Экранированные и неэкранированные кабели, параметры для оценки ЭМС кабельных систем, затухание излучения и межкабельные наводки

Появились новые термины, такие как alien crosstalk (межкабельные наводки) и coupling attenuation (затухание излучения).  Специалистами задавались вопросы о важности этих параметров для практической реализации высокоскоростных систем. Появилась даже мысль, что параметры затухания излучения и межкабельные наводки — это всего лишь теоретические  параметры, и не требуется при проектировании структурированной кабельной системы (СКС) их учитывать. Давайте попробуем  разобраться с этими параметрами, экранированными и неэкранированными кабелями и рядом возникающих вопросов и проблем.

Работа над новым стандартом 10GBase-T

Работа над стандартом 10GBase-T началась в 2002 году, когда была создана рабочая группа  в IEEE. Вначале многие участники рынка с большим скепсисом относились к возможности реализации передачи 10 Гигабит в секунду по витой паре на расстояния до 100 метров. Тем не менее, разработчиками была успешно решена эта достаточно сложная техническая задача за счет использования сложного метода кодирования, подавления наведенных помех на ближнем (NEXT) и компенсации наведенных помех на дальнем конце (FEXT). Предложенные рабочей группой технические решения позволили снизить полосу пропускания в кабельной линии до 417 МГц. В июне 2006 года IEEE был опубликован новый  стандарт IEEE 802.3an c возможностью передачи 10 Гигабит в секунду по витой паре.

Особенности реализации приложения 10GBase-T

Поддержка работы высокоскоростного приложения  10GBase-T предъявляет достаточно жесткие требования к техническим характеристикам кабеля витая пара. Применяемый для передачи 10 Гбит/с метод модуляции линейного сигнала по схеме РАМ-16 привел к существенному уменьшению отношения сигнал/шум между логическими уровнями по сравнению с методами модуляции, применяемыми ранее в других протоколах передачи данных Ethernet. Теперь на выходе передатчика сигнального цифрового процессора разница между двумя логическими уровнями находится в диапазоне всего 0,13 В (рис. 1).

При ослаблении сигнала в ходе передачи разница между логическими уровнями становится еще меньше. Чувствительность приемника для распознавания логического уровня поступающих сигналов 10GBase-T должна быть существенно выше по сравнению с протоколом 1GBase-T. При этом сильно сократилось время обработки сигналов. Теперь даже самая незначительная наведенная внешняя помеха на витую пару может повлиять на распознавание логического уровня сигнала. Существенно расширилась полоса пропускания канала связи — она выросла c 62,5 МГц до 417 МГц. Для сравнения в протоколе 100Base-T (100 Mбит/с) полоса пропускания до 31,25 МГц, а в протоколе 1GBase-T (1000 Mбит/с) полоса пропускания расширена до 62,5 МГц. В таблице 1 для наглядности приведены данные по скорости передачи и полосе пропускания.

В результате разработки протокола 10GBase-T, значительно возросло требование к повышению уровня защищенности витопарного кабеля к воздействию внешних шумов. Сравнив помехоустойчивость приложений Fast Ethernet и 10 Гигабит Ethernet для витой пары, можно увидеть, что чувствительность к воздействию помехи в последнем случае возрастает  в 100 раз. Публикация IEEE стандарта 10GBase-T стала движущей силой для обновления стандартов в области кабельных систем (далее по тексту кабельных стандартов).

Обновление кабельных стандартов

В то время, как базовые характеристики кабельных линий и пассивных элементов были описаны в международных, европейских и американских стандартах на СКС и уже давно успешно использовались при проектировании и тестировании информационных систем, вопросы ЭМС длительное время практически не затрагивались стандартами.
После выхода стандарта 10GBase-T была проведена большая работа экспертами в области стандартизации кабельных систем и были опубликованы ряд документов, поправок и дополнений к кабельным стандартам, описывающих  требования и рекомендации по определению новых параметров, с помощью которых  можно описать и определить уровень ЭМС кабельной системы.
Новые параметры, рекомендации и требования к ним были сформулированы в американском стандарте ANSI/TIA/EIA-568-B.2 и в ISO 11801 2-й редакции стандарта. В американском дополнении ANSI/TIA/EIA-568-B.2-10 были добавлены новые технические параметры и была введена расширенная категория 6 — категория 6А. У категории 6А был в два раза увеличен частотный диапазон с 250 МГц (для категории 6) до 500 МГц. Чуть позже была разработана и принята международным стандартом Поправка 1 к ISO/IEC 11801:2002 — в этом документе появились новые параметры и добавились два новых класса:
• класс E_A — на экранированных и неэкранированных кабельных линий, частота до 500 МГц;
• класс F_A — только для экранированных кабельных линий, частота до 1000 МГц.

В стандартах были описаны новые технические параметры и требования к ним, связанные с межкабельными наводками и асимметрией витой пары, которые мы рассмотрим ниже.

Параметры витопарных кабелей, связанные с ЭМС

Высокая чувствительность витопарного кабеля к помехам, насыщенность современных офисов и объектов радиоэлектронным, цифровым  оборудованием, создающим помехи, приводит к необходимости анализа параметров электромагнитной совместимости (ЭМС), характеризующих помехоустойчивость витопарных линий и кабелей витая пара. Для оценки ЭМС используются два основных параметра: затухание излучения и межкабельные наводки.

Затухание излучения (coupling attenuation)

Затухание излучения характеризует защищенность кабельной линии от внешних электромагнитных помех, а также уровень внешнего излучения линии в окружающую среду.
Затухание излучения определяется как отношение внешнего уровня помех к результирующему уровню помех внутри информационной  системы. Величина затухания излучения выражается в децибелах (рис. 2).

Параметр затухание излучения позволяет оценить характеристики ЭМС кабельной линии. Читатель может спросить, а откуда возникает излучение у витой пары при использовании сбалансированной системы? Идеальная симметричная система является отличной средой передачи, но на практике не бывает идеально сбалансированных систем. Нарушение симметрии скрутки пар присутствует практически во всех кабелях. Это приводит к возникновению паразитного электромагнитного поля вокруг пары проводников. Качество скрутки проводников очень важно, так как скрутка проводников непосредственно влияет на электромагнитные характеристики кабельной системы (генерируемые  шумы и воздействие внешних помех). Система с нарушением симметрии сохраняет свою работоспособность до определенного уровня внешних помех.
Нарушение симметрии в информационных системах может быть вызвано следующими причинами и факторами:
• конструкцией кабеля и компонентов;
• технологией изготовления витой пары;
• процедурой монтажа системы (растягивающие  усилия, раздавливающие нагрузки, радиусы изгиба и скручивание, приводящие к изменениям в симметричной системы);
• подключением активных устройств с нарушением симметрии (сетевые карты, коммутаторы и т.д).

В экранированных системах эффект нарушения симметрии пар, приводящий к возникновению, компенсируется за счет наличия экрана. Значение сoupling attenuation (a_c) экранированной кабельной системы равно сумме затухания экранирования (a_s) и затухания асимметрии (a_u). Для различных типов кабельных систем значение параметра сoupling attenuation (a_c) определяется для экранированных и неэкранированных кабелей по следующим формулам:
• для экранированного витопарного кабеля: a_c= a_s + a_u
• для неэкранированного витопарного кабеля: a_c = a_u (так как a_s = 0)

На рисунке 3 схематично показано изменение затухания излучения для экранированных и неэкранированных систем.

Параметр ac является универсальным параметром,  позволяющим определить уровень ЭМС различных типов информационных кабельных  систем: неэкранированных, экранированных и коаксиальных.

В 1-й поправке к международному стандарту ISO 11801 приводится формула для расчета и оценки минимально допустимого значения ac (таблица 2).

В случае если значение затухания излучения для кабельных каналов класса EA или F выше на 10 дБ и для каналов класса FA выше на 25 дБ минимально допустимого значения, указанного в таблице 2, то значением параметра межкабельных наводок можно будет пренебречь, так как отсутствие межкабельных помех гарантируется конструкцией кабеля — экраном.
Значение затухания излучения экранированной кабельной линии превышает значение 70 дБ. Для неэкранированной системы это значение, как правило, составляет около 40 дБ, что указывает на низкий уровень ЭМС неэкранированных систем. А если монтаж кабельной линии будет выполнен с ошибками, то значение параметра затухания излучения будет меньше 40 дБ (рис. 4).

Межкабельные наводки (alien crosstalk)

Внешние помехи на витую пару могут создаваться не только сторонними источниками излучения,  такими как мобильные телефоны, радиоустройства, силовые кабели, люминесцентные лампы, выключатели, реле, а и генерироваться слаботочными кабелями, которые проложены рядом и по которым передаются данные — такие кабели еще называют «соседними»  кабелями. В телекоммуникационном помещении или в одном кабельном канале  прокладывается по соседству свыше нескольких десятков, а иногда и свыше сотни телекоммуникационных кабелей. На рисунке 5 показано воздействие шести соседних кабелей, окружающих кабель «жертву».

Хотя и на рисунке показано воздействие соседних кабелей на один кабель, однако, надо понимать, что все кабели, находящиеся рядом, при передаче сигналов излучают и оказывают влияние друг на друга. То есть все кабели также являются «жертвами» своих соседей. Межкабельные наводки описывают электромагнитное взаимодействие, возникающее между проложенными  рядом телекоммуникационными кабелями. Межкабельные наводки не могут быть скомпенсированы цифровым сигнальным процессором в отличие от таких внутренних помех, как переходное затухание на ближнем конце (NEXT) или переходное затухание дальнем конце (FEXT).
Различные технические параметры, связанные с межкабельными наводками, приводятся в стандартах, приведем некоторые их них:
• alien near end crosstalk (ANEXT, межкабельное переходное затухание на ближнем конце);
• alien far end crosstalk (AFEXT, межкабельное переходное затухание на дальнем конце);
• power sum alien near end crosstalk (PSANEXT, суммарное межкабельное переходное затухание на ближнем конце);
• power sum alien far end crosstalk (PSAFEXT, суммарное межкабельное переходное затухание на дальнем конце).
При наличии вышеупомянутых требуемых характеристик  стандартом 10Base-T (меньший уровень между логическими уровнями сигналов и большая частота), значение межкабельных наводок приобретает большое значение при передаче 10 Гигабит в секунду.
Экранированная система отлично справляется  с межкабельными наводками. Для некэранированных кабельных систем требуется применять специальные способы и методы снижения межкабельных наводок.

Способы снижения уровня межкабельных наводок
в неэкранированных кабельных системах

В неэкранированной кабельной системе необходимо снижать уровень межкабельных наводок. Существуют следующие рекомендации для снижения уровня межкабельных наводок в неэкранированных кабельных системах: изменение конструкции UTP-кабелей и разнесение кабелей, шнуров в пространстве, которые мы рассмотрим далее в этой статье.

Изменение конструкции
неэкранированных кабелей категории 6А

С учетом отрицательного влияния межкабельных наводок, в конструкцию неэкранированных кабелей, предназначенных для реализации 10 Гигабит Ethernet, производителями кабелей вносятся различные конструктивные изменения и дополнения, направленные на увеличение расстояния между парами соседних кабелей. На рисунке 6 показана конструкция неэкранированного кабеля категории 6А. Внутри кабеля расположен пластиковый разделитель (сепаратор), предназначенный для разнесения витых пар. Внешняя оболочка кабеля делается  утолщенной, чтобы увеличить расстояние между соседними кабелями и, следовательно, увеличить расстояние между парами соседних кабелей.

Альтернативной конструкцией, обеспечивающей  разнесение пар в пространстве, является применение вместо традиционной круглой формы кабеля — кабелей овальной формы (рис. 7). При применении кабелей овальной конструкции можно увеличить расстояния между парами проводников в соседних кабелях.
Оба варианта модернизированной конструкции  неэкранированных кабелей позволяют уменьшить межкабельные наводки, но приводят  к увеличению площади сечения кабеля. Площадь сечения UTP-кабеля категории 6A может быть больше на 60% по сравнению с экранированными кабелями (рис. 8).

Увеличение сечения кабельных каналов,
кабельного ввода

Следствием увеличения внешнего диаметра UTP-кабеля является увеличение размера или количества кабельных каналов. Кабельные каналы  заполняются меньшим количеством неэкранированных кабелей категории 6A, тогда как экранированных кабелей в кабельный канал такого же сечения будет размещаться больше.
Возникают сложности при организации кабельного ввода в телекоммуникационное помещение и распределении кабельных каналов в телекоммуникационных помещениях, так как требуется большее сечение для ввода и распределения неэкранированных кабелей внутри помещения. Также не надо забывать о том, что кабели могут быть распределены и внутри телекоммуникационного шкафа. Поэтому увеличение сечения неэкранированных кабелей может привести к покупке и установке дополнительных монтажных конструктивов или установке шкафов, имеющих большие габариты. На рисунке 9 показан пример размещения неэкранированных и экранированных кабелей в лотке.

Снижение уровня межкабельных наводок —
разнесение неэкранированных
кабелей и шнуров

Обычно витопарные кабели прокладываются на объекте пучками или укладываются чаще всего в один и тот же кабельный канал, где и размещаются вместе. Объединение кабелей в пучки  при монтаже СКС существенно увеличивают вероятность возникновения межкабельных наводок в неэкранированных кабельных системах. На рисунке 10 показан пример прокладка кабелей  витая пара. Основное воздействие межкабельных наводок осуществляется на расстоянии до 20-ти метров. После 20-ти метров уровень межкабельных наводок практически не влияет на кабель жертву, так как сигнал в соседних кабелях ослабевает из-за вносимых потерь.
Межкабельные наводки на расстоянии до 20- ти метров могут образоваться и от других соседних кабелей, которые могут оказаться рядом не только в кабельном канале, а например, в одном кабельном вводе в кроссовую или серверную, при распределении и заделке кабелей сзади коммутационной панели (рис. 11).

Сильное внешнее воздействие могут оказать коммутационные шнуры, размещаемые в одном кабельном организаторе. Чтобы снизить влияние межкабельных наводок, неэкранированные кабели и шнуры необходимо разносить в пространстве, что на практике на реальном объекте не всегда реализуемо и крайне затруднено.

Проблема расширения установленных
неэкранированных кабельных сетей

В ходе разработки нового приложения 10Base-T была обнаружена и еще одна проблема. При одновременной  параллельной передаче приложений Гигабит Ethernet по кабелям UTP категории 5e или категории 6, конструкция которых не предназначена для противодействия межкабельным наводкам, и 10 Гигабит Ethernet по кабелям категории 6A, возникает явление интерференции (наложения) сигналов (рис. 12). В случае расширении существующей СКС, неэкранированные кабели категории 6А будут подвержены межкабельным наводкам от уже установленных  линий, по которым будут передаваться сигналы протокола 1GBase-T. Поэтому не рекомендуется неэкранированные кабели категории 6А, которые планируется использовать для передачи 10 Гигабит EtherNet, прокладывать совместно с существующими неэкранированными  слаботочными кабелями категории 5e и категории 6.

Увеличение затрат инсталлятора
при использовании неэкранированной проводки
по сравнению с экранированной

С учетом возрастания вероятности межкабельных наводок в каждом UTP-кабеле при прокладке  неэкранированных кабелей в пучках и распределении кабелей в кроссах придется инсталляторам структурированной кабельной системы выполнять несколько кабельных вводов и разделять пучки неэкранированных кабелей  на несколько параллельных потоков. Это неизбежно приводит к увеличению времени монтажа СКС на объекте. По завершению монтажных работ неэкранированные кабельные линии необходимо будет обязательно протестировать не только на соответствие категории или класса, а провести полевые испытания неэкранированных кабелей и оценить уровень межкабельных наводок. Процедура тестирования межкабельных наводок требует закупки дополнительного оборудования и занимает много времени. При этом не будет 100% гарантии на приемлемый уровень межкабельных наводок, так как нереально провести тестирование межкабельных наводок во всех возможных комбинациях неэкранированных кабелей.

Устойчивость к внешним помехам
достигается за счет использования
экранированных кабелей

Необходимая устойчивость информационной кабельной системы к внешним помехам в соответствии с требованиями международных стандартов достигается применением экранированных кабельных систем. Именно такие системы успешно  прошли тестирование на устойчивость к электромагнитным воздействиям по международной классификации MICE (Mechanical, In-gress, Chemical and Electromagnetic) по уровню E1. Более того, экранированные системы прошли тестирование на работоспособность при условиях окружающей среды по уровню E2 and E3 по классификации MICE, что соответствует функционированию  в условиях электромагнитной обстановки вне офиса, например, на промышленном предприятии. Были проведены исследования экранированных и неэкранированных систем независимой лабораторией GHMT AG (www.ghmt.de). Результаты испытаний показали, что кабельная система, благодаря экрану, успешно нейтрализует межкабельные наводки в соответствии с требованиями кабельных стандартов. Поэтому многие производители СКС для экранированных систем не требуют проведения полевого тестирования кабельных линий на наличие межкабельных наводок.

Заключение

Установка в современных офисах большого количества цифровой аппаратуры, появление во внешней среде большого количества излучающих устройств средств связи, ужесточение требований к уровню надежности работы телекоммуникационных систем, увеличение скорости передачи данных до 10 Гигабит приводит к тому, что электромагнитной совместимости (ЭМС) необходимо уделять внимание при проектировании СКС.
Использование неэкранированных витопарных кабельных линий для передачи 10 Гигабит Ethernet возможно, и это подтверждено теоретическими расчетами и испытаниями, проведенными в лабораториях. Однако высокая чувствительность к различным электромагнитным наводкам, присутствующим в реальной среде, привела к необходимости изменения конструкции неэкранированных кабелей и соблюдению  трудновыполнимых на практике правил монтажа неэкранированной проводки на объекте.
С экономической точки зрения, реализация 10-гигабитной сети с использованием неэкранированной  проводки связана с рядом ограничивающих факторов. Большее сечение неэкранированных витопарных кабелей увеличивает общие расходы на кабельную систему,  увеличивает время монтажа кабельной системы.
Как правило, подобные расходы и временные затраты редко принимаются во внимание при сравнении плюсов и минусов экранированных и неэкранированных систем. К тому же, при проведении любых перемещений, дополнений и изменений (так называемой процедуры Move Add Change) в неэкранированной системе потребуется  обязательное повторное тестирование на межкабельные наводки.
Кабельная система должна обладать хорошими показателями по соотношению сигнал-шум и защите от межкабельных наводок. Чем большим запасом по характеристикам обладает витопарная кабельная линия, тем менее она восприимчива к любым внешним помехам. Применение экранированных систем позволяет решать проблемы, связанные с ЭМС, что в будущем позволит не только реализовать передачу 10 Гигабит в секунду, но и гарантировать  функционирование в различных условиях  электромагнитной обстановки, соответствующей  международной классификации MICE.

В статье использованы материалы и рисунки компании  AMP/Tyco Electronics, исследование экранированных и неэкранированных  систем, проведенных независимой лабораторией GHMT AG (www.ghmt.de).