Переходные помехи и их разновидности

Наводки, накладываясь на передаваемые по тем же парам полезные сигналы, становятся для последних помехами, которые в силу своей природы называются переходными. Когда уровни полезного сигнала и наводки становятся соизмеримыми, на приеме возникают ошибки, что в конечном итоге снижает качество связи.

Переходная помеха имеет множество разновидностей. При расчете качественных показателей линии связи могут приниматься во внимание как все виды наводок, так и только некоторые из них. Конкретный перечень зависит от особенностей организации передачи и приема информационных сигналов. При анализе переходных помех необходимо учитывать следующие факторы:

• взаимное расположение источника наводки и места взаимодействия порождаемой им помехи с информационным сигналом;
• количество влияющих цепей, которые необходимо принимать во внимание при определении величины переходной помехи;
• организационная принадлежность цепей, являющихся источником и приемником переходной помехи, к одному или различным трактам передачи информации.

По месту измерения различают помеху на ближнем и дальнем концах. В расчет принимается также количество влияющих цепей: обычно рассматривают одинарную (одна влияющая цепь) и суммарную (более одного источника) переходную помеху. Если источник помехи и место ее измерения относятся к одному кабелю (стационарной линии или тракту), то речь идет о внутрикабельной или просто о переходной помехе, если к разным — то о межкабельной или (в общем случае) межэлементной. Кроме того, эти факторы могут произвольным образом комбинироваться при анализе. Иначе говоря, в определенных обстоятельствах возникает необходимость в определении, например, суммарной наводки на дальнем конце или даже межкабельной суммарной наводки на ближнем конце.

Упомянутые наводки можно назвать прямыми, так как они создаются непосредственно источником возмущающего сигнала в подверженной их влиянию цепи. В технике сетей связи общего пользования наряду с прямыми наводками иногда приходится учитывать косвенные наводки — так называемое влияние через третьи цепи. Благодаря малому шагу скрутки горизонтальные кабели СКС характеризуются заметно более низкими значениями переходных наводок. По этой причине косвенные влияния через третьи цепи можно считать пренебрежимо малыми на фоне прямых, поэтому учитывать их не имеет смысла.

Необходимость использования столь разноплановых характеристик влияния обусловлена тем, что наводки различной природы являются доминирующим источником помехи в симметричных кабельных трактах СКС. Расширение перечня составляющих переходной помехи связано с объективной тенденцией к увеличению производительности сетевых интерфейсов. Этот процесс сопровождается расширением диапазона рабочих частот; кроме того, при конструировании оборудования приходится применять все более сложные схемы организации связи.

УЧЕТ И АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПОМЕХ

Далее речь пойдет преимущественно о линейных кабелях, которые представляют собой наиболее «шумящий» элемент кабельного тракта СКС (Рисунок 1). Протяженность кабельных трактов СКС сравнительно небольшая (свыше 90% всех стационарных линий в правильно спроектированной СКС не превышают по длине 70 м), а ширина частотного диапазона достаточно велика. Поэтому, в отличие от линий сетей связи общего пользования, при их расчете и анализе необходимо учитывать переходную помеху со стороны других компонентов СКС (стационарной линии и трактов).

Шнуры отличаются от линейных только конструкцией проводника (семипроволочный вместо однопроволочного), несколько большей толщиной общей оболочки и пластичностью материала, используемого при их изготовлении, — тем самым обеспечивается необходимая механическая стабильность при многочисленных изгибах. Таким образом, переходные влияния этих разновидностей кабелей можно анализировать одинаково.

Стандарты СКС запрещают параллельное подключение к цепям передачи сигналов в пределах стационарной линии. С учетом этого ограничения единственным кандидатом на роль прочего компонента остаются соединители разных видов (разъемные и неразъемные). При таком подходе наряду с межкабельной переходной помехой можно рассматривать более общую межэлементную помеху. Она возникает в результате наводки, направленной с одного разъемного соединителя или неразъемного сростка на другой. Из-за точечного характера соединителя для этого иногда приходится несколько изменить модель описания влияния одних цепей на другие.

Отдельные помеховые составляющие одной частоты могут суммироваться с произвольной фазой или синфазно. В первом случае говорят о суммировании по мощности, во втором — по напряжению. Отдельные разновидности переходной помехи формируются независимо друг от друга, поэтому они воздействуют на сигнал аддитивно (иначе говоря, помехи суммируются по мощности). Суммирование по напряжению увеличивает амплитуду наводки и ее воздействие.

Некоторые производители кабельных систем в конце 90-х годов прошлого столетия предлагали нормировать так называемую глобальную переходную помеху (Global CrossTalk, GXT). Величина GXT численно равна сумме переходных помех, создаваемых источниками, которые находятся на обоих концах кабеля, а также вне его. Ввиду их статистической независимости суммирование отдельных составляющих выполняется по мощности, а не по напряжению (синфазно). Однако данный параметр не получил широкого распространения из-за низкой информативности — слишком уж разный характер изменения демонстрируют образующие его отдельные составляющие при вариации характеристик линии.

ПОНЯТИЕ ПЕРЕХОДНОГО ЗАТУХАНИЯ

Разность между уровнями исходного влияющего сигнала и наводки, создаваемой им в соседней цепи, называется переходным затуханием. Таким образом, переходное затухание по определению является положительной величиной. Введение данной характеристики весьма удобно с методической точки зрения: физический процесс (переходная помеха) и численная мера интенсивности этого процесса (переходное затухание) обозначаются двумя различными терминами.

Термин «переходное затухание» используется в кабельной технике и технике связи уже несколько десятков лет и отличается четкостью и логичностью. Во-первых, затухание определяется в полном соответствии с основополагающим отечественным ГОСТ 24204-80. Во-вторых, переход понимается как пространственное явление, так как источник наводки и место определения ее фактической величины не имеют гальванической связи.

Терминология в отношении переходного затухания тесно связана с отдельными разновидностями переходной помехи. При количественном описании воздействия от наводок говорят о переходном затухании на ближнем и дальнем концах, о суммарном переходном затухании и т. д., а также об их произвольных комбинациях.

Введение различных видов переходного затухания позволяет описать помеху в количественной форме, учесть отдельные ее составляющие, добиться более точного определения качественных показателей формируемого тракта передачи и осуществить их оптимизацию на практике.

ПЕРЕХОДНОЕ ЗАТУХАНИЕ НА БЛИЖНЕМ И ДАЛЬНЕМ КОНЦАХ

Симметричный кабель, а также стационарная линия и тракт, реализованные на его основе, изначально предназначены для передачи информационного сигнала между пространственно разнесенными точками и, таким образом, представляют собой протяженные объекты. Если источник сигнала, порождающего наводку, и место ее измерения находятся на одном конце этих объектов, то говорят о переходном затухании на ближнем конце, если на разных — о переходном затухании на дальнем конце (Рисунок 2).

Для обозначения переходного затухания на ближнем конце широко используется англоязычная аббревиатура NEXT (Near End Crosstalk), а для переходного затухания на дальнем конце применяется сокращение FEXT (Far End Crosstalk). Более точным было бы написание NEXT loss и FEXT loss, что, однако, хотя и принято в стандартах СКС, не получило практического распространения из-за некоторой громоздкости. Слово loss (потери, в данном случае затухание) подразумевается присутствующим по умолчанию. Термином NEXT может обозначаться как явление (переходная наводка), так и численная характеристика интенсивности этого явления (переходное затухание). Предполагается, что смысл термина должен быть ясен специалисту из контекста.

(Понятие переходного затухания на ближнем и дальнем концах в такой форме не является чем-то новым для кабельной техники. Оно широко применялось для линий городской, зоновой и междугородной связи. При их описании в отечественной технической литературе традиционно использовались обозначения A₀ и A_l соответственно.)

Переходное затухание на ближнем конце — самая первая численная характеристика влияния, которая начала нормироваться в СКС. При этом на момент выделения СКС в самостоятельное техническое направление NEXT был единственным актуальным для практики параметром влияния. Дело в том, что в середине 90-х годов скорости передачи в локальных сетях не превышали 100 Мбит/с (в вариантах 10BaseT и 100BaseTX), а для увеличения производительности канала связи (под этим параметром традиционно понималась сумма скоростей передачи в прямом и обратном направлениях) использовался полнодуплексный режим, поэтому передатчик и приемник каждого сетевого интерфейса конструируются в расчете на подключение к различным витым парам одного кабеля, которые могли бы функционировать одновременно.

Модель работы простейшего сетевого интерфейса Ethernet в полнодуплексном режиме (в контексте оценки качественных показателей канала связи) изображена на Рисунке 2, а. При такой схеме организации связи информационный сигнал, источником которого является передатчик на дальнем конце, приходит на ближний конец ослабленным после передачи по витой паре. На входе приемника он подвергается воздействию мощной переходной помехи от работающего на этом же конце передатчика. В этом случае для нахождения отношения сигнал/шум, то есть для определения качества передачи информации, достаточно ввести нормы и контролировать выполнение для следующего параметра:

NEXT = P_c – max P_ппб ,

где Р_с — уровень сигнала, а Р_ппб — уровень переходной помехи, создаваемой этим сигналом на ближнем конце.

Величина max P_ппб взята из соображений гарантированного обеспечения определенного отношения сигнал/шум в общем случае. Такой подход удобен тем, что при разработке сетевых интерфейсов пары горизонтального кабеля можно комбинировать произвольным образом.

Увеличить пропускную способность линии связи на основе симметричного тракта можно за счет одновременной передачи информации по двум или более парам одного кабеля. Данный прием известен как схема параллельной передачи и широко применяется на скоростях 1 Гбит/с и выше, но дополнительно к переходным помехам на ближнем конце необходимо учитывать также помехи на дальнем конце (см. Рисунок 2, б). Для расчета данной помехи следует знать величину переходного затухания на дальнем конце:

FEXT = P_c – max P_ппд ,

где P_ппд — уровень переходной помехи на дальнем конце. Максимальное значение P_ппд берется по тем же соображениям, что и при нормировании помехи на ближнем конце.

Отдельно укажем, что модель влияния (см. Рисунок 2, б) не имеет самостоятельного практического значения из-за отсутствия сетевых интерфейсов, где использовалась бы двухканальная схема параллельной передачи. В принципе ей соответствовал двухпарный гигабитный Ethernet, однако оборудование этого типа не получило распространения, хотя и стандартизировано IEEE 802.3.

Величины NEXT и FEXT представляют собой измеряемые параметры. Под этим понимается то, что при определении их фактического значения измерительный прибор подает на тестируемый объект испытательный сигнал и фиксирует отклик, поступающий в его приемную часть. После обработки данного отклика и его сравнения с исходным воздействием находится фактическое значение переходного затухания на ближнем и дальнем концах.

ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ NEXT И FEXT

Влияющая пара и пара, подверженная влиянию, находятся под общей защитной оболочкой кабеля, то есть располагаются параллельно. При анализе переходных воздействий подобную структуру можно рассматривать как конденсатор, функции обкладок которого выполняют влияющие друг на друга пары. Даже из такой простейшей модели следует, что с ростом частоты переходное затухание должно падать. При этом будет резонно, по крайней мере в первом приближении, считать линейной зависимость переходного затухания от частоты (в логарифмическом масштабе).

В нормативном разделе стандарта ISO/IEC 11801:2002 приводятся математические модели стационарных линий и трактов. Анализ их структуры показывает, что для кабельных изделий СКС используется следующее аппроксимирующее выражение частотной характеристики NEXT:

NEXT(f) = NEXT(1) – 15lg(f),

где: NEXT(1) — минимально допустимое переходное затухание на ближнем конце на частоте 1 МГц, которое для кабелей Категорий 5е, 6 и 7 принимается равным 63,5, 74,3 и 102,4 дБ соответственно, f, МГц — частота сигнала.

Из приведенного соотношения следует, что крутизна изменения минимально допустимой величины NEXT принимается постоянной во всем частотном диапазоне и равной 15 дБ на декаду.

Иногда указываемая в каталогах производителей размерность переходного затухания на ближнем конце в дБ/100 м должна трактоваться как величина NEXT, измеряемая при длине кабеля 100 м. Какие-либо пересчеты на меньшую длину недопустимы. Иначе говоря, если, например, на длине 100 м значение NEXT равно 40 дБ, то и при длине 50 м оно не поменяется и будет составлять те же 40 дБ.

Практически идентичное соотношение справедливо и для частотной характеристики переходного затухания разъемных соединителей. Начальное значение NEXT на частоте 1 МГц для разъемов Категорий 5е, 6 и 7 устанавливается стандартом ISO/IEC 11801:2002 равным 83, 94 и 102,4 дБ соответственно. Однако скорость падения NEXT при увеличении частоты зависит от категории разъема. Для изделий Категорий 5е и 6 она составляет 20 дБ на декаду, а для разъемов Категории 7 равна 15 дБ на декаду (аналогично кабелям).

Составляющие одной частоты переходной помехи на ближнем конце, которые создаются отдельными участками влияющей витой пары, суммируются с различными фазами. На качественном уровне этот эффект объясняется тем, что к моменту поступления на вход приемника указанные составляющие проходят различный путь. Поэтому реальный график частотной зависимости величины NEXT имеет вид кривой с падающей медианой и с резкими, но регулярными перепадами значений переходного затухания на близких частотах.

Стандарты нормируют только минимальную величину параметра NEXT. Кабель (а также стационарная линия и тракт, построенные на его основе) считается соответствующим требованиям стандарта, если во всем рабочем частотном диапазоне фактически достигаемая величина NEXT не опускается ниже того значения, которое определено нормами. Таким образом, из соображений преемственности принимается стратегия точечного, а не интегрального нормирования.

Переходная помеха на дальнем конце обычно меньше, чем переходная помеха на ближнем конце. Однако, в отличие от помех на ближнем конце, эти помеховые составляющие к моменту поступления на приемник проходят практически одинаковый путь. С учетом этой особенности они достаточно часто суммируются синфазно или с небольшой разностью фаз, что может дополнительно увеличивать их возмущающее воздействие на информационный сигнал.

ЗАВИСИМОСТЬ NEXT И FEXT ОТ ПРОТЯЖЕННОСТИ ЛИНИИ

Переходное затухание на ближнем конце с увеличением длины линии L сначала довольно быстро уменьшается, а затем асимптотически стремится к некоторому постоянному значению (Рисунок 3). Этот эффект объясняется тем, что, начиная с определенной величины L, токи помех с участков, отдаленных от точки подключения генератора (например, участки III и IV на Рисунке 2, а), приходят на ближний конец настолько ослабленными, что практически не увеличивают взаимного влияния между цепями.

Из рассмотренного механизма формирования помехи на ближнем конце следует, что значения NEXT для двух концов одной пары могут существенно различаться. Поэтому фактическая величина NEXT должна определяться отдельно для каждого конца стационарной линии, тракта или кабеля.

Это сказывается на конструкции приборов для полевого тестирования. Так, они реализуются в виде двух очень похожих полукомплектов или блоков, каждый из которых снабжается управляющим высокопроизводительным контроллером, что позволяет не менять местами базовый и удаленный блоки в процессе работы и по меньшей мере вдвое ускорить процесс тестирования. В серийной измерительной аппаратуре основной блок отличается от удаленного только наличием полномасштабного дисплея и органов управления.

График изменения переходного затухания на дальнем конце, зависящего от длины линии, носит экстремальный характер. Вначале, пока длина линейного кабеля мала, возрастание ее протяженности ведет к увеличению мощности помехи. По мере увеличения длины помеховые составляющие затухают сильнее, и FEXT постепенно, но при этом достаточно быстро возрастает. Данная особенность затрудняет контроль выполнения норм по этому параметру.

СУММАРНОЕ ПЕРЕХОДНОЕ ЗАТУХАНИЕ

К концу 90-х годов для описания функционирования симметричных кабельных линий и трактов СКС возникла потребность в моделях, которые в большей степени соответствовали бы реальным схемам использования ресурсов СКС перспективными видами аппаратуры, что было обусловлено двумя факторами. Во-первых, при разработке сетевого оборудования четко обозначилась тенденция использования одновременно нескольких пар для передачи информации в полнодуплексном режиме. Во-вторых, при построении СКС открытых офисов начали широко применяться многопарные кабели, характеристики которых позволяли выполнять передачу сигналов сразу нескольких сетевых интерфейсов.

Переход к новым схемам реализации информационного обмена привел к тому, что нормирования только межпарного переходного затухания оказалось недостаточно. Это обусловлено тем, что в момент поступления полезной информации на приемник воздействуют помехи со стороны нескольких источников, обладающих одинаковой или, по крайней мере, сопоставимой мощностью. Для учета этого обстоятельства используется более сложная схема, которая фиксирует переходное затухание по модели так называемой суммарной мощности (Power Sum).

В случае четырехпарного кабеля схема для определения суммарной переходной помехи на ближнем конце предстает в виде, изображенном на Рисунке 4, а (помехи от всех пар воздействуют на одну). В соответствии с этой схемой суммарное переходное затухание на ближнем конце составляет:

где NEXT_i — величина NEXT для i-й влияющей пары, а n — количество пар в кабеле.

Значение суммарного переходного затухания на дальнем конце определяется аналогично:

Величины PS-NEXT и PS-FEXT зависят от частоты и протяженности линии таким же образом, как NEXT и FEXT соответственно.

В отличие от параметра NEXT величина PS-NEXT при тестировании не измеряется из-за сложностей формирования адекватного испытательного сигнала. Она определяется расчетным путем на основании измерений NEXTi для отдельных пар. Выполнение данной операции не представляет каких-либо проблем благодаря высокой производительности контроллеров современного измерительного оборудования для полевого тестирования.

Параметр PS-FEXT также определяется расчетным путем. Однако как и его «межпарный» прототип он существенно зависит от длины линии и без связи с другими характеристиками малоинформативен. Поэтому стандарты его не нормируют. Тем не менее величина PS-FEXT является одной из составных частей параметра защищенности на дальнем конце, соблюдение требований стандартов для которого является необходимым условием сертификации кабельной системы перед ее передачей в текущую эксплуатацию.

Из-за неодинакового расстояния между парами, различного шага скрутки, особенностей раскладки проводов по контактам разъема и других параметров разность между величинами NEXT и PS-NEXT конструкций специальной разработки оказывается равной примерно 3 дБ, а не 4,8 дБ (см. Таблицу 1). Из приведенных в ней данных следует, что если величина PS-NEXT не приводится в паспортных данных кабеля, то для ее оценки в первом приближении можно воспользоваться довольно точным эмпирическим соотношением:

PS-NEXT = NEXT – 3 дБ.

Проблема обеспечения требуемой величины суммарного переходного затухания возникла сначала в многопарных кабелях при их подключении к нескольким источникам сигналов. Требования к многопарным конструкциям содержались в нормативной части редакций основных стандартов СКС от 1995 года. Сложность их соблюдения привела к тому, что в течение длительного времени на рынке предлагались две разновидности многопарных кабелей: обычные и с сертификацией по Power Sum. Последние обладали улучшенными характеристиками, но стоили намного дороже.

В настоящее время величины суммарного переходного затухания четырехпарных кабелей ненамного отличаются от аналогичных параметров различных многопарных кабелей. Это обусловлено конструкцией последних, где в большинстве случаев применяются пятипарные связки, то есть по количеству пар они мало отличаются от горизонтального кабеля.

Влияние пар соседних пучков многопарных изделий в кабельных трактах Категории не выше D пренебрежимо мало из-за относительно большого значения произведения L•λ — расстояния между ними на длину волны передаваемого сигнала. При переходе к трактам Класса E в традиционных многопарных кабелях, в которых все цепи передачи находятся под общей оболочкой, пренебрегать «межпучковыми» влияниями уже нельзя из-за уменьшения λ (роста частоты передаваемого сигнала). Для устранения этого недостатка конструкции Категории 6 с количеством пар свыше четырех реализуются по так называемой многоэлементной схеме. Последняя представляет собой фабричную сборку из нескольких четырехпарных кабелей, скрепленных общей оболочкой (например, так делает компания Corning Cable Systems) или обмоткой из фиксирующей ленточки (решение компании Brand Rex). Такое исполнение не требует радикальной модернизации технологического процесса на производстве и гарантирует большой пространственный разнос пар, относящихся к разным четверкам, благодаря чему величина произведения L•λ оказывается достаточной для эффективного подавления межпучковых воздействий.

МЕЖКАБЕЛЬНОЕ И МЕЖЭЛЕМЕНТНОЕ ПЕРЕХОДНОЕ ЗАТУХАНИЕ

Горизонтальные кабели на большей или меньшей части своей длины прокладываются параллельно по одному кабельному каналу с весьма узким поперечным сечением. Это приводит к тому, что кабели плотно прилегают друг к другу. В данной ситуации может понадобиться контроль воздействия всех окружающих кабелей на один, количественной мерой которого является стороннее или межкабельное переходное затухание. В данном случае, аналогично внутрикабельному переходному затуханию, различают переходное затухание на ближнем (Alien NEXT) и дальнем (Alien FEXT) концах, а также их межпарные и суммарные разновидности.

Из механизма возникновения наводок ясно, что основную долю мощности межкабельной помехи в конкретно взятой паре вносят пары такого же цвета других кабелей. Это обусловлено тем, что механизм подавления за счет соответствующего подбора шагов скрутки для таких пар не работает. Выбор названия помехи (от англ. Alien — чужой) дополнительно подчеркивает крайнюю опасность таких наводок для неэкранированных кабелей и линий, изготовленных на их основе.

Из-за особенностей самого процесса возникновения помех их уровень на дальнем конце кабеля может существенно превышать уровень на ближнем конце. Одновременно механизм формирования межкабельной переходной помехи означает изменение механизма формирования суммарной помехи. Поскольку расстояния между источником помехи и парой, подверженной влиянию, значительно больше, чем в случае сердечника, помеху создают не все пары соседних кабелей. При рассмотрении суммарной межкабельной переходной помехи следует учитывать только наводки от пар, которые имеют равный шаг скрутки, то есть «одноцветных» пар.

Соответственно, при определении межкабельной переходной помехи рассматриваются только те кабельные изделия, которые расположены в непосредственной близости от кабеля, подверженного влиянию. Ввиду однотипности кабелей, для анализа межкабельных влияний и построения схем измерения ее фактических значений зачастую применяется схема «шесть вокруг одного» (Рисунок 5).

Проведенные экспериментальные исследования показывают, что необходимость учета переходных помех, создаваемых соседними кабелями, возникает только на частотах свыше 250 МГц. Фактически такие помехи сказываются в трактах Класса не ниже EA, причем когда для их реализации используется неэкранированная элементная база Категории 6А. В отличие от внутрикабельной переходной помехи межкабельные шумовые составляющие не могут быть устранены методами аппаратурной обработки в цифровом сигнальном процессоре DSP приемника сетевого интерфейса. Это привело к увеличению спроса на кабели со структурой F/UTP. Благодаря пленочному исполнению экрана данные изделия чрезвычайно схожи по массогабаритным и эксплуатационным параметрам, а также по удобству монтажа с наиболее широко распространенными полностью неэкранированными конструкциями. Кроме того, они позволяют заметно увеличить эффективность подавления межкабельной переходной помехи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В симметричных кабельных трактах СКС на информационный сигнал воздействует множество наводок со стороны соседних цепей. В результате возникает необходимость нормирования и контроля различных вариантов переходного затухания, которое является численной мерой интенсивности этих наводок. Применение понятия переходного затухания позволяет простыми средствами и с высокой точностью оценивать работоспособность современных сетевых интерфейсов, обеспечивающих скорость передачи информации вплоть до 10 Гбит/с и выше.
2. Различный характер зависимости мощности отдельных видов переходной помехи от частоты и протяженности линии не позволяет ввести единый интегральный параметр, поэтому стандарты учитывают и нормируют каждую помеховую составляющую отдельно.
3. Параметры влияния на ближнем конце нормируются стандартами непосредственно, а на дальнем конце регламентируются косвенно — путем введения норм по защищенности.
4. По мере увеличения скорости передачи информации по симметричным кабельным трактам СКС количество учитываемых разновидностей наводок и, соответственно, видов переходного затухания неуклонно возрастает.

Андрей Семенов — директор центра развития «АйТи-СКС». С ним можно связаться по адресу: honor@it.ru.