Неэкранированные кабели Категории 5

Несмотря на одинаковость приводимых в документации значений параметров, неэкранированные кабели Категории 5 разных производителей и визуально, и механически, и электрически во многом отличаются.

Еще лет десять назад мало кто ожидал, что неэкранированные симметричные кабели (из витых пар, UTP-cables) будут иметь рабочую полосу частот порядка 100 МГц. Тогда весь упор делался на коаксиальные либо оптические кабели. Исследования Bell Labs привели к тому, что неэкранированные кабели достигли ширины полосы частот 150-200 МГц, и этот рост все еще продолжается (см. LAN, октябрь 1996, с. 57). Сказанное вызывает потребность разобраться в свойствах этих кабелей, поскольку они произвели революцию в кабельных системах. Стоит напомнить, что сначала проводки сетей Ethernet базировались на "толстом" коаксиальном кабеле, позднее - на "тонком", типа RG 58A/U, и лишь в 90-х годах начался массовый переход на четырехпарные кабели.

Современная сетевая проводка на базе неэкранированных симметричных кабелей двинулась вверх по частоте после глубоких научных разработок, проведенных Bell Laboratories в 80-х годах. Динамика увеличения скорости передачи по витым парам продемонстрирована на Рисунке 1. Как видно из графика, увеличение темпа (Data Rate) цифровой передачи составляет три порядка за десятилетие - феномен, как следует до сих пор еще не осмысленный. Недавно были опубликованы новые результаты Bell Laboratories, показывающие возможность передачи информации по четырехпарному кабелю Категории 5 со скоростью 1,8 Гбит/с. Надо подчеркнуть, что такая скорость возможна не по какой-то особенной проводке, а по обыкновенной кабельной системе Категории 5, имеющей рабочую полосу до 100 МГц. Этот результат следует учитывать, выбирая тип кабельной системы для новой инсталляции или для модернизации старой.

Горизонтальные проводки такого вида составляют теперь подавляющее большинство (подробнее в LAN, декабрь 1996, с. 51). Основой их продвижения служат высокие характеристики, достигнутые четырехпарными кабелями, хотя ранние предсказания были совершенно другими. Сказанное выше подводит к тому, чтобы рассмотреть эти кабели более подробно и проанализировать достигнутые параметры.

Основой кабельных систем Категории 5 служат специально разработанные кабели. В распоряжении авторов оказалось около двадцати образцов неэкранированных кабелей различных изготовителей. Было бы неразумно, имея такой богатый набор (и немалый опыт работы в кабельной промышленности), не сделать систематизацию и анализ сложившегося состояния дел. Здесь мы затронем лишь общедоступные изделия (Таблица 1) и рассмотрим параметры влияния - переходное затухание на ближнем конце и разность между переходным и погонным затуханием. Надо отметить, что если первый параметр приводится почти во всех документах, то второй, как более новый, принят не во всех стандартах и далеко не всеми изготовителями четырехпарных кабелей (подробнее о стандартах см. LAN, ноябрь 1996, с. 57). Кроме параметров влияния будут приведены и другие - сопротивление и емкость пар, задержка в линии и т. д.

ТАБЛИЦА 1 - МАРКИРОВКА, НАНЕСЕННАЯ НА ОБОЛОЧКУ ОБРАЗЦА КАБЕЛЯ

КОНСТРУКЦИИ КАБЕЛЕЙ

Все приведенные в Таблице 1 кабели содержат 4 скрученные с различными шагами пары проводов. Сверху они имеют защитную оболочку, предохраняющую витые пары от внешних воздействий. Проводники выполнены из медной проволоки диаметром 0,5 мм и покрыты изоляцией из различных модификаций полиэтилена диаметром 0,9-1 мм. Защитная оболочка у большинства образцов - из поливинилхлорида, но есть кабели с оболочкой из так называемого "малодымного безгалогенного" материала (LSZH - low smoke zero halogen). Какой именно этот материал - обычно не указано.

На вид кабели между собой очень разные. Цвет оболочки - в основном серый, но бывает белый, желтый, красный, голубой, синий. У одних кабелей оболочка довольно толстая, у других - тонкая (около 0,5 мм). Цвета изоляции проводов хотя и выдержаны по стандарту (синий, оранжевый, зеленый и коричневый), но оттенки цветов - самые разные. Гибкость кабелей также отличается. Лучше, конечно, самому все это увидеть и пощупать, но и сказанного выше достаточно. В то же время приводимые в документации на кабели параметры в точности такие, как заданы в стандартах, что, вообще говоря, вызывает сомнение. Материалов, подтверждающих соответствие параметров кабелей предъявляемым требованиям, крайне мало.

Из Таблицы 1 видно, что европейские компании предпочитают проверку качества кабелей в европейской сертифицирующей лаборатории (EC VERIFIED).

В стандарте ANSI/TIA/EIA-568A основными считаются неэкранированные кабели. Экранированные конструкции признаны как дополнительные (альтернативные), поскольку применяют их значительно реже. На это указывает и терминология: если аббревиатура UTP совершенно однозначна (unshielded twisted pair - неэкранированные витые пары), то для экранированных кабелей однозначности нет. В упомянутом выше стандарте кабели из неэкранированных витых пар, с общим вокруг всех четырех пар экраном, называются screened. Такое же обозначение присутствует в маркировке экранированного кабеля фирмы PIC. В то же время на оболочке других экранированных кабелей нанесено слово SHIELDED (т. е. защищенный) - кабели фирм Belden и Mohawk. Подобные же конструкции компании BICC Brand Rex обозначаются FTP (foiled twisted pair), т. е. "фольгированные". Как видим, разнобой в терминологии и маркировке экранированных кабелей все еще имеется (подробнее об этом см. LAN, сентябрь 1996, с. 46).

Упомянутые выше экранированные кабели, как это ясно из описания экрана, имеют защиту только от внешних помех. Сами же скрученные (витые) пары влияют друг на друга не меньше, чем в неэкранированных конструкциях, поэтому и предъявляются высокие требования по симметрии пар относительно внешнего экрана.

СТАНДАРТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Кабели Категории 5 имеют по стандартам рабочую полосу частот от 0,064 до 100 МГц. Недавно стали говорить (и писать) о том, что для передачи сигналов АТМ следовало бы расширить эту полосу до 155 МГц. Такая частотная область колоссальна: она вбирает в себя все диапазоны радиовещания (т. е. длинные, средние, короткие и ультракороткие волны), и потому частотному нормированию в стандартах уделяется особое внимание.

Два основных параметра определяют работоспособность кабелей: погонное затухание (attenuation) витых пар и переходное затухание между парами (NEXT - near end crosstalk - переходное затухание на ближнем конце). Эти параметры в стандартах очень подробно разобраны и нормированы для трех категорий. Стандартные требования по затуханию и NEXT для кабелей Категории 5 представлены в Таблице 2. В той же Таблице, в крайней правой колонке, даны требования из стандарта EN50173 для относительно нового параметра - ACR (attenuation to crosstalk ratio - разность между переходным и погонным затуханием). Наблюдалось несколько попыток ввести еще один параметр влияния витых пар - переходное затухание на дальнем конце (far end crosstalk), но в документации на кабели его пока нет.

ТАБЛИЦА 2 - ПАРАМЕТРЫ КАБЕЛЕЙ КАТЕГОРИИ 5 В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЧАСТОТЫ, СОГЛАСНО СТАНДАРТАМ ANSI/TIA/EIA-568A, EN 50173 И ISO/IEC 11801

В стандартах параметры нормируются на дискретных частотах. На практике испытания кабелей выполняются обычно в непрерывной полосе частот от 1 до 100 МГц (в последнее время - в значительно расширенном диапазоне) лабораторными приборами и тестерами для полевых испытаний. Вид частотных зависимостей параметров влияния (NEXT и ACR) в непрерывной полосе до 100 МГц для одного из образцов четырехпарного кабеля показан на Рис. 2 (а и б, соответственно). Что касается параметров передачи (волнового сопротивления и затухания), то они были подробно описаны в LAN, декабрь 1996, с. 51.

Еще один относительно новый частотный параметр - SRL (structured return loss - структурные возвратные потери) задан в стандартах так: до 20 МГц - не менее 23 дБ; в полосе частот между 20 и 100 МГц нижний предел SRL вычисляется по формуле

SRL = 23 - 10 lg ( f / 20 ), f - в МГц,

причем норма должна выполняться для всех пар. Два первичных параметра витых пар - сопротивление на постоянном токе и емкость - заданы в следующем виде: сопротивление одного провода - не более 9,38 Ом/100 м; емкость пары - 5,6 нФ/100 м. Эти параметры желательно проверять на всех длинах кабеля, так как выход их за допуск почти всегда означает, что данный отрезок кабеля - брак.

Достаточно важный параметр витых пар - задержка сигнала в линии: она не должна превышать 570 нс/100 м кабеля. Это - отнюдь не все параметры четырехпарных кабелей, но, чтобы не перегружать статью цифирью, на этом нам придется остановиться.

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА

О качестве поставляемых в Россию кабелей данных очень мало. Авторам оказались доступными статистические материалы по затуханию и NEXT четырехпарных кабелей AT&T марки 1061C. Как сказано в документе, были испытаны 467 катушек кабеля 1061C. Интегральное (накопленное) распределение параметров, в зависимости от количества испытанных образцов, для частоты 100 МГц представлено на Рисунке 3. Как видно из графиков, 50% образцов имеют затухание лучше нормы на 1,8 дБ, а переходное затухание (NEXT) - на 8,6 дБ лучше нормы. Более 90% кабелей имеют значения NEXT, на 6 дБ превышающие требования стандарта во всей полосе частот 1-100 МГц. Статистические данные, кроме того, доказывают высокую плотность распределения волнового сопротивления - показатель стабильности производства. Значительный запас по NEXT, полученный для любой комбинации пар, лишний раз подтверждает высокое качество кабеля 1061C (теперь он выпускается компанией Lucent Technologies, выделившейся в 1996 году из AT&T как производственное объединение).

Нам с коллегами удалось выполнить лабораторные измерения параметров кабеля марки 1061C в полосе частот до 300 МГц (подробнее - в LAN, октябрь 1996, с. 57). Полученные результаты (Таблицы 3 и 4) подтверждают высокое качество изделия и значительный запас по основным параметрам - затуханию и NEXT (следует сравнить с Таблицей 2). Можно взять на себя смелость рекомендовать кабели марки 1061C как эталонные для сертификации качества четырехпарных кабелей Категории 5 других изготовителей.

ТАБЛИЦА 3 - РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ ПАР

ТАБЛИЦА 4 - РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНОГО ЗАТУХАНИЯ МЕЖДУ ПАРАМИ

Были проделаны многочисленные измерения емкости таких же кабелей в проложенном виде. Если построить графики значений емкости в зависимости от шага скрутки пары, то наблюдается закономерность: чем больше шаг скрутки пары, тем меньше емкость (см. Рис. 4). Но интересен не этот тривиальный факт (с увеличением шага уменьшается длина пары), а выявляющееся при таких построениях отклонение от закономерности. Подобные "артефакты" можно использовать для диагностики смонтированной проводки, в том числе - соединительного оборудования (разъемов, розеток, кросс-панелей, шнуров).

Вероятно, можно создать систему автоматической диагностики проводки на основе указанного эффекта - отклонение кривой емкости (в зависимости от шага скрутки) от плавной, расчетной у проложенных кабелей.