ВИТАЯ ПАРА КАК СРЕДСТВО ОТ ГОЛОВНОЙ БОЛИ
Электрический сигнал может быть передан получателю по каналу связи в виде про-водной или кабельной линии. В процессе распространения несущего колебания в канале свя-зи передаваемый сигнал может искажаться, поражаться шумами и помехами природного и индустриального характера. C этой проблемой сталкиваются все разработчики радиоэлек-тронных информационных систем, в том числе, и систем по технологии Digital Signage, по-зволяющих эффективно доносить до потребителя разнообразную аудио-видео информацию, в первую очередь, рекламного характера.
Линии для передачи сигнала принято делить на несимметричные и симметричные.
Простейшей несимметричной линией является линия на основе коаксиального кабеля. Коаксиальный кабель замыкает контур между источником и приемником, где центральная жила кабеля является сигнальным проводом, а экран – заземляющим. Несмотря на хорошее экранирование, коаксиальный кабель подвержен воздействию помех, поэтому передача с его помощью композитного сигнала и компонентного видеосигналов на значительные расстоя-ния невозможна.
Дальнейшее усовершенствование экранирования кабелей дает незначительный эф-фект при одновременном существенном росте их стоимости, поэтому потребовалось прин-ципиально новое техническое решение. И оно было найдено за счет разработки схем баланс-ной передачи сигнала или симметрирования с использованием вместо коаксиального кабеля витой пары. При балансной передаче сигнала все электромагнитные помехи и шумы одинаково воздействуют на оба сигнальных провода линии. Когда сигнал достигает приемника, он по-падает на вход дифференциального усилителя с большим коэффициентом ослабления син-фазного сигнала (КОСС).
Витая пара обычно дешевле коаксиального кабеля, ее легче раскладывать, а разделка разъемов не создает никаких проблем.
БАЛАНСНАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА
Идея балансной передачи сигнала состоит в том, что для передачи сигнала ис-пользуется три, а не два провода (как в несимметричных линиях). Входной сигнал пе-редается одновременно по двум линиям, причем в одной линии он инвертируется по фазе на 180 градусов, тогда как шумы и помехи, наводимые в обоих сигнальных про-водах линии, будут иметь одинаковую амплитуду и фазу.
На выходе линии синфазные (помеховые) сигналы будут подавляться, а проти-вофазные – усиливаться.
В хорошо спроектированной системе можно ожидать ослабление синфазного сигна-ла на 60 – 80 дБ.
В качестве проводников в симметричных схемах обычно применяют неэкрани-рованные или экранированные витые пары, так как они симметричны.
Как и любое техническое решение, симметрированиие линий передачи сигнала имеет свои недостатки.
- Симметричная линия передачи сложнее и дороже несимметричной, так как для нее необходимы передатчик и приемник балансного сигнала;
- Если уровень помех слишком велик, приемник балансного сигнала может вой-ти в режим насыщения и передача сигнала прекратится;
- Из-за затухания сигнала в кабеле приходится ставить промежуточные усилите-ли, которые вносят дополнительные накапливающиеся искажения;
- При использовании промежуточных усилителей, возможно, потребуется кор-рекция сигнала.
КАБЕЛИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ БАЛАНСНЫХ СИГНАЛОВ
«Витая пара» (twisted pair) – это кабель на медной основе, объединяющий в обо-лочке одну или более пар проводников. Кабель отличается от провода наличием внешнего изоляционного чулка (Jacket). Этот чулок главным образом защищает провода (элементы ка-беля) от механических воздействий и влаги.
Каждая пара представляет собой два перевитых вокруг друг друга изолирован-ных медных провода. Кабели витой пары сильно отличаются по качеству и возможно-стям передачи информации.
Конструкцию кабеля витой пары понятна из рисунка.
Кабели витой пары делят по категориям.
Категория (Category) витой пары определяет частотный диапазон, в котором ее применение эффективно. В настоящее время выпускаются кабели категорий с 1 по 7. В современных условиях для создания цифровых информационных систем использование кабелей категории ниже 5 не имеет смысла.
Для идентификации пар внутри кабеля используют цветовую маркировку. Так первые четыре пары имеют соответственно базовые цвета: Синий, Оранжевый, Белый и Коричневый. Чаще всего основной провод в паре целиком окрашивается в базовый цвет, а дополнительный провод имеет белую изоляционную оболочку с добавлением полосок базового цвета.
Экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP) хорошо защищает пере-даваемые сигналы от внешних излучений, а также снижает потери мощности в кабеле в виде излучения.
Экранированная витая пара имеет множество разновидностей.
Кабель на неэкранированной витой паре (Unshielded Twisted Pair, UTP) в на-стоящее время являются основной средой передачи данных для неоптических техноло-гий. Кабель сочетает хорошие электрические и механические характеристики с удобст-вом монтажа и сравнительно невысокой стоимостью.
Кабели категории 5 специально разработаны для поддержки высокоскоростных компьютерных сетей. Полоса пропускания кабеля – 100МГц.
Кабели категорий 6 и 7 имеют полосу пропускания 200 и 600 МГц соответствен-но. Кабели категории 7 обязательно экранируются; категории 5 и 6 могут быть как эк-ранированными, так и неэкранированными. Кабели категории 7 значительно дороже кабелей 5-й категории и по стоимости приближаются к волоконно-оптическим кабелям. Кроме того, они пока не стандартизированы и их характеристики определяются только фирменными стандартами, из-за чего возникают проблемы при тестировании кабель-ной системы.
Некоторыми фирмами уже выпускаются кабели витой пары категории 8. Они предназначены для передачи данных на частоте до 1200 МГц (широкополосные систе-мы кабельного телевидения и современные приложения типа SOHO). Кабель состоит из 4 индивидуально экранированных витых пар, в общей оплетке, покрытой оболочкой из LSZH материала для использования внутри помещения. Для кабелей этой категории характерны стабильные значения волнового сопротивления и затухания, а также отсут-ствие резонанса на частоте до 1200 МГц.
Наибольшее распространение получили кабели с числом пар 2 и 4 калибра 24 AWG. Из многопарных популярны 25-парные, а также сборки 6 штук из 4-парных.
Для подключения абонентского оборудования, и коммутации используются гибкие кабели (шнуры, патч-корды).
Патч-корд (patch cord) – это отрезок многожильного 4-парного кабеля длиной 1-10 м с вилками RJ-45 на концах. Для обеспечения устойчивости к постоянным изгибам, проводник у них выполнен не из одной, а из семи более тонких медных проволок толщиной около 0,2 мм каждая. Из-за большего, в сравнении с обычным, затухания использовать кабель для шнуров оправдано только на небольшие расстояния, как правило, не более 5 метров с каждой стороны линии.
Для коммутации кабельных каналов и подключения сетевого оборудования исполь-зуют патч-панели и настенные розетки.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИТОЙ ПАРЫ
Характеристики кабеля витой пары зависят от структуры кабеля и применяемых в нем материалов. Как любой проводник, витая пара имеет сопротивление переменному электри-ческому току (характеристический импеданс). Кабели могут иметь различные номиналы импеданса, обычно – 100, 120 и 150 Ом. Кабель UTP практически всегда имеет импеданс 100 Ом. Импеданс применяемого кабеля должен соответствовать импедансу соединяемого им оборудования, в противном случае помехи, возникающие от отраженного сигнала, могут привести к неработоспособности соединений.
Скорость/задержка распространения сигнала NVP (Nominal Velocity of Propaga-tion) – скорость распространения сигнала. Часто применяется производная от NVP и длины кабеля характеристика «delay» (задержка), выражающаяся в наносекундах на 100 метров па-ры.
Важной характеристикой витой пары также является погонное затухание (Attenua-tion), характеризующее величину потери мощности сигнала при передаче.
Другим важным параметром является NEXT (Near End Crosstalk), или переходное за-тухание между парами в многопарном кабеле, измеренное на ближнем конце – то есть со стороны передатчика сигнала, которое характеризует перекрестные наводки между парами.
УДЛИНИТЕЛИ ИНТЕРФЕЙСА
В современных инсталляциях кабели витой пары нередко используют для передачи сигналов VGA на значительные расстояния. Для того, чтобы сигнал «не потерялся» на фоне шумов и помех, используют удлинители интерфейса (extender или line transmitter), современ-ные модели которых обеспечивают передачу сигнала на требуемую дальность с малым уров-нем помех по витой паре. Такое эффективное и недорогое техническое решение находит применение во многих областях, в том числе, в системах Digital Signage. Удлинитель сигна-лов VGA действует на аппаратном уровне, поэтому он свободен от каких-либо проблем с со-вместимостью программного обеспечения, согласованием кодеков или преобразованием форматов.
Если рассматривать пассивную линию (т.е. линию без активного оконечного обору-дования), то кабель типа RG-59 способен передать без видимых на экране искажений компо-зитное видео, телевизионный сигнал стандартов PAL или NTSC только на 20-40 м (либо до 50-70 м по кабелю RG-11). Специализированные кабели позволят увеличить дальность пере-дачи примерно на 50%. Для сигналов VGA, Super-VGA или XGA, полученных с графических плат компьюте-ров, обычный кабель VGA обеспечивает передачу изображения с разрешением 640x480 на расстояние 5-7 м (а при разрешении 1024x768 и выше такой кабель не может быть длиннее 3 м.). Высококачественные промышленные кабели VGA/XGA обеспечивают дальность до 10-15, редко до 30 м. Кроме того, линия связи будет подвержена потерям на высоких частотах (High frequency loss), которые проявляются в снижении яркости до полного исчезновения цвета, ухудшении разрешения и четкости. Для устранения этой проблемы в удлинителях VGA/XGA используется схема управления потерями на высоких частотах, именуемая EQ (Cable Equalization, коррекция кабеля) или управление высокочастотной составляющей – HF (High Frequency) control. Схема EQ обеспечивает частотнозависимое усиление сигнала для «спрямления» амплитудно-частотной характеристики.
Передающее устройство удлинителя обычно преобразует видеосигналы в дифферен-циальный симметричный формат, наиболее подходящий для витых пар. На принимающей стороне восстанавливается стандартный видеоформат для воспроизведения полученного сигнала на мониторе.
Ограничения по расстоянию передачи аналоговых и цифровых видео- и аудиосигна-лов можно свести в таблицу.
Поскольку аудиосигналы имеют сравнительно небольшую ширину спектра, то для них проблемы высокочастотного затухания сигнала в линии не имеют существенного значе-ния, поэтому для них, в принципе, можно использовать и старые дешевые кабели витой пары категории 3.
Кабели для передачи цифрового сигнала с интерфейсами DVI и IEEE 1394, в принци-пе, по своей конструкции мало отличаются от кабелей витой пары, поэтому они также вклю-чены в таблицу. Однако передача цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми имеет ряд существенных особенностей. Высокая помехоустойчивость достигается за счет применения особых технологий кодирования сигнала, например, технологии T.D.M.S. в DVI.
