Електричні характеристики вити пар

Пару провідників, через яку передається радіочастотні сигнали, представляють за допомогою електричної схеми (див.рис.4.14), яку складають дискретні активні і реактивні елементи. Її здатність передавати сигнал описуються первинними електричними параметрами: активним опором – R, індуктивністю – L, ємкістю – C, провідністю ізоляції ‑ G, та вторинними характеристиками: хвильовим опором (імпедансом), швидкістю поширення сигналу, коефіцієнтом затухання, перехресними наведеннями.

Рис.4.14. Спрощена електрична схема витої пари (www.nettech.dn.ua)

Активний опір R та провідність ізоляції G обумовлюють витрати енергії сигналу на нагрівання провідника і діелектрика відповідно, а індуктивність L і ємкість C визначають реактивність електричної схеми або, іншими словами, її частотні властивості

Активний опір (resistance) постійному струму залежить від матеріалу провідника, його геометричних розмірів та температури. За стандартом EIA/TIA-568A значення R витої пари довжиною 100 м не повинне перевищувати 19,2 Ом при температурі 20С. Активний опір провідника безпосередньо вимірюється омметром.

Проводимость изоляции в технике связи является электрическим параметром линии, характеризующим потери энергии в изоляции жил кабелей.

Електрична провідність (electric conductivity) ізоляції жили провідника є характеристикою її діелектричних властивостей, здатності проводити електричний струм. Іншими словами провідність ізоляції характеризує втрати енергії через ізоляцію жили провідника. Провідність є величиною, зворотною до опору і вимірюється одиницею виміру, яка називається сименс. Ізоляційні матеріали не є ідеальними діелектриками, але оскільки вони мають величезне значення опору (одиниці гігаОм), то струмом витоку через ізоляцію витих пар в лініях зв’язку комп’ютерних мереж можна знехтувати. Однак на провідність ізоляції також обумовлюється поляризацією диполів матеріалу діелектрика. Особливо велика поляризація полівінілхлориду, який використовується для виготовлення витих пар низької категорії. В більш якісних кабелях використовується поліетилен або тефлон, розсіювання електричної енергії в яких менше. Найнижча провідність у спінених діелектриках, які використовуються в кабелях високого класу.

Індуктивність (inductance) L розділяють на зовнішню (визначається геометрією і магнітними властивостями провідника) і внутрішню (утворюється магнітним полем високочастотного струму у провіднику), тобто на індуктивність впливають скрутка провідника і частота сигналу.

Два металевих провідники пари можна розглядати як конденсатор, ємкість якого С не залежить від частоти струму. Ємкість – характеристика здатності двох металевих провідників, розміщених близько один до одного, накопичувати електричний заряд. Вона визначається матеріалом ізоляції, геометричними розмірами провідників і відстанню між ними. За стандартом, ємкість сучасних витих пар складає не більше 5,6нФ (нФ ‑ нанофарад – 10^-9 Ф). Використання екранної оболонки кабелю сприяє збільшенню ємкості приблизно на 30%, що знижує його експлуатаційні властивості.

Опір витої пари змінному струму характеризується імпедансом. Його величина залежить від частоти струму (див.рис.4.15). У збалансованої витої пари імпеданс однаковий по всій довжині провідників. В реальних парах ця умова не виконується. В місцях неоднорідності, де хвильовий опір відхиляється від стандартного значення, виникає ефект відбиття сигналу, що призводить до погіршення якості передачі даних. Частіше всього неоднорідність імпедансу виникає в місцях зміни кроку скручування, перегинання кабелю та нанесення інших механічних пошкоджень. Звідси, всі складові електричного кола на основі витої пари, в тому числі електричні компоненти мережних адаптерів повинні мати однаковий імпеданс. Іншими словами, повинні бути узгодженими вита пара і електричні кола мережних пристроїв (мережних плат, концентраторів, комутаторів).

Хвильовий опір витої пари Z може бути розрахованим за формулою, до складу якої входять параметри R, G, L і C

Для витих пар неекранованого кабелю категорії 5 в діапазоні часто 100 МГц допускається відхилення імпедансу від стандартного значення 100 Ом на 15%.

Швидкість поширення сигналу – NVP (nominal velocity of propagation – номінальна швидкість поширення) визначається як відношення швидкості руху сигналу в провіднику до швидкості світла у вакуумі. Разом з NVP використовується інша характеристика затримки сигналу у витій парі, яка є похідною від NVP і називається затримкою сигналу (delay). Вона вимірюється в наносекундах на 100 м. Для кабелю вита пара використовують загальну характеристику – відхилення затримки (delay skew). Виті пари кабелю неоднакові за своїми параметрами, що породжує різну затримку сигналу в окремих парах. Відхилення затримки для кабелю визначається як максимальне значення різниць між затримками сигналів у різних парах.

Рис.4.15. Графік залежності імпедансу від частоти

Затухання (attenuation) або погонне затухання – один з основних параметрів, який характеризує втрату енергії сигналом під час його поширення провідником (параметр описаний в розділі 3). Чим більша величина затухання, тим критичнішим стає відношення сигнал/шум на вході приймача і, відповідно, тим більша кількість помилок виникає при передачі даних, що в кінцевому підсумку приводить до зниження пропускної здатності лінії зв’язку. Затухання зростає зі збільшенням частоти сигналу, оскільки воно в найбільшій мірі обумовлене поверхневим ефектом (див.рис.4.16). Його величину в будь-якій довільній точці Х лінії зв’язку можна визначити за формулою A_x = 10 log (1мВт / P_х). Тут P_x – потужність сигналу в точці Х, при умові, що на вхід витої пари подається опорний сигнал, потужністю 1мВт.

а) затухання сигналу на виході лінії	б) залежність затухання від частоти сигналу

Рис.4.16. Затухання сигналу у провіднику (http://nl.com.ua)

Для прикладу, затухання для неекранованого кабелю вита пара у 100 мегабітних мережах на відстані 100 м не повинне перевищувати 24 дБ. Це означає, що співвідношення потужностей сигналів на виході передавача і на відстані 100 м від нього буде складати 251. Якщо передавач генерує сигнал потужністю 1 мВт, то на відмітці 100 м він буде мати потужність у 251 раз меншу, тобто 3,98•10^-3 мВт. Оскільки величина затухання пропорційна довжині провідника, то його зручно характеризувати коефіцієнтом затухання, тобто затуханням на одиницю довжини (як правило, в дБ/100м).

В симетричному електричному колі затухання має дві складові: втрати енергії в металі і втрати в діелектрику. На частотах до декількох десятків МГц переважає перша складова, що обумовлено активним опором провідника. Зменшити її можна за рахунок збільшення діаметру провідника (зростає площа поверхні). Втрати в діелектрику суттєво починають проявлятися на високих частотах. Зменшити їх можна за рахунок використання спеціальних ізоляційних матеріалів, наприклад, спінененого поліетилен, або за рахунок зменшення ємкості електричного кола (збільшення відстані між провідниками та зменшенням їхнього діаметру). В загальному випадку найбільш ефективним засобом зменшення затухання є використання провідників з товстими жилами і товстою ізоляцією. Але при цьому кабель стає значно дорожчим і знижується його гнучкість.

Рис. 4.17.Схема перехресного впливу сигналів в кабелі вита пара

Перехідні завади (індуктивні наведення) характеризуються декількома параметрами, їхній вплив на сигнал повинен враховуватися на обох кінцях витих пар. У тому випадку, коли сигнал в сусідній парі поширюється у зустрічному напрямку, паразитне наведення у ній характеризується перехресним наведенням на ближньому кінці кабелю (NEXT – Near End Cross Talk). Характеристикою електромагнітного впливу на сигнал, що поширюється в однаковому напрямку, є перехресне наведення на дальньому кінці кабелю (FEXT – Far End Cross talk). Cross часто позначають літерою “Х”.

Розглянемо варіант, коли дані через окремі пари передаються одночасно в протилежних напрямках. Така “зустрічна” передача зумовлена тим, що одна з пар (наприклад, пара 1 на рис. 4.17) підключена до передавача мереженої плати, а інша пара цього ж кабелю підключена до приймача сигналів цієї ж мереженої карти (пара 2 на рис. 4.17). Таким чином через різні пари провідників кабелю сигнали йдуть назустріч один одному, створюючи взаємні електромагнітні перешкоди один одному.

Нехай передавач генерує сигнал потужністю P_вих і передає його через пару 1. Електромагнітне поле цього сигналу впливає на “зустрічний” сигнал, що передається через пару 2. Позначимо наведену потужність завад, заміряну на вході приймача, через P_нав (див. рис.4.17). Тоді параметр NEXT для пари 2 обчислюється за формулою

NEXT = 10 log₁₀ P_вих/P_нав.

Чим краще збалансовані виті пари, тим більше значення має NEXT, тим більше відношення сигнал/шум і тим кращий кабель. Визначати NEXT необхідно з обох сторін, оскільки перехресне наведення залежить від розміщення можливих дефектів витих пар і для достатньої низки частот зі смуги пропускання провідників.

Наведення в багатопарних кабелях характеризують сумарним наведенням (Power Sum Crosstalk або PS-NEXT). Характеристика PS-NEXT означає сумарне індуктивне наведення в одні парі на ближньому до передавача кінці від усіх інших пар кабелю. Вона не вимірюється, а обчислюється за виміряними значеннями NEXT для усіх пар кабелю. Подібно NEXT, PS-NEXT визначається на обох кінцях кабелю на всьому діапазоні частот.

Перехресне наведення на дальньому від передавача кінці (FEXT) використовують для оцінки індуктивних наведень у випадку однонаправленої передачі через обидві виті пари. З цією метою через одну пару, наприклад пару 1, подається тестовий сигнал, а на дальньому кінці пари 2 вимірюється наведений сигнал. Числове значення FEXT обчислюється за формулою

FEXT = 10 log₁₀ P_вих/P_нав.д.

Параметр FEXT, як і NEXT, визначається для кожної пари на обох сторонах на всьому частотному діапазоні. Чим більше значення FEXT, тим збалансованішою є вита пара і тим більшим є відношення сигнал/шум, що означає кращу якість кабелю.

Замість FEXT досить часто використовують інший параметр – ELFEXT (Equal Level Far End Crosstalk – однакового рівня наведення на дальньому кінці), який є значенням FEXT, приведеним до рівня корисного сигналу на дальньому кінці кабелю. Даний параметр враховує затухання на дальньому кінці пари, сигнал в якій наводить індукцію в досліджуваній парі. Наприклад, параметр ELFEXT пари 2 на рис.4.17 на дальньому кінці обчислюється за формулою

ELFEXT₂ = FEXT₂ – А₁,

де А₁ затухання сигналу на дальньому кінці пари 1.

Сумарне затухання на дальньому кінці кабелю характеризується параметром PS-ELFEXT ‑ (Power Sum Equal Far End Crosstalk сумарне приведене перехідне затухання на дальньому кінці). Його значення обчислюється для кожної окремої витої пари простим додаванням значень ELFEXT, отриманих для усіх інших витих пар кабелю

Здатність кабелю вита пара передавати сигнал якнайдалі і при цьому забезпечувати максимум захисту від індуктивних наведень оцінюється за допомогою характеристики ACR (Attenuation Crosstalk Ratio – відношення затухання до перехресних наведень). Чим менше погонне затухання А, тим більша амплітуда (потужність) сигналу на дальньому кінці лінії. З іншого боку, чим більше перехресне затухання, тим менше взаємні наведення пар. Звідси, різниця цих параметрів ACR = NEXT – А відображає наскільки потужним є сигнал на виході пари, або, іншими словами, наскільки можливим є виділення сигналу приймальним пристроєм на фоні завад. У випадку, коли погонне і перехідне затухання рівні, сигнал виділити неможливо (див. рис.4.18). Для гарантованого приймання необхідно, щоб ACR був не менше значення, заданого стандартами для даної категорії кабелю.

Рис.4.18. Залежність між погонним і перехресним затуханнями для витих пар (www.nag.ru)

Оскільки основним видом завад в кабелях комп’ютерних мереж є наведення, то за допомогою параметру ACR можна однозначно визначити верхню границю частоти сигналу, який може бути переданий певним кабелем. Вважається, що кабель може забезпечити повнодуплексну передачу на такій максимальній частоті, на якій значення ACR складаю 10 дБ.

Під час поширення сигналу кабелем відбувається ефект йог відбиття в зворотному напрямку. Величина відбиття return loss (RL) є мірою відбиття енергії від перешкод, які утворені в результаті розбіжності значень хвильового опору в провіднику кабелю. Чим більша кількість роз’ємів на шляху сигналу, тим більше значення RL. Неохайний монтаж конекторів на кабелі також є причиною відбиття сигналу. Величина return loss є пропорційно затуханню відбитого сигналу. Характеристика RL є актуальною в мережах з гігабітними швидкостями, в яких сигнал поширюється в обох напрямках (повнодуплексна передача). Відбитий сигнал з достатньо великою амплітудою, поширюючись у зворотному напрямку, спотворює корисний сигнал. Числове значення RL обчислюється як відношення потужності корисного сигналу до потужності відбитого.

В таблиці 4.2 як приклад наведені перехідні характеристики неекранованого кабелю вита пара в поліхролвініловій ізоляції “4-х парний UTP PVC 24AWG, горизонтальний, 5 кат., сірий (305 метрів)”

Табл..4.2. Перехресні характеристики неекранованого 4-х парного кабелю*

Frequency	Attenuation	NEXT	ACR	ELFEXT	Return Loss
МГц.	Макс.	Мін.	Мін.	Мін.	Мін.
0.772	1.8	64	62.2	-/-	-/-
1	2.0	62.3	60.3	60.8	17
4	4.1	53.3	49.2	48.7	18.8
8	5.8	48.8	43	42.7	19.7
10	6.5	47.3	40.8	40.8	20
16	8.2	44.3	36.1	36.7	20
20	9.3	42.8	33.5	34.8	20
25	10.4	41.3	30.9	32.8	19.3
31.25	11.7	39.9	28.2	30.9	18.6
62.5	17	35.4	18.4	24.8	16.5
100	22	32.3	10.3	20.8	15.1

* таблиця взята з сайту http://adp.1gb.ru/PASSIVE/PRRESH/CAB/TWT/#1 фірми ADP NetWorks

Зразки кабельної продукції