Кабельные каналы связи

Кабельные каналы для целей телекоммуникаций исторически использовались первыми. Да и сегодня по суммарной длине они превосходят даже спутниковые каналы. Основную долю этих каналов, насчитывающих многие сотни тысяч километров, составляют телефонные медные кабели. Эти кабели содержат десятки или даже сотни скрученных пар проводов. Полоса пропускания таких кабелей обычно составляет 3-3,5 кГц при длине 2-10 км. Эта полоса диктовалась ранее нуждами аналогового голосового обмена в рамках коммутируемой телефонной сети. c учетом возрастающих требованиям к широкополосности каналов скрученные пары проводов пытались заменить коаксиальными кабелями, которые имеют полосу от 100 до 500 МГц (до 1 Гбит/с), и даже полыми волноводами. Именно коаксиальные кабели стали в начале транспортной средой локальных сетей ЭВМ (10base-5 и 10base-2; см. рис. 3.1.1).

1 центральный проводник; 2 изолятор; 3 проводник-экран; внешний изолятор

Рис. 3.1.1. 1 центральный проводник; 2 изолятор; 3 проводник-экран; внешний изолятор

Коаксиальная система проводников из-за своей симметричности вызывает минимальное внешнее электромагнитное излучение. Сигнал распространяется по центральной медной жиле, контур тока замыкается через внешний экранный провод. При заземлении экрана в нескольких точках по нему начинают протекать выравнивающие токи (ведь разные если обычно имеют неравные потенциалы). Такие токи могут стать причиной внешних наводок (иной раз достаточных для выхода из строя интерфейсного оборудования), именно это обстоятельство является причиной требования заземления кабеля локальной сети только в одной точке. Наибольшее распространение получили кабели с волновым сопротивлением 50 ом. Это связано с тем, что эти кабели из-за относительно толстой центральной жилы характеризуются минимальным ослаблением сигнала (волновое сопротивление пропорционально логарифму отношения диаметров внешнего и внутреннего проводников). Но по мере развития технологии скрученные пары смогли вытеснить из этой области коаксиальные кабели. Это произошло, когда полоса пропускания скрученных пар достигла 200-350 МГц при длине 100м (неэкранированные и экранированные скрученные пары категории 5 и 6), а цены на единицу длины сравнялись. Скрученные пары проводников позволяют использовать биполярные приемники, что делает систему менее уязвимой (по сравнению с коаксиальными кабелями) к внешним наводкам. Но основополагающей причиной вытеснения коаксиальных кабелей явилась относительная дешевизна скрученных пар. Скрученные пары бывают одинарными, объединенными в многопарный кабель или оформленными в виде плоского ленточного кабеля. Применение проводов сети переменного тока для локальных сетей и передачи данных допустимо для весьма ограниченных расстояний. В таблице 3.1.1 приведены характеристики каналов, базирующихся на обычном и широкополосном коаксиальном кабелях.
Таблица 3.1.1

Стандартный кабель

Широкополосный

Максимальная длина канала

2 км

10 км

Скорость передачи данных

1 Мбит/с

100 0 Мбит/с

Режим передачи

полудуплекс

дуплекс

Ослабление влияния электромагнитных и радиочастотных наводок

50 дБ

85 дБ

Число подключений

< 50 устройств

1500 каналов с одним или более устройств на канал

Доступ к каналу

CSMA/CD

FDM/FSK

На рис. 3.1.2 показана зависимость ослабления кабеля (внешний диаметр 0,95 см) от частоты передаваемого сигнала.
При диагностировании сетей не всегда под руками может оказаться настоящий сетевой тестер типа WaveTek, и часто приходится довольствоваться обычным авометром. В этом случае может оказаться полезной таблица 3.1.2, где приведены удельные сопротивления используемых сетевых кабелей. Произведя измерение сопротивления сегмента, вы можете оценить его длину.

Зависимость ослабления сигнала в кабеле от его частоты

Рис. 3.1.2. Зависимость ослабления сигнала в кабеле от его частоты
Таблица 3.1.2 Сопротивление кабеля по постоянному току


Коаксиал

Ом/сегмент

Максимальная длина сегмента

10BASE5

5

500 м

10BASE2

10

185 м

Эти данные взяты из Handbook of LAN Cable Testing. Wavetek Corporation, California


Скрученная пара

Ом/100 м

24 AWG

18,8

22 AWG

11,8

Данные, приведенные в таблице, могут использоваться для оперативной предварительной оценки качества кабельного сегмента (соответствует стандарту EIA/TIA 568, 1991 год). Частотные характеристики неэкранированных пар категории 6 представлены в табл. 3.1.3.
Таблица 3.1.3. Параметры неэкранированных пар категории 6


Частота, МГц

Затухание, дБ/100м

NEXT, дБ

ACR, дБ/100м

1

2,3

62

60

10

6,9

47

41

100

23,0

38

23

300

46,8

31

4

Кабели, изготовленные из скрученных пар категории 5 (волновое сопротивление 100,15 Ом), с полосой 100 Мгц обеспечивают пропускную способность при передаче сигналов ATM 155 Мбит/с. При 4 скрученных парах это позволяет осуществлять передачу до 622 Мбит/с. Кабели категории 6 сертифицируются до частот 300 Мгц, а экранированные и до 600 Мгц (волновое сопротивление 100 Ом). В таблице 3.1.4 приведены данные по затуханию и перекрестным наводкам. Приведены характеристики такого кабеля с 4-мя скрученными экранированными парами (S-FTP).
Таблица 3.1.4


Частота, МГц

Затухание, дБ/100м

NEXT, дБ

ACR, дБ/100м

1

2,1

80

77,9

10

6,0

80

74

100

19,0

70

51

300

33,0

70

37

600

50

60

10

NEXT - Near End Cross Talk - перекрестные наводки ближнего конца кабеля.
ACR - Attenuation-to Crosstalk Ratio.

Такой кабель пригоден для передачи информации со скоростью более 1 Гбит/с. ACR - Attenuation-to-Crosstalk Ratio (отношение ослабления к относительной величине перекресных наводок).

Ниже на рис. 3.1.3 показана зависимость наводок на ближнем конце кабеля, содержащего скрученные пары, (NEXT ar End CrossTalk) от частоты передаваемого сигнала.

Зависимость наводок NEXT от частоты передаваемого сигнала.
Рис. 3.1.3. Зависимость наводок NEXT от частоты передаваемого сигнала.
На рис. 3.1.4 представлена зависимость ослабления сигнала в неэкранированной скрученной паре (именно такие кабели наиболее часто используются для локальных сетей) от частоты передаваемого сигнала. Следует иметь в виду, что при частотах в области сотен мегагерц и выше существенный вклад начинает давать поглощение в диэлектрике. Таким образом, даже если проводники изготовить из чистого золота, существенного продвижения по полосе пропускания достичь не удастся.
Зависимость ослабления сигнала от частоты для неэкранированной скрученной пары
Рис. 3.1.4. Зависимость ослабления сигнала от частоты для неэкранированной скрученной пары
Для неэкранированной скрученной пары 5-ой категории зависимость отношения сигнал-шум от длины с учетом ослабления и наводок NEXT показана на рис. 3.1.5.
Зависимость отношения сигнал/шум от частоты с учетом ослабления и наводок на ближнем конце кабеля
Рис. 3.1.5 Зависимость отношения сигнал/шум от частоты с учетом ослабления и наводок на ближнем конце кабеля
Характеристики неэкранированных скрученных пар американского стандарта 24 AWG (приведены характеристики кабелей, используемых при построении локальных сетей) для кабелей различной категории собраны в таблице 3.1.5.
Таблица 3.1.5.


Категория кабеля

Сопротивление по постоянному току (L=300м)

Ослабление [дБ]

NEXT [дБ]

III

28,4

17 @ 4 МГц
30 @ 10 МГц
40 @ 16 МГц

32 @ 4 МГц
26 @ 10 МГц
23 @ 16 МГц

IV

28,4

13 @ 4 МГц
22 @ 10 МГц
27 @ 16 МГц
31 @ 20 МГц

47 @ 4 МГц
41 @ 10 МГц
38 @ 16 МГц
36 @ 20 МГц

V

28,4

13 @ 4 МГц
20 @ 10 МГц
25 @ 16 МГц
28 @ 20 МГц
67 @ 100 МГц

53 @ 4 МГц
47 @ 10 МГц
44 @ 16 МГц
42 @ 20 МГц
32 @ 100 МГц

Подводя итоги можно сказать, что при расстояниях до 100 метров с успехом могут использоваться скрученные пары и коаксиальные кабели, обеспечивая полосу пропускания до 150 Мбит/с, при больших расстояниях или более высоких частотах передачи оптоволоконный кабель предпочтительнее. Следует заметить, что работа с кабелями предполагает необходимость доступа к системе канализации (иногда это требует специальных лицензий; а там часто размещаются усилители-повторители). Кабельное хозяйство требует обслуживания. В этом отношении радиоканалы предпочтительнее, ведь случаев коррозии электромагнитных волн не зарегистрировано, да и крысы их не грызут. Справедливости ради отмечу, что здесь серьезную угрозу представляют корыстолюбивые бюрократы, ответственные за выдачу лицензий, а они пострашнее крыс.