Parametry okablowania

W teletransmisji mierzymy parametry fizyczne toru transmisyjnego. W okablowaniu strukturalnym tor transmisyjny składa się z jednego lub wielu – połączonych ze sobą – odcinków skręconych par przewodów oraz złączy. Podczas testowania okablowania mierzymy parametry torów, które możemy podzielić na trzy kategorie:

1. Parametry mechaniczne

• Poprawność podłączenia przewodów (mapa połączeń).
• Długości torów transmisyjnych (l [m]).

2. Parametry propagacyjne

• Opóźnienie propagacji (tp [ns]).
• Błąd opóźnienia (Δtp [ns]).
• Stałoprądowa oporność pętli (Rp [Ω]).
• Tłumienie (ATTN [dB]).
• Impedancja charakterystyczna i/lub straty odbiciowe (Zo [Ω] i/lub RL [dB]).

3. Parametry kompatybilności elektromagnetycznej

• Wielkości opisujące zjawisko przesłuchów:
  • NEXT [dB]),
  • PSNEXT [dB],
  • ELFEXT [dB],
  • PSELFEXT [dB].
• Straty zakłóceń współbieżnych (LCL [dB]) – miara zrównoważenia toru.
• Straty zakłóceń współbieżnych w stosunku do sygnału różnicowego (LCTL [dB]) – miara zrównoważenia toru.
• Tłumienie sprzężeniowe (ac [dB]) – miara skuteczności ekranowania.
• Impedancja sprzężeniowa (Zt [Ω/m] – miara skuteczności ekranowania.

Łącze i kanał

Model okablowania poziomego - skręcone pary miedziane

W zaleceniu ISO 11801 zdefiniowane są pojęcia łącza (link) i kanału (channel). Łącze jest podstawowym elementem okablowania strukturalnego. Obejmuje odcinek „poziomego” kabla zakończony złączami. Z jednej strony kabel jest zakończony w gniazdku telekomunikacyjnym, a z drugiej strony gniazdem krosownicy. Specyfikacja łącza nie obejmuje kabli przyłączeniowych i krosujących. Łącze jest obiektem testów określających klasę (kategorię) okablowania.

Ze względu na wykorzystywane techniki transmisji danych większe znaczenie ma specyfikacja kanału. Kanał obejmuje kompletny tor transmisyjny od interfejsu do interfejsu urządzeń aktywnych (komputery, huby, mosty, rutery). W okablowaniu wyróżniamy złącza i kable. Ich parametry służą do określenia kategorii danego produktu. Właściwości kabli, złącz, łącza i kanału można opisać przez te same parametry. Różne są wymagania dotyczące granicznych wartości tych parametrów. Najostrzejsze wymagania dotyczą kabli i złącz. Kategoria okablowania jest zależna od właściwości łączy. Parametry kanału decydują o klasie stosowanej aplikacji. Utworzenie kanałów transmisyjnych wymaga zainstalowania urządzeń, dołączenia kabli krosujących i przyłączeniowych. Zazwyczaj powoduje to pogorszenie parametrów elektrycznych systemu.

Model okablowania poziomego - kabel światłowodwy

Uwagi do okablowania wykonanego zgodnie z klasą D (kat 5, 5e):

• pogorszenie parametrów na ogół nie przeszkadza w sieciach o małych i średnich prędkościach transmisji (telefonia, Ethernet, Token Ring, ATM 25);
• weryfikacja parametrów kanału jest przydatna przy dużych prędkościach transmisji (Fast Ethernet);
• jakość kanału jest krytyczna dla dużych prędkości transmisji w systemach zajmujących całe dostępne pasmo 100 MHz częstotliwości (TPPMD, ATM 155), często zwielokrotnione przez transmisję jednocześnie we wszystkich parach kabla;
• nowe systemy transmisyjne, zdefiniowane dla okablowania klasy D o bardzo dużych prędkościach (Gigabit Ethernet, ATM 625), wymagają kanałów o podwyższonej jakości w stosunku do dotychczas obowiązujących wymagań standardu okablowania klasy D (kat 5).

Poprawność połączenia przewodów

Gniazdo stosowane w okablowaniu strukturalnym

Konstrukcja kabli UTP, FTP (ScTP), STP

Wspólną cechą okablowania strukturalnego klas od A do E jest zunifikowane przyłącze do sieci, którym jest 8-stykowe modularne gniazdo zgodne ze specyfikacją IEC 603-7 oraz TSB568A. W okablowaniu strukturalnym klas od A do E można zastosować kable nieekranowane UTP, foliowane FTP lub ekranowane STP odpowiedniej kategorii. Dla klasy E komponenty muszą spełniać wymagania kategorii 6. W klasie F stosujemy wyłącznie kable ekranowane STP kategorii 7.

Sprawdzenie poprawności połączenia przewodów pozwala na wykrycie błędów powstałych w czasie instalacji lub wynikających z zastosowania złych kabli przyłączeniowych.

Typowe błedy w połączeniach

W ramach testów tworzona jest mapa połączeń, w której odwzorowany jest rzeczywisty przebieg przewodów pomiędzy złączami badanego kanału. Przeprowadzenie testu wymaga podłączenia przyrządów z obydwu stron kanału. Poprawna mapa połączeń zawiera jedynie połączenia na wprost. W trakcie testów wykrywane są następujące błędy:

• nieciągłość łącza,
• zwarcia,
• pary odwrócone,
• pary skrzyżowane,
• pary podzielone.

Poprawnie zrealizowane połączenie

Mapę połączeń możemy utworzyć badając za pomocą źródła napięcia i woltomierza wszystkie możliwe kombinacje połączeń pomiędzy złączami i na każdym ze złączy. W razie wystąpienia nieciągłości lub zwarcia możemy z dużym przybliżeniem określić miejsce awarii, wykorzystując reflektometr. Reflektometr pozwala na pomiar odległości od gniazda do miejsca uszkodzenia kabla. W okablowaniu typu FTP lub STP należy sprawdzić ciągłość ekranu. Zgodnie z normą ISO 11801 ekran musi zachować ciągłość na całej długości kanału, oznacza to, że jeżeli okablowanie jest ekranowane, to kable przyłączeniowe i krosownicze muszą zapewnić ciągłość ekranu.

Długość toru transmisyjnego

Podstawą pomiaru parametrów okablowania jest znajomość długości torów transmisyjnych. Typowy kabel składa się z czterech par skręconych przewodów umieszczonych w oprawie zapewniającej odpowiednie parametry wytrzymałościowe. Każda para przewodów ma inny skok skrętu, co prowadzi do powstawania różnic w długości torów transmisyjnych. Dodatkowo pary przewodów są ze sobą skręcone, co powoduje, że długość torów jest większa od długości kabla. Oznacza to, że pomiar, polegający na porównaniu ze wzorcem (np. z taśmą mierniczą), nie pozwala na dokładne wyznaczenie długości poszczególnych torów, a po zainstalowaniu kabli zazwyczaj nie mamy do nich potrzebnego dostępu. Najczęściej pomiar długości realizowany jest metodą pośrednią, polegającą na pomiarze czasu transmisji impulsu elektrycznego przenoszonego w badanym torze.

Pormiar opóźnienia i długości toru

Istotnym problemem jest fakt, że prędkość propagacji impulsu w kablu jest zależna od jego konstrukcji. W typowych kablach prędkość propagacji impulsu elektrycznego może stanowić od 0,6 do 0,9 prędkości światła (c = 300 000 km/s). Co oznacza, że impuls elektryczny w kablu przesunie się o jeden metr w czasie od 5,5 do 3,7 ns (miliardowej części sekundy). Przed przystąpieniem do pomiaru musimy znać nominalną prędkość propagacji impulsu elektrycznego w kablu. Parametr ten, nazywany NVP (Nominal Velocity of Propagation) i podawany jako ułamek dziesiętny lub wartość procentowa, pozwala na określenie prędkości impulsu w stosunku do prędkości światła. Na przykład NVP = 0,74 oznacza, że prędkość impulsu w kablu Vf wynosi 0,74c (Vf = 222 000 km/s). W tym przypadku impuls elektryczny będzie potrzebował ok… 4,5 ns na przebycie 1 m, przejście przez tor o długości 100 m zajmie więc ok… 450 ns.

Do pomiaru czasu propagacji impulsów w torze transmisyjnym wykorzystujemy zazwyczaj technikę pomiaru sygnałów odbitych w dziedzinie czasu TDR (Time Domain Reflectometry). W technice tej wykorzystuje się zjawisko odbicia impulsu występujące na niejednorodnościach toru transmisyjnego. Pomiar jest przeprowadzany urządzeniem nazywanym reflektometrem. Reflektometr jest wyposażony w generator krótkich impulsów o stromych zboczach i rejestrator pozwalający na pomiar kształtu i przesunięcia w czasie impulsu nadawanego i odbieranego. Granicznym przypadkiem niejednorodności jest zwarcie lub rozwarcie toru. Pomiar przesunięcia w czasie pomiędzy impulsem nadawanym i odbitym pozwala na wyznaczenie długości toru lub odległości od miejsca uszkodzenia w torze. Dokładna analiza kształtu odbitego impulsu pozwala na wyznaczenie parametrów częstotliwościowych toru. Zazwyczaj analiza w dziedzinie czasu pozwala na wyznaczenie parametrów częstotliwościowych w zakresie do kilkuset megaherców. Maksymalna długość łącza nie może przekraczać 90 m. Typowa długość kanału dla większości technik transmisyjnych wynosi 100 m.

Opóźnienie (czas propagacji sygnału)

Opóźnienie (delay) jest czasem, w jakim impuls jest przenoszony z jednego końca toru na drugi. Opóźnienie jest proporcjonalne do współczynnika NVP. Przyjmuje się, że opóźnienie w kablu typu UTP wynosi około 5,7 ns na jeden metr długości. Parametr ten określa maksymalną długość połączeń w sieci LAN. Pomiar tego parametru jest zazwyczaj przeprowadzany reflektometrem. Opóźnienie może mieć różne wartości dla każdej z par w kablu.

Rozrzut opóźnienia

Rozrzut opóźnienia (delay skew) jest różnicą pomiędzy najmniejszym i największym opóźnieniem. Jest wyliczany na podstawie zmierzonych opóźnień dla każdej z par. Rozrzut opóźnienia wynika z różnic w długościach poszczególnych par. Parametr ten jest krytyczny dla systemów wykorzystujących wszystkie pary do jednoczesnej transmisji. Z sytuacją taką będziemy mieli do czynienia w przypadku realizacji połączeń Gigabit Ethernetu w okablowaniu kategorii 5. Sygnał podzielony na cztery strumienie zajmujące pasmo do 125 MHz (każdy) jest transmitowany jednocześnie w czterech parach kabla. Duże różnice opóźnienia pomiędzy parami mogą uniemożliwić poprawny odbiór i rekonstrukcję sygnału w odbiorniku.

Stałoprądowa oporność pętli

Pomiar stałoprądowej oporności w pętli

Oporność mierzy się na jednym końcu toru po zwarciu drugiego końca. W nowej edycji standardu ISO/IEC 11801 pojawiły się wymagania związane z zasilaniem terminali (np. Telefony IP) przez okablowanie strukturalne. Określono minimalną wartość prądu stałego, który może się pojawić w przewodach kabli stosowanych w okablowaniu strukturalnym.

Tłumienie

Tłumienie jest parametrem określającym straty sygnału w torze transmisyjnym. Wartość tłumienia podajemy w dB. W normach dotyczących okablowania strukturalnego wartości dopuszczalne definiuje się dla największej długości toru. W przypadku specyfikacji dla kanału odpowiada to 100 m. Nie definiuje się limitów dla wartości jednostkowych (np. Tłumienności) – oznacza to, że można zbudować okablowanie zgodne z normami, wykorzystując kable o małym tłumieniu na długich połączeniach, i gorsze – o dużym tłumieniu – na krótkich połączeniach.

Decybel (dB) jest podstawową jednostką używaną przez projektantów telekomunikacyjnych przy porównywaniu możliwości systemów okablowania. Tylko co to jest dB i jaką rzeczywistą korzyść daje nam margines kilku decybeli? Najpierw używany przy pomiarach intensywności dźwięku jest jednostką nazwaną tak na cześć Aleksandra Grahama Bella. Decybel jest dla inżynierów wygodną miarą pozwalającą na określenie stosunku napięcia lub mocy pomiędzy wejściem i wyjściem układu. Decybel jest zdefiniowany następująco:

Miara decybelowa pozwala wyrazić wielkości różniące się od siebie o wiele rzędów wartości w jednej skali. Na przykład wzrost o 3 dB oznacza podwojenie mocy, a o 20 dB oznacza 100-krotne zwiększenie mocy. Podwojenie napięcia odpowiada 6 dB, a 100-krotny wzrost napięcia wyrazimy przez 40 dB. Tłumienie ok. 36 dB oznacza 1000 {30 dB}x4{6 dB} = 4000 razy zmniejszoną moc sygnału. Dodatnie wartości decybeli oznaczają mnożnik większy od jedności, ujemne - mnożnik mniejszy od jedności. 0 dB oznacza stan stały (mnożnik równy 1). Decybelowa miara tłumnienia i wzmocnienia została powszechnie przyjęta z dwóch powodów: po pierwsze bardzo często stosujemy zapois wielkości w postaci potęgowej i po drugie 1 decybel odpowiada najmniejszej zmianie akustycznej, którą odczuwa ludzkie ucho. W praktyce spotyka się bardzo duży zakres stosunków mocy rzędu 10¹⁸, odpowiada to 180 dB.

Impedancja charakterystyczna (Zo)

Straty sygnału w torze określamy przez wartość tłumienia

Impedancja charakterystyczna jest parametrem ściśle związanym z geometrią kabla (grubość drutów, odległość pomiędzy nimi) i właściwościami dielektryka stanowiącego izolację w przewodach. Zmiana geometrii pary przewodów w funkcji długości kabla jest przyczyną powstawania zmian impedancji. Mówimy wtedy o niejednorodności toru. Dla sygnałów przenoszonych przez tor takie lokalne zmiany impedancji są miejscem, w którym odbita część sygnału wraca do źródła. Niedopasowanie impedancyjne do źródła sygnału powoduje odbicia już na wejściu do kabla. W okablowaniu strukturalnym spotykamy kable o impedancji charakterystycznej – 100, 120, 150 [W]. W nowych instalacjach stosuje się kable o impedancji charakterystycznej 100 [W]. Niedopuszczalne jest stosowanie kabli o różnych impedancjach charakterystycznych w jednym systemie okablowania.

Straty odbiciowe

Straty odbiciowe (Return Loss) są miarą uwzględniającą niedopasowanie impedancyjne i niejednorodności toru. Straty odbiciowe mówią, ile razy sygnał na wejściu do toru jest większy od sygnału odbitego od wejścia i niejednorodności toru. RL jest mierzony w dziedzinie częstotliwości i podaje się go w dB. Pomiar RL jest realizowany przy użyciu elementu mającego właściwość odróżniania kierunku propagacji sygnału. Mała wartość RL oznacza, że duża część sygnału wraca do źródła (są wtedy wymagane systemy kompensacji echa). Idealne dopasowanie oznaczałoby wartość RL dążącą do nieskończoności. W praktyce RL nie przekracza 50 dB, a wartości powyżej 20 dB oznaczają pomijalnie małe straty odbiciowe. RL=0 dB oznacza, że mamy do czynienia ze zwarciem lub rozwarciem toru. Dla okablowania strukturalnego definiuje się minimalną wartość strat odbiciowych od częstotliwości 4 MHz.

Przesłuchy

Przesłuchem nazywamy zjawisko przenikania sygnału pomiędzy sąsiadującymi w kablu parami przewodów. Zbyt duże przesłuchy są podstawową przyczyną zakłóceń komunikacji w sieci. W latach 1998 i 1999, specyfikacja ISO 11801 została rozszerzona o wymagania na trzy dodatkowe parametry związane z przesłuchami. Przesłuchy są obecnie określane przez cztery parametry: NEXT, PS NEXT, EL FEXT, PS ELFEXT.

Współczynnik NEXT (Near-End Crosstalk) jest mierzony jako stosunek amplitudy napięcia testowego do napięcia wyindukowanego w sąsiedniej parze. Napięcia obydwu sygnałów są zazwyczaj wyrażone jako wartość względna (poziom sygnału) podana w decybelach (dB). Różnica wartości poziomów sygnałów jest miarą parametru NEXT. Duża wartość NEXT oznacza występowanie małych przesłuchów. Generowanie sygnału testowego i pomiar napięcia są realizowane z tego samego końca kabla. Mała wartość NEXT stanowi najważniejsze ograniczenie dla zwiększenia przepustowości sieci.

PS NEXT (Power Sum Near-End Crosstalk). W przypadku systemów wykorzystujących więcej niż dwie pary kabli w czasie transmisji występuje zjawisko sumowania się zakłóceń od wielu par. Zakłada się, że zakłócenia od sąsiednich par nie są ze sobą skorelowane.

Współczynnik EL FEXT (Equal Level Far-End Crosstalk) jest nowym parametrem pozwalającym ocenić przydatność sieci dla nowych technik transmisyjnych, wykorzystujących te same pary kanałów w dwóch kierunkach jednocześnie. EL FEXT jest mierzony podobnie jak NEXT, lecz poziom sygnału jest mierzony na końcu toru odległym od generatora. Sygnał, który dochodzi do końca toru, ma poziom zmniejszony ze względu na tłumienie toru. Aby poprawnie wyznaczyć przesłuchy, zwiększa się poziom mierzonych zakłóceń o wartość tłumienia toru.

Współczynnik PS EL FEXT (PowerSum Equal Level Far-End Crosstalk) pozwala ocenić przydatność sieci dla systemów transmisji wykorzystujących wieloparową transmisję w trybie dupleks.

Współczynnik ACR (attenuation to crosstalk ratio) jest różnicą pomiędzy NEXT i tłumieniem w dB. Wartość ACR wskazuje, jak amplituda sygnału odbieranego z odległego końca toru będzie zakłócana przez przesłuchy bliskie. Duża wartość ACR oznacza, że odbierany sygnał jest znacznie większy od zakłóceń.

Współczynnik PS ACR (PowerSum attenuation to crosstalk ratio) podaje te same informacje co ACR w sytuacji wieloparowej transmisji sygnału.