внутренние помехи
— так на
зываемые
наводки
одной пары проводников на другую.
В
результате сигналы на выходе линии связи могут иметь искаженную форму (как это и показано на рис. 8.5).
Затухание и волновое сопротивление
✓
Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается такими харак
теристиками, как затухание и полоса пропускания.
Затухание показывает, насколько уменьшается мощность эталонного синусоидального сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности сигнала на входе этой линии.
Затухание (Л) обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по следующей формуле:
236
Глава 8. Линии связи
А в 10 lg Pout/Pin*
Здесь Pout — мощность сигнала на выходе линии, Р|П — мощность сигнала на входе линии.
Так как затухание зависит от длины линии связи, то в качестве характеристики линии связи используется так называемое погонное затухание, то есть затухание на линии связи определенной длины. Для кабелей локальных сетей в качестве такой длины обычно ис
пользуют 100 м, так как это значение является максимальной длиной кабеля для многих технологий LAN. Для территориальных линий связи погонное затухание измеряют для расстояния в 1 км.
Обычно затуханием характеризуют пассивные участки линии связи, состоящие из кабелей и кроссовых секций, без усилителей и регенераторов. Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей меньше, чем мощность входного, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.
Степень затухания мощности синусоидального сигнала зависит от частоты синусоиды, и эта зависимость также характеризует линию связи (рис. 8.7).
ВНИМАНИЕ
--------------------------------------------------------------------------------------------------
Как было сказано, затухание всегда имеет отрицательное значение, однако знак минус часто опускают,
при этом иногда возникает путаница. Совершенно корректно утверждение, что качество линии связи
тем выше, чем больше (с учетом знака) затухание. Если же игнорировать знак, то есть иметь в виду
абсолютное значение затухания, то у более качественной линии затухание меньше. Приведем пример.
Для внутренней проводки в зданиях используется кабель на витой паре категории 5. Этот кабель,
на котором работают практически все технологии локальных сетей, характеризуется затуханием
не меньше, чем -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м. Более качественный кабель
категории 6 имеет на частоте 100 МГц затухание не меньше, чем -20,6 дБ. Получаем, что - 20,6 >
-23,6, но 20,6 < 23,6.
Характеристики линий связи
237
Чаще всего при описании параметров линии связи приводятся значения затухания всего
для нескольких значений частот. Это объясняется, с одной стороны, стремлением упростить измерения при проверке качества линии. С другой стороны, на практике часто заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов.
На рис. 8.8 показаны типовые зависимости затухания от частоты для кабелей на неэкра- нированной витой паре категорий 5 и 6.
Затухание
Рис. 8.8. Затухание неэкранированного кабеля на витой паре
Оптический кабель имеет существенно меньшие (по абсолютной величине) величины за
тухания, обычно в диапазоне от -0,2 до -3 дБ при длине кабеля в 1000 м, а значит, является более качественным, чем кабель на витой паре. Практически все оптические волокна имеют сложную зависимость затухания от длины волны, которая имеет три так называемых окна прозрачности. На рис. 8.9 показана характерная зависимость затухания для оптического волокна. Из рисунка видно, что область эффективного использования современных во
локон ограничена волнами длин 850 нм, 1300 нм и 1550 нм (соответственно частотами
35 ТГц, 23 ТГц и 19,4 ТГц). Окно 1550 нм обеспечивает наименьшие потери, а значит, максимальную дальность при фиксированной мощности передатчика и фиксированной чувствительности приемника.
В качестве характеристики мощности сигнала используются абсолютный и относительный уровни мощности. Абсолютный уровень мощности измеряется в ваттах, относительный уровень мощности, как и затухание, измеряется в децибелах.
Существует также и другая абсолютная единица измерения мощности — так называемая опорная мощность, измеряемая в децибелах на милливатт (дБм).
При определении опорной мощности также используется логарифм отношения мощностей, но значение мощности, к которой выполняется отношение, фиксируется. Опорный уровень мощности, к которой относится измеряемая мощность, принимается равным 1 мВт, что и отражается в названии этой единицы мощности.
238Глава 8. Линии связи
Длина волны источника света, нм Рис. 8.9. Окна прозрачности оптического волокнаОпорная мощность/? вычисляется по формуле:
р - 10 lg Р/1мВт [дБм].
Здесь
Р — абсолютная мощность сигнала в милливаттах.
Несмотря на использование отношения в определении опорной мощности, эта единица измерения являете
я. абсолютной, а не относительной, так как однозначно преобразует абсолютную
мощность сигнала в ваттах в некоторое значение, которое никак не зависит от значения мощности другого сигнала, как это имеет место при определении децибела. Так, нетрудно вычислить соответствие некоторых значений мощности сигнала, выраженные в ваттах и децибелах на милливатт:
1 мВ - 0 дБм;
10 мВ = 10 дБм;
1 В = 30 дБм;
100 кВ - 80 дБм.
Опорные значения мощности удобно использовать при
расчетах энергетического бюджета линий связи.ПРИМЕРПусть требуется определить минимальную опорную мощность х (дБм) передатчика, достаточную для того, чтобы на выходе линии опорная мощность сигнала была не ниже некоторого порогового значения у (дБм). Затухание линии известно и равно А. Пусть X и У — это абсолютные значения мощности сигнала, заданные в милливаттах на входе и выходе линии соответственно.
Характеристики линий связи
239
По определению Л - 10 lg
Х /Y.
Испо л ь з у я свойства логарифмов, имеем:
А
- 10 lg
X / Y -
101g(X/l)/(K/l) - 10 lgX/1 м В т - 10 lg Г/1 мВт.
Заметим, что два последних члена уравнения по определению являются о п о р н ы м и значениями
мощности сигналов на выходе и входе, поэтому п р и х о д и м к простому с о о т н о ш е н и ю
А - х - у,
где* — опорная м о щ н о с т ь входного сигнала, а # — опорная м о щ н о с т ь выходного сигнала.
Из последнего с о о т н о ш е н и я следует, что м и н и м а л ь н а я требуемая м о щ н о с т ь передатчика
может быть определена как с у м м а затухания и м о щ н о с т и сигнала на выходе:
х
-
А
+
у.
Предельная простота расчета стала возможной благодаря тому, что в качестве исходных данных были взяты опорные значения мощности входного и выходного сигналов. Конеч
но, можно было бы использовать и значение мощностей, заданных в ваттах, но при этом пришлось бы заниматься такими операциями, как возведение 10 в дробную степень, что более громоздко.
Использованная в примере величина у называется порогом чувствительности приемника и представляет собой минимальную опорную мощность сигнала на входе приемника, при котором он способен корректно распознавать дискретную информацию, содержащуюся в сигнале. Очевидно, что для нормальной работы линии связи необходимо, чтобы мини
мальная опорная мощность сигнала передатчика, даже ослабленная затуханием линии связи, превосходила порог чувствительности приемника: х - А > у . Проверка этого условия и является сутью расчета энергетического бюджета линии.
Важным параметром медной линии связи является ее волновое сопротивление, представ
ляющее собой полное (комплексное) сопротивление, которое встречает электромагнитная волна определенной частоты при распространении вдоль однородной цепи. Волновое со
противление измеряется в омах и зависит от таких параметров линии связи, как активное сопротивление, погонная индуктивность и погонная емкость, а также от частоты самого сигнала. Выходное сопротивление передатчика должно быть согласовано с волновым со
противлением линии, иначе затухание сигнала будет чрезмерно большим.
Помехоустойчивость и достоверность
Помехоустойчивость линии, как и следует из названия, определяет способность линии противостоять влиянию помех, создаваемых во внешней среде или на внутренних провод
никах самого кабеля. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физиче
ской среды, а также от средств экранирования и подавления помех самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной — волоконно-оптические линии, мало чувствительные к внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, создаваемых внешними электромагнитными полями, проводники экранируют и/или скручивают.
Электрическая и магнитная связь — это параметры медного кабеля, также являющиеся результатом помех. Электрическая связь определяется отношением наведенного тока в подверженной влиянию цепи к напряжению, действующему во влияющей цепи. Магнит
ная связь — это отношение электродвижущей силы, наведенной в подверженной влиянию цепи, к току во влияющей цепи. Результатом электрической и магнитной связи являются
240
Глава 8. Линии связи
наведенные сигналы (наводки) в цепи, подверженной вилянию. Существует несколько различных параметров, характеризующих устойчивость кабеля к наводкам.
Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT) определяют устой
чивость кабеля в том случае, когда наводка образуется в результате действия сигнала, гене
рируемого передатчиком, подключенным к одной из соседних пар на том же конце кабеля, на котором работает подключенный к подверженной влиянию паре приемник (рис. 8.10).
Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен 10 lg / out/^incb где P0ut — мощность вы
ходного сигнала, Pind — мощность наведенного сигнала.
Передатчик
Приемник
Р
ind-far
- мощность наведенного сигнала на дальнем конце кабеля
Рис. 8.10. Переходное затухание
Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Так, для витой пары категории 5 показатель
NEXT должен быть меньше -27 дБ на частоте 100 МГц.
Перекрестные наводки на дальнем конце (Far End Cross Talk, FEXT) позволяют оценить устойчивость кабеля к наводкам для случая, когда передатчик и приемник подключены к разным концам кабеля. Очевидно, что этот показатель должен быть лучше, чем NEXT, так как до дальнего конца кабеля сигнал приходит ослабленный затуханием каждой пары.
Показатели NEXT и FEXT обычно применяются к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для одинарного коаксиального кабеля (то есть состоящего из одной экранированной жилы) этот показатель не имеет смысла, а для двойного коаксиального кабеля он также не применяется вследствие высокой степени защищенности каждой жилы.
Оптические волокна тоже не создают сколько-нибудь заметных взаимных помех.
В связи с тем, что в некоторых новых технологиях данные передаются одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стали применяться также показатели пере
крестных наводок с приставкой PS (PowerSUM — объединенная наводка), такие как PS
NEXT и PS FEXT. Эти показатели отражают устойчивость кабеля к суммарной мощ
Характеристики линий связи
241
ности перекрестных наводок на одну из пар кабеля от всех остальных передающих пар
(рис. 8.11).
Передатчик - приемник
Передатчик - приемник
Рис. 8.11. Суммарное переходное затухание
Еще одним практически важным показателем является защищенность кабеля (Attenuation/
Crosstalk Ratio, ACR). Защищенность определяется как разность между уровнями полез
ного сигнала и помех. Чем больше значение защищенности кабеля, тем в соответствии с формулой Шеннона данные можно передавать по этому кабелю с потенциально более высокой скоростью. На рис. 8.12 показана типичная характеристика зависимости защищен
ности кабеля на неэкранированной витой паре от частоты сигнала.
Рис. 8.12. Защищенность витой пары
242
Глава 8. Линии связи
Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения каждого пере
даваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивностью битовых
ошибок (Bit Error Rate, BER). Величина BER для линий связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило, 10-4-10-6, в оптоволоконных линиях связи — 10-9. Например, значение достоверности передачи данных в 10-4 говорит о том, что в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита.
Полоса пропускания и пропускная способность
Характеристики линий связи
243Часто граничными частотами считаются частоты, на которых мощность выходного сигнала уменьшается в два раза по отношению к входному, что соответствует затуханию в -3 дБ.
Как мы увидим далее,
ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на мак
симально возможную скорость передачи информации по линии связи. Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. На рис. 8.13 показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.
является тоі;что,с^ойсток>ній, эта
юрщкгфн<жк»эатс^оттрвштроафязической среды,нельзя говорить,
' о gptojn
9рпя|
ff ifdfijsewqeti протокол физичёскрго)
уровня.
Например, поскольку для цифровых линий всегда определен протокол физического уров
ня, задающий битовую скорость передачи данных, то для них всегда известна и пропускная способность — 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.
В тех же случаях, когда только предстоит выбрать, какой из множества существующих про
токолов использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристи
ки линии, такие как полоса пропускания, перекрестные наводки, помехоустойчивость и др.
Пропускная способность, как и скорость передачи данных, измеряется в битах в секунду
(бит/с), а также в производных единицах, таких как килобиты в секунду (Кбит/с) и т. д.
ВНИМАНИЕ------------------------------------------------------------------------------------------------------Пропускная способность линий связи и коммуникационного сетевого оборудования традиционно измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно, то есть побитно, а не параллельно, байтами, как это происходит между устройствами внутри компьютера. Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням десяти (то есть килобит — это 1000 бит, а мегабит - это 1 ООО ООО бит), как это принято во всех отраслях науки и техники, а не близким к этим числам степеням двойки, как это принято в программировании, где приставка «кило» равна 210 ** 1024, а «мега» - 220 - 1 048 576.Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как затухание и полоса пропускания, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи, и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис. 8.14, а). Если же значимые гармоники выходят з а границы полосы пропускания линии связи, то сигнал начнет значительно искажаться, и приемник будет ошибаться при распознавании информации
(рис. 8.14,
6).
244
Глава 8. Линии связи
Полоса пропускания линии связи
Полоса пропускания линии связи
а
б
Рис. 8.14. Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала
Биты и боды
Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим, или линейным, кодированием. От выбранного способа кодирования зависит спектр сигналов и, соответственно, пропускная способность линии.
Таким образом, для одного способа кодирования линия может обладать одной пропускной способностью, а для другого — другой. Например, витая пара категории 3 может передавать данные с пропускной способностью 10 Мбит/с при способе кодирования стандарта фи
зического уровня 10Base-T и 33 Мбит/с при способе кодирования стандарта 100Base-T4.
В Н И М А Н И Е -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
В соответствии с основным постулатом теории информации любое различимое непредсказуемое из*
менение принимаемого сигнала несет в себе информацию. Отсюда следует, что синусоида, у которой
амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации не несет, так как изменение сигнала
хотя и происходит, но является абсолютно предсказуемым. Аналогично, не несут в себе информации
импульсы на тактовой шине компьютера, так как их изменения тоже постоянны во времени. А вот
импульсы на шине данных предсказать заранее нельзя, это и делает их информационными, они пере
носят информацию междуртдельными блоками или устройствами компьютера.
В большинстве способов кодирования используется изменение какого-либо параметра периодического сигнала — частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знака потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого подвергаются изменениям, называют несущим сигналом, а его частоту, если сигнал синусоидальный, -
Характеристики линий связи
245несущей частотой. Процесс изменения параметров несущего сигнала в соответствии с передаваемой информацией называется
модуляцией.Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации биту. Если же сиг
нал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение будет нести
несколько битов информации.Передача дискретной информации в телекоммуникационных сетях осуществляется так
тировано, то есть изменение сигнала происходит через фиксированный интервал времени, называемый
тактом. Приемник информации считает, что в начале каждого такта на его вход поступает новая информация. При этом независимо от того, повторяет ли сигнал состояние предыдущего такта или же он имеет состояние, отличное от предыдущего, приемник получает новую информацию от передатчика. Например, если такт равен 0,3 с, а сигнал имеет два состояния и 1 кодируется потенциалом 5 вольт, то присутствие на входе приемника сигнала величиной 5 вольт в течение 3 секунд означает получение информации, представленной двоичным числом 1111111111.
Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в
бодах. 1 бод равен одному изменению информационного пара
метра в секунду Например, если такт передачи информации равен 0,1 секунды, то сигнал изменяется со скоростью 10 бод. Таким образом, скорость в бодах целиком определяется величиной такта.
Информационная скорость измеряется в битах в секунду и в общем случае
не совпадает со скоростью в бодах. Она может быть как выше, так и ниже скорости изменения инфор
мационного параметра, измеряемого в
бодах. Это соотношение зависит от числа состояний сигнала. Например, если сигнал имеет более двух различимых состояний, то при равных тактах и соответствующем методе кодирования информационная скорость в битах в секун
ду может быть
выше, чем скорость изменения информационного сигнала в бодах.
Пусть информационными
параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются 4 состояния фазы в 0,90,180 и 270° и два значения амплитуды сигнала — тог
да информационный сигнал может иметь 8 различимых состояний. Это означает, что любое состояние этого сигнала несет информацию в 3 бит. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (меняющий информационный сигнал 2400 раз в секунду), передает информацию со скоростью 7200 бит/с, так как при одном изменении сигнала передается
3 бита информации.
Если сигнал имеет два состояния (то есть несет информацию в 1 бит), то информационная скорость обычно совпадает с количеством бодов. Однако может наблюдаться и обратная картина, когда информационная скорость оказывается
ниже скорости изменения инфор
мационного сигнала в бодах. Это происходит в тех случаях, когда для надежного рас
познавания приемником пользовательской информации каждый бит в последовательности кодируется несколькими изменениями информационного параметра несущего сигнала.
Например, при кодировании единичного значения бита импульсом положительной по
лярности, а нулевого значения бита импульсом отрицательной полярности физический сигнал дважды изменяет свое состояние при передаче каждого бита. При таком кодирова
нии скорость линии в битах в секунду в два раза ниже, чем в бодах.
Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем выше может быть частота моду
ляции и тем выше может быть пропускная способность линии связи.
246
Глава 8. Линии связи
Однако с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается и ширина спектра этого сигнала.
Линия передает этот спектр синусоид с теми искажениями, которые определяются ее по
лосой пропускания. Чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и ши
риной спектра передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации принимающей стороной, а значит, возможная скорость передачи информации оказывается меньше.
Соотношение полосы пропускания
и пропускной способности
Связь между полосой пропускания линии и ее пропускной способностью вне зависимости от принятого способа физического кодирования установил Клод Шеннон:
C = F\og2 { \ + P c/ Pm).
Здесь С — пропускная способность линии в битах в секунду, F — ширина полосы пропу
скания линии в герцах, Рс — мощность сигнала, Рш — мощность шума.
Из этого соотношения следует, что теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания не существует. Однако на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность линии можно за счет увели
чения мощности передатчика или же уменьшения мощности шума (помех) в линии связи.
Обе эти составляющие поддаются изменению с большим трудом. Повышение мощности передатчика ведет к значительному увеличению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума на пропускную способность ограничено логарифмической зависимостью, которая растет далеко не так быстро, как прямо-пропорциональная. Так, при достаточно типичном ис
ходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15 % увеличения пропускной способности линии.
Близким по сути к формуле Шеннона является другое соотношение, полученное Найкви-
стом, которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи, но без учета шума в линии:
С = 2i7log2 М.
Здесь М — количество различимых состояний информационного параметра.
Если сигнал имеет два различимых состояния, то пропускная способность равна удвоен
ному значению ширины полосы пропускания линии связи (рис. 8.15, а). Если же в пере
датчике используется более двух устойчивых состояний сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько битов исходных данных, например 2 бита при наличии четырех раз
личимых состояний сигнала (рис. 8.15, б).
Хотя в формуле Найквиста наличие шума в явном виде не учитывается, косвенно его влия
ние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения
Типы кабелей
247
пропускной способности линии связи следовало бы увеличивать количество состояний, но на практике этому препятствует шум на линии. Например, пропускную способность линии, сигнал которой показан на рис. 8.15, б, можно увеличить еще в два раза, применив для кодирования данных не 4, а 16 уровней. Однако если амплитуда шума время от вре
мени превышает разницу между соседними уровнями, то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Най- квиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником.
1 1
0 1
1 1
0 0
1 0
1 1
0 1
00 10 11
W
11 01 11 01
W 1
Рис. 8.15. Повышение скорости передачи за счет дополнительных состояний сигнала
Типы кабелей
Сегодня как для внутренней (кабели зданий), так и для внешней проводки чаще всего применяются три класса проводных линий связи:
□ витая пара;
□ коаксиальные кабели;
□ волоконно-оптические кабели.
Экранированная и неэкранированная витая пара
Витой парой
называется скрученная пара проводов. Этот вид среды передачи данных очень популярен и составляет основу большого количества как внутренних, так и внешних кабелей. Кабель может состоять из нескольких скрученных пар (внешние кабели иногда содержат до нескольких десятков таких пар).
Скручивание проводов снижает влияние внешних и взаимных помех на полезные сигналы, передаваемые по кабейю.
Основные особенности конструкции кабелей схематично показаны на рис. 8.16.
Кабели на основе витой пары являются симметричными, то есть они состоят из двух оди
наковых в конструктивном отношении проводников. Симметричный кабель на основе витой пары может быть как экранированным, так и неэкранированным.
248
Глава 8. Линии связи
Полихлорвиниловая
оболочка
Медные провода
Полихлорвиниловая
оболочка
Изоляция
Неэкранированная витая пара
Медные провода
Изоляция
Экран
Экранированная витая пара
Пластиковое
Внешняя
покрытие
Изоляция
защитная оболочка
P i t a * " Сердечник
Внутренний
\
проводник
Стеклянная оболочка
Экран/внешний проводник
Волоконно-оптический кабель
Коаксиальный кабель
Рис. 8.16. Устройство кабелей
Нужно отличать электрическую изоляцию проводящих жил, которая имеется в любом кабеле, от электромагнитной изоляции. Первая состоит из непроводящего диэлектриче
ского слоя — бумаги или полимера, например поливинилхлорида или полистирола. Во втором случае помимо электрической изоляции проводящие жилы помещаются также внутрь электромагнитного экрана, в качестве которого чаще всего применяется прово
дящая медная оплетка.
Кабель на основе неэкранированной витой пары, используемый для проводки внутри здания, разделяется в международных стандартах на категории (от 1 до 7).
□ Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минималь
ны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной
(до 20 Кбит/с) передачи данных. До 1983 года это был основной тип кабеля для теле
фонной разводки.
□ Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собствен
ной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории — способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.
□ Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 году Стандарт EIA-568 определил электрические характеристики кабелей для частот в диапазоне до 16 МГц. Кабели категории 3, предназначенные как для передачи данных, так и для передачи голоса, составляют сейчас основу многих кабельных систем зданий.
□ Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей кате
гории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала
20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.
□ Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство высокоскоростных технологий (FDDI, Fast Ethernet, ATM и Gigabit Ethernet) ориенти
Типы кабелей
249
ровано на использование витой пары категории 5. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабельные системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно-оптическим).
□ Особое место занимают кабели категорий
6
и 7, которые промышленность начала вы
пускать сравнительно недавно. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 250 МГц, а для кабелей категории 7 — до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Основное на
значение этих кабелей — поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5.
Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предна
значены для передачи данных, две — для передачи голоса.
Э к р а н и р о в а н н а я в и т а я п а р а
хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитные колебания вовне, что, в свою очередь, защи
щает пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку.
Основным стандартом, определяющим параметры экранированной витой пары для при
менения внутри зданий, является фирменный стандарт IBM. В этом стандарте кабели делятся не на категории, а на типы от 1 до 9 включительно.
Рассмотрим для примера кабель типа 1 стандарта IBM. Он состоит из 2-х пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которая заземляется. Электрические параметры кабеля типа 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP категории 5.
Однако волновое сопротивление кабеля типа 1, равное 150 Ом, значительно выше вол
нового сопротивления UTP категории 5 (100 Ом), поэтому невозможно «улучшение» кабельной проводки сети путем простой замены неэкранированной пары экранированной парой типа 1. Передатчики, рассчитанные на работу с кабелем, имеющим волновое сопро
тивление 100 Ом, будут плохо работать на волновое сопротивление 150 Ом.
Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель состоит из несимметричных пар проводников. Каждая пара пред
ставляет собой внутреннюю медную жилу и соосную с ней внешнюю жилу, которая может быть полой медной трубой или оплеткой, отделенной от внутренней жилы диэлектри
ческой изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль — по ней передаются информа
ционные сигналы и она является экраном, защищающим внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличаю
щихся характеристиками и областями применения: для локальных компьютерных сетей, для глобальных телекоммуникационных сетей, для кабельного телевидения и т. п.
Согласно современным стандартам коаксиальный кабель не считается хорошим выбором при построении структурированной кабельной системы зданий. Далее приводятся основ
ные типы и характеристики этих кабелей.
□ «Толстый» коаксиальный кабель разработан для сетей Ethernet 10Base-5 с волновым сопротивлением 50 Ом и внешним диаметром около 12 мм. Этот кабель имеет достаточ
но толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие
250Глава 8. Линии связи механические и электрические характеристики (затухание на частоте 10 МГц — не хуже
18 дБ/км). Зато этот кабель сложно монтировать — он плохо гнется.
□ «Тонкий» коаксиальный кабель предназначен для сетей Ethernet 10Base-2. Обладая внешним диаметром около 50 мм и тонким внутренним проводником 0,89 мм, этот кабель не так прочен, как «толстый» коаксиал, зато обладает гораздо большей гибко
стью, что удобно при монтаже. «Тонкий» коаксиальный кабель также имеет волновое сопротивление 50 Ом, но его механические и электрические характеристики хуже, чем у «толстого» коаксиального кабеля. Затухание в этом типе кабеля выше, чем в «тол
стом» коаксиальном кабеле, что приводит к необходимости уменьшать длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте.
□ Телевизионный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом широко применяется в кабельном телевидении. Существуют стандарты локальных сетей, позволяющие ис
пользовать такой кабель для передачи данных.
Волоконно-оптический кабельВолоконно-оптический кабель состоит из тонких (5-60 микрон) гибких стеклянных во
локон (волоконных световодов), по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля — он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обе
спечивает защиту данных от внешних помех (в силу особенностей распространения света такие сигналы легко экранировать).
Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины) — стеклян
ного волокна, и стеклянной оболочки, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и величины диаметра сердечника различают:
□ многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления
(рис. 8.17, а);
□ многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 8.17,
б)\□ одномодовое волокно (рис. 8.17,
в).Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей в сердцевине кабеля.
В
одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света — от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света
распространяются вдоль оптической оси световода, не от
ражаясь от внешнего проводника. Изготовление сверхтонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет собой сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диа
метра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.
В
многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие вну
тренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отра
жающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется
модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления
Типы кабелей
251
режим отражения лучей имеет сложный характер. Возникающая при этом интерференция ухудшает качество передаваемого сигнала, что приводит к искажениям передаваемых импульсов в многомодовом оптическом волокне. По этой причине технические характе
ристики многомодовых кабелей хуже, чем одномодовых.
Показатель
преломления
Рис. 8.17. Типы оптического кабеля
Учитывая это, многомодовые кабели применяют в основном для передачи данных на ско
ростях не более 1 Гбит/с на небольшие расстояния (до 300-2000 м), а одномодовые — для передачи данных со сверхвысокими скоростями в несколько десятков гигабитов в секунду
(апри использовании технологии DWDM — до нескольких терабитов в секунду) на рас
стояния до нескольких десятков и даже сотен километров (дальняя связь).
В качестве источников света в волоконно-оптических кабелях применяются:
Q светодиоды, или светоизлучающие диоды (Light Emitted Diode, LED);
Q полупроводниковые лазеры, или лазерные диоды.
252
Глава 8. Линии связи
Для одномодовых кабелей применяются только лазерные диоды, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно — он имеет чересчур широкую диаграмму направлен
ности излучения, в то время как лазерный диод — узкую. Более дешевые светодиодные излучатели используются только для многомодовых кабелей.
Стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, но проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из- за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования.
Структурированная кабельная система зданий
Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS) здания — это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях. Здание само по себе представляет собой достаточно регулярную структуру — оно состоит из этажей, а каждый этаж, в свою очередь, состоит из определенного количества комнат, соединенных коридорами. Структура здания предопределяет структуру его кабельной системы.
Структурированная кабельная система здания представляет собой своего рода «кон
структор», с помощью которого проектировщик сети строит нужную ему конфигурацию из стандартных кабелей, соединенных стандартными разъемами и коммутируемых на стандартных кроссовых панелях. При необходимости конфигурацию связей можно легко изменить — добавить компьютер, сегмент, коммутатор, изъять ненужное оборудование, поменять соединение между компьютером и концентратором.
Наиболее детально на сегодня разработаны стандарты кабельных систем зданий, при этом иерархический подход к процессу создания такой кабельной системы позволяет назвать ее структурированной. На основе SCS здания работает одна или несколько локальных сетей организаций или подразделений одной организации, размещенной в этом здании.
SCS планируется и строится иерархически с главной магистралью и многочисленными ответвлениями от нее (рис. 8.18).
Типичная иерархия SCS включает (рис. 8.19):
□ горизонтальные подсистемы, соответствующие этажам здания — они соединяют крос
совые шкафы этажа с розетками пользователей;
□ вертикальные подсистемы, соединяющие кроссовые шкафы каждого этажа с централь
ной аппаратной здания;
□ подсистема кампуса, объединяющая несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса (эта часть кабельной системы обычно называется магистралью).
Использование структурированной кабельной системы вместо хаотически проложенных кабелей дает предприятию много преимуществ. Система SCS при продуманной организа
ции может стать универсальной средой для передачи компьютерных данных в локальной вы
числительной сети, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации и даже для передачи сигналов от датчиков пожарной безопасности или охранных систем.
Подобная универсализация позволяет автоматизировать многие процессы контроля, мониторинга и управления хозяйственными службами и системами жизнеобеспечения предприятия.
Выводы
253
Коммуникационные
средства предприятия
Система кампуса
Вертикальные
подсистемы
I
ZJLZ
I
I
Г
I
Горизонтальные
(отдельные)
подсистемы
Рис. 8.18. Иерархия структурированной кабельной системы
коммуникационный центр
Рис. 8.19. Структура кабельных подсистем
Кроме того, применение SCS делает более экономичным добавление новых пользователей и изменения их мест размещения. Известно, что стоимость кабельной системы определя
ется в основном не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке. Поэтому вы
годнее провести однократную работу по прокладке кабеля, возможно, с большим запасом подлине, чем несколько раз выполнять прокладку, наращивая длину кабеля.
Выводы
6 зависимости от типа промежуточной аппаратуры все линии связи делятся на аналоговые и циф
ровые. В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предназначена для усиления аналоговых
сигналов. В аналоговых линиях используется частотное мультиплексирование.
6цифровых линиях связи передаваемые сигналы имеют конечное число состояний. В таких линиях
используется специальная промежуточная аппаратура —■
регенераторы, которые улучшают форму
импульсов и обеспечивают их ресинхронизацию, то есть восстанавливают период их следования.
254Глава 8. Линии связи
Промежуточная аппаратура мультиплексирования и коммутации первичных сетей работает по принципу временного мультиплексирования каналов, когда каждому низкоскоростному каналу выделяется определенная доля времени (тайм-слот, или квант) высокоскоростного канала.Полоса пропускания определяет диапазон частот, которые передаются линией связи с приемлемым затуханием.Пропускная способность линии связи зависит от ее внутренних параметров, в частности — полосы пропускания, внешних параметров — уровня помех и степени ослабления помех, а также принятого способа кодирования дискретных данных.Формула Шеннона определяет максимально возможную пропускную способность линии связи при фиксированных значениях полосы пропускания линии и отношении мощности сигнала к шуму.Формула Найквиста выражает максимально возможную пропускную способность линии связи через полосу пропускания и количество состояний информационного сигнала.Кабели на основе витой пары делятся на неэкранированные (UTP)
и экранированные (STP).
Кабели UTP проще в изготовлении и монтаже, зато кабели STP обеспечивают более высокий уровень защищенности.Волоконно-оптические кабели обладают отличными электромагнитными и механическими характеристиками, недостаток их состоит в сложности и высокой стоимости монтажных работ.Структурированная кабельная система представляет собой набор коммуникационных элементов — кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов, которые удовлетворяют стандартам и позволяют создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей.Вопросы и задания1. Синонимом каких терминов является термин «линия связи»? Варианты ответов: а) звено; б) канал; в) составной канал.
2. Назовите два основных типа среды передачи данных.
3. Может ли цифровой канал передавать аналоговые данные?
4. Чем отличаются усилители и регенераторы телекоммуникационных сетей?
5. Какими способами можно найти спектр сигнала?
6. Какое из окон прозрачности оптического волокна имеет наименьшее затухание? Вари
анты ответов:
а) 850 нм; б) 1300 нм; в) 1550 нм.
7. Какие меры можно предпринять для увеличения информационной скорости звена?
Варианты ответов:
а) уменьшить длину кабеля;
б) выбрать кабель с меньшим сопротивлением;
в) выбрать кабель с более широкой полосой пропускания;
г) применить метод кодирования с более узким спектром.
8. Чем отличается опорная мощность от относительной мощности? Варианты ответов:
а) единицей измерения;
б) фиксированной величиной мощности, к которой вычисляется отношение;
в) длиной кабеля, на котором измеряется входная и выходная мощность;
Вопросы и задания
255
9. Дайте определение порога чувствительности приемника.
10. Проверьте, достаточна ли для устойчивой передачи данных мощность передатчика в 40 дБм, если длина кабеля равна 60 км, погонное затухание кабеля составляет
0,2 дБ/км, а порог чувствительности приемника равен 20 дБм.
11. Что является причиной перекрестных наводок на ближнем конце кабеля?
12. Почему не всегда можно повысить пропускную способность канала за счет увеличения числа состояний информационного сигнала?
13. За счет какого механизма подавляются помехи в кабелях UTP?
14. Какой кабель более качественно передает сигналы, с большим значением параметра
NEXT или с меньшим?
15. Какой тип кабеля предназначен для передачи данных на большие расстояния: много
модовый или одномодовый?
16. Что произойдет, если в работающей сети заменить кабель UTP кабелем STP? Вари
анты ответов:
а) в сети снизится доля искаженных кадров;
б) ничего не изменится;
в) в сети увеличится доля искаженных кадров.
17. Каким будет теоретический предел скорости передачи данных в битах в секунду по линии связи с шириной полосы пропускания 1 мГц, если мощность передатчика со
ставляет 64 дБм, а мощность шума в линии связи равна 2 дБм?
Скачать 22.28 Mb.