Основные характеристики электрических кабелей
Основными параметрами электрических кабелей, представляющими практический интерес и нормируемыми действующими редакциями стандартов, являются:
● затухание (коэффициент затухания);
● перекрестные наводки на ближнем конце (NEXT) и дальнем конце (FEXT);
● импеданс (волновое сопротивление);
● активное сопротивление;
● емкость;
● диаметр или площадь сечения проводника.
Напомним, затухание сигнала - уменьшение мощности (амплитуды) сигнала при передаче между двумя точками. Оно является одним из основных параметров, учитываемых при проектировании канала связи и расчета максимальной длины кабеля. Затухание измеряется в децибелах на метр [Дб/м] и зависит от частоты сигнала.
Перекрестные наводки на ближнем конце (NEXT) и дальнем конце (FEXT) являются результатом интерференции сигналов, передаваемых по соседним парам проводников. Значения NEXT и FEXT зависят от частоты сигнала.
Перекрестные наводки на ближнем конце (NEXT) вычисляются на том конце кабеля, где находится передатчик как отношение мощности входного сигнала к мощности наведенного сигнала. Они измеряются в децибелах [Дб] для определенной частоты сигнала.
Чем больше абсолютное значение NEXT (по модулю, т.к. значение этого параметра отрицательное), тем меньше уровень наводок от соседних пар.
Т.к. при передаче на большие расстояния сигнал ослабевает, то перекрестные наводки на дальнем конце (FEXT) создают меньше наводок, чем NEXT. Отсюда можно сделать вывод, что NEXT является более важным параметром, чем FEXT, т.е. его значение в большей мере сказывается на качестве передачи сигналов.
Рис. 3.32 Перекрестные наводки
Импеданс – это полное (активное и реактивное) сопротивление в электрической цепи, измеряется в Омах и является относительно постоянной величиной для кабельных систем (в области высоких частот (свыше 100 МГц) импеданс зависит от частоты). Резкие изменения импеданса по длине кабеля могут вызывать процессы внутреннего отражения, приводящие к возникновению стоячих волн. Из-за этого узлы, находящиеся вблизи источника стоячей волны, не будут получать адресованные им данные.
Активное сопротивление – это сопротивление постоянному току в электрической цепи. В отличие от импеданса активное сопротивление не зависит от частоты и возрастает с увеличением длины кабеля. Измеряется в Омах.
Емкость– это свойство металлических проводников накапливать электрическую энергию. Этот параметр является нежелательным. Чем меньше значение емкости в кабеле, тем лучше, т.к. высокое значение приводит к искажению сигнала и ограничивает полосу пропускания канала связи.
Диаметр или площадь сечения проводника. В европейских и международных стандартах диаметр проводника указывается в миллиметрах. В современных компьютерных сетях для медных проводников принято использовать американскую систему маркирования AWG (American Wire Gauge, американский калибр проводов), которая вводит некоторые условные типы проводников, например: наиболее употребительные 22AWG, 24AWG, 26AWG. Чем меньше номер AWG, тем больше диаметр проводника и ниже его сопротивление.
Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель(Coaxial cable) – электрический кабель, состоящий из соосно-расположенных центрального проводника и экрана, и служащий для передачи высокочастотных сигналов. Он характеризуется высокой помехозащищенностью и малым затуханием сигналов.
Коаксиальный кабель содержит внутренний проводник, представляющий собой монолитный медный провод или скрученный провод.
Внутренний проводник окружает изолирующая пластиковая оболочка (диэлектрик), вокруг которой находится внешний проводник. Внешний проводник представляет собой фольгу, служащую экраном от электромагнитных помех покрытую медной оплеткой. Снаружи кабель защищен жесткой пластиковой трубкой, формирующей его внешнюю оболочку (рисунок 3.33).
Рис. 3.33 Коаксиальный кабель
В локальных сетях использовались два типа коаксиального кабеля – «тонкий» и «толстый».
«Толстый» кабель RG-8 и RG-11 с волновым сопротивлением 50 Ом разработан для сетей Ethernet 10BASE5. Он имеет хорошую помехозащищенность и небольшое затухание, благодаря чему его можно использовать для передачи данных на большие расстояния. Его диаметр около 12 мм, расстояние передачи до 500 м. Однако в отличие от «тонкого» он дороже, плохо гнется и требует более сложного монтажа.
«Тонкий» кабель RG-58 был разработан для сетей Ethernet 10BASE2. Он обладает меньшей помехозащищенностью по сравнению с «толстым», но более гибкий и дешевый. Диаметр кабеля составляет около 6 мм, волновое сопротивление 50 Ом и расстояние передачи до 185 м.
В настоящее время коаксиальный кабель (RG-59) используется в основном для передачи телевизионных сигналов.
Одной из разновидностей коаксиального кабеля является твинаксиальный кабель (Twinaxial cable).
Твинаксиальный кабель – это высококачественный электрический кабель, похожий по конструкции на коаксиальный кабель, но содержащий два внутренних проводника. Диаметр проводников кабеля лежит в диапазоне от 30 AWG до 24 AWG. Его волновое сопротивление 100 Ом.
Рис. 3.34 Твинаксиальный кабель
Изначально твинаксиальный кабель был разработан для применения в сетях Gigabit Ethernet спецификации 1000BASE-CX для передачи данных на короткие расстояния (до 25 м). В настоящее время он широко используется для передачи данных на небольшие расстояния в высокоскоростных сетях Ethernet cпецификаций 10GBASE-CX4, 40GBASE-CR4 и 100GBASE-CR10.
Для достижения наилучших характеристик производительности рекомендуется, чтобы твинаксиальные кабели для сетей спецификаций 10GBASE-CX4, 40GBASE-CR4 и 100GBASE-CR10 имели заводскую терминацию. Для этих целей производители сетевого оборудования выпускают пассивные или активные кабельные сборки, которые состоят из твинаксиального кабеля (или нескольких твинаксиальных кабелей), к концам которого напрямую подключены трансиверы SFP+ и/или QSFP+ , разъемы InfiniBand.
Рис. 3.35 Пассивный твинаксиальный кабель для прямого подключения с трансиверами QSFP + длиной 3 метра
Кабель на основе витой пары
Витая пара (twisted pair) – изолированные проводники, попарно скрученные между собой с необходимым числом раз на единицу длины и заключенные в пластиковую оболочку.
Как уже отмечалось, попарное скручивание проводов позволяет уменьшить воздействие перекрестных помех, так как электромагнитные волны, излучаемые каждым проводом, взаимно гасятся. Шаг скрутки для разных пар различен и определен в стандартах.
Витая пара - самый распространенный тип кабеля в телефонии и локальных компьютерных сетях благодаря своей дешевизне и простоте установки.
Кабель, как правило, содержит несколько витых пар: обычно в пучке 2, 4, 6, 8, 25, 50 или 100 пар. Для локальных сетей чаще всего используются кабели с четырьмя парами.
Проводники в парах изготавливаются из меди. Они могут быть цельными (из одного провода) или скрученными (из множества тесно прилегающих друг к другу тонких проводков). Толщина проводников составляет от 0,4 до 0,6 мм в метрической системе и от 26 до 22 AWG в американской системе AWG соответственно. В стандартных 4-х парных кабелях в основном используются проводники диаметром 0,51 мм (24 AWG).
Проводники помещены в оболочку из поливинилхлорида (PVC), полипропилена (PP) или полиэтилена (PE). Особенно качественные кабели имеют изоляцию из вспененного (ячеистого) полиэтилена, который обеспечивает низкие диэлектрические потери, или тефлона, обеспечивающего широкий рабочий диапазон температур.
Существуют два основных типа кабелей на основе витой пары:
● неэкранированная витая пара (UTP, Unshielded Twisted Pair);
● экранированная витая пара (STP, Shielded Twisted Pair).
Как следует из названия, неэкранированный кабель не имеет дополнительного экрана, обеспечивающего защиту от электромагнитных наводок и несанкционированного подслушивания.
Рис. 3.36 Кабель UTP
Экранированные кабели имеют дополнительную защиту. В зависимости от используемой технологии существует несколько разновидностей кабелей на основе экранированной витой пары.
● экранированная витая пара (STP, Shielded Twisted Pair);
● защищенная витая пара (ScTP, Screened Twisted Pair);
● защищенная экранированная витая пара (SSTP, Screened Shielded Twisted Pair).
В экранированных кабелях STP (U/FTP (Unshielded/Foiled Twisted Pair) в терминологии ISO/IEC 11801) каждая пара скрученных медных проводов для уменьшения помех и взаимных наводок покрыта дополнительным защитным экраном из фольги.
Рис. 3.37Кабель STP
В защищенной витой паре вокруг всех неэкранированных пар имеется один общий внешний экран. Существует несколько разновидностей этого кабеля. В кабеле F/UTP (Foiled/Unshielded Twisted Pair в терминологии ISO/IEC 11801) экран сделан из фольги. В кабеле S/UTP (Shielded/ Unshielded Twisted Pair в терминологии ISO/IEC 11801) экран сделан в виде проволочной оплетки. В кабеле SF/UTP (Shielded Foiled/Unshielded Twisted Pair в терминологии ISO/ IEC 11801) имеется два внешних экрана из фольги и медной оплетки.
Рис. 3.38 Кабель F/UTP
Защищенная экранированная витая пара наилучшим образом защищает от электромагнитной интерференции и перекрестных наводок, т.к. является полностью экранированной. Имеется как отдельный экран вокруг каждой пары проводов, так и общий вокруг всех пар. Существует две разновидности этого кабеля: F/FTP и S/FTP в терминологии ISO/IEC 11801. В кабеле F/FTP (Foiled/Foiled Twisted Pair) экраны вокруг пар и общий экран сделаны из фольги. В кабеле S/FTP (Shielded/Foiled TwistedPair) экраны вокруг пар сделаны из фольги, общий экран – медная оплетка.
Рис. 3.39 Кабель S/FTP
Несмотря на то, что экранирование повышает помехозащищенность, оно делает экранированные кабели дороже и тяжелее по сравнению с неэкранированными. Помимо этого они требуют правильного заземления. Поэтому в локальных сетях, работающих на скоростях 100 или 1000 Мбит/с, применяются в основном неэкранированные кабели. Однако стоит отметить, что для высокоскоростных сетей 10 Гбит/с, 40 Гбит/с, 100 Гбит/с стандарты определяют использование только экранированных кабелей.
Кабели на основе витой пары подразделяются на категории в зависимости от своей полосы пропускания. При этом, чем выше категория, тем большую полосу пропускания имеет кабель и тем лучше его характеристики.
Эти категории определяются в американском стандарте EIA/TIA-568 и в международном стандарте ISO/IEC 11801. В настоящее время определено 7 категорий кабеля, категория 8 находится в разработке. Описание категорий приведено в таблице 3.2.
Для неэкранированных кабелей в стандарте EIA/TIA-568 определены категории 3, 4, 5, 5е, 6, в стандарте ISO/IEC 11801 классы A, B, C, D, Е. Для экранированных кабелей в стандарте EIA/TIA-568 определены категории 6а, 7, 7а, в стандарте ISO/IEC 11801 классы Ea, F, Fa.
Максимальное расстояние передачи по кабелю на основе витой пары равно 100 м, если не существует каких-либо ограничений соответствующего стандарта. Волновое сопротивление у кабелей витой пары всех типов и категорий – 100 Ом. Остальные параметры, такие как затухание, NEXT, скорость распространения сигнала в линии и др. отличаются для различных категорий кабеля.
Таблица 3.2 Категории кабелей на основе витой пары
| Название EIA/TIA-568 | Название ISO/IEC 11801 | Полоса частот (МГц) | Приложения | Дополнения и комментарии |
| - | Class A | до 100 КГц | xDSL | Телефонный кабель. Используется только для передачи голоса или данных при помощи аналогового или ADSL-модема. |
| - | Class B | до 1 МГц | ISDN, 1BASE5 | Сейчас не используется |
| Category 3 (Cat. 3) | Class C | до 16 МГц | Token Ring 10BASE-T | 2-х парный кабель UTP. Основное применение - передача голоса |
| Category 4 (Cat. 4) | до 20 МГц | Token Ring 10BASE-T 100BASE-T | 4-х парный кабель UTP. В дальнейшем не рассматривается. | |
| Category 5 (Cat. 5) | Class D | до 100 МГц | 10BASE-T, 100BASE-TX (2 пары ) 1000BASE-T (4 пары) | 4-х парный кабель UTP. В дальнейшем не рассматривается. |
| Category 5e (Cat. 5е) | до 125 МГц | 10BASE-T, 100BASE-TX (2 пары ) 1000BASE-T (4 пары ) | 4-х парный кабель UTP. Наиболее распространен в современных сетях. | |
| Category 6 (Cat. 6) | Class E | до 250 МГц | 1000BASE-T 10GBASE-T | 4-х парный кабель UTP. Ограничивает максимальное расстояние передачи для 10GBASE-T до 55 м. |
| Category 6а (Cat. 6а) | Class Ea | до 500 МГц | 1000BASE-T 10GBASE-T | 4-х парный кабель U/FTP, F/UTP. |
| Category 7 (Cat. 7) | Class F | до 600 МГц | 1000BASE-T 10GBASE-T | 4-х парный кабель F/FTP, S/FTP. |
| Category 7 (Cat. 7a) | Class Fa | До 1000 МГц | 1000BASE-T 10GBASE-T | 4-х парный кабель F/FTP, S/FTP. |
Для подключения кабеля на основе витой пары к сетевым устройствам используется разъем 8P8C (8 Position 8 Contact). Данный разъем также называют RJ-45. Несмотря на ошибочность этого названия (настоящий RJ-45 – это разъем 8P2C), разъем 8P8C в силу внешнего сходства унаследовал от настоящего RJ-45 его название, которое и закрепилось за 8P8C. Далее мы тоже будем использовать термин RJ-45. В настоящее время этот разъем используется как для неэкранированной, так и для экранированной витой пары.
Рис. 3.40 Кабель UTP Cat. 5е с разъемами 8P8C (RJ-45)
Рис. 3.41 Кабель U/FTP Cat. 6a с разъемами 8P8C (RJ-45)
Рассмотрим способы обжима разъема 8P8C на кабеле. Нумерация контактов разъема задается слева направо со стороны самих контактов (рисунок 3.42).
Рис. 3.42 Нумерация контактов RJ-45
Последовательность расположения пар проводников в разъеме определяется стандартами EIA/TIA-568A и EIA/TIA-568В (рисунок 3.43). Каждая пара в кабеле имеет свой цвет, при этом один проводник в паре окрашен полностью в этот цвет, а второй полосатый.
Стандарт EIA/TIA-568A определяет следующее соответствие проводников контактам разъема: 1 – бело-зеленый, 2 – зеленый, 3 – бело-оранжевый, 4 – синий, 5 – бело-синий, 6 – оранжевый, 7 – бело-коричневый, 8 – коричневый.
Стандарт EIA/TIA-568B определяет следующее соответствие проводников контактам разъема: 1 – бело-оранжевый, 2 – оранжевый, 3 – бело-зеленый, 4 – синий, 5 – бело-синий, 6 – зеленый, 7 – бело-коричневый, 8 – коричневый.
Отличаются две схемы друг от друга расположением оранжевой и зеленой пары, которые меняются местами.
Рис. 3.43 Последовательность расположения проводников в разъеме
В зависимости от схемы расположения проводников в разъемах с двух сторон кабеля, кабели на основе витой пары делятся на:
● Прямые(straight through cable) – витая пара с обеих сторон обжата одинаково, без перекрещивания пар внутри кабеля.
Рис. 3.44 Прямой кабель витая пара
● Перекрестные(crossover cable) – инвертированная разводка контактов с перекрещиванием пар внутри кабеля.
Рис. 3.45 Перекрестный кабель витая пара
Существует три типа интерфейсов (портов) Ethernet с разъемом 8P8C (RJ-45):
● MDI(Medium Dependent Interface) – зависимый от физической среды интерфейс.
● MDI-X(Medium Dependent Interface crossover) – зависимый от физической среды интерфейс, с перекрещиванием.
● Auto MDI/MDI-X– интерфейс с автоматическим определением конфигурации MDI или MDI-X.
Отличаются эти типы интерфейсов тем, что используют разные контакты для приема и передачи сигнала.
Как правило, MDI – это порт абонентского устройства (например, сетевой карты компьютера), в котором контакты 1 и 2 используются для передачи (Tx) данных, 3 и 6 – для приема (Rx).
Порт MDI-X используется в концентраторах, коммутаторах, маршрутизаторах. У него контакты 1 и 2 используются для приема (Rx) данных, 3 и 6 – для передачи (Tx).
Для соединения портов MDI–MDI-X (компьютер-коммутатор) применяют прямой кабель, а для соединений портов MDI–MDI (компьютер-компьютер) и MDI-X–MDI-X — перекрестный.
Сегодня практически все производители сетевого оборудования оснащают Ethernet-порты поддержкой функции автоматического определения полярности Auto MDI/MDI-X, благодаря которой можно использовать любой кабель (как прямой, так и перекрестный) для соединения оборудования. Функция Auto MDI/MDI-X является частью стандарта IEEE 802.3-2012.
Рис. 3.46 Ethernet-порты MDI и MDI-X
Стоит отметить, что витая пара применяется не только для приема и передачи данных. В сети Ethernet она может использоваться для передачи электрической энергии удаленному устройству одновременно с данными. Эта технология называется Power over Ethernet (PoE) и описывается стандартами IEEE 802.3af-2003 и IEEE 802.3at-2009, которые в настоящее время являются частью стандарта IEEE 802.3-2012. Технология РоЕ будет рассмотрена в главе 6.