Электрические характеристики симметричных кабелей: параметры влияния, асимметрия

Помимо параметров передачи огромное влияние на электрические характеристики симметричных кабелей оказывают также параметры влияния.

ПАРАМЕТРЫ ВЛИЯНИЯ

Главные типы влияний в симметричных кабелях — переходные влияния на ближнем и дальнем конце вследствие паразитных электромагнитных и емкостных связей между парами одного кабеля или нескольких близко расположенных кабелей. Для оценки таких переходных влияний используют приборы для диагностики и локализации неисправностей в металлических кабелях.

Основным методом уменьшения таких влияний служит скрутка жил медной пары. Наиболее жесткие требования в этом отношении предъявляются в структурированных кабельных системах (СКС) с широким диапазоном рабочих частот: отсутствие скрутки жил допускается на расстоянии не более 1/2 дюйма от точки соединения двух отрезков кабеля.

Мерой оценки переходных влияний являются переходное затухание на ближнем конце (Near End Crosstalk, NEXT) и переходное затухание на дальнем конце (Far End Crosstalk, FEXT). Указанные параметры позволяют оценить пригодность пар симметричных кабелей для высокоскоростной передачи данных. Переходные затухания NEXT и FEXT могут выражаться через логарифм отношения мощности генератора P₁, питающего влияющую цепь, к мощности помех Р₂ в цепи, подверженной влиянию, т. е. как 10lg (P₁/Р₂) дБ или как разность уровней в указанных точках p₁ – p₂.

Стоит напомнить, что уровень сигнала или помехи в произвольной точке Х линии связи оцениваются как px = 10lg (P_х/1мВт) дБ. Здесь P_х представляет собой мощность сигнала в точке X. Иногда вместо обозначения дБ используют обозначение дБм с целью подчеркнуть тот факт, что в качестве опорной мощности выбрана мощность сигнала, равная 1 мВт. Ниже будет использоваться краткое обозначение дБ.

Величина NEXT оценивается разностью уровней сигнала на выходе передатчика одной пары и созданной им помехи на входе приемника другой, измеренных в одном и том же пункте, т. е. NEXT = p₁₀ – p₂₀.

Параметр NEXT является определяющим при однокабельном режиме работы линии связи, когда сигналы противоположных направлений передачи транспортируются по парам одного кабеля. Он играет ключевую роль и в тех случаях, когда для разделения сигналов противоположных направлений, передаваемых по одной паре, применяется метод эхокомпенсации. Как известно, спектры сигналов противоположных направлений передачи полностью (например, у HDSL) или частично (у ADSL) совпадают. Ранее в отечественной технической литературе для параметра NEXT использовалось обозначение A₀.

Величина FEXT оценивается разностью уровней сигнала на выходе передатчика одной пары и созданной им помехи на входе приемника другой. Однако, в отличие от NEXT, при измерении FEXT передатчик влияющей пары и приемник подверженной влиянию пары расположены в противоположных пунктах линии передачи.

FEXT — это определяющий параметр при двухкабельном режиме работы линии связи, когда сигналы противоположных направлений передачи транспортируются по парам разных кабелей. Он имеет ключевое значение, и когда для разделения сигналов противоположных направлений, передаваемых по одной паре, используется метод частотного разделения сигналов FDM (например, в системах ADSL или VDSL). Тогда спектры сигналов противоположных направлений передачи не перекрываются, и переходное влияние на ближнем конце отсутствует. Ранее параметр FEXT обычно обозначался как A_L.

При прочих равных условиях величина FEXT существенно больше NEXT, поскольку в первом случае влияющий сигнал претерпевает затухание в линии связи, а во втором — непосредственно воздействует на подверженную влиянию пару.

Параметр NEXT с увеличением длины линии L сначала уменьшается, а затем стабилизируется: начиная с определенной длины токи помех с удаленных участков приходят настолько ослабленными, что практически не влияют на величину NEXT. Иная ситуация в случае сложения токов взаимных влияний на дальнем конце — с увеличением длины линии все ее участки вносят одинаковые значения помех. Переходное затухание уменьшается с ростом частоты, причем NEXT уменьшается с частотой со скоростью 15 дБ на декаду, а FEXT — со скоростью 20 дБ на декаду. Меньшая крутизна частотной зависимости FEXT объясняется тем, что с ростом частоты возрастает затухание переходных мешающих токов, поступающих на ближний конец с удаленных участков линии.

Использование многопарных кабелей для систем передачи данных.

Однонаправленная передача, работа по двум кабелям

Однонаправленная передача, работа по одному кабелю

Двунаправленная передача

Кроме рассмотренных параметров NEXT и FEXT, в практике оценки структурированных кабельных систем широко используются два новых — ACR и ELFEXT, на которых мы остановимся более подробно.

Параметр Attenuation to Crosstalk Ratio (ACR) эквивалентен параметру сигнал/шум применительно к переходному влиянию на ближнем конце NEXT, т. е. он служит оценкой на входе приемника для претерпевшего затухание линии сигнала и для помехи от переходного влияния на ближнем конце. Количественно ACR выражается как логарифмическая мера разности NEXT и затухания кабеля. Если, например, значение ACR составляет 10 дБ, это означает, что мощность помехи NEXT на входе приемника будет в 10 раз меньше мощности полезного сигнала, т. е. отношение сигнал/шум будет равно 10.

Пусть система связи работает в однокабельном режиме, причем уровни сигналов на выходах передатчиков в точках А и В одинаковы и равны 0 дБ. Если затухание линии на частоте f обозначить через a_k, то при переходном затухании NEXT на той же частоте уровни сигнала p_с и переходной помехи p_p на входе приемника А будут, соответственно, равны a_k и NEXT.

�

�

�

Тогда ACR = p_с – p_p = NEXT — a_k.

Практический смысл параметра ACR становится понятнее, если частотные характеристики затухания симметричной пары (а), переходной помехи (NEXT) и параметра (ACR) представить на одном графике. Частота, на которой величины затухания и NEXT одинаковы (в данном случае она равна 100 МГц), определяет верхнюю границу рабочего диапазона частот. На частотах выше граничного показателя мощность помехи NEXT превышает мощность сигнала.

Параметр Equal Level Far End Crosstalk (ELFEXT) имеет тот же физический смысл, что и ACR. Разница между ними только в том, что ACR связан с NEXT, а ELFEXT — с FEXT. Параметр ELFEXT становится критичным для случаев, когда несколькими передатчиками одной системы ведется передача в одну сторону по парам, расположенным в одном кабеле.

При этом ELFEXT = FEXT – a_k.

Стоит отметить, что ранее в отечественной технической литературе для параметра ELFEXT, который называли защищенностью от переходного влияния на дальнем конце, использовалось обозначение A_з.

Кроме параметров ACR и FEXT применяются два дополнительных параметра — PS-ACR (Power Sum ACR) и PS-ELFEXT (Power Sum ELFEXT), учитывающих суммарное влияние на данную пару всех остальных пар кабеля.

АСИММЕТРИЯ ЛИНИИ

Асимметрия является одновременно параметром передачи, поскольку она определяется параметрами пары и влияет на ее пропускную способность, и параметром влияния, так как она воздействует на переходы между другими парами.

Каждая симметричная линия должна быть сбалансирована относительно земли определенным образом. В зависимости от тока — постоянного или переменного — различают два вида асимметрии.

Асимметрия по постоянному току оценивается относительной величиной разности сопротивлений жил симметричной линии и не должна превышать 1%. Наличие резистивной разбалансировки линии, равной разности сопротивлений ее жил, измеренных при переменном токе, можно интерпретировать как включение в нее дополнительного фильтра нижних частот с сопротивлением продольного плеча dR. Кроме резистивной составляющей продольная разбалансировка линии в общем случае содержит и емкостную составляющую; она может возникать, например, из-за случайного скрещивания жил разных пар в местах соединения кабелей. Эту составляющую можно интерпретировать как поперечную емкость того дополнительного фильтра нижних частот, о котором сказано выше.

Степень продольной асимметрии по переменному току оценивается величиной затухания продольной асимметрии (Longitudinal Conversion Loss, LCL). Причинами продольной разбалансировки жил витой пары могут быть неплотный контакт в местах соединения жил кабелей (точках скрутки или спайки, распределительных шкафах и т. п.). Проблему продольной разбалансировки нельзя считать решенной, даже если продольная асимметрия рассматриваемой пары приведена к норме. Этот факт — необходимое, но еще не достаточное условие решения проблемы продольной асимметрии в конкретном кабеле. Условие достаточности требует обязательной проверки всех пар пучка или повива на соответствие нормам продольной асимметрии. Дело в том, что любая разбалансировка даже нерабочей пары является источником помех для всех работающих пар, следствием чего является уменьшение их пропускной способности.