1.3 Особливості передачі інформації по витій парі

Вита пара - це два скручених дроти в ізоляції. Скручування робиться для того, щоб обидва дроти перебували в однакових умовах, тобто вплив на них зовнішніх перешкод не відрізнялося. В одному кабелі може бути кілька пар, зазвичай 2 або 4, укладених в загальну діелектричну оболонку. Інформаційний сигнал міститься в різниці напруг між проводами однієї пари.

Існує кілька різновидів кручених пар:

- UTP (Unscreened Twisted Pair) - неекранована кручена пара.

- FTP (Foiled Twisted Pair) - фольгована вита пара з одним загальним зовнішнім екраном.

- SFTP (Shielded Foiled Twisted Pair) - фольгована екранована кручена пара з двома зовнішніми екранами.

- STP (Shielded Twisted Pair) - захищена кручена пара. В такому кабелі кожна пара екранована окремим екраном.

- S / STP (Screened Shielded Twisted Pair) - захищена екранована кручена пара, що відрізняється від STP наявністю додаткового загального зовнішнього екрану.

Одним з недоліків кручений пари є можливість перехоплення інформації, що передається. Це робиться або за допомогою уткнутих в кабель двох голок, або шляхом зчитування випромінюваного кабелем електромагнітного поля. Екранування забезпечує захист від електромагнітних наведень і несанкціонованого підслуховування. З іншого боку, екранований кабель значно дорожче, тому використовується рідше.

Кабелі на основі кручений пари по робочій частоті діляться на наступні категорії.

- До категорії 1 відносять зазвичай не кручені телефонні кабелі. За ним можна передавати тільки мова.

- Кабель категорії 2 дозволяє передавати дані в смузі частот до 1 МГц (використовується рідко).

- Кабель категорії 3 використовується для передачі даних в смузі частот до 16 МГц. Він складається з кручених пар з дев'ятьма витками проводів на 1 м довжини.

- Кабель категорії 4 передає дані в смузі частот до 20 МГц. Використовується рідко, тому що не дуже відрізняється від категорії 3. Стандартом рекомендується замість кабелю категорії 3 переходити відразу на кабель категорії 5.

- Кабель категорії 5 в даний час найдосконаліший кабель, розрахований на передачу даних в смузі частот до 100 МГц. Складається з кручених пар, що мають не менше 27-ми витків на 1 м довжини.

- Кабель категорії 6 - перспективний тип кабелю для передачі даних в смузі частот до 200 (або 250) МГц.

- Кабель категорії 7 - перспективний тип кабелю для передачі даних в смузі частот до 600 МГц.

Відповідно до стандарту EIA / TIA 568 (Американський стандарт кабельних систем, прийнятий в липні 1991 р), повне хвильовий опір кабелів категорій 3, 4 і 5 має становити 100 Ом ± 15% в частотному діапазоні від 1 МГц до максимальної частоти кабелю. Хвильовий опір екранованої кручений пари STP дорівнює 150 Ом ± 15%.

Стандарт визначає також максимально допустиму величину робочої ємності кожної з кручених пар кабелів категорії 4 і 5. Вона повинна складати не більше 17 нФ на 305 м при частоті сигналу 1 кГц і температурі навколишнього середовища 20 ° С.

Отже, перевага кручених пар полягає в простоті монтажу і ремонту, а також у низькій вартості кабелю. З іншого боку, неекрановані кабелі на основі кручених пар мають ряд недоліків: вони схильні до впливу електромагнітних завад і не гарантують захист інформації, що передається. Максимальна довжина кабелю складає 100 м.

Основними електричними характеристиками кручений пари є хвильовий опір, загасання на 1 м довжини і швидкість поширення сигналу. Розглянемо їх докладніше.

1. Згасання (attenuation) - це величина, що характеризує втрату потужності сигналу при передачі. Коефіцієнт загасання обчислюється як відношення потужності отриманого на кінці лінії сигналу до потужності сигналу, поданого в лінію, і вимірюється в децибелах на одиницю довжини. Загасання обумовлені втратами в діелектрику і скін-ефектом. У порівнянні з іншими типами кабелів кручена пара має найбільшу коефіцієнтом загасання на цій частоті. Саме загасання сигналу обмежує довжину кабелю. Для збільшення довжини каналу зв'язку слід використовувати більш якісні кабелі із захистом від перешкод і наведень. Для зменшення коефіцієнта загасання застосовуються спеціальні коректори або сигнальні буфери з вбудованою корекцією предискаженій.

Предискаженія вносяться для того, щоб зробити АЧХ більш рівною. При цьому нелінійні спотворення сигналу зменшуються. У підсилювальний тракт передавача включається коректор - нелінійне пристрій, передавальні характеристики якого підбираються так, щоб амплітудна характеристика об'єднаного пристрою коректор-підсилювач стала лінійної, а амплітудно-фазова характеристика - рівномірною.

Для чого це потрібно? У лініях передачі з рівною АЧХ відсутня міжсимвольні інтерференція, що підвищує якість передачі. Чим вище підйом АЧХ, тим більші загасання компенсуються і більше максимальна довжина лінії.

Існують коректори трьох типів. АЧХ постійного амплітудного коректора не змінюється. Такі коректори використовуються в мережах з фіксованою довжиною середовища передачі. Змінний амплітудний коректор, навпаки, має кілька попередньо встановлених налаштувань, які можна змінювати відповідно до довжини каналу зв'язку. Найбільш зручні у використанні - адаптивні коректори, які автоматично визначають рівень втрат в середовищі передачі і підбирають оптимальні параметри коригувальних імпульсів. Адаптивні коректори зазвичай розробляються під конкретні середовища передачі, тому при виборі пристрою необхідно упевнитися, що воно розраховане саме на той тип лінії передачі і ті параметри, які використовуються в мережі.

При корекції сильних затуханий не можна забувати про системний шумі. Справа в тому, що сигнали з компенсацією втрат 40 дБ стають дуже чутливими до шуму. Дійсно, якщо відношення сигнал / шум підтримується на рівні 10-15 дБ, то шуми в лінії передачі не повинні перевищувати 50-55 дБ, інакше сигнал загубиться.

2. NVP (Nominal Velocity of Propagation) - швидкість поширення сигналу в лінії, яка виражається як відношення швидкості поширення сигналу до швидкості світла.

3. NEXT (Near End CrossTalk) - перехідне загасання, або перехресні наведення на ближньому кінці. Воно характеризує вплив сусідніх кручених пар один на одного і розглядається тільки при двосторонньої передачі інформації. Даний ефект проілюстрований на рис. 1. Сигнал, який передається по верхній кручений парі, наводить перешкоду на нижню. При односторонньому обміні в розрахунок приймається параметр FEXT (Far End CrossTalk), що характеризує взаємодію пар на дальньому кінці. Для ослаблення наведень застосовується фольгування.

4. Тимчасова затримка поширення сигналу між двома парами в кабелі (Pair-to-Pair Skew). Вона з'являється через те, що пари не ідеально однакові, одна з них обов'язково довша за іншу, тому сигнал проходить по ній більший шлях. Типове значення затримки становить близько 25 нс / 100 м, але може доходити і до 45 нс / 100 м. Цей параметр враховується при швидкостях передачі 100 Мбіт / с і вище.

5. Тимчасова затримка поширення сигналу всередині однієї пари (Intra-Pair Skew). Вона виникає в разі, якщо довжини провідників в парі не збігаються. Звернемося до рис. 2. Нехай сигнал передавача є парафазним. Видно, що через різної довжини проводів на виході з'являється синфазна складова, при цьому амплітуда корисного диференціального сигналу зменшується. Проблема ускладнюється тим, що для кручений пари затримка поширення сигналу залежить від частоти, тобто при передачі несинусоидального сигналу всі компоненти затримуються на різний час.

Рис. 1.2 Перехресні перешкоди в кабелі на основі витої пари

Рис. 1.3 Поява синфазної складової на виході пари проводів з різною довжиною

Розглянемо деякі помилки, які стосуються тимчасової затримки між провідниками в парі.

Міф 1: тимчасова затримка поширення сигналу всередині однієї пари не залежить від частоти. Насправді в незв'язаних парах, наприклад в подвійному коаксіальному кабелі, тимчасова затримка постійна і не залежить від частоти сигналу. Однак в разі STP і твінаксіального кабелю це не дотримується (див. Рис. 3).

Міф 2: тимчасова затримка пропорційна довжині кабелю. Це твердження вірне лише на дуже низьких частотах, коли довжина хвилі порівнянна з довжиною кабелю. На рис. 3 видно, що в діапазоні 300 ... 1500 МГц найбільша тимчасова затримка спостерігається в самому короткому кабелі.

Міф 3: тимчасову затримку можна визначити методом прямого виміру, тобто на один кінець пари подати диференційний сигнал, а на іншому засікти інтервал між моментами появи сигналів в кожному дроті. Як показує практика, цей метод можна застосовувати тільки для низьких частот, оскільки кінці кабелю є фільтрами НЧ.

Рис. 1.4 Затримка сигналу між двома проводами твінаксіального кабелю

Будь-яка асиметрія в кабелі, в т.ч. і різниця затримок сигналу всередині пари, призводить до появи синфазної складової сигналу. При цьому амплітуда диференціальної складової зменшується. Неприємність полягає в тому, що диференціальні і синфазних сигнали мають різну швидкість поширення і різні коефіцієнти втрат, тому при переході енергії з однієї форми в іншу фаза і частота сигналу можуть змінюватися непередбачуваним чином, приводячи до виникнення фазового тремтіння (джи тера). Зауважимо, що самі по собі синфазних складові не вносять тремтіння в диференційний сигнал. Однак перетворення складових з однієї форми в іншу істотно псують сигнал. Якщо тремтіння мало або повністю відсутній, то схема приймача значно спрощується. Саме тому важливо контролювати тимчасові затримки в лініях зв'язку і застосовувати заходи для їх мінімізації.

На практиці фазовий тремтіння визначають по амплітуді синфазний і диференціальної складових, а точніше виходячи з їх відносини. Для проведення необхідних вимірювань потрібно мережевий аналізатор. Цей прилад дуже дорогий і його зазвичай заміняють простішим пристроєм, схема якого наведена на рис. 4. Воно складається з двох з'єднувачів H9-SMA, що працюють на частотах 2 МГц - 2 ГГц. Один з них потрібен для генерації диференціального сигналу (верхній на малюнку), другий - для відділення диференціальної складової від синфазної. Далі сигнали надходять на вимірювач потужності, який визначає їх величину. За цими даними обчислюється фазовий тремтіння.