Дважды экранированная проводка

По обе стороны Атлантического океана приняты различные типы компьютерной проводки. Если в США в основном применяются неэкранированные кабели (U/UTP), то в Германии, Франции и Австрии обычно устанавливаются экранированные кабельные системы, а в Германии – даже дважды экранированные (S/FTP).

Различие стало особенно заметно в последнее время, в связи с распространением 10 Gigabit Ethernet (10GBaseT). Европейские кабельные системы оказались готовы к поддержке этого приложения, тогда как американским производителям пришлось осваивать выпуск кабелей F/UTP, экранированных фольгой. Неэкранированные кабели (U/UTP) даже после серьезной модернизации с трудом соответствовали требованиям 10GBaseT в отношении параметра межкабельных помех (ANEXT). Если к этому добавить, что в результате кабели становились слишком толстыми (около 8 мм), то положение усугублялось еще больше.

У дважды экранированных кабелей настолько высокие параметры, что они намного превышают требования действующего стандарта для Категории 7_А. Причем это стало понятно, когда кабели данного типа еще только появились (1996-1997 г.г.) и первые испытания выявили огромный запас по характеристикам. Кстати, именно большой запас по параметрам побудил Германское министерство связи принять решение о внедрении кабелей с индивидуальной экранировкой витых пар.

Широко применяемые в Германии дважды экранированные кабели оказались пригодны для поддержки 10GBaseT. Отдельные кабельные компании еще в 90-х гг. прошлого века освоили производство кабелей PiMF (пары, индивидуально экранированные металлической фольгой), что и обеспечило им первенство в этой области. Кроме того, кабели PiMF можно использовать в мультимедийных системах, когда каждая экранированная пара исполняет роль отдельной направляющей системы для компьютерной сети, телевидения и IP-телефонии. Двойной эффект — высокая помехозащищенность и мультимедийность — обусловили высокий спрос на кабели PiMF, а также высочайшее качество связи в ФРГ. Проанализируем особенности этих кабелей более подробно, так как российские системные интеграторы в последнее время проявляют к ним значительный интерес.

КОНСТРУКЦИЯ КАБЕЛЕЙ PIMF

В настоящее время кабели PiMF различных производителей во многом похожи (см. Рисунок 1 и Таблицу 1). Пары изготавливаются из мягкой медной проволоки с низким содержанием примесей и покрываются пористой пленочной изоляцией из полиэтилена. Провода пар скручены с небольшим шагом и защищены экраном из продольно наложенной алюмо-пластмассовой ленты.

Продольное наложение экрана пары позволяет достичь сразу двух целей: весьма существенно повышается производительность технологического оборудования и значительно улучшаются характеристики экрана. На ранней стадии некоторые изготовители применяли спиральную намотку ленты экрана, но такой способ замедлял процесс изготовления пар и приводил к ухудшению экранных свойств.

Экранированные пары скручиваются в четырехпарный сердечник с большим шагом, который покрывается внешним экраном из фольги, фольгированной пленки или оплетки. У некоторых кабелей внешний экран двухслойный: фольгированная пленка плюс металлическая оплетка.

Снаружи кабель имеет защитную оболочку из поливинилхлорида или из компаунда с низким содержанием галогенов (LSZH). В последнее время наличие подобной оболочки с высокой огнестойкостью (Fire Resistance) становится обязательным требованием (оболочка типа LSFRZH).

Описанная конструкция обеспечивает очень широкий спектр применений этих кабелей. Во-первых, они поддерживают функционирование всех современных компьютерных приложений (10 Gigabit Ethernet и др.). Во-вторых, с помощью так называемого «расщепления» кабеля (Cable sharing) по отдельным парам можно подавать различные сервисы: телевидение, Internet, IP-телефонию
и др., так как пары очень хорошо изолированы одна от другой посредством экрана и имеют высокую внутрикабельную защищенность (PS NEXT). Кроме того, кабели обладают большим запасом по параметрам на будущее: хорошая внешняя защищенность гарантированно обеспечит работу новых приложений, таких как 40 Gigabit Ethernet или спутниковое телевидение.

ПАРАМЕТРЫ КАБЕЛЕЙ PIMF

Параметры кабелей заданы до частот 250 МГц (Категория 6), 600 МГц (Категория 7), 1200 и 1500 МГц (последняя частота пока не вошла в стандарты). Спецификации до 250 и 600 МГц приводятся в стандарте IEC61156-5, до 1200 МГц – в стандарте IEC61156-7.

Основные частотнозависимые параметры кабелей следующие: затухание (attenuation), защищенность на ближнем конце (ACR), суммарное переходное затухание на ближнем конце (PS NEXT), суммарная защищенность на дальнем конце (PS ELFEXT), возвратные потери (Return Loss, RL). Параметры для кабелей c наибольшей широкополосностью AMP Netconnect и Nexans приведены в Таблице 2, на основании которой можно сделать вывод, что даже на частоте 1500 МГц эти параметры довольно высоки.

Кроме перечисленных, есть и слабо зависящие от частоты параметры: относительная скорость распространения волны по кабелю NVP = 0,75c (где c — скорость света в вакууме), емкость пары 4,4 нФ/100м, сопротивление 14,5 Ом/100м.

Затухание сближения пар (coupling attenuation) — аналог затухания экранирования — равно 85 дБ. Волновое сопротивление (characteristic impedance) 100±15 Ом, задержка распространения сигнала (propagation delay) ≤ 427 нс/100м, перекос задержки (delay skew) ≤ 7нс/100м; все эти параметры даны на частоте 100 МГц.

СОЕДИНИТЕЛИ ДЛЯ КАБЕЛЕЙ PIMF

Несколько компаний создали соединители для дважды экранированных кабелей (см. Таблицу 3). Среди них есть как совместимые с классическим RJ45 (GG45 Nexans), так и несовместимые с ним (AMP-TWIST SL, EC7 Kerpen, TERA Siemon).

AMP Netconnect выпускает систему соединителей AMP CO Plus для подключения кабелей PiMF с более чем 20 сменными вставками. Эта же компания разработала адаптеры на основе гнезда TERA и форм-фактора GG45 (вставка ARJ45) для стыковки соединителей, выпускаемых другими производителями, с AMP CO Plus. Каждая из сменных вставок (см. Рисунок 2) помещается в экранированную розетку AMP CO Plus, состоящую из экранированного корпуса и экранированного краевого разъема (оконцевателя) MARK II.

Проведенные еще в 2003 г. испытания оконцевателя MARK II продемонстрировали, что он обладает широкополосностью до 2 ГГц. Следует учесть, что несколько выпускаемых вставок также экранированы. Как результат, собранная розетка AMP CO Plus, состоящая из экранированного корпуса, экранированного оконцевателя MARK II и экранированной вставки, получается дважды экранированной.

Кроме системы AMP CO Plus, компания AMP Netconnect разработала модульный соединитель AMP-TWIST-7AS на базе TERA (см. Рисунок 3).

Экранированный, совместимый с RJ45 кабельный соединитель GG45 7A Nexans (см. Рисунок 4) имеет диапазон рабочих частот до 1000 МГц. Соединитель GG45 7A перекрывает двойной частотный диапазон: в первом поддиапазоне, до 500 МГц, он соответствует Категории 6_А (режим RJ45), а с четырьмя дополнительными контактами (режим GG45) — Категории 7_А. Благодаря полному экранированию соединитель создает минимальное излучение и обеспечивает защиту от межкабельных помех, что гарантирует высокие характеристики всего тракта. Его можно использовать в четырехконнекторном передающем тракте на скорости до 40 Гбит/с.

Соединитель GG45 7_A обладает следующими свойствами:

• совместимость с RJ45, соответствие Категории 7_А;
• поддержка будущих приложений 40 Gigabit Ethernet (40GBaseT);
• полное экранирование для защиты от межкабельных переходных помех;
• принцип «2 в 1» с использованием 12 контактов для двух режимов передачи.

Компания Bell Stewart Connector совместно с Nexans разработала гнездовой соединитель для печатных плат ARJ45, отвечающий требованиям высокоскоростных приложений и соответствующий Категории 7_А. За основу конструкции был взят соединитель GG45, хорошо зарекомендовавший себя в тракте LANmark-7A. Гнездовой модуль ARJ45 полностью совместим с разъемом GG457A, созданным компанией Nexans. Соединитель может использоваться в активном оборудовании для высокоскоростных приложений, таких как 10GBaseT и 40GBaseT. Именно этот модуль применен компанией AMP Netconnect во вставке к розетке AMP CO Plus, он завершает набор вставок для всех имеющихся в настоящее время высокоскоростных кабельных систем.

Соединитель Kerpen ELine EC7, кроме мультимедийности, обладает еще и многофункциональностью. Это означает, что каждая из четырех пар контактов может быть задействована для любого приложения. При необходимости к оконечному разъему EC7 подключаются два компьютера, либо телевизор, компьютер и телефон, либо три телефона и факс-аппарат. Подобная многофункциональность каждой пары контактов делает кабельную сеть, выполненную на базе линий Kerpen ELine 1200 EC7, очень гибкой при использовании в отдельных домах (коттеджах) или в малых офисах.

Несколько иного подхода к разработке подобных трактов придерживается компания Siemon, которая предложила соединитель под маркой TERA, не базирующийся на традиционном RJ45. Контакты гнезда TERA расположены на двух уровнях — верхнем и нижнем. Правые верхняя и нижняя пары контактов предназначены для поддержки компьютерной сети, а левую нижнюю пару контактов рекомендовано отвести под голосовую связь (телефон). К розетке TERA можно подсоединить однопарные, двухпарные и четырехпарные шнуры.

Первоначально соединитель TERA предназначался для кабельных систем Категории 7 (до 600 МГц). В последнее время, в связи с разработкой Категории 7_А, появились сведения о рассмотрении его в качестве стандартного для подобных кабельных систем. Его широкополосность расширена, так как, согласно разрабатываемым стандартам, проводка Категории 7_А имеет рабочую полосу до 1000 МГц.

ПРЕИМУЩЕСТВА ДВАЖДЫ ЭКРАНИРОВАННОЙ ПРОВОДКИ

Двойное экранирование кабелей из витых пар значительно расширяет частотную полосу и снижает уровень помех в линии. Параметры широкополосности, пропускной способности, защищенности от межкабельных помех, электромагнитной совместимости и защиты от фоновых шумов, возможность передачи нескольких приложений показаны в Таблице 4, где дается сравнение с неэкранированной проводкой.

Широкополосность и пропускная способность такой кабельной системы в три раза выше, чем неэкранированной, а защищенность от межкабельных помех примерно на 20 дБ выше. Кроме того, электромагнитная совместимость, описываемая параметром ослабления внешних помех (Coupling Аttenuation), также во много раз выше: для U/UTP она составляет 40 дБ, для S/FTP – 90 дБ. В результате защищенность от фоновых шумов (радиопередатчики, сотовые телефоны, беспроводные устройства и др.) тоже значительно лучше, чем у U/UTP.

Что касается поддержки нескольких приложений, то она возможна и по U/UTP, но в случае кабелей S/FTP она реализуется гораздо проще и эффективнее. И если применение неэкранированной проводки для высокоскоростных приложений требует обязательной сертификации в полевых условиях, то использование дважды экранированной проводки полевой сертификации не предполагает.

ИСПЫТАНИЯ ДВАЖДЫ ЭКРАНИРОВАННЫХ ПРОВОДОК

В распоряжении автора имеется два полных отчета об испытаниях трактов (Channel) Классов EA и FA, до 500 и 1000 МГц, соответственно. Первый отчет выпущен испытательной лабораторией EC DELTA — расположенного в Дании испытательного центра. Второй подготовлен в Германии лабораторией по испытаниям кабельных систем GHMT.

Тесты, проведенные EC DELTA, касаются кабелей F/FTP600, S/FTP600 и S/FTP1200 компании AMP Netconnect/Tyco Electronics. На основе этих кабелей были собраны три тракта; розетки, шнуры и панели переключений использовались одни и те же. Испытанию подлежали полные тракты длиной 100 м с четырьмя соединителями.

Собранные тракты проверялись на соответствие требованиям Класса EA, и все получили сертификаты DELTA как отвечающие предъявляемым требованиям. Перечень проведенных испытаний на соответствие стандарту ISO/IEC 11801 с Поправкой 1 изложен ниже, при рассмотрении второго отчета.

Отчет GHMT относится к продукции AMP Netconnect: тракт собран из кабеля AMP DATALAN T150 AWG22 (PiMF) длиной 90 м, двух розеток ACO Plus со вставками ARJ-45 и двух шнуров по 2 м с ARJ-45 на концах. Он испытан на соответствие требованиям к двухконнекторному тракту Класса FA по стандарту ISO/IEC 11801 с Поправкой 1. Измерялись следующие параметры на частотах до 1000 МГц: Attenuation, NEXT, PS NEXT, ACR, PS ACR, ELFEXT, PS ELFEXT, Return Loss, LCL, Delay, Delay Skew. Перевод обозначений параметров дан во втором разделе статьи.

Согласно сделанному заключению, тракт AMP Netconnect полностью соответствует предъявляемым в стандарте требованиям. Для иллюстрации приведем графики защищенности на ближнем конце (см. Рисунок 5) из указанного выше отчета. Из графиков следует, что характеристики тракта значительно превышают требования стандарта ISO/IEC 11801 с Поправкой 1. Этот тракт сертифицирован лабораторией GHMT 1 октября 2007 г. Таким образом, тракт AMP Netconnect отвечает Классу FA с полосой до 1000 МГц.

ОСОБЕННОСТЬ ОКОНЦОВКИ И ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Дважды экранированные кабели требуют большого внимания к разделке, заделке в разъем и заземлению. От этого зависят высокие защитные характеристики проводки и ее соответствие техническим требованиям, сформулированным в стандарте.

Разделка кабеля выполняется в следующем порядке: сначала срезают оболочку, сдвигают оплетку к срезу и накручивают ее на оболочку. Затем с помощью специального инструмента надрезают экраны пар и поочередно снимают их. Для сохранения высоких характеристик экранированной кабельной системы при заделке кабеля нужно обеспечить надежный круговой контакт оплетки с металлическими частями разъема (см. Рисунок 6).

С этой же целью выполняется заземление экрана. Со стороны монтажного шкафа заземление экранированного гнезда происходит автоматически при вставке гнезда в панель переключений (контакт с ее неокрашенной стороны). Заземление панели и шкафа осуществляется в соответствии с общими требованиями. Так же автоматически, при установке разъема в заземленную розетку, выполняется заземление со стороны информационной розетки.

Прокладка дважды экранированных кабелей даже несколько проще, чем неэкранированных. Связано это с тем обстоятельством, что кабели S/FTP имеют запас по характеристикам, благодаря которому требования к монтажу не столь жесткие, как у кабелей U/UTP. Например, при прокладке кабелей S/FTP не надо использовать экранированные короба, которые часто необходимы для неэкранированных кабелей. Кабели S/FTP прокладываются независимо от расположения силовых кабелей, что в случае кабелей U/UTP может обернуться нежелательными наводками.

Кроме того, дважды экранированные кабели не требуют сертификации в полевых условиях, так как их характеристики обеспечиваются конструкцией кабелей. Полевые испытания, обязательные для неэкранированной проводки, затрудняют ее инсталляцию и стоят довольно дорого. К тому же, любые изменения и дополнения в неэкранированной проводке предполагают ее повторное тестирование.

РАЗВИТИЕ ДВАЖДЫ ЭКРАНИРОВАННОЙ ПРОВОДКИ

Впервые познакомиться с четырехпарным дважды экранированным кабелем автору довелось еще в 1996 г. Это был Siemens ICCS 300S, довольно сложной конструкции и трудный для разделки. Затем появились кабели AMP Netconnect, Alcatel (позднее Nexans), Siemon, Teldor. К 1999 г. конструкция дважды экранированных кабелей устоялась, в связи с чем возник вопрос об их стандартизации. Примерно в то же время появились и соединители для оконцовки таких кабелей (GG-45, TERA, EC-7).

Международная Электротехничес-кая Комиссия (МЭК) приняла решение стандартизировать эти кабели, и в 2002 г. был выпущен стандарт IEC61156-5 на дважды экранированные чертырехпарные кабели с рабочей полосой частот до 600 МГц (Категория 7). В 2003 г. был опубликован стандарт на аналогичные кабели с полосой 1200 МГц (IEC61156-7), так как в то время ожидалось появление спецификации Категории 8 с такой полосой. Позднее, в связи с разработкой Класса F_A и Категории 7_А, с полосой 1000 МГц, работы по созданию элементов Категории 8 были приостановлены.

К настоящему времени ведущие компании разработали кабели с полосой 1500 МГц (см. Таблицу 1), а теперь идет постепенное освоение этого частотного диапазона.

Практически одновременно с выпус-ком стандартов МЭК на дважды экранированные кабели объединенный технический комитет МЭК и ИСО (JTC 1, SC25) опубликовал в сентябре 2002 г. вторую редакцию стандарта ISO/IEC 11801:2002 — на кабельные системы Класса F с полосой 600 МГц (как в 61156-5). Позднее, через пять лет, одобрена Поправка 1 к этому стандарту, расширяющая полосу до 1000 МГц (Класс F_A).

Как подчеркивается в документах ISO/IEC, полное соответствие проводки Классу F_A может быть достигнуто только после выпуска Поправки 2 к ISO/IEC 11801:2002, где будут приведены данные о компонентах Категории 7_A, применяемых для создания кабельной системы Класса F_A. Тем не менее требования к трактам Класса FA полностью сформулированы и приводятся в Поправке 1. Компонентами для формирования тракта Класса FA служат кабели и соединители Категории 7_А, описанные выше.

Проблема создания кабельной системы Класса F_A с полосой 1000 МГц до конца не решена. Тракт Класса F_A описан в Поправке 1 к стандарту ISO/IEC 11801, но до сих пор нет Поправки 2, в которой должны быть определены параметры и характеристики проброса (Permanent link). Одновременно идет разработка стандарта IEEE 802.3ba на приложение Ethernet 40GBaseT, для которого, собственно, и нужна такая проводка.

Между тем состояние дел таково: всем непредвзятым специалистам ясно, что тракт Класса F_A фактически стандартизирован. Об этом говорят и уже проявленный энтузиазм, и заявления основных разработчиков (AMP Netconnect, Nexans, Siemon) о создании кабельных систем Классов E_A, F_A и о проведении их испытаний в специализированных лабораториях (DELTA и GHMT). Таким образом, можно констатировать, что дважды экранированная проводка стандартизирована для трактов Классов E_A и F_A с полосами до 500 и 1000 МГц, соответственно.

Мировой рынок постепенно начинает по достоинству оценивать высокие характеристики, надежность, удобство монтажа и эксплуатации дважды экранированных систем.

Давид Гальперович — старший научный сотрудник ОКБ кабельной промышленности, кандидат технических наук. С ним можно связаться по тел. (495) 583-5472.

Таблица 2. Некоторые параметры дважды экранированных кабелей.

Таблица 3 Соединители для кабелей PiMF Категории 7_А.

Таблица 4. Сравнение дважды экранированных и неэкранированных проводок.