Master's Thesis

Design and Implementation of Media converter for Single Pair Ethernet interface

Final Thesis 20.8 MB Appendix 4.87 MB

Author of thesis: Bc. Luboš Chmelař

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with the design and implementation of a hardware prototype of a multi-standard media converter for Single Pair Ethernet technologies. The proposed device enables the interconnection of a standard Ethernet interface with the 100BASE-T1, 10BASE-T1L and 10BASE-T1S physical layers through a central Ethernet switch. The thesis includes an overview of SPE technology, selection of suitable Ethernet switches and PHY circuits, design of the overall device architecture, implementation of the printed circuit board and development of software support based on the Linux operating system and the Yocto Project environment. The prototype was verified by measuring throughput, latency, communication recovery after link interruption and long-term stability. The results confirmed the functionality of interconnection between the individual physical layers, operation of the 10BASE-T1S interface in both point-to-point and multidrop modes, and stable long-term operation of the device.

Keywords:

Single Pair Ethernet, media-converter, STM32MP157, Yocto Project, Linux, 10BASE-T1L, 10BASE-T1S, 100BASE-T1, 1000BASE-T

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student zodpověděl otázky oponenta. Reagoval na otázky komise na originalitu, implementaci, vlasnosti a možnosti reálného nasazení výsledného řešení některých částí bez výhrad. Proběhla rovněž diskuze ohledně zabezpečení zařízení.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

prof. Ing. Michal Prauzek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Čala, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Lepka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Radomil Matoušek, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D.

Pan Chmelař se musel zorientovat v nové problematice komunikační technologie Single Pair Ethernet, resp. příslušných standardů. Dále práce skýtala návrh složitější DPS, implementaci embedded Linuxu a konfiguraci Ethernet switche.
Hlavním výsledkem práce je funkční prototyp media-konvertoru umožňující propojení standardního Ethernetu s několika fyzickými vrstvami SPE. Zařízení bylo experimentálně ověřeno a dosažené výsledky potvrzují jeho funkčnost. Parametry přenosu jednotlivých rozhraních byly změřeny testovacími scénáři.
Výstup práce má velký potenciál a je prakticky využitelný jak pro laboratorní účely dalšího průzkumu technologie Single Pair Ethernet, tak jako základ pro další vývoj specializovaných zařízení využívajících tuto technologii. Součástí výsledku je nejen hardware, ale i odpovídající softwarové vybavení s diagnostickou podporou.
Práce je po formální stránce zpracována na velmi dobré úrovni. Text je srozumitelný, terminologicky konzistentní a odpovídá požadavkům odborného technického textu. V textu se vyskytují pouze drobné stylistické či typografické nepřesnosti, které jsou zanedbatelné oproti celkové úrovni práce.
Student pracoval svědomitě po celou dobu, přičemž dílčí problémy konzultoval. Vytvořil komplexní zařízení, přičemž se mu podařilo i zařízení zrealizovat, odladit problémy a provést sérii testů. Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D.

Diplomová práce má velmi dobrou prezentační úroveň, je přehledně členěna od úvodu přes teoretickou část, rešerši obvodů, návrh architektury, realizaci DPS, softwarovou část až po testování a přílohy, včetně seznamu obrázků, tabulek a symbolů. Rozsah hlavního textu (cca 100 stran včetně závěru před přílohami) odpovídá požadavkům na diplomovou práci a je přiměřený technické náročnosti zvoleného tématu.

Formální úprava vychází z fakultní šablony a působí profesionálně, text je konzistentně sázen, obrázky, tabulky i schémata jsou vhodně číslovány a odkazy v textu jsou správné. Jazyková úroveň je velmi dobrá, autor používá odbornou terminologii správně, text je stylisticky kultivovaný a jen ojediněle obsahuje delší, hůře čitelná souvětí či drobné formulační nepřesnosti. Oceňuji transparentní popis využití nástrojů generativní AI, který je omezen na jazykové korektury a drobnou softwarovou podporu, přičemž odborný obsah a závěry jsou deklarovány jako autorovy.

Vlastní přínos práce je významný: autor navrhl a realizoval hardwarový prototyp multi‑standardního media-konvertoru pro 100BASE‑T1, 10BASE‑T1L a 10BASE‑T1S, včetně dvoudílné DPS (carrier + SoM), napájecí a hodinové architektury a detailního řešení signálové integrity. Softwarová část založená na Digi Embedded Yocto a vrstvě meta‑diplomka doplňuje prototyp o cíleně zúženou embedded distribuci Linuxu, nástroje pro diagnostiku a webové administrační rozhraní pro správu přepínače a PHY. Experimentální ověření zahrnuje měření propustnosti (TCP/UDP), latence, obnovy komunikace po přerušení vedení i dlouhodobé stability s opakovanými běhy a sledováním diagnostických veličin PHY, což představuje velmi solidní základ pro posouzení provozuschopnosti zařízení. Popsané řešení je dobře využitelné jak pro laboratorní výuku a demonstrační účely v oblasti SPE, tak jako základ pro další výzkum (např. integrace PoDL, jiskrová bezpečnost, rozšíření na další fyzické vrstvy).

Práci jednoznačně doporučuji k obhajobě, vzhledem k rozsahu, kvalitě práce a náročnosti zadání navrhuji hodnocení: výborně (A/100 bodů). Topics for thesis defence:
  1. Jaká jsou hlavní omezení navrženého řešení media-konvertoru z hlediska topologie a parametrů kanálu pro 10BASE‑T1S v režimu multidrop a co by se muselo udělat, aby bylo možné síť rozšířit pro větší počet uzlů či delší sběrnici?
Points proposed by reviewer: 100

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová