Возвращение к основам. Измерение переходного затухания на ближнем конце

Боб Кенни
директор по информационным кабельным технологиям в Prestolite Wire Cop.

Проводка с неэкранированными витыми парами оказала огромное влияние на сетевую инфраструктуру. Благодаря ей пользователи получили возможность использовать один тип кабельной системы для любых локально-сетевых приложений. Однако в последнее время решения на базе UTP стали куда как разнообразнее. На данный момент производители предлагают многочисленные разновидности проводки UTP от базовой Категории 3 до нестандартной пока Категории 6. В результате конечным пользователям становится все труднее и труднее разобраться в том, чем же отличаются различные типы проводки.

На эту тему написано множество статей. В одних - бум новых классов проводки UTP считается не более чем маркетинговым трюком производителей, в других - предлагаемые усовершенствования классифицируются как запоздалая модернизация устаревшей технологии. Так кто же прав?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДКИ UTP

За последнее десятилетие проводка UTP претерпела значительные изменения. Рост потребностей сетей привел к появлению потенциального спроса на проводку UTP более высокого качества. Но прежде чем переходить к обсуждению достоинств проводки UTP, мы должны вначале разобраться в определяющих ее терминах.

Назначение любого сетевого кабеля состоит в передаче данных от одного устройства к другому. Такими устройствами могут быть терминалы, принтеры, серверы и т. д. Они могут подключаться к различным типам кабельных сред, включая оптический, коаксиальный, биаксиальный кабель, а также кабель с различными сочетаниями экранированных и неэкранированных пар. Выбор наилучшим образом подходящего для данного приложения типа проводки зависит от множества факторов, в том числе от удаленности конечных устройств, срока службы, уровня шума, требований защиты, финансовых ограничений, возможности последующего расширения и скорости передачи. Многие конечные пользователи рассматривают кабели с неэкранированными витыми парами как стандартную среду передачи, использование которой решает многие из перечисленных проблем.

Наибольшей популярностью UTP пользуется в качестве горизонтальной проводки, а именно для подключения настольных систем к телекоммуникационным шкафам (Telecommunication Closet, TC). Как следует из названия, UTP состоит из нескольких неэкранированных витых пар, окруженных общей оболочкой. Несмотря на наличие двух- и 25-парных кабелей, наибольшей популярностью пользуется четырехпарная проводка. Хотя в большинстве локально-сетевых сред, таких, как 10/100BaseTX, используется только две из четырех пар, новые рассматриваемые протоколы, в частности Gigabit Ethernet, будут задействовать все четыре пары.

ПОГОННОЕ ЗАТУХАНИЕ

Потери характеризуются термином "погонное затухание" или просто "затухание". В случае UTP затухание определяет величину потерь при прохождении сигнала по проводящей среде и выражается в децибелах (дБ). Использование децибел в качестве единицы измерения имеет свои преимущества. Например, нетрудно запомнить, что при затухании сигнала на 3 дБ он теряет 50% своей мощности. В Таблице 1 показано, как децибелы соотносятся с потерянной мощностью сигнала.

Величина потерь зависит от конструкции кабеля, в том числе от размера проводника, состава, изоляции и/или материала оболочки, диапазона рабочих частот, скорости передачи и протяженности кабеля. Влияние первого фактора, размера проводника, наиболее очевидно. Обычно чем больше проводник, тем меньше потери. По этой причине во многих кабелях UTP старшего класса используются проводники 23 AWG вместо 24 AWG.

Материал проводника (состав) также имеет важное значение. Например, медь имеет меньшие потери, чем сталь. Некоторые материалы, в частности серебро, имеют еще лучшие характеристики, нежели медь, однако многие из них слишком дороги для массового применения. Материал изоляции также может иметь влияние на затухание сигнала. В высококачественных кабелях UTP для изоляции проводника обычно используются материалы с низкими потерями, такие, как фторированный этиленпропилен или полиэтилен. Эти материалы обычно имеют меньшие потери, чем другие соединения, такие, как PVC. Материал оболочки также отражается на величине затухания. Именно поэтому многие производители отделяют оболочку от изолированных пар с помощью конструкции нежесткой трубы. Кроме того, как известно, затухание в медной проводке UTP увеличивается с ростом частоты. Например, при 100 МГц затухание больше, чем при 1 МГц (при условии, что кабели имеют одинаковую длину). И, наконец, потеря сигнала зависит от протяженности кабеля. При прочих равных условиях - чем длиннее кабель, тем больше потери. По этой причине затухание выражается в децибелах на единицу длины.

Резюме по затуханию:

• при прохождении по кабелю сигнал теряет свою силу;
• затухание определяет величину потерь;
• величина затухания выражается в децибелах (дБ);
• затухание в кабеле зависит от таких факторов, как размер и состав проводника, рабочая частота (диапазон частот), скорость и расстояние.

ПЕРЕХОДНОЕ ЗАТУХАНИЕ

Рисунок 2. Переходное затухание.

Один из наиболее сложных для понимания моментов в отношении переходного затухания связан с единицами измерения, а именно с децибелами. В случае погонного затухания чем больше величина в децибелах, тем выше потери сигнала. В случае переходного затухания все наоборот - чем больше величина в децибелах, тем меньше помехи. Таблица 2 позволит лучше разобраться в ситуации.

Очевидно, появление шумов в соседних парах нежелательно. Как видно из диаграммы, чем больше величина переходного затухания в децибелах, тем меньше наведенное напряжение (т. е. шумы) в соседних парах.

Погонное затухание характеризует потерю сигнала. Следовательно, чем больше величина в децибелах, тем выше потеря сигнала. Однако переходное затухание характеризует потерю шума. В этом случае чем больше величина в децибелах, тем больше потери шума. И конечно, чем активнее затухает шум, тем лучше.

ВИДЫ ПЕРЕХОДНОГО ЗАТУХАНИЯ

Наиболее часто термин "переходное затухание" используется вместе со словосочетанием "на ближнем конце". Причина этого в том, что на ближнем конце, где сигнал имеет наибольшую мощность, он порождает мощное электромагнитное излучение (электромагнитные помехи). Рядом же с передатчиком по соседней паре идет ослабленный сигнал на приемник. Такая комбинация может иметь самые серьезные последствия для принимаемого сигнала, так как он оказывается под воздействием сильного соседнего поля. Это явление имеет место на ближнем конце, поэтому оно и выделяется.

Суммарное переходное затухание. Как отмечалось ранее, некоторые системы задействуют все четыре пары. При рассмотрении переходного затухания на ближнем конце мы исходили из того, что используются только две пары. Однако, если активны все четыре пары, как в стандарте на Gigabit Ethernet, они порождают значительно большие шумы.

Рисунок 4. Суммарное переходное затухание.

Переходное затухание на дальнем конце. Обычно данные передаются в одном направлении, а именно от передающего устройства к принимающему. Однако в некоторых системах данные передаются в двух направлениях. Такие системы называются полнодуплексными. В этом случае данные вводятся в кабель как на ближнем конце, так и на дальнем одновременно. Поэтому в случае полнодуплексной передачи шумы возникают как на ближнем, так и на дальнем конце. Ввиду этого переходное затухание на дальнем конце введено во многие новые спецификации.

Шум на дальнем конце измерить не так-то просто, потому что значительная доля шумов теряется или затухает по пути к тестовому устройству. Поэтому стандартной практикой является вычитание погонного затухания и учет только одних шумов. Величина "шумы минус затухание" получила название приведенного переходного затухания на дальнем конце.

Рисунок 5. Стороннее переходное затухание.

Резюме по переходному затуханию:

• переходное затухание на ближнем конце имеет такое важное значение потому, что на ближнем конце передаваемый сигнал имеет наибольшую мощность, а принимаемый сигнал - наименьшую. В результате принимающая пара оказывается особенно восприимчива к помехам со стороны передающей пары. Суммарное переходное затухание учитывает влияние нескольких активных пар;
• переходное затухание на дальнем конце характеризует последствия полнодуплексных операций, когда сигналы генерируются одновременно на ближнем и дальнем концах. Стороннее переходное затухание определяет воздействие перекрестных помех со стороны других кабелей. Этот эффект проявляется наиболее сильно, когда активны несколько пар в кабеле.

ИМПЕДАНС И ОБРАТНЫЕ ПОТЕРИ

Рисунок 6. Импеданс как функция частоты.

Рисунок 7. Импеданс.

Такое несовпадение неизбежно вызовет отражение энергии в точке разрыва (см. Рисунок 7б). Если импеданс обусловливает возможность несоответствия, то обратные потери характеризуют его последствия. Обратные потери (измеряемые в дБ) позволяют выяснить, какая доля сигнала теряется вследствие отражения.

Резюме по импедансу и обратным потерям:

• импеданс характеризует путь прохождения данных. Любое отклонение в величине импеданса приводит к отражению сигнала;
• отражение означает, что вместо того, чтобы продолжать свой путь дальше вперед, в действительности энергия отражается назад к передатчику;
• в конечном итоге это приводит к ослаблению распространяющегося в прямом направлении сигнала.

ПЕРЕКОС ЗАДЕРЖКИ

Рисунок 8. Перекос задержки.

Когда все четыре пары активны, сигналы должны прибывать согласованно. Измеряемый в наносекундах перекос задержки характеризует разницу во времени поступления сигналов по разным парам кабеля. Если эта разница окажется чересчур велика, то принимающее устройство будет не в состоянии восстановить сигнал. В конечном итоге это приведет к ошибкам и потере данных.

ЗАЧЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАТЬ ПРОВОДКУ?

Первые усовершенствованные версии проводки Категории 5 появились около пяти лет назад. Многие из обсуждавшихся выше параметров удалось улучшить за счет применения уникальных конструкций кабеля, в частности более тугой скрутки и внутрикабельных заполнителей. Цель этих усовершенствований состояла в подготовке пользователей к грядущим изменениям в технологиях локальных сетей.

Когда Категория 5 только появилась, лишь немногим системам был действительно необходим предоставляемый ею диапазон рабочих частот. Так, Ethernet на 10 Мбит/с и Token Ring на 4 Мбит/с разрабатывались в расчете на проводку Категории 3. Однако с появлением новых систем, таких, как 100BaseT и ATM на 155 Мбит/с, потребность в Категории 5 стала очевидной. В последнее время уже новые протоколы, в частности ATM на 622 Мбит/с и 1000BaseT, заставляют многих задуматься о достаточности Категории 5 для их реализации. Отсюда и тенденция к усовершенствованию UTP.

Что же такого особенного в этих сетях, что их появление привело к подобной тенденции?

Возросшие скорости передачи данных. Широкое распространение в современных сетях получили такие системы, как 100BaseT и ATM на 155 Мбит/с. Ввиду их сложности по сравнению с 10BaseT и его аналогами проводка для этих систем должна обеспечивать меньшее затухание сигнала, обладать лучшей устойчивостью к помехам и вообще быть более целостной.

Сложные схемы кодирования. В целях оптимального распределения энергии по диапазону частот системами типа 100BaseT используются многоуровневые схемы кодирования. Они имеют множество достоинств, в частности низкий уровень шумов. К сожалению, чем сложнее схема кодирования, тем чувствительнее система. Поэтому кабель не должен иметь разрывов импеданса, обладая при этом хорошей изоляцией.

Функционирование в полнодуплексном режиме. В системах наподобие 10BaseT в каждый конкретный момент времени активна только одна пара. По одной паре данные передаются, по другой - принимаются. Такой режим работы называется полудуплексным. Благодаря достижениям в технологическом процессе и электротехнике, новые системы могут работать в полнодуплексном режиме, т. е. сигналы могут передаваться и приниматься одновременно. Это позволяет увеличить пропускную способность кабеля UTP фактически вдвое. Однако для этого кабель должен иметь стабильные характеристики импеданса с минимальным отражением и хорошую изоляцию от перекрестных помех между парами на ближнем/дальнем конце.

Использование нескольких пар. В обычных сетях активны только две из четырех пар. Между тем пропускную способность можно значительно увеличить за счет использования всех четырех пар кабеля Категории 5. С помощью хитроумной электроники данные могут передаваться одновременно по нескольким парам и восстанавливаться в точке приема. Чтобы это стало возможным, кабель должен обеспечивать при прохождении сигнала как можно меньшие помехи между парами, когда активны все четыре пары. Это послужило толчком к сертификации кабелей Категории 5 на соответствие параметрам суммарного затухания.

КРАТКОЕ ОБОБЩЕНИЕ

Весь спор о необходимости усовершенствованной проводки можно свести к двум очень простым вопросам.

1. Чем будет полезна усовершенствованная проводка UTP для моей существующей сети?
2. Чем будет полезна усовершенствованная проводка UTP при модернизации моей сети?

Если кто-то пытается продать вам решение на базе усовершенствованной проводки, то попросите его ответить на эти два простые вопроса. Если он окажется не в состоянии это сделать, то его заявления - не больше, чем маркетинговый ход. В конце концов, сами по себе усовершенствования не имеют смысла. Ваш выбор должен напрямую зависеть от того, какую реальную пользу принесет модернизация вашей сети. И ключевым словом здесь является "ваша". Далеко не все усовершенствования нужны именно в вашей сети. Важно также, чтобы обещанные преимущества стали реализованными преимуществами.

Рисунок 9. Показания тестового устройства NEWSLine компании LeCroy.

Тем не менее остается вопрос, каковы общие следствия для сети? В том, что UTP способен обеспечить соединение, сомнений не возникает. Однако гораздо более важное значение имеет способность UTP передавать данные согласованным образом и без ошибок.

Таблица 3 показывает влияние ошибок на пропускную способность сети 100BaseT Ethernet. Как было установлено, увеличение числа ошибок при передаче данных до одного процента приводит к снижению пропускной способности на 80%. Поэтому если усовершенствование проводки UTP способно предотвратить появление ошибок, то переход к проводке более высокого класса вполне оправдан. Улучшение таких параметров, как суммарное переходное затухание, стороннее переходное затухание и мощность сигнала, позволяет сократить вероятность ошибок в существующих и будущих сетях. Однако эти характеристики должны быть продемонстрированы и объяснены конечным пользователям.

Значение надежно функционирующей проводки UTP возрастает с увеличением скорости передачи данных. Такие системы, как 1000BaseT, потенциально в четыре раза более чувствительны, чем 100BaseT. Предотвращение ошибок является в обоих случаях обязательным для успешного функционирования сети. Используя такие устройства, как вышеупомянутый тестер компании LeCroy, конечные пользователи могут увидеть, как UTP влияет на характеристики сети. И в некоторых случаях переход на усовершенствованную проводку позволяет увеличить пропускную способность за счет предотвращения ошибок в передаче данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на наличие у усовершенствованной проводки UTP потенциала для расширения возможностей как существующих, так и будущих сетей, вопросы по-прежнему остаются: "Насколько нужны эти усовершенствования для вашей системы и чем они могут помочь для вывода ее на новый уровень?" Только ответив на эти два вопроса, вы сможете отличить реальные потребности от мнимых.

Определение величины токов влияния на ближний и дальний концы кабельной линии

Кабельные линии монтируют из отдельных отрезков кабеля (строительных длин), поставляемых заводами со скрученными (скре­щенными) жилами цепей, и поэтому фазы токов влияний, поступа­ющих к ближнему и дальнему концам кабельной линии, неизвест­ны. При определении полного тока влияний применяют квадратич­ный закон сложения токов отдельных строительных длин. Рассматриваемая ситуация отличается от случая влияний между цепями воздушных линий, где фазы токов поступающие с отдельных участков взаимовлияющих цепей на ближний (дальний) конец, известны, т.к. схемы скрещивания цепей монтируются в процессе строительства воздушной линии.

Допустим, что имеется кабельная линия из n отрезков кабеля длиной S с цепями, имеющими одинаковые параметры. Для опреде­ления переходного затухания на ближнем конце предположим, что электромагнитные связи между цепями постоянны по всей длине и ток влияния первой строительной длины , тогда ток влияния со второй строительной длины будет и т. д., и с последней строительной длины .

Полный ток влияния на ближнем конце

.

В этом случае отношение токов

Приравняв , для переходного затухания получим

где - переходное затухание на ближнем конце строительной длины, оп­ределяемое обычно измерениями.

Все токи влияния на дальний конец проходят через отдельные строительные длины и пути их от начала влияющей цепи до конца цепи, подверженной влиянию, одинаковы. По­этому при суммировании их по квадратичному закону все слагае­мые под квадратным корнем получаются одинаковыми, и полный ток

Переходя к отношению токов и логарифмируя, получим

где - переходное затухание на дальнем конце строительной длины, определяемое измерениями, .

Защищенность на дальнем конце

Строительные длины кабелей в процессе монтажных работ сое­диняют между собой; они образуют кабельную линию.

Симметрирование кабелей

Кабельные цепи в строительных длинах одного и того же типа кабеля всегда имеют различные электрические характеристики (в пределах, допустимых техническими условиями), и от того, как они будут соединены, зависит защищенность их от взаимных влияний и влияний внешних источников. Поэтому при выполнении монтажных работ с симметричными кабелями проводят симметрирование - комплекс мероприятий, направленных на уменьшение влияний.

Способы симметрирования . Взаимные влияния возникают в результате наличия между цепями электромагнитных связей. При этом в низкочастотных (до 4 кГц) кабелях преобладают электрические связи, а в высокочастотных - электромагнитные комплексные связи. Исходя из этого в НЧ кабелях достаточно проводить симметрирование емкостных связей; в ВЧ кабелях необходимо симметрировать все составляющие (активные и реактивные) электрических и магнитных связей. Для симметрирования НЧ кабелей применяют метод скрещивания жил и конденсаторный метод. Симметрирование ВЧ кабелей производят методами скрещивания жил и концентрированного симметрирования контурами противосвязи.

Сущность симметрирования скрещиванием жил заключается в компенсации электромагнитных связей между цепями на одном участке кабельной линии связями другого участка. Компенсация объясняется тем, что при скрещивании связи изменяют свой знак.

При симметрировании конденсаторным методом последние устанавливают в промежуточной муфте, соединяющей два участка кабельной линии, и включают между жилами цепей. Емкость их выбирают такой, чтобы сумма частичных емкостей С 13 +С 24 (рис.1) была близка к сумме С 14 +С 23 . В случае равенства сумм достигается равновесие электрического моста, и емкостная связь равна нулю.

Концентрированное симметрирование контурами противосвязи заключается в том, что токи помех, вызываемые электромагнитными связями между цепями, компенсируются токами влияния противоположной фазы, создаваемыми с помощью контуров, включаемых между жилами взаимовлияющих цепей.

На рис.2 приведена схема включения контура противосвязи F п, а естественная распределенная связь показана в виде эквивалентной связи F. Поскольку токи влияния I и I п на дальний конец различных участков сближения цепей имеют одинаковую фазу, то для компенсации этих токов достаточно с помощью контура создать такой же ток, но противоположной фазы. При практическом симметрировании сложность заключается в реализации требуемой частотной зависимости контура противосвязи, воспроизводящего частотную зависимость естественной электромагнитной связи, которая носит комплексный характер, и в необходимости учета эффекта перестановки.

Выполнение симметрирования значительно упрощается при использовании комплекта приборов для визуального измерения комплексных связей по активной и реактивной составляющим, а также переходных затуханий по модулю и фазе вместо приборов для измерения частотных характеристик переходного затухания на ближнем конце и защищенности на дальнем конце.

На ближний конец цепи токи влияния с различных участков приходят с разными фазами, и компенсировать их токами противосвязи сложно, так как контуры противосвязи необходимо подключать в местах воздействия электромагнитной связи. Учитывая, что в действительности электромагнитные связи имеют распределенный характер, то для получения компенсации нужно между цепями подключать большое число контуров противосвязи, что практически неприемлемо. Поэтому концентрированное симметрирование контурами противосвязи применяют только для уменьшения влияния на дальний конец. Влияние на ближний конец уменьшают скрещиванием.

Методика симметрирования высокочастотных и низкочастотных цепей различна. Высокочастотные цепи имеют большое затухание на высоких частотах, и токи влияния на ближний конец участков, расположенных на расстоянии, соответствующем затуханию 10-11 дБ (на верхних частотах передаваемого спектра), незначительны. Это позволяет производить симметрирование на всем усилительном участке. Низкочастотные цепи имеют значительно меньшее затухание, и, снижая влияние на дальний конец, можно увеличить влияние на ближний конец и наоборот. Низкочастотные кабели симметрируют небольшими участками, называемыми шагами симметрирования: участки кабельной линии, состоящие из нескольких строительных длин общей протяженностью до 4 км. Обычно длину шага симметрирования низкочастотных кабелей принимают равной 2 км.

В железнодорожных кабелях дальней связи имеются высоко- и низкочастотные четверки. При симметрировании таких кабелей приходится применять оба метода.

3. Симметрирование низкочастотных цепей . В кабелях со звездной скруткой жил наибольшие влияния имеют место между цепями внутри четверок. Влияние между цепями смежных четверок меньше из-за различных шагов их скрутки. Однако при большой длине кабеля это влияние может превысить допустимое. Влияние уменьшают смешиванием четверок, которое заключается в том, что на протяжении кабельной линии четверки меняются местами, то удаляясь друг от друга, то сближаясь. В железнодорожных кабелях применяют преимущественно симметрирование внутри четверок. Перед началом симметрирования цепи к ней должны быть подключены все ответвления от магистрального кабеля к устройствам автоматики и связи.

Низкочастотные цепи симметричных кабелей в отличие от высокочастотных имеют более высокие значения волнового сопротивления. Поэтому при передаче по этим цепям сигналов одинаковой мощности напряжение в низкочастотных цепях окажется больше, а ток меньше, чем в высокочастотных и, следовательно, влияния между низкочастотными цепями в большей степени обусловливаются электрическими связями, чем магнитными. Низкочастотные цепи магистральных железнодорожных кабелей необходимо симметрировать в тех же муфтах, что и высокочастотные. При совпадении мест расположения усилительных пунктов НЧ и ВЧ цепей низкочастотные цепи следует симметрировать одновременно с высокочастотными, а при несовпадении сначала симметрируют высокочастотные цепи, а затем низкочастотные.

Для симметрирования четверок сначала измеряют емкостные связи в соединяемых строительных длинах кабеля: k 1 =(С 13 +С 24)-(С 14 +С 23) между основными цепями в четверке; k 2 =(C 13 +C 14)-(C 23 +C 24) между первой основной и искусственной; k 3 =(C 13 +C 23)-(C 14 +C 24) между второй основной и искусственной. Измеряют также емкостную асимметрию е 1 =(C 10 -C 20) первой пары четверки; е 2 =(C 30 -C 40) второй пары четверки; е 3 =(C 10 +C 20)-(C 30 +C 40) искусственной цепи, где C 13 , C 23 , C 14 , C 24 - емкости между жилами цепей; C 10 , C 20 , C 30 , C 40 - емкости между жилами и землей (оболочкой) (см. рис.1).

Затем симметрирование выполняют в три этапа: внутри шагов симметрирования; при соединении шагов и на смонтированном усилительном участке.

Симметрирование внутри шагов (первый этап) можно выполнять в одной, трех и семи точках, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и от концов шага симметрирования (рис.3). Муфты, в которых выполняют симметрирование скрещиванием, называются симметрирующими. Муфты, в которых симметрирование выполняют скрещиванием и конденсаторами, называются конденсаторными. Муфты, в которых симметрирование не выполняют и жилы соединяют напрямую, называют прямыми муфтами и обозначают кружком (см. рис.3).

При одноточечной схеме сначала монтируют прямые муфты, а затем конденсаторную (К). В случае трехточечной схемы вначале монтируют прямые муфты, затем симметрирующие и только потом конденсаторные. При симметрировании по семиточечной схеме сначала монтируют симметрирующие муфты А, затем Б и последней - конденсаторную муфту К.

Схемы скрещивания жил цепей при соединении четверок в симметрирующих муфтах выбирают по данным измерений емкостных связей и асимметрии. Например, если на одном участке кабельной линии емкостная связь между цепями одной из четверок пФ, а на другом участке емкостная связь между цепями также внутри одной четверки пФ, то при соединении жил обеих четверок без скрещивания результирующая связь пФ. Если жилы одной из цепей скрестить в соединительной муфте, то результирующая связь k 1 =350-300=50 пФ. В случае скрещивания обеих цепей значение результирующей связи не изменится (650 пФ).

Когда имеется искусственная цепь, возможны 8 вариантов скрещивания. Эти комбинации скрещиваний и соответствующие им знаки емкостных связей и асимметрии приведены в табл.1.

Штрихами у букв обозначают участки кабеля. Для удобства введены условные обозначения, называемые операторами. Крест соответствует скрещиванию, а точки - соединению напрямую (цвет в цвет).

При выполнении симметрирования скрещиванием пробуют все возможные схемы и выбирают ту, при которой связи и асимметрия имеют наименьшие значения. Когда нельзя одновременно уменьшить связи и асимметрию, оператор выбирают исходя из задачи уменьшения связей.

Таблица 1

Если скрещиванием не удалось снизить связи и асимметрию до допустимых значений (k 1 , k 2 , k 3 ≤ 20 пФ; е 1 , е 2 ≤ 100 пФ), то применяют симметрирование конденсаторами.

Емкости этих конденсаторов выбирают так. Допустим, измерениями установлено, что k 1 = - 30 пФ. Это значит, что в уравнении для k 1 сумма емкостей (С 13 +С 24) меньше (С 14 +С 23) на 30 пФ. Следовательно, для того чтобы получить значение k 1 = 0 и не изменить k 2 и k 3 , необходимо включить дополнительные конденсаторы емкостью 15 пФ между жилами 1-3 и 2-4 четверки. Аналогично можно уменьшить связи k 2 и k 3 . Для снижения асимметрии конденсаторы подбирают так же, но включают их между соответствующими жилами и оболочкой (землей).

При соединении шагов между собой (второй этап) симметрирование выполняют способом скрещивания по результатам измерений переходного затухания между цепями на частоте 800 Гц. Выбирают операторы, которые дают наибольшее переходное затухание. Шаги наращивают последовательно, начиная от концов усилительного участка к его середине по измерениям переходного затухания на ближнем и дальнем конце, добиваясь наибольшего их значения. Одновременно выравнивают рабочие емкости и сопротивления жил основных цепей в шаге симметрирования так, чтобы асимметрия не превышала 0,1 Ом.

На участках, где возможны большие внешние влияния, на втором этапе симметрирования проводят дополнительные мероприятия по снижению коэффициента чувствительности цепей к помехам.

Для этого при соединении между собой шагов симметрирования по направлению от конца усилительного участка к его середине по результатам измерения переходного затухания на ближнем конце и напряжений U 1 и U 2 в соединяемых четверках кабеля (рис.4).

Измерительный генератор G включают в конце наращиваемого шага симметрирования S (точка С). На головной станции (точка А) проводят серию измерений на зажимах нагрузочных сопротивлений кабельных цепей в четверке Каждая группа из двух измерений относится к определенному оператору скрещивания жил четверки в монтируемой муфте. Наименьшему измеренному напряжению будет соответствовать минимальный коэффициент чувствительности цепи.

Приемлемый оператор (схема соединения жил в точке В) выбирают компромиссно на основании результатов сравнения значений переходных затуханий между цепями в кабельной четверке и измеренных напряжений U 1 и U 2 . При этом переходные затухания не должны быть менее допустимых, а измеренные напряжения должны быть наименьшими.

На третьем этапе симметрирование на смонтированном усилительном участке выполняют в муфте, расположенной примерно в середине усилительного участка. В этой муфте соединяют жилы в четверке по результатам измерения защищенности на дальнем конце и напряжений U 1 и U 2 , выбирают компромиссно самый выгодный оператор. В четверках, не удовлетворяющих нормам переходного затухания и защищенности, включают компенсирующие контуры.

4. Симметрирование высокочастотных цепей .

Для уменьшения трудоемкости и повышения эффективности симметрирования на стадии подготовительных работ проводят группирование строительных длин кабеля по средним значениям рабочей емкости цепей и по величине переходного затухания на ближнем конце. В этом случае из паспортных данных на строительные длины выбирают минимальные значения переходного затухания на ближнем конце между всеми цепями и составляют ведомость укладки этих кабелей на участке. На концах усилительного участка прокладывают кабели с наибольшими значениями переходного затухания, что позволяет исключить или значительно облегчить процесс симметрирования на ближний конец цепи. Для высокочастотных цепей симметрирование выполняют в пределах усилительных участков систем передачи с частотным разделением каналов (цифровые системы обладают большей помехозащищенностью и не требуют симметрирования ВЧ цепей). Симметрирование на дальнем конце усилительного участка выполняют в два этапа: на первом - систематическое скрещивание первой цепи четверки при соединении строительных длин кабеля (оператор соединения в муфте жил кабеля х..); на втором - скрещивание цепей в одной, двух или трех точках (муфтах) (рис.5) с подбором опытным путем наилучшего сочетания операторов скрещивания по результатам измерений защищенности цепей на дальнем конце усилительного участка. Эффективность двухэтапного скрещивания ВЧ цепей зависит от значений так называемого параметра симметрируемости внутричетверочных комбинаций влияния для строительной длины кабеля. Этот параметр определяется минимальным значением A l , которого можно достигнуть при компенсации непосредственных влияний. Эффективность двухэтапного скрещивания также зависит от диапазона частот и длины усилительного участка.

Под наилучшим сочетанием операторов скрещивания при трехточечной или двухточечной схемах симметрирования понимают такое, при котором достигается требуемая норма по защищенности A з l во всем диапазоне частот. Если этого достигнуть невозможно, то выбранные операторы скрещивания должны в первую очередь уничтожить эффект перестановки для возможности использования симметрирования с применением контуров противосвязи. В последнем случае симметрирование ВЧ цепей получается трехэтапным.

Кроме рассмотренных методов уменьшения взаимных влияний между ВЧ цепями, в отдельных случаях могут потребоваться и другие (дополнительные) меры, например по уменьшению влияний с выхода промежуточного усилителя (регенератора) на его вход в комбинированных железнодорожных кабелях связи и компенсационный метод ослабления взаимных влияний на участках меджу соседними обслуживаемыми усилительными пунктами (ОУП-ОУП). Этот метод служит для обеспечения помехозащищенности от взаимных влияний при организации связи по кабелю, предназначенному согласно техническим условиям для работы в более узком диапазоне частот, чем этого требует применяемая аппаратура.

Влияние с выхода промежуточного усилителя на его вход необходимо учитывать на кабельных линиях при наличии низкочастотных цепей, проходящих без разрыва через высокочастотный усилительный пункт (УП). В этом случае имеют место указанные влияния через третьи низкочастотные цепи (рис.6). Устранение этих влияний может быть обеспечено благодаря переходу ВЧ цепей из одного кабеля в другой в каждом усилительном пункте (рис.7). Влияния с выхода на вход ВЧ усилителей через третьи двухпроводные цепи могут быть уменьшены включением в последние низкочастотных фильтров.

Рис. 6	Рис. 7

Для уменьшения этих влияний на воздушных линиях вводы в усилительные пункты устраивают в разных кабелях. Для уменьшения влияния через земляной тракт во все цепи на входе и выходе в усилительные пункты включают запирающие катушки (ЗК) (рис.8). Каждую полуобмотку катушки ЗК включают в один из проводов двухпроводной цепи. В результате магнитные поля токов земляного тракта (имеющих одинаковое направление) складываются, что увеличивает индуктивное сопротивление цепи «провод-земля». Магнитные поля токов, имеющих разные направления в проводах двухпроводной цепи, взаимно компенсируются, и затухание, вносимое запирающей катушкой для передаваемых сигналов, невелико. При вводе в оконечные пункты запирающие катушки включаются только в уплотненные цепи.

Компенсационный метод ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП. Линейные тракты железнодорожных магистральных кабельных линий находятся в более тяжелых условиях по сравнению с аналогичными линиями Министерства связи. Это объясняется наличием третьих неуплотненных цепей, большим числом кабелей с бумажной изоляцией и алюминиевой оболочкой, трудно симметрируемых в широком диапазоне частот, большим числом отпаев от магистрального кабеля. Поэтому применительно к кабельным магистралям железнодорожного транспорта этот метод ослабления взаимных влияний наиболее применим.

Компенсационный метод имеет большие возможности ослабления взаимных влияний по сравнению с методами симметрирования. Это объясняется, во-первых, тем, что он учитывает наличие эффекта перестановки, который возникает из-за различия постоянных распространения взаимовлияющих цепей (эффект перестановки проявляется в том, что комплексные связи для комбинаций влияния первой цепи на вторую и наоборот различны); во-вторых, применением более широкой элементной базы (кроме резисторов и конденсаторов, применяемых как и в методе симметрирования контурами противосвязи в пределах усилительного участка, используют регулируемые линии задержки и катушки индуктивности, на базе которых создают полосовые фильтры с требуемыми характеристиками). Недостатком рассматриваемого метода является то, что он может быть применен только на магистрали с полностью настроенными линейными трактами, и при его использовании невозможен контроль качества строительства по важнейшему параметру - переходному затуханию и защищенности.

Взаимные влияния на участках ОУП-ОУП подавляются включением в приемном ОУПе контура противосвязи (рис.9). Схему противосвязи подбирают так, чтобы ток компенсации I к был одинаков по модулю и противоположен по фазе результирующему току помех на входе данного ОУП где - ток помех, наведенный в пределах v -го усилительного участка. Для обеспечения независимости подавления взаимных помех между различными комбинациями влияний (учет эффекта перестановки) используют однонаправленное устройство, которое устанавливают на входе контура противосвязи.

Подбор элементов контуров противосвязи возможен двумя основными способами - расчетным и аппаратурно-итерационным. Последний применяют на железнодорожных кабельных магистралях, так как он более нагляден и не требует применения специальной аппаратуры. Аппаратурно-итерационный метод синтеза схем противосвязей состоит из трех этапов: первый - измерение годографа комплексных связей на участке ОУП-ОУП, второй - подбор элементов контуров противосвязи на основании данных, полученных на первом этапе; третий - измерение разностного годографа после подключения контура противосвязи между взаимовлияющими цепями и уточнение элементов последнего. Подбор элементов контуров противосвязей заключается в выборе необходимой типовой схемы противосвязи или комбинации их включения. Среднее значение эффективности ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП составляет 10-12 дБ.

Контрольные вопросы

1.Поясните физический смысл симметрирования с применением контуров противосвязи и метода скрещивания.

2.В чем состоят особенности симметрирования низкочастотных (высокочастотных) кабелей связи?

3.В чем заключается особенность симметрирования низкочастотных цепей при воздействии внешних влияний?

4.Поясните преимущества и недостатки компенсационного метода ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП.

5.Поясните назначение и принцип действия запирающих катушек.

Качественные показатели функционирования линий СКС на основе электропроводных кабелей зависят от целого ряда факторов. В частности, в случае неэкранированной конструкции витая пара подвергается воздействию со стороны внешнего электромагнитного излучения.

06.07.2010 Андрей Семенов

Качественные показатели функционирования линий СКС на основе электропроводных кабелей зависят от целого ряда факторов. В частности, в случае неэкранированной конструкции витая пара подвергается воздействию со стороны внешнего электромагнитного излучения. Кроме того, часть энергии передаваемого сигнала переходит во внешнее электромагнитное излучение. Плотное прилегание однотипных кабелей внутри кабельных каналов приводит к тому, что соседние цепи оказываются в зоне действия излучения, создаваемого информационным сигналом. Данное излучение вызывает в них наведенные токи. У этого эффекта есть свое название: наводки.

Наводки, накладываясь на передаваемые по тем же парам полезные сигналы, становятся для последних помехами, которые в силу своей природы называются переходными. Когда уровни полезного сигнала и наводки становятся соизмеримыми, на приеме возникают ошибки, что в конечном итоге снижает качество связи.

Переходная помеха имеет множество разновидностей. При расчете качественных показателей линии связи могут приниматься во внимание как все виды наводок, так и только некоторые из них. Конкретный перечень зависит от особенностей организации передачи и приема информационных сигналов. При анализе переходных помех необходимо учитывать следующие факторы:

• взаимное расположение источника наводки и места взаимодействия порождаемой им помехи с информационным сигналом;
• количество влияющих цепей, которые необходимо принимать во внимание при определении величины переходной помехи;
• организационная принадлежность цепей, являющихся источником и приемником переходной помехи, к одному или различным трактам передачи информации.

По месту измерения различают помеху на ближнем и дальнем концах. В расчет принимается также количество влияющих цепей: обычно рассматривают одинарную (одна влияющая цепь) и суммарную (более одного источника) переходную помеху. Если источник помехи и место ее измерения относятся к одному кабелю (стационарной линии или тракту), то речь идет о внутрикабельной или просто о переходной помехе, если к разным - то о межкабельной или (в общем случае) межэлементной. Кроме того, эти факторы могут произвольным образом комбинироваться при анализе. Иначе говоря, в определенных обстоятельствах возникает необходимость в определении, например, суммарной наводки на дальнем конце или даже межкабельной суммарной наводки на ближнем конце.

Упомянутые наводки можно назвать прямыми, так как они создаются непосредственно источником возмущающего сигнала в подверженной их влиянию цепи. В технике сетей связи общего пользования наряду с прямыми наводками иногда приходится учитывать косвенные наводки - так называемое влияние через третьи цепи. Благодаря малому шагу скрутки горизонтальные кабели СКС характеризуются заметно более низкими значениями переходных наводок. По этой причине косвенные влияния через третьи цепи можно считать пренебрежимо малыми на фоне прямых, поэтому учитывать их не имеет смысла.

Необходимость использования столь разноплановых характеристик влияния обусловлена тем, что наводки различной природы являются доминирующим источником помехи в симметричных кабельных трактах СКС. Расширение перечня составляющих переходной помехи связано с объективной тенденцией к увеличению производительности сетевых интерфейсов. Этот процесс сопровождается расширением диапазона рабочих частот; кроме того, при конструировании оборудования приходится применять все более сложные схемы организации связи.

УЧЕТ И АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПОМЕХ

Далее речь пойдет преимущественно о линейных кабелях, которые представляют собой наиболее «шумящий» элемент кабельного тракта СКС (Рисунок 1). Протяженность кабельных трактов СКС сравнительно небольшая (свыше 90% всех стационарных линий в правильно спроектированной СКС не превышают по длине 70 м), а ширина частотного диапазона достаточно велика. Поэтому, в отличие от линий сетей связи общего пользования, при их расчете и анализе необходимо учитывать переходную помеху со стороны других компонентов СКС (стационарной линии и трактов).

Шнуры отличаются от линейных только конструкцией проводника (семипроволочный вместо однопроволочного), несколько большей толщиной общей оболочки и пластичностью материала, используемого при их изготовлении, - тем самым обеспечивается необходимая механическая стабильность при многочисленных изгибах. Таким образом, переходные влияния этих разновидностей кабелей можно анализировать одинаково.

Стандарты СКС запрещают параллельное подключение к цепям передачи сигналов в пределах стационарной линии. С учетом этого ограничения единственным кандидатом на роль прочего компонента остаются соединители разных видов (разъемные и неразъемные). При таком подходе наряду с межкабельной переходной помехой можно рассматривать более общую межэлементную помеху. Она возникает в результате наводки, направленной с одного разъемного соединителя или неразъемного сростка на другой. Из-за точечного характера соединителя для этого иногда приходится несколько изменить модель описания влияния одних цепей на другие.

Отдельные помеховые составляющие одной частоты могут суммироваться с произвольной фазой или синфазно. В первом случае говорят о суммировании по мощности, во втором - по напряжению. Отдельные разновидности переходной помехи формируются независимо друг от друга, поэтому они воздействуют на сигнал аддитивно (иначе говоря, помехи суммируются по мощности). Суммирование по напряжению увеличивает амплитуду наводки и ее воздействие.

Некоторые производители кабельных систем в конце 90-х годов прошлого столетия предлагали нормировать так называемую глобальную переходную помеху (Global CrossTalk, GXT). Величина GXT численно равна сумме переходных помех, создаваемых источниками, которые находятся на обоих концах кабеля, а также вне его. Ввиду их статистической независимости суммирование отдельных составляющих выполняется по мощности, а не по напряжению (синфазно). Однако данный параметр не получил широкого распространения из-за низкой информативности - слишком уж разный характер изменения демонстрируют образующие его отдельные составляющие при вариации характеристик линии.

ПОНЯТИЕ ПЕРЕХОДНОГО ЗАТУХАНИЯ

Разность между уровнями исходного влияющего сигнала и наводки, создаваемой им в соседней цепи, называется переходным затуханием. Таким образом, переходное затухание по определению является положительной величиной. Введение данной характеристики весьма удобно с методической точки зрения: физический процесс (переходная помеха) и численная мера интенсивности этого процесса (переходное затухание) обозначаются двумя различными терминами.

Термин «переходное затухание» используется в кабельной технике и технике связи уже несколько десятков лет и отличается четкостью и логичностью. Во-первых, затухание определяется в полном соответствии с основополагающим отечественным ГОСТ 24204-80. Во-вторых, переход понимается как пространственное явление, так как источник наводки и место определения ее фактической величины не имеют гальванической связи.

Терминология в отношении переходного затухания тесно связана с отдельными разновидностями переходной помехи. При количественном описании воздействия от наводок говорят о переходном затухании на ближнем и дальнем концах, о суммарном переходном затухании и т. д., а также об их произвольных комбинациях.

Введение различных видов переходного затухания позволяет описать помеху в количественной форме, учесть отдельные ее составляющие, добиться более точного определения качественных показателей формируемого тракта передачи и осуществить их оптимизацию на практике.

ПЕРЕХОДНОЕ ЗАТУХАНИЕ НА БЛИЖНЕМ И ДАЛЬНЕМ КОНЦАХ

Симметричный кабель, а также стационарная линия и тракт, реализованные на его основе, изначально предназначены для передачи информационного сигнала между пространственно разнесенными точками и, таким образом, представляют собой протяженные объекты. Если источник сигнала, порождающего наводку, и место ее измерения находятся на одном конце этих объектов, то говорят о переходном затухании на ближнем конце, если на разных - о переходном затухании на дальнем конце (Рисунок 2).

Для обозначения переходного затухания на ближнем конце широко используется англоязычная аббревиатура NEXT (Near End Crosstalk), а для переходного затухания на дальнем конце применяется сокращение FEXT (Far End Crosstalk). Более точным было бы написание NEXT loss и FEXT loss, что, однако, хотя и принято в стандартах СКС, не получило практического распространения из-за некоторой громоздкости. Слово loss (потери, в данном случае затухание) подразумевается присутствующим по умолчанию. Термином NEXT может обозначаться как явление (переходная наводка), так и численная характеристика интенсивности этого явления (переходное затухание). Предполагается, что смысл термина должен быть ясен специалисту из контекста.

(Понятие переходного затухания на ближнем и дальнем концах в такой форме не является чем-то новым для кабельной техники. Оно широко применялось для линий городской, зоновой и междугородной связи. При их описании в отечественной технической литературе традиционно использовались обозначения A 0 и A l соответственно.)

Переходное затухание на ближнем конце - самая первая численная характеристика влияния, которая начала нормироваться в СКС. При этом на момент выделения СКС в самостоятельное техническое направление NEXT был единственным актуальным для практики параметром влияния. Дело в том, что в середине 90-х годов скорости передачи в локальных сетях не превышали 100 Мбит/с (в вариантах 10BaseT и 100BaseTX), а для увеличения производительности канала связи (под этим параметром традиционно понималась сумма скоростей передачи в прямом и обратном направлениях) использовался полнодуплексный режим, поэтому передатчик и приемник каждого сетевого интерфейса конструируются в расчете на подключение к различным витым парам одного кабеля, которые могли бы функционировать одновременно.

Модель работы простейшего сетевого интерфейса Ethernet в полнодуплексном режиме (в контексте оценки качественных показателей канала связи) изображена на Рисунке 2, а. При такой схеме организации связи информационный сигнал, источником которого является передатчик на дальнем конце, приходит на ближний конец ослабленным после передачи по витой паре. На входе приемника он подвергается воздействию мощной переходной помехи от работающего на этом же конце передатчика. В этом случае для нахождения отношения сигнал/шум, то есть для определения качества передачи информации, достаточно ввести нормы и контролировать выполнение для следующего параметра:

NEXT = P c – max P ппб,

где Р с - уровень сигнала, а Р ппб - уровень переходной помехи, создаваемой этим сигналом на ближнем конце.

Величина max P ппб взята из соображений гарантированного обеспечения определенного отношения сигнал/шум в общем случае. Такой подход удобен тем, что при разработке сетевых интерфейсов пары горизонтального кабеля можно комбинировать произвольным образом.

Увеличить пропускную способность линии связи на основе симметричного тракта можно за счет одновременной передачи информации по двум или более парам одного кабеля. Данный прием известен как схема параллельной передачи и широко применяется на скоростях 1 Гбит/с и выше, но дополнительно к переходным помехам на ближнем конце необходимо учитывать также помехи на дальнем конце (см. Рисунок 2, б). Для расчета данной помехи следует знать величину переходного затухания на дальнем конце:

FEXT = P c – max P ппд,

где P ппд - уровень переходной помехи на дальнем конце. Максимальное значение P ппд берется по тем же соображениям, что и при нормировании помехи на ближнем конце.

Отдельно укажем, что модель влияния (см. Рисунок 2, б) не имеет самостоятельного практического значения из-за отсутствия сетевых интерфейсов, где использовалась бы двухканальная схема параллельной передачи. В принципе ей соответствовал двухпарный гигабитный Ethernet, однако оборудование этого типа не получило распространения, хотя и стандартизировано IEEE 802.3.

Величины NEXT и FEXT представляют собой измеряемые параметры. Под этим понимается то, что при определении их фактического значения измерительный прибор подает на тестируемый объект испытательный сигнал и фиксирует отклик, поступающий в его приемную часть. После обработки данного отклика и его сравнения с исходным воздействием находится фактическое значение переходного затухания на ближнем и дальнем концах.

ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ NEXT И FEXT

Влияющая пара и пара, подверженная влиянию, находятся под общей защитной оболочкой кабеля, то есть располагаются параллельно. При анализе переходных воздействий подобную структуру можно рассматривать как конденсатор, функции обкладок которого выполняют влияющие друг на друга пары. Даже из такой простейшей модели следует, что с ростом частоты переходное затухание должно падать. При этом будет резонно, по крайней мере в первом приближении, считать линейной зависимость переходного затухания от частоты (в логарифмическом масштабе).

В нормативном разделе стандарта ISO/IEC 11801:2002 приводятся математические модели стационарных линий и трактов. Анализ их структуры показывает, что для кабельных изделий СКС используется следующее аппроксимирующее выражение частотной характеристики NEXT:

NEXT(f) = NEXT(1) – 15lg(f),

где: NEXT(1) - минимально допустимое переходное затухание на ближнем конце на частоте 1 МГц, которое для кабелей Категорий 5е, 6 и 7 принимается равным 63,5, 74,3 и 102,4 дБ соответственно, f, МГц - частота сигнала.

Из приведенного соотношения следует, что крутизна изменения минимально допустимой величины NEXT принимается постоянной во всем частотном диапазоне и равной 15 дБ на декаду.

Иногда указываемая в каталогах производителей размерность переходного затухания на ближнем конце в дБ/100 м должна трактоваться как величина NEXT, измеряемая при длине кабеля 100 м. Какие-либо пересчеты на меньшую длину недопустимы. Иначе говоря, если, например, на длине 100 м значение NEXT равно 40 дБ, то и при длине 50 м оно не поменяется и будет составлять те же 40 дБ.

Практически идентичное соотношение справедливо и для частотной характеристики переходного затухания разъемных соединителей. Начальное значение NEXT на частоте 1 МГц для разъемов Категорий 5е, 6 и 7 устанавливается стандартом ISO/IEC 11801:2002 равным 83, 94 и 102,4 дБ соответственно. Однако скорость падения NEXT при увеличении частоты зависит от категории разъема. Для изделий Категорий 5е и 6 она составляет 20 дБ на декаду, а для разъемов Категории 7 равна 15 дБ на декаду (аналогично кабелям).

Составляющие одной частоты переходной помехи на ближнем конце, которые создаются отдельными участками влияющей витой пары, суммируются с различными фазами. На качественном уровне этот эффект объясняется тем, что к моменту поступления на вход приемника указанные составляющие проходят различный путь. Поэтому реальный график частотной зависимости величины NEXT имеет вид кривой с падающей медианой и с резкими, но регулярными перепадами значений переходного затухания на близких частотах.

Стандарты нормируют только минимальную величину параметра NEXT. Кабель (а также стационарная линия и тракт, построенные на его основе) считается соответствующим требованиям стандарта, если во всем рабочем частотном диапазоне фактически достигаемая величина NEXT не опускается ниже того значения, которое определено нормами. Таким образом, из соображений преемственности принимается стратегия точечного, а не интегрального нормирования.

Переходная помеха на дальнем конце обычно меньше, чем переходная помеха на ближнем конце. Однако, в отличие от помех на ближнем конце, эти помеховые составляющие к моменту поступления на приемник проходят практически одинаковый путь. С учетом этой особенности они достаточно часто суммируются синфазно или с небольшой разностью фаз, что может дополнительно увеличивать их возмущающее воздействие на информационный сигнал.

ЗАВИСИМОСТЬ NEXT И FEXT ОТ ПРОТЯЖЕННОСТИ ЛИНИИ

Переходное затухание на ближнем конце с увеличением длины линии L сначала довольно быстро уменьшается, а затем асимптотически стремится к некоторому постоянному значению (Рисунок 3). Этот эффект объясняется тем, что, начиная с определенной величины L, токи помех с участков, отдаленных от точки подключения генератора (например, участки III и IV на Рисунке 2, а), приходят на ближний конец настолько ослабленными, что практически не увеличивают взаимного влияния между цепями.

Из рассмотренного механизма формирования помехи на ближнем конце следует, что значения NEXT для двух концов одной пары могут существенно различаться. Поэтому фактическая величина NEXT должна определяться отдельно для каждого конца стационарной линии, тракта или кабеля.

Это сказывается на конструкции приборов для полевого тестирования. Так, они реализуются в виде двух очень похожих полукомплектов или блоков, каждый из которых снабжается управляющим высокопроизводительным контроллером, что позволяет не менять местами базовый и удаленный блоки в процессе работы и по меньшей мере вдвое ускорить процесс тестирования. В серийной измерительной аппаратуре основной блок отличается от удаленного только наличием полномасштабного дисплея и органов управления.

График изменения переходного затухания на дальнем конце, зависящего от длины линии, носит экстремальный характер. Вначале, пока длина линейного кабеля мала, возрастание ее протяженности ведет к увеличению мощности помехи. По мере увеличения длины помеховые составляющие затухают сильнее, и FEXT постепенно, но при этом достаточно быстро возрастает. Данная особенность затрудняет контроль выполнения норм по этому параметру.

СУММАРНОЕ ПЕРЕХОДНОЕ ЗАТУХАНИЕ

К концу 90-х годов для описания функционирования симметричных кабельных линий и трактов СКС возникла потребность в моделях, которые в большей степени соответствовали бы реальным схемам использования ресурсов СКС перспективными видами аппаратуры, что было обусловлено двумя факторами. Во-первых, при разработке сетевого оборудования четко обозначилась тенденция использования одновременно нескольких пар для передачи информации в полнодуплексном режиме. Во-вторых, при построении СКС открытых офисов начали широко применяться многопарные кабели, характеристики которых позволяли выполнять передачу сигналов сразу нескольких сетевых интерфейсов.

Переход к новым схемам реализации информационного обмена привел к тому, что нормирования только межпарного переходного затухания оказалось недостаточно. Это обусловлено тем, что в момент поступления полезной информации на приемник воздействуют помехи со стороны нескольких источников, обладающих одинаковой или, по крайней мере, сопоставимой мощностью. Для учета этого обстоятельства используется более сложная схема, которая фиксирует переходное затухание по модели так называемой суммарной мощности (Power Sum).

В случае четырехпарного кабеля схема для определения суммарной переходной помехи на ближнем конце предстает в виде, изображенном на Рисунке 4, а (помехи от всех пар воздействуют на одну). В соответствии с этой схемой суммарное переходное затухание на ближнем конце составляет:

где NEXT i - величина NEXT для i-й влияющей пары, а n - количество пар в кабеле.

Значение суммарного переходного затухания на дальнем конце определяется аналогично:

Величины PS-NEXT и PS-FEXT зависят от частоты и протяженности линии таким же образом, как NEXT и FEXT соответственно.

В отличие от параметра NEXT величина PS-NEXT при тестировании не измеряется из-за сложностей формирования адекватного испытательного сигнала. Она определяется расчетным путем на основании измерений NEXTi для отдельных пар. Выполнение данной операции не представляет каких-либо проблем благодаря высокой производительности контроллеров современного измерительного оборудования для полевого тестирования.

Параметр PS-FEXT также определяется расчетным путем. Однако как и его «межпарный» прототип он существенно зависит от длины линии и без связи с другими характеристиками малоинформативен. Поэтому стандарты его не нормируют. Тем не менее величина PS-FEXT является одной из составных частей параметра защищенности на дальнем конце, соблюдение требований стандартов для которого является необходимым условием сертификации кабельной системы перед ее передачей в текущую эксплуатацию.

Из-за неодинакового расстояния между парами, различного шага скрутки, особенностей раскладки проводов по контактам разъема и других параметров разность между величинами NEXT и PS-NEXT конструкций специальной разработки оказывается равной примерно 3 дБ, а не 4,8 дБ (см. Таблицу 1). Из приведенных в ней данных следует, что если величина PS-NEXT не приводится в паспортных данных кабеля, то для ее оценки в первом приближении можно воспользоваться довольно точным эмпирическим соотношением:

PS-NEXT = NEXT – 3 дБ.

Проблема обеспечения требуемой величины суммарного переходного затухания возникла сначала в многопарных кабелях при их подключении к нескольким источникам сигналов. Требования к многопарным конструкциям содержались в нормативной части редакций основных стандартов СКС от 1995 года. Сложность их соблюдения привела к тому, что в течение длительного времени на рынке предлагались две разновидности многопарных кабелей: обычные и с сертификацией по Power Sum. Последние обладали улучшенными характеристиками, но стоили намного дороже.

В настоящее время величины суммарного переходного затухания четырехпарных кабелей ненамного отличаются от аналогичных параметров различных многопарных кабелей. Это обусловлено конструкцией последних, где в большинстве случаев применяются пятипарные связки, то есть по количеству пар они мало отличаются от горизонтального кабеля.

Влияние пар соседних пучков многопарных изделий в кабельных трактах Категории не выше D пренебрежимо мало из-за относительно большого значения произведения L λ - расстояния между ними на длину волны передаваемого сигнала. При переходе к трактам Класса E в традиционных многопарных кабелях, в которых все цепи передачи находятся под общей оболочкой, пренебрегать «межпучковыми» влияниями уже нельзя из-за уменьшения λ (роста частоты передаваемого сигнала). Для устранения этого недостатка конструкции Категории 6 с количеством пар свыше четырех реализуются по так называемой многоэлементной схеме. Последняя представляет собой фабричную сборку из нескольких четырехпарных кабелей, скрепленных общей оболочкой (например, так делает компания Corning Cable Systems) или обмоткой из фиксирующей ленточки (решение компании Brand Rex). Такое исполнение не требует радикальной модернизации технологического процесса на производстве и гарантирует большой пространственный разнос пар, относящихся к разным четверкам, благодаря чему величина произведения L λ оказывается достаточной для эффективного подавления межпучковых воздействий.

МЕЖКАБЕЛЬНОЕ И МЕЖЭЛЕМЕНТНОЕ ПЕРЕХОДНОЕ ЗАТУХАНИЕ

Горизонтальные кабели на большей или меньшей части своей длины прокладываются параллельно по одному кабельному каналу с весьма узким поперечным сечением. Это приводит к тому, что кабели плотно прилегают друг к другу. В данной ситуации может понадобиться контроль воздействия всех окружающих кабелей на один, количественной мерой которого является стороннее или межкабельное переходное затухание. В данном случае, аналогично внутрикабельному переходному затуханию, различают переходное затухание на ближнем (Alien NEXT) и дальнем (Alien FEXT) концах, а также их межпарные и суммарные разновидности.

Из механизма возникновения наводок ясно, что основную долю мощности межкабельной помехи в конкретно взятой паре вносят пары такого же цвета других кабелей. Это обусловлено тем, что механизм подавления за счет соответствующего подбора шагов скрутки для таких пар не работает. Выбор названия помехи (от англ. Alien - чужой) дополнительно подчеркивает крайнюю опасность таких наводок для неэкранированных кабелей и линий, изготовленных на их основе.

Из-за особенностей самого процесса возникновения помех их уровень на дальнем конце кабеля может существенно превышать уровень на ближнем конце. Одновременно механизм формирования межкабельной переходной помехи означает изменение механизма формирования суммарной помехи. Поскольку расстояния между источником помехи и парой, подверженной влиянию, значительно больше, чем в случае сердечника, помеху создают не все пары соседних кабелей. При рассмотрении суммарной межкабельной переходной помехи следует учитывать только наводки от пар, которые имеют равный шаг скрутки, то есть «одноцветных» пар.

Соответственно, при определении межкабельной переходной помехи рассматриваются только те кабельные изделия, которые расположены в непосредственной близости от кабеля, подверженного влиянию. Ввиду однотипности кабелей, для анализа межкабельных влияний и построения схем измерения ее фактических значений зачастую применяется схема «шесть вокруг одного» (Рисунок 5).

Проведенные экспериментальные исследования показывают, что необходимость учета переходных помех, создаваемых соседними кабелями, возникает только на частотах свыше 250 МГц. Фактически такие помехи сказываются в трактах Класса не ниже EA, причем когда для их реализации используется неэкранированная элементная база Категории 6А. В отличие от внутрикабельной переходной помехи межкабельные шумовые составляющие не могут быть устранены методами аппаратурной обработки в цифровом сигнальном процессоре DSP приемника сетевого интерфейса. Это привело к увеличению спроса на кабели со структурой F/UTP. Благодаря пленочному исполнению экрана данные изделия чрезвычайно схожи по массогабаритным и эксплуатационным параметрам, а также по удобству монтажа с наиболее широко распространенными полностью неэкранированными конструкциями. Кроме того, они позволяют заметно увеличить эффективность подавления межкабельной переходной помехи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В симметричных кабельных трактах СКС на информационный сигнал воздействует множество наводок со стороны соседних цепей. В результате возникает необходимость нормирования и контроля различных вариантов переходного затухания, которое является численной мерой интенсивности этих наводок. Применение понятия переходного затухания позволяет простыми средствами и с высокой точностью оценивать работоспособность современных сетевых интерфейсов, обеспечивающих скорость передачи информации вплоть до 10 Гбит/с и выше.
2. Различный характер зависимости мощности отдельных видов переходной помехи от частоты и протяженности линии не позволяет ввести единый интегральный параметр, поэтому стандарты учитывают и нормируют каждую помеховую составляющую отдельно.
3. Параметры влияния на ближнем конце нормируются стандартами непосредственно, а на дальнем конце регламентируются косвенно - путем введения норм по защищенности.
4. По мере увеличения скорости передачи информации по симметричным кабельным трактам СКС количество учитываемых разновидностей наводок и, соответственно, видов переходного затухания неуклонно возрастает.

Андрей Семенов - директор центра развития «АйТи-СКС». С ним можно связаться по адресу: [email protected] .

Измерения кабеля связи переменным током. Скрутка пар и четвёрок в кабелях связи

Измерение переходного затухания на ближнем конце

Разбитость пар, прослушка - измерение и причины

Бывает такое на телефонных линиях: говорят по телефону два человека и, вдруг слышат, появился в их беседе кто-то третий, а затем четвёртый. Уж и беседовать как-то неловко стало. Начинают люди звонить на АТС, жаловаться. И всё связистам просто и понятно, если это простое сообщение. Но бывает, что изоляция по всем параметрам нормальная, а «прослушка» всё равно есть. В народе называют этот тип повреждения по разному, официально это пониженное переходное затухание .

Возникает исключительно по вине тех людей, которые скручивают муфты и оконечивают кабеля. И пускай они не рассказывают байки, что это кабель такой «неправильно закрученный». Впрочем, согласен, что на кабельных заводах иногда вьют пару настолько слабо, что для правильного выбора её надо разделывать 2-3 метра кабеля.

В кабелях связи жилы идут не вразнобой и как попало, а закручиваются по строго определённой системе. Причём делается не только для того, чтобы спайщикам всё было понятно, но и для защищённости каждой лини проходящей в этом кабеле. Бывает скрутка парная – две жилы, звёздная или четвёрочная – четыре жилы, и редко, исключительно для станционной автоматики скрутка тройками. Обычно тип скрутки понятен из маркировки кабеля: 10 х 2 х 0,4 – парная, а 7 х 4 х 1,2 – четвёрочная, но бывают и исключения. В четвёрочной скрутке пары располагаются по диагонали и при соединении с парным кабелем это надо обязательно учитывать. Не совсем весёлая история по поводу.

Четвёрочная (1х4) скрутка.
Пары в четвёрке кабеля связи.

Приемо-сдаточные измерения линий переменным током. Измерение переходного затухания на ближнем конце

Приемо-сдаточные измерения линий переменным током на многопарных кабелях

Выполяются после измерений постоянным током. Что бы элементарное сообщение или пониженная изоляция не ввели вас в заблуждение.

Приемо-сдаточные измерения линий переменным током на многопарных кабелях можно смело отнести к самым скучным и длительным. До сих пор используют для этой цели ИПЗ-4, ИПЗ-5. Суть измерений сводится к подключению к одной из линий генератора переменного тока частотой в 1000 Гц и прослушивание сигнала этого генератора на остальных парах кабеля. Относительно недавно появились цифровые приборы (напр. Дельта-ПРО) показывающие значение затухания в децибелах, но весь процесс измерения это не упростило.

Сложность процесса в том, что должна быть промерена каждая пара с каждой. Т.е. ставим генератор на одну пару, проверяем на всех остальных. Затем генератор - на другую, и опять слушаем на всех остальных и т.д. Например, магистраль в 500 пар за рабочий день не измерить. Благо со временем приспосабливаешься из шнуров прибора делаешь удобную вилку и быстренько гонишь её по оконечному устройству.

Там, где сигнал слышится, сверяем его сигналом с магазина сопротивлений прибора, должно быть больше 69,5 ДБ или 8 Нп (по ИПЗ-4). Собственно то, что сигнал слышится уже «не есть хорошо». Обычно в нормально смонтированном кабеле переходное больше 90 ДБ и гудения генератора вообще не слышно. Поделюсь некоторыми хитростями.

Хитрость 1 (законная, описана в старой литературе). Можно измерить переходное только внутри десятков. Затем подавать генератор уже на запараллеленые пары всего десятка. Процесс ускориться многократно.

Хитрость 2. Подать генератор на жилы разных пар, то есть искусственно разбить. При такой подаче сигнала все плохо защищённые пары начнут прослушиваться, отметить их. Затем мерить затухание уже между ними. Не даёт стопроцентной гарантии, но если вас торопит начальство не худший вариант.

Хитрость 3. Внимательно промерить рабочую ёмкость всех пар и проверять на переходное затухание только пары с наименьшей ёмкостью. Ёмкость. Тоже не даёт 100 % уверенности. Возможна разбитость на малом участке, ёмкость похожая, а прослушивание всё равно будет.

Если у вас нет специальных приборов можно взять любой генератор, даже от кабелеискателя, и наушник (трубку). Битые пары можно найти и этим.

Если вы обнаружили переходное в 70 – 80 Дб и сомневаетесь надо ли по этому поводу шуметь, доведите процесс измерений до конца. Т. е. на противоположном конце линии должны быть нагружены сопротивлениямив 600 Ом. Подключите эти сопротивления и возможно картина измениться в худшую сторону.

Часто переходное в 80 дБ указывает на то, пара всё таки «битая», но спайщики, обнаружив ошибку, откинули ту пару, с которой она прослушивалась, и включили вместо неё запасную. Обычному телефону это не помешает, но модем подвох «унюхает» и скорость соединения на такой паре будет ниже.

Данное измерение обычно проводится при производстве ВОК, однако, как и в предыдущем случае, может возникнуть необходимость поверочных измерений. Ниже рассматривается основной метод измерения переходного затухания, которое, на дальнем конце ВОЛП представляет собой коэффициент передачи между выходами волокон при вводе оптического излучения в волокно, влияющее на кабель, а на ближнем конце представляет коэффициент передачи между входами, подверженными влиянию ближайших волокон [Д2]. В соответствии с этими определениями измерение переходного затухания осуществляют путем измерения мощности на входе волокна, влияющего на кабель, а также выходах или входах волокон, подверженных такому влиянию по схеме, представленной на рисунке 10.6.

В качестве источника излучения применяют оптические источники с мощностью, достаточной для проведения измерения в заданном динамическом диапазоне. Длина волны источника излучения должна быть указана в стандартах или технических условиях на конкретный оптический кабель.

Требования к устройству ввода, фильтру мод оболочки, смесителю мод и регистрирующему устройству должны соответствовать указанным в методе измерения затухания.

Приемник излучения должен обеспечивать измерения в динамическом диапазоне, заданном в стандартах или технических условиях на оптический кабель.

Порядок измерения в этом случае тот же, что и в рассматриваемых ранее измерениях вносимых потерь. Волокно, подверженное измеряемому влиянию, выбирается из числа волокон, расположенных в непосредственной близости с влияющим волокном.

Процедуру измерения переходного затухания рассмотрим на примере двух оптических волокон, осуществляя следующую последовательность операций:

1. Соединяют входной конец влияющего волокна с источником излучения, а выходной конец – с приемником излучения. С помощью устройства ввода проводят юстировку входного торца влияющего волокна по максимуму сигнала на выходе приемника излучения. Регистрируют значение уровня мощности на выходе влияющего волокна измеряемого кабеля.

2. Выходной конец влияющего волокна отсоединяют от приемника излучения и соединяют с ним входной (выходной) конец, подверженного влиянию. Регистрируют показания, соответствующие уровню мощности на входе (выходе) волокна, подверженного влиянию.

3. Не изменяя положения влияющего волокна, в устройстве ввода обрывают влияющее волокно на расстоянии (1±0,2) м от входного торца. Выходной торец короткого отрезка волокна подготавливают в соответствии с требованиями, указанными в п. 1.10.10.10.

4. Выходной конец короткого отрезка волокна устанавливают относительно площадки приемника излучения так, чтобы на него попало все излучение с выходного торца. Регистрируют показания, соответствующие уровню мощности, введенной во влияющее волокно.

Переходное затухание на ближнем и дальнем концах оптического кабеля определяют по формулам:

где , и - соответственно, значения уровня мощности на входе влияющего волокна, а также входе и выходе волокна, подверженного влиянию.

Для измерения переходного затухания средства измерения оптической мощности должны иметь высокую чувствительность и позволять измерять оптическую мощность уровнем порядка – 90 дБм и ниже. В случае отсутствия таких средств, фиксируют реальный динамический диапазон измерений, как

где - динамический диапазон, дБм;

И - соответственно, уровень мощности на входе влияющего волокна или канала и минимально измеренный уровень мощности, дБм.

В некоторых случаях измерение переходного затухания может быть выполнено с помощью анализатора оптического спектра, позволяющего установить также спектральную плотность измеренного сигнала .