Глава 23: Витая пара (соотношение сигнал и шум)
Охарактеризовать качество среды передачи с помощью значения электрических параметров не целесообразно. Даже не смотря на их первоочередное физическое значение. Так сложилось, что для ее оценки необходимо знать всего два параметра, такие как шум и сигнал. Это легко объяснимо хотя бы тем фактом, что для корректной интерпретации принятого сигнала значение амплитуды не важно. Колебания амплитуды могут находиться и в промежутке от 0.001 до 1000В. Основным условием является: уровень сигнала, должен быть выше уровня помех (шума).
В этой связи маркируются только параметры, помогающие сопоставить уровни полезного сигнала и шума. При тестировании линии значение иметь будут только они. Единицей измерения в этом случае служат дБ - Децибелы.
Так как все процессы происходят в различных средах и имеют различные единицы измерения, то данная единица измерения назначена условно и служит для того, что бы была возможность сравнения и оценки уровня сигнала. Децибелы характеризуют отношение уровней звука и шума и не показывают абсолютную величину шума в сигнале. Чтобы выразить эту величину в Децибелах, используют формулу:
Х(дБ) = 20*log10(P1/P2), где:
P1 и P2 - два сравниваемых значения.
Физические свойства линии - это очень важный фактор, поэтому рассмотрим самые важные параметры, которые ее характеризуют. Один из таких показателей - это ослабление (затухание). Этот фактор более других влияет на среду передачи, определяется он как отношение мощности сигнала на выходе из передатчика к мощности сигнала на входе в приемник одной и той же линии. Затухание приводит к постепенной потере энергии сигнала в среде передачи данных и, как следствие, сила полезного сигнала снижается.
A = 20*log10 (Р передатчика / Р приемника)
Следующий параметр - коэффициент затухания alfa. Он показывает ослабление сигнала на единицу длины и используется для оценки качества прокладываемого кабеля:
alfa(дБ/метр) = А (дБ) / L (м), где:
L - длина кабеля
Затухание может быть рабочим и собственным. Необходимо различать оба эти вида. Самым маленьким затухание будет при условии отсутствия отражения электромагнитной энергии. Это можно достичь, если волновое сопротивление приемника, кабеля и источника сигнала равно.
Рассмотрение картины прохождения сигнала по реальному кабелю только с позиции одного затухания не верно. Существует еще она особенность. Когда сигнал проходит в реальных условиях (не по теоретической идеальной витой паре), часть передаваемой энергии теряется в виде электромагнитных волн и тепла. Таким образом, чем больше различия между реальной ситуацией и идеальной витой парой (разбалансированная система), тем больше будут потери.
В случае разбалансированности, если рядом с такими кабелями будут находиться другие, то это приведет к возникновению в них наведенного тока. Этому эффекту было дано название "переходные наводки". Определяется, как отношение мощности наведенного сигнала к основному. Переходным затуханием будет называться разность между ним и передаваемым сигналом.
Переходные наводки
На этом рисунке:
NEXT (Near End Crosstalk) - переходное затухание двунаправленной передачи
FEXT (Far End Crosstalk) - переходное затухание однонаправленной передачи (английское слово Cross часто сокращают как Х).
В результате мы можем вывести следующие соотношения, которые будут зависеть от типа передачи:
NEXT (FEXT) = 20*log10 (Pс/Рн), где:
Рс - мощность сигнала
Рн - мощность сигнала, наведенная на другой витой паре
Возникает самая настоящая терминологическая путаница. Ее появление объясняется тем, что стандарты 10/100baseT включают в себя 2 пары: одна на прием, другая на передачу. В итоге само понятие однонаправленных наводок теряет практический смысл, т.к. нет смысла от наводки электромагнитного излучения на источник сигнала. Существование определения этого термина в таком виде сохранилось до наших дней благодаря тому, что изначально оно было выбрано для простоты, потом прочно закрепилось в документации, а сейчас изменить его во всех этих актах не возможно.
В итоге можно сделать вывод, что уровень качества определяется уровнем NEXT и FEXT: чем эти величины выше, тем качественнее используемый кабель. Этим объясняется определение затухания, как базового параметра (не смотря на то, что инженерам более понятен параметр "наводка"). В связи с законами маркетинга, было определено, что кабель более высокого качества не должен быть маркирован низкими числами характеристик.
Проводника, размещенные параллельно, рассматриваются как обкладки конденсатора, поэтому наводки зависят от частоты. Был определен специальный стандарт (EIA/TIA-568A), который определяет норму для минимально допустимого значения переходного затухания двунаправленной передачи. Предполагается, что кабель имеет длину сто метров, переходное затухание определяется как:
NEXT(f) = NEXT(0,772) - 15*log10(f/0,772), где
NEXT(0,772) - минимально допустимое переходное затухание двунаправленной передачи на частоте 0,772 МГц (составляет 43 дБ для кабеля 3 категории, и 64 дБ для 5 категории)
f (МГц) - частота сигнала
В логарифмическом виде можно представить формулы, определяющие соотношение сигнал-шум. Такая формула будет показывать качество линии. Для кабельных систем используют два параметра:
ACR (attenuation to crosstalk ratio), дословно переводится как "отношение затухания к наводкам",
ELFEXT (equal level far end crosstalk) - "равноуровневые наводки на дальнем конце".
Измерить эти параметры нельзя, они определяются по следующим формулам:
ACR = NEXT - A, ELFEXT = FEXT – А
ACR - это превышение сигнала над уровнем собственных шумов при двунаправленной передачи сигналов
ELFEXT - это превышение сигнала над уровнем собственных шумов при однонаправленной передачи сигналов
Можно сделать вывод, что самой распространенной помехой в кабельных компьютерных сетях являются наводки. ACR дает возможность обозначить верхнюю границу частоты электрического тракта передачи. Если параметр ACR равен 10 дБ, то считается, что среда передачи может обеспечить устойчивую полнодуплексную работу любого приложения с такой граничной частотой.
Граничная частота среды передачи
На этом рисунке наглядно представлена зависимость приема сигнала заданной частоты от качественных характеристик кабеля. Лучше всего этим графиком иллюстрируется случай, когда применяется нестандартный кабель. В дальнейшем мы еще обратимся к этому изображению.
Рассмотрим пример. Предположим, что взят стандартный кабель протяженностью 100 м, с помощью которого организована сеть 100baseT. Согласно установленным нормативам, затухание не должно быть больше 24 дБ. Если перевести в десятичную систему, то это означает уменьшение сигнала в 251 раз. Так же мы знаем, что уровень наводок на входе в приемник должен не превышать 27,1 дБ (это для комбинации самых худших пар). В десятичной системе это означает, что мощность наводок в 513 раз меньше мощности сигнала передатчика смежной пары. В итоге - мощность сигнала будет в 2,04 (3,1 дБ) раза выше мощности наводок.
Существует еще ряд характеристик, которые не описаны стандартами, однако они оказывают непосредственное влияние на скорость передачи информации в сети.
Во-первых - это Nominal Vilocity of Propagation (относительная скорость распространения сигналов). Данный показатель измеряется в процентах и показывает замедление сигналов в витой паре относительно скорости света в вакууме. Он влияет на работу высокоскоростных приложений. Его применяют в своей работе и рефлектометры: с его помощью измеряется расстояния до аномалии.
Не одинаковый шаг скрутки пар в кабеле и различный материал, из которого изготовлена изоляция, оказывают влияние на задержки (Delay) в передаче информации по одному кабелю. Если на стандарты 10/100baseT этот фактор не оказывает существенного влияния, то при передаче протокола 1000baseT он может привести к очень серьезному рассогласованию сигнала. Поэтому здесь этот вид нестандартных кабелей лучше не применять.
Закончим эту главу на том, что укажем: скорости передачи данных в витопарных кабельных сетях с каждым годом возрастают, что сопряжено с ростом влияющих на сигнал факторов. Все эти параметры необходимо выявить и учесть при построении сети. Рассмотренных показателей хватит, чтобы построить качественную сеть стандарта 10/100/1000baseT. Но это не повод для расслабления - с появлением новых протоколов обязательно выявятся дополнительные оказывающие влияние факторы, характерные для электрической среды передачи данных.