Кабели витая пара: экранированная, неэкранированная

Витая пара – это кабель, который имеет две или четыре крученных пары проводов. Кабели на основе витая пара являют собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов у единственной диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он достаточно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет возвести к минимуму индуктивные наведения кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов. Витая пара используется в дешевых и сегодня, по-видимому, самих популярных кабелях.
Обычно в кабель входит две (рис. 1) или четыре крученных пары.

Рис. 1.  Кабель с крученными парами

Неэкранированная витая пара характеризуется слабой защищенностью от внешних электромагнитных препятствий, а также от подслушивания, которое может осуществляться с целью, например, промышленного шпионажа. Причем перехват переданной по сети информации возможно как с помощью контактного метода (например, с помощью двух игл, уткнутих в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, который сводится к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Причем действие препятствий и величина излучения в поза увеличивается с ростом длины кабеля. Для устранения этих недостатков применяется экранирование кабелей.
В случае экранированной крученный пары STPкаждая из крученных пар содержится в металлической обертке-экране для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных препятствий и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk– перекрестные наведения). Для того, чтобы экран защищал от препятствий, он должен быть обязательно заземлен. Звичайео, экранирована крученная пара заметно дороже, чем неекранована. Ее использование требует специальных экранированных разниманий. Поэтому встречается она значительно реже, чем неекранована крученная пары.

Основные преимущества неэкранированной витой пары – это простота монтажа разниманий на концах кабеля, а также ремонту любых повреждений в сравнении с другими типами кабеля. Все другие характеристики в них хуже, чем у других кабелей. Например, при заданной скорости передачи затухания сигналу (уменьшение его уровня в меру прохождения по кабелю) у них больше, чем у коаксиальных кабелей. Если учесть еще низкую помехозащищенность, то понятно, почему линии связи на основе крученных пар, как правило, достаточно короткие (обычно в пределах 100 метров). В это время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 1000 Мбит/с, хотя технические проблемы, которые возникают при таких скоростях, очень сложны.

В соответствии со стандартом EIA/TIA 568, существуют пять основных и две дополнительных категории кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP):

В соответствии со стандартом EIA/TIA 568, полное волновое сопротивление наиболее распространенных кабелей категорий 3, 4 и 5 должен составлять 100 Ом ±15% в частотном диапазоне от 1 Мгц к максимальной частоте кабеля. Требования не очень тверди: величина волнового сопротивления может находиться в диапазоне от 85 до 115 Ом. Здесь же следует отметить, что волновое сопротивление экранированной кручено пары STPпо стандарту должен быть ровным 150 Ом ±15%. Для согласования сопротивлений кабеля и оборудования в случае их разногласия применяют трансформаторы (Balun). Существует также экранированная крученная пара с волновым сопротивлением 100  Ом, но используется она достаточно редко.

Второй важнейший параметр, который задается стандартом, – это максимальное затухание сигнала, переданного по кабелю, на разных частотах. В таблице 1 приведены предельные значения величины затухания в децибелах для кабелей категорий 3, 4 и 5 на расстояние 1000 футов (то есть 305 метров) при нормальной температуре окружающей среды 20°С.

Из таблицы видно, что величины затухания на частотах, близких к предельным, для всех кабелей очень значительные. Даже на небольших расстояниях сигнал ослабляется у десятки и сотни раз, которая выдвигает высокие требования к приемникам сигнала.

Еще один специфический параметр, обусловленный стандартом, это величина так называемого перекрестного наведения на конце ближнего (NEXT– NearEndCrossTalk). Он характеризует влияние разных проводов в кабеле друг на друга. Суть данного параметра иллюстрируется на рис. 2. Сигнал, переданный по одной из крученных пар кабеля (верхняя пара), наводит индуктивное препятствие на другую (нижнюю) крученную пару кабеля. Две крученных пары в сети обычно передают информацию в разные стороны, потому наиболее важно наведение на конце ближнего воспринимающей пары (нижней на рисунке), потому что именно там находится приемник информации. Перекрестного наведения на далеком конце (FEXT– FarEndCrossTalk) не имеют такого большого значения.

В таблице 2. представлені значення припустимого перехресного наведення на ближньому кінці для кабелів категорій 3, 4 і 5 на різних частотах сигналу. Природно, більше якісні кабелі забезпечують меншу величину перехресного наведення. Рис. 2.  Перекрестные препятствия в кабелях на крученных парах. Стандарт определяет также максимально допустимую величину рабочей емкости каждой из крученных пар кабелей категории 4 и 5. Она должна составлять не больше 17 нФ на 305 метров (1000 футов) при частоте сигнала 1 кГц и температуре окружающей среды 20°С.

Для присоединения крученных пар используются разнимания (конектори) типа RJ-45, похожие на разнимания, которые используются в телефонах (RJ-11), но немного большие по размеру. Разнимания RJ-45имеют восемь контактов вместо четырех в случае RJ-11. Присоединяются разнимания к кабелю с помощью специальных обтискних инструментов. При этом золочены игольчатые контакты разнимания прокалывают изоляцию каждого провода, входят между его жилами и обеспечивают надежное и качественное соединение. Нужно учитывать, что при установке разниманий стандартом допускаются розплетіння крученной пары кабеля на длину не больше одного сантиметра.

Чаще всего крученные пары используются для передачи данных в одном направлении (точка-точка), то есть в топологии типа звезда или кольцо. Топология шина обычно ориентируется на коаксиальный кабель. Поэтому внешние термінатори, что согласовывают неподключенные концы кабеля, для крученных пар практически никогда не применяются.
Кабели выпускаются с двумя типами внешних оболочек:

Кабель в ПВХ оболочке называется еще non-plenum, а у тефлоновой – plenum. Срок plenumозначает в этом случае пространство под фальшпідлогою и над подвесным потолком, где удобно розміщати кабели сети. Для прокладки в этих спрятанных от глаз пространствах именно удобнее кабель в тефлоновой оболочке, что, в частности, горит намного хуже, чем ПВХ - кабель, и не выделяет при этом ядовитые газы в большом количестве.

Еще один важен параметр любого кабеля, который жестко не определяется стандартом, но может существенно повлиять на работоспособность сети, - это скорость распространения сигнала в кабеле или, иначе говоря, задержка распространения сигнала в кабеле в расчете на единицу длины.

Производители кабелей иногда указывают величину задержки на метр длины, а иногда – скорость распространения сигнала относительно скорости света (или NVP– NominalVelocityofPropagation, как ее часто называют в документации). Связаны эти две величины простой формулой:

tз =1/(3   108   NVP),
где tз– величина задержки на метр длины кабеля в наносекундах. Например, если NVP=0,65 (65% от скорости света), то задержка tзбудет равняется 5,13 нс/м. Типичная величина задержки большинства современных кабелей составляет около 4—5 нс/м.
Стоит также отметить, что каждый из проводов, которые входят в кабель на основе крученных пар, как правило, имеет свой цвет изоляции, которая существенно упрощает монтаж разниманий, особенно в том случае, когда концы кабеля находятся в разных комнатах, и контроль за помощью приборов затруднено.

Примером кабеля с экранированными крученными парами может служить кабель STPIBMтипу 1, что содержит в себе две экранированы крученные пары AWGтипа 22. Волновое сопротивление каждой пары составляет 150 Ом. Для этого кабеля применяются специальные разнимания, которые отличаются от разниманий для неекранованої крученный пары (например, DB9). Есть и экранированные версии разнимания RJ-45.