Глава 22: Витая пара (Twisted Pair)

« Предыдущая

Как уже не единожды упоминалось, самым распространенным кабелем, используемым при построении компьютерных сетей различного масштаба, является витая пара. Его отличает не высокая цена и широкая область применения в локальных сетях различной сложности. В этой главе, мы попытаемся выяснить, почему этот тип пользуется такой популярностью.

Основные определения и характеристики витой пары

Название "витая пара" этот тип кабеля получил благодаря тому, что состоит из попарно свитых между собой изолированных проводников на строго определенном промежутке. Такая структура способствует сокращению числа перекрестных наводок между проводниками. Характеристика этого кабеля позволяют ему успешно применяться при создании симметричных цепей (информация передается по принципу баланса).

Согласующие трансформаторы рассоединят приемник и передатчик один от другого при помощи гальванического метода. В это же время в сетевые адаптеры попадает разность потенциалов протяженной линии. В связи с этим существует 2 серьезных момента.

Первый: векторы напряженности электромагнитного поля каждого из проводников противоположно направлены, при этом суммарное ЭМИ отсутствует. Связано это с тем, что токи в любой точке идеальной витой пары равны по значению, и противоположны по направлению.

Идеальная витая пара – это линия, в которой проводники бесконечно плотно прилегают друг к другу, имеют бесконечно малый диаметр. Протекающий по ней ток стремиться к «0».

Второй – используя данный метод, становится невозможной передача постоянной составляющей. Такое положение вещей значительно ограничивает протокол передачи, но, при этом, внешние факторы не имеют на него существенного влияния. Этот момент проиллюстрирован рисунком 5.5. Здесь мы видим, что на сетевой адаптер результирующее  напряжение наводки не передается (синфазное напряжение).

Разновидности витопарных кабелей

Витая пара не относится к разряду "новых изобретений". На самом деле ее применяли в телефонии уже на протяжении многих десятилетий. На блага Ethernet витая пара заработала только в сентябре 1995 г. Своему появлению в новом качестве она обязана принятому в указанном году стандарту 10baseT. Такая витая пара обладала шагом скрутки проводов в несколько десятков сантиметров, была третьей категории и предоставляла относительно узкую полосу пропускания - не более 20 МГц. Компьютерные кабеля от телефонных отличались количеством пар: компьютерные имели четыре пары.

В 1995 году появляется новый стандарт кабеля - Level 5 и начинает работать Fast Ethernet. Новый стандарт подразумевал меняющийся для каждой из пар шаг скрутки в диапазоне от 2 до 32 миллиметров. Такая технология скрутки применялась для сокращения перекрестных наводок. Про перекрестные наводки мы поговорим ниже. Укажем, что данный вид кабеля позволяет передавать сигнал с частотой до 100 Мбит. Еще через 10 лет появился новый тип кабеля - Категории 5е. Он способен выдавать частоту до 125 МГц. Сейчас идут работы по созданию еще одного стандарта - Категория 7. Предполагается, что его частота будет достигать 600 МГц.

Все конструктивные особенности данного вида кабеля наглядно представлены на рисунке. Самым распространенным считается тот кабель, который в одной оболочке имеет четыре пары. Бывают кабеля, имеющие две пары, но их использование предполагает отказ от большого числа существующих протоколов.

Для изготовления проводников используется медная проволока, ее толщина составляет от половины до 0.65 миллиметра в диаметре. Наряду с метрической популярностью пользуется и AWG система, с величинами 24 или 22 соответственно. Изоляция имеет толщину 0.2 миллиметра и изготавливается, в основном, из поливинилхлорида (PVC). Если рассматривается образец 5-й категории, то его обмотка обычно изготовляется из полипропилена (PP) или полиэтилена (PE). Для изготовления изоляции кабелей самого высокого качества используют вспененный полиэтилен. Он способен предотвратить диэлектрические потери. Также используют тефлон: уникальные свойства этого металла создают прекрасный диапазон рабочих температур.

Как показано на рисунке, кабель содержит специальную капроновую разрывную нить. Она предназначена для легкой и быстрой разделки оболочки. Благодаря ей мастер получает доступ к сердцевине кабеля не повреждая проводники дополнительными инструментами.

Внешнюю оболочку изготовляют из поливинилхлорида с добавлением мела (свойства мела обеспечивают оболочке хрупкость, которая необходима для точного облома на месте надреза), ее толщина от 0.5 до 0.6 миллиметров. Существует ряд кабелей, оболочка которых изготовлена из "молодых полимеров". Эти новые материалы не горят, а если нагреваются, то не выделяют галогены. К сожалению, кабеля с такой оболочкой стоят на много дороже обычных, поэтому их применение не носит массовый характер.

Чаще всего оболочка имеет серый цвет. Если оболочка оранжевого цвета, то она изготовлена из не подверженного горению материала. Этот вид кабеля применяют в закрытых областях. Не существует постоянного соотношения цвет/особые свойства. Разные цвета используются для отличия одного вида коммуникации от другого, что значительно упрощает работу мастера.

Обратим внимание на маркировку кабелей. В ней заключена информация о типе кабеля и его производителе. На кабеле так де отмечены длины - метры или футы.

Сердечник разных кабелей имеет различную конфигурацию. Качество укладки пар в кабеле зависит от его стоимости. В дешевых - они будут уложены хаотично. В дорогих- они будут скручены попарно или все четыре вместе. Последний тип позволяет значительно сократить ширину сердечника и повысить электрические характеристики. Причиной низкой популярности данного вида кабеля служит его цена - она слишком высока для не дорогих домашних сетей.

Внешняя оболочка может иметь и различную форму: круглую (обычная), плоская (прокладка по полу), овальная (если кабель имеет 2 пары).

Если проложить кабель необходимо с наружной стороны здания, то здесь применяют кабель с другим типом оболочки- она имеет влагостойкое свойство. Так же пустоты в кабеле часто заполнены специальным водоотталкивающим гелем. Такой кабель бронируют гофрированной лентой.

По наличию (или отсутствию) экрана, различают несколько типов кабелей:

В этих технологиях экраны изготавливаются из плетеной медной проволоки, которая обеспечивает высокую степень защиты от низкочастотных наводок. Так же применяют токопроводящую пленку. Ее функция - создавать барьер на пути следования электромагнитного излучения. Но в основном мастера применяют экраны, сочетающие в себе обе эти функции.

Результат, который дает использование этих экранов очевиден: с одной стороны снижен уровень электромагнитного излучения, с другой - сокращено число внешних наводок на витые пары.

Экраны отражают 10-20% наводок, это приводит к увеличению количества перекрестных наводок. Из-за этого растет затухание в кабеле. Связано это с добавочной емкостью между витой парой и экраном. Кроме всего этого, установка экранированной системы очень сложна и стоит гораздо больше денег. При монтаже необходимо избегать даже самых не значительных ошибок, т.к. в итоге можно получиться прямо пропорциональный ожидаемому эффект.

Таких ограничений и препятствий вполне достаточно, чтобы производители перестали применять FTP или ScTP. Однако в условиях повышенного уровня внешних помех или если существует вероятность "грозовой наводки", значение использования экрана трудно переоценить. Для кабелей, проложенных "под открытым воздухом" экраны незаменимы.

Как бы там ни было, если целью стоит создание домашней сети, то никаких экранов не создается. Экранирование линии используются только при заземлении. Такой подход к созданию домашней сети можно проиллюстрировать следующей аналогией: в промышленных помещениях витую пару прокладывают в металлических трубах.

Увеличение веса кабеля, довольно высокая стоимость, хорошие электрические показатели - это свойства экранированного сетевого кабеля. В связи с этим, рекомендуется использовать такой тип кабеля только в случаях крайней необходимости.

Если знать все эти перечисленные нюансы экранированных систем, то уже не вызывает удивление тот факт, что самыми популярными на сегодняшний день являются кабеля незащищенной витой пары (UTP).

Кроме рассмотренных двух типов кабельных систем, существует еще два типа кабеля, которые выполняют другие функции.

Первый тип - магистральные кабеля. Это та же витая пара, только здесь один кабель имеет от 10 до 100 пар в одной оболочке. Компаний, производящих такой вид кабеля очень много, ассортимент удовлетворит любого потребителя. Существуют многоэлементные, состоящие из собранных в пучок в одной оболочке витых пар, есть кабеля, объединяющие большое количество 2-х или 4-х парных элементов.

Второй тип - это разнообразные гибкие кабеля. Они служат для подключения коммутации и подключения оборудования абонентов сети. Эта часть сети подвержена самой сильной деформации, поэтому проводник такого кабеля состоит из семи тонких медных проволок. Для этих же целей в кабеле есть толстая, до 0,25 миллиметров, изоляция. Оболочка такого гибкого кабеля так же отличается повышенной износостойкостью.

Этот вид кабеля не используется на дальние дистанции (до пяти метров) из-за высокого уровня затухания.

Параметры, определяющие электрические свойства витой пары

Для определения электрических свойств витой пары, применяют стандартный набор параметров:

R – сопротивление
L – индуктивность проводников
G – проводимость изоляции
С – емкость

Эти же показатели характеризуют обычную направленную систему электромагнитных колебаний.

Показатель R характеризуют потери тепла в меди, а  G - в диэлектрике. Частотные свойства всей системы описываются показатели L и C.

Величина активного сопротивления (R, сопротивление постоянному току) зависит от размера самого проводника, материала из которого он изготовлен и от его температуры. Предельная величина такого сопротивления установлена стандартом EIA/TIA-568A. Его величина должна быть в пределах 19,2 Ом при условии короткозамкнутого шлейфа (длиной в 100 м.) при температуре 20°С. Для определения сопротивления используют обычный омметр.

Активное сопротивление увеличивается с ростом частоты сигнала. Это объясняется эффектом близости, который возникает вследствие прохождения тока по той части кабеля, которая обращена к другому проводнику. Если проводник уже 0,8 мм, то скин-эффект (вытеснение тока ближе к поверхности) будет почти не заметен. Однако оно все равно окажет влияние на эффективное сечение, но его величина будет не большой.

Величина G (проводимость изоляции) служит показателем качества материала, нанесенного на поверхность проводника. Сегодня принято не учитывать утечки связанное с несовершенством диэлектрика. Такие утечки могут составлять нескольких единиц гигаом. Таким образом, можно сделать вывод о том, что на проводимость изоляции оказывают влияние только расходы на поляризацию диполей материала диэлектрика.

Таких диполей очень много в поливинилхлориде, из которого изготавливается изоляция для кабелей витой пары низкой категории. Гораздо меньшее их количество в полиэтилене или тефлоне (как следствие, рассеяние энергии в них на порядок ниже), которые применяются в кабелях более высокого качества. Самый низкий показатель рассеивания характерен для вспененных материалов. Этот материал используется только для кабелей самого высокого качества.

Что касается показателя L (индуктивность), то она бывает внешней и внутренней. Внешняя индуктивность - ее величина зависит от геометрической формы и магнитных свойств материала, из которого изготовлен проводник. Внутренняя - возникает при протекании электрического тока, создающим магнитное поле. С ростом частоты ее величина может немного сократиться.

С - емкость конденсатора, созданного двумя проводниками. Эта величина не зависит от частоты. Ее значение изменяется только в зависимости от материала проводников, их размеров, формы и расстояния между ними. Емкость не должна превышать 5,6 нФ (согласно общепринятого стандарта).

Обратим Ваше внимание на тот факт, что при применении экрана увеличивается величина емкости примерно на 30 процентов. В результате падают эксплуатационные показатели таких кабелей.

Используя данные электрические параметры можно рассчитать волновое сопротивление.

Формула для расчета:    Z = v(R+jwL)/(G+jwC)

Для нужд Ethernet (высокие частоты) упрощают до: Z = vL/C. Допустимая ее величина 100 ± 15% Ом.

С помощью волнового сопротивления можно охарактеризовать тракт передачи электромагнитной энергии. Если тракт не однороден, то часть сигнала начинает отражаться и снижается уровень качества линии. Из этого можно сделать вывод: все составные части сети (в том числе сетевые адаптеры) обязательно должны быть согласованы (у них всех должно быть равное волновое сопротивление).

Низкий уровень качества монтажа кабелей - это основная причина неоднородности волнового сопротивления (все возможные типы деформации: перекручивание, изгиб и т.п.).Гораздо более углубленно этот вопрос мы рассмотрим в главе, посвященной рефлектоскопии.

Следующая »