Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)
Кабельные каналы для целей телекоммуникаций исторически использовались первыми. Да и сегодня по суммарной длине они превосходят даже спутниковые каналы. Основную долю этих каналов, насчитывающих многие сотни тысяч километров, составляют телефонные медные кабели. Эти кабели содержат десятки или даже сотни скрученных пар проводов. Полоса пропускания таких кабелей обычно составляет 3-3,5 кГц при длине 2-10 км. Эта полоса диктовалась ранее нуждами аналогового голосового обмена в рамках коммутируемой телефонной сети. C учетом возрастающих требованиям к широкополосности каналов скрученные пары проводов пытались заменить коаксиальными кабелями, которые имеют полосу от 100 до 500 МГц (до 1 Гбит/с), и даже полыми волноводами. Именно коаксиальные кабели стали в начале транспортной средой локальных сетей ЭВМ (10base-5 и 10base-2; см. рис. 3.1.1).
Свойства коаксиальных кабелей
Рис. 3.1.1. 1 — центральный проводник; 2 — изолятор; 3 — проводник-экран; внешний изолятор
Коаксиальная система проводников из-за своей симметричности вызывает минимальное внешнее электромагнитное излучение. Сигнал распространяется по центральной медной жиле, контур тока замыкается через внешний экранный провод. При заземлении экрана в нескольких точках по нему начинают протекать выравнивающие токи (ведь разные “земли” обычно имеют неравные потенциалы). Такие токи могут стать причиной внешних наводок (иной раз достаточных для выхода из строя интерфейсного оборудования), именно это обстоятельство является причиной требования заземления кабеля локальной сети только в одной точке. Наибольшее распространение получили кабели с волновым сопротивлением 50 ом. Это связано с тем, что эти кабели из-за относительно толстой центральной жилы характеризуются минимальным ослаблением сигнала (волновое сопротивление пропорционально логарифму отношения диаметров внешнего и внутреннего проводников). Но по мере развития технологии скрученные пары смогли вытеснить из этой области коаксиальные кабели. Это произошло, когда полоса пропускания скрученных пар достигла 200-350 МГц при длине 100м (неэкранированные и экранированные скрученные пары категории 5 и 6), а цены на единицу длины сравнялись. Скрученные пары проводников позволяют использовать биполярные приемники, что делает систему менее уязвимой (по сравнению с коаксиальными кабелями) к внешним наводкам. Но основополагающей причиной вытеснения коаксиальных кабелей явилась относительная дешевизна скрученных пар. Скрученные пары бывают одинарными, объединенными в многопарный кабель или оформленными в виде плоского ленточного кабеля. Применение проводов сети переменного тока для локальных сетей и передачи данных допустимо для весьма ограниченных расстояний.
Если коаксиальный кабель имеет досточно большую длину и, например, проходит из одного здания в другое, имеющие разные заземления, возможно формирование наводки. Пусть L — индуктивность оплетки кабеля, а r — сопротивление оплетки, и по оплетке протекает импульсный ток i, тогда на вход приемника может попасть наводка с амплитудой D V=L(di/dt)+ir. Смотри рис. 3.1.1А.
Рис. 3.1.1А. Формирование наводки в коаксиальном кабеле
В таблице 3.1.1 приведены характеристики каналов, базирующихся на обычном и широкополосном коаксиальном кабелях.
| Стандартный кабель | Широкополосный | |
| Максимальная длина канала | 2 км | 10 — 15 км |
| Скорость передачи данных | 1 — 50 Мбит/с | 100 — 140 Мбит/с |
| Режим передачи | полудуплекс | дуплекс |
| Ослабление влияния электромагнитных и радиочастотных наводок | 50 дБ | 85 дБ |
| Число подключений |
На рис. 3.1.2 показана зависимость ослабления кабеля (внешний диаметр 0,95 см) от частоты передаваемого сигнала.
При диагностировании сетей не всегда под руками может оказаться настоящий сетевой тестер типа WaveTek, и часто приходится довольствоваться обычным авометром. В этом случае может оказаться полезной таблица 3.1.2, где приведены удельные сопротивления используемых сетевых кабелей. Произведя измерение сопротивления сегмента, вы можете оценить его длину.
| Коаксиальный кабель с полосой пропускания 500 МГц при ограниченной длине может обеспечить скорость передачи несколько Гбит/сек. Предельные расстояния, для которых может быть применен кабель, составляют 10-15 км. |
Зависимость ослабления сигнала в кабеле от его частоты
Рис. 3.1.2. Зависимость ослабления сигнала в кабеле от его частоты
Таблица 3.1.2 Сопротивление кабеля по постоянному току
| Коаксиал | Ом/сегмент | Максимальная длина сегмента |
| 10BASE5 | 5 | 500 м |
| 10BASE2 | 10 | 185 м |
Эти данные взяты из Handbook of LAN Cable Testing. Wavetek Corporation, California
.
| Скрученная пара | Ом/100 м |
| 24 AWG | 18,8 |
| 22 AWG | 11,8 |
Новые европейские стандарты для скрученных пар
Таблица 3.1.3. Новые европейские стандарты для скрученных пар (CENELEC)
| Стандарт | Назначение | Экран | Полоса пропускания |
| EN 50288-2-1 | Для магистральной прокладки | + |
Категории кабелей со скрученными парами
Таблица 3.1.3A. Обзор категорий кабелей со скрученными парами проводов (ISO/IEC 11801 = EN 50173)
| Категория | Полоса пропускания | Применения |
| 3 | до 16 МГц | Ethernet, Token Ring, телефон |
| 4 | до 20 МГц | Ethernet, Token Ring, телефон |
| 5 | до 100 МГц | Ethernet, ATM, FE,Token Ring, телефон |
| 6 | до 200/250 МГц | GigaEthernet,Ethernet, FE, ATM, Token Ring |
| 7 | до 600 МГц | GigaEthernet,Ethernet, FE, ATM, Token Ring |
Обзор классов соединений ISO/IEC 11801
Таблица 3.1.3A1. Обзор классов соединений согласно требованиям ISO/IEC 11801 (EN 50173)
| Класс | Категория | Применение | A | Голос и сетевые приложения до 100 кГц | B | Информационные приложения до 1 МГц | С | 4 | Информационные приложения до 16 МГц | D | 5-5e | Информационные приложения до 100 МГц | E | 6 | Информационные приложения до 200/250 МГц | F | 7 | Информационные приложения до 600 МГц | LWL | Информационные приложения от 10 МГц |
Новые европейские стандарты на разъемы для скрученных пар
Таблица 3.1.3Б. Новые европейские стандарты на разъемы для скрученных пар (CENELEC)
| Стандарт | Экран | Полоса пропускания |
| EN 60603-7-2 | — |
Конкретные зависимости сигнала NEXT от частоты и длины кабеля в децибелах представлены в таблице ниже (LANline Special IV, 2002 p. 26). Данные соответствуют европейскому кабелю категории 5 EN 61935-2 и американскому категории 6 TIA/EIA-568-B.2-1).
| Частота [МГц] |
Ослабление для кабеля категории 5 [дБ] | Ослабление для кабеля категории 6 [дБ] | ||||
| Кабель 2 м | Кабель 5 м | Кабель 10 м | Кабель 2 м | Кабель 5 м | Кабель 10 м | |
| 1 | 72.9 | 71.6 | 70.1 | 65.0 | 65.0 | 65.0 |
| 4 | 61.0 | 59.7 | 58.4 | 65.0 | 65.0 | 65.0 |
| 16 | 49.1 | 48.0 | 46.9 | 62.0 | 60.5 | 59.0 |
| 62.5 | 37.6 | 36.8 | 36.0 | 50.4 | 49.2 | 48.1 |
| 100.0 | 33.7 | 33.0 | 32.5 | 46.4 | 45.3 | 44.4 |
| 200.0 | 43.0 | 42.1 | 41.4 | |||
| 250.0 | 38.8 | 38.1 | 37.6 | |||
Данные, приведенные в таблице 3.1.2, могут использоваться для оперативной предварительной оценки качества кабельного сегмента (соответствует стандарту EIA/TIA 568, 1991 год). Частотные характеристики неэкранированных пар категории 6 представлены в табл. 3.1.5`.
Таблица 3.1.5 . Параметры неэкранированных пар категории 6
| Частота, МГц | Затухание, дБ/100м | NEXT, дБ | ACR, дБ/100м |
| 1 | 2,3 | 62 | 60 |
| 10 | 6,9 | 47 | 41 |
| 100 | 23,0 | 38 | 23 |
| 300 | 46,8 | 31 | 4 |
ACR — Attenuation-to-Crosstalk Ratio.
NEXT — Near End CrossTalk.
Кабели, изготовленные из скрученных пар категории 5 (волновое сопротивление 100,15 Ом), с полосой 100 Мгц обеспечивают пропускную способность при передаче сигналов ATM 155 Мбит/с. При 4 скрученных парах это позволяет осуществлять передачу до 622 Мбит/с. Кабели категории 6 сертифицируются до частот 300 Мгц, а экранированные и до 600 Мгц (волновое сопротивление 100 Ом). В таблице 3.1.6 приведены данные по затуханию и перекрестным наводкам. Приведены характеристики такого кабеля с 4-мя скрученными экранированными парами (S-FTP).
| Частота, МГц | Затухание, дБ/100м | NEXT, дБ | ACR, дБ/100м |
| 1 | 2,1 | 80 | 77,9 |
| 10 | 6,0 | 80 | 74 |
| 100 | 19,0 | 70 | 51 |
| 300 | 33,0 | 70 | 37 |
| 600 | 50 | 60 | 10 |
Наводки NEXT
NEXT — Near End Cross Talk — перекрестные наводки ближнего конца кабеля.
ACR — Attenuation-to Crosstalk Ratio.
Такой кабель пригоден для передачи информации со скоростью более 1 Гбит/с. ACR — Attenuation-to-Crosstalk Ratio (отношение ослабления к относительной величине перекресных наводок).
Ниже на рис. 3.1.3 показана зависимость наводок на ближнем конце кабеля, содержащего скрученные пары, (NEXT — Near End CrossTalk) от частоты передаваемого сигнала.
Рис. 3.1.3. Зависимость наводок NEXT от частоты передаваемого сигнала.
На рис. 3.1.4 представлена зависимость ослабления сигнала в неэкранированной скрученной паре (именно такие кабели наиболее часто используются для локальных сетей) от частоты передаваемого сигнала. Следует иметь в виду, что при частотах в области сотен мегагерц и выше существенный вклад начинает давать поглощение в диэлектрике. Таким образом, даже если проводники изготовить из чистого золота, существенного продвижения по полосе пропускания достичь не удастся.
Зависимость ослабления сигнала от частоты для неэкранированной скрученной пары
Рис. 3.1.4. Зависимость ослабления сигнала от частоты для неэкранированной скрученной пары
Для неэкранированной скрученной пары 5-ой категории зависимость отношения сигнал-шум от длины с учетом ослабления и наводок NEXT показана на рис. 3.1.5.
Рис. 3.1.5 Зависимость отношения сигнал/шум от частоты с учетом ослабления и наводок на ближнем конце кабеля
Характеристики неэкранированных скрученных пар американского стандарта 24 AWG (приведены характеристики кабелей, используемых при построении локальных сетей) для кабелей различной категории собраны в таблице 3.1.7, а частотные свойства кабелей классов E и F показаны на рис. 3.1.6 и 3.1.7 (ISO/IEC 11801:2002). Некоторые данные, важные при использовании скрученных пар для целей 1000Base-T и 10GBase-T, можно найти в разделе FAST Ethernet.
Рис. 3.1.6. Зависимость частотных свойст кабелей класса Е, а также NEXT, FEXT, Return Loss и Insertion Loss от частоты
Рис. 3.1.7. Зависимость частотных свойст кабелей класса F, а также NEXT, FEXT, Return Loss и Insertion Loss от частоты
| Категория кабеля | Сопротивление по постоянному току (L=300м) | Ослабление [дБ] | NEXT [дБ] |
| III | 28,4 | 17 @ 4 МГц 30 @ 10 МГц 40 @ 16 МГц |
32 @ 4 МГц 26 @ 10 МГц 23 @ 16 МГц |
| IV | 28,4 | 13 @ 4 МГц 22 @ 10 МГц 27 @ 16 МГц 31 @ 20 МГц |
47 @ 4 МГц 41 @ 10 МГц 38 @ 16 МГц 36 @ 20 МГц |
| V | 28,4 | 13 @ 4 МГц 20 @ 10 МГц 25 @ 16 МГц 28 @ 20 МГц 67 @ 100 МГц |
53 @ 4 МГц 47 @ 10 МГц 44 @ 16 МГц 42 @ 20 МГц 32 @ 100 МГц |
Новые Ethernet протоколы 1000BASE-T и 10GBASE-T требуют применения скрученных пар существенно более высокого качества (с большей полосой пропускания, с более низкими уровнями NEXT и FEXT). Передача в этом случае производится по четырем скрученным парам одновременно. (Смотри ieee802.3/10GBT.) Предполагается, что эта технология станет стандартной в первой половине 2006 года и станет частью спецификации IEEE 803.3ae. Требования к кабелю определяются документом ISO/IEC-11801:2002 для классов D или выше.
Подводя итоги можно сказать, что при расстояниях до 100 метров с успехом могут использоваться скрученные пары и коаксиальные кабели, обеспечивая полосу пропускания до 150 Мбит/с, при больших расстояниях или более высоких частотах передачи оптоволоконный кабель предпочтительнее. При расстояниях в 10-20 метров с помощью скрученной пары можно достичь полосы пропускания до 1 Гбит/с. Если расстояние между ЭВМ не превышает нескольких сотен метров, коаксиальный кабель позволяет без труда получить 10 7 -10 8 бит/c при вероятности ошибке 10 -12 -10 -13 . Связь через коммутируемую телефонную линию допускает скорость обмена
10 4 бит/с при вероятности ошибки 10 -5 . Следует заметить, что работа с кабелями предполагает необходимость доступа к системе канализации (иногда это требует специальных лицензий; а там часто размещаются усилители-повторители). Кабельное хозяйство требует обслуживания. В этом отношении радиоканалы предпочтительнее, ведь случаев коррозии электромагнитных волн не зарегистрировано, да и крысы их не грызут. Справедливости ради отмечу, что здесь серьезную угрозу представляют корыстолюбивые бюрократы, ответственные за выдачу лицензий, а они пострашнее крыс.
Расчёт производится на основе данных, полученных от компаний — производителей кабельной продукции.
Полученные результаты справедливы только для новых коаксиальных кабелей. Параметры кабелей после нескольких лет хранения или эксплуатации ухудшаются, как правило, в 1,5 — 2 раза (необходимо учитывать при расчётах) — это зависит от конструкции и материала из которого изготовлен кабель, например:
| Марка кабеля | ГОСТ | Волновое сопр. новый кабель | Волновое сопр. при эксплуатации | Затухание новый кабель 3ГГц | Затухание при эксплуатации 3ГГц |
|---|---|---|---|---|---|
| РК75-4-12 | 11326.9-79 | 75±2,5 ом | 75±5 ом | 0,9 дБ/м | 1,75 дБ/м |
| РК75-4-21 | 11326.42-79 | 75±3,0 ом | 75±5 ом | 0,9 дБ/м | 1,30 дБ/м |
В связи с нелинейностью частотных характеристик коаксиальных кабелей точность расчётов по затуханию сигнала составляет примерно ±10% (±0,8 дБ).
Пожелания, замечания, рекомендации по улучшению раздела расчётов на нашем сайте просьба присылать по электронной почте support@ivtechno.ru
Разрешается копирование java-скриптов при условии ссылки на источник.
Линии передачи являются одной из важных частей разветвленных систем и сетей. Они должны обеспечить надежную связь между устройствами, формирующими сигналы в сети, и аппаратурой, принимающей эти сигналы. Развитие телекоммуникационного оборудования содействовало прогрессу в области разработки и производства коаксиальных линий передачи, предназначенных для работы в ВЧ и СВЧ диапазонах. Коаксиальные кабели торговой марки Uniflex, производимые фирмой Digicom (США), имеют хорошие технические характеристики, высокие эксплуатационные параметры, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным линиям передачи телевизионных и радиосигналов.
рис.1. Конструкция кабеля. Центральный проводник
Изолирующий диэлектрик (PEE)
Фольга
Оплетка
Защитная оплетка (термопласт)
Улучшение качественных показателей коаксиальных линий передачи обусловлено применением широкополосных технологий в кабельных сетях, использующих частотный диапазон 5-900 МГц, освоением диапазона частот 950-2700 МГц для передачи сигналов ПЧ спутникового вещания и MMDS. Увеличение числа наземных эфирных вещательных станций (телевизионных, радио, телеметрических, сотовой связи) диктует необходимость защиты линий передачи сигналов от антенных систем и кабельных сетей от внешних источников помех, а также уменьшения уровня ВЧ мощности, излучаемой кабелем в эфир. Поскольку работы по монтажу и ремонту разветвленных кабельных сетей требуют больших капиталовложений, линии передачи должны иметь конструктивные параметры, обеспечивающие устойчивость к различным видам механических напряжений и деформаций, а также высокую эксплуатационную надежность, гарантирующую их работу в тяжелых условиях при воздействии активных веществ и изменении климатического фона.
Конструкция кабелей Uniflex
Коаксиальная линия передачи (часто используется термин "коаксиальный кабель") представляет собой два металлических проводника цилиндрической формы, расположенных один внутри другого так, что их оси совпадают. Пространство между ними заполнено изолирующим диэлектриком. Внешний проводник окружен непроводящей оболочкой, обеспечивающей защиту от воздействия окружающей среды. Основными достоинствами коаксиальной линии являются следующие:
- отсутствие потерь на вихревые токи и джоулево тепло в окружающих металлических частях;
- минимальное мешающее влияние коаксиальной линии на соседние цепи и малая подверженность помехам извне;
- возможность передачи широкого спектра частот сигналов.
К недостаткам можно отнести малую защищенность от помех в области нижних частот (до 60 кГц).
Электромагнитное поле в коаксиальной линии заключено в пространстве между центральным и внешним проводниками. При передаче по коаксиальному кабелю высокочастотной энергии по проводникам текут переменные токи, которые благодаря скин-эффекту сосредоточены в тонком слое металла (единицы микрометров), причем толщина этого слоя уменьшается с ростом частоты сигнала. Ток, возбуждаемый источником сигнала, протекает по внутренней поверхности оплетки. Токи, создаваемые внешними источниками (помехи), протекают по наружной поверхности оплетки.
Параметрами, характеризующими геометрию коаксиального кабеля, являются:
- диаметр центрального проводника d;
- внутренний диаметр оболочки (оплетки) D;
- наружный диаметр защитной термопластовой оболочки B.
Конструкция коаксиального кабеля марки Uniflex представлена на рис.1. Внутренний (центральный) проводник изготовлен (в зависимости от типа кабеля) из меди (Cu) или из стали, плакированной медью (CCS). Использование стального омедненного проводника повышает прочность кабеля и надежность соединений. Слой изолирующего диэлектрика, имеющего диэлектрическую проницаемость e = 1.49, выполнен из физически вспененного полиэтилена (PEE). Применение этого материала позволяет уменьшить потери, связанные с поляризацией диэлектрика, и снизить погонное затухание ВЧ-сигнала в кабеле. Изолирующий слой диэлектрика окружает слой алюминиевой (Al) фольги, усиленной полиэфирной подложкой. Экранирующий проводник (оплетка) выполнен из алюминиевых (Al), медных (Cu) или луженых медных (CuSn) проводников. Такая конструкция оплетки обеспечивает высокий коэффициент экранирования и надежно защищает от внешних источников помех. От воздействия внешней среды кабели Uniflex защищает термопластовая оболочка из PVC или из плотного полиэтилена (PE). Оболочка может быть выполнена из белого или черного термопласта. Наружный диаметр защитной оболочки различных модификаций коаксиальных кабелей Uniflex хорошо согласуется с размерами F-коннекторов, которые используются для соединения линии передачи с промежуточными и оконечными устройствами тракта передачи сигнала. На оболочке нанесены хорошо различимые метровые метки и марка кабеля.
Электрические параметры кабелей Uniflex
Геометрические размеры коаксиального кабеля и применяемые материалы определяют электрические параметры — погонную емкость (C0), погонную индуктивность (L0), погонное активное сопротивление (R0). Эти параметры позволяют рассчитать другие характеристики кабеля.
Волновое сопротивление коаксиального кабеля
Для того чтобы передача сигнала по коаксиальной линии от источника до нагрузки осуществлялась с наибольшей эффективностью, необходимо, чтобы в кабеле был реализован режим бегущей волны. При этом отражения ВЧ-энергии от нагрузки минимальны. Обычно элементы ВЧ-тракта имеют входной импеданс 50 Ом или 75 Ом. Продукция Uniflex представлена моделями коаксиальных кабелей с волновыми сопротивлениями 50 Ом и 75 Ом. Волновое сопротивление коаксиального кабеля Zc может быть определено по известной формуле:
, [Ом]
Возвратные потери в кабеле
При наличии в кабеле неоднородностей, возникших в процессе его изготовления, прокладки или эксплуатации, появляются отражения электромагнитных волн, распространяющихся в коаксиальном кабеле, что приводит к искажениям передаваемого сигнала. На участках, содержащих неоднородности, импеданс кабеля отличается от его значения в остальной части тракта. Возвратные потери характеризуются коэффициентом возвратных потерь R, выраженным в дБ. Он характеризует уровень энергии отраженного сигнала в кабеле и может быть определен через коэффициент стоячей волны в линии — KCBн
, [дБ]
Кабели Uniflex имеют низкий уровень возвратных потерь, обусловленный неоднородностями диэлектрика, что вызвано применением технологии физического вспенивания. Также такой кабель менее чувствителен к механическим факторам, вследствие которых могут возникнуть неоднородности.
| Скорость распространения волны в кабеле |
В частотном диапазоне, для которого предназначены коаксиальные кабели Uniflex, в кабеле распространяется поперечная электромагнитная волна. Скорость ее распространения определяется из соотношения
.
Производитель кабелей Uniflex указывает относительную скорость распространения волны в кабеле, которая демонстрирует, насколько последняя отличается от скорости распространения электромагнитной волны в свободном пространстве,
, [%].
Затухание сигнала в кабеле
Затухание в коаксиальном кабеле складывается из потерь в проводниках, потерь в диэлектрике и потерь на излучение. Последний параметр рассматривается отдельно и характеризует эффективность экранирования.
Общее затухание электромагнитной энергии в кабеле характеризуется величиной затухания Г на отрезке кабеля длиной 100 м
, [дБ/100 м]
где Pin — мощность сигнала на входе кабеля, Pout — мощность сигнала после прохода по кабелю.
Потери в проводниках зависят от частоты сигнала, вследствие уменьшения толщины скин-слоя и соответственного уменьшения проводимости. Использование в кабелях Uniflex высококачественной меди в слое покрытия центрального проводника или для всего центрального проводника позволяет снизить общее затухание в кабеле.
Потери в диэлектрике тоже зависят от частоты сигнала. Мощность потерь в диэлектрике расходуется на переориентацию молекул диэлектрика в ВЧ-поле. С увеличением диэлектрической проницаемости материала мощность потерь также растет. Применение в качестве диэлектрика в кабелях Uniflex физически вспененного полиэтилена позволяет снизить величину потерь в диэлектрике.
Геометрия кабеля также определяет величину затухания. Конструкция кабелей Uniflex рассчитана исходя из оптимального соотношения диаметров центрального и наружного проводников. Значение этой величины должно находиться в диапазоне: 
. У различных типов кабелей Uniflex эта величина принимает значения от 3,6 до 5,7.
Коэффициент экранирования
Эффективность экранирования определяет относительный уровень мощности, излучаемой кабелем в эфир и, одновременно, степень защищенности кабеля от внешних помех. Коэффициент экранирования (выраженный в децибелах) определяется как отношение мощности сигнала внешней помехи к мощности, создаваемой этой помехой в кабеле. Высокая степень экранирования в кабелях Uniflex достигается за счет использования двухслойного комбинированного экрана — алюминиевой фольги и плотной оплетки из витых проводников.
Для измерения электрических характеристик коаксиальных кабелей Uniflex использовались измерители КСВ Р4-11 и Р2-102, измеритель АЧХ Х1-42. Технические характеристики кабелей Uniflex приведены в таблице.
Автор признателен Корпорации Дженерал Сателайт за предоставленные для тестирования образцы кабеля Uniflex. Автор благодарен сотруднику Корпорации Дженерал Сателайт Долгову И.М. за организационную поддержку работы.
