Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Пропускная способность витой пары

Физический уровень современных информационно-вычислительных систем реализуется преимущественно на проводных каналах связи. В качестве их основы в подавляющем большинстве случаев берутся симметричные и волоконно-оптические кабели, работающие в составе структурированной кабельной системы (СКС). Вполне возможно обращение к другим типам кабельных изделий (коаксиальные, триаксиальные и даже силовые кабели), но эта техника из-за определённых особенностей, обсуждение которых выходит за рамки данной работы, имеет применение исключительно в узких областях.

По состоянию на сегодняшний день в технике СКС сложилось чёткое разделение областей применения симметричной и волоконно-оптической техники, дающее в результате наибольшую системную эффективность. Основные постулаты в этой части сводятся к тому, что линии на основе симметричного кабеля используются на нижних уровнях. Фокусной областью применения волоконно-оптической техники являются магистральные подсистемы всех без исключения СКС, дополняемые линиями горизонтальной подсистемы центров обработки данных с протяжённостью свыше 50 м. Последнее связано не с техническими ограничениями, а с достижением максимальной энергоэффективности объекта.

В таких условиях актуальность симметричной техники останется значительной по меньшей мере до 2020 года, что требует к ней соответствующего внимания, в т.ч. в области выполнения НИОКР.

ИСТОКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

В процессе разработки конструкции четырёх-парного горизонтального кабеля в обязательном порядке выполняется оценка обеспечиваемой им скорости передачи данных. Эта процедура может быть выполнена различными способами. Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) для решения этой задачи привлекает теорию Шеннона: предельная пропускная способность W любого тракта передачи независимо от формы его реализации составляет:

где: ΔF — полоса пропускания тракта с верхней f2 и нижней f1 граничными частотами;
Ps и Pn — мощности сигнала и шума соответственно.

В работе Клода Шеннона1 это соотношение получено из общего выражения:

W = 2ΔF(ESN — EN)      (2),

где: ESN — энтропия смеси сигнала с шумом, EN — энтропия шума.

При записи выражения (2) использован факт того, что f1 << f2.

Важным ограничением выражения (1) является то, что помеха рассматривается как аддитивный гауссов белый шум. Кроме того, несложный теоретический анализ показывает, что для максимизации пропускной способности реального канала связи сам передаваемый по нему сигнал должен в максимально полной степени обладать свойствами белого шума.

Шумоподобные свойства сигнала, передаваемого со скоростью 1 Гбит/с и выше по симметричным кабельным трактам СКС, обеспечиваются соответствующим кодированием и применением скремблирования на передающем конце (на приёме исходную цифровую последовательность восстанавливает дескремблер).

Симметричные кабельные тракты СКС функционируют в режиме преобладающего влияния переходной помехи без учёта тепловых шумов. На скоростях 40 и 100 Гбит/с, где это положение начинает нарушаться из-за высокого затухания в верхней части спектра, «помеховое статус-кво» в реальных условиях восстанавливается ограничением предельной протяжённости линии вплоть до 30-50 м против 100 м для менее быстродействующих систем. В таких условиях с учётом обязательного привлечения схемы параллельной передачи и некоррелированного характера сигналов в отдельных каналах сразу же вытекают аддитивность и шумоподобность переходной помехи.

На входе приёмника сетевого интерфейса сигнал и помеха значительно отличаются от белого шума.

Неравномерность спектра сигнала определяется монотонным ростом затухания симметричного тракта по мере увеличения частоты с темпом fx, причём x близко к 0,5.

Шум также имеет «окрашенный» характер из-за монотонного падения переходного затухания на ближнем и дальнем концах с темпом fx, причём в реальных условиях 0,75 < x < 1,5 с тенденцией увеличения по мере роста частоты. Разнонаправленный характер изменения затухания и переходного затухания делает бесполезным восстановление плоского характера спектра сигнала на приёмном конце за счёт предыскажения из-за опережающего роста мощности переходной помехи.

Обычно неравномерность «сигнальной» и «шумовой» составляющих ACR при теоретическом анализе учитывается применением интегральной формы записи соотношения Шеннона в виде:

где: S(f) и N(f) — спектральные плотности сигнала и шума соответственно.

Степень ошибки от использования такой модели в открытой литературе не указана. Аналогичным образом неизвестны работы по обоснованию степени близости распределения переходной помехи к нормальному закону.

Серьёзным усложняющим фактором в процессе анализа становится то, что кабель как таковой не эксплуатируется в одиночку, а всегда работает в составе тракта. В последнем обязательно присутствуют разъёмные соединители. Установка соединителя неизбежно приводит к появлению в тракте неоднородности в цепи распространения сигнала, степень влияния которой на пропускную способность также неизвестна.

Цель данной работы состоит в попытке экспериментальной оценки величины той ошибки, которую даёт отличие от теоретических ограничений выражения (1).

Нельзя забывать также о том, что для оценки параметров кабельного изделия в профильных отечественных и зарубежных нормативных документах из соображений поддержания преемственности с более ранними подходами используется система аналоговых параметров. Между тем передача ведётся в цифровой форме, что потенциально способно наложить свой отпечаток на систему показателей качества функционирования проводной линии связи. Данный аспект также затронут в этой работе.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В качестве тестирующего оборудования использована цифровая измерительная система с эффективной полосой пропускания приёмной части в 500 МГц. Объектом измерения выступал кабель категории 5е класса F/UTP длиной 50 м.

Кабель категории 5е был выбран как наиболее узкополосное стандартное современное изделие. Аппаратура Ethernet на разных скоростях сохраняет форматы кадров неизменными, а при скорости 1 Гбит/с и выше принципы формирования линейного сигнала отличаются незначительно. С учётом этого предполагается, что при переходе на более высокие категории степень отклонения отдельных компонентов смеси сигнала с помехой от получаемых в процессе экспериментов по крайней мере не увеличится.

Обращение к 50-метровой длине объекта измерений было обусловлено следующими соображениями. С одной стороны, такая протяжённость даёт возможность подавить эффекты краевых взаимодействий резонансного характера, возникающих из-за концевых неоднородностей. Тем более что она позволяет гарантированно устранить известный в технике СКС эффект локального роста мощности переходных шумов ближнего конца (т.н. проблема 15 м), который значительно искажает результаты измерений. С другой стороны, одновременно выбранная протяжённость кабеля не настолько велика, чтобы слишком сильно снизить мощность сигнала на его выходе даже в самой высокочастотной части спектра. Это позволяет практически исключить влияние на получаемые результаты тепловых шумов входных каскадов приёмника измерительной системы.

Кроме того, 50-метровая длина кабеля близка к средней протяжённости стационарной линии (40 м) офисных СКС, что дополнительно увеличивает ценность получаемых результатов.

Выбор конструкции F/UTP целесообразен тем, что общий экран кабеля снижал до приемлемого предела степень искажения принимаемого сигнала мощными источниками внешнего электромагнитного излучения.

Витые пары кабеля на обоих концах нагружались на согласующие резисторы. Неизбежное в реальных условиях рассогласование волнового сопротивления кабеля и входных схем интерфейсной части приёмопередатчика было в основном обусловлено паразитной ёмкостью измерительных цепей (30-35 пФ).

Отсчёты входного воздействия и выходной реакции сохранялись в памяти ПЭВМ. Ошибка собственно измерений уменьшалась до приемлемой величины использованием накопления отсчётов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Ограниченный объём данной публикации не позволяет привести весь объём экспериментальных данных, поэтому опишем только наиболее интересные из них.

Рис. 1. «Остаточная» (после стрелки) переходная помеха из-за концевых переотражений

Рис. 1 свидетельствует о важности тщательного согласования нагрузок. При нарушении этого условия возникает «остаточная» переходная помеха, обусловленная многочисленными переотражениями от сосредоточенных неоднородностей, и в первую очередь от нагрузки. Её амплитуда сопоставима с основным переходным шумом, т.е. оказывает значимое влияние на достоверность передачи.

На рис. 2 и 3 представлены нормированные эпюры сигнала и переходной помехи ближнего и дальнего концов. Их сравнение показывает заметные отличия форм наводок. Это определяется ростом затухания с темпом корня квадратного от частоты и более сильным влиянием частотных искажений на наводку дальнего конца из-за большей протяжённости пути её распространения. Кроме того, наводка на пару, подверженную влиянию, независимо от места её фиксации искажается сильнее по сравнению с сигналом на выходе витой пары.

Рис. 2. Примеры эпюр сигнала и переходной помехи

Рис. 3. Отличия формы импульса на входе U0 и выходе U1 кабеля

Высокоскоростные современные интерфейсы ЛВС используют исключительно схему параллельной передачи. В этой связи сопоставление рис. 2а и рис. 2б экспериментально подтверждает необходимость обязательного учёта переходной помехи дальнего конца, мощность которой сопоставима с помехой ближнего конца. Её наличие значительно ограничивает пропускную способность тракта.

На рис. 4 показано амплитудное распределение переходной помехи ближнего конца. Из него следует, что за счёт наличия явно выраженных «крыльев» шум этой разновидности не может полноценно считаться гауссовым. Аналогичный вывод справедлив в отношении помехи дальнего конца.

Рис. 4. Амплитудное распределение помехи ближнего конца

Окрашенный характер сигнала и переходного шума уменьшает их энтропию: E'SN = ESNε1 и E'S = ESε2. При этом меньшие отличия формы сигнала от гауссовой позволяют утверждать, что ε1 < ε2. Таким образом, из выражения (2) вытекает, что реальная пропускная способность тракта вполне может превысить шенноновскую.

В работе Клода Шеннона приведён алгоритм расчёта предельной пропускной способности тракта для общего случая произвольного амплитудного распределения помехи. Обращение к нему показывает, что значение параметра W увеличивается относительно случая белого шума на 2-17% и достигает примерно 400 Мбит/с на пару даже при увеличении протяжённости исследованного кабеля до 100 м. Это вполне достаточно для получения требуемого от техники категории 5е значения W = 1 Гбит/с при четырёхпарной параллельной передаче с учётом эксплуатационных запасов.

Из рис. 5 вытекает необходимость отдельного учёта в ряде случаев мешающего воздействия внешних источников электромагнитного излучения (локальные выбросы на частотном спектре). Их спектральная плотность мощности может превышать аналогичный параметр теплового шума на 1,5-2 порядка.

Рис. 5. Частотное распределение собственных шумов приёмника измерительной системы и помех от вещательных радиостанций

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведённых экспериментов свидетельствуют о том, что:

  • переходная помеха как наиболее мощная помехо-вая составляющая не может считаться гауссовым белым шумом. При этом степень отличия такова, что при расчётах качественных показателей каналов связи сохраняется возможность в первом приближении пользоваться гауссовой моделью составляющих отношения сигнала к шуму;
  • относительно слабый характер отклонения шума и сигнала от белого определяет корректность применения интегральной формы соотношения Шеннона при выполнении инженерных расчётов;
  • «окрашенный» характер переходной помехи даёт возможность в случае выполнения соответствующей коррекции примерно на 15% увеличить скорость передачи по отношению к шенноновскому пределу для случая белого шума;
  • принятый IEEE в процессе нормирования характеристик симметричных кабельных трактов более чем 30-процентный запас по шенноновской пропускной способности представляется несколько завышенным. Имеющиеся превышения могут быть израсходованы на увеличение предельной протяжённости тракта, компенсацию эффектов старения, ошибок монтажа, эксплуатационных повреждений и иных аналогичных факторов;
  • система традиционных аналоговых передаточных параметров симметричного кабеля СКС вполне адекватна практике. На линиях небольшой протяжённости (менее 20 м) в обоснованных случаях следует учитывать эффекты резонансного взаимодействия отражений от концов;
  • на скорости передачи информации 1 Гбит/с и выше становится невозможным достижение хороших потребительских качеств электропроводной линии без предварительной отработки полноценной системы из кабеля и разъёмных соединителей.

1 Shannon С. A mathematical theory of communication. Bell system technology. J. — 1948. №3, р. 379-423, № 4, p. 623-656.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно