Витая пара
Вита́я па́ра (англ. twisted-pair wire)— это тип кабеля, состоящего из нескольких скрученных попарно изолированных проводников с небольшим числом витков на единицу длины, помещённых в пластиковую оболочку. Проводники в парах изготовлены из одножильного медного провода диаметром 0,4−0,6 мм, реже для гибких проводных трасс используются многожильные проводники. Количество пар обычно составляет от двух до четырёх (в кабелях телефонной связи это количество может быть другим). Свивание проводников производится с целью уменьшения влияния помех и электромагнитных воздействий. При необходимости дополнительной защиты от помех кабель помещается в экранирующую оболочку.
В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости монтажа, кабель «витая пара» является самым распространённым решением для построения проводных локальных сетей. Используется в телекоммуникационных системах и в компьютерных сетях во многих технологиях, таких как Ethernet, ARCnet, Token ring, USB.
История возникновения
В основе возникновения витой пары лежит метод транспонирования (перекрещивания) телеграфных проводов между соседними опорами, который применялся для уменьшения перекрёстных помех.
После того, как в 1876 году американский изобретатель Александр Белл получил патент на изобретение телефона[1], появились первые телефонные сети, которые использовали телеграфные линии. Однако в то же время в городах появились первые электрические трамваи, были проложены линии электропередачи, провода которых шли параллельно линям связи и все эти новшества являлись источником электромагнитных помех. Транспонирование, которое послужило прообразом витой пары с шагом скрутки, равным расстоянию между опорами, в какой-то степени снизило влияние помех, однако со временем этого уже оказалось недостаточно. Нужно было другое решение и в 1881 году Александр Белл изобрёл и запатентовал новый вид кабеля для телефонных сетей, который состоял из одной и более пар изолированных проводников, скрученных между собой[2].
Немного теории
Устойчивость приёмо-передающего оборудования к помехам при передаче сигнала по кабелю типа витая пара обеспечивается при соблюдении следующих условий[3]:
- оба проводника являются сигнальными;
- значения сопротивлений обоих проводников пары, измеренные по отношению к нулевому потенциалу, равны;
- информационный сигнал является дифференциальным, то есть в каждый момент времени потенциалы обоих проводников пары относительно нуля равны по величине, но имеют противоположную полярность (или фазу);
- любое внешнее электромагнитное воздействие вызывает в обоих проводниках витой пары наведённые синфазные токи, то есть сигналы с равными амплитудой и фазой;
- терминальное оборудование, установленное на обоих концах передающего кабеля, устроено таким образом, чтобы распознавать только дифференциальный сигнал и подавлять синфазный.
При соблюдении этих условий кабельная система является симметричной и последующее подавление помех при её использовании основано на том, что электромагнитная волна помехи наводит в проводах витой пары синфазные напряжения (соответственно, и токи) одинаковой величины, причём в соседних витках спирали наведённая ЭДС на виток скрутки имеет взаимно противоположные знаки и на протяжении всей линии эта помеха практически компенсируется.
Полезный сигнал передаётся одинаковыми по отношению к нулевому потенциалу противофазными напряжениями, которые затем усиливаются в приёмнике с помощью входного дифференциального усилителя (ДУ). Работа такого усилителя основана на том, что напряжение на его выходе пропорционально разнице напряжений сигналов на его входах, поэтому при поступлении равных (синфазных) напряжений на входы ДУ выходное напряжение Uвых будет в идеальном случае равно нулю[4].
Поскольку синфазная помеха в значительной степени компенсируется в линии связи типа витая пара, её уровень на входах ДУ будет незначительным, что облегчает её дальнейшее подавление и позволяет говорить о приемлемой помехоустойчивости оборудования в целом.
Ниже представлен ряд иллюстраций, на которых показана передача сигналов по проводам витой пары:
Передача по проводам витой пары противофазных сигналов Data + / Data -
Принцип компенсации электромагнитной помехи в витой паре
Схематичное представление реакции усилителя на полезный дифференциальный сигнал и синфазную помеху
Конструктивное исполнение
Конструктивно кабель состоит из нескольких витых пар. Проводники в парах представляют собой одножильный, либо многожильный изолированный медный провод диаметром 0,4−0,6 мм. В стандартных четырёхпарных кабелях в основном используются проводники диаметром 0,51 мм или 24 AWG (от англ. American Wire Gauge — представление диаметров жил проводов в американской системе). Свитые в пары проводники для дополнительного уменьшения влияния помех свиваются вокруг общей продольной оси и помещаются во внешнюю пластиковую оболочку, как правило из поливинилхлорида (ПВХ). Внутри кабеля иногда встроена так называемая «разрывная нить» (обычно капрон), которая используется для облегчения разделки при монтаже внешней оболочки — при вытягивании она делает на оболочке продольный разрез, гарантированно не повреждая изоляцию проводников. Также разрывная нить, ввиду своей высокой прочности на разрыв, выполняет защитную функцию от продольных нагрузок[2].
Форма внешней оболочки кабеля может быть различной. Чаще других применяется круглая форма. Для прокладки под ковровым покрытием может использоваться плоский кабель. В плоском кабеле провода так же скручены в пары, однако пары не скручены вокруг общей оси. В результате плоский кабель более подвержен влиянию помех.
Кабели для наружной прокладки обязательно имеют дополнительную влагостойкую оболочку из полиэтилена, которая наносится вторым слоем поверх оболочки ПВХ.
Экранирование
Для защиты от электрических помех при использовании высокочастотных сигналов в кабелях используется экранирование. Экранирование применяется как к отдельным витым парам, которые оборачиваются в алюминиевую фольгу (металлизированную алюминием полиэтиленовую ленту), так и к кабелю в целом в виде общего экрана из фольги и/или оплётки из медной проволоки. Экран также может быть соединён с неизолированным дренажным проводом, который служит для заземления и механически поддерживает экран в случае разделения на секции при излишнем изгибе или растяжении кабеля.
Согласно международному стандарту ISO/IEC 11801[5], приложение E, для обозначения конструкции экранированного кабеля используется комбинация из следующих букв: U — неэкранированный, S — металлическая оплётка (только общий экран), F — металлизированная лента (алюминиевая фольга). Из этих букв формируется аббревиатура вида xx/xTP, обозначающая тип общего экрана и тип экрана для отдельных пар.
В зависимости от типа защиты кабеля экраном существуют следующие разновидности кабеля:
- Неэкранированный кабель (U/UTP);
- индивидуальный экран (U/FTP): экранирование фольгой каждых отдельных пар. Защищает от внешних помех и от перекрёстных помех между витыми парами;
- общий экран (F/UTP, S/UTP, SF/UTP): общий экран из фольги, оплётки, или фольги с оплёткой. Защищает от внешних электромагнитных помех;
- индивидуальный и общий экран (F/FTP, S/FTP, SF/FTP): индивидуальные экраны из фольги для каждой витой пары, плюс общий экран из фольги, оплётки, или фольги с оплёткой. Защищает как от внешних помех, так и от перекрёстных помех между витыми парами.
Экранированные кабели категорий 5e, 6/6A и 8/8.1 чаще всего используют конструкцию F/UTP (общий экран из фольги), тогда как экранированные кабели категорий 7/7A и 8.2 используют конструкцию S/FTP (с общей металлической оплёткой и фольгой для каждой пары)[6].
| Общепринятое название | Обозначение по ISO/IEC 11801 | Общий экран | Экран для пар |
|---|---|---|---|
| UTP | U/UTP | нет | нет |
| STP, ScTP, PiMF | U/FTP | нет | фольга |
| FTP, STP, ScTP | F/UTP | фольга | нет |
| STP, ScTP | S/UTP | оплётка | нет |
| SFTP, S-FTP, STP | SF/UTP | оплётка, фольга | нет |
| FFTP | F/FTP | фольга | фольга |
| SSTP, SFTP, STP PiMF | S/FTP | оплётка | фольга |
| SSTP, SFTP | SF/FTP | оплётка, фольга | фольга |
Буквенный код перед косой чертой обозначает тип общего экрана для всего кабеля, код после черты обозначает тип индивидуального экранирования для каждой витой пары:
- U = unshielded, без экрана
- F = foil, фольга
- S = braided screening, оплётка из проволоки (только внешний экран)
- TP = twisted pair, витая пара
- TQ = индивидуальный экран для двух витых пар (на 4 провода)
Ленточный кабель
Витой ленточный кабель — это разновидность стандартного ленточного кабеля, в котором соседние пары проводников свиты и соединены друг с другом (см.иллюстрацию). Периодически вдоль ленты имеются короткие участки без скручивания, к которым можно присоединять разъёмы с помощью обычных методов соединения ленточных кабелей IDC[7].
Разделение по категориям
Существует несколько категорий кабеля витая пара, которые нумеруются значениями от 1 до 8 и определяют эффективный частотный диапазон, в котором передаётся полезный сигнал. Кабель более высокой категории обычно содержит больше пар проводов и каждая пара имеет больше витков на единицу длины. Категории неэкранированной витой пары описываются в международном стандарте ISO 11801, а также в отечественных ГОСТ Р 53246-2008 и ГОСТ Р 53245-2008[8]. Каждая отдельно взятая витая пара, входящая в состав кабеля, предназначенного для передачи данных, должна иметь волновое сопротивление 100±15 Ом, в противном случае форма электрического сигнала будет искажена и передача данных станет невозможной.
| Категория | Исполнение | Пропускная способность | Характеристики (применение) |
|---|---|---|---|
| Cat 1 | 400 кГц | Телефонные и модемные линии | |
| Cat 2 | 4 МГц | Старые терминальные системы, например IBM 3270 | |
| Cat 3 | UTP | 16 МГц | Поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с или 100 Мбит/с по технологии 100BASE-T4 на расстоянии не дальше 100 метров |
| Cat 4 | UTP | 20 МГц | Состоит из 4‑х скрученных пар, скорость передачи данных не превышает 16 Мбит/с по одной паре в сетях Token Ring. Сейчас не используется |
| Cat 5 | UTP | 100 МГц | Также состоит из 4-х пар, используется при построении локальных сетей 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T и для прокладки телефонных линий |
| Cat 5e | UTP, F/UTP, U/FTP | 100 МГц | Усовершенствованная категория 5. Скорость передач данных до 100 Мбит/с при использовании 2-х пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4-х пар. Кабель категории 5e является самым распространённым и используется для построения компьютерных сетей. Преимущества данного кабеля в более низкой себестоимости и меньшей толщине |
| Cat 6 | UTP, F/UTP, U/FTP | 250 МГц | Неэкранированный кабель (UTP), состоит из 4-х пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с на расстояние до 55 м |
| Cat 6A | UTP, F / UTP, U / FTP, S / FTP | 500 МГц | Состоит из 4-х пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с на расстояние до 100 метров. Кабель этой категории имеет либо общий экран (F/UTP), либо экраны вокруг каждой пары (U/FTP) |
| Cat 7 | S / FTP, F / FTP | 600 МГц | 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T). Скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Кабель этой категории имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары (F/FTP или S/FTP) |
| Cat 7A | S / FTP, F / FTP | 1 ГГц | 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T). Скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Общий экран и экраны вокруг каждой пары (F/FTP или S/FTP) |
| Cat 8.1 | F / UTP, U / FTP | 2 ГГц | 25GBASE-T, 40GBASE-T. Полностью совместим с кабелем категории 6A. Скорость передачи данных до 40 Гбит/с при использовании стандартных коннекторов 8P8C. Кабель этой категории имеет либо общий экран, либо экраны вокруг каждой пары (F/UTP или U/FTP) |
| Cat 8.2 | S / FTP, F / FTP | 2 ГГц | 25GBASE-T, 40GBASE-T. Полностью совместим с кабелем категории 7A. Скорость передачи данных до 40 Гбит/с при использовании стандартных коннекторов 8P8C либо GG45/ARJ45 и TERA. Кабель этой категории имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары (F/FTP или S/FTP). |
Монтаж
При резких изгибах витой пары нарушается однородность симметричной среды передачи, иногда необратимо. Регламентированный минимальный радиус изгиба неэкранированного кабеля при монтаже — восемь внешних диаметров кабеля, экранированного — десять[9].
При монтаже экранированной витой пары необходимо следить за целостностью экрана по всей длине кабеля. Растяжение или изгиб кабеля приводят к разрушению экрана, что ведёт к снижению устойчивости к электромагнитным помехам. Дренажный провод должен быть соединён с экраном разъёма.
Примечания
- ↑ US Patent № 174465. Improvement in Telegraphy. Patented March 7, 1876.. Дата обращения: 10 ноября 2024. Архивировано 4 декабря 2020 года.
- ↑ 2,0 2,1 Классификация витой пары. Техника в деталях (14 сентября 2018). Дата обращения: 12 ноября 2024.
- ↑ Джордж Джорджевиц. Витая пара и радиочастотные помехи. Дата обращения: 12 ноября 2024.
- ↑ Основы аналоговой интегральной схемотехники. Дата обращения: 12 ноября 2024.
- ↑ ISO/IEC 11801 «Стандарт телекоммуникационной инфраструктуры коммерческих зданий». Классификация симметричных кабелей. Дата обращения: 12 ноября 2024.
- ↑ Valerie, Maguire Size of the Category 7A Installed Base (12 июля 2015). Дата обращения: 12 ноября 2024. Архивировано 17 мая 2017 года.
- ↑ 3M Twisted Pair Flat Cable. 3M. Дата обращения: 12 ноября 2024.
- ↑ ГОСТ Р 53245-2008. Информационные технологии. Системы кабельные структурированные. Монтаж основных узлов системы. Методы испытания. Дата обращения: 12 ноября 2024.
- ↑ ГОСТ Р 53246-2008. Информационные технологии. Системы кабельные структурированные. Проектирование основных узлов системы. Дата обращения: 12 ноября 2024. Архивировано 6 августа 2014 года.
Ссылки
Схема цветового кодирования витых пар и проводников в СКС
Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!