Одна витая пара. Что такое витая пара? Витая пара по типу экранирования

Для создания сетей связи, компьютерных и коммуникационных, используются кабели, изготовленные по специальной технологии. Жилы их попарно скручены между собой. Такие изделия называют «витой парой». Различают два основных типа кабелей такой конструкции: ftp и utp.

UTP (сверху) и экранированный FTP (снизу)

Особенности витой пары

Главной проблемой при защите линий связи является их защита от помех. Амплитуды сигналов в линии намного меньше, чем у окружающего его электрооборудования: в силовых кабельных линиях, электрических двигателях, бытовой технике, воздушных линиях электропередач. Принимая во внимание степень развития электрификации, нетрудно представить количество электромагнитных наводок, воздействующих на кабели связи на всем пути их следования.

Кроме того, жилы внутри самого кабеля воздействуют друг на друга, создавая взаимные помехи. Когда линии связи выполнялись по той же технологии, что и электрические (в виде воздушных линий с проводами на изоляторах), наводки от соседних проводников и высоковольтных линий электропередач минимизировали, регулярно изменяя расположение проводников линий относительно друг друга. Эту техническую хитрость называют транспозицией.

Транспозиция на примере линии электропередач

Витая пара в современном кабеле является той же самой транспозицией, но выполненной с высокой плотностью. Жилы скручиваются между собой попарно. Этим достигается минимальное влияние отдельных пар жил друг на друга и увеличивается защищенность от внешних помех.

Однако защитные свойства кабелей с витой парой сводятся на нет при нарушении условий их прокладки. Радиус изгиба таких изделий строго ограничен и обычно не должен быть меньше восьми диаметров. Если это не учесть, то внутри кабеля происходят геометрические изменения, иногда не поправимые, ухудшающие его помехозащищенность.

Радиус изгиба витой пары, должен быть не меньше 8 диаметров кабеля

Экранирование кабелей связи

Однако не всегда скручивание жил помогает полностью устранить влияние помех на полезный сигнал. В этом случае помогает внедрение в конструкцию экранирующих оболочек. Экранированию могут быть подвергнуты как отдельные пары жил, так и все жилы внутри кабеля. Эти методы применяются как по отдельности, так и совместно, в этом случае экранируется каждая пара жил и, дополнительно – все жилы вместе.

Однако этот способ защиты эффективен лишь в том случае, если заземлены корпуса оборудования, связанные кабелем. Иначе оболочки экранов сами становятся источником помех, накапливая их на всем пути линии.

В зависимости от наличия, отсутствия и количества экранов в марку кабеля добавляется буква, означающая:

• U – экран отсутствует;
• S – общий экран в виде металлической оплетки;
• F – экран из медной или алюминиевой фольги или металлизированной ленты вокруг жил каждой пары или всех в целом.

Полное обозначение марки состоит из записанных через дробь вышеуказанных букв. В числителе обозначается защита отдельных жил, в знаменателе – кабеля целиком. Далее добавляются буквы «ТР», обозначающие «twisted pair», в переводе — витая пара.

Например, обозначение U/FTP обозначает, что кабель не имеет защитного экрана отдельных пар жил, но содержит общую экранирующую оболочку. Встречаются и комбинации их двух букв, например «SF» — металлическая оплетка и фольга используются совместно.

Нужно учитывать, что при использовании фольги для экранирования наружная ее поверхность покрыта слоем диэлектрика. Поэтому при подключении экрана нужно использовать только его внутреннюю поверхность для контактного соединения.

Если экран изготовлен из фольги, то параллельно ей идет металлическая проволока небольшого сечения. Она необходима для лучшего контакта при подключении к заземляющим устройствам. Еще она ликвидирует возможные обрывы фольгированного экрана, возникающие в местах перегибов, как бы шунтируя места разрывов.

Какой кабель лучше: с экраном или без?

Какой же при прокладке сетей связи лучше использовать кабель, utp или ftp? Казалось бы, что применение экранированных кабелей решает все проблемы с помехозащищенностью, а неэкранированный справляется с задачей лишь частично.

Не тут-то было. Вспомним о способности экрана накапливать помехи при отсутствии заземления. Если оборудование, к которому он подключен, не имеет связи с контуром заземления (или собственного контура заземления, что является обязательным для серверов), то применение ftp приведет только к ухудшению ситуации.

К тому же ftp кабели очень чувствительны к низкочастотным помехам, уровень которых на производственных предприятиях достаточно высок из-за наличия силового электрооборудования. Как ни старайся, а прокладка кабелей связи все равно невозможна на достаточном удалении от существующих силовых трасс. А кабельная продукция, проходящая по ним, всегда излучает вокруг себя наводки. К тому же помехи излучают и электродвигатели, индукционные элементы. Не стоит забывать и про импульсные помехи, возникающие при работе коммутационных аппаратов.

Еще кабель utp, в отличие от ftp, имеет меньшую величину затухания полезного сигнала. Что сильно сказывается при большой длине линии связи.

Поэтому при принятии решения, какой кабель выбрать, неэкранированный или ftp, нужно ориентироваться на наличие у оборудования возможностей для подключения экрана, наличия или отсутствия низкочастотных помех и общей длины линии связи.

Еще при выборе кабеля нужно обратить внимание на материал его оболочки. Если он проходит по открытым участкам на улице, то она должна быть защищена от воздействия солнечных лучей. Для этого наружную оболочку выполняют из полиэтилена, обычно она черного цвета. Но полиэтиленовая оболочка, защищающая кабель от солнечных лучей, колебаний температур и атмосферных осадков, поддерживает горение. Поэтому внутри помещений их нельзя прокладывать открыто.

Для использования внутри зданий оболочка не должна поддерживать горение и не выделять при этом галогены (фтор, хлор, бром или йод). Они являются не только сильными окислителями, но и ядовиты для человека. Не поддерживающие горение оболочки обозначаются добавлением к маркировке кабеля букв LS (low smoke) для импортной или «нг» для российской продукции. Не выделяющие галогенов дополнительно маркируются HF (halogen free).

Витая пара в качестве среды передачи используется во всех современных сетевых технологиях, а также в аналоговой и цифровой телефонии. Унификация пассивных элементов сети на витой паре стала основой для концепции постороения структурированных кабельных систем, независимых от приложений (сетевых технологий). Любые сети на витой паре (кроме устаревшей LocalTalk) основаны на звездообразной физической топологии, которая при соответствующем активном оборудовании может служить основой для любой логической топологии.

Кабели на скрученной, или витой паре (Twisted Pair cable или ТР), в отличие от коаксиального кабеля , симметричны и используются для дифференциальной (балансной) передачи сигнала. Скрученная пара проводов по свойствам существенно отличается от пары тех же прямых проводов, идущих рядом параллельно друг другу. При скручивании оказывается, что проводники идут всегда под некоторым углом друг к другу, что снижает ёмкостную и индуктивную связь между ними. Кроме того, значительный отрезок такого ка-еля для внешних полей оказывается симметричным (круглым), что снижает его чувствительность к наводкам и внешние излучения при прохождении сигнала. Чем мельче шаг скрутки, тем меньше перекрестные помехи, но и больше погонное затухание кабеля, а также время распространения сигнала. Кабель может иметь различное исполнение, отдельные пары могут иметь экран из медной проволоки и/или фольги. В общий экран могут быть заключены и все пары кабеля. Впервые в сетевых технологиях витая пара была применена в сетях Token Ring - так называемый кабель IBM STP Type 1. Это был (и есть) дорогой и громоздкий кабель, требующий применения довольно крупных коннекторов. В настоящее время кабели на витой паре постоянно совершенствуются, главным образом в сторону расширения полосы пропускания. 100 МГц - это уже обычное значение для полосы пропускания кабеля, прорабатываются стандарты на кабели с полосой до 600 МГц.

Провод витая пара представляет собой два скрученных изолированных про­водника. Такой провод применяют для кроссировки (cross-wires) внутри комму­тационных шкафов или стоек, но никак не для прокладки соединений между по­мещениями. Кроссировочный провод может состоять из одной, двух, трех и даже четырех витых пар. Кабель отличается от провода наличием внешнего изоляционного чулка (jac­ket). Этот чулок главным образом защищает провода (элементы кабеля) от меха­нических воздействий и влаги. Наибольшее распространение получили кабели, содержащие две или четыре витые пары. Существуют кабели и на большое число пар - 25 пар и более. Шнур (cord) представляет собой отрезок гибкого (многожильного) кабеля от­носительно небольшой длины. Типичный пример - коммутационный шнур (patch cord) - отрезок многожильного 4-парного. кабеля длиной 1-5 м с модуль­ными 8-контактными вилками (RJ-45) на концах.

Категории витой пары

Категория (Category) витой пары определяет частотный диапазон, в котором ее применение эффективно (ACR имеет положительное значение). В настоящее время действуют стандартные определения 7 категорий кабеля (CAT1... CAT7).. Категории определяются стандартом EIA/TIA 568А.

• CAT1 - (полоса частот 0.1 МГц) телефонный кабель, всего одна пара, известный в России, как «лапша». В США использовался ранее, и проводники были скручены между собой. Используется только для передачи голоса или данных при помощи модема.
• CAT2 - (полоса частот 1 МГц) старый тип кабеля, 2-е пары проводников, поддерживал передачу данных на скоростях до 4 Мбит/с, использовался в сетях Token Ring и ARCnet . Сейчас иногда встречается в телефонных сетях.
• CAT3 - (полоса частот 16 МГц) 2-х парный кабель, использовался при построении локальных сетей 10BASE-T и Token Ring , поддерживает скорость передачи данных только до 10 Мбит/с. В отличие от предыдущих двух, отвечает требованиям стандарта IEEE 802.3. Также до сих пор встречается в телефонных сетях.
• CAT4 - (полоса частот 20 МГц) кабель состоит из 4-х скрученных пар, использовался в сетях token ring, 10BASE-T, 10BASE-T4, скорость передачи данных не превышает 16 Мбит/с, сейчас не используется.
• САТ5 - (полоса частот 100 МГц) 4-х парный кабель, это и есть, то, что обычно называют кабель «витая пара», благодаря высокой скорости передачи, до 100 Мбит/с при использовании 2-х пар и до 1000Мбит/с, при использовании 4-х пар, является самым распространённым сетевым носителем, использующимся в компьютерных сетях до сих пор. При прокладке новых сетей пользуются несколько усовершенствованным кабелем CAT5e (полоса частот 125 МГц), который лучше пропускает высокочастотные сигналы.
• CAT6 - (полоса частот 250 МГц) применяется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet , состоит из 4-х пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10000Мбит/с. Добавлен в стандарт в июне 2002 года. Существует категория CAT6a, в которой увеличена частота пропускаемого сигнала до 500МГц.
• CAT7 - скорость передачи данных 10000Мбит/с, частота пропускаемого сигнала до 600-700 МГц. Кабель этой категории экранирован. Благодаря двойному экрану длина кабеля может превышать 100 м.

Типы кабеля витая пара

Кроме общепринятых обозначений кабелей по категориям, существует и классификация кабелей по типам (Type), введенная фирмой IBM.

Витая пара может быть как экранированной (shielded), так и неэкранирован­ной (unshielded). Терминология конструкций экрана неоднозначна, здесь используются слова braid (оплетка), shield и screen (экран, защита), foil (фольга), tinned drain wire (луженый «дренажный» провод, идущий вдоль фольги и слегка ее обвивающий).

Неэкранированная витая пара (НВП) больше известна по аббревиатуре UTP (Unshielded Twisted Pair). Если кабель заключен в общий экран, но пары не имеют индивидуальных экранов, но, согласно стандарту (ISO 11801), он тоже отно­сится к неэкранированным витым парам и обозначается UTP или S/UTP. Сюда же относится SсТР (Screened Twisted Pair) или FTP (Foiled Twisted Pair) - кабель, в котором витые пары заключены в общий экран из фольги, а также SFTP (Shielded Foil Twisted Pair) - кабель, у которого общий экран состоит из фольги и оплетки.

Экранированная витая пара (ЭВП), она же STP (Shielded Twisted Pair), имеет множество разновидностей, но каждая пара обязательно имеет собственный экран:

• STP с обозначением вида «Type хх» - «классическая» витая пара, введен­ная IBM для сетей TokenRing . Каждая пара этого кабеля заключена в от­дельный экран из фольги (кроме типа 6А), обе пары заключены в общий плетеный проволочный экран, снаружи, все покрыто изоляционным чул­ком, импеданс - 150 Ом. Провод может быть одножильным или многожиль­ным калибра 22-26 AWG. Одножильный кабель 22 AWG может иметь по­лосу пропускания до 300 МГц.
• STP категории 5 - общее название для кабеля с импедансом 100 Ом, име­ющего отдельный экран для каждой пары, который может иметь различ­ное исполнение (фольга, оплетка, их комбинация). Иногда под этим же на­званием идет кабель, имеющий только общий экран (фирма AMP),
• SSTP (Shielded- Screened Twisted Pair) категории 7 - кабель, аналогичный PiMF.

Кабели могут иметь различные номиналы импеданса. Стандарт EIA/TIA-568A определяет два значения - 100 и 150 Ом, стандарты IS01 1801 и EN 50173 до­бавляют еще и 120 Ом. Требования к точности выдерживания импеданса в рабо­чей полосе частот обычно лежат в диапазоне ±15 % от номинала. Заметим, что кабель UTP чаще всего имеет импеданс 100 Ом, а экранированный кабель STP первоначально существовал только с импедансом 150 Ом. В настоящее время су­ществуют типы экранированного кабеля и с импедансом 100 и 120 Ом. Оконеч­ное оборудование выпускается в модификациях как для экранированной (STP), так и, неэкранированной (UTP) витой пары. С кабелем, имеющим хотя бы один экран (STP, ScTP, FTP, PiMF), используются разъемы, обеспечивающие соеди­нение экранов и (не всегда) экранирование. Импеданс применяемого кабеля должен соответствовать импедансу соединяемого им оборудования, в противном случае помехи, возникающие от отраженного сигнала, могут привес­ти к неработоспособности соединений. Особенно это критично для высоких час­тот (100 МГц и выше).

Наибольшее распространение получили кабели с числом пар 2 и 4. Существу­ют и двойные конструкции - два кабеля по две или четыре пары заключены в смежные изоляционные чулки. В общий чулок могут быть заключены, и кабе­ли STP+UTP. Из многопарных популярны 25-парные, а также сборки по 6 штук 4-парных. Кабели с большим числом пар (50, 100) применяются только в теле­фонии, поскольку изготовление многопарных кабелей высоких категорий - за­дача очень сложная. Каждая пара кабеля имеет свой шаг скрутки отличающийся от соседних. Этим обеспечивается снижение взаимной индуктивности и емкости проводов пар, а следовательно, и снижение перекрестных наводок. Поскольку от шага скрутки зависят волновые характеристики пары (скорость распространения, импеданс, затухание), пары в кабеле не идентичны. Каждая пара в отрезке кабеля имеет свою «электрическую длину», определяемую через время распространения сигнала и номинальную (для данного кабеля) скорость распространения волны. «Электрическая длина» пары будет отличаться от «механической», измеренной рулеткой. Иногда применяют переменный шаг скрутки для каждой пары - это выравнивает усредненные параметры пар при сохранении допустимого уровня перекрестных помех.

По калибру - сечению проводников - кабели маркируются в соответствии со стандартом AWG (American Wire Gauge - американские калибры проводов). В основном применяются проводники 26 AWG (сечение 0,13 мм2, погонное со­противление 137 Ом/км), 24 AWG (0,2-0,28 мм2, 60-88 Ом/км) и 22 AWG (0,33-0,44 мм2, 39-52 Ом/км). Однако калибр проводника не дает информации о толщине провода в изоляции, что весьма существенно при заделке концов кабеля в модульные вилки, и внешнем диаметре кабеля, по которому можно рас­считать сечение требуемых кабельных каналов.

Проводники могут быть жесткими одножильными (solid) или гибкими много­жильными (stranded или flex), состоящими обычно из 7 проволочек (7-strand). Кабель с одножильными проводами обладает лучшими и более стабильными ха­рактеристиками. Его применяют в основном для стационарной проводки (он и дешевле многожильного), которая составляет наибольшую часть в кабельных линиях. Многожильный гибкий кабель применяют для соединения оборудова­ния (абонентского и телекоммуникационного) со стационарной проводкой и коммутационных шнуров.

Соединительная аппаратура

Соединительная аппаратура обеспечивает возможность подключения к кабелям, то есть предоставляет кабельные интерфейсы. Для витой пары имеется широ­кий ассортимент коннекторов, предназначенных как для неразъемного, так и разъемного соединения проводов, кабелей и шнуров. Из неразъемных коннекто­ров распространены соединители типов S110, S66 и Krone, являющиеся про­мышленными стандартами. Среди разъемных наиболее популярны стандартизо­ванные модульные соединители (RJ-11, RJ-45 и др.). Для оконцовки изоляция с проводов не снимается - она смещается во время заделки самими ножами контактов коннектора. Процедура заделки (оконцовки) проводов в коннекторы типов S110, S66, Krone и подобных с помо­щью специальных ударных инструментов называется также и забивкой (punch down), а блоки с этими коннекторами называются PDS (Punch Down System).

К соединительной аппаратуре относятся и различные адаптеры, позволяю­щие, стыковать разнотипные кабельные интерфейсы.

Модульные соединители Modular Jack (гнезда, розетки) и Modular Plug (вилки) являются наиболее употребимыми разъемами для 1-, 2-, 3-, 4-парных кабелей категорий 3-6. В кабельных системах применяются 8- и 6-позиционные соедини¬тели, больше известные под названиями RJ-45 и RJ-11 соответственно.

Обозначение RJ (Registered Jack - зарегистрированное гнездо) на самом деле относится к разъему с определенной раскладкой проводов и происходит из телефонии. Каждый из изображенных на рисунке разъемов может использоваться с разными номерами RJ.

Модульная вилка RJ-45

При монтаже структурированной кабельной системы передачи данных следует использовать 8-позиционные соединители с раскладкой EIA/TIA-568A, сокращенно Т568А, или EIA/TIA-568B, сокращенно Т568В.

Недостатком всех раскладок является то, что, по крайней мере, одна пара разделывается не на соседние контакты, а внутрь нее вклинивается другая пара. Это приводит к увеличению перекрестных наводок и отражения сигнала от неоднородности, возникающей при большем расплетении проводов данных пар. По этой причине применение обычных модульных соединителей для категорий выше 6-й проблематично. Наиболее распространенные модульные соединители имеют категорию 5 или 3, соединители категории 5 и выше выпускаются и для экранированной проводки.

Модульные розетки категории 5 и выше всегда имеют соответствующее обозначение, от розеток 3-й категории они заметно отличаются конструкцией и способом присоединения проводов. Здесь собственно розетка смонтирована на печатной плате, на которой устанавливаются и ножевые контакты (типа S110, Krone или иной конструкции) для заделки проводов кабеля. Печатными проводниками цепи разводятся так, что провода каждой пары присоединяются к соседним контактам коннектора. Кроме того, на плате имеются реактивные элементы, согласующие импеданс, выполненные печатным способом. Без этих элементов на высокоскоростных технологиях (100 Мбит/с и выше) возможны проблемы, связанные с отражением сигналов от коннекторов.

Модульная розетка

По исполнению и способу крепления розеток существует множество вариантов, которые можно разделить на фиксированные конфигурации и наборные (модульные) системы. Розетки фиксированной конфигурации - настенные на 1 или 2 однотипных гнезда и блоки по 4, 6 или 8 розеток для коммутационных панелей-обычно крепятся за печатную плату, на которой они смонтированы. Для защиты от пыли применяют розетки с откидными крышками или отодвигающимися подпружиненными шторками. Для коммутационных панелей лучше всего подходит фронтальное положение гнезда (вилка входит спереди). Для розеток рабочих мест розетка может смотреть и вниз, и вбок (вверх нежелательно из-за скопления пыли). Во многих случаях удобны угловые розетки. Вариантов крепления много, и при внешней похожести розеток от разных изготовителей они часто не подходят к «неродной» арматуре, казалось бы, с теми же габаритами.

Заделка проводов в розетки выполняется инструментом, соответствующим типу коннектора (S110, Krone), или же с помощью защитных колпачков. Есть конструкции розеток, собираемых без инструмента, - провода раскладываются в пластмассовую крышку, и при ее одевании которой они заходят в контактные ножи.

Модульные вилки различных категорий внешне могут почти не отличаться друг от друга, но иметь разную конструкцию. Вилки для категории 5 могут иметь сепаратор, надеваемый на провода до сборки и обжима разъема, что позволяет сократить длину расплетенной части кабеля и облегчить раскладку проводов. Контакты при установке (обжиме) врезаются в провода сквозь изоляцию. Вилки для одножильного и многожильного кабеля различаются формой контактов. Игольчатые контакты используются для многожильного кабеля, иголки втыкаются между жилами проводов, обеспечивая надежное соединение. Для одножильного кабеля используются контакты, «обнимающие» жилу с двух сторон. Во время обжима вдавливается и выступ, фиксирующий кабель (ту часть, которая еще в чулке). Фиксатор служит для защелкивания вилки в розетке.