Как измерить ELFEXT

В качестве среды передачи для Gigabit Ethernet предлагается, в частности, проводка из неэкранированной витой пары. Одной из наиболее важных характеристик такой проводки является приведенное переходное затухание на дальнем конце.

Комитет по стандартам IEEE 802.3 разрабатывает версию Gigabit Ethernet под названием 1000BaseT с использованием проводки из медного кабеля с витыми парами в качестве среды передачи. Задача комитета состоит в том, чтобы 1000BaseT мог работать в кабельных системах, совместимых со спецификациями Категории 5 TIA/EIA 568 A и Класса D ISO/IEC 11801. Это позволит развернуть сверхвысокоскоростную сеть на базе повсеместно распространенной проводки Категории 5. Категория 5 и Класс D определены для частотного диапазона от 1 до 100 МГц.

Чтобы оправдать затраты на новую кабельную систему, владельцы сетей рассчитывают, что она прослужит по крайней мере 15 лет. Если вы полагаете, что скорость в 1 Гбит/с достаточна для рабочих станций на протяжении жизненного цикла кабельной системы, то имеет смысл установить проводку Категории 5.

Здесь, однако, есть одно "но". Современная версия стандарта (TIA/EIA 568 A и TIA TSB 67 или ISO/IEC 11801) не определяет все необходимые для 1000BaseT характеристики линии. В частности, помимо характеристик Категории 5 линия должна иметь определенные значения возвратных потерь (Return Loss, RL) и приведенного переходного затухания на дальнем конце (Equal-Level Far-End Crosstalk, ELFEXT).

Рабочая группа по системам с неэкранированной витой парой TIA TR41.8.1 разрабатывает требования к полевым тестерам Уровня IIe, в том числе для измерения потерь ELFEXT. Кроме того, она должна определить другие связанные с ELFEXT параметры.

ПОТЕРИ ELFEXT

Если линия не отвечает требованиям к ELFEXT для 1000BaseT, то наиболее вероятным виновником этого могут оказаться потери из-за переходного затухания на дальнем конце в совместимых с Категорией 5 модульных восьмиконтактных соединителях RJ-45. Это обстоятельство в равной мере важно как для конечных пользователей, так и для инсталляторов кабелей. К счастью, характеристики FEXT для соединителей можно проверить с помощью полевого тестера, отвечающего уровню точности II TIA TSB 67. Экранирование и выбор соединителей с использованием этой процедуры позволяет с высокой степенью уверенности утверждать, что требования 1000BaseT к потерям ELFEXT будут удовлетворены. Таким образом, еще до того, как стандарты и соответствующие процедуры измерения потерь ELFEXT в линии будут одобрены TIA или ISO/IEC, вы можете убедиться, что ваша линия отвечает требуемым характеристикам.

Требования 1000BaseT к потерям из-за переходного затухания на ближнем конце (Near-End Crosstalk, NEXT) соответствуют спецификациям Категории 5. Следовательно, ваша кабельная система должна отвечать обычным требованиям к потерям NEXT для Категории 5 для того, чтобы поддерживать 1000BaseT.

FEXT характеризует влияние сигнала в одной паре на другую пару. В отличие от NEXT FEXT измеряется посредством подачи тестового сигнала на пару в кабеле с одного конца линии и замера возмущений в другой паре на другом конце (см. Рисунок 1).

Потери ELFEXT имеют значение, когда две или более пар передают сигналы в одном направлении, в особенности для 1000BaseT, где сигнал передается в обоих направлениях по всем четырем парам. Первые черновые варианты IEEE 802.3ab стандарта на 1000BaseT (версия 1.1) определяют требования к ELFEXT, но не к FEXT.

Более важным, чем потери ELFEXT, для сетевых технологий типа 10BaseT и 100BaseTX индикатором соотношения "сигнал—шум" (Signal-to-Noise Ratio, SNR) является отношение погонного к переходному затуханию (Attenuation-to-Crosstalk Ratio, ACR). В этих сетях одна пара служит для передачи сигнала в одном направлении, а другая пара — в противоположном. Считается, что характеристики правильно установленной проводки Категории 5 будут достаточны для поддержки 1000BaseT. Некоторые полевые тестеры позволяют измерять возвратные потери. Однако имеющиеся на рынке полевые тестеры не умеют надежно измерять потери ELFEXT. Надежность важна, потому что определение ELFEXT предполагает измерение небольших амплитуд наведенных сигналов (FEXT) на дальнем конце. Сигналы FEXT намного меньше, чем сигналы NEXT (см. Рисунок 2).

НЕПРИЯТНЫЕ СВОЙСТВА ПОТЕРЬ ELFEXT

Ниже мы перечисляем некоторые не приятные свойства потерь ELFEXT, отрицательно сказывающиеся на передаче сигнала.

1. Все FEXT-подобные помехи в линии суммируются. При измерении потерь ELFEXT результирующее возмущение на дальнем конце линии представляет собой сумму наведенных помех от источников вдоль всей линии. В случае NEXT существенное влияние оказывают только источники наведенных помех вблизи начала линии — рядом с источником сигнала. С увеличением расстояния между источником помех и источником сигнала эффект NEXT уменьшается вследствие погонного затухания. Если источник наведенных помех находится достаточно далеко от источника сигнала, то измерить NEXT не представляется возможным. Это одно из фундаментальных различий в свойствах потерь NEXT и FEXT.

2. Все FEXT-подобные помехи суммируются преимущественно синфазно. Проходимое любым наведенным сигналом общее расстояние примерно одинаково для каждой конкретной линии. Например, на Рисунке 1 общее расстояние, которое проходит любое возмущение FEXT между парами 1 и 2, может быть описано следующим образом: расстояние от начала линии до источника наведенных помех плюс расстояние от источника наведенных помех до конца линии.

Таким образом, общее расстояние составляет просто фиксированную общую длину линии. Это означает, что влияние всех наведенных сигналов, где бы источники ни были расположены вдоль линии, суммируется наихудшим возможным образом.

Задержка распространения сигналов по каждой паре может несколько отличаться. Данная разница называется перекосом задержки. Даже небольшие различия в задержке распространения для разных пар приводят только к тому, что реальные потери FEXT оказываются несколько меньше, чем наихудшие возможные для частот свыше 50 МГц. Однако это улучшение становится заметно только при относительном большом перекосе задержки. Линии редко имеют перекос задержки свыше 50 нс, и далеко не каждая линия имеет максимальную протяженность в 100 м. Мы можем с полным основанием считать, что все потери FEXT суммируются наихудшим возможным образом.

Несмотря на возможное небольшое различие в задержке распространения между парами, различия в погонном затухании пренебрежимо малы. Следовательно, все сигналы FEXT во всей линии, а также полезные сигналы затухают на одну и ту же величину.

3. Амплитуды сигналов FEXT очень малы. Для вычисления ELFEXT измерить необходимо как погонное затухание, так и FEXT. Затухание измерить достаточно просто; однако амплитуды сигналов FEXT по крайней мере в пять раз меньше NEXT, в особенности на больших частотах. По этой причине потребуется разработать новые полевые тестеры для удовлетворения находящимся на рассмотрении требованиям к измерению потерь ELFEXT и потребности надежного диагностирования характеристик FEXT на соответствие допустимым пределам. Для добавления этих измерительных возможностей полевые тестеры должны проектироваться с учетом требований к минимальному уровню собственных шумов, динамическому диапазону, точности и другими критериями для новых схем измерения и аппаратных компонентов. В настоящее время критерии для характеристик линии и требования к полевым тестерам в отношении ELFEXT находятся на стадии обсуждения в рабочей группе по системам с неэкранированной витой парой TIA TR41.8.1.

ОСОБЕННОСТИ FEXT ДЛЯ КАБЕЛЕЙ И СВЯЗУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

Многие ошибочно считают, что потери NEXT и FEXT — приблизительно одно и то же. Они с удивлением обнаруживают, что это верно лишь для кабельных сегментов линии, но не для связующего оборудования. Данную позицию поддерживают несколько независимых сторон в рабочей группе по связующему оборудованию TR41.8.1 в TIA.

С физической точки зрения наведенные сигналы в кабеле и связующем оборудовании возникают в результате действия двух механизмов, каждый из которых проявляется различным образом:

1. наведенные сигналы из-за емкостного дисбаланса между парами;

2. наведенные сигналы из-за индуктивного (магнитного) дисбаланса.

Если сигнал в одной паре взаимодействует с другой парой, то его энергия расщепляется. Половина энергии распространяется к началу линии, а другая — к ее концу. На Рисунке 3 голубая стрелка показывает направление тока наведенного возмущения. Результирующее падение напряжения создается на оконечном импедансе.

Индуктивный дисбаланс представляется в виде индуктивной (трансформаторной) связи между парами. Возмущение порождает контурный ток в возмущенной паре, как показано коричневой стрелкой на Рисунке 3.

На ближнем конце (NEXT) порождаемые наведенными возмущениями токи вычитаются, в то время как на удаленном конце (FEXT) они складываются.

Линия состоит из соединителей и кабельных сегментов с кардинально различными свойствами емкостного и индуктивного дисбаланса. Индуктивный дисбаланс в кабеле мал, и практически все наведенные сигналы имеют емкостную природу. Это означает, что эффекты NEXT и FEXT в кабеле приблизительно одинаковы.

Однако ситуация с модульным восьмиконтактным соединительным оборудованием иная. Конструкция соединителя такова, что удовлетворительные характеристики NEXT достигаются за счет хорошего емкостного и индуктивного дисбаланса или согласования емкостного и индуктивного дисбаланса. В последнем случае соединитель может иметь превосходные характеристики NEXT, но плохие — FEXT.

К сожалению, как показывает тестирование ряда современных модульных восьмиконтактных соединителей RJ-45, соединители некоторых производителей имеют нежелательное соотношение между емкостным и индуктивным дисбалансом (в целях достижения хороших показателей NEXT). Это ведет к высоким потерям FEXT.

Типичный соединитель имеет превосходные характеристики NEXT (точнее говоря, приблизительно 50 дБ при 100 МГц), в то время как FEXT может достигать только 28 дБ при 100 МГц. При использовании такого соединителя вы столкнетесь с проблемами при работе с 1000BaseT. Отчеты рабочей группы TIA по соединительному оборудованию свидетельствуют, что только от 30 до 40% всех соединителей имеют сегодня показатель потерь FEXT лучше 40 дБ при 100 МГц.

При измерении потерь FEXT для соединителя погонное затухание мало, и, следовательно, ELFEXT равняется FEXT. Амплитуда сигналов FEXT для соединителей много выше, чем для проложенных линий. Как результат, точность измерения FEXT для соединителей много лучше.

ВЫПОЛНЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ 1000BASET ДЛЯ ELFEXT

Конструкция гнезда существенным образом сказывается на потерях NEXT и FEXT в соединении. Измерив свойства нескольких гнезд на выбор, вы можете определить, как гнездо с данной специфической конструкцией будет себя вести на линии, когда оно будет сопряжено с разъемом. Характеристики ELFEXT для линии определяются главным образом потерями FEXT в соединителях. Вклад кабелей в ELFEXT чаще всего невелик, хотя предварительные требования этого и не предполагают.

Как было сказано выше, мы можем без риска предположить, что вклад в FEXT каждого соединителя на линии одинаков, а значение допустимых возмущений FEXT для каждого соединителя получается посредством разделения поровну между всеми соединителями на линии общего бюджета FEXT для соединителей. Это определяет требования к FEXT для каждого соединителя (см. Рисунок 4). Если соединитель проходит тест для FEXT, то вы можете быть уверены, что, когда он будет использоваться в вашей инсталляции (при условии, что число соединителей на линии не будет превышать определенное количество), линия будет соответствовать требованиям 1000BaseT.

ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕРЬ FEXT В СОЕДИНИТЕЛЕ

Нижеследующие рассуждения никоим образом не претендуют на то, чтобы называться окончательным решением, но описывают способ оценки потерь FEXT для соединителей уже сегодня. Как это имеет место и в случае NEXT, комбинация пар 3, 6—4, 5 практически всегда порождает наихудшие потери FEXT. (Модель потерь ELFEXT на линии была рассмотрена Lucent Technologies и Fluke Corp. на ноябрьском совещании TIA в 1997 году. NORDX/CDT представила несколько иную модель.)

Функцию NEXT полевых тестеров, соответствующих уровню точности II, можно использовать и для измерения потерь FEXT. Полевой тестер должен быть способен выполнять измерения NEXT без подключенного удаленного устройства.

Например, точность измерений FEXT для семейства приборов класса DSP оценивалась посредством сравнения с результатами измерений с помощью лабораторного оборудования (сетевого анализатора и высокоточных преобразователей (balun)). Точность измерений для пар 3, 6-4, 5 соединителя составляла доли дБ. Результаты двух тестов для двух соединителей с кардинально различными характеристиками будут обсуждаться ниже.

База тестов Fluke DSP включает специальный вид тестов для проведения такой оценки соединителя. Вы можете выбрать два, три или четыре соединителя на линии. Допустимые значения примерно соответствуют числу соединителей на линии, а тестер оценивает характеристику FEXT для соединителя в соответствии с принятым допуском. Возможная конфигурация теста изображена на Рисунке 5.

Тестер должен быть подключен к соединителю по кабелю длиной один-два метра. Начать можно со шнура переключения Категории 5. Отрезав разъем на одном конце, вы должны удалить пять сантиметров оболочки. Длины могут быть и иными, но чем короче провод и участок с удаленной оболочкой — тем лучше. Место, где пары выходят из оболочки, должно быть залито горячим клеем для сохранения устойчивости кабеля к наводкам. Помещение каждой из вскрытых пар в трубку предотвращает их раскручивание. Мы бы советовали также подключать пары 1, 2 и 7, 8 к используемому в тесте оборудованию, в то время как две другие пары следует подключить к эталонным 100-омным сопротивлениям. Наконец, пару 1, 2 от тестера надо подключить к контактам 3, 6 на гнезде соединителя, а пару 7, 8 от тестера — к контактам 4, 5 соответствующего разъема в тестируемом соединении.

Значение имеют только два заштрихованных 100-омных соединителя на Рисунке 5, остальные 100-омные сопротивления можно не устанавливать. Отсутствие терминирования пар приведет только к незначительному ухудшению точности. Реализация проиллюстрирована на фотографии.

ПРИМЕРЫ ХАРАКТЕРИСТИК FEXT ДЛЯ СОЕДИНИТЕЛЕЙ

При тестировании соединителей затухание мало, и, следовательно, FEXT и ELFEXT практически совпадают. Однако вы должны сделать некоторую поправку на затухание в тестовом кабеле. Так, цифровые кабельные тестеры Fluke DSP способны учитывать эту поправку при оценке результатов теста.

Для практической проверки данного метода два соединителя с существенно разными уровнями FEXT оценивались с помощью сетевого анализатора и тестового инструментария Fluke DSP-2000 Digital CableAnalyzer.

Замечание. Результаты измерений с помощью сетевого анализатора и DSP-2000 хорошо согласуются друг с другом. Это означает, что вы можете доверять проводимым измерениям. Данный тест использует тот же допустимый предел для потери FEXT, что и предельная кривая для потерь NEXT для связующего оборудования Категории 5. Такой уровень потерь FEXT будет, по всей видимости, ориентировочным для соединителей усовершенствованной Категории 5. Соединитель А хорошо соответствует этому уровню; однако соединитель Б имеет потери FEXT на 11 дБ ниже, чем ориентировочный уровень (см. Рисунок 6).

Требования 1000BaseT к потерям NEXT в точности соответствуют спецификации Channel для Категории 5 в TIA TSB 67. Следовательно, кабельной системе, чтобы она могла поддерживать 1000BaseT, не требуется иметь лучшие значения NEXT, чем это предусматривается стандартами на Категорию 5. Однако проводка с лучшими характеристиками может пригодиться для будущих приложений и обеспечить достаточный запас при повреждении участка линии, например шнура переключения.

Вместе с тем кабельная система может и не иметь требуемых характеристик ELFEXT и RL. В частности, потери FEXT в модульных восьмиконтактных соединителях RJ-45 могут представлять серьезную проблему, когда их число превышает два на одной линии. Используя тестер уровня точности II, вы можете заранее определить, в какой мере ваша сеть будет подвержена проблемам в будущем.

Полевые измерения FEXT для кабеля и проложенных линий представляют весьма серьезную задачу, и их не так-то просто провести, во всяком случае без значительного усовершенствования измерительных схем кабельных тестеров. Рабочая группа по системам с неэкранированной витой парой TIA TR41-8-1 еще не завершила свою работу. Описанное в этой статье промежуточное решение позволит вам не стоять на месте, пока комитеты по стандартам рассматривают характеристики и вырабатывают стандарты.

---