Projektowanie i eksploatacja kabli teleinformatycznych (część 2)
Parametryzacja własności transmisyjnych konstrukcji kablowych
Przykłady źródeł zakłóceń występujących podczas jednoczesnej transmisji sygnału elektrycznego na czterech parach przewodowych
Strukturalne sieci teleinformatyczne utożsamiane są zwykle z serwerami, routerami czy różnego rodzaju przełącznikami. Niejako w ich tle funkcjonuje infrastruktura kablowa, od której wymaga się, aby zapewniała możliwie najszybszą transmisję sygnału i szerokie pasmo przenoszenia.
Zobacz także
mgr inż. Monika Walkowicz, dr inż. Beata Smyrak, prof. dr hab. inż. Tadeusz Knych Projektowanie i eksploatacja kabli teleinformatycznych (część 1)
Rozwój nowoczesnej telekomunikacji w sposób nieodłączny związany jest z wdrażaniem na rynek coraz to nowszych usług. Wymaga to realizacji nowatorskich inwestycji i przedsięwzięć, których celem jest m.in....
Rozwój nowoczesnej telekomunikacji w sposób nieodłączny związany jest z wdrażaniem na rynek coraz to nowszych usług. Wymaga to realizacji nowatorskich inwestycji i przedsięwzięć, których celem jest m.in. poszerzanie zasięgu sieci.
mgr inż. Krzysztof Berlik Budowa linii kablowych WN
Przyszłość budowy sieci WN w miastach należy do linii kablowych i GPZ-tów wnętrzowych. Jest to w zasadzie jedyne rozwiązanie, umożliwiające realizację tak istotnej inwestycji w obszarze zurbanizowanym....
Przyszłość budowy sieci WN w miastach należy do linii kablowych i GPZ-tów wnętrzowych. Jest to w zasadzie jedyne rozwiązanie, umożliwiające realizację tak istotnej inwestycji w obszarze zurbanizowanym. Jest ono kilkakrotnie droższe od napowietrznego, lecz pozwala na zrealizowanie inwestycji oraz jest znacznie bardziej bezpieczne w eksploatacji.
ZnakDirect sp. z o.o. Znak Direct – znaczniki kablowe i inne oznakowania projektowane online
Czytelne i trwałe oznakowanie urządzeń, przewodów, kabli, szaf sterowniczych oraz elementów instalacji ma duże znaczenie dla bezpieczeństwa pracy, sprawnego montażu i późniejszej obsługi technicznej. Firma...
Czytelne i trwałe oznakowanie urządzeń, przewodów, kabli, szaf sterowniczych oraz elementów instalacji ma duże znaczenie dla bezpieczeństwa pracy, sprawnego montażu i późniejszej obsługi technicznej. Firma Znak Direct oferuje szeroki wybór tabliczek, oznaczników, naklejek i znaków przeznaczonych dla przemysłu, elektroinstalatorów, automatyków, producentów maszyn oraz wykonawców instalacji technicznych.
StreszczenieOpracowanie coraz to szybszych przepływności w sieciach i wynikający z nich dynamiczny rozwój teleinformatycznych aplikacji kablowych przełożył się na określenie nowych grup kategorii przewodów o podwyższonych parametrach transmisyjnych (np. kat. 5e, 6, 7). Wymagania techniczne i technologiczne oraz zalecenia projektowe i instalacyjne stawiane nowym grupom produktów przeznaczonych do okablowania strukturalnego zostały sklasyfikowane w polskich (m.in. PN-EN 50288) i międzynarodowych (m.in. ISO/IEC 11801) normach. W artykule zdefiniowane zostały własności transmisyjne kabli teleinformatycznych (m.in. parametry elektromagnetyczne, propagacyjne) w odniesieniu do światowych standardów. Ponadto przedstawiono przykładowe charakterystyki zmian w funkcji częstotliwości pracy przewodów.AbstractDesign and operation of telecommunication cablesThe development of ever faster rate in the networks and the resulting dynamic development of the telecommunication cable applications translated into new groups to identify categories of cables with improved transmission parameters (such as category 5e, 6, 7). Technical and procedural requirements and the design and installation recommendations posed new categories of products dedicated to structured cabling, are classified in Polish (such as PN-EN 50288) and international (e.g. ISO/IEC 11801) standards. In the paper are defined transmission properties of telecommunication cables (including the electromagnetic parameters, propagation) in relation to global standards. In addition, the characteristics of a sample changes as a function of frequency cables. |
Warto jednak pamiętać, że tory przewodowe, symetryczne lub współosiowe (koncentryczne) nie są idealnymi mediami transmisyjnymi. Przesyłane sygnały są zniekształcane i zakłócane. Wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje zniekształceń: zniekształcenia odbiciowe, zniekształcenia tłumieniowe oraz zniekształcenia fazowe.
Ponadto, rzeczywiste tory przewodowe nie są idealnie chronione przed zakłóceniami przenikającymi z ich zewnętrznego otoczenia. W przypadku kabli wieloparowych, mogą to być zakłócenia przenikowe, indukowane w torze przez pole elektromagnetyczne towarzyszące transmisji sygnałów w sąsiednich torach tego samego kabla, albo typowe zakłócenia zewnętrzne, indukowane przez źródła zakłóceń, ulokowane w sąsiedztwie danego przewodu. Wymienione zjawiska towarzyszące w sposób nieodłączny teleinformatycznym aplikacjom kablowym zostały omówione w dalszej części.
Parametry elektryczne
W niniejszym rozdziale dokonano charakterystyki wybranych parametrów transmisyjnych kabli teleinformatycznych, zgodnych z obowiązującymi normami PN-EN 50288. Wymagania zostały w sposób szczegółowy zamieszczone w tabeli 1. Warto zaznaczyć, że większość z tych parametrów wyrażana jest w jednostkach zwanych decybelami (dB). Jest to względny wskaźnik poziomów napięcia lub mocy. Mierzenie strat sygnału w dB ma taką zaletę, że aby obliczyć wynikowe straty, należy dodać wszystkie składowe.
Przedstawienie własności kabli teleinformatycznych kategorii 5e i wyższych rozpocznijmy od jednego z bardzo istotnych parametrów, tj. tłumienności nazywanej także stratnością przesyłu sygnału elektrycznego. Zwiększa się ona wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału i długością odcinka kabla. Jeżeli tłumienie jest zbyt duże (tzn. sygnał staje się za słaby), to odbiornik nie będzie w stanie odróżnić sygnału od szumu i zaczną występować wówczas błędy transmisji. Współczynnik odbicia sygnałów (ang. Return Loss) nazywany echem lub echami, zilustrowano w sposób schematyczny na rysunku 1.
Każda nieregularność występująca w łączu (m.in. wada, wtyk, gniazdo) lub innego rodzaju niedopasowanie impedancyjne (m.in. wynikające z wad materiałowych żyły przewodzącej) powoduje odbicie transmitowanego impulsu, czyli wygenerowanie w miejscu niedopasowania niekorzystnej fali zwrotnej, zniekształcającej przez pewien czas wszystkie impulsy przenoszące informacje. Wartość tłumienności odbiciowej definiuje się jako iloraz sygnału odbitego do transmitowanego.
Kolejnym istotnym parametrem tej grupy aplikacji jest pojemność skuteczna pomiędzy żyłami tego samego toru symetrycznego, która mierzona jest w warunkach zrównoważenia. Wynika z istnienia elementów przewodzących, na których może zgromadzić się ładunek, oddzielonych izolatorem, pomiędzy którymi występuje różnica potencjałów, czyli napięcie. Na wielkość pojemności wpływa zarówno rodzaj wprowadzonego pomiędzy elementy przewodzące izolatora, który charakteryzuje się określoną przenikalnością dielektryczną względną, jak i geometria całego układu.
Z pojemnością skuteczną związana jest ponadto asymetria pojemności względem ziemi dowolnego toru transmisyjnego, która wyraża różnicę pojemności cząstkowych poszczególnych żył tego samego kabla względem ziemi. Małe wartości asymetrii pojemności świadczą o poprawnym wykonaniu kabla. Także w tym przypadku asymetria zależy od geometrii żyły przewodzącej i jakości wytłoczonej izolacji (m.in. konieczność zachowania centryczności), a także od technicznych i technologicznych warunków prowadzenia procesu produkcyjnego. Z praktycznego punktu widzenia pojemność skuteczna i asymetria pojemności traktowane są jako wyznaczniki dokładności wykonania poszczególnych par żył przewodzących, czyli zachowania ich geometrii, zgodnie z wymaganiami zdefiniowanymi w normach.
Następną bardzo ważną grupą własności kabli teleinformatycznych są tzw. przesłuchy, czyli niekorzystne zjawiska przenikania sygnału z jednego toru transmisyjnego do drugiego za pośrednictwem indukcji elektromagnetycznej. Przenikanie sygnału z jednej pary do drugiej to m.in. tzw. tłumienność zbliżnoprzenikowa (ang. Near End Cross-Talk Loss, NEXT) przedstawiona w sposób schematyczny na rysunku 2. Termin „near-end” określa, że pomiar spadku mocy sygnału jest prowadzony po tej samej stronie, po której prowadzona jest transmisja. NEXT zwiększa się wraz ze zwiększaniem częstotliwości sygnału i długości kabla. Drugim parametrem, zbliżonym do przeniku NEXT jest tzw. przenik zdalny (ang. Far End Cross-Talk Loss, FEXT), różniący się tym, że zakłócenia mierzone są na przeciwnym końcu kabla niż sygnał wywołujący zakłócenia (rys. 3.).
Pamiętając, że parametry NEXT i FEXT mierzone są zawsze pomiędzy dwoma parami (parą zakłócającą i parą zakłócaną), należy także wspomnieć o przesłuchach występujących w konstrukcjach kablowych, gdy sygnał transmitowany jest nie jedną, a wszystkimi czterema parami. Konieczność prowadzenia takich pomiarów pojawiła się wraz z wprowadzeniem na rynek nowych standardów Fast Ethernetu: 100BASE-T4 i 1000BASE-T. W takich przypadkach na każdą pojedynczą parę mają wpływ pozostałe trzy. Aby obliczyć sumę wpływów, należy dodać tłumienności przenikowe pochodzące od każdej z poszczególnych (trzech) par. W tym przypadku będziemy mówić o dwóch zmiennych parametrach, z których pierwszy to tłumienność równoważna sumie mocy przeniku zbliżnego (ang. Power Sum Near End Cross-Talk Loss, PSNEXT) oraz odstęp równoważny sumie mocy przeniku zdalnego (ang. Power Sum Far End Cross-Talk Loss, PSELFEXT).
Omawiając w dalszym ciągu parametry kompatybilności elektromagnetycznej (tj. zjawiska przesłuchów) należy zwrócić uwagę na kolejne dwa, proste wskaźniki informujące o jakości wykonanego kabla przeznaczonego do pracy na określonej częstotliwości. Jest to tzw. odstęp zbliżnoprzenikowy (ang. Attenuation to Crosstalk Ratio, ACR) oraz odstęp zdalnoprzenikowy (ang. Equal Level Far End Cross-Talk Loss, ELFEXT – rys. 3.). Pierwszy określany jako stosunek tłumienia do przesłuchu wyznacza odstęp w decybelach pomiędzy sygnałem użytecznym a zakłóceniem przenikowym na początku kabla.
Jeśli ACR jest większy od zera, to sygnał jest mocniejszy od szumu i dane, które zawiera, mogą zostać dekodowane. Jeżeli zaś szum będzie większy od sygnału, to odbiornik nie będzie w stanie poprawnie rozszyfrować sygnału. Sposób wyliczania ACR zilustrowano na rysunku 4. Drugi z omawianych parametrów, tj. odstęp zdalnoprzenikowy ELFEXT, jest mierzony względem poziomu sygnału odbieranego, a nie nadawanego. Matematycznie jest to wynik otrzymany z różnicy pomiędzy wartością parametru FEXT i tłumienia dla danego toru transmisyjnego.
Omawiając parametry transmisyjne torów teleinformatycznych należy zwrócić uwagę na ważną grupę pomiarów parametrów propagacyjnych, a mianowicie: prędkość propagacji fali (ang. Propagation Speed, Velocity Factor), opóźnienie propagacji (ang. Phase Delay) i przesunięcie fazowe (ang. Delay Skew). Sygnał elektryczny transmitowany przez kabel z miedzianą żyłą przewodzącą posiada skończoną szybkość. Zwykle wyraża się go w procentach szybkości światła (czyli prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni c=299 792 458 m/s).
Gdy dane są transmitowane przez cztery pary równocześnie, to wszystkie cztery sygnały muszą zostać odtworzone w jeden strumień danych. Wymaga to synchronizacji pomiędzy nimi. To oznacza, że sygnały transmitowane przez różne pary muszą docierać do odbiornika w określonym czasie. Krytyczna jest tutaj zatem różnica pomiędzy parą o największym i najmniejszym opóźnieniu propagacji. Ta różnica to wspomniane przesunięcie fazowe, którego pomiar to jedno z podstawowym wymagań stawianych grupie kabli teleinformatycznych przez standardy 1000-BASE-T.
Jak wynika zatem z powyższego opisu, kabel teleinformatyczny jest przykładem aplikacji, której stawia się bardzo wysokie wymagania dotyczące zarówno budowy konstrukcyjnej torów, jak i własności transmisyjnych. Projektując tego typu przewody warto także brać pod uwagę sumaryczny wpływ wszystkich możliwych do wystąpienia źródeł zakłóceń podczas jednoczesnej transmisji na czterech parach tzw. skrętki (rys. 5.).
Podsumowanie
Wzrost przepustowości pasma w sieciach teleinformatycznych generuje potrzebę rozwoju innowacyjnych aplikacji z grupy kabli i przewodów, których zadaniem jest usprawnienie działania sieci na drodze minimalizacji stratności transmitowanych sygnałów elektrycznych. Produktami pozwalającymi na uzyskanie prędkości przesyłu danych (m.in. 100 MHz, 250 MHz), wykorzystującymi do transmisji wszystkie cztery pary przewodów, jest miedziane okablowanie strukturalne.
W artykule wykazano, że kable te zapewniają niski poziom strat sygnału i tłumienie przesłuchów obcych. W sposób bezpośredni wpływa to na uzyskanie wyższego stosunku sygnał/szum.
***
Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki.
Literatura
- PN-EN 50288-3-1:2003: Przewody wielożyłowe stosowane w cyfrowej i analogowej technice przesyłu danych. Część 6-1. Wymagania grupowe dotyczące przewodów nieekranowanych do częstotliwości 100 MHz – Przewody przeznaczone do pionowego i poziomego układania w budynkach.
- PN-EN 50288-6-1:2003: Przewody wielożyłowe stosowane w cyfrowej i analogowej technice przesyłu danych. Część 6-1. Wymagania grupowe dotyczące przewodów nieekranowanych do częstotliwości 250 MHz – Przewody przeznaczone do pionowego i poziomego układania w budynkach.
- PN-EN 50288-4-1:2003: Przewody wielożyłowe stosowane w cyfrowej i analogowej technice przesyłu danych. Część 6-1. Wymagania grupowe dotyczące przewodów nieekranowanych do częstotliwości 600 MHz – Przewody przeznaczone do pionowego i poziomego układania w budynkach.
- PN-EN 50289-1-1:2006: Kable teleinformatyczne. Metody badania. Część 1-1: Metody badań właściwości elektrycznych. Wymagania ogólne.
- PN-EN 50289-1-2:2007: Kable teleinformatyczne. Metody badania. Część 1-2: Metody badań właściwości elektrycznych. Odporność na prąd stały.
- PN-EN 50289-1-3:2007: Kable teleinformatyczne. Metody badania. Część 1-3: Metody badań właściwości elektrycznych. Wytrzymałość elektryczna.
- PN-EN 50289-1-4:2007: Kable teleinformatyczne. Metody badania. Część 1-4: Metody badań właściwości elektrycznych. Rezystancja izolacji.
- PN-EN 50289-1-5:2002: Kable teleinformatyczne. Metody badania. Część 1-5: Metody badań właściwości elektrycznych. Pojemność.
- PN-EN 50289-1-6:2002: Kable teleinformatyczne. Metody badania. Część 1-6: Metody badań właściwości elektrycznych. Właściwości elektromagnetyczne.
- PN-EN 50289-1-7:2002: Kable teleinformatyczne. Metody badania. Część 1-7: Metody badań właściwości elektrycznych. Szybkość propagacji.
- PN-EN 50289-1-8:2002: Kable teleinformatyczne. Metody badania. Część 1-8: Metody badań właściwości elektrycznych. Tłumienność.
- PN-EN 50289-1-9:2002: Kable teleinformatyczne. Metody badania. Część 1-9: Metody badań właściwości elektrycznych. Wymagania niesymetrii.
- PN-EN 50289-1-10:2002: Kable teleinformatyczne. Metody badania. Część 1-10: Metody badań właściwości elektrycznych. Przenik.
- PN-EN 50289-1-11:2002: Kable teleinformatyczne. Metody badania. Część 1-1: Metody badań właściwości elektrycznych. Impedancja falowa, impedancja wejściowa, tłumienność odbiciowa.
- Knych T., Smyrak B., Walkowicz M.: Charakterystyka kabli symetrycznych dedykowanych dla sieci teleinformatycznych. XIX Konferencja Szkoleniowo – Techniczna KABEL, Zakopane, 6 – 9 marca 2012 r.
- TECHNOKABEL S.A. – Informator Techniczny Warszawa 2007.
- Breyer R., Riley S.: Switched, Fast and Gigabit Ethernet. McMillam Technical Publishing 1999.
- Sclater N.: Wire & Cable for Electronics. McGraw Hill 1991.
