Характеристическое полное (волновое) сопротивление

Под волновым или характеристическим полным сопротивлением длинной линии (а в терминах стандарта это — канал или стационарная линия), Z_c (Characteristic impedance), понимается величина, выражаемая соотношением:

(3.4)

где Z₀, Ом/м; Y₀, См/м — комплексные сопротивление и проводимость линии, r₀, Ом/м - суммарное сопротивление прямого и обратного проводников,

L ₀, Гн/м — индуктивность петли прямого и обратного проводников,

g ₀ - См/м — проводимость изоляции между проводниками,

С ₀, Ф/м — емкость между проводами,

|Z₀|, Ом — модуль характеристического полного сопротивления,

⍵, рад/с — круговая частота,

Ɵ — аргумент характеристического полного сопротивления,

j — мнимая единица.

Отметим, что при ⍵—>0, Zc—>, а при ⍵—>∞: Zc —> (3.5)

В соответствии с требованиями стандарта ISO/IEC 11801 каналы классов D, Е и F должны иметь номинальное значение волнового сопротивления 100 ± 15Ом. Для каналов классов А, В и С предпочтительным является значение 100 Ом, но допускается и значение 120 ± 15 Ом. Допускавшееся ранее значение 150 Ом исключено в действующей редакции стандарта.

3.4.2 Возвратные потери (Return Loss)

Возвратные потери канала или линии RL (Return Loss), характеризуют степень однородности их волнового сопротивления Z по длине и степень согласованности его с полным сопротивлением нагрузки Z_H в определенном частотном интервале. При подаче на вход линии или канала импульса напряжения с амплитудой U₀ в случае несогласованности нагрузки, Z_H, или наличия неоднородности за счет производственных и эксплуатационных дефектов кабеля или несогласованности элементов тракта в них возникает отраженный импульс, распространяющийся в обратном направлении. Этот эффект иллюстрируется на рис. 3.8. Возвратные потери RL определяются из соотношения:

RL = 20*Lg(|U_RL|/|U₀|) (3.6)

3.4.3 Потери ввода (Insertion Loss)

Уменьшение амплитуды импульсов на выходе канала или линии возникает из-за джоулевых потерь в проводнике и изоляции, а также из-за отражений на неоднородностях - скачках волнового сопротивления. Этот эффект, иллюстрируемый рис. 3.8, проявляется в том, что при подаче на вход тракта импульса напряжения с некоторой амплитудой на ее выходе появляется импульс с меньшей амплитудой.

Рис. 3.8. Уменьшение амплитуды импульса в тракте

Численно этот эффект характеризуется параметром, носящим название потери ввода (insertion loss), и который определяется из соотношения:

IL = 20*Lg(|U_IL|/|U₀|) (3.7)

где - U _IL — амплитуда импульса напряжения на выходе линии, U ₀ — амплитуда импульса напряжения на входе линии.

Ранее в стандарте использовался термин «затухание» A (Attenuation), однако он отражает лишь одну причину уменьшения амплитуды импульса — джоулевы потери, ничего не сообщая о другой — об отражении сигнала на неоднородностях волнового сопротивления тракта. Параметр потери ввода IL полнее характеризует эти свойства тракта и, в конечном итоге, именно он влияет на работу. Параметр IL нормируется для всех классов и, в принципе, должен измеряться на обоих концах тракта. Интересно заметить, что это особенно необходимо в волоконно-оптических трактах, где всегда измерялись именно потери ввода и именно при противоположных направлениях распространения света.

3.4.4 Переходное затухание на ближнем конце

Переходное затухание на ближнем конце (Near End Cross Talk Loss или NEXT, где в английской аббревиатуре значок X означает «крест», т. е. по-английски "cross") характеризует восприимчивость линии (пары) к помехам, обусловленным существованием сигналов в соседних линиях (парах).

Эффект переходного затухания проявляется в том, что при подаче импульса на вход одной пары, на входе другой пары на этом же конце кабеля также появляется импульс. Эффект иллюстрируется на рис 3.8.

Рис. 3.9. Перекрестные помехи в кабелях на витых парах

Параметр NEXT характеризует влияние разных проводов в кабеле друг на друга. Сигнал, передаваемый по одной из витых пар кабеля (верхняя пара), наводит индуктивную помеху на другую (нижнюю) витую пару кабеля

Переходное затухание на ближнем конце, NEXT, определяется из соотношения:

NEXT = 20 Lg(U_NEXT/U₀) (3.8)

где U_NEXT — амплитуда импульса, наведенного на входе пары, U ₀ — амплитуда импульса, передаваемого по соседней паре.

Снова заметим, что значения логарифма в (3.4) всегда отрицательны, т. к. всегда U_NEXT < U ₀. В идеальном случае U_NEXT = 0 и NEXT_ид= -∞

Параметр NEXT специфицирован для всех классов и должен измеряться на обоих концах тракта. Параметр NEXT не зависит от длины кабелей, он определяется только конкретным взаимным влиянием пар.

Согласно стандарта ISO/IEC 11801 значения NEXT(по модулю) для стационарной линии класса D (UTP 5 cat.) на частотах 100Мгц. равно 32,3дб.

В таблице 3.2 представлены значения допустимой перекрестной наводки на ближнем конце для кабелей категорий 3, 4 и 5 на различных частотах сигнала. Естественно, более качественные кабели обеспечивают меньшую величину перекрестной наводки.

Таблица 3.2. Допустимые уровни перекрестных наводок NEXT

Частота, МГц	Перекрестная наводка на ближнем конце, дБ
Категория 3	Категория 4	Категория 5
0,150	- 54	-68	-74
0,772	-43	-58	-64
1,0	-41	-56	-62
4,0	-32	-47	-53
8,0	-28	-42	-48
10,0	-26	-41	-47
16,0	-23	-38	-44
20,0	—	-36	-42
25,0	—	—	-41
31,25	—	—	-40
62,5	—	—	-35
100,0	—	—	-32

Две витые пары в сети обычно передают информацию в разные стороны, поэтому наиболее важна наводка на ближнем конце воспринимающей пары (нижней на рисунке), так как именно там находится приемник информации.

3.4.5 «Суммарное» переходное затухание на ближнем конце PSNEX.

«Суммарное» переходное затухание на ближнем конце PSNEXT (Power Sum NEXT или PSNEXT) — это параметр, который характеризует наводку на одной паре от всех остальных пар, работающих одновременно. Параметр PSNEXT вычисляется (не измеряется непосредственно!) по измеренным значениям параметра NEXT для каждого сочетания пар по формуле:

(3.9)

где n — число пар, PSNEXT (k) — параметр «возмущаемой» пары k, NEXT(i, k) — параметр NEXT для «возмущаемой» пары k и «возмущающей» пары i.

Параметры PSNЕХТ специфицированы только для классов D, Е, F (для категорий кабеля UTP 5,6 и 7) и должны измеряться на обоих концах тракта.

В табл. 3.3 приведены минимально допустимые стандартом ISO/IEC 11801: 2002(E) значения PSNEXT (по модулю) на граничных частотах классов (в формате «стационарная линия»).

Таблица 3.3. Минимально допускаемые стандартом ISO/IEC 11801.2002(E) значения PSNEXT для стационарной линии на граничных частотах классов D, Е и F

Частота,	Минимально допускаемые значения PSNEXT, дБ
МГц	Класс D (UTP 5 cat)	Класс Е (UTP 6 cat)	Класс F(UTP 7 cat)
	57,0	62,0	62,0
	42,2	52,2	62,0
	29,3	39,3	62,0
	-	32,7	57,4
	-	-	51,7

Если для всех пар канала или стационарной линии параметр NEXT удовлетворяет требованиям стандарта, но близок к допустимым пределам, то может оказаться, что такой тракт не будет удовлетворять требованиям стандарта по параметру PSNEXT.

3.4.6 Переходное затухание на дальнем конце (FEXT) и его «суммарное» значение (PSFEXT)

Воздействие одной пары на другую сказывается не только на ближнем, дальнем конце. Это явление иллюстрируется на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Переходное затухание на дальнем конце тракта передачи сигнала

Его принято характеризовать как переходное затухание на дальнем конце FEXT (Far End Cross Talk или FEXT), и определять из соотношения:

FEXT = 20 Lg(U_FEXT/U₀) (3.10)

Параметр FEXT, как правило, сам по себе не измеряется в «полевых» условиях на инсталлированной линии, но используется для определения других параметров тракта на дальнем конце.

«Суммарное» значение этого параметра, PSFEXT, учитывает взаимное влияние всех пар на одну при их одновременной работе и вычисляется по формуле:

(3.11)

где n — число пар, PSFEXT (k) — «суммарный» параметр «возмущаемой» пары k, i — номер «возмущающей» пары, k— номер «возмущаемой» пары, FEXT(i, k) — параметр FEXT, обусловленный воздействием пары i на пару k.

На практике FEXT и PSFEXT не имеет такого большого значения, как NEXT.

3.4.7 Нормированное на потери ввода переходное затухание на ближнем конце (ACR)

Соотношение затухания и переходного затухания на ближнем конце (Attenuation to Crosstalk Ratio, ACR) характеризует отношение «сигнал/помеха» на приемном конце линии. При этом «сигналом» считается только пришедший по линии и ослабленный за счет затухания и отражения в линии импульс, а «помехой» — только импульс, наведенный от соседней линии при условии, что она передает такой же по амплитуде импульс, как и предыдущая, но в противоположном направлении.

Этот параметр нельзя путать с общепринятым параметром «сигнал/шум» (Signal to Noise Ratio, SNR) или с отношением «сигнал/перекрестная помеха» (Signal to Crosstalk Ratio, SCR). Параметры SNR и SCR подразумевают уровни передаваемого и принимаемого сигналов в прикладной аппаратуре, а кроме того, и многочисленные другие источники помех, шумов и наводок. Естественно, что все три параметра ACR, SNR и SCR «идейно» связаны друг с другом.

Эффект одновременного влияния на качество линии обоих параметров: затухания, А, и переходного затухания на ближнем конце NEXT иллюстрирует рис. 3.9, на котором изображены их частотные зависимости.

Области значений параметров А и NEXT, допускаемых стандартом, заштрихованы, а предельно допускаемые стандартом значения А. и NEXT на некоторой частоте f_i, равны (в масштабе) длинам отрезков, соответственно обозначенных на рис. 3.11. Из рис. 3.11 видно, что если установлены максимально возможное А - и минимально возможное NEXT, то тем самым установлена минимально возможная длина отрезка ACR. Не заштрихованная область на рис. 3.11 показывает минимально допустимые длины отрезков ACR во всем частотном диапазоне. Таким образом, параметр ACR есть разность параметров NEXT и A. (|NEXT| и |A| абсолютные величины).

ACR = -|A|-(-|NEXT|)=|NEXT|-|A|, (3.12)

Рис 3.9. Качественные зависимости параметров А и NEXT от частоты для тракта передачи сигналов в СКС

Параметр специфицируется только для классов D, Е, F и измеряется на обоих концах тракта.

В табл. 3.4 приведены минимально допустимые стандартом ISO/IEC 11801значения ACR для стационарной линии (в формате «стационарная линия»).

Таблица 3.3. Минимально допустимые стандартом ISO/IEC 1 1801.2002(E) значения ACR, дБ, для канала и стационарной линии классов D, Е, F на граничных частотах классов (в формате «стационарная линия»)

Частота, МГц	Минимально допускаемые значения ACR, дБ
Класс D(UTP 5cat.)	Класс Е(UTP 5cat.)	Класс F (UTP 5cat.)
	56,0	61,0	61,0
	37,5	47,5	58,1
	11,9	23,3	47,3
		-4,7	31,6
			-8,1

Обращает на себя внимание также изменение знака ACR в канале для классов Е и F на верхних граничных частотах. Оно означает, что на указанных высоких частотах при одновременной работе всех пар трудно избавиться от их взаимного влияния и соответствующая аппаратура должна работать при отношениях «сигнал/помеха», меньших единицы.

На практике, при заданной длине конкретного кабеля и определенном числе конкретных соединений в тракте, нет реальных возможностей повлиять на параметр A поэтому приемлемых значений ACR можно добиться, только улучшая параметр NEXT. Последнее достигается улучшением качества монтажа витых пар и, конкретно, минимизацией длины их расплетение на соединительных устройствах.