НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНСТИТУТ КОМП’ЮТЕРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Факультет комп’ютерних систем

Кафедра комп’ютерних систем і мереж

МЕРЕЖІ ЕЛЕКТРОННО-ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ МАШИН

Лабораторна робота №1, 2

Кабелі комп’ютерних мереж на основі витої пари

Виконала:

студентка 402-ФКС

Івахно М.В.

Київ - 2012

Мета роботи

Метою роботи є ознайомлення з видами, конструкцією і характеристиками кабелю вита пара; процесами, які відбуваються в кабелі під час передачі сигналів; параметрами кабелів, які використовуються при прокладенні ліній зв’язку локальних мереж.

Кабелі на основі витої пари

Витою парою (twisted pair) (або провідником вита пара) називаються два провідники, покриті ізоляцією і скручені в джут з регулярним кроком (див. рис.4.12). Провідники виготовлюються з мідного дроту і можуть бути одножильними (solid ‑ монолітними) або багатожильними (multiple-strand). Останні представляють собою джути, сплетені з мідних або луджених мідних тоненьких дротинок. Діаметр дроту витої пари подають в AWG (American Wire Gage) ‑ одиницях американського калібру дроту, які базується на вимірах в дюймах, наприклад AWG 26 відповідає 0.404 мм; AWG 24 == 0,511 мм; AWG 23 == 0,574 мм; AWG 22 == 0,643 мм. Монолітна жила витої пари має діаметр, який міститься в межах AWG 26 ‑ AWG 22 або в метричній системі одиниць 0,4÷0,64 мм (найбільш популярний ‑ 0,511 мм), а багатожильний провідник скручується з дротинок, діаметром 0,18 мм.

а) з одножильним дротом б) з багатожильним дротом

в)загальний вигляд (www.math.rsu.ru)

Рис.4.12 Провідник вита пара

Таблиця AWG ‑ одиниць американського калібру дроту

Електричну ізоляцію (electric insulation) провідників витих пар виготовлюють з полівінілхлориду, для витих пар вищих категорій ‑ з поліпропілену або поліетилену. Найбільш якісна ізоляція з спіненого поліетилену або тефлону (забезпечує високий діапазон температур). Товщина шару ізоляції жил складає 0,2 ‑ 0,6 мм, причому стандарт ISO/IEC 118801 рекомендує, щоб діаметр провідника в ізоляції не перевищував 1,6 мм.

Як середовище передачі даних, скручена пара провідників за своїми властивостями суттєво відрізняється від пари тих же провідників, але розташованих паралельно один до одного. У витій парі провідники розміщенні під кутом один до одного, що знижує взаємні індуктивні паразитні зв’язки між ними. Скручування провідників знижує також вплив зовнішніх електромагнітних полів на сигнал, що передається через них. Відстань, на якій дві пари здійснили повний оберт одна відносно одної, називається кроком скручування. Його величина впливає на верхній діапазон частот, на який розраховується вита. Чим більша кількість витків на одиницю довжини, тим менший вплив зовнішніх електромагнітних завад, але тим більше погонне затухання сигналу. Для кабелів 5-ї ÷ 7-ї категорій крок скручування находиться в межах 2÷5 см. З метою зменшення взаємного електромагнітного впливу окремих пар крок скручування у них різний. Скручування також посилює здатність провідників протистояти механічному впливу (розтягуванні, стисканні, згинанні).

Окремі пари витих провідників мають обмежене використання. Ними комутують або, іншими словами, кросують (cross-wires) контактні клеми всередині комутаційних шаф, з них виготовляють перемички для електронної апаратури. Для передачі радіочастотних сигналів використовують кабелі вита пара (twisted pair cable), які складаються з декількох витих пар (2-х, 4-х, 25-ти пар і більше), розміщених в загальній захисній оболонці (jacket). Найбільш поширеним є кабель з чотирьох витих пар, який скорочено позначається “кабель 4х2”. Цей тип кабелю активно використовується в комп’ютерних мережах, в тому числі мережах Ethernet. Виті пари провідників кабелю також скручують в єдиний джут з досить великим кроком (приблизно 8÷15 см), що підсилює його механічну міцність і дещо зменшує вплив зовнішніх електромагнітних наведень. Для підсилення захисту розроблена конструкція, в якій виті пари вкладають у канали хрестоподібної пластикової перемички з метою підтримки рівномірного розміщення одна відносно одної. Існують кабелі 4х2, у яких четверо провідників скручують в єдиний джут, особливо часто цю схему використовують у багатопарних кабелях (з більшою, ніж 4, кількістю пар).

В залежності від структури провідників витої пари розрізняють одножильні та багатожильні кабелі. В одножильному кабелі менше затухання високочастотного сигналу, ніж у багатожильному, але останній більш гнучкіший і стійкіший до багатократних згинань. Багатожильний кабель використовують в основному для виготовлення комутаційних шнурів (патч-кордів, patch-cords), які підводять сигнал від інформаційних розеток до роз’ємів мережних адаптерів. З одножильного кабелю монтують мережні лінії передачі даних, прокладаючи його від кросових панелей комутаційних шаф до інформаційних розеток біля робочих місць (так звана горизонтальне розведення). Кабель вита пара досить зручно прокладати у коробах – спеціальних пластикових каналах.

Пари всередині кабелю ідентифікують, фарбуючи ізоляцію провідників у різний колір (color coding). В чотирьохпарному кабелі використовують синій, жовтогарячий, зелений та коричневий кольори, причому ізоляція одного провідника пари (основного) має суцільний колір, а іншого (допоміжного) – білі смужки на основному кольорі. Кожна пара в кабелі має унікальну кольорову схему, яка записується, наприклад, таким чином: “пара 1: біло-синій/синій”. Правила маркування за допомогою кольору визначають стандарти IЕС 60708 і TIA/EIA-598. В технічній документації для ідентифікації провідників витої пари вживають вербальні позначення: робочий провідник, через який подається напруга, іменується “Tip” (штекер, контакт), а інший ‑ заземлений провідник –“Ring” (кільцевий, тобто такий що замикає електричне коло). Парам в кабелі присвоюють номери, які добавляються до позначки провідника, наприклад, Ring4, Tip4, або скорочено R4, T4.

Захищає провідники кабелю від механічних і кліматичних впливів діелектрична зовнішня оболонка товщиною 0,5÷0,8 мм. Як правило, її виготовлюють з поліетилену або полівінілхлориду, з добавкою крейди для придання крихкості (щоб легше була надламувати оболонку у місці розрізу). Поліетилен найбільш технологічний і відносно дешевий матеріал, має достатню механічну міцність і високу вологостійкість, що важливо для кабелів зовнішнього прокладання. Але поліетилен підтримує горіння і під час пожежі огонь може поширюватися кабелем з в інші приміщення. Тому для внутрішнього прокладання рекомендують кабелі з оболонкою, виготовленою з негорючого матеріалу. Таким матеріалом є полівінілхлорид, але він під час сильного нагрівання виділяє отруйні речовини (хлор і хлористі сполуки), тому в європейських країнах і США полівінілхлоридні кабелі не використовуються. Як правило, там застосовують кабель, у якого зовнішня оболонка виготовлена зі спеціального матеріалу LSZH (Low Smoke Zero Halogen) або LSOH, який практично не горить, не містить галогени і при сильному нагріванні виділяє мало диму. Інколи такий матеріал позначають як HFFR (Halogen-Free Flame-Retardant). Кабелі з LSZH-оболонкою на 20-30% дорожчі за полівінілхлоридні кабелі. Зовнішня поліетиленова оболонка традиційно має сірий колір, хоча зустрічаються і інші кольори. Негорюча зовнішня оболонка з LSZH найчастіше фарбується у жовтогарячий колір.

Перед розміщенням в оболонку виті пари можуть обмотуватися полімерною стрічкою. Інколи всередину захисної оболонки вкладають міцну нитку (rip-cord) для повздовжнього розривання оболонки під час під’єднання провідників кабелю до конектора. На зовнішню оболонку наносять надписи, які вказують: тип кабелю, діаметр та тип провідників, характеристики оболонки, назву виробника, назву стандарту відповідності, а також мітки довжини (метрові для країн Європи і футові для США). Основною лабораторією сертифікації для американських виробників кабельної продукції є UL Laboratory. Кабелі європейських виробників сертифікуються датською організацією DANAK, яка видає сертифікати DELTA.

Виробники поставляють кабелі вита пара 4х2 стандартними відрізками, довжиною 305 м (1000 футів), намотаними на котушки з діаметром шийки 20-30 см, упакованими в картонні коробки. Кабелі для зовнішнього використання можуть поставлятися відрізками більшої довжини (500, 1000 м і ін.). На даний час чотирьохпарні кабелі є недорогим і універсальним середовищем передачі даних локальних комунікацій практично любого рівня складності.

Фізичні процеси в кабелях вита пара

У витій парі, як і в будь-якому іншому металевому провіднику, при передачі сигналу відбуваються процеси, які мають різну фізичну природу і різне походження. Вони можуть бути викликані як внутрішніми, так і зовнішніми чинниками і призводять до втрати енергії сигналу та зміни його форми.

Передача сигналу кабелем супроводжується витратами енергії на нагрівання провідника (тепловий процес). Втрати енергії залежать не від частоти сигналу, а від його амплітуди, а також від електричного опору провідника.

На якість передачі високочастотного сигналу суттєво впливає так званий поверхневий ефект. Внаслідок самоіндукції струм у провіднику витісняється на його поверхню, тобто зменшується ефективний переріз провідника і збільшується його активний опір. Хоча поверхневий ефект прогресує зі збільшенням частоти сигналу, але для провідників з діаметром, тоншим за 0,8 мм він мало помітний тому активний опір витих пар він збільшує несуттєво.

Іншим фізичним процесом, який суттєво впливає на сигнал у витій парі, є індуктивне наведення струмів у її провідниках, тобто поява наведеної напруги (потенціалу). Внаслідок проходження високочастотного струму в одному провіднику за рахунок індукції наводиться вихрові струми в поряд розміщених провідниках і екранній оболонці, тобто у них створюється потенціал (напруга) завади U_з. Зі збільшенням частоти сигналу енергія наведених струмів зростає і збільшується її вплив на сигнал.

Вита пара утворює лінію передачі сигналу за схемою симетричного електричного кола, зображеного на рис.4.13. Тобто у комп’ютерних мережах за допомогою витої пари реалізується балансний принцип передачі сигналів.

Р ис.4.13.Схема симетричного електричного кола витої пари (http://nag.Ru)

Ремарка

С иметричним називаються електричне коло з двох провідників, які разом з підключеним до них навантаженням мають однаковий імпеданс відносно землі і будь-якого іншого провідника. Симетрична передача створюється з метою забезпечення умов для наведення в обох провідниках рівних шумових сигналів, які представляють собою повздовжні сигнали, що знаходять в протилежних фаза (синфазні сигнали). Їх досить легко можна компенсувати (подавити) електричними схемами приймача, наприклад за допомогою трансформаторної гальванічної розв’язки. Звідси симетричні кола не потребують екранування від зовнішніх електромагнітних впливів. При несиметричній передачі такий спосіб боротьби з шумами неможливий.

За схемою на рис.4.13 приймач і передавач не мають гальванічного зв’язку один з одним внаслідок використання узгоджуючих трансформаторів. Передавач генерує сигнал U_c, який наводить на вихідних клемах вторинної обмотки протифазні сигнали +0,5 U_c і -0,5U_c. Тоді приймач реагує на різницю сигналів на обох провідниках на вхідних клемах первинної обмотки трансформатора приймача. Будемо вважати, що вита пара на рис. 4.13 є симетричним електричним колом, тобто має ідеальні геометричні і фізичні характеристики. Тоді напруги U_з, наведені в результаті індукції і подані на первинну обмотку приймаючого трансформатора, є рівними за значенням і протилежними за знаком. В результаті різниця наведених потенціалів на вхідній обмотці дорівнює нулю і на вторинній обмотці трансформатора формується напруга сигналу.

Будь-які фактори, які призведуть до порушення симетрії витої пари, спричинять ненульову різницю наведених потенціалів U_з, яка, в свою чергу, стане завадою для сигналу. Порушення симетричності приводить до розбалансування напруги наведення, і, як наслідок, сприяє паразитним впливам на сигнал в кабелі. Реальна вита пара в дійсності не є симетричним електричним колом, а механічні пошкодження при прокладанні і експлуатації кабелю призводять до додаткової втрати симетричності. Обмотки трансформаторів, підключені до витої пари повинні мати хвильовий опір, рівний імпедансу пари.

Суміщення симетричної передачі (як способу нівелювання рівня наведених шумів) і екранування дозволяє створити кращий захист провідників від впливу зовнішніх факторів, ніж одиночне екранування. В багатьох випадках з метою здешевлення вартості ліній зв’язку і спрощення монтажних робіт при прокладанні мережі використовують неекранований кабель, захист в якому забезпечується лише симетрією провідників.

Оскільки в кабелі завжди присутні декілька пар провідників, то у них, на відміну від волоконно-оптичних і коаксіальних кабелів, завжди мають місце перехресні індуктивні наведення або взаємний вплив електричних кіл, які утворюють виті пари. Високочастотний сигнал в одній парі індукує (наводить) в інших парах кабелю струми і напругу, яка пропорційна потужності сигналу і створює перехідні завади (шуми). Цей ефект залежить від конструкції і взаємного розміщення пар, якості виготовлення окремих пар і всього кабелю в цілому і прогресує зі зростанням частоти сигналу. Здатність кабелю протистояти перехресному наведенню характеризується параметрами NEXT loss (Near End Crosstalk loss) ‑ послаблення перехресного наведення на ближньому кінці кабелю і FEXT loss (Far End Crosstalk loss) ‑ послаблення перехресного наведення на його дальньому кінці, а також їхніми похідними параметрами і є другим найвпливовішим фактором, обмежуючим верхню границю смуги пропускання кабелю.

На сигнал у кабелі вита пара також можуть впливати зовнішні чинники, які створюють досить сильні електромагнітні поля, здатні індукувати у витих парах значні наведені потенціали U_з. Якщо не використовувати екранування, то зовнішні фактори можуть суттєво впливати на якість ліній зв’язку, аж до його припинення. Створюване ними електромагнітне випромінювання поділяється на низькочастотне до 150 кГц (електропроводка, інші кабелі, лампи денного світла, електродвигуни, електрозварювання тощо), середньочастотне від 150 кГц до 20 МГц (комп’ютери, принтери, ксерокси) та високочастотне від 20 МГц до 1 ГГц (телевізійні передавачі, мікрохвильові печі).