あなたがエンジニア、システム インテグレーター、または産業用またはマシン ビジョン アプリケーションでギガビット イーサネット (GigE) ケーブルに依存している人であれば、おそらく技術仕様で「リターン ロス」という用語が飛び交っているのを聞いたことがあるでしょう。まだ聞いたことがないとしても、これは信頼性の高いパフォーマンスを理解するために最も重要な指標の 1 つです。組立ライン検査システムから高速産業用カメラのセットアップに至るまで、あらゆるものを構築する顧客と協力する GigE ケーブル サプライヤーとして、私はチームが将来イライラする信号の問題に直面しないように、わかりやすい言葉で反射減衰量を説明し (そして標準値に達していない場合はトラブルシューティングも)、何千時間も費やしてきました。 GigE ケーブルにとってリターン ロスが実際に何を意味するのか、それが重要な理由、そして業界をリードするリターン ロス性能を実現するために当社の一連のカスタム設計 GigE ケーブルがどのように構築されているのかを詳しく見てみましょう。
まず、GigE データがどのように移動するかの基本から始めましょう。ギガビット イーサネットは、信号の送受信に RJ45 コネクタの 8 本の導体のうち 4 本を使用して、ツイストペア銅線ケーブルを介して 1 ギガビット/秒でデータを送信します。 GigE ケーブルを伝わる信号は、パイプの中を伝わる音波のように考えてください。パイプの直径が一定で障害物がない場合、ほぼすべての波が目的地に到達します。しかし、パイプにねじれ、狭い箇所、または隙間がある場合、その音の一部は前方に伝わらずに戻ってきます。この跳ね返る音は、まさにイーサネット ケーブルのリターン ロスです。これは、電気信号が接続されたデバイスに送信されるのではなく、ケーブルの遠端からどれだけ反射されるかの尺度です。
リターン ロスはデシベル (dB) で定量化され、数値が大きいほど混乱を招く可能性がある一部の指標とは異なり、ここでは dB 値が高いほど優れています。リターンロスが高いということは、信号の反射が少ないことを意味し、その結果、エラーが減り、データ転送の一貫性が高まり、パケットのドロップが減るということになります。GigE では交渉の余地がありません。1 つのパケット損失でもマシン ビジョン検査が中断されたり、生産ラインが遅くなったりする可能性があります。 GigE の主要な周波数範囲は 100 MHz ～ 1.2 GHz であり、Cat 5e、Cat 6、および Cat 6a GigE ケーブルのリターン ロスがテストされる範囲です。参考までに、Cat 5e は 1 Gbps の最小仕様ですが、ほとんどの産業用 GigE ケーブルは、より優れたパフォーマンスを得るために Cat 6 以上を使用しています。
では、なぜ反射減衰量が特に GigE にとって、特に産業用アプリケーションにとって重要なのでしょうか?パケットのドロップが単に電子メールの遅延を意味するオフィス ネットワークとは異なり、産業用 GigE システムは、ロボットのピック アンド プレース アームから、食品包装の欠陥を 24 時間年中無休で検査する高解像度カメラに至るまで、あらゆるものに電力を供給します。ケーブルのリターン ロスが低い場合、信号の減衰 (距離による信号損失)、高いビット エラー レート (BER)、さらには重要な操作中に完全なデータ ドロップアウトが発生するようになります。汎用の既製 GigE ケーブルを購入した後、数週間は問題なく動作していましたが、より高速なカメラや長いケーブルに変更すると、断続的なエラーが発生するようになったというお客様が当社に来られました。ほとんどの場合、原因は、低品質の製造、一貫性のない導体間隔、または適切なインピーダンスを維持できない薄っぺらなコネクタによる劣悪なリターンロスでした。
ここでのリターンロスの隠れた基礎はインピーダンスです。すべての GigE ケーブルは、特性インピーダンスが 100 オームになるように設計されています。ケーブルまたはコネクタの一部が 100 オームの目標から逸脱すると、ツイスト ペアの絶縁厚さが不均一であるか、RJ45 ピンの圧着が不十分であるか、コネクタがしっかりとロックされていない（ケーブルとデバイス ポートの間にギャップが生じる）などの理由で、信号反射、つまり低リターン ロスが発生します。産業用アプリケーションの場合、これはさらに重要です。ケーブルは狭いスペースを通ったり、機械の周囲で曲げられたり、設置中に引っ張られたりすることが多く、ケーブルがこれらの応力に耐えるように作られていない場合、これらすべてによりインピーダンスが目標から外れてしまう可能性があります。
文脈がなければスペックは何の意味もないので、実際の数字を見てみましょう。 500 MHz (GigE の一般的な中間範囲) で動作する Cat 6 GigE ケーブルの場合、TIA (電気通信工業会) は最小リターン ロス要件を 20 dB に設定しています。つまり、信号の少なくとも 99% が送信され、反射されるのは 1% だけです。最大 10 Gbps のより高速な GigE バリアントをサポートする Cat 6a ケーブルの場合、より高いデータ密度を考慮して、最小値は同じ周波数で 25 dB に跳ね上がります。しかし、マシン ビジョンや過酷な環境向けに特別に設計された当社の産業用 GigE ケーブルは、これらの最小値を超えており、多くの場合、GigE 周波数帯域全体で 28 ～ 32 dB のリターン ロスに達します。この余分なマージンはスペックシート上の単なる数値ではありません。それは産業用途での磨耗に対する保険です。
では、これらの高いリターンロス値に達するようにケーブルをどのように設計すればよいでしょうか?それは材料から始まります。当社では、ケーブル全長にわたって一貫した直径を維持し、インピーダンスを安定に保つソリッドコア銅導体 (一般的な民生用ケーブルに見られる安価な撚り線銅ではありません) を使用しています。ツイストペアは制御されたピッチで正確にツイストされており、クロストーク (リターンロスに関係するもう 1 つの一般的な信号問題) を避けるためにペア間の正確な間隔が確保されています。当社のコネクタは、均等に圧着する強化金属シェルと金メッキピンを使用しており、GigE ケーブルの多くはネジロック式 RJ45 コネクタを備えています。これは、振動や動きにより標準の RJ45 接続が緩み、突然のインピーダンス不整合とリターンロスのスパイクを引き起こす可能性がある産業用セットアップでは交渉の余地がありません。
たとえば、マシン ビジョン システムで作業している場合は、多くの場合、カメラが 1 分間に何百回も動くロボット アームに取り付けられていることをご存知でしょう。 RJ45 接続が緩んでいると、変動するリターンロスが発生するだけでなく、検査中にカメラが切断され、生産が停止する可能性があります。だからこそ、当社の一連のネジロック式 GigE ケーブルは、まさにそれを解決するために作られています。当社の垂直ネジ ロック直角 RJ45 - RJ45 GigE イーサネット ケーブルは、ストレート ケーブルが収まらない狭いスペースの設置向けに特別に設計されています。直角設計によりケーブルとコネクタへの負担が軽減され、垂直つまみネジ ロックにより一貫性のあるしっかりとした接続が確保され、インピーダンスが安定した状態に保たれるため、ロボットがどれだけ動いてもリターンロスは高く維持されます。ケーブルが何千回も曲げられる高屈曲アプリケーション向けのもう 1 つの人気のオプションは、高屈曲 RJ45 GigE ケーブル アップ アングルです。これらのケーブルは、非常に耐久性のあるジャケット素材とストレインリリーフで強化されており、繰り返しの屈曲によってインピーダンスが低下し、リターンロスが低下するケーブル内の導体の動きを防ぎます。
待ってください、それは大きな問題ですから、もっと柔軟について話しましょう。一般的な GigE ケーブルは、新品時には優れたリターン ロスを備えていますが、数千回曲げると、内部の導体が移動し、絶縁体が薄くなり、ツイスト ペアのピッチが変化する可能性があり、これらすべてによりリターン ロスが低下し、信号エラーが発生します。 GigE マシン ビジョン ケーブル ハイフレックス スクリュー ロック水平 CCD 産業用カメラなどの当社のハイフレックス GigE ケーブルは、10,000 回を超えるフレックス サイクルでテストされており、リターン ロスの測定可能な低下はありません。これは、カメラがトラックに沿って移動するコンベアベースの検査や、繰り返し循環するピックアンドプレイスロボットなどのアプリケーションにとって、大きな変革をもたらします。狭いコントロール パネルにカメラを取り付ける必要があるチームにとって、当社のマシン ビジョン システム用ねじロック ケーブル付き垂直 RJ45 8P8C イーサネットは、他のコンポーネントの混雑を避ける薄型設計で完璧にフィットし、当社の他のラインと同じ高いリターン ロスを維持します。
もう 1 つの一般的な問題点は、GigE 実行の拡張です。推奨されている 100 メートルよりも長い GigE ケーブルを使用している場合は、パッシブ延長ケーブルを使用したくなるかもしれませんが、多くの場合、それらのケーブルではリターン ロスを損なうインピーダンスの不整合が生じます。当社のネジロックパネルマウント付き RJ45 メス - メスケーブル - CAT8 40Gbps は、全長に沿って一貫したインピーダンスを備え、最大 100 メートルの延長用に設計されているため、カメラを別のスイッチに接続するためだけにリターンロスを犠牲にする必要はありません。
ここで正直に申し上げたいのですが、リターンロスは現場でマルチメーターを使って簡単にテストできる指標ではありません。そのため、当社のすべての GigE ケーブルには、リターン ロスやその他の重要な指標 (挿入損失やクロストークなど) が TIA 規格を満たすかそれを超えていることを確認するサードパーティのテスト レポートが付属しています。信頼性の高い GigE 接続にどれだけの負荷がかかっているかを把握しているため、テストに手抜きはしません。ケーブルコストに 10 ドルの差があれば、初期費用を節約できるかもしれませんが、そのケーブルが原因で回線停止が発生し、生産損失で 1 時間あたり 10,000 ドルの損失が発生する場合は、それだけの価値はありません。私はその間違いを何度も見てきたので、最初の設置から 5 年目の使用まで一貫して高いリターンロスを提供するようにケーブルを構築しています。
つまり、GigE ケーブルのリターン ロスは不要な信号反射の尺度であり、dB 値が高いほどパフォーマンスが優れていることを意味します。産業用およびマシン ビジョン アプリケーションの場合、リターン ロスが低いとエラー、ダウンタイム、生産性の低下につながるため、GigE ケーブルを選択する際に優先すべき最も重要な仕様の 1 つとなります。直角ハイフレックスケーブルからパネルマウント延長ケーブルまで、当社の GigE ケーブル製品ラインは、スクリューロックコネクタ、高級素材、あらゆる仕様を裏付ける厳格なテストを採用し、最も過酷な動作条件でも業界トップのリターンロスを維持するように設計されています。
次のプロジェクトで信頼性の高いリターンロスを実現する GigE ケーブルをお探しの場合、または現在のセットアップで信号エラーの問題を抱えている場合、当社はお客様のニーズに合った適切なソリューションを見つけるお手伝いをさせていただきます。お客様のアプリケーションについてご相談になり、当社のケーブルがどのように GigE システムのスムーズな動作を維持できるかを確認するには、遠慮なく当社のチームにお問い合わせください。
参考文献
TIA-568-C.2、電気通信産業協会。平衡ツイストペア通信ケーブルのコンポーネントと標準。
IEC 61156-5、国際電気標準会議。デジタル通信ケーブル – パート 5: デジタル システムで使用する平衡ペア ケーブルのファミリー仕様。
電気電子学会。イーサネットに関する IEEE 802.3ab-2018 標準 – 修正 2: 平衡ツイストペア ケーブル上の 10 Gb/s 動作のための物理層の仕様と管理パラメータ。
