LAN-106d.A2 phyCAM-L Kabellänge

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LAN-106d.Ax phyCAM-L Kabellänge Head
Document TitleLAN-106d.A2 phyCAM-L Kabellänge
Document TypeHardware Guide
Article NumberLAN-106d.A2
Release Date09.08.2022
Is Branch ofLAN-106d.Ax phyCAM-L Kabellänge Head

phyCAM-L Kabellänge

Überblick

Dieser Artikel soll einen Überblick bei den Betrachtungen der zulässigen Leitungslängen der phyCAM-L Schnittstelle geben.

Warnung

Der phyCAM-L Bus ist für maximale Kabellängen von 15 Metern spezifiziert. Es wurden keine Tests mit längeren Kabeln durchgeführt, deswegen sind die folgenden Betrachtungen alle theoretischer Natur.

Laut TI treffen folgende Reglementierungen auf den FPD-Link zu (Hierbei muss das Gesamtsystem aus Kabel, Stecker und PCB betrachtet werden):

  • Die Dämpfung des Forward Channels des FPD-Link III darf zwischen 1,2 bB und 20 dB (2GHz) liegen.
  • Die Rückflussdämpfung muss bis 25MHz -25dB betragen. Zwischen 25MHz und 1GHz gilt S11=-12dB+8*log(f(GHz)). Ab 1GHz sind typisch -12 dB erlaubt. Im Worst Case sind laut TI -10 dB zulässig. Dies ist aber stark abhängig von den späteren Einsatzbedingungen.
  • Der Back Channel darf mit maximal 4 dB gedämpft werden.
  • Weitere Details zu den Grenzwerten des FPD-Link III entnehmen Sie bitte den TI Datenblatter und Applikation Notes des DS90UB95x.

Da die Dämpfung des Forward Channels in der Regel der kritischere Grenzwert ist, wird nur dieser hier betrachtet. Bei der Verifikation muss der Back Channel aber ebenfalls geprüft werden.

Die von TI empfohlene maximal Dämpfung ist nicht näher spezifiziert bzgl. der EMV Störfestigkeit. Sollen industrielle Störfestigkeiten eingehalten werden, sollte die maximale Leitungslänge nicht ausgeschöpft werden und die Möglichkeit einer frühzeitigen Störableitung mittels z.B. auf den Schirm aufgelegtem Pigtails an Kamera und Basisboard realisieret werden.

Die Arbeitsfrequenz des FPD-Link III kann zwischen 1840 MHz bis 2080 MHz liegen. Das typische phyCAM-L Interface arbeitet mit einer Frequenz von 1920 MHz. Die Dämpfungswerte müssen bei der Arbeitsfrequenz betrachtet werden.

Folgende Werte werden bei den Betrachtungen pauschal angenommen:

  • Für eine Steckverbindung des Typs UMCC werden pauschal 0,24 dB verwendet.

  • Für einen Zentimeter Leiterbahn kann ca. 0,07 dB veranschlagt werden.[1]

  • Für die Leitungslängen auf der Leiterplatten wird pauschal eine Länge von 3 cm angenommen. Dies entspricht einer Dämpfung von ca. 0,21 dB.

Für Stecker und Leiterbahnen kommt somit eine konstante Dämpfung von 0,69 dB zustande. Die sich daraus ergebende Leitungslänge stellt das theoretische Maximum da. Es wird empfohlen immer ein Puffer von mindestens 1 dB zu berücksichtigen für Alterungseffekte.

Bei der Dimensionierung ist des Weiteren darauf zu achten, dass die Einfügedämpfung ebenfalls Temperaturabhängig ist. Stehen keine Kurve für die Dämpfung über die Temperatur zur Verfügung, sollte davon ausgegangen werden, dass die angegeben Dämpfung für Raumtemperatur gilt. Messungen haben hierbei gezeigt, dass ein Betrieb bei 40°C bereits stark die Dämpfungswerte beeinflussen kann. Es wird empfohlen auf den typischen Dämpfungswert mindestens 10% bis 20% drauf zu rechnen, damit das Design ein sichere und gute Funktionssicherheit erhält.

Eine Verifikation mittels Klimaschrank und Begutachtung der Signalqualität wird hierhierbei empfohlen (siehe nächstes Kapitel).

Berechnung der maximal zulässigen Einfügedämpfung (Worst Case Einfügedämpfung des Kabels bekannt):

(mathjax-inline(a=a_{MaxDämpfung}-2*a_{UMCC-Dämpfung}-a_{Leiterbahn}-a_{Puffer}=20dB-2*0,24dB-0,21db-1db=18,31dB)mathjax-inline)

Berechnung der maximal zulässigen Einfügedämpfung (Worst Case Einfügedämpfung des Kabels nicht bekannt):

(mathjax-inline(a=(a_{MaxDämpfung}-2*a_{UMCC-Dämpfung}-a_{Leiterbahn}-a_{Puffer})*Temperaturabzug=(20dB-2*0,24dB-0,21db-1db)*0,9=16,4dB)mathjax-inline)

(mathjax-inline(a=(a_{MaxDämpfung}-2*a_{UMCC-Dämpfung}-a_{Leiterbahn}-a_{Puffer})*Temperaturabzug=(20dB-2*0,24dB-0,21db-1db)*0,8=14,6dB)mathjax-inline)

Für das Kabel bleiben somit 18,31 dB im Worst Case übrig. Werden längere Leiterbahnen oder sogar Vias verwendet, muss dieser Wert neu betrachtet werden.

Soll das Gerät in einem Temperaturbereich von bis zu 85°C betrieben werden und nur die typische Einfügedämpfung bekannt sein, sollte die  Dämpfung auf maximal 14,6 dB bis 16,4 dB begrenzt werden.

Definition der Leitungslängen durch Verifikation der Signalintegrität

Die maximale Leitungslänge kann näherungsweise anhand der Signalintegrität vorgenommen werden.

Da bedingt durch den Equalizer (EQ) und dessen Konfiguration keine korrekte Bewertung des Augendiagramms möglich ist, empfiehlt TI zur Verifikation der Qualität der Signalintegrität die Verwendung des MAP Tests.[2]Das Programm ist u.a. im TI LaunchPAD[3]enthalten und basiert auf der Application Note SNLA301 von TI. PHYTEC liefert hierzu eine Python3 basierte Software zur Durchführung dieses Tests (Siehe Phytec Applikation Note LAN-107). Bei der Durchführung des Tests ist darauf zu achten, dass der Bildsensor arbeitet und eine etwaige zusätzliche Last am Expansionconnector des Kameramoduls ebenfalls in Betrieb ist. Idealerweise sollte der Test zusätzlich unter verschiedenen zu erwartenden Temperaturen durchgeführt werden.

Es wird empfohlen, den MAP Test immer durchzuführen, auch wenn die Dämpfungs- und Ripplewerte der Signalstrecke betrachtet wurden!

Des Weiteren gibt das Analysieren von CRC-Fehler (Back-Channel) und Parity-Fehlern (Forward-Channel) Aufschluss über die Qualität des Links. Es sollten während der Verifikation keine Fehler auftreten. Bei diesem Test und auch im Serieneinsatz können die durch die MAP Analyse verwendeten idealen Strobe und EQ Einstellung im DS90UB954 konfiguriert werden, damit unzulässige Einstellungen direkt unterbunden werden. Sollte es zu einzelnen Parity Fehlern kommen, korrigiert der DS90UB954 automatisch die EQ-Einstellung nach.  Die EQ Einstellungen bzw. Parity Fehler sollten deswegen immer gemonitort, da jeder Paraty-Fehler theortisch ein Datenfehler darstellen kann. CRC-Fehler können nicht durch Ändern von EQ Einstellungen optimiert werden. Hierbei hilft eine Überwachung der CRC-Fehler und Überprüfung, ob Schreib- und Lesevorgänge korrekt durchgeführt wurden. Ein Initiales zurücksetzen der Strobe- und EQ-Einstellung wird vor dem ersten Start empfohlen.

Eine zusätzlicher Leistungsentnahme am Expansionconntector kann die Eigenschaften des PoC Filters stark beeinflussen, so dass immer eine umfangreiche Verifikation des Systems notwendig ist.

Der CMLOUT-Ausgang des DS90UB954 kann zur Jittermessung verwendet werden. Da dieser aber bereits das aufbereitete Signal bewertet, gibt diese Messung keine Aussage zur eigentlichen Augenhöhe/breite und etwaigem Puffer. Grenzwerte für den Jitter können dem Datenblatt entnommen werden.

Leitungslänge (ohne PoC) durch theoretische Betrachtung der Dämpfung

Da eine Berücksichtigung der durch Power-over-Coax (PoC) verursachten Störungen pauschal nicht getroffen werden kann, werden zunächst die maximalen Leitungslängen ohne PoC betrachtet. In folgender Tabelle sind typische Werte für entsprechende Kabeltypen angeben. Da selbst gleiche Kabeltypen herstellerspezifische Abweichungen aufweisen können, muss immer das Datenblatt des konkreten Kabels verwendet werden bzw. die S-Paratmeter mittels Netzwerkanalysator eingemessen werden, um korrekte Werte ermitteln zu können.

Zu beachten ist, dass der UMCC Steckverbinder kein stärkeres Kabel als das RG1.37 aufnehmen kann. Stärkere Kabel werden mit einem Pigtail adaptiert. Dieses muss in die Berechnung mit einbezogen werden.

Ein Pigtail sollte wie folgt berücksichtigt werden:

  • Einen Steckverbinder, welcher mit ca. 0,30 dB dämpft.
  • z.B. 5 cm RG1.37 Kabel, welches mit weiteren 0,12 dB dämpft. 

(mathjax-inline(a_{Pigtail}=a_{Steckverbinder}+a_{Kabel}=0,30dB+0,12db=0,42dB)mathjax-inline)

Werden somit zwei Pigtails verwendet kommen ca. 0,84 dB hinzu.

Ein großer Vorteil bei der Verwendung von Pigtails ist, dass mittels dieser Adapter der Kabelschirm am Gehäuse aufgelegt werden kann und somit ein gegen EMV Einflüsse robusteres Gesamtsystem möglich ist.

Kabeltyp

Einfügedämpfung pro Meter bei ca. 1,92 GHz

DCR (Gleichstrom-Widerstand) pro Meter

(@25°C)

Maximale Leitungslänge inklusive Stecker, PCB und Puffer
 (max. 18,31 dB)

(@25°C)

Maximale Leitungslänge inklusive Stecker, PCB und Puffer
 (max. 14,6 dB)

(@85°C)


Maximale Leitungslänge inklusive Stecker, PCB, Puffer und zwei Pigtails
 (max. 17,47 dB)

(@25°C)

RG1.37

ca. 2,33 dB[4]

ca. 450[4]

ca. 7,85 m

ca. 6,27 m

-

LLC200A / RG58 Low loss

Siretta RF Cables ASMA1000B058L13


ca. 0,64 dB

ca. 40 mΩ

ca. 28 m


ca. 22,8 m

ca. 27,29 m

RG58

ca. 0,88 dB

ca. 53 mΩ

ca. 20,8 m

ca. 16,6 m

ca. 19,43 m

Kabelleitungslängen

Leitungslänge (mit PoC) durch theoretische Betrachtung der Dämpfung und des Gleichstromwiderstands (DCR)

Damit die durch PoC verursachten Störungen möglichst unproblematisch bleiben, wurden folgende Grenzwerte festgelegt:

  • Der maximale Spannungsverlust über der kompletten Übertragungsstecke darf 1 V nicht überschreiten
    • Die Messung von VPOC wird zwischen dem Expansionconnector des Kameramoduls und der Versorgungsspannung vor dem PoC-Filter am Basisboard durchgeführt. Es wird somit die schon gefilterte Spannung auf dem Kameramodul bewertet.
      • In der Praxis kann der Spannungsverlust überschritten werden. Dies muss aber durch ausführliche Verifikationen des Gesamtgeräts ermittelt werden.
  • Die Flankensteilheit (fallend und steigend) an VPOC dürfen 200 µs (10% - 90%) nicht unterschreiten
    • Die Messung wird am Expansionconnector des Kameramoduls durchgeführt. Es wird die schon gefilterte Spannung auf dem Kameramodul bewertet.
  • Maximal dürfen 6 W entnommen werden.
    • Kompatibilität der phyCAM-Schnittstelle
  • Maximaler Stromfluss darf 750 mA nicht überschreiten.
    • Kompatibilität der phyCAM-Schnittstelle

Damit die maximale Spannungsschwankung näherungsweise berechnet werden kann, werden die DCR Werte des verwendeten Systems benötigt, sowie die Leistungsaufnahme der Kamera. Es gibt mehrere Variablen, so zum Beispiel der Stromfluss, die Leitungslänge, der Leitungstyp und die Spannung für PoC.

  • Die Spannung VCAM und somit auch VPOC müssen ausreichend hoch sein, damit der Stromfluss möglichst gering gehalten wird. Empfehlenswert ist eine Spannung von 12 V.
  • Der Leitungstyp definiert die Dämpfung und den DCR zu einem hohen Maß.
    • Beachten Sie, dass der DCR in der Regel bei einer bestimmten Temperatur angegeben wird. Wird dieser z.B. für 25°C spezifiziert und das Kabel bei 85°C betrieben, steigt der Widerstandswert von Kupfer z.B. um ca. 25% an. Es sollte Reserve eingeplant werden.
    • Die Einfügedämpfung ist Temperaturabhängig. Sollten keine Kurve für die Dämpfung über die Temperatur vorliegen, sollte davon ausgegangen werden, dass die angegeben Dämpfung für Raumtemperatur gilt. Messungen haben hierbei gezeigt, dass ein Betrieb bei 40°C bereits stark die Dämpfungswerte beeinflussen kann. Es wird empfohlen auf den typischen Dämpfungswert mindestens 10% bis 20% drauf zu rechnen, damit das Design eine gute Funktionssicherheit erhält.
  • Die Leitungslänge definiert den Großteil der gesamten Dämpfung und DCRs.
  • Die Spannung VCAM an der Kamera darf 4,5 Volt nicht unterschreiten.
    • Die Messung kann am Expansionconnector des Kameramoduls durchgeführt werden. Es wird somit die schon gefilterte Spannung auf dem Kameramodul bewertet. Der DCR des entsprechenden Kameramodul kann berücksichtigt werden.
  • Der Leistungsbedarf der Kamera muss beachtet werden.
  • Der DCR des Basisboards und gegebenenfalls auch der DCR der Kamera müssen mit eingerechnet werden.

Zu beachten ist, dass der UMCC Steckverbinder kein stärkeres Kabel als das RG1.37 aufnehmen kann. Stärkere Kabel müssen mit einem Pigtail adaptiert werden. Dieses Pigtail muss in die Berechnung mit einbezogen werden.

  • Der Steckverbinder wird pauschal mit ca. 0,30 dB Dämpfung angenommen.
  • Des Weiteren werden z.B. 5 cm RG1.37 Kabel verwendet, welches mit weiteren 0,12 dB dämpft. 
  • Der DCR wird mit ca. 25 mΩ je Pigtail angenommen.

Ein großer Vorteil bei der Verwendung von Pigtails ist, dass mittels dieser Adapter der Kabelschirm am Gehäuse aufgelegt werden kann und somit ein gegen EMV Einflüsse robusteres Gesamtsystem möglich ist.

Der DCR der verwendeten Hardware muss ebenfalls mit betrachtet werden. Sollten DCR Werte für andere PHYTEC Boards benötigt werden, kontaktieren Sie unseren Support. Den DCR des Kameramoduls entnehmen Sie folgender Tabelle.

Leistungsaufnahme und DCR von Kameramodulen und Basisplatinen:

Kameramodul

Leistungsaufnahme (typ)

Leistungsaufnahme (max)

DCR

VM-017-xxx-L.A1

1,3 Watt

1,760 Watt

580 mΩ

VM-017-xxx-L.A2

1,3 Watt

1,760 Watt

600 mΩ

VM-016-xxx-L.A21 Watt1,2 Watt600 mΩ
VZ-018.A0--695 mΩ
VZ-018.A1--600 mΩ
Leistungsaufnahme des Kameramoduls

Es wird empfohlen bei Verwendung einer zusätzlichen Last ca. 100 µF bis 200 µF (X7R) auf dem Erweiterungsmodul am Expansionconnector vorzusehen. Durch Verifikation mittels MAP-Analyse und Überwachung der Parity- und CRC-Fehler muss die Beeinflussung durch das Erweiterungsmodul individuell bewertet werden.

Hier einige Beispiel Betrachtungen: 

Kabeltyp

Kameramodul / Adapter

Einfügedämpfung pro Meter bei ca. 1,92 GHz

DCR pro Meter
(@25°C)

Leitungs-länge

DCR Gesamt (Kabel + Hardware) (aufgerundet) (@25°C)

Dämpfung der Übertragungs-strecke
(aufgerundet)
(max. 18,31 dB)

Spannung vor PoC Filter Basisboard

Spannung an der Kamera phyCAM-L Connector (@25°C)

Maximaler Stromfluss
(bei 1 V Ripple)
(maximal 750 mA)
(@25°C)

Maximal mögliche Leistungsentnahme
(maximal 6 Watt)
(@25°C)

Ergebnis

RG1.37

VM-017-xxx-L.A1 / VZ-018.A0

ca. 2,33 dB

ca. 450[4]

7,5 m

3,375 Ω + 0,695 Ω

ca. 4,07 Ω

ca. 18,2 dB

12 V

11 V

245 mA

2,695 W

(1,76 W benötigt)

ZULÄSSIG

RG1.37

VM-017-xxx-L.A1 / VZ-018.A0

ca. 2,33 dB

ca. 450[4]

7,5 m

3,375 Ω + 0,695 Ω

ca. 4,07 Ω

ca. 18,2 dB

5 V

4,5 V

122 mA @ 0,5V Ripple

0,61 W

(1,76 W benötigt)

UNZULÄSSIG

Da die Leistung nicht ausreicht für das Kameramodul

RG1.37

VM-017-xxx-L.A1 / VZ-018.A0

ca. 2,33 dB

ca. 450[4]

1,25 m

0,562 Ω + 0,695 Ω

ca. 1,257 Ω

ca. 3,495 dB

5 V

4,5 V

397 mA @ 0,5V Ripple

1,78 W

(1,76 W benötigt)

ZULÄSSIG

LLC200A / RG58 Low loss

Siretta RF Cables ASMA1000B058L13


VM-017-xxx-L.A1 / VZ-018.A0

ca. 0,64 dB

ca. 40 mΩ

13,3 m

0,533 Ω + 0,695 Ω + 0,05 Ω

ca. 1,278 Ω

8,512 + 0,84 dB

ca. 9,35 dB

5V

4,5 V


391 mA @ 0,5V Ripple


 1,76 W

(1,76 W benötigt)

ZULÄSSIG

LLC200A / RG58 Low loss

Siretta RF Cables ASMA1000B058L13


VM-017-xxx-L.A1 / VZ-018.A0

ca. 0,64 dB

ca. 40 mΩ

20 m

0,8 Ω + 0,695 Ω + 0,05 Ω

ca. 1,545 Ω

12,8 dB + 0,84 dB

ca. 13,64 dB

12V

11 V

0,647 A

 6 W

(1,76 W benötigt)

ZULÄSSIG

RG58

VM-017-xxx-L.A1 / VZ-018.A0

ca. 0,88 dB

ca. 53 mΩ

19,5 m

1,04 Ω + 0,695 Ω + 0,05 Ω

ca. 1,79 Ω

17,16 dB + 0,84 dB

ca. 18 dB

12 V

11 V

0,558 A

 6 W (maximum erreicht)

(1,76 W benötigt)

ZULÄSSIG

Anwendungsbeispiele

1.

Altera Corporation AN 672: Transceiver Link Design Guidelines for High-Gbps Data Rate Transmission

2.

TI, SNLA301–January 2019

3.

https://www.ti.com/tool/ALP bzw. TI, SNLA301–January 2019

4.

Einfügedämpfung ermittelt bei Phytec bei ca. 25°C