Теория «Витой пары».
«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 паря 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.
Е сли у Вас возникли вопросы по статье или Вы хотите получить консультацию — обращайтесь:
 |
по телефону: (495) 919-55-57 |  |
по Skype |
 |
по электронной почте |  |
Заказать расчет АТС |
Почему витая пара скручена: объяснение для «гуманитариев»
Один профессор в институте, объяснял студентам, как работает витая пара и почему она скручена, двумя способами. Во-первых, он погрузился в математику, стоящую за этой идеей, заполняя доску уравнениями и показывая, как они все связаны друг с другом. Он отметил это «для инженеров». Затем объяснял эту физику снова, но на этот раз без математики. Это, по его словам, было «для гуманитариев».
Почему витая пара скручена
Так почему кабели передачи данных скручены, а кабели питания — нет? Все дело в пропускной способности. Сигналы питания имеют такие низкие частоты, что позволяет им «не беспокоиться» о пропускной способности.
Высокочастотный сигнал, который используется для передачи данных, генерирует магнитное поле, которое может вызвать сигнал на соседнем проводе. Эти индуцированные сигналы называются «перекрестными помехами». К примеру, на старых аналоговых телефонных линиях часто можно слышать другие разговоры на фоне вашего вызова. Эти сигналы и возникают в результате этих индуцированных сигналов.
Представим, что компьютер передает в линию какой-то сигнал. Электромагнитное поле, которое образуется вокруг проводников (Tx), приводит к возникновению паразитных сигналов в соседних парах, в том числе и на паре (Rx), по которой компьютер осуществляет прием сигналов.
Исходя из правил, по которым функционирует Ethernet, передача и прием осуществляется последовательно, а не одновременно. Соответственно, как только компьютер начинает передачу сигнала, он «слышит» сигнал на паре приема и останавливается. Таким образом, передача информации невозможна.
На самом деле, индуцированный в паре приема сигнал во много раз слабее, чем оригинал, что делает это меньшей проблемой. Однако приемная электроника должна быть очень чувствительной. Это связано с тем, что высокочастотные сигналы сильно ослабляют по всей длине кабеля. Например, спецификация IEEE 802.3 для 1000BASE-T допускает максимальные потери 24 дБ, что приводит к уменьшению сигнала до (я выполню математику для вас, гуманитариев) 6% от его первоначальной силы при его отправлении от передатчика с дальнего конца к порту Ethernet вашего компьютера. Таким образом, для успешной передачи информации, наведенный сигнал должен быть намного слабее оригинала. По мере удаления от интерфейса передающего компьютера сигнал затухает, что приводит и к уменьшению наводок на соседние пары. В результате делаем вывод, что наибольшие наводки возникают на передающей стороне. Параметр, который описывает это влияние называется перекрестные помехи на ближнем конце (Near End Crosstalk) или NEXT.
У инженеров есть ряд хитростей, чтобы справиться с NEXT. Во-первых, сигналы данных кодируются перед передачей по кабелю таким образом, что каждому положительному импульсу на проводнике соответствует соответствующий отрицательный импульс на другом проводнике в паре. Это означает, что провода генерируют равные, но противоположные магнитные поля, которые компенсируют друг друга и не должны создавать перекрестных помех. Однако, если провода в кабеле просто идут параллельно друг другу (если бы витая пары была не витая), то каждый из проводников будет находиться на разном расстоянии от проводников, по которым идет передача сигналов. В результате, магнитное поле будет чуть больше для одного провода, чем для другого и в каждом из них будет наводиться сигнал разного уровня. Чтобы компенсировать такое влияние придумали второй трюк — скручивание пар кабеля (именнно почему витая пара и называется витой). Таким образом, расстояние между проводами разных пар изменяется вдоль длины трассы, иногда ближе к положительному проводу, а иногда ближе к отрицательному. Это имеет тенденцию сводить на нет эффект, уменьшающий перекрестные помехи еще больше. Но если все пары скручиваются с одинаковым шагом, возможно, что они сохранят одинаковое расстояние на протяжении всего цикла, что приведет к увеличению перекрестных помех. Вот тут-то и возникает третий трюк — пары скручиваются с разным шагом, поэтому они не останутся одинаково разнесенными к одному и тому же проводнику на протяжении всего цикла.
Разный шаг скручивания витой пары является причиной того, что мы видим разные длины для каждой пары при измерении длины каждой из них с помощью кабельного тестера. Если бы мы раскрутили их и растянули их плоско, то те, у которых шаг скрутки меньше, были бы немного длиннее. Длина может отличаться на 5% и более — предел TIA для длины кабеля основан на самой короткой паре.
Несмотря на то, что в модульном (RJ-45) соединителе проводники расположены параллельно только на коротком расстоянии, в этом месте наблюдаются наибольшие помехи. И чем больше длина раскрученных проводников, тем сильнее переходные помехи в этом месте. В ряде случаев, нарушение технологии монтажа соединителя приводит к тому, что вся линия не проходит сертификацию.
Кабели витой пары более продвинутой конструкции имеют лучшие характеристики NEXT благодаря использованию экранов в кабеле, более тщательному контролю скорости скручивания и соединению пар вместе. А новые технологии, такие как 10GBASE-T и PoE, требуют сведения к минимуму перекрестных помех. Вместе с тем перекрестные помехи все еще являются одним из наиболее важных проблем с точки зрения влияния на скорость передачи информации.
В ходе монтажа и эксплуатации витой пары, монтажниками часто допускаются ошибки, приводящие к повышению уровня переходных наводок и шумов. К счастью, современные измерительные приборы способны диагностировать такие повреждения, а также проводить сертификацию СКС.
Некоторые приборы позволяют не только проанализировать уровень переходных помех и наведенных шумов, но и локализовать повреждение витой пары мостовым или рефлектометрическим способом.
Выводы
Надеемся, теперь вам стало понятнее, как работает витая пара, зачем у нее скручены проводники друг с другом и пары проводников также скручены. Вся эта физика витой пары направлена на то, чтобы снизить уровень помех и повысить скорость передачи данных.
Передача сигналов по витой паре
Как устроен кабель витая пара и его основные характеристики. Передача сигнала через кабель витая пара. Кабель UTP купить по низкой цене.
4 comments
Медные кабели активно используются для построения линий связи для целей передачи информации. Существует широкое разнообразие медножильных проводников информации, используемых в самых различных сферах деятельности.
Достаточно популярен кабель «витая пара». Это одна из модификаций медного кабеля, представляющая собой свитые между собой пары жил, защищённые внешней оболочкой. Среди моделей «витой пары» можно выделить неэкранированную модификацию – UTP кабель, с общим внешним экраном FTP, с отдельно экранированными парами STP, а также дополнительно усиленные конструкции S/FTP и S/STP.
Применение такого элемента, как экран в строении кабеля «витая пара» позволяет оградить изделие от помех и наводок, создаваемых сторонним электромагнитным полем. Передача сигнала посредством кабеля «витая пара» характеризуется прекрасными скоростными показателями. Так же в отличие, к примеру, от коаксиального кабеля «витая пара» меньше подвержена воздействию помех. Дело в том, что передача данных по «витой паре» имеет симметричный характер, поэтому и ослабление сигнала происходит одинаково на двух проводах, соответственно на вход усилителя сигнал попадает со сбалансированным фактором коэффициента ослабления синфазного сигнала КОСС. В итоге мы получаем передачу данных высокого качества, затрачивая разумные средства.
«Витая пара» относится к симметричным медным кабелям связи. Само симметрирование проводников осуществляется для того, чтобы сделать равными наводимые шумы, что в свою очередь позволяет добиться получения продольного сигнала и скомпенсировать систему передачи в нагрузке.
Передача сигнала по «витой паре» производится методом изменения потенциала на подключаемых интерфейсах. Приём и передача сигнала в кабеле осуществляются по различным парам. Непосредственно для подключения кабеля к оборудованию обжимают концы «витой пары» соответствующими коннекторами.
Посредством «витой пары» возможно производить передачу следующих данных:
— композитный видеосигнал, компонентный и S-Video сигналы на расстояние до 300-1000 м;
— компонентные сигналы для ТВ высокой четкости на 100-500 м;
— сигналы VGA на 100-300 метров.
В симметричных системах передачи на основе кабеля «витая пара» активно применяют удлинители интерфейса, позволяющие производить качественную передачу сигналов на большие расстояния. Использование «витой пары» позволяет получать качественные и бесперебойные услуги связи при адекватных затратах на кабель и аппаратуру.
Купить «витую пару» и прочие медные кабели связи Вы можете в компании «Вионет» по низким ценам. Качественно выполненные кабели связи от проверенных заводов-производителей позволяют производить передачу данных на высоком уровне, что гарантирует построение современных линий связи.
- Технологии, Блог, Силовой кабель, Монтаж
- Кабель, Оптика, Монтаж, Инструкции
Физический уровень
Витая пара представляет из себя два изолированных медных проводов, обычный диаметр которых составляет 1 мм. Провода свиваются один вокруг другого в виде спирали. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар. (Два параллельных провода образуют простейшую антенну, витая пара — нет.) Сигнал обычно передается в виде разницы потенциалов в двух проводах, составляющих пару. Это обеспечивает лучшую устойчивость к внешнему шуму, так как шум одинаково влияет на оба провода, и, таким образом, разница потенциалов остается неизменной.
Самым распространенным применением витой пары является телефонная линия.
Витая пара может передавать сигнал без ослабления мощности на расстояние, составляющее несколько километров. На более дальних расстояниях из-за ослабевания сигнала требуются повторители.
Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель состоит из твердого медного провода, расположенного в центре кабеля, покрытого изоляцией. Поверх изоляции натянут цилиндрический проводник, обычно выполненный в виде мелкой медной сетки. Он покрыт наружным защитным слоем изоляции (пластиковой оболочкой).
Коаксиальный кабель лучше экранирован, чем витая пара, поэтому может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Данный вида кабелей используется для передачи радиочастотных электрических сигналов. Благодаря совпадению осей обоих проводников у идеального коаксиального кабеля оба компонента электромагнитного поля полностью сосредоточены в пространстве между проводниками и энергия не теряется.
Коллизии
Коаксиальный кабель — разделяемая среда передачи. Важная особенность разделяемой среды: ее могут использовать одновременно несколько интерфейсов, но передавать в каждый момент времени должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Такая топология называется шина. Однако если хотябы два узла на одной шине начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга и приемники других узлов ничего не разберут. Такая ситуация называется коллизией, а часть сети, узлы в которой конкурируют за общую среду передачи — доменом коллизий. Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналов в среде и если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого — фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени.
Пускай в сети, изображенной на рисунке, узлы A и С одновременно начнут передачу, но успеют ее закончить раньше, чем примут сигнал друг друга. Так как каждый из передающих узлов примет встречный сигнал только после того, как уже закончит передавать свое сообщение — факт того, что произошла коллизия не будет установлен ни одним из них, а значит повторной передачи кадров не будет. Зато узел B на входе получит сумму сигналов и не сможет корректно принять ни один из них. Для того, чтоб такой ситуации не произошло необходимо ограничить размер домена коллизий и минимальный размер кадра.
Таким образом чем больше потенциальный размер сегмента сети, тем больше накладных расходов уходит на передачу порций данных маленького размера. Разработчикам технологии Ethernet пришлось искать золотую середину между двумя этими параметрами, и минимальным размером кадра была установлена величина 64 байта.
Распространение сигнала по проводам
Сигнал – это средство передачи информации из одного пункта в другой. Потребность в передаче информации существовала уже довольно давно. Одним из первых способов передачи информации без участия человека или животных в качестве переносчика – это сигнальные костры. Информация о какой-либо опасности передавалась посредствам последовательного разведения костров от одного сторожевого поста к другому.
Для передачи сигналов по проводам используются электромагнитные сигналы. Этот способ связи предусматривает передачу информации за счет изменения какого-либо параметра несущего электрического сигнала. Если вернуться к примеру про костры, несущим сигналом будет отсутствие огня(то есть костер не горит). Когда передающая сторона решит отправить сигнал, она зажжет костер, тем самым изменив наблюдаемую принимающей стороной картину.
Основным носителем информации электромагнитного сигнала являются электроны.
О скорости движения электронов
Скорость дрейфа электронов в проводниках крайне мала (~0,1—1 мм/с). Однако взаимодействуют друг с другом электроны со скоростью света.
Один из способов представить движение электронов в проводнике – это вагоны поезда. Сами вагоны движутся медленно, только начинают движение, и волна сцеплений передаётся гораздо быстрее.
Электромагнитный сигнал
Сигнал несущей частоты представляет собой гармоническое колебание, описываемое уравнением: [math]X=X_ \cdot sin(\omega t+\phi_0)[/math] , где [math]Х_[/math] – амплитуда колебаний, [math]\omega[/math] – частота колебаний, [math]t[/math] – время, [math]\phi_0[/math] – начальная фаза колебаний.
Передать цифровые данные по проводу можно, управляя одним из параметров сигнала несущей частоты: амплитудой, частотой или фазой. Так как необходимо передавать данные в двоичном виде (последовательность единиц и нулей), то можно предложить следующие способы управления (модуляции): амплитудный, частотный, фазовый. Подробнее про модуляции см. соответствующий раздел.
Упрощенно передача сигнала будет выглядеть следующим образом: каждый такт отправляющая сторона(генератор) будет генерировать волну разных частот — [math]f_0[/math] , если мы хотим отправить 0 и [math]f_1[/math] , если 1.
Пример: Типичным аналоговым каналом является телефонный канал. Когда абонент снимает трубку, то слышит равномерный звуковой сигнал – это и есть сигнал несущей частоты. Так как он лежит в диапазоне звуковых частот, то его называют тональным сигналом. Для передачи по телефонному каналу речи необходимо управлять сигналом несущей частоты – модулировать его. Воспринимаемые микрофоном звуки преобразуются в электрические сигналы, а те, в свою очередь, и модулируют сигнал несущей частоты. При передаче цифровой информации управление производят информационные байты – последовательность единиц и нулей.