bardex

Techniczne szczegóły okablowania sieciowego i jego pomiarów.

Polska Norma PN-EN 50173 (1999) określa zarówno generalny schemat jak i nośniki (media) stosowane w okablowaniu strukturalnym. Niniejsza strona opisuje poszczególne rodzaje kabli stosowanych w nowoczesnych rozwiązaniach kategorii 5 i 5E, a następnie parametry pomiarowe sprawdzane przy dopuszczeniu połączenia do odpowiedniej kategorii. Czytelnik znajdzie tu także podstawowe wzory i definicje stosowane przy tego typu pomiarach.

Obecnie stosuje się 2 podstawowe rodzaje kabli: miedziane (tzw. skrętka) i światłowodowe. Wprawdzie istnieje tendencja do stosowania światłowodu ze względu na dużo mniejsze straty (tłumienie) transmisji i jej zakłócenia; z drugiej jednak strony tradycyjna skrętka jest dużo łatwiejsza do łączenia, wymiany uszkodzonych odcinków i instalacji. Dlatego normy preferują skrętkę do połączeń lokalnych (obszaru roboczego) a przewód światłowodowy do okablowania strukturalnego.

Kable skrętkowe.

Podstawowym elementem takiego kabla jest para skręconych przewodów miedzianych w izolacji (ang. twisted pair). Z punktu widzenia sygnału para taka stanowi linię symetryczną, o obciążeniu indukcyjno-pojemnościowym (oporność właściwa miedzi traci na znaczeniu wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału). Pary takie są łączone po 4 tworząc w zależności od wykonania:

Dodawanie poszczególnych elementów zwiększa cenę kabla. O ile osłonka foliowa co najwyżej porządkuje pary, zastosowanie oplotu na każdej z par poprawia zdolność przenoszenia sygnału o ok. 50% (patrz tabela dopuszczalnych długości kabli dalej).
Każda z par ma określony normą kolor (zielony, niebieski, pomarańczowy, brązowy): Jeden z przewodów pary ma izolację w podanym kolorze a jego towarzysz izolację białą z paskami w kolorze pary. Norma określa dokładnie w jakiej kolejności poszczególne pary powinny być przyłączone do gniazdka typu RJ-45 (tzn. „amerykańskiego telefonicznego”). Istnieją dwie takie sekwencje przedstawione poniżej (Rys. 1):

            Nie jest istotne, którą z sekwencji zastosujemy ale należy w całym systemie stosować tylko jedną z nich. Należy jeszcze zaznaczyć, że kable skrętkowe wykonywane są w dwu odmianach:
            - kabel o żyle z drutu (pojedynczy przewód), tańszy, ale podatny na odkształcenia, do stosowania tam, gdzie kable będą zamontowane na stałe
            - kabel o żyle z linki (wiele cienkich, skręconych przewodów), elastyczny, do stosowania w obszarze roboczym i do krosowania.

Rozróżnia się kable jednomodowe (single-mode, SM) i wielomodowe (multi-mode, MM). W tych ostatnich pojawiają się częstotliwości harmoniczne wynikłe z kształtu fali świetlnej w nośniku (tak, jak napięta lina może drgać tylko w swoim środku a może też w 1/4 i 3/4 a środek pozostaje nieruchomy) . Kable MM są tańsze, charakteryzują się jednak wyższą stopą błędów i większym tłumieniem, co ogranicza długość światłowodu. Dlatego przy zastosowaniu Gigabit Ethernet sugeruje się światłowody jednomodowe (przy niższych częstościach jest to bez znaczenia).

Kolejnym parametrem jest ilość włókien światłowodu – normy zalecają 12, ale nie jest to wymóg. Wreszcie trzecim parametrem jest grubość pojedynczego włókna (włókno – odpowiednik pary w skrętce – składa się z rdzenia i płaszcza, różniących się współczynnikiem załamania światła). W/g badań prowadzonych przy powstawaniu Gigabit Ethernet lepszy okazuje się stosunek 50/125µm niż 62.5/125 µm ale dla mniejszych częstości jest to bez znaczenia.

Zakończenie kabla światłowodowego, sugerowane przez normę EN 50173 może być jednym z trzech standardów:

Tłumienie sygnału określa się (jako jedyny parametr) dla połączeń światłowodowych (dla kabli skrętkowych pozostałe parametry w pełni charakteryzują daną linię). Dla światłowodów MM wymagane wartości określa:

Sygnał transmitowany w jednej parze kabla skrętkowego nie pozostaje (nawet przy zastosowaniu oplotu) bez wpływu na pozostałe pary w kablu, powodując zakłócenia zwane przesłuchami. Oddziałują one na obu końcach kabla. Stosowana jest następująca nomenklatura:

NEXT – przesłuch zbliżny (Near End CrossTalk) jest to poziom zakłóceń, indukowanych w danej parze na skutek transmisji sygnału w innej parze, mierzony po stronie źródła sygnału.

FEXT – przesłuch zdalny (Far End CrossTalk) jest to poziom zakłóceń, indukowanych w danej parze na skutek transmisji sygnału w innej parze, mierzony po stronie odbiornika sygnału. Parametr ten zależy od długości łącza i nie jest specyfikowany w normach. Zamiast niego używa się różnicy pomiędzy FEXT i tłumieniem, tzw. ELFEXT (Equal-level Far End Cross Talk), która jest niezależna od długości łącza.

Sygnał prostokątny (górna para) jest transmitowany z nadajnika Tx (po lewej). Powoduje on zakłócenia w innej parze, zarówno w odbiorniku (Rx) urządzenia lewego (przesłuch NEXT) jak i nadajniku (Tx) urządzenia prawego (przesłuch FEXT). W rezultacie zakłócana jest transmisja z prawej do lewej, co ma znaczenie jeżeli stosujemy protokół typu duplex.

ACR -asymetria transmisji, stosunek tłumienia do przesłuchu (Attenuation Crosstalk Ratio) jest kolejną wielkością ujętą w normach i opisuje pogarszanie się właściwości toru transmisji wraz ze wzrostem częstotliwości przenoszonego sygnału. Wynika to z modelu fizycznego skrętki, którą można częściowo traktować jako szeregową oporność typu indukcyjnego i równoległą typu pojemnościowego. Przy wzroście częstotliwości tłumienie rośnie, rosną też przesłuchy NEXT. Po przekroczeniu granicznej częstotliwości poziom sygnału zrówna się z poziomem szumów i linia stanie się bezużyteczna.

(Na powyższym rysunku „tłumienie” należy interpretować ze znakiem „-„, tj. opadająca krzywa oznacza większe tłumienie. Natomiast rosnąca krzywa NEXT pokazuje wzrost przesłuchów ze wzrostem częstotliwości).

Wprowadzenie Gigabit Ethernet zaostrzyło żądania wobec linii transmisyjnej i doprowadziło do powstania kategorii 5E, rozszerzającej kategorię 5. Normy wymagają pomiarów następujących dodatkowych parametrów dla kategorii 5E (znaczenia skrótów są objaśniane dalej.

Istotną nowością są parametry PS-... Oznaczają one sumę zakłóceń wnoszonych do danej pary przez wszystkie pozostałe pary (ten parametr jest istotny w przypadku Gigabit Ethernet, gdzie transmisja jest prowadzona wszystkimi 4-ma parami w trybie duplex) (PS = Power Sum of...). Ideę wielkości PS-NEXT i PS-FEXT objaśnia rysunek. Natomiast PS-ELFEXT ma się do PS-FEXT jak ELFEXT do FEXT.

Wielkości PS-... można związać z pomiarami wykonywanymi na pojedynczych parach, ponieważ moce zakłóceń dodają się. Określa to następujacy wzór (gdzie Pn - numer pary w kablu n-parowym):

Norma określa następujące wartości sum przesłuchów w zależności od częstotliwości sygnału

(W powyższej tabeli mniejsza liczba oznacza gorszy stosunek szum / sygnał, np. 32 dB NEXT przy 100 MHz oznacza stosunek szum/sygnał ok. 1 / 1500 ale przy 25 MHz już ok. 1 / 15000 – skala jest logarytmiczna).

Straty odbiciowe (Return Loss) jest to stosunek mocy sygnału odbitego od końca linii transmisyjnej do mocy sygnału wejściowego. Straty et mają charakter interferencyjny i powstają wskutek braku dopasowania impedancji linii do częstotliwości sygnału. Można je wyjaśnić przy pomocy modelu napiętej struny, która drga z określoną częstotliwością. Pobudzenia jej do drgań z inną częstotliwością wymaga nieustannego nakładu energii – albo sygnał zostanie natychmiast wytłumiony.

Różnica opóźnień (Propagation Delay Skew) rozchodzenia się sygnału wzdłuż toru wynika z niedokładności wykonania kabla i ma znaczenie jedynie przy jednoczesnej transmisji przez wszystkie 4 pary. Sygnał rozchodzi się w przewodzie miedzianym z prędkością V > 0.65 x prędkość światła. Oznacza to, że przy szybkości transmisji 100 MHz pojedynczy impuls „zajmuje” ok. 2m kabla (l = v / f ). Przy obecnych dokładnościach wykonania skrętki nie ma to znaczenia, ale przy częstości np. 1 GHz różnica w długości kabli skrętkowych wynosząca 20cm na przestrzeni np. 1000m staje się istotnym powodem przekłamań transmisji.