Какие проблемы стояли перед телефонными компаниями в конце XIX века и как в результате их решения мы получили возможность пользоваться интернетом? Расскажем о простом, но в то же время гениальном изобретении, которое сделало возможным прорыв в системах передачи данных – начиная от телефонии и заканчивая современным высокоскоростным интернетом.
С чего всё началось…
Во второй половине XIX века для телеграфов, а затем и для телефонных линий использовались прямые провода, проложенные параллельно по опорам. Но при бурном техническом прогрессе появлялось всё больше и потребителей электроэнергии, и абонентов телефонных сетей. Соответственно, приходилось протягивать больше кабельных линий.
Как известно, при протекании электрического тока через проводник возникает магнитное поле, а если проводник поместить в изменяющееся магнитное поле, то через него потечёт ток. Именно поэтому токи в силовых кабелях наводят помехи в сигнальных линиях, если они расположены рядом. То же самое происходит, если рядом расположено много сигнальных линий — они создают помехи друг для друга и искажают сигналы. Если помех слишком много, то передача сигнала становится и вовсе невозможной — принимающее устройство просто не поймёт, что ему было передано.
Конечно, инженеры начали искать решение проблемы. В конце XIX века посчитали, что лучший метод борьбы с помехами – транспозиция. И через каждые несколько опор меняли местами два сигнальных провода.
Иное решение предложил в 1881 году Александр Белл. Он запатентовал новый вид кабеля, который состоял из одной или нескольких пар изолированных друг от друга жил, причем жилы каждой пары скручивались между собой. Так и появился прообраз современных витопарных кабелей.
Зачем делить кабель связи на два?
Есть два основных способа передавать любой электрический сигнал — по одному проводу относительно земли или какой-либо точки с условно нулевым потенциалом, либо по двум проводам, не привязываясь к общим точкам.
При передаче сигнала по двум проводам каждому положительному сигналу в одной жиле соответствует отрицательный сигнал в другой жиле, это называют дифференциальным сигналом.
Так как на проводах в паре напряжения сигналов противоположны, а токи текут в разные стороны, то и электромагнитные поля, порождённые током в каждой из жил, компенсируют друг друга. И даже если возникают помехи, они наводятся на обоих проводах так, что сигнал практически не искажается. Тогда как при передаче несимметричного сигнала помеха может привести к «ложным» единицам и нулям при передаче, что вы и можете видеть на рисунке:
А зачем скручивать жилы?
Дифференциальный сигнал полностью проблему с помехами не решает. Если передавать его с помощью кабеля с параллельно уложенными жилами, то положительного эффекта не будет. Дело в том, что в такой конструкции кабеля невозможно обеспечить одинаковое расстояние между жилами каждой из пар. Для улучшения связи между жилами их скручивают, причем шаг скрутки проводников обязательно должен быть одним и тем же по всей длине кабеля – не может быть такого, что в начале жилы скручены с шагом в 1 см, в середине кабеля шаг 5 см, а на конце – 0,5 см.
Равномерная скрутка будет работать, если в кабеле одна пара жил. Но представим, что в кабеле несколько пар, тогда сразу появляется ещё одна проблема — перекрёстные помехи или просто наводки помех одной парой на другую. Чтобы скрученные пары одного кабеля меньше влияли друг на друга, каждую пару жил скручивают с разным шагом, подобное решение используется в витой паре категории 5 и выше.
Сигнал же цифровой, а он помех не боится…
Зачем вообще думать о помехах, ведь цифровой сигнал их не боится? Действительно, цифровой сигнал по сравнению с аналоговым гораздо более устойчив к помехам. Но есть нюанс – в аналоговых линиях передаётся сигнал относительно низкой частоты, например, частота звукового сигнала лежит в слышимом диапазоне – до 20 кГц. Но частота сигнала в интернет-кабеле находится в диапазоне от 100 до 1000 МГц.
Чем больше частота сигнала, тем сложнее его передавать, так как он становится более уязвим к помехам, качеству монтажа, кабеля, разъёмов и сопутствующего оборудования. Конечно, можно использовать меньшие частоты, но тогда снизится скорость передачи данных. Таким образом, помехи снижают пропускную способность линии.
Чтобы снизить количество помех, в кабелях витая пара не просто скручивают жилы разных пар. Также применяют экранирование фольгой или добавляют как общий для всех жил экран из оплетки медными лужеными жилами, так и индивидуальный экран на каждой паре (в кабелях категории 7, 7а).
Кстати, чем выше категория кабеля, тем больше частота сигнала, соответственно, растет скорость его передачи. Подробнее смотрите в таблице ниже.
Применение витой пары различных категорий
Витая пара CCS, CCA или Cu – в чем разница?
Кабель витая пара обычно маркируется как Cu, CCS или CCA. Давайте разберемся, что это значит и какой кабель лучше покупать!
Проводимость токопроводящих жил зависит от металла, из которого они изготовлены. Как известно, медь – это оптимальный материал для использования в кабелях, у неё отличная электропроводность, эластичность, теплопроводность, устойчивость к коррозии. Для изготовления кабелей важно выбирать наиболее чистую медь, с содержанием примесей не более 0,01 %.
Но при протекании переменного тока высокой частоты в проводнике возникает поверхностный эффект, он же скин-эффект. Чем больше частота тока, тем больше этот эффект выражен — плотность тока ближе к центру проводника уменьшается, электроны перемещаются к поверхности. При дальнейшем увеличении частоты основная часть носителей заряда концентрируется у поверхности токопроводящей жилы.
На рисунке выше условно показано распределение электронов в проводнике при постоянном токе (DC), переменном токе небольшой частоты F1 и высокой частоты F2. В последнем случае высокочастотный ток протекает как бы по стенкам проводника, а не по всему сечению жилы.
В витой паре жилы свиваются попарно, при этом ток в них направлен встречно. Из-за этого появляется ещё одна проблема — эффект близости, при котором электроны притягиваются к той стороне жилы, которая ближе к соседнему проводнику.
Следовательно, площадь сечения токопроводящей жилы, по которой двигаются электроны, становится ещё меньше. Кстати, эффект близости тоже зависит от частоты и проявляется тем сильнее, чем она выше.
Зачем платить больше, если можно сэкономить?
А теперь давайте подумаем: по витой паре передаются высокочастотные сигналы (от 100 до 1000 МГц). Соответственно, ток в ней протекает не по всему сечению жилы, а только по поверхности.
Если середина жилы фактически не используется, зачем делать её медной? Ведь можно изготовить жилу из другого материала, а на поверхность нанести любым удобным способом тонкий слой меди, как позолоту на бижутерию?
Подумали – сделали! Так появились кабели с омеднёнными жилами из алюминия или стали (биметаллические). Материал токопроводящей жилы отражается в маркировке витых пар:
- Cu — чистая медь.
- CCS — Copper Clad Steel или покрытая медью сталь.
- CCA — Copper Сlad Aluminum или покрытый медью алюминий.
Такая продукция дешевле и весит меньше, а ток проводит так же, как и медная. Казалось бы, хорошее решение! Но это не совсем верно…
Подводные камни омеднённых жил
Вы знаете, как работают контакты стандартных пластиковых штекеров 8P8C? Рабочей частью они прижимаются к ответным контактам разъёма, а на оболочке кабеля держатся фиксатором, сами же контакты заострённым концом врезаются сквозь изоляцию в жилу.
Практически на всех штекерах и разъёмах контакты медные. В результате при обжиме медной витой пары получается хорошее соединение между контактом разъёма и жилой.
Но при обжиме CCA-витой пары из-за мягкости алюминия контакт разъёма чрезмерно сдавливает жилу и образуются зазоры, возможны трещины. Более того, образуется гальваническая пара, из-за чего при протекании электрического тока металлы окисляются и разрушаются. В CCS-кабеле, наоборот, из-за твёрдости стали медный контакт не может погрузиться в жилу на нужную глубину, то есть такая витая пара не обжимается до конца.
В обоих случаях получается плохое соединение, у которого со временем повышается контактное сопротивление и вероятна потеря контакта как такового. В результате это приводит к непредсказуемому изменению параметров, неустойчивой работе как конкретных линий, так и системы в целом.
Именно поэтому ответственные производители предлагают витую пару из чистой меди. Например, в LAN-кабелях ITK используется электротехническая медь с чистотой 99,99 % (то есть примесей в ней не больше 0,01 %).
Кстати
А вы знаете, витая пара какой торговой марки является самой распространенной в России? Агентство DISCOVERY Research Group, являющееся партнером РИА «РосБизнесКонсалтинг» (rbc.ru), опубликовало результаты исследования российского рынка LAN-кабеля (витая пара). Согласно расчетам аналитиков DISCOVERY Research Group, объем рынка LAN-кабеля в России в 2019 г. составил 570 330 км. На рынке кабеля в России в 2019 году в натуральном выражении лидировала продукция ТМ ITK, также на рынке присутствовал кабель витая пара NETLAN, SKYNET, SUPRLAN и других торговых марок.
Хочется узнать больше о витой паре ITK? Переходите на наш сайт!