Что такое витая пара и для чего она нужна
Витая пара — один из основных видов кабелей, которые применяются в структурированных кабельных системах и локальных сетях. В этой статье мы расскажем, что такое витая пара, как снижаются помехи в сигнале и какой она, вообще, бывает!
Определение
Для организации локальных сетей и доступа к интернету используется кабель, который называется «витая пара». Кроме этого, его используют для организации структурированных кабельных систем (СКС).
Для начала разберемся с терминологией. В англоязычной литературе «витую пару» называют как t wisted- p air wire, что дословно переводится как: twisted – скрученный, pair – пара, wire – провод, проводник. Запомните это определение, так как оно пригодится для понимания маркировки изделий.
В отечественной нормативно-технической документации я не нашёл четкого определения для витой пары. Однако на кабели такой конструкции распространяются требования ГОСТ Р 54429-2011 «Кабели связи симметричные для цифровых систем передачи. Общие технические условия». Поэтому, опираясь на его разделы 1, 4 и 5, сформулируем определение:
Витая пара — это симметричный кабель связи, используемый в сетях широкополосного доступа (ШПД) или структурированных кабельных сетях (СКС) в частотном диапазоне до 1000 МГц при рабочем напряжении до 145 вольт.
Симметричный кабель связи — это кабель, который состоит из двух электрически и конструктивно одинаковых изолированных проводников.
Витая пара состоит из одной или нескольких пар проводников, изолированных друг от друга, скрученных между собой попарно (TP) и покрытых общей оболочкой. Жилы проводников могут быть многопроволочными или однопроволочными с диаметром от 0.5 до 0.65 мм (для СКС) или от 0,4 до 0,8 мм (для ШПД).
В зависимости от конструкции витая пара может быть с экраном из фольги, проволочной оплётки или без экрана.
Определение получилось довольно ёмким, поэтому предлагаю разобрать его подробнее.
Почему она витая
Чтобы понять, почему витая пара витая, а не прямая, нужно вернуться больше чем на 100 лет назад. В 1876 году Александр Белл получил патент на телефон. Первые телефонные сети использовали телеграфные линии, но в тоже время в городах появились первые трамваи, из-за которых возникли помехи в этих линиях.
Для борьбы с помехами инженеры решили менять местами телеграфные провода на опорах через определённое расстояние — это называется транспозицией. Решение снизило количество помех, и так появился прообраз витой пары с шагом скрутки в несколько сотен метров. Но электротехника развивалась, линий электропередач становилось больше, и прокладывали их параллельно имеющимся линиям связи.
Из-за близости проводов связи к электрическим возрастало влияние электромагнитных полей, простыми словами – увеличилось количество шумов и помех в сигнале. Имеющегося метода борьбы с ними, транспозиции проводов через определенное число опор оказалось недостаточно. Поэтому нужно было другое решение, и в 1881 году Александр Белл изобрёл и запатентовал новый вид кабеля для телефонных сетей, который состоял из одной и более пар изолированных проводников, скрученных между собой. Это и есть витая пара.
Скручивание, помехи и сигнал
Благодаря тому, что проводники скручиваются, возрастает их связь друг с другом. В результате электромагнитные помехи одинаково влияют на оба провода одной пары. Эти помехи могут быть вызваны внешними источниками (проложенных рядом кабельных линий и прочего) и взаимными наводками от соседних пар в одном кабеле (перекрёстные помехи).
Но достаточно ли этого, чтобы эффективно избавиться от искажения и ухудшения сигнала?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно немного разобраться в том, как передаются электрические сигналы. Предлагаю пример, понятный для каждого электрика: управление нагрузкой с помощью реле.
Допустим, у нас есть какое-то реле, на катушку которого мы подаём управляющий сигнал. Так как реле в нашем примере обычное, переменного тока, с катушкой на 220В, то управляющим сигналом будет фаза. Эта фаза может приходить от любого источника сигнала — кнопки, которую нажимает оператор на пульте, датчика, другого реле, контроллера и прочих управляющих устройств (УУ).
Напряжение на катушке реле будет появляться (t1, t3) и исчезать (t0, t2), когда оператор нажимает и отпускает кнопку или когда его выдаёт управляющее устройство. Когда напряжение подаётся на катушку — реле включается, и его контакты замыкаются (или размыкаются).
Как известно, фаза – это проводник, на котором есть какой-то потенциал относительно другого провода. В нашем случае на фазе есть напряжение относительно нуля, а так как нейтраль в нашей электросети глухозаземлённая, то можно сказать, что на фазе есть напряжение относительно земли.
То есть сколько бы ни было у нас источников сигнала и реле (или входов у контроллера), все сигналы будут подаваться относительно нуля (земли). Аналогичным образом обстоит и передача многих видов цифровых сигналов в электронике, когда есть несколько сигнальных линий и один общий провод. Общий провод называют по-разному — нулём, массой, землёй, корпусом, латинскими буквами GND и так далее.
Так как сигнал передаётся с помощью напряжения, изменяющегося относительно какого-то фиксированного опорного потенциала (условного нуля) , этот способ передачи называется несимметричным .
Проблема передачи несимметричного сигнала состоит в том, что при воздействии на сигнальный проводник электромагнитных полей возникают помехи, которые могут приводить к ошибкам при передаче пакетов данных, ложным срабатываниям и сбоям в работе.
На рисунке ниже вы видите пример помех в цифровом сигнале, как вариант, в какой-нибудь электронной схеме с микроконтроллерами. Здесь помеха при логической единице может «просадить» напряжение ниже логического уровня, и принимающее устройство вместо единицы может распознать логический ноль. И наоборот, помеха при логическом нуле может создать одну или несколько «ложных» логических единиц. Содержимое пакета данных при этом исказится. В электрических схемах при подобных помехах возможно самопроизвольное включение или выключение коммутационных аппаратов или запуск программ контроллеров.
Вернёмся к нашей теме. В витой паре нет общих и сигнальных проводов, как описано выше, а по обоим проводам передаётся дифференциальный сигнал.
Дифференциальный или разностный сигнал – это способ передачи информации с помощью двух сигналов, находящихся в противофазе. Но, думаю, это определение не слишком понятное.
Начнём с фразы «… находящихся в противофазе» — это значит, что по одному проводу передаётся прямой сигнал, а по второму проводу — такой же сигнал, перевёрнутый (инвертированный) относительно нуля.
Любые цифровые сигналы могут принимать конечное число значений или уровней. В простом и самом распространенном случае для кодирования информации используется 2 уровня — логическая единица и логический ноль. Напряжения логической единицы бывают разными, типовые значения — 1.7, 3.3 5, 15 и более вольт, а напряжения логического нуля обычно, очевидно, близки к нулю.
Логический уровень – это какое-то напряжение, которое устройства системы однозначно воспринимают как 1 или 0.
Представим, что у нас есть цифровое устройство с логическими уровнями в 5 вольт. Если передавать такой сигнал несимметричным способом, то очевидно, что на сигнальном проводе у нас будут чередоваться 0 вольт и 5 вольт. А если использовать дифференциальный сигнал, то при логической единице на одном проводе будет +2.5 вольта, а на втором — -2.5 вольта. Разность потенциалов в этом случае будет: Uдиф = 2.5 — (-2.5) = 5 вольт. Поэтому дифференциальный сигнал и называют разностным.
Соответственно, при логическом нуле всё будет наоборот: на первом проводе -2.5, а на втором +2.5 вольта.
Примечание: синфазная составляющая в дифференциальном сигнале – это половина от суммы прямого и инвертированного сигнала: Uсин=(U1+U2)/2. В идеальном случае, когда U1 и U2 равны по фазе и по ампитуде, синфазная составляющая отсутствует (Uсин=0). На практике она появляется, например, когда длина проводников в дифференциальной паре различна из-за задержек распространения сигнала в среде. Например, если проводники в паре разной длины.
Если синфазная составляющая сигнала больше 0, амплитуда полезного дифференциального сигнала уменьшается. Говоря простым языком, при разной длине проводников пары сигнал ослабевает.
Так как проводники в паре скручиваются для улучшения связи между ними, то и источники помех действуют на оба провода одинаково. Поэтому величина и полярность наведенного в паре напряжения тоже будет одинаковой. А так как сигналы в обоих проводах исказились одинаково, то разница между ними осталась неизменной. То есть на принимающее устройство и сигнал в целом такая помеха никак не повлияет.
Для эффективной работы проводники одной пары скручивают с одинаковым шагом по всей длине .
Для дополнительной защиты от помех используется экран — общий и/или индивидуальный на каждой паре.
Кроме защиты от помех, созданных внешними источниками, скручивание проводников снижает и помехи внутри одного кабеля, наведенные одной парой на другую.
При протекании электрического тока через проводник возникает магнитное поле, которое наводит в соседних проводниках ЭДС. Таким образом оно создает помехи в них и ухудшает прохождение сигнала.
Так как в витой паре в обоих проводах у сигналов одинаковая амплитуда и они находятся в противофазе, имеют противоположную полярность, то и ток в них протекает в разных направлениях. Соответственно, электромагнитное поле, создаваемое током в каждом проводе сбалансированной пары, будет одинаковым по величине. Сигналы помех, наведенные этим полем, также будут находится в противофазе, иметь одинаковую амплитуду и компенсировать друг друга. Поэтому «идеальная» пара при передаче сигнала не наводит помехи на соседние пары.
Но в мире нет ничего «идеального», поэтому если в кабеле находится больше одной пары, то, чтобы снизить влияние перекрёстных помех (взаимные наводки соседних пар в одном кабеле друг на друга), разные пары скручивают с разным шагом.