha convertido en uno de los estándares o protocolos de redes ubicuos, o lo que sea. Como muchas otras cosas que damos por sentadas, Ethernet se desarrolló en Xerox PARC entre 1973 y 1974. Nuevamente, de Wikipedia: "Ethernet es una familia de tecnologías de redes informáticas cableadas comúnmente utilizadas en redes de área local (LAN), redes de área metropolitana (MAN) y redes de área amplia (WAN). Se introdujo comercialmente en 1980 y se estandarizó por primera vez en 1983 como IEEE 802.3. Desde entonces, Ethernet se ha refinado para admitir tasas de bits más altas, una mayor cantidad de nodos y distancias de enlace más largas, pero conserva mucha compatibilidad con versiones anteriores".

No sé mucho sobre Ethernet, aparte del hecho de que uso un cable Ethernet para conectar mi computadora al enrutador de Internet en mi oficina. Habiendo dicho esto, de vez en cuando desarmo los cables Ethernet como parte de mis proyectos de hobby, porque cada cable contiene cuatro cables de par trenzado codificados por colores, que son excelentes para la inmunidad al ruido (razón por la cual lo hacen en primer lugar).

Hasta hace poco, si me hubieras preguntado: "¿Cuántos hilos hay en un cable Ethernet?", habría respondido: "Me alegro de que lo hayas preguntado. De hecho, hay cuatro pares trenzados". Entonces, solo puede imaginar mi sorpresa al descubrir que existe algo como Single Pair Ethernet (SPE). Resulta que esto data de 2011 cuando Broadcom lanzó su estándar BroadR-Reach. La idea era permitir que los fabricantes de automóviles se estandarizaran en un protocolo de red abierto y escalable basado en Ethernet de 100 Mbps.

También resulta que el uso de SPE se está disparando, habiéndose expandido de la industria automotriz a la aeroespacial, el internet de las cosas (IoT) y el IoT industrial (IIoT), por nombrar solo algunos. No hace falta decir (pero lo diré de todos modos) que todos estos entornos tienen una cosa en común: SON RUIDOSO (disculpe que tenga que gritar).

La razón por la que ahora sé todo esto es porque estaba hablando con Andy Ackland, quien es el CTO de UWBX. Andy me dijo que, para combatir el ruido recibido y cumplir con los estándares de emisión, muchos desarrolladores están implementando su aislamiento frontal SPE utilizando un circuito que consta de dos condensadores y un estrangulador de modo común (CMC), como se ilustra en la Figura 1 a continuación. . Esto proporciona una buena supresión de ruido en modo común a partir de 10 MHz, pero cae significativamente por debajo de 10 MHz.

Imágenes del documento técnico de UWBX/Halo (Fuente: UWBX/Halo)

En comparación, reemplazar los capacitores con un transformador de aislamiento (Figura 2) puede proporcionar un rechazo de ruido de modo común muy mejorado hasta CC y, cuando se combina con un CMC, el rechazo de ruido es aceptable en toda la banda de frecuencia (Figura 3).

Andy dice que pueden ocurrir muchas interferencias en el extremo inferior del rango de frecuencia, y que aquí es donde brilla su tecnología. También dice que lo que han hecho con su tecnología única es alcanzar el extremo superior del rango de frecuencia y aún así hacer que funcionen como transformadores sin demasiadas pérdidas.

No soy un experto en este tema, pero Andy dice que los ingenieros que diseñan en esta área sabrán que los transformadores son difíciles de fabricar para frecuencias muy altas, razón por la cual la gente se ha acercado a otras tecnologías para tratar de hacer algo que trabajo, siendo el acoplamiento capacitivo un ejemplo.

Andy me dijo que "si bien había soluciones de transformadores que funcionaban a 100 Mbps, no funcionaban a 2,5 Gbps hasta que llegamos hace un par de años".

Andy también me preguntó si conocía las descargas electrostáticas (ESD). Respondí (entre dientes) que ESD y yo somos viejos amigos. Andy luego me informó que otra ventaja de un transformador de aislamiento es que, al colocar una derivación central del transformador a tierra en el lado de la línea, se puede reducir la cantidad de componentes necesarios para el modo común y la disipación de ESD.

En lugar de ser codiciosos, la empresa de Andy, UWBX, otorga licencias de propiedad intelectual (IP) y patentes. Por ejemplo, HALO Electronics es el segundo proveedor más grande de transformadores en el mercado de Ethernet en el mundo, y licencian este UWBX IP.

También resulta que Andy y Peter Lu, director de ingeniería de HALO Electronics, han escrito un documento técnico que explica todo esto con gran detalle: Inmunidad frente a interferencias para Ethernet de par único (SPE) en entornos ruidosos.

Me temo que tendrá que disculparme, porque necesito leer este documento técnico y obtener más información sobre el uso de transformadores con respecto a su capacidad para mitigar el ruido y los problemas de ESD con implementaciones de Ethernet de un solo par. No sé por qué, pero tengo la ligera sospecha de que escucharé mucho más sobre el uso de SPE en un futuro no muy lejano. ¿Y tú? ¿Has oído hablar de SPE o lo has usado tú mismo?