Измерение переходного затухания. Теория

"Витая пара" (twisted pair) – это кабель на медной основе, объединяющий в оболочке одну или более пар проводников. Каждая пара представляет собой два перевитых вокруг друг друга изолированных медных провода. Кабели данного типа зачастую сильно отличаются по качеству и возможностям передачи информации. Соответствия характеристик кабелей определенному классу или категории определяют общепризнанные стандарты (ISO 11801 и TIA-568). Сами характеристики напрямую зависят от структуры кабеля и применяемых в нем материалов, которые и определяют физические процессы, проходящие в кабеле при передачи сигнала.

Сбалансированность пары

Сбалансированность пары является фактически определяющей характеристикой качества кабеля, поскольку влияет на большинство других его свойств. Дело в том, что электромагнитное (Electro Magnetic - EM) поле наводит электрический ток в проводниках и образуется вокруг проводника при протекании по нему электрического тока. Взаимодействие между EM-полями и токонесущими проводниками может оказывать отрицательное воздействие на качество передачи сигнала. В обоих же проводниках сбалансированной пары электромагнитные помехи (em1 и em2) наводят одинаковые по амплитуде сигналы, (S1 и S2) находящихся в противофазе. За счет этого суммарное излучение "идеальной пары" стремится к нулю.

Если в кабеле присутствует более одной пары, то для исключения взаимных наводок пар, которые могли бы нарушить электромагнитный баланс, пары скручивают с различным шагом.

Impedance

(Характеристический импеданс)
Как всякий проводник, "Витая пара" имеет сопротивление переменному электрическому току. Однако это сопротивление может быть различным для различных частот. "Витая пара" имеет импеданс обычно 100 или 120 Ом. В частности для кабеля Категории 5 импеданс измеряется в диапазоне частот до 100 МГц и должен составлять 100 Ом ±15%.
Для идеальной пары импеданс должен быть одинаковым по всей длине кабеля, поскольку в местах неоднородности возникает эффект отражения сигнала, что в свою очередь может ухудшить качество передачи информации. Чаще всего однородность импеданса нарушается при изменении в рамках одной пары шага скрутки, перегиба кабеля при прокладке или иного механического дефекта.

Скорость/задержка распространения сигнала

NVP (Nominal Velocity of Propagation) – скорость распространения сигнала. Выражается как отношение скорости распространения сигнала к скорости света. Однако часто применяется производная от NVP и длины кабеля характеристика "delay" (задержка), выражающаяся в наносекундах на 100 метров пары. Если в кабеле присутствует более более одной пары, то вводят понятие "delay skew" или разность задержки. Дело в том, что пары не могут быть идеально одинаковы, что порождает разные задержки распространения сигнала в разных парах. Идеальные системы подразумевают, что подобные разницы будут минимальны.

Attenuation

Помимо импеданса и скорости распространения сигнала выделяют и другие важные характеристики кабеля типа "Витая пара". Одной из таких является погонное затухание (attenuation), характеризующей величину потери мощности сигнала при передачи. Характеристика вычисляется как отношение мощности полученного на конце линии сигнала к мощности сигнала, поданного в линию. Поскольку величина затухания изменяется с ростом частоты, она должна измеряться для всего диапазона используемых частот. Сама величина выражается в децибелах на единицу длины.

На представленном графике показаны потери мощности сигнала при передаче в зависимости как от длины кабеля, так и от используемой частоты.

NEXT

(Near End Crosstalk)
Другим важным параметром является NEXT (Near End Crosstalk), или переходное затухание между парами в многопарном кабеле, измеренное на ближнем конце - то есть со стороны передатчика сигнала, которое характеризует перекрестные наводки между парами. NEXT численно равен отношению подаваемого сигнала на одну пару к полученному наведенному в другой паре и выражается в децибелах. NEXT имеет тем большее значение, чем лучше сбалансирована пара. Измерения необходимо проводить с обоих сторон, поскольку эта характеристика зависит от взаимного расположения измерительных приборов и мест возможных дефектов в кабеле. Как и погонное затухание, NEXT необходимо измерять для полного ряда частот.

В многопарном кабеле измерения производятся для всех комбинаций пар. Однако в настоящее время все чаще применяют и более глубокие тесты, основанные на выявлении групповых наводок на ближнем конце между всеми парами (Power Sum Crosstalk), присутствующими в кабеле.

Power Sum Crosstalk

Другое название данной характеристики – Power Sum NEXT или PS-NEXT. Как и NEXT, Power Sum CrossTalk выражает переходное затухание между парами в многопарном кабеле, измеренное на ближнем конце - то есть со стороны передатчика сигнала. Однако учитываются одновременные наводки со всех пар, присутствующих в кабеле. Подобно NEXT, PS-NEXT измеряется с обоих концов линии для всего диапазона применяемых частот.

Кроме оценки взаимных наводок пар на ближнем конце кабеля, переходное затухание измеряют и со стороны приемника сигнала. Данный тест получил название FEXT (Far End Crosstalk).

FEXT

(Far End Crosstalk)
Far End Crosstalk или переходное затухание на дальнем конце характеризует влияние сигнала в одной паре на другую пару. В отличие от NEXT FEXT измеряется посредством подачи тестового сигнала на пару в кабеле с одной пары и замера наведенного сигнала в другой паре со стороны приемника. Характеристика численно равна отношению тестового сигнала к наведенному посредством созданного электрического поля. FEXT как и все семейство характеристик переходного затухания, измеряется на всем диапазоне используемых частот и выражается в децибелах.

ACR

(Attenuation Crosstalk Ratio)
Одной из самых важных характеристик, отражающих качество кабеля является разность между погонным и переходным затуханиями, выражающуюся в децибелах. Чем меньше погонное затухание, тем большую амплитуду имеет полезный сигнал на конце линии. С другой стороны чем больше переходное затухание, тем меньше взаимные наводки пар. Таким образом разность этих двух величин отображает реальную возможность выделения полезного сигнала принимающим устройством на фоне помех. Для уверенного приема сигнала необходимо чтобы Attenuation Crosstalk Ratio был не меньше заданного значения, определяемого стандартами для соответствующей категории кабеля. При равенстве погонного и переходного затухания выделить полезный сигнал становится теоретически невозможно. Так как характеристика не измеряется, а является результатом вычислений на основе измерений затуханий, которые в свою очередь зависят от используемой частоты, ACR должен вычисляться для всего диапазона применяемых частот.

ELFEXT

(Equal Far End Crosstalk)
ELFEXT – приведенное переходное затухание. Эта характеристика вычисляется на основании измерений переходного затухания на дальнем конце (FEXT) и погонного затухания (Attenuation) наводимой пары. Фактически ELFEXT – это ACR на дальнем конце кабельного линка, т.е. разница между параметрами FEXT первой пары и Attenuation второй. ELFEXT как и все семейство характеристик переходного затухания, вычисляется для всего диапазона используемых частот и выражается в децибелах.

PS-ELFEXT

(Power Sum Equal Far End Crosstalk)
PS-ELFEXT – суммарное приведенное переходное затухание. Эта характеристика вычисляется для каждой отдельной пары простым суммированием значений ее параметров elfext относительно всех остальных пар.

Return Loss

(RL)
При передачи сигнала, возникает так называемый эффект отражения сигнала в обратном направлении. Величина отражения сигнала Return Loss или "обратное затухание" пропорциональна затуханию отраженного сигнала. Характеристика особенно важна при построении сетей с поддержкой протокола Gigabit Ethernet, использующего передачу сигналов по витой паре в обе стороны (полнодуплексная передача). Достаточно большой по амплитуде отраженный сигнал может искажать передачу информации в обратном направлении. Return Loss выражается в виде отношения мощности прямого сигнала к мощности отраженного.

Определение величины токов влияния на ближний и дальний концы кабельной линии

Кабельные линии монтируют из отдельных отрезков кабеля (строительных длин), поставляемых заводами со скрученными (скре­щенными) жилами цепей, и поэтому фазы токов влияний, поступа­ющих к ближнему и дальнему концам кабельной линии, неизвест­ны. При определении полного тока влияний применяют квадратич­ный закон сложения токов отдельных строительных длин. Рассматриваемая ситуация отличается от случая влияний между цепями воздушных линий, где фазы токов поступающие с отдельных участков взаимовлияющих цепей на ближний (дальний) конец, известны, т.к. схемы скрещивания цепей монтируются в процессе строительства воздушной линии.

Допустим, что имеется кабельная линия из n отрезков кабеля длиной S с цепями, имеющими одинаковые параметры. Для опреде­ления переходного затухания на ближнем конце предположим, что электромагнитные связи между цепями постоянны по всей длине и ток влияния первой строительной длины , тогда ток влияния со второй строительной длины будет и т. д., и с последней строительной длины .

Полный ток влияния на ближнем конце

.

В этом случае отношение токов

Приравняв , для переходного затухания получим

где - переходное затухание на ближнем конце строительной длины, оп­ределяемое обычно измерениями.

Все токи влияния на дальний конец проходят через отдельные строительные длины и пути их от начала влияющей цепи до конца цепи, подверженной влиянию, одинаковы. По­этому при суммировании их по квадратичному закону все слагае­мые под квадратным корнем получаются одинаковыми, и полный ток

Переходя к отношению токов и логарифмируя, получим

где - переходное затухание на дальнем конце строительной длины, определяемое измерениями, .

Защищенность на дальнем конце

Строительные длины кабелей в процессе монтажных работ сое­диняют между собой; они образуют кабельную линию.

Симметрирование кабелей

Кабельные цепи в строительных длинах одного и того же типа кабеля всегда имеют различные электрические характеристики (в пределах, допустимых техническими условиями), и от того, как они будут соединены, зависит защищенность их от взаимных влияний и влияний внешних источников. Поэтому при выполнении монтажных работ с симметричными кабелями проводят симметрирование - комплекс мероприятий, направленных на уменьшение влияний.

Способы симметрирования . Взаимные влияния возникают в результате наличия между цепями электромагнитных связей. При этом в низкочастотных (до 4 кГц) кабелях преобладают электрические связи, а в высокочастотных - электромагнитные комплексные связи. Исходя из этого в НЧ кабелях достаточно проводить симметрирование емкостных связей; в ВЧ кабелях необходимо симметрировать все составляющие (активные и реактивные) электрических и магнитных связей. Для симметрирования НЧ кабелей применяют метод скрещивания жил и конденсаторный метод. Симметрирование ВЧ кабелей производят методами скрещивания жил и концентрированного симметрирования контурами противосвязи.

Сущность симметрирования скрещиванием жил заключается в компенсации электромагнитных связей между цепями на одном участке кабельной линии связями другого участка. Компенсация объясняется тем, что при скрещивании связи изменяют свой знак.

При симметрировании конденсаторным методом последние устанавливают в промежуточной муфте, соединяющей два участка кабельной линии, и включают между жилами цепей. Емкость их выбирают такой, чтобы сумма частичных емкостей С 13 +С 24 (рис.1) была близка к сумме С 14 +С 23 . В случае равенства сумм достигается равновесие электрического моста, и емкостная связь равна нулю.

Концентрированное симметрирование контурами противосвязи заключается в том, что токи помех, вызываемые электромагнитными связями между цепями, компенсируются токами влияния противоположной фазы, создаваемыми с помощью контуров, включаемых между жилами взаимовлияющих цепей.

На рис.2 приведена схема включения контура противосвязи F п, а естественная распределенная связь показана в виде эквивалентной связи F. Поскольку токи влияния I и I п на дальний конец различных участков сближения цепей имеют одинаковую фазу, то для компенсации этих токов достаточно с помощью контура создать такой же ток, но противоположной фазы. При практическом симметрировании сложность заключается в реализации требуемой частотной зависимости контура противосвязи, воспроизводящего частотную зависимость естественной электромагнитной связи, которая носит комплексный характер, и в необходимости учета эффекта перестановки.

Выполнение симметрирования значительно упрощается при использовании комплекта приборов для визуального измерения комплексных связей по активной и реактивной составляющим, а также переходных затуханий по модулю и фазе вместо приборов для измерения частотных характеристик переходного затухания на ближнем конце и защищенности на дальнем конце.

На ближний конец цепи токи влияния с различных участков приходят с разными фазами, и компенсировать их токами противосвязи сложно, так как контуры противосвязи необходимо подключать в местах воздействия электромагнитной связи. Учитывая, что в действительности электромагнитные связи имеют распределенный характер, то для получения компенсации нужно между цепями подключать большое число контуров противосвязи, что практически неприемлемо. Поэтому концентрированное симметрирование контурами противосвязи применяют только для уменьшения влияния на дальний конец. Влияние на ближний конец уменьшают скрещиванием.

Методика симметрирования высокочастотных и низкочастотных цепей различна. Высокочастотные цепи имеют большое затухание на высоких частотах, и токи влияния на ближний конец участков, расположенных на расстоянии, соответствующем затуханию 10-11 дБ (на верхних частотах передаваемого спектра), незначительны. Это позволяет производить симметрирование на всем усилительном участке. Низкочастотные цепи имеют значительно меньшее затухание, и, снижая влияние на дальний конец, можно увеличить влияние на ближний конец и наоборот. Низкочастотные кабели симметрируют небольшими участками, называемыми шагами симметрирования: участки кабельной линии, состоящие из нескольких строительных длин общей протяженностью до 4 км. Обычно длину шага симметрирования низкочастотных кабелей принимают равной 2 км.

В железнодорожных кабелях дальней связи имеются высоко- и низкочастотные четверки. При симметрировании таких кабелей приходится применять оба метода.

3. Симметрирование низкочастотных цепей . В кабелях со звездной скруткой жил наибольшие влияния имеют место между цепями внутри четверок. Влияние между цепями смежных четверок меньше из-за различных шагов их скрутки. Однако при большой длине кабеля это влияние может превысить допустимое. Влияние уменьшают смешиванием четверок, которое заключается в том, что на протяжении кабельной линии четверки меняются местами, то удаляясь друг от друга, то сближаясь. В железнодорожных кабелях применяют преимущественно симметрирование внутри четверок. Перед началом симметрирования цепи к ней должны быть подключены все ответвления от магистрального кабеля к устройствам автоматики и связи.

Низкочастотные цепи симметричных кабелей в отличие от высокочастотных имеют более высокие значения волнового сопротивления. Поэтому при передаче по этим цепям сигналов одинаковой мощности напряжение в низкочастотных цепях окажется больше, а ток меньше, чем в высокочастотных и, следовательно, влияния между низкочастотными цепями в большей степени обусловливаются электрическими связями, чем магнитными. Низкочастотные цепи магистральных железнодорожных кабелей необходимо симметрировать в тех же муфтах, что и высокочастотные. При совпадении мест расположения усилительных пунктов НЧ и ВЧ цепей низкочастотные цепи следует симметрировать одновременно с высокочастотными, а при несовпадении сначала симметрируют высокочастотные цепи, а затем низкочастотные.

Для симметрирования четверок сначала измеряют емкостные связи в соединяемых строительных длинах кабеля: k 1 =(С 13 +С 24)-(С 14 +С 23) между основными цепями в четверке; k 2 =(C 13 +C 14)-(C 23 +C 24) между первой основной и искусственной; k 3 =(C 13 +C 23)-(C 14 +C 24) между второй основной и искусственной. Измеряют также емкостную асимметрию е 1 =(C 10 -C 20) первой пары четверки; е 2 =(C 30 -C 40) второй пары четверки; е 3 =(C 10 +C 20)-(C 30 +C 40) искусственной цепи, где C 13 , C 23 , C 14 , C 24 - емкости между жилами цепей; C 10 , C 20 , C 30 , C 40 - емкости между жилами и землей (оболочкой) (см. рис.1).

Затем симметрирование выполняют в три этапа: внутри шагов симметрирования; при соединении шагов и на смонтированном усилительном участке.

Симметрирование внутри шагов (первый этап) можно выполнять в одной, трех и семи точках, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и от концов шага симметрирования (рис.3). Муфты, в которых выполняют симметрирование скрещиванием, называются симметрирующими. Муфты, в которых симметрирование выполняют скрещиванием и конденсаторами, называются конденсаторными. Муфты, в которых симметрирование не выполняют и жилы соединяют напрямую, называют прямыми муфтами и обозначают кружком (см. рис.3).

При одноточечной схеме сначала монтируют прямые муфты, а затем конденсаторную (К). В случае трехточечной схемы вначале монтируют прямые муфты, затем симметрирующие и только потом конденсаторные. При симметрировании по семиточечной схеме сначала монтируют симметрирующие муфты А, затем Б и последней - конденсаторную муфту К.

Схемы скрещивания жил цепей при соединении четверок в симметрирующих муфтах выбирают по данным измерений емкостных связей и асимметрии. Например, если на одном участке кабельной линии емкостная связь между цепями одной из четверок пФ, а на другом участке емкостная связь между цепями также внутри одной четверки пФ, то при соединении жил обеих четверок без скрещивания результирующая связь пФ. Если жилы одной из цепей скрестить в соединительной муфте, то результирующая связь k 1 =350-300=50 пФ. В случае скрещивания обеих цепей значение результирующей связи не изменится (650 пФ).

Когда имеется искусственная цепь, возможны 8 вариантов скрещивания. Эти комбинации скрещиваний и соответствующие им знаки емкостных связей и асимметрии приведены в табл.1.

Штрихами у букв обозначают участки кабеля. Для удобства введены условные обозначения, называемые операторами. Крест соответствует скрещиванию, а точки - соединению напрямую (цвет в цвет).

При выполнении симметрирования скрещиванием пробуют все возможные схемы и выбирают ту, при которой связи и асимметрия имеют наименьшие значения. Когда нельзя одновременно уменьшить связи и асимметрию, оператор выбирают исходя из задачи уменьшения связей.

Таблица 1

Если скрещиванием не удалось снизить связи и асимметрию до допустимых значений (k 1 , k 2 , k 3 ≤ 20 пФ; е 1 , е 2 ≤ 100 пФ), то применяют симметрирование конденсаторами.

Емкости этих конденсаторов выбирают так. Допустим, измерениями установлено, что k 1 = - 30 пФ. Это значит, что в уравнении для k 1 сумма емкостей (С 13 +С 24) меньше (С 14 +С 23) на 30 пФ. Следовательно, для того чтобы получить значение k 1 = 0 и не изменить k 2 и k 3 , необходимо включить дополнительные конденсаторы емкостью 15 пФ между жилами 1-3 и 2-4 четверки. Аналогично можно уменьшить связи k 2 и k 3 . Для снижения асимметрии конденсаторы подбирают так же, но включают их между соответствующими жилами и оболочкой (землей).

При соединении шагов между собой (второй этап) симметрирование выполняют способом скрещивания по результатам измерений переходного затухания между цепями на частоте 800 Гц. Выбирают операторы, которые дают наибольшее переходное затухание. Шаги наращивают последовательно, начиная от концов усилительного участка к его середине по измерениям переходного затухания на ближнем и дальнем конце, добиваясь наибольшего их значения. Одновременно выравнивают рабочие емкости и сопротивления жил основных цепей в шаге симметрирования так, чтобы асимметрия не превышала 0,1 Ом.

На участках, где возможны большие внешние влияния, на втором этапе симметрирования проводят дополнительные мероприятия по снижению коэффициента чувствительности цепей к помехам.

Для этого при соединении между собой шагов симметрирования по направлению от конца усилительного участка к его середине по результатам измерения переходного затухания на ближнем конце и напряжений U 1 и U 2 в соединяемых четверках кабеля (рис.4).

Измерительный генератор G включают в конце наращиваемого шага симметрирования S (точка С). На головной станции (точка А) проводят серию измерений на зажимах нагрузочных сопротивлений кабельных цепей в четверке Каждая группа из двух измерений относится к определенному оператору скрещивания жил четверки в монтируемой муфте. Наименьшему измеренному напряжению будет соответствовать минимальный коэффициент чувствительности цепи.

Приемлемый оператор (схема соединения жил в точке В) выбирают компромиссно на основании результатов сравнения значений переходных затуханий между цепями в кабельной четверке и измеренных напряжений U 1 и U 2 . При этом переходные затухания не должны быть менее допустимых, а измеренные напряжения должны быть наименьшими.

На третьем этапе симметрирование на смонтированном усилительном участке выполняют в муфте, расположенной примерно в середине усилительного участка. В этой муфте соединяют жилы в четверке по результатам измерения защищенности на дальнем конце и напряжений U 1 и U 2 , выбирают компромиссно самый выгодный оператор. В четверках, не удовлетворяющих нормам переходного затухания и защищенности, включают компенсирующие контуры.

4. Симметрирование высокочастотных цепей .

Для уменьшения трудоемкости и повышения эффективности симметрирования на стадии подготовительных работ проводят группирование строительных длин кабеля по средним значениям рабочей емкости цепей и по величине переходного затухания на ближнем конце. В этом случае из паспортных данных на строительные длины выбирают минимальные значения переходного затухания на ближнем конце между всеми цепями и составляют ведомость укладки этих кабелей на участке. На концах усилительного участка прокладывают кабели с наибольшими значениями переходного затухания, что позволяет исключить или значительно облегчить процесс симметрирования на ближний конец цепи. Для высокочастотных цепей симметрирование выполняют в пределах усилительных участков систем передачи с частотным разделением каналов (цифровые системы обладают большей помехозащищенностью и не требуют симметрирования ВЧ цепей). Симметрирование на дальнем конце усилительного участка выполняют в два этапа: на первом - систематическое скрещивание первой цепи четверки при соединении строительных длин кабеля (оператор соединения в муфте жил кабеля х..); на втором - скрещивание цепей в одной, двух или трех точках (муфтах) (рис.5) с подбором опытным путем наилучшего сочетания операторов скрещивания по результатам измерений защищенности цепей на дальнем конце усилительного участка. Эффективность двухэтапного скрещивания ВЧ цепей зависит от значений так называемого параметра симметрируемости внутричетверочных комбинаций влияния для строительной длины кабеля. Этот параметр определяется минимальным значением A l , которого можно достигнуть при компенсации непосредственных влияний. Эффективность двухэтапного скрещивания также зависит от диапазона частот и длины усилительного участка.

Под наилучшим сочетанием операторов скрещивания при трехточечной или двухточечной схемах симметрирования понимают такое, при котором достигается требуемая норма по защищенности A з l во всем диапазоне частот. Если этого достигнуть невозможно, то выбранные операторы скрещивания должны в первую очередь уничтожить эффект перестановки для возможности использования симметрирования с применением контуров противосвязи. В последнем случае симметрирование ВЧ цепей получается трехэтапным.

Кроме рассмотренных методов уменьшения взаимных влияний между ВЧ цепями, в отдельных случаях могут потребоваться и другие (дополнительные) меры, например по уменьшению влияний с выхода промежуточного усилителя (регенератора) на его вход в комбинированных железнодорожных кабелях связи и компенсационный метод ослабления взаимных влияний на участках меджу соседними обслуживаемыми усилительными пунктами (ОУП-ОУП). Этот метод служит для обеспечения помехозащищенности от взаимных влияний при организации связи по кабелю, предназначенному согласно техническим условиям для работы в более узком диапазоне частот, чем этого требует применяемая аппаратура.

Влияние с выхода промежуточного усилителя на его вход необходимо учитывать на кабельных линиях при наличии низкочастотных цепей, проходящих без разрыва через высокочастотный усилительный пункт (УП). В этом случае имеют место указанные влияния через третьи низкочастотные цепи (рис.6). Устранение этих влияний может быть обеспечено благодаря переходу ВЧ цепей из одного кабеля в другой в каждом усилительном пункте (рис.7). Влияния с выхода на вход ВЧ усилителей через третьи двухпроводные цепи могут быть уменьшены включением в последние низкочастотных фильтров.

Рис. 6	Рис. 7

Для уменьшения этих влияний на воздушных линиях вводы в усилительные пункты устраивают в разных кабелях. Для уменьшения влияния через земляной тракт во все цепи на входе и выходе в усилительные пункты включают запирающие катушки (ЗК) (рис.8). Каждую полуобмотку катушки ЗК включают в один из проводов двухпроводной цепи. В результате магнитные поля токов земляного тракта (имеющих одинаковое направление) складываются, что увеличивает индуктивное сопротивление цепи «провод-земля». Магнитные поля токов, имеющих разные направления в проводах двухпроводной цепи, взаимно компенсируются, и затухание, вносимое запирающей катушкой для передаваемых сигналов, невелико. При вводе в оконечные пункты запирающие катушки включаются только в уплотненные цепи.

Компенсационный метод ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП. Линейные тракты железнодорожных магистральных кабельных линий находятся в более тяжелых условиях по сравнению с аналогичными линиями Министерства связи. Это объясняется наличием третьих неуплотненных цепей, большим числом кабелей с бумажной изоляцией и алюминиевой оболочкой, трудно симметрируемых в широком диапазоне частот, большим числом отпаев от магистрального кабеля. Поэтому применительно к кабельным магистралям железнодорожного транспорта этот метод ослабления взаимных влияний наиболее применим.

Компенсационный метод имеет большие возможности ослабления взаимных влияний по сравнению с методами симметрирования. Это объясняется, во-первых, тем, что он учитывает наличие эффекта перестановки, который возникает из-за различия постоянных распространения взаимовлияющих цепей (эффект перестановки проявляется в том, что комплексные связи для комбинаций влияния первой цепи на вторую и наоборот различны); во-вторых, применением более широкой элементной базы (кроме резисторов и конденсаторов, применяемых как и в методе симметрирования контурами противосвязи в пределах усилительного участка, используют регулируемые линии задержки и катушки индуктивности, на базе которых создают полосовые фильтры с требуемыми характеристиками). Недостатком рассматриваемого метода является то, что он может быть применен только на магистрали с полностью настроенными линейными трактами, и при его использовании невозможен контроль качества строительства по важнейшему параметру - переходному затуханию и защищенности.

Взаимные влияния на участках ОУП-ОУП подавляются включением в приемном ОУПе контура противосвязи (рис.9). Схему противосвязи подбирают так, чтобы ток компенсации I к был одинаков по модулю и противоположен по фазе результирующему току помех на входе данного ОУП где - ток помех, наведенный в пределах v -го усилительного участка. Для обеспечения независимости подавления взаимных помех между различными комбинациями влияний (учет эффекта перестановки) используют однонаправленное устройство, которое устанавливают на входе контура противосвязи.

Подбор элементов контуров противосвязи возможен двумя основными способами - расчетным и аппаратурно-итерационным. Последний применяют на железнодорожных кабельных магистралях, так как он более нагляден и не требует применения специальной аппаратуры. Аппаратурно-итерационный метод синтеза схем противосвязей состоит из трех этапов: первый - измерение годографа комплексных связей на участке ОУП-ОУП, второй - подбор элементов контуров противосвязи на основании данных, полученных на первом этапе; третий - измерение разностного годографа после подключения контура противосвязи между взаимовлияющими цепями и уточнение элементов последнего. Подбор элементов контуров противосвязей заключается в выборе необходимой типовой схемы противосвязи или комбинации их включения. Среднее значение эффективности ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП составляет 10-12 дБ.

Контрольные вопросы

1.Поясните физический смысл симметрирования с применением контуров противосвязи и метода скрещивания.

2.В чем состоят особенности симметрирования низкочастотных (высокочастотных) кабелей связи?

3.В чем заключается особенность симметрирования низкочастотных цепей при воздействии внешних влияний?

4.Поясните преимущества и недостатки компенсационного метода ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП.

5.Поясните назначение и принцип действия запирающих катушек.

Необходимость непрерывного повышения объема и скорости передачи информации заставляет совершенствовать качественные показатели кабельных трактов. Однако возможности снижения затухания горизонтальных кабелей уже практически исчерпаны и сохраняются только для ЦОДов с их небольшой протяженностью линий.

Естественное стремление обеспечить нормальное быстродействие информационно-телекоммуникационной системы (ИТС) стимулирует внедрение каналов связи с постоянно увеличивающейся пропускной способностью.

Тенденция к переходу на все более быстродействующую технику высоких категорий четко прослеживается на всех уровнях информационной кабельной системы. Не стала исключением ее горизонтальная подсистема, которая в подавляющем большинстве случаев реализуется на электропроводной симметричной элементной базе. Стандартные симметричные кабельные тракты СКС отличаются высокой шенноновской пропускной способностью в сочетании с относительно небольшой шириной полосы пропускания. Необходимость максимально полно использовать потенциальные возможности этой направляющей системы вынуждает разработчика сетевых интерфейсов задействовать сложные многопозиционные линейные сигналы, требовательные к качественным показателям канала связи. Малейшее невыполнение норм по этим параметрам приводит к резкому снижению пропускной способности и, соответственно, падению потребительской ценности ИТС в целом, что недопустимо.

Особенности обеспечения качества сигнала в симметричных кабельных СКС

Техника локально-вычислительных сетей (ЛВС) предполагает, что при переходе на аппаратуру следующей по быстродействию ступени темп передачи в подавляющем большинстве случаев увеличивается на порядок. Это является необходимым условием обеспечения значимой экономической выгоды от внедрения более совершенной техники.

Одним из ключевых факторов, определяющих качество передачи информации в любой системе электросвязи, становится отношение сигнала к шуму на входе ее приемника при достаточной ширине полосы пропускания. Превалирующим типом помехи в электропроводных симметричных трактах СКС являются переходные шумы. Мешающие воздействия прочих разновидностей, также в определенных пределах влияющие на качество передачи с точностью, достаточной для выполнения инженерных расчетов, считаются второстепенными. Этому в немалой степени способствует высокая эффективность их подавления самим сетевым интерфейсом при соответствующей обработке смеси сигнала с шумом на приеме и коррекции на передающем конце.

В качестве численной меры величины отношения сигнала к шуму в СКС привлекается параметр ACR - показатель защищенности от переходной помехи. Для учета особенностей схемы передачи и обработки линейного сигнала, используемых в современных высокоскоростных интерфейсах, его дополнительно указывают для обычного, суммарного и межэлементного влияния, а также для ближнего и дальнего концов тракта.

Несложно показать, что защищенность не зависит от уровня выходного сигнала передатчика и численно равна разности между величинами соответствующего переходного и рабочего затухания, т.е. определяется исключительно самим кабельным трактом. Например, используемая еще в первых редакциях стандартов междупарная защищенность на ближнем конце находится как

ACR = NEXT - IL, дБ,

где NEXT - переходное затухание на ближнем конце, IL - рабочее затухание.

Другие разновидности защищенности получаются простой заменой NEXT на величину соответствующего переходного затухания.

Предельная пропускная способность симметричного тракта определяется известным соотношением Шеннона и для современной мультигигабитной техники используется с высокой степенью полноты (примерно на 60% в 10-гигабитных системах). Поэтому при переходе на следующее по быстродействию поколение сетевой аппаратуры величина ACR должна быть увеличена примерно на 10 дБ во всей рабочей полосе частот. Это необходимо для обеспечения вероятности битовой ошибки не свыше 10-12, фиксируемой спецификациями IEEE.

Из приведенного соотношения следует, что наращивать ACR можно двумя на первый взгляд равнозначными способами: уменьшением IL и наращиванием NEXT.

Методы уменьшения рабочего затухания

Для уменьшения величины рабочего затухания разработчик кабеля может использовать несколько основных приемов:

• увеличить диаметр провода витой пары;
• использовать для изготовления проводников материалы с меньшим удельным сопротивлением;
• применить более качественную изоляцию с уменьшенными диэлектрическими потерями;
• улучшить степень согласования волновых сопротивлений тех отдельных компонентов, последовательное сопротивление которых образует кабельный тракт СКС;
• увеличить номинальное значение волнового сопротивления свыше 100 Ом.

Увеличение диаметра токопроводящей проволоки витой пары свыше 0,64 мм нецелесообразно из-за опасности возникновения несовместимости с IDC-контактами кабельной части разъемов существующего коммутационного оборудования.

Электротехническая медь, применяемая для изготовления проводов витых пар, практически идеальный материал, уступающий по своим характеристикам только серебру, переход на которое невозможен по экономическим причинам. Кроме того, задействованный в сетевых интерфейсах Ethernet способ передачи в базовой полосе делает технически крайне неэффективным обращение к заметно более экономичным биметаллическим проводам, когда тонкий слой серебра наносится только на поверхность медного провода.

Также в значительной степени исчерпаны резервы улучшения качества изоляции. Современные полимерные материалы, используемые для формирования изолирующих покрытий медных проводников, отличаются предельно малыми потерями. Кроме того, относительная диэлектрическая проницаемость доведена до величины около 1,5. Это достигается в том числе за счет применения пустотелых материалов, получаемых за счет вспенивания или структурирования (рис. 1). Ее дальнейшее существенное снижение проблематично из-за сложностей, связанных с обеспечением механической стабильности самого изоляционного покрытия.

Улучшение степени согласования отдельных компонентов позволяет приблизить рабочее затухание к характеристическому (теоретическому минимуму). Действующие редакции стандартов фиксируют, что для современных компонентов допустимое значение отклонения волнового сопротивления от номинального не превышает ±15% во всем рабочем частотном диапазоне. Следовательно, степень приближения к оптимуму достаточно высока и значимого прогресса в этой области ожидать не приходится.

Увеличение волнового сопротивления как прием, не требующий перехода на иные исходные материалы, позволяет добиться серьезных результатов. Например, применение 120-омных кабелей, которые допускались для использования в СКС стандартами еще в 1995 г., для широко распространенной категории 5е на частоте 100 МГц при 100-метровой протяженности линии дает выигрыш около 5 дБ. Однако при этом из-за потери свойства обратной совместимости резко усложняется эксплуатация кабельной системы. Причина в том, что существенное увеличение уровня отражений в точке с разным волновым сопротивлением не позволяет гарантировать работоспособность гигабитной сетевой аппаратуры и ее более скоростных модификаций при прямом подключении к стационарной линии. Обращение к согласующим элементам в независимости от варианта их исполнения сопряжено с рядом очевидных неудобств эксплуатационного плана и считается крайне нежелательным.

Из изложенного прямо вытекает, что возможности известных методов снижения затухания достаточно ограничены и прорыва в этой области ожидать не приходится. Не случайно спецификации кабельных трактов перспективной категории 8, разрабатываемые в настоящее время, исходят из линейно-логарифмической интерполяции характеристик коэффициентов затухания элементной базы категорий 6а и 7а в ВЧ-части спектра линейного сигнала 40-гигабитных сетевых интерфейсов (рис. 2).

Увеличение переходного затухания

В широкой инженерной практике много способов улучшить характеристики отдельных компонентов и комплексных объектов электропроводной подсистемы СКС по переходным влияниям. Для улучшения внутрикабельного переходного затухания привлекаются следующие:

• уменьшение шага скрутки витых пар вплоть до величин менее 10 мм;
• введение в конструкцию сердечника сепаратора витых пар;
• применение индивидуального для каждой пары экранирования.

Межкабельное переходное затухание для изделий категории 6а и выше наращивается до требуемого значения следующими мерами:

• искусственное увеличение эффективного внешнего диаметра неэкранированных конструкций с целью снижения межкабельных влияний;
• использование оплеточных и пленочных экранов (в последнем случае возможно их незаземленное исполнение).

Из приведенного перечня следует, что те изменения, которые положены в основу коррекции конструкции кабеля, носят исключительно механический характер. За счет этого они не требуют радикальной перестройки кабельного производства и внедрения новых материалов.

Как увеличить ACR?

Разумеется, не существует никаких противопоказаний к улучшению качественных показателей электропроводных линий СКС за счет одновременного снижения рабочего затухания и наращивания переходного затухания. В первую очередь это относится к симметричному кабелю как наиболее «шумящему» компоненту тракта.

Из представленных выше данных следует, что достижение требуемой величины ACR за счет наращивания NEXT заметно эффективнее. Проиллюстрируем это положение на численном примере. При переходе с техники категории 5е на категорию 6 шаг скрутки уменьшается на несколько десятков процентов. В конструкцию кабельного сердечника в подавляющем большинстве случаев дополнительно вводится сепаратор. Комплекс этих достаточно простых по современным меркам мероприятий дает возможность добиться увеличения NEXT на отмеченные выше 10 дБ. Кроме того, наращивание NEXT оказывается одинаковым во всем рабочем частотном диапазоне. Вносимые потери IL уменьшаются за счет увеличения диаметра токопроводящей жилы пары с 0,51 до 0,53 мм. Абсолютная величина снижения согласно требованиям стандартов составляет примерно 2 дБ на частоте 100 МГц, т.е. выигрыш по этому параметру от перехода на более качественную элементную базу оказывается достаточно малым. Более того, по мере уменьшения частоты величина выигрыша падает, что еще более снижает эффективность наращивания пропускной способности кабельного тракта этим путем.

За основу дальнейшего анализа можно принять то, что при современном уровне техники практическая необходимость в наращивании гарантированного минимального значения величины ACR в настоящее время существует только в ЦОДе. Наглядным проявлением этой тенденции стали те существенные ужесточения требований к основным параметрам электропроводных трактов, которые зафиксированы в проекте спецификаций техники перспективной категории 8. Фокусной областью применения данного оборудования рассматриваются именно аппаратные залы ЦОДа.

СКС для ЦОДа имеет ряд особенностей, совокупность которых привела к выделению данной разновидности информационных кабельных систем в самостоятельный класс со своей нормативной базой. Наряду с заметно более высокими частотами передаваемых сигналов подобные кабельные системы отличаются заметно меньшими средними длинами организуемых трактов.

В этих условиях технико-экономическая эффективность СКС может быть заметно увеличена за счет отказа от гарантированного обеспечения классической 100-метровой протяженности тракта. Обращение к такому подходу целесообразно еще и потому, что положительно сказывается на энергетической эффективности объекта в целом.

С технической точки зрения уменьшение максимально допустимой протяженности тракта до 30 м выгодно тем, что сопровождается резким падением величины IL. Например, для кабеля типа UC1500 компании Draka на верхней граничной частоте 1500 МГц выигрыш достигает 45 дБ. В данном случае (даже с учетом уменьшения выигрыша по мере снижения частоты) вклад IL в наращивание ACR и через него - шенноновской пропускной способности становится сопоставимым с тем, который достигается улучшением NEXT.

Кроме того, уменьшение общих потерь ценно еще и тем, что приводит к естественному расширению полосы пропускания (верхняя граничная частота тракта определяется по критерию ACR) и заметно упрощает схемотехнические решения при конструировании приемопередатчика сетевого интерфейса. Наиболее значима возможность сохранить в неизменности разрядность линейного сигнала и применять менее сложный приемник. 

Для увеличения пропускной способности симметричного тракта до 10 Гбит/с и выше недостаточно использования внутренних резервов существующей элементной базы и требуется обязательное улучшение ее основных параметров.

Совершенствование качественных показателей симметричного электропроводного тракта достигается преимущественно за счет улучшения характеристик горизонтального кабеля по параметрам влияния.

Резервы по минимизации коэффициента затухания горизонтальных кабелей в рамках ограничений, зафиксированных в существующих нормативных документах, и достигнутого уровня техники исчерпаны практически полностью.

Снижение общего затухания симметричного тракта актуально исключительно для ЦОДа и обеспечивается уменьшением его предельно допустимой протяженности до предела, определяемого энергетической эффективностью аппаратного зала в целом.

Боб Кенни
директор по информационным кабельным технологиям в Prestolite Wire Cop.

О кабеле с неэкранированными витыми парами известно, кажется, все и всем. Однако еще одно подробное знакомство с ним будет нелишним, особенно в связи с появлением новых его разновидностей.

Проводка с неэкранированными витыми парами оказала огромное влияние на сетевую инфраструктуру. Благодаря ей пользователи получили возможность использовать один тип кабельной системы для любых локально-сетевых приложений. Однако в последнее время решения на базе UTP стали куда как разнообразнее. На данный момент производители предлагают многочисленные разновидности проводки UTP от базовой Категории 3 до нестандартной пока Категории 6. В результате конечным пользователям становится все труднее и труднее разобраться в том, чем же отличаются различные типы проводки.

На эту тему написано множество статей. В одних - бум новых классов проводки UTP считается не более чем маркетинговым трюком производителей, в других - предлагаемые усовершенствования классифицируются как запоздалая модернизация устаревшей технологии. Так кто же прав?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДКИ UTP

За последнее десятилетие проводка UTP претерпела значительные изменения. Рост потребностей сетей привел к появлению потенциального спроса на проводку UTP более высокого качества. Но прежде чем переходить к обсуждению достоинств проводки UTP, мы должны вначале разобраться в определяющих ее терминах.

Назначение любого сетевого кабеля состоит в передаче данных от одного устройства к другому. Такими устройствами могут быть терминалы, принтеры, серверы и т. д. Они могут подключаться к различным типам кабельных сред, включая оптический, коаксиальный, биаксиальный кабель, а также кабель с различными сочетаниями экранированных и неэкранированных пар. Выбор наилучшим образом подходящего для данного приложения типа проводки зависит от множества факторов, в том числе от удаленности конечных устройств, срока службы, уровня шума, требований защиты, финансовых ограничений, возможности последующего расширения и скорости передачи. Многие конечные пользователи рассматривают кабели с неэкранированными витыми парами как стандартную среду передачи, использование которой решает многие из перечисленных проблем.

Наибольшей популярностью UTP пользуется в качестве горизонтальной проводки, а именно для подключения настольных систем к телекоммуникационным шкафам (Telecommunication Closet, TC). Как следует из названия, UTP состоит из нескольких неэкранированных витых пар, окруженных общей оболочкой. Несмотря на наличие двух- и 25-парных кабелей, наибольшей популярностью пользуется четырехпарная проводка. Хотя в большинстве локально-сетевых сред, таких, как 10/100BaseTX, используется только две из четырех пар, новые рассматриваемые протоколы, в частности Gigabit Ethernet, будут задействовать все четыре пары.

ПОГОННОЕ ЗАТУХАНИЕ

Рисунок 1. Погонное затухание.

Одной из наиболее серьезных проблем для любой кабельной инфраструктуры является затухание сигнала. К сожалению, при передаче информации от устройства к устройству качество сигнала ухудшается. Так, при прохождении расстояния в 100 м по кабелю UTP сигнал 100BaseT обычно теряет значительную часть своей первоначальной мощности (см. Рисунок 1). Если эти потери окажутся чересчур велики, то принимающее устройство не сможет распознать передаваемые данные. Чтобы этого не случилось, комитеты по стандартизации налагают ограничения на допустимый размер потерь.

Потери характеризуются термином "погонное затухание" или просто "затухание". В случае UTP затухание определяет величину потерь при прохождении сигнала по проводящей среде и выражается в децибелах (дБ). Использование децибел в качестве единицы измерения имеет свои преимущества. Например, нетрудно запомнить, что при затухании сигнала на 3 дБ он теряет 50% своей мощности. В Таблице 1 показано, как децибелы соотносятся с потерянной мощностью сигнала.

Величина потерь зависит от конструкции кабеля, в том числе от размера проводника, состава, изоляции и/или материала оболочки, диапазона рабочих частот, скорости передачи и протяженности кабеля. Влияние первого фактора, размера проводника, наиболее очевидно. Обычно чем больше проводник, тем меньше потери. По этой причине во многих кабелях UTP старшего класса используются проводники 23 AWG вместо 24 AWG.

Материал проводника (состав) также имеет важное значение. Например, медь имеет меньшие потери, чем сталь. Некоторые материалы, в частности серебро, имеют еще лучшие характеристики, нежели медь, однако многие из них слишком дороги для массового применения. Материал изоляции также может иметь влияние на затухание сигнала. В высококачественных кабелях UTP для изоляции проводника обычно используются материалы с низкими потерями, такие, как фторированный этиленпропилен или полиэтилен. Эти материалы обычно имеют меньшие потери, чем другие соединения, такие, как PVC. Материал оболочки также отражается на величине затухания. Именно поэтому многие производители отделяют оболочку от изолированных пар с помощью конструкции нежесткой трубы. Кроме того, как известно, затухание в медной проводке UTP увеличивается с ростом частоты. Например, при 100 МГц затухание больше, чем при 1 МГц (при условии, что кабели имеют одинаковую длину). И, наконец, потеря сигнала зависит от протяженности кабеля. При прочих равных условиях - чем длиннее кабель, тем больше потери. По этой причине затухание выражается в децибелах на единицу длины.

Резюме по затуханию:

• при прохождении по кабелю сигнал теряет свою силу;
• затухание определяет величину потерь;
• величина затухания выражается в децибелах (дБ);
• затухание в кабеле зависит от таких факторов, как размер и состав проводника, рабочая частота (диапазон частот), скорость и расстояние.

ПЕРЕХОДНОЕ ЗАТУХАНИЕ

Рисунок 2. Переходное затухание.

Витая пара называется активной, если по ней передается сигнал. Активная пара, естественно, создает электромагнитное поле. Это поле может оказывать влияние на другие находящиеся поблизости активные пары (см. Рисунок 2).

Один из наиболее сложных для понимания моментов в отношении переходного затухания связан с единицами измерения, а именно с децибелами. В случае погонного затухания чем больше величина в децибелах, тем выше потери сигнала. В случае переходного затухания все наоборот - чем больше величина в децибелах, тем меньше помехи. Таблица 2 позволит лучше разобраться в ситуации.

Очевидно, появление шумов в соседних парах нежелательно. Как видно из диаграммы, чем больше величина переходного затухания в децибелах, тем меньше наведенное напряжение (т. е. шумы) в соседних парах.

Погонное затухание характеризует потерю сигнала. Следовательно, чем больше величина в децибелах, тем выше потеря сигнала. Однако переходное затухание характеризует потерю шума. В этом случае чем больше величина в децибелах, тем больше потери шума. И конечно, чем активнее затухает шум, тем лучше.

ВИДЫ ПЕРЕХОДНОГО ЗАТУХАНИЯ

Переходное затухание на ближнем конце. Такие системы, как 10BaseT Ethernet, используют две пары для обмена данными: одну - для передачи, вторую - для приема (см. Рисунок 3). Сигнал имеет наибольшую мощность сразу же после момента передачи данных. И обратно, сигнал обладает наименьшей мощностью непосредственно перед моментом приема данных.

Наиболее часто термин "переходное затухание" используется вместе со словосочетанием "на ближнем конце". Причина этого в том, что на ближнем конце, где сигнал имеет наибольшую мощность, он порождает мощное электромагнитное излучение (электромагнитные помехи). Рядом же с передатчиком по соседней паре идет ослабленный сигнал на приемник. Такая комбинация может иметь самые серьезные последствия для принимаемого сигнала, так как он оказывается под воздействием сильного соседнего поля. Это явление имеет место на ближнем конце, поэтому оно и выделяется.

Суммарное переходное затухание. Как отмечалось ранее, некоторые системы задействуют все четыре пары. При рассмотрении переходного затухания на ближнем конце мы исходили из того, что используются только две пары. Однако, если активны все четыре пары, как в стандарте на Gigabit Ethernet, они порождают значительно большие шумы.

Рисунок 4. Суммарное переходное затухание.

Здесь-то нам и понадобится такая характеристика, как суммарное переходное затухание. Оно учитывает влияние всех активных пар (см. Рисунок 4). Для примера мы взяли кабель с четырьмя парами. В случае 25-парной магистральной проводки эта величина имеет еще более важное значение, так как потенциально активными могут быть в шесть раз больше пар.

Переходное затухание на дальнем конце. Обычно данные передаются в одном направлении, а именно от передающего устройства к принимающему. Однако в некоторых системах данные передаются в двух направлениях. Такие системы называются полнодуплексными. В этом случае данные вводятся в кабель как на ближнем конце, так и на дальнем одновременно. Поэтому в случае полнодуплексной передачи шумы возникают как на ближнем, так и на дальнем конце. Ввиду этого переходное затухание на дальнем конце введено во многие новые спецификации.

Шум на дальнем конце измерить не так-то просто, потому что значительная доля шумов теряется или затухает по пути к тестовому устройству. Поэтому стандартной практикой является вычитание погонного затухания и учет только одних шумов. Величина "шумы минус затухание" получила название приведенного переходного затухания на дальнем конце.

Рисунок 5. Стороннее переходное затухание.

Стороннее переходное затухание. Этот термин используется для описания перекрестных помех между кабелями. Данный эффект наиболее заметен, когда активны несколько пар в кабеле. В этом случае излучаемая отдельным кабелем энергия может быть достаточно существенна. В примере на Рисунке 5 шесть кабелей с четырьмя активными парами каждый окружают еще один четырехпарный кабель. Общее число активных пар равно 24. Все вместе они могут создать серьезные помехи для сигнала в центральном кабеле. В этом случае знание о стороннем затухании будет иметь важное значение для эффективного функционирования сети.

Резюме по переходному затуханию:

• переходное затухание на ближнем конце имеет такое важное значение потому, что на ближнем конце передаваемый сигнал имеет наибольшую мощность, а принимаемый сигнал - наименьшую. В результате принимающая пара оказывается особенно восприимчива к помехам со стороны передающей пары. Суммарное переходное затухание учитывает влияние нескольких активных пар;
• переходное затухание на дальнем конце характеризует последствия полнодуплексных операций, когда сигналы генерируются одновременно на ближнем и дальнем концах. Стороннее переходное затухание определяет воздействие перекрестных помех со стороны других кабелей. Этот эффект проявляется наиболее сильно, когда активны несколько пар в кабеле.

ИМПЕДАНС И ОБРАТНЫЕ ПОТЕРИ

Рисунок 6. Импеданс как функция частоты.

Импеданс характеризует путь прохождения данных. Например, если сигнал передается с импедансом 100 Ом, то и структурированная проводка должна соответствовать импедансу 100 Ом. Любое отклонение от этой величины приведет к тому, что часть сигнала отразится назад к источнику данных. Изменение импеданса может быть вызвано множеством причин. Одна из них - несоблюдение технологии в процессе изготовления: любое отклонение от предусмотренного расстояния между проводниками или нарушение свойств изолирующего материала способно привести к изменению импеданса (см. Рисунок 6).

Рисунок 7. Импеданс.

Другая распространенная причина - несоответствие компонентов. Например, несоответствие имеет место, когда шнур переключений с одним импедансом присоединяется к горизонтальной проводке с другим импедансом (см. Рисунок 7а).

Такое несовпадение неизбежно вызовет отражение энергии в точке разрыва (см. Рисунок 7б). Если импеданс обусловливает возможность несоответствия, то обратные потери характеризуют его последствия. Обратные потери (измеряемые в дБ) позволяют выяснить, какая доля сигнала теряется вследствие отражения.

Резюме по импедансу и обратным потерям:

• импеданс характеризует путь прохождения данных. Любое отклонение в величине импеданса приводит к отражению сигнала;
• отражение означает, что вместо того, чтобы продолжать свой путь дальше вперед, в действительности энергия отражается назад к передатчику;
• в конечном итоге это приводит к ослаблению распространяющегося в прямом направлении сигнала.

ПЕРЕКОС ЗАДЕРЖКИ

Рисунок 8. Перекос задержки.

Другой привлекающий к себе значительное внимание параметр - перекос задержки. Перекос задержки характеризует синхронизацию путей передачи сигнала по разным парам в кабеле (см. Рисунок 8).

Когда все четыре пары активны, сигналы должны прибывать согласованно. Измеряемый в наносекундах перекос задержки характеризует разницу во времени поступления сигналов по разным парам кабеля. Если эта разница окажется чересчур велика, то принимающее устройство будет не в состоянии восстановить сигнал. В конечном итоге это приведет к ошибкам и потере данных.

ЗАЧЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАТЬ ПРОВОДКУ?

Первые усовершенствованные версии проводки Категории 5 появились около пяти лет назад. Многие из обсуждавшихся выше параметров удалось улучшить за счет применения уникальных конструкций кабеля, в частности более тугой скрутки и внутрикабельных заполнителей. Цель этих усовершенствований состояла в подготовке пользователей к грядущим изменениям в технологиях локальных сетей.

Когда Категория 5 только появилась, лишь немногим системам был действительно необходим предоставляемый ею диапазон рабочих частот. Так, Ethernet на 10 Мбит/с и Token Ring на 4 Мбит/с разрабатывались в расчете на проводку Категории 3. Однако с появлением новых систем, таких, как 100BaseT и ATM на 155 Мбит/с, потребность в Категории 5 стала очевидной. В последнее время уже новые протоколы, в частности ATM на 622 Мбит/с и 1000BaseT, заставляют многих задуматься о достаточности Категории 5 для их реализации. Отсюда и тенденция к усовершенствованию UTP.

Что же такого особенного в этих сетях, что их появление привело к подобной тенденции?

Возросшие скорости передачи данных. Широкое распространение в современных сетях получили такие системы, как 100BaseT и ATM на 155 Мбит/с. Ввиду их сложности по сравнению с 10BaseT и его аналогами проводка для этих систем должна обеспечивать меньшее затухание сигнала, обладать лучшей устойчивостью к помехам и вообще быть более целостной.

Сложные схемы кодирования. В целях оптимального распределения энергии по диапазону частот системами типа 100BaseT используются многоуровневые схемы кодирования. Они имеют множество достоинств, в частности низкий уровень шумов. К сожалению, чем сложнее схема кодирования, тем чувствительнее система. Поэтому кабель не должен иметь разрывов импеданса, обладая при этом хорошей изоляцией.

Функционирование в полнодуплексном режиме. В системах наподобие 10BaseT в каждый конкретный момент времени активна только одна пара. По одной паре данные передаются, по другой - принимаются. Такой режим работы называется полудуплексным. Благодаря достижениям в технологическом процессе и электротехнике, новые системы могут работать в полнодуплексном режиме, т. е. сигналы могут передаваться и приниматься одновременно. Это позволяет увеличить пропускную способность кабеля UTP фактически вдвое. Однако для этого кабель должен иметь стабильные характеристики импеданса с минимальным отражением и хорошую изоляцию от перекрестных помех между парами на ближнем/дальнем конце.

Использование нескольких пар. В обычных сетях активны только две из четырех пар. Между тем пропускную способность можно значительно увеличить за счет использования всех четырех пар кабеля Категории 5. С помощью хитроумной электроники данные могут передаваться одновременно по нескольким парам и восстанавливаться в точке приема. Чтобы это стало возможным, кабель должен обеспечивать при прохождении сигнала как можно меньшие помехи между парами, когда активны все четыре пары. Это послужило толчком к сертификации кабелей Категории 5 на соответствие параметрам суммарного затухания.

КРАТКОЕ ОБОБЩЕНИЕ

Весь спор о необходимости усовершенствованной проводки можно свести к двум очень простым вопросам.

1. Чем будет полезна усовершенствованная проводка UTP для моей существующей сети?
2. Чем будет полезна усовершенствованная проводка UTP при модернизации моей сети?

Если кто-то пытается продать вам решение на базе усовершенствованной проводки, то попросите его ответить на эти два простые вопроса. Если он окажется не в состоянии это сделать, то его заявления - не больше, чем маркетинговый ход. В конце концов, сами по себе усовершенствования не имеют смысла. Ваш выбор должен напрямую зависеть от того, какую реальную пользу принесет модернизация вашей сети. И ключевым словом здесь является "ваша". Далеко не все усовершенствования нужны именно в вашей сети. Важно также, чтобы обещанные преимущества стали реализованными преимуществами.

Рисунок 9. Показания тестового устройства NEWSLine компании LeCroy.

Поэтому просто установка усовершенствованной проводки UTP не дает гарантии повышения производительности системы. Пользователю необходимо продемонстрировать, что эти усовершенствования расширят возможности сети и/или улучшат ее характеристики. На Рисунке 9 показаны результаты измерений сигнала с помощью тестового устройства для сети 100BaseT компании LeCroy под названием NEWSLine. Используемый кабель соответствовал Категории 5. Нижний график соответствует исходному сигналу, а верхний показывает, каким сигнал становится после прохождения 100 м.

Тем не менее остается вопрос, каковы общие следствия для сети? В том, что UTP способен обеспечить соединение, сомнений не возникает. Однако гораздо более важное значение имеет способность UTP передавать данные согласованным образом и без ошибок.

Таблица 3 показывает влияние ошибок на пропускную способность сети 100BaseT Ethernet. Как было установлено, увеличение числа ошибок при передаче данных до одного процента приводит к снижению пропускной способности на 80%. Поэтому если усовершенствование проводки UTP способно предотвратить появление ошибок, то переход к проводке более высокого класса вполне оправдан. Улучшение таких параметров, как суммарное переходное затухание, стороннее переходное затухание и мощность сигнала, позволяет сократить вероятность ошибок в существующих и будущих сетях. Однако эти характеристики должны быть продемонстрированы и объяснены конечным пользователям.

Значение надежно функционирующей проводки UTP возрастает с увеличением скорости передачи данных. Такие системы, как 1000BaseT, потенциально в четыре раза более чувствительны, чем 100BaseT. Предотвращение ошибок является в обоих случаях обязательным для успешного функционирования сети. Используя такие устройства, как вышеупомянутый тестер компании LeCroy, конечные пользователи могут увидеть, как UTP влияет на характеристики сети. И в некоторых случаях переход на усовершенствованную проводку позволяет увеличить пропускную способность за счет предотвращения ошибок в передаче данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на наличие у усовершенствованной проводки UTP потенциала для расширения возможностей как существующих, так и будущих сетей, вопросы по-прежнему остаются: "Насколько нужны эти усовершенствования для вашей системы и чем они могут помочь для вывода ее на новый уровень?" Только ответив на эти два вопроса, вы сможете отличить реальные потребности от мнимых.