DIY Audiophile Ethernet Switch, Topaz

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pwatts
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DIY Audiophile Ethernet Switch, Topaz

Beitrag von pwatts »

Hallo zusammen, hier ist mein Prototyp-Versuch eines "audiophilen Ethernet-Switches", der fast fertig ist. Anfangs habe ich nicht daran geglaubt, aber beim Nachlesen habe ich einige Teile des Switch-Designs entdeckt, die tatsächlich verbesserungswürdig sind. Einige machten keinen Sinn. Diejenigen, die Sinn machten, habe ich in ein bestehendes industrielles Switch-Design eingebaut, das ich hatte.

Ohne andere Schalter zu nennen, verfolgt meiner einen anderen Ansatz. Es scheint viel Wert auf Signalisolierung gelegt zu werden, aber was in der Marketingsprache nicht erwähnt wird, ist, dass dies auf Kosten eines erhöhten Jitters geht. Ich entschied mich dafür, lieber alle internen Störquellen zu minimieren und die Stromversorgungen und Takte so rein und rauschfrei wie möglich zu halten, und die Temperatur so nahe wie möglich an die Raumtemperatur zu halten, wo alle Schaltungen an ihrem optimalen Arbeitspunkt sind. Außerdem habe ich der Anordnung der Komponenten und der Signalführung nahezu fanatische Aufmerksamkeit gewidmet, um die Signalintegrität und das Übersprechen absolut zu optimieren.

Die Isolation wird teilweise durch die Verwendung von diskreten Übertragern erreicht (die nicht nur viel Platz auf der Platine beanspruchen, sondern auch viel mehr kosten) und kann extern durch intelligentes Management von Stromversorgung und Verkabelung verbessert werden.

Einige Kernfunktionen umfassen:

- Enterprise-Gigabit-Ethernet-Switch-IC von Marvell. Dieser verfügt über erweiterte Umweltfähigkeiten und hochwertige Transceiver. Externer PHY für zusätzlichen Port mit einem RGMII MAC-Link.
- Diskrete Ethernet-Transformatoren für verbesserte Isolation und weniger parasitäre Rauschkopplung.
- Multilayer-Leiterplatte zur Ausnutzung der Power-Plane-Kapazität, indem die Power-Plane ein HF-Kondensator ist.
- Hochpräziser Crystek-Takt und Takt-Fanout-Puffer. Dies reduziert die Belastung der Taktrückgewinnungsschaltung durch weniger Jitter.
- EMI-Abschirmkäfig für den Ethernet-Switch selbst.
- Der Switch ist absichtlich nicht gemanagt, um Störungen durch den Steuerprozessor zu reduzieren, aber eine MCU wurde für zwei Funktionen eingebaut: Force 100MBps und Disable Port. Die erste ist, die Link-Geschwindigkeit auf 100Mbps zu begrenzen, dies reduziert die Taktraten 5x und damit die EMI. Die zweite ist, unbenutzte Ports ganz zu deaktivieren, um wiederum Emissionen und Stromverbrauch zu reduzieren. Es gibt auch eine Möglichkeit, die Ethernet-LEDs abzuschalten, um die Störaussendung zu reduzieren, da sich die LED's am Ausgang befinden. Die MCU kommuniziert nur während des Einschaltens mit dem Schalter und geht dann in den Ruhezustand, um Störungen zu reduzieren.
- Lineare Regler für alle Spannungsschienen außer der Schalterkernspannung, die einen doppelt gefilterten Schaltregler erhielt. Dedizierte, rauscharme Regler für die allgemeine digitale Versorgung, die analoge Schiene 1 des Schalters, die analoge Schiene 2 des Schalters, die PLL des Schalters, die Uhr und die MCU-Versorgung. Entkopplung mit mehreren Reihen von Keramik- und Polymertantalum.
- Integrierter diskreter Linearregler zum Herunterfiltern der eingehenden 12V aus der Fassbuchse. Dies macht einen sehr großen Unterschied und ermöglicht eine geringere Abhängigkeit von der Qualität der 12V-Haupteingangsspannung. Er benötigt allerdings einen großen Kühlkörper, um ca. 5W abzuführen, ohne die Elektronik zu erwärmen.
- Die kompakte Größe von 100x100mm kann in einem handelsüblichen Strangpressprofil mit Erdungsrippen an der Seite und einem Kühlkörper an der Vorderseite für den diskreten Regler verwendet werden, aber ich denke eher an ein kundenspezifisch gefaltetes Stahlchassis.
- Auf der Vorderseite wird mit einer zweifarbigen LED angezeigt, ob das Gerät eingeschaltet ist und alles in Ordnung ist. Auf der Rückseite befinden sich die fünf Ethernet-Buchsen mit integrierten Link-, Geschwindigkeits- und Aktivitäts-LEDs (falls aktiviert) sowie eine 12V-Gleichstrombuchse.
- 2x Externe 50Ohm SMA-Anschlüsse für Masterclock-Slaving der Switch-Clock an andere Geräte mittels LVPECL. In meinem Fall wird er an eine kundenspezifische PCIe-NIC angeschlossen, die ich gerade entwickle. Ich habe die üblichen 10MHz-Eingangsoptionen nicht vorgesehen, da ich nicht beabsichtige, externe Masterclocks zu verwenden.

Der Hauptzweck war, zu sehen, was man machen kann und einen für mich und einen Freund zu bauen. Die Ergebnisse beim Abhören waren jedoch sehr vielversprechend, noch bevor der EMI-Käfig zusammengebaut oder das Gerät in ein anständiges Gehäuse eingebaut ist.
Wenn also Interesse besteht, habe ich darüber nachgedacht, es möglicherweise als kleines Gruppenangebot zu eröffnen, das ein schönes kundenspezifisches Chassis und professionell bestückte Leiterplatten sowie einige kleine Korrekturen und Änderungen ermöglicht. Wenn jemand Interesse hat, kann er sich gerne bei mir melden. Die Kosten für alles (bestückte & getestete Platine, Chassis, Montage, Test, Versand etc.) sind schwer abzuschätzen, aber wenn 10x bestellt werden, denke ich, dass es unter 500EUR pro Stück sein kann und weniger, wenn es eine Nachfrage für >10 gibt.

Ein Bild der Oberseite des Schalters ist unten zu sehen; dies ist mit dem EMI-Käfig unmontiert und ohne Chassis, aber ansonsten komplett. Entschuldigung für die Qualität, der Schalter ist jetzt bei einem Freund, so dass ich noch kein besseres Bild machen kann :(
Die meisten der durchkontaktierten Komponenten einschließlich der Ethernet-Anschlüsse sind auf der anderen Seite, und der große Kühlkörper auf der Vorderseite. Ich habe ein paar Nummern hinzugefügt, um die verschiedenen Teile zu zeigen:

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1 - Marvell 5-Port Gigabit-Switch
2 - Diskrete Gigabit-Transformatoren
3 - Präzisions-Crystek-Oszillator
4 - Rauscharme Linearregler (insgesamt 7)
5 - Externer Gigabit-PHY
6 - Steuer-MCU
7 - Schalter zur Begrenzung der Portgeschwindigkeit auf 100Mbps
8 - Port-Sperrschalter
9 - Rote/grüne LED an der Frontplatte
10 - 12V Eingangsstromanschluss, wird mit einem kurzen Kabel zur Gehäuserückwand geführt
11 - u.fl Koax-Anschlüsse zu externen SMA-Buchsen (falls verwendet)
12 - Kühlkörper für integrierten Hauptlinearregler
13 - Gitter zur Montage des EMI-Käfigs um den Schalter
14 - Eingangsleistungskonditionierung, mit Gleichtakt- und Gegentaktfilterung, Transientenschutz und Absicherung
15 - Diskreter Spannungsregler (größter Teil der Fläche)
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dirk-rs
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Beitrag von dirk-rs »

Hallo Pierre,

kann er nach Deinem Tuning generell nur 100mbits oder kann ich einzelne Ports auf 100mbits begrenzen und andere mit 1gbit betreiben?

Gruss Dirk
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RSSC
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Beitrag von RSSC »

Hi Dirk,

letzteres, die No.2 sind für 1000BaseT zuständig.
Mit dem "Mäuseklavier" (No.7) begrenzt Du auf 100BaseT.

CU
Ralf
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pwatts
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Beitrag von pwatts »

RSSC hat geschrieben: 17.06.2021, 22:11 Hi Dirk,

letzteres, die No.2 sind für 1000BaseT zuständig.
Mit dem "Mäuseklavier" (No.7) begrenzt Du auf 100BaseT.

CU
Ralf
Richtig! :)
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pwatts
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Beitrag von pwatts »

OK, ich habe 2 bestätigte Aufträge so weit von dieser Seite und 3 von anderswo, so dass ich denke, die 10pcs wird erreichbar sein. Ich möchte nicht über 10pcs gehen, da es zu schwierig zu verwalten wird (bis es >50 mindestens erreicht, dann ist es wieder einfach). Wer Interesse hat, meldet sich bitte per PM bei mir, damit ich die Namen in die Liste aufnehmen kann.

Die mit Abstand größte Herausforderung ist das absolute Chaos in der Elektronikmaterialindustrie. Die Hälfte der 90 verschiedenen Arten von Bauteilen, die verwendet werden, sind nicht auf Lager, so dass man sich umsehen muss (oft zu stark überhöhten Preisen) oder das Design ändern muss, wo es möglich ist, um andere Teile zu verwenden... aber bis es soweit ist, sind diese Teile oft auch weg. Da ich die Platinen professionell bestücken lassen will, kann ich sie auch nicht kaufen, wenn sie verfügbar sind, sondern man gibt die fertige Platine mit der Materialliste ab und muss dann hoffen, dass man alle Materialien findet.

Bezüglich der Bezahlung überlege ich, die bestückten Platinen selbst zu bezahlen und die Bezahlung erst dann anzunehmen, wenn sie nachweislich funktionieren, und dann die Chassisfertigung zu übernehmen.
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Bernd Peter
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Beitrag von Bernd Peter »

Hallo Pierre,

was meinst du mit
Es scheint viel Wert auf Signalisolierung gelegt zu werden,
?

Nette Grüße

Bernd Peter
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dirk-rs
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Beitrag von dirk-rs »

Hi Pierre,

kannst Du uns noch ein paar mehr Bilder zeigen? Denke ein LWL Anschluss ist leider nicht vorhanden?

Gruss Dirk
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pwatts
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Beitrag von pwatts »

Bernd Peter hat geschrieben: 18.06.2021, 14:54 Hallo Pierre,

was meinst du mit
Es scheint viel Wert auf Signalisolierung gelegt zu werden,
?

Nette Grüße

Bernd Peter
Hallo Peter,

Dieser Hinweis bezieht sich auf verschiedene Produkte auf dem Markt, die die Isolierung von HF-Rauschen auf dem Ethernet-Kabel priorisieren. Natürlich ist BASE-T-Ethernet mit Transformatoren galvanisch isoliert, aber diese sind aufgrund von parasitären Effekten nicht zu 100 % isoliert. Dies wird von einigen Herstellern auf unterschiedliche Art und Weise angegangen, aber das hat seinen Preis. In einem idealen Design besteht dieser Nachteil nur in den Kosten und der Komplexität, aber in der Realität bringt die Isolierung auch andere Probleme wie erhöhten Jitter mit sich.

Die gleichen Argumente gibt es auch bei USB-Audio, wo die Isolierung an verschiedenen Stellen im Design sowohl Vorteile als auch Nachteile bringen kann (und in Foren heiß diskutiert wird), es ist also kein einzigartiges Problem.
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pwatts
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Beitrag von pwatts »

dirk-rs hat geschrieben: 18.06.2021, 15:50 Hi Pierre,

kannst Du uns noch ein paar mehr Bilder zeigen? Denke ein LWL Anschluss ist leider nicht vorhanden?

Gruss Dirk
Sobald ich es wieder habe, werde ich es tun :)
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pwatts
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Beitrag von pwatts »

Ich habe einige Anfragen über Stromversorgung und Gehäuse so hier für alle hatte:

Ich habe absichtlich kein Netzteil beigefügt, da die meisten Leute 12V-Netzteile zum Testen haben werden und wahrscheinlich etwas besseres oder exotischeres verwenden wollen, und es gibt viele Optionen. Ich habe nicht vor, ein eigenes, passendes Netzteil zu entwerfen, also macht es für mich keinen Sinn, ein 20 EUR teures Schaltnetzteil zu bestellen und um den halben Globus zu schicken, nur damit es am Ende unbenutzt bleibt.

Außerdem wäre eine Eingangsspannung, die etwas höher als 12V ist, tatsächlich besser, so dass diejenigen mit einstellbaren Netzteilen eher versuchen können, sie auf maximal 18V zu erhöhen.

Was das Chassis betrifft: das ist nicht einfach. Man kann ein serienmäßiges eloxiertes Aluminiumchassis nehmen und es bearbeiten lassen, oder ein neues aus Blech entwerfen und anfertigen lassen. Beides ist bei kleinen Stückzahlen teuer. Das Problem mit dem Standardgehäuse ist, dass es nie in den idealen Abmessungen erhältlich ist und die Kühlung schwierig ist. Der konstruierte sieht nicht so attraktiv aus, da er nur aus pulverbeschichtetem, gefaltetem Stahl besteht, aber er kann genau in den gewünschten Abmessungen hergestellt werden. Die endgültige Entscheidung darüber ist noch nicht gefallen, aber Anregungen wären willkommen.

Schließlich zur Preisgestaltung: die Unsicherheit um die Materialverfügbarkeit zusammen mit den Versandkosten lässt mich befürchten, die Gesamtkosten zu unterschätzen, zumal ich nicht beabsichtige, Gewinn zu machen. Also würde ich vorerst 500EUR als Zielgröße vorschlagen.
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ronfruehling
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Gehäuse von modushop

Beitrag von ronfruehling »

Hallo Pierre,
pwatts hat geschrieben: 18.06.2021, 16:05...Was das Chassis betrifft: das ist nicht einfach. Man kann ein serienmäßiges eloxiertes Aluminiumchassis nehmen und es bearbeiten lassen, oder ein neues aus Blech entwerfen und anfertigen lassen. Beides ist bei kleinen Stückzahlen teuer. Das Problem mit dem Standardgehäuse ist, dass es nie in den idealen Abmessungen erhältlich ist und die Kühlung schwierig ist.
kennst du modushop.biz und deren Angebot? Vielleicht ist da ja etwas Passendes dabei. Ich habe für meine 4 Netzteile und das eRED-Dock 5 Gehäuse direkt dort in Italien gekauft und finde die Verarbeitungsqualität im wahrsten Sinne des Wortes preiswert: https://modushop.biz/site/index.php?route=common/home
Die Versandkosten hielten sich im Rahmen, alles wurde komplett zerlegt (2 Bleche/ 2 Aluplatten/ 2 gerippte Aluseitenteile - Kühlrippen und Leiterplatteneinschübe & Schraubenbeutel) und sehr gut verpackt verschickt.
Grüßle aus Grafenau
Ronny
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Bernd Peter
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Beitrag von Bernd Peter »

Hallo Pierre,
aber diese sind aufgrund von parasitären Effekten nicht zu 100 % isoliert.
was darf man darunter verstehen?

Nette Grüße

Bernd Peter
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pwatts
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Beitrag von pwatts »

Bernd Peter hat geschrieben: 18.06.2021, 19:26 Hallo Pierre,
aber diese sind aufgrund von parasitären Effekten nicht zu 100 % isoliert.
was darf man darunter verstehen?

Nette Grüße

Bernd Peter
Der eine große Zweck der Isolierung ist es, unerwünschte HF-Störungen zu vermeiden, die in das Gerät eindringen und es verlassen. Dieses HF-Rauschen kann zu unerwünschten Effekten führen, insbesondere wenn es in analoge Elektronik wie z. B. DACs eindringt, es kann aber auch digitale Geräte wie Streamer beeinträchtigen.

Da Ethernet per Spezifikation isoliert ist, ist die Option, nicht wie bei USB zu isolieren, keine Option. Die Isolierung kann dann mit drei Hauptmethoden erfolgen:
1) Transformatoren, was bei 1000BASE-T der Fall ist.
2) Glasfasertransceiver, wie bei 1000BASE-FX
3) Isolierung des Ethernet NACH dem Physical Layer (PHY) mit einem komplexen Netzwerk.

Diese Optionen können bei Bedarf kombiniert werden. Schauen wir uns die drei an:

1) In idealen Transformatoren gibt es eine vollständige Signalisolierung zwischen beiden Seiten und das Signal verbindet sich nur elektromagnetisch. In der realen Welt überlagern sich jedoch Primär- und Sekundärwicklungen, wodurch eine Zwischenwicklungskapazität und damit ein HF-Kondensator zwischen den beiden Seiten entsteht. Dies wird anschließend mit einer Gleichtaktdrossel behandelt, um Gleichtakt-HF-Störungen zu blockieren, aber auch das ist nicht perfekt. Selbst der grüne Lötstopplack auf der Platine hat eine endliche Kapazität (deshalb habe ich ihn unter den Transformatoren ausgeblendet).
Bei der Wahl der Übertrager werden diese meist in die RJ45-Ethernet-Buchsen integriert, da dies sowohl von den Kosten als auch vom Platzbedarf auf der Platine her viel günstiger ist. Die Verwendung von separaten Transformatoren ist die bessere Lösung, und die Verwendung von separaten Gleichtaktdrosseln sogar noch besser. Ich bin dabei, dies mit Hilfe des Benutzers Millhouse zu realisieren.

2) Lichtwellenleiter scheinen die ideale Lösung zu sein, da sie eine absolut 100%ige Isolierung bieten. Allerdings haben diese einen erhöhten Jitter (ich habe mir die Zahlen noch nicht angesehen), aber auch ihre Stromversorgungen sind schwer zu optimieren: der Laser braucht große Ströme, um sehr schnell zu schalten, was ein EMI-Problem darstellt. Diese Spikes koppeln in das Physical-Layer-Gerät ein. Das ist der Grund, warum meiner Meinung nach Glasfaserverbindungen selten die am besten klingenden sind.

3) Post-PHY-Isolation. Dies ist die Methode, die beim EtherRegen mit seinem "Graben" verwendet wird. Die vier Ports und der Switch selbst liegen alle auf dem Massepotential der Hauptstromversorgung. Dann gibt es einen separaten PHY- und Taktschaltkreis auf einem separaten Massepotential, der mit einem fünften RJ45-Port verbunden ist. Die Stromversorgung für diesen wird ebenfalls über einen isolierten DC-DC-Wandler von der anderen Seite gespeist.
Die Signale zwischen diesem PHY und dem Switch sind als SGMII konfiguriert, was ein sehr schneller serieller Bus ist. Das Ethernet TX, RX und der Takt werden dann isoliert und über iCouplers, eine galvanische Isolationstechnologie mit aktiven Schaltkreisen, an den Switch gesendet. Im letzten Schritt werden diese Signale mit Hochgeschwindigkeits-Flipflops umgetaktet. Beachten Sie, dass alle Ports bereits über eine (integrierte) Übertragerisolierung verfügen und die Isolierung zusätzlich erfolgt.
Das Problem bei dieser Methode ist, dass zwar eine Isolierung erreicht wird, dies aber mit zusätzlichen Bauteilen und Jitter verbunden ist, da diese iCouplers keineswegs jitterfrei sind und wir es mit 1,25-GHz-Signalen zu tun haben. Ich war ursprünglich sehr neugierig, meine eigene Version des EtherRegen-Konzepts zu machen, habe mich aber dagegen entschieden, als ich sah, was das bedeuten würde. Interessanterweise habe ich auch einige Referenzen gesehen, die besagen, dass die Verwendung mit nur zwei Ports der gleichen (nicht isolierten) Seite auch gut klang, was uns dazu brachte, uns zu fragen, ob die Signalisolation es wert ist, sie zu verfolgen, oder ob wir stattdessen unsere Aufmerksamkeit auf die anderen Teile des Designs verwenden sollten.

Ich hoffe, das beantwortet die Frage, es kann ziemlich technisch werden, aber das ist eine Zusammenfassung.
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pwatts
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Beitrag von pwatts »

ronfruehling hat geschrieben: 18.06.2021, 16:43 Hallo Pierre,
pwatts hat geschrieben: 18.06.2021, 16:05...Was das Chassis betrifft: das ist nicht einfach. Man kann ein serienmäßiges eloxiertes Aluminiumchassis nehmen und es bearbeiten lassen, oder ein neues aus Blech entwerfen und anfertigen lassen. Beides ist bei kleinen Stückzahlen teuer. Das Problem mit dem Standardgehäuse ist, dass es nie in den idealen Abmessungen erhältlich ist und die Kühlung schwierig ist.
kennst du modushop.biz und deren Angebot? Vielleicht ist da ja etwas Passendes dabei. Ich habe für meine 4 Netzteile und das eRED-Dock 5 Gehäuse direkt dort in Italien gekauft und finde die Verarbeitungsqualität im wahrsten Sinne des Wortes preiswert: https://modushop.biz/site/index.php?route=common/home
Die Versandkosten hielten sich im Rahmen, alles wurde komplett zerlegt (2 Bleche/ 2 Aluplatten/ 2 gerippte Aluseitenteile - Kühlrippen und Leiterplatteneinschübe & Schraubenbeutel) und sehr gut verpackt verschickt.
Grüßle aus Grafenau
Ronny
Ich habe sie mir in der Vergangenheit angeschaut und der Wert ist großartig. Ich würde es auch vorziehen, nur die getesteten Leiterplatten zur Verfügung zu stellen und die Anwender stattdessen ihre eigenen Gehäuse bauen und montieren zu lassen, so dass dies eine Win-Win-Situation sein kann.
Die Herausforderung besteht darin, dass es eine angemessene Kühlung für etwa 7 W geben muss, was nicht wenig ist. Der kühlende Teil ist ein TO220-Transistor auf der Vorderseite der Platine, obwohl dieser bei Bedarf auch auf einem kurzen Kabel kommen kann. Dieser Transistor kann potentiell von hinten in eine 10mm dicke Frontplatte eingeschraubt werden, wenn er nicht ganz durchgebohrt wird. Dies alles beim ersten Mal perfekt hinzubekommen, ist jedoch etwas riskant, und aufgrund meiner physischen Lage ist der Versand verschiedener Chassis-Versuche von Italien nach Südafrika mit UPS/DHL/FedEx sehr kostspielig.

Ich bin völlig offen für Chassis-Vorschläge, aber da die Platine oft modifiziert werden muss, um zum Chassis zu passen, muss das diskutiert werden, bevor die Produktion beginnen kann, aber es ist sowieso kein überstürztes Projekt, da einige Teile eine längere Vorlaufzeit haben.
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Bernd Peter
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Beitrag von Bernd Peter »

Hallo PIerre,

vielen Dank für deine grundlegenden Ausführungen im Hinblick auf Netzwerkanbindung und Isolierung.

Das hilft uns hier wirklich weiter! :cheers:

Es freut mich - und ich denke, ich spreche da im Namen aller - ein so kompetentes und gleichzeitig hilfbereites neues Forenmitglied bei uns vorzufinden.

Es grüßt

Bernd Peter
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