Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные линии связи для цифровых систем передачи. Учебное пособие.pdf
Устройство и разновидности
Кабель витая пара – это устройство следующего типа: внутри общей
оболочки из ПВХ находится 4 или 8 медных проводов в индивидуальной
изоляции, помеченной цветовой маркировкой. Жилы внутри идут не напрямую,
а скручены попарно – этим и обусловлено название. Это необходимо для того,
чтобы снизить негативное влияние электромагнитных помех от одного провода
на другой. Более того, различные пары жил имеют разное количество и разный
шаг витков, что также влияет на снижение уровня помех, но уже не в одной
паре, а между ними.
Такое строение – наиболее распространенное, но некоторые разновидности
витой пары имеют гораздо более сложное устройство и различаются по одному
или нескольким аспектам. По ним же можно произвести и разделение их на
виды.
По типу жил
1. Одножильный (solid) – каждый провод состоит всего из одной медной
жилы толщиной 0,3-0,6 мм. Главный недостаток – низкая износостойкость. При
периодическом изгибании в одном и том же месте медные проводники быстро
ломаются. Достоинство данных жил заключается в наилучших передаточных
параметрах, что обуславливает применение данных жил для передачи
информационного сигнала на заданное расстояние, которое ограничено 100 м.
2. Многожильный (stranded) – каждая жила состоит из множества
тончайших проволочек и не ломается при сгибании и скручивании, однако изза небольшого сечения проводников сигнал в них затухает быстрее, поэтому
данные жилы предназначены для формирования соединительных шнуров
небольшой длины.
По области применения
Различается цветом общей оболочки:
− Черная – для уличного монтажа. Имеет толстую общую оболочку из
полиэтилена. Иногда включает дополнительную жилу из стального тросика для
большей прочности или так называемую разрывную нить – капроновую нить, с
помощью которой легко и без повреждения экрана вскрывается наружная
оболочка.
− Серая – привычная для большинства витая пара для монтажа внутри
помещений.
− Оранжевая – кабель, не поддерживающий горение. Применяется на
пожароопасных объектах.
По форме сечения
− Круглый.
− Плоский – для прокладки под ковролином и другими покрытиями. Менее
устойчив к помехам.
Категории витой пары
С 01.01.2010 на территории Российской Федерации введены два ГОСТа
(ГОСТ Р 53246-2008б; ГОСТ Р 53245-2008), в которых описаны требования к
основным узлам структурированных кабельных систем, а также методика
сертификации и испытания. Кроме того, кабельная структура СКС должна
31
соответствовать стандартам ANSI TIA/EIA-569 и TIA/EIA-568-B [1,2].
100 м
100 м
100 м
100 м
100 м
AWG
Диаметр проводника, мм
Сопротивление, Ом/м
20
0,813
0,0333
22
0.643
0.0530
23
0.574
0.0668
24
0.511
0.0842
Характеристики категорий медных кабелей, используемых в настоящее время,
приведены в таблице 2.3.
Таблица 2.3– Характеристики категорий медных кабелей
Категория
кабеля
CAT5e 4 125 1000 Мбит/с
CAT6 4 250 10 Гбит/с
CAT6a 4 500 10 Гбит/с
CAT7 4 600 10 Гбит/с
CAT7a 4 1000 10 Гбит/с
Количество
пар, шт.
Полоса частот,
МГц
Скорость передачи
Длина канала
На данный момент стандартом ANSI/EIA/TIA 568-B также утверждена
категория 8.1 и 8.2. Конструктивно кабель имеет общий экран и экраны вокруг
каждой пары. Скорость передачи данных до 100 Гбит/с.
В третьей редакции
международного стандарта ISO/IEC 11801 2017 года
добавлены еще две категории симметричного кабеля: САТ 8.1 и САТ 8.2. Витая
пара категории 8.1 работает в диапазоне частот до 2 ГГц, скорость передачи 25
Гбит/с. Витая пара категории 8.2 работает на частоте 2 ГГц, скорость передачи
40 Гбит/с. Длина канала в обеих категориях не превышает 32 м. Кроме того, в
обновленной версии рекомендуется использовать витую пару с категорией не
ниже 6а [1,2].
Жилы имеют определенный диаметр поперечного сечения, которые
связаны с метрической американской системой AWG (таблица 2.4).
Таблица 2.4 – Соответствие метрической системы измерений
В кабелях витая пара для защиты от взаимных влияний используется
выбор оптимального шага скрутки, причем каждая пара характеризуется своим
шагом скрутки. Для оптимизации шагов скрутки вводится параметр симметрии
Q. Параметр симметрии характеризует функциональную зависимость
реактивных составляющих взаимовлияний и оценивается формулой (2.62):
m = f
k = f
(Q),
1
(Q),
2
32
,
0
1
0
1
Е
Е
Н
Н
К
э
==
,ln
bcad
bdac
aa
aa
Q =
, (2.62)
где а
ас
, а
bd, aad
, a
– расстояния между жилами соседних пар (рисунок
bc
2.22).
Рисунок 2.22 – К определению параметров а
ас
, а
bd, aad
, abc
При оптимальном выборе Q = 0, т.е. требуется выполнение условия:
а
× аbd = а
ac
ad
× а
bc
.
Кроме скрутки для защиты от взаимных и внешних влияний симметричные
цепи экранируются. Причем для защиты от взаимных влияний в сердечник
кабеля помещается экран, а для защиты от внешних влияний поверх сердечника
накладывается дополнительная металлическая оболочка. Эффект от
экранирования оценивается коэффициентом экранирования:
, (2.63)
где К
Н
Н
– коэффициент экранирования;
э
– параметры электромагнитного поля при наличии экрана;
1,Е1
– параметры электромагнитного поля без экрана.
0,Е0
Кроме коэффициента экранирования, для оценки эффективности
экранирования используется параметр – затухание экранированного поля.
33
Обозначение
Общий экран
Экран для пар
UTP (U/UTP)
нет
нет
STP (U/FTP)
нет
фольга
FTP, STP (F/UTP)
фольга
нет
STP (S/UTP)
оплетка
нет
FFTP (F/FTP)
фольга
фольга
SSTP, SFTP (S/FTP)
оплетка
фольга
SSTP, SFTP (SF/FTP)
оплетка, фольга
фольга
э
э
К
А
1
ln=
(2.64)
.
Затухание экранированного поля включает сумму двух составляющих:
затухание экранированного поля за счет поглощения стороннего поля,
обусловленного тепловыми потерями на вихревые токи, и затухание
экранированного поля за счет отражения, обусловленного несоответствием
волновых характеристик изоляции проводной цепи и экрана. В кабеле витая
пара выделяют неэкранированный кабель UTP и экранированный STP, причем
аббревиатура TP в переводе означает «витая пара».
Экран выполняется либо плетеным из медной проволоки (хорошо
защищает от низкочастотных наводок), либо из токопроводящей фольги
(пленки), которая блокирует высокочастотное электромагнитное излучение.
Также на практике часто используют двойные экраны (HIGHT Screen), в
которых используются оба способа. Все типы экрана можно представить в
таблице 2.5.
Таблица 2.5 – Экранированная витая пара
Таким образом, эффект от применения экрана на первый взгляд достаточно
прост: уменьшение внешних наводок на экранированную пару (или несколько
пар) и снижение уровня их электромагнитного излучения.
Необходимо учитывать, что экран, индивидуальный для каждой пары,
позволяющий улучшить электрические показатели кабеля, вызывает
значительный рост стоимости, а также веса и объема, изменяет первичные
параметры передачи, а самые незначительные ошибки способны ухудшить, а не
улучшить параметры линии.
Основные параметры кабеля витая пара являются частотозависимыми
величинами, поэтому в характеристиках витой пары приводятся параметры,
которые измеряются на всем частотном диапазоне от 1 МГц до максимальной
частоты кабеля соответствующей категории. К основным параметрам
относятся:
− IMPEDANCE – характеристическое сопротивление, Ом;
34
− NVP (Nominal Velocity of Propagation) – номинальная скорость
распространения сигнала;
− PDS (propagation delay skew) – смещение задержки распространения –
разница во времени прохождения сигнала по самой «быстрой» витой паре и
самой «медленной» витой паре, нс;
− ATTENUATION – ослабление мощности сигнала при передаче по витой
паре, дБ;
− NEXT (NEAR END CROSSTALK) – переходное затухание на ближнем
конце линии, дБ;
− PS-NEXT (POWER SUM CROSSTALK) – суммарные потери от всех пар
кабеля на ближнем конце линии при одновременной работе, дБ;
− FEXT (FAR END CROSSTALK) – переходное затухание на дальнем
конце линии, дБ;
− ELFEXT (EQUAL FAR END CROSSTALK) – приведенное переходное
затухание на дальнем конце линии, дБ;
− ACR (ATTENUATION CROSSTALK RATIO) – защищенность цепи на
дальнем конце линии, определяется как разница между затуханием сигнала и
переходным затуханием на дальнем конце линии;
− PS-ELFEXT (POWER SUM EQUAL FAR END CROSSTALK) –
суммарное приведенное переходное затухание на дальнем конце линии, дБ;
− RL (RETURN LOSS) – возвратные потери, дБ.
2.5 Твинаксиальный кабель
В таблице 2.2 рассматривались основные причины, которые влияют на
качество передачи информационного сигнала. В коаксиальных кабелях с
закрытым электромагнитным полем проявляются только косвенные
взаимовлияния за счет влияния через третьи цепи, которые уменьшаются на
высоких частотах. Коаксиальный кабель устойчив к внешним
электромагнитным помехам, имеет стабильные характеристики. На
сегодняшний день коаксиальные кабели применяются:
− в технологии спутниковых параболических антенн;
− в широкополосных приложениях.
Но коаксиальный кабель характеризуется следующими недостатками:
− достаточно жесткий, что может затруднять его укладку в сложных или
ограниченных пространствах;
− имеет ограниченную полосу пропускания, что может сказываться на
скорости передачи данных в высокоскоростных сетях.
Вышеуказанные недостатки является критическими для современных
телекоммуникаций и интернет-соединений. Для устранения недостатков были
разработаны твинаксиальные кабели. Двухосевой кабель, или твинаксиал (от
англ. Twinaxial cable, TWC, твинаксиальный кабель), – электрический кабель,
аналогичный коаксиальному, но с двумя параллельными проводниками вместо
35
одного. Другими словами, это два не перевитых проводника, заключенных в
общий экран.
Эти провода используются для дифференциальной передачи сигналов на
короткие расстояния с высокой скоростью. Твинаксиальные кабели стали
популярными в центрах обработки данных и корпоративных сетях, поскольку
они обеспечивают низкую задержку и высокую пропускную способность.
Эти кабели (рисунок 2.23) исключительно хорошо работают с сетями LAN,
межсерверными соединениями и любыми другими приложениями,
требующими высокочастотной передачи данных. По сравнению со
стандартными медными проводами или другими материалами, обычно
используемыми для изготовления шнуров, твинаксиальные провода
обеспечивают лучшую производительность и надежность в средах, где важна
скорость. Тем не менее, ухудшение сигнала должно быть сведено к минимуму.
Внутри кабеля два внутренних проводника, которые обычно изолируются друг
от друга каким-либо материалом, например пластиком или резиной, а затем
обертываются вокруг них вместе экранирующими слоями, чтобы не возникало
электромагнитных помех между соседними линиями, которые можно
прокладывать рядом друг с другом.
Рисунок 2.23 – Внешний вид твинаксиального кабеля
Твинаксиальная технология – это технология, в которой используются два
внутренних проводника для обеспечения лучшей дифференциальной передачи
сигналов и меньшей задержки. Он отличается от обычных коаксиальных
кабелей, которые имеют только один проводник, поскольку в твинаксиальных
кабелях используются парные проводники для передачи одинаковых, но
противоположных сигналов. Такое расположение улучшает целостность
сигнала за счет предотвращения электромагнитных помех (ЭМП) и
перекрестных помех, что делает их более подходящими для высокоскоростной
передачи данных, чем кабели любого другого типа. Твинаксиальные кабели
имеют дополнительные слои изоляции и экранирования, что повышает их
прочность и надежность, особенно когда они подвергаются суровым условиям,
например, в корпоративных сетях и центрах обработки данных.
Основные компоненты твинаксиального кабеля
Твинаксиальный кабель (Twinax) состоит из нескольких важных частей,
влияющих на его способность высокоскоростной передачи данных. К ним
относятся:
1. Внутренние проводники: кабели Twinax обычно имеют два внутренних
проводника, которые изготовлены из меди. Они передают дифференциальные
сигналы и обеспечивают сбалансированный путь передачи.
36
2. Изоляция: Каждый внутренний проводник должен быть изолирован
индивидуально, чтобы предотвратить короткое замыкание между ними.
Материалами, обычно используемыми для этой изоляции, являются полиэтилен
или полипропилен, выбранные из-за их превосходных электрических свойств.
3. Экранирование: пара проводников окружена экраном, который может
быть выполнен из плетеной проволоки, фольги или того и другого вместе. Этот
экран защищает от внешних электромагнитных помех (EMI) и перекрестных
помех, тем самым улучшая целостность сигнала.
4. Внешняя оболочка: внешняя оболочка покрывает кабель, часто
изготовлена из ПВХ или другого прочного пластика. Эта оболочка защищает
внутренние компоненты от физических повреждений и факторов окружающей
среды, обеспечивая долговечность и надежность кабеля.
Эти элементы функционируют гармонично, в результате чего создаются
прочные кабели, способные работать на высоких частотах, что делает их
идеальными для использования в современных центрах обработки данных.
Кабели Twinax (также называемые твинаксиальными кабелями) работают,
когда два проводника обернуты диэлектрическим материалом и экранированы
внешним проводящим слоем. Такое расположение обеспечивает
дифференциальную передачу сигналов, при которой каждый проводник несет
одинаковое количество заряда, но с противоположными знаками. Это
предотвращает электромагнитные помехи (EMI) и сохраняет целостность
сигнала на коротких дистанциях. Более того, твинаксиальные конструкции
обеспечивают высокую скорость передачи данных в сочетании с низкой
задержкой, что делает их полезными для надежной связи в центрах обработки
данных или высокопроизводительных вычислительных средах, где
стабильность имеет наибольшее значение. Эти кабели работают лучше, чем их
альтернативы, поскольку у них два провода, а это означает, что они могут
потреблять меньше энергии, сохраняя при этом надежность.
Роль проводников
Проводники имеют важное значение в кабеле Twinax. Они служат для
передачи электрических сигналов с минимальными искажениями и потерями.
Обычно эти проводники изготавливаются из меди, лучшего материала для этой
цели; они помогают поддерживать целостность сигнала и гарантировать, что
данные передаются без значительного ослабления. Качественная конструкция
проводника необходима, когда речь идет о достижении высоких частот и
надежной скорости передачи данных: к таким факторам, среди прочего,
относятся точность пары проводников и чистота меди. Проводники должны
быть спроектированы соответствующим образом, если мы хотим, чтобы кабели
Twinax выдерживали высокоскоростные сетевые среды; это можно сделать,
включив дифференциальную эффективность передачи сигналов, что
значительно снижает электромагнитные помехи (электромагнитные помехи) и
перекрестные помехи. Параметры проводников представлены в таблице 2.6.
37
Таблица 2.6 – Диаметры проводников
AWG
Диаметр проводника,
мм
Минимальный радиус
изгиба, мм
24
0,511
38
26
0,405
33
28
0,321
25
30
0,255
23
Применение кабелей Twinax в современных технологиях
Кабели Twinax используются во многих различных приложениях в рамках
современных технологий, поскольку они работают лучше, чем любой другой
кабель, особенно при сборке и соединении твинаксиальных кабелей. Кабели
Twinax необходимы для сетей хранения данных (SAN), поскольку они
обеспечивают соединения с малой задержкой и высокую пропускную
способность, необходимую для эффективного хранения и извлечения данных.
Эти кабели имеют прочное экранирование, защищающее от электромагнитных
помех, поэтому сигнал всегда будет проходить.
Также в аудиовизуальном оборудовании, где для профессиональных
аудиоустановок и систем вещания требуются помехоустойчивость и
высокочастотные возможности, часто используются твинаксиальные провода.
Кроме того, сбалансированная передача сигналов делает его очень
полезным для систем промышленной автоматизации, которые
предусматривают связь между блоками управления и оборудованием, где
необходим стабильный и высокоскоростной обмен данными.
Все эти особенности двухосного провода делают его достаточно
универсальным для использования в широком спектре современных
технологий, поскольку он обеспечивает эффективную передачу информации
гораздо лучше, чем любой другой кабель.
Типы твинаксиальных кабелей
1. Пассивные кабели Twinax: идеально подходят для подключения на
короткие расстояния до 7 метров. Эти кабели обеспечивают экономическую
эффективность и низкое энергопотребление без необходимости использования
дополнительной электроники для усиления сигнала.
2. Активные твинаксиальные кабели: эти кабели используются для
длинных пролетов (около 15 метров). В них интегрированы активные
электронные компоненты для усиления мощности сигнала и поддержания
работоспособности на больших расстояниях.
3. Нестандартные длины и сборки. Нестандартные длины и кабельные
сборки могут быть разработаны для конкретных приложений, которые в них
нуждаются. Это гарантирует, что они соответствуют именно тому, что
необходимо, тем самым улучшая производительность и совместимость.
К твинаксиальным кабелям относятся кабели DAC (Direct Attach Copper
Cable) – кабели прямого подключения, предназначенные для дуплексной
передачи/приема высокоскоростного трафика на небольшое расстояние.
38
Используется так называемая твинаксиальная конструкция, представляющая
собой пару параллельных медных жил, защищенных общим экраном.
Пассивный тип DAC-кабелей выглядит как твинаксиальный кабель,
который напрямую соединяется с РСВ трансивера, расположенного на его
окончании. Длина такого переходника может достигать 7 метров (для 10G
кабеля). Но во избежание рисков относительно стабильного функционирования
проводника многие производители не изготавливают их больше 3 метров.
Активный тип DAC-кабелей представляют собой переходник с лазерным
блоком, который соединен с РСВ (рисунок 2.24). Таким образом, длина
соединителя максимально достигает 20 метров для 10G кабеля и 3 метров для
100G кабеля.
Рисунок 2.24 – Активный DAC-кабель
DAC проводники отличаются диаметром сечения токопроводящей жилы.
Данный показатель характеризуется в AWG единицах. Соответственно, от
AWG зависит максимальный уровень длины переходника. То есть, когда
происходит увеличение длины, одновременно повышается вносимое затухание.
Поэтому, чтобы нивелировать затухания, необходимо увеличивать диаметр
кабеля. Это непосредственно влияет на максимальный радиус изгиба
проводника.
DAC проводники в основном используют в следующих областях:
− центр обработки информации;
− виртуализаци;
− подключение маршрутизаторов и серверов и пр.;
− устройства хранения данных;
− 10/40/100G Ethernet и т.д.
Факторы, которые следует учитывать при выборе твинаксиального кабеля
1. Расстояние подключения. Требуемая длина кабеля Twinax существенно
влияет на его производительность. Пассивные кабели Twinax экономичны и
достаточны для подключения на короткие расстояния до 7 метров. Однако
активные кабели Twinax необходимы, если соединение превышает эту длину,
39
поскольку они могут повысить мощность сигнала и сохранить целостность на
расстоянии до 15 метров.
2. Скорость передачи данных. В зависимости от потребностей приложения
в передаче данных важно выбрать кабель Twinax, который поддерживает
необходимую скорость передачи. Эти кабели имеют различную пропускную
способность: от 10 Гбит/с до 40 Гбит/с и выше до 100 и 200 Гбит/с, что
позволяет им удовлетворять различные требования к пропускной способности
данных в сетевых средах и средах хранения данных.
3. Условия окружающей среды: окружающая среда, в которой он будет
работать, также влияет на то, какой кабель следует использовать. Если кабели
могут подвергаться воздействию экстремальных температур, электромагнитных
помех (ЭМП) или механическим нагрузкам в промышленных целях, для
обеспечения долговечности и точности сигнала следует использовать надежные
твинаксиальные кабели с лучшим экранированием и изоляцией.
4. Совместимость типов разъемов. Для твинаксиальных кабелей доступны
различные типы разъемов, например, SFP+ и QSFP+. Разъемы должны
соответствовать портам на подключенных устройствах, особенно при работе с
твинаксиальным кабелем, соединяющим приложения. Это гарантирует
отсутствие потери сигнала из-за плохого соединения между разъемами, а также
гарантирует физическую безопасность соединения.
5. Потребляемая мощность: следует учитывать энергопотребление
активных твинаксиальных кабелей, если используются энергочувствительные
приложения. Несмотря на более широкий диапазон и улучшенную пропускную
способность сигнала, активные твинаксиальные кабели потребляют больше
энергии, чем их пассивные аналоги, что влияет на общую энергоэффективность
системы.
6. Экономическая эффективность: бюджетные ограничения иногда влияют
на выбор кабелей. Пассивные шпагатные кабели немного дешевле; однако их
более низкая стоимость и более высокая производительность могут
потребовать использования активных весов для шпагата, несмотря на их
стоимость.
7. Гибкость и радиус изгиба. Если пространство ограничено и кабели
должны быть гибкими, следует выбирать твинаксиальные кабели с меньшим
радиусом изгиба, чтобы обеспечить простоту установки и обслуживания без
ущерба для качества сигнала.
Эти соображения помогут выбрать наиболее подходящий кабель Twinax
для надежной передачи данных, экономичности и долговечности в конкретных
случаях использования.
Типы разъемов (модули)
1. SFP+ (подключаемый модуль малого форм-фактора): разъемы SFP+
широко используются в сетевом и телекоммуникационном оборудовании для
высокоскоростной передачи данных, особенно для приложений 10 GbE (Gigabit
Ethernet), где они могут быть частью твинаксиального кабеля и подключаться
напрямую. Они предлагают интерфейс с возможностью горячей замены и
40