Почему витая пара скручена

Витая пара — это тип кабеля, который широко используется в сетевых и телекоммуникационных системах. Основная причина, по которой провода в витой паре скручены, заключается в снижении электромагнитных помех и улучшении качества передачи данных.

Характеристики витой пары:

1. Скрутка проводов: Каждый из двух изолированных проводников скручивается вместе. Это помогает нейтрализовать влияние внешних помех, возникающих от других электрических устройств.

2. Количество витков: Чем больше витков на единицу длины, тем лучше защищённость от помех.

3. Различные категории: Витая пара делится на категории (например, Cat5e, Cat6), которые определяют её пропускную способность и частотные характеристики.

Применение:

• Сетевые подключения: Используется для соединения компьютеров, маршрутизаторов и другого оборудования в локальных сетях.
• Телефонные линии: Применяется в традиционных телефонных системах.
• Системы видеонаблюдения: Может использоваться для передачи данных от камер.

Положительные стороны:

• Снижение помех: Скрученные пары значительно уменьшают влияние электромагнитных помех, что обеспечивает стабильную передачу данных.
• Гибкость: Витая пара легко монтируется и укладывается, что упрощает процесс установки.
• Экономичность: Стоимость витой пары ниже по сравнению с другими типами кабелей, такими как оптоволокно.

Почему витая пара имеет скрученную конструкцию?

Разница заключается в том, что кабели для передачи данных скручены, в то время как кабели питания – нет. Причиной этому служит различие в частотах сигналов. Сигналы питания работают на низких частотах, что позволяет им не беспокоиться о пропускной способности.

Когда речь идет о высокочастотных сигналах, используемых для передачи данных, возникают определенные проблемы. Такие сигналы создают магнитное поле, которое может индукционно воздействовать на соседний провод, что приводит к появлению перекрестных помех. Например, на старых аналоговых телефонных линиях часто слышны посторонние разговоры, что является следствием этих индукций.

Представим ситуацию, в которой компьютер отправляет данные по линии. Энергетическое поле, образующееся вокруг проводников передачи (Tx), может вызывать нежелательные сигналы в соседних парах, включая пару приема (Rx), через которую осуществляется получение информации.

Согласно принципам работы Ethernet, передача и прием данных происходят поочередно. Это означает, что в момент, когда компьютер начинает отправку, он также "слышит" сигнал на паре приема и временно приостанавливает передачу. В результате такая ситуация делает передачу данных невозможной.

Хотя индуцированный сигнал на паре приема значительно слабее, чем первоначальный, это не является серьезной проблемой, поскольку приемная электроника должна быть достаточно чувствительной. Дело в том, что высокочастотные сигналы теряют свою мощность на протяжении всего кабеля. Например, в спецификации IEEE 802.3 для стандарта 1000BASE-T предусмотрены максимальные потери до 24 дБ, что приводит к снижению сигнала до 6% от исходной мощности к моменту его получения на Ethernet-порту вашего компьютера. Таким образом, для успешной передачи необходимо, чтобы наведенный сигнал был значительно слабее оригинального. По мере удаления от передающего устройства сигнал ослабляет свою силу, что снижает уровень наводок на соседние пары. В итоге можно сделать вывод, что наибольшие помехи возникают именно на стороне передачи. Этот эффект обозначается как перекрестные помехи на ближнем конце (NEXT).

Инженеры применяют различные методы для эффективного управления NEXT (переходными помехами). Прежде всего, сигналы данных кодируются перед их передачей по кабелю таким образом, что каждый положительный импульс на одном проводнике соответствует соответствующему отрицательному импульсу на другом проводнике в паре. Это создает равные, но противоположные магнитные поля, которые взаимно гасят друг друга, что позволяет избежать перекрестных помех.

Тем не менее, если провода в кабеле просто располагаются параллельно, как в случае с невитой парой, каждый проводник окажется на различном расстоянии от других проводников, по которым передаются сигналы. Это приводит к тому, что магнитное поле одного провода будет немного сильнее, чем у другого, что, в свою очередь, вызывает разницу в уровне индуцируемых сигналов. Для устранения этого эффекта был разработан второй метод — скручивание пар проводов. Эта конструкция, благодаря изменению расстояния между проводниками, позволяет уменьшить влияние на перекрестные помехи.

Однако если все пары проводов скручены с одинаковым шагом, может возникнуть ситуация, при которой расстояние между проводниками будет оставаться одинаковым на протяжении всего кабеля, что приведет к увеличению перекрестных помех. Для решения этой проблемы использован третий прием — применение различных шагов скручивания. Это обеспечивает то, что пары проводов не сохраняют постоянное расстояние от одного и того же проводника на протяжении всего их цикла.

Разные шаги скручивания витой пары объясняют, почему при использовании кабельного тестера можно наблюдать различные длины каждой пары. Если бы мы раскрутили провода и разложили их в линию, те пары, у которых шаг скрутки меньше, оказались бы чуть длиннее. Разница в длине может достигать 5% и более, что является пределом, установленным TIA для длины кабеля, основанным на самой короткой паре.

Важно отметить, что в модульном соединителе (RJ-45) проводники располагаются параллельно лишь на коротком участке, и именно здесь возникают самые значительные помехи. Увеличение длины раскрученных проводников приводит к усилению переходных помех. В некоторых случаях несоблюдение технологии монтажа соединителя может стать причиной того, что вся линия не проходит сертификацию.

Кабели витой пары с усовершенствованной конструкцией обладают улучшенными характеристиками по NEXT благодаря применению экранов, более тщательному контролю скорости скручивания и объединению пар. Внедрение новых технологий, таких как 10GBASE-T и PoE, делает крайне важным минимизацию перекрестных помех. Тем не менее, перекрестные помехи остаются одной из главных проблем, оказывающих влияние на скорость передачи данных.

При установке и эксплуатации витой пары монтажники часто совершают ошибки, которые могут привести к увеличению уровня переходных наводок и шумов. К счастью, современные измерительные инструменты способны выявлять такие повреждения и проводить сертификацию структурированных кабельных систем (СКС).

Некоторые из этих приборов не только анализируют уровень перекрестных помех и наведенных шумов, но также способны локализовать повреждения витой пары с помощью мостового или рефлектометрического методов.