Межкабельная переходная помеха: теория и измерение

Теоретические и практические аспекты обеспечения необходимой защищенности от внешней переходной помехи.

Различные аспекты передачи информационных потоков со скоростью 10 Гбит/с по кабелю из витых пар обсуждаются сегодня наиболее часто. Достижению требуемых качественных показателей тракта передачи особенно препятствуют так называемые межкабельные переходные влияния, т. е. неконтролируемые помехи со стороны соседних кабелей. Теоретические и практические аспекты обеспечения необходимой защищенности от внешней переходной помехи были проанализированы исследовательской группой высшей инженерной школы Ройтлингена при участии журнала LANline.

В настоящее время рабочая группа IEEE 802.3 занята подготовкой спецификации интерфейсов для передачи данных со скоростью 10 Гбит/с по кабелям из витых пар, для чего по каждой из четырех пар горизонтального кабеля в двух направлениях сигналы должны передаваться со скоростью 2,5 Гбит/с. Оптические варианты этой разновидности сетевого интерфейса уже разработаны, однако основной областью их применения являются тракты длиной от нескольких сотен метров до нескольких километров. Между тем в центрах обработки данных, где, как и на магистралях, высока потребность в подобных высокоскоростных каналах типичная дальность передачи составляет 50 м.

Как правило, здесь применяются решения на основе меди. Завершение работы над стандартом запланировано на середину 2006 г., после чего, как показывает опыт, на рынке незамедлительно появится соответствующее оборудование.

Частотный спектр линейных 10-гигабитных сигналов ограничен сверху величиной 500 МГц, так что для их передачи уже сейчас можно использовать кабельные тракты Класса F. Наибольшую проблему при построении подобных трактов вызывают переходные помехи, возникающие между соседними кабелями. Ранее с этим эффектом можно было не считаться вследствие относительно невысоких скоростей модуляции информационного сигнала. Однако, чтобы для поддержки столь высокоскоростных приложений можно было использовать проводку Класса E, международный стандарт ISO/IEC 11801 и соответствующие технические бюллетени требуется переработать в части горизонтальной структурированной проводки. Аналогичные действия предстоит предпринять и CENELEC (http://www.cenelec.org) в отношении европейской нормы EN 50173-1.

Описанные ниже исследования, состоявшие из теоретического анализа и практических измерений, были направлены на выявление влияния внешней переходной помехи на передачу данных по витым парам и определение мер по улучшению качества передачи информации при наличии такого воздействия. Выводы относятся к случаю взаимного влияния неэкранированных кабелей Категории 6.

При переходе на экранированную элементную базу в линейной части и на разъемах с правильно выполненным заземлением экрана величина внешних переходных помех снижается до пренебрежимо малого уровня.

МЕЖКАБЕЛЬНАЯ ПЕРЕХОДНАЯ ПОМЕХА

Межкабельная переходная помеха (англ. Alien Crosstalk, сокращенно AXT, где X обозначает Cross) представляет собой наводки со стороны внешних цепей передачи сигналов. В общем случае генерируемый сигнал в соседнем кабеле неизвестен, поэтому техническая возможность его компенсации отсутствует. В процессе моделирования следует исходить из того, что на конкретную цепь передачи информационного сигнала оказывает влияние по меньшей мере шесть соседних кабелей, т. е. в случае четырехпарных кабелей мешающее воздействие создается 24 различными источниками (см. Рисунок 1). Определение граничных значений осуществляется по принципу суммирования всех отдельных мешающих сигналов (модель Power Sum, PS).

Рисунок 1. Модель влияния при анализе межкабельной переходной помехи.

В технике проводной связи различают переходные помехи на ближнем и дальнем концах. Если приемник и создающий для него помеху передатчик находятся на одной стороне кабеля, то говорят о помехе на ближнем конце (Near End) (см. Рисунок 2а). Если приемник и генератор мешающих сигналов подключены к разным концам кабеля, то речь идет о переходной помехе на дальнем конце (Far End).

На высоких частотах f переходную помеху на ближнем конце создают первые 20 м кабелей. Результаты измерений показывают, что дальнейшее увеличение длины параллельного пробега кабелей свыше 20 м не оказывает заметного влияния на величину переходной помехи. Вследствие статистического характера электромагнитной связи двух цепей переходное затухание на ближнем конце усиливается пропорционально f^1,5 по мере роста частоты. При задании параметра переходного затухания в логарифмических единицах он обозначается как an. Переходное затухание на дальнем конце зависит от длины кабеля и линейно возрастает по мере ее увеличения. Кроме того, оно пропорционально затуханию тракта передачи сигнала, а в частотной области меняется пропорционально квадрату параметра f. При переходе к логарифмическим единицам для обозначения переходного затухания на дальнем конце используется символ a_f.

Теоретический анализ основывался на том, что рабочее затухание тракта (Insertion Loss) изменяется пропорционально его длине и увеличивается пропорционально корню квадратному из частоты. В логарифмических единицах эта величина обозначается символом a_i.

На практике применяются два различных метода уменьшения величины переходной помехи. Первый из них состоит в экранировании отдельных элементов кабельного тракта. Экран ослабляет воздействующий сигнал и таким образом подавляет большую часть помехи. Второй метод заключается в увеличении расстояния между контурами прохождения мешающего и информационного сигналов. Это достигается за счет выбора конструкции кабеля с учетом подавления помехи или посредством соответствующего расположения кабелей на трассе. Для определения эффективности данного приема (Mitigation Techniques) в случае использования неэкранированных линейных кабелей специалисты исследовательской группы проложили рядом два кабеля на протяжении 100 м. Сигнал подавался на одну из пар, и затем фиксировались изменения переходных помех на ближнем или дальнем концах с увеличением расстояния между кабелями. Этот принцип измерения известен как «молния» (см. Рисунок 2б, в), не случайно длину раскрыва обозначают через Y.

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТРАКТА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА

Рисунок 2. Измерительная конфигурация «молния».

При передаче в условиях воздействия помех важно знать три основных параметра: верхнюю граничную частоту полосы пропускания тракта f_g, мощность сигнала и мощность помехи. Отношение мощности источника информационного сигнала к мощности источника помех называется отношением сигнала к шуму a_S/N. Согласно теореме Шеннона, параметры f_g и a_S/N однозначно определяют максимальный темп передачи данных, или информационную емкость канала связи C. Частотная характеристика отношения сигнала к шуму для идеального фильтра нижних частот изображена на Рисунке 3а. Если принять ширину полосы частот f_g = 625 МГц и предположить, что мешающее воздействие имеет вид белого шума, интенсивность которого соответствует a_S/N = 48,2 дБ, то информационная емкость канала связи составляет С = 10,0 Гбит/с. Численное значение этого параметра пропорционально площади под кривой a_S/N.

Данные могут передаваться с указанной скоростью, только если ли-нейный сигнал согласован с каналом, т. е. задействуется полная ширина канала и максимально используется его динамический диапазон.

Например, если передаваемая полоса частот f_band будет меньше максимально возможной f_g, то тогда информационная емкость канала C соответствующим образом уменьшится (см. Рисунок 3б). Частота на рисунке указана в мегагерцах, затухание — в децибелах, а емкость канала — в битах в секунду.

НА БЛИЖНЕМ КОНЦЕ

Экспериментальное определение максимального значения длины связи для переходной помехи на ближ-нем конце осуществлялось для двух параллельно проложенных кабелей длиной 100 м каждый. Изменение длины связи выполнялось в соответствии с конфигурацией «молния», причем, согласно принятому методу исследования, расстояние между кабелями увеличивалось на дальнем конце. Полученные результаты для затухания (на частотах 100 и 500 МГц) изображены на Рисунке 4 как функции величины раскрыва Y.

По мере увеличения частоты эффективная длина связи естественным образом уменьшается: на частоте 100 МГц протяженность участка влияния составляет 20 м, а при увеличении частоты до 500 МГц она сокращается до 4 м. Таким образом, можно констатировать, что значение эффективной длины связи l_eff соответствует примерно десяти длинам волн передаваемого сигнала

Leff = 10 x l = 10 x l0 x VK.

В этом соотношении l0 обозначает длину волны в вакууме, а VK представляет собой коэффициент изменения электрической длины кабеля.

Рисунок 5. Теоретическая зависимость межкабельного переходного затухания на ближнем конце от частоты при длине раскрыва Y как параметре.

На Рисунке 5 приведены теоретические кривые межкабельного переходного затухания на ближнем конце как функции частоты при использовании длины раскрыва Y в качестве параметра. Как можно видеть, межкабельное переходное затухание увеличивается по мере возрастания длины раскрыва. Иными словами, переходная помеха становится меньше. На качественном уровне это объясняется тем, что сигнал источника помехи должен пройти определенный путь вдоль кабеля до места образования электромагнитной связи, при этом он испытывает определенное затухание. После перехода из одного кабеля в другой сигнал должен вернуться к ближнему концу и, таким образом, вновь подвергнуться затуханию. Результатом указанных процессов является уменьшение мощности сигнала переходной помехи.

Рисунок 6. Теоретическое и экспериментальное межкабельное переходное затухание на ближнем конце как функция длины раскрыва Y на частоте 600 МГц.

Приведенные выше предположения были проверены экспериментально. На Рисунке 6 изображена зависимость межкабельного переходного затухания на ближнем конце как функция длины раскрыва Y на частоте 600 МГц в сравнении с теоретически предсказанными значениями. Сравнение производилось на частоте 600 МГц, что соответствует наибольшей ожидаемой величине частоты линейного сигнала 10GBaseT.

НА ДАЛЬНЕМ КОНЦЕ

Первой задачей исследований было определение влияния длины связи двух кабелей на величину переходного затухания. На Рисунке 7 представлены теоретический и экспериментальный расчеты зависимости параметра af при различной длине параллельно проложенных кабелей. Хорошее соответствие теории и эксперимента свидетельствует о высокой точности расчетной модели, использованной для определения величины переходного затухания.

Частотная зависимость межкабельного переходного затухания на дальнем конце изображена на Рисунке 8.

Параметром служила длина раскрыва Y кабелей на дальнем конце. Как видим, влияние раскрыва кабелей проявляется существенно слабее по сравнению с экспериментами на ближнем конце, что объясняется следующим фактом: при величине раскрыва Y = 10 м при общей длине тракта в 100 м протяженность длины взаимодействия уменьшается всего на 10%, а общее затухание сигнала в тракте остается неизменным.

ОБЩАЯ ПЕРЕХОДНАЯ ПОМЕХА

Обе разновидности межкабельных переходных влияний (на ближнем и дальнем концах) проявляются одновременно и снижают информационную емкость канала связи. В процессе определения максимально допустимой скорости передачи данных, т. е. канальной емкости С, их обязательно следует учитывать совместно. Это обусловлено тем, что канал связи информационной системы функционирует в дуплексном режиме, т. е. приемник и передатчик работают одновременно.

Рисунок 9. Различные разновидности затуханий в двух параллельно проложенных кабелях длиной 100 м.

Для случая двух параллельно проложенных кабелей длиной 100 м на Рисунке 9 представлены три разновидности интересующих нас затуханий: рабочее затухание тракта передачи (a_i), межкабельное переходное затухание на ближнем (a_n) и дальнем (a_f) концах. Все они обсуждаются комитетом 802.3an с точки зрения нормирования граничных значений. Фактические величины межкабельных переходных затуханий (см. Рисунки 4, 6, 7 и 8) оказываются несколько большими, так как в данном эксперименте учитывался только один источник помехи, а нормы разрабатываются для модели суммарной мощности переходной помехи от нескольких источников. Кривые, приведенные на этих графиках, наглядно показывают, что информационная емкость канала пропорциональна ограниченной ими площади и определяется тремя видами затухания одновременно.

На низких частот доминирующее значение имеет межкабельная переходная помеха на дальнем конце, при переходе в область высоких частот начинает преобладать межкабельная переходная помеха на ближнем конце. Фактическая информационная емкость канала оказывается несколько меньшей по сравнению с той, при которой учитывается только переходная помеха на ближнем конце.

Рисунок 10.Различные разновидности затуханий в двух параллельно проложенных кабелях длиной 100 м при длине раскрыва Y = 10 м.

На Рисунке 10 приведены аналогичные характеристики для ситуации, когда на ближнем конце на протяжении 10 м кабели проложены далеко друг от друга. Межкабельное переходное затухание на дальнем конце при этом изменяется достаточно мало, а межкабельное переходное затухание на ближнем конце испытывает значительные трансформации. Информационная емкость канала резко возрастает. Это объясняется возможностью использования всего частотного диапазона вплоть до верхней граничной частоты f_g, где рабочее затухание становится численно равным межкабельной переходной помехе на ближнем конце.

Если максимальная частота передаваемого сигнала ограничивается активным сетевым оборудованием (как правило, на практике случается именно так), то эффективность улучшения информационной емкости канала связи за счет разнесения кабелей значительно падает. Это хорошо демонстрирует Рисунок 11. Из приведенных здесь графиков следует, что данный параметр резко возрастает при увеличении расстояния между кабелем и источником помехи (красная кривая для канала длиной 50 м и синяя кривая для канала длиной 100 м).

Рисунок 11. Информационная емкость канала связи в случае двух параллельно проложенных кабелей длиной 100 и 50 м при различной величине раскрыва Y.

Это повышение емкости начала связано по большей части с тем, что конал передачи позволяет передавать более высокие частоты.

Зеленая и пурпурная кривые относятся к информационной емкости канала, когда рабочий диапазон ограничен частотой f_band = 500 МГц. При длине тракта передачи 50 м выигрыш по информационной емкости пренебрежимо мал, тогда как в 100-метровом тракте он составляет всего около 1 Гбит/с, т. е. примерно четверть от величины, достигаемой при отсутствии ограничений по частотному диапазону. На Рисунке 12 изображены частотные зависимости межкабельного переходного затухания на ближнем конце между двумя 100-метровыми кабелями Категории 7. Во всем частотном диапазоне защищенность от внешней переходной помехи данной разновидности не падает ниже 80 дБ. В результате потенциальная информационная емкость канала по этому кабелю превышает 14 Гбит/с. При условии задействования всех четырех пар и использования подходящего кода линейного сигнала информацию удастся передавать со скоростью свыше 55 Гбит/с.

Рисунок 12. Частотная зависимость межкабельного переходного затухания на ближнем конце между двумя 100-метровыми экранированными кабелями Категории 7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Увеличение расстояния до источника помехи позволяет существенно увеличить информационную емкость проводного канала связи при условии применения соответствующего активного оборудования. В этом случае необходимо использовать адаптивное кодирование линейного сигнала. Если максимальный частотный диапазон ограничен активным сетевым оборудованием, то заметного выигрыша в пропускной способности тракта за счет пространственного разнесения получить не удается.

В идеале, при реализации адаптивного линейного кодирования, оборудование должно обладать способностью подстраиваться под любую разновидность проводки.

При применении экранированной элементной базы межкабельные переходные помехи практически не влияют на процесс информационного обмена. Установка экранированной СКС не требует специальных проектных решений, а сама система обладает потенциальной информационной пропускной способностью свыше 55 Гбит/с при длине тракта 100 м.

Альбрехт М. Олер и Дитер В. Шике-танц — профессора высшей инженерной школы Ройтлингена. С ними можно связаться по адресу: jos@lanlinne.awi.de.

? AWi Verlag