Пропускная способность витой пары

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2013, www.kabel-news.ru

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÑÂßÇÈ

изический уровень современных инфор-
мационно-вычислительных систем реа-
лизуется преимущественно на провод-
ных каналах связи. В качестве их осно-

вы в подавляющем большинстве случаев берутся
симметричные и волоконно-оптические кабели, ра-
ботающие в составе структурированной кабельной
системы (СКС). Вполне возможно обращение к дру-
гим типам кабельных изделий (коаксиальные, три-
аксиальные и даже силовые кабели), но эта техника
из-за определённых особенностей, обсуждение ко-
торых выходит за рамки данной работы, имеет при-
менение исключительно в узких областях.

По состоянию на сегодняшний день в технике

СКС сложилось чёткое разделение областей приме-
нения симметричной и волоконно-оптической тех-
ники, дающее в результате наибольшую системную
эффективность. Основные постулаты в этой части
сводятся к тому, что линии на основе симметрич-
ного кабеля используются на нижних уровнях. Фо-
кусной областью применения волоконно-оптической
техники являются магистральные подсистемы всех
без исключения СКС, дополняемые линиями гори-
зонтальной подсистемы центров обработки данных
с протяжённостью свыше 50 м. Последнее связано
не с техническими ограничениями, а с достижением
максимальной энергоэффективности объекта.

В таких условиях актуальность симметричной

техники останется значительной по меньшей мере
до 2020 года, что требует к ней соответствующего
внимания, в т.ч. в области выполнения НИОКР.

ИСТОКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

В процессе разработки конструкции четырёх-

парного горизонтального кабеля в обязательном
порядке выполняется оценка обеспечиваемой им
скорости передачи данных. Эта процедура может
быть выполнена различными способами. Институт
инженеров электротехники и электроники (IEEE) для
решения этой задачи привлекает теорию Шеннона:
предельная пропускная способность W любого трак-

Пропускная способность
витой пары

Дмитрий ХВОСТОВ, генеральный директор ЗАО «СИМПЭК»,

Евгений ВИШНЯКОВ, Озерский филиал МИФИ, старший преподаватель,

Андрей СЕМЕНОВ, д.т.н., технический директор RiT Technologies в России

та передачи независимо от формы его реализации
составляет:

(1),

где:



F — полоса пропускания тракта с верхней f

и нижней f

граничными частотами;

и P

— мощности сигнала и шума соответ-

ственно.

В работе Клода Шеннона

это соотношение по-

лучено из общего выражения:

(2),

где: E

— энтропия смеси сигнала с шумом, Е

—

энтропия шума.

При записи выражения (2) использован факт

того, что f

<< f

Важным ограничением выражения (1) является

то, что помеха рассматривается как аддитивный га-
уссов белый шум. Кроме того, несложный теорети-
ческий анализ показывает, что для максимизации
пропускной способности реального канала связи
сам передаваемый по нему сигнал должен в макси-
мально полной степени обладать свойствами белого
шума.

Шумоподобные свойства сигнала, передаваемо-

го со скоростью 1 Гбит/с и выше по симметричным
кабельным трактам СКС, обеспечиваются соответ-
ствующим кодированием и применением скрембли-
рования на передающем конце (на приёме исходную
цифровую последовательность восстанавливает де-
скремблер).

Симметричные кабельные тракты СКС функцио-

нируют в режиме преобладающего влияния переход-
ной помехи без учёта тепловых шумов. На скоростях
40 и 100 Гбит/с, где это положение начинает нару-
шаться из-за высокого затухания в верхней части
спектра, «помеховое статус-кво» в реальных усло-

Shannon С. A mathematical theory of communication. Bell

system technology. J. — 1948. № 3, р. 379—423, № 4,
p. 623—656.

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2013, www.kabel-news.ru

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÑÂßÇÈ

виях восстанавливается ограничением предельной
протяжённости линии вплоть до 30—50 м против
100 м для менее быстродействующих систем. В та-
ких условиях с учётом обязательного привлечения
схемы параллельной передачи и некоррелирован-
ного характера сигналов в отдельных каналах сразу
же вытекают аддитивность и шумоподобность пере-
ходной помехи.

На входе приёмника сетевого интерфейса сигнал

и помеха значительно отличаются от белого шума.

Неравномерность спектра сигнала определяется

монотонным ростом затухания симметричного трак-
та по мере увеличения частоты с темпом f

, причём

близко к 0,5.

Шум также имеет «окрашенный» характер из-

за монотонного падения переходного затухания на
ближнем и дальнем концах с темпом f

, причём в

реальных условиях 0,75 <

< 1,5 с тенденцией уве-

личения по мере роста частоты. Разнонаправленный
характер изменения затухания и переходного зату-
хания делает бесполезным восстановление плоско-
го характера спектра сигнала на приёмном конце
за счёт предыскажения из-за опережающего роста
мощности переходной помехи.

Обычно неравномерность «сигнальной» и «шу-

мовой» составляющих ACR при теоретическом ана-
лизе учитывается применением интегральной фор-
мы записи соотношения Шеннона в виде:

(3),

где: S(

) и N(

) — спектральные плотности сигна-

ла и шума соответственно.

Степень ошибки от использования такой модели

в открытой литературе не указана. Аналогичным об-
разом неизвестны работы по обоснованию степени
близости распределения переходной помехи к нор-
мальному закону.

Серьёзным усложняющим фактором в процессе

анализа становится то, что кабель как таковой не
эксплуатируется в одиночку, а всегда работает в со-
ставе тракта. В последнем обязательно присутству-
ют разъёмные соединители. Установка соединителя
неизбежно приводит к появлению в тракте неодно-
родности в цепи распространения сигнала, степень
влияния которой на пропускную способность также
неизвестна.

Цель данной работы состоит в попытке экспери-

ментальной оценки величины той ошибки, которую
даёт отличие от теоретических ограничений выра-
жения (1).

Нельзя забывать также о том, что для оценки па-

раметров кабельного изделия в профильных отече-
ственных и зарубежных нормативных документах из
соображений поддержания преемственности с бо-
лее ранними подходами используется система ана-

логовых параметров. Между тем передача ведётся
в цифровой форме, что потенциально способно на-
ложить свой отпечаток на систему показателей ка-
чества функционирования проводной линии связи.
Данный аспект также затронут в этой работе.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В качестве тестирующего оборудования исполь-

зована цифровая измерительная система с эф-
фективной полосой пропускания приёмной части в
500 МГц. Объектом измерения выступал кабель ка-
тегории 5е класса F/UTP длиной 50 м.

Кабель категории 5е был выбран как наиболее

узкополосное стандартное современное изделие.
Аппаратура Ethernet на разных скоростях сохраня-
ет форматы кадров неизменными, а при скорости
1 Гбит/с и выше принципы формирования линей-
ного сигнала отличаются незначительно. С учётом
этого предполагается, что при переходе на более
высокие категории степень отклонения отдельных
компонентов смеси сигнала с помехой от получае-
мых в процессе экспериментов по крайней мере не
увеличится.

Обращение к 50-метровой длине объекта измере-

ний было обусловлено следующими соображениями.
С одной стороны, такая протяжённость даёт возмож-
ность подавить эффекты краевых взаимодействий
резонансного характера, возникающих из-за конце-
вых неоднородностей. Тем более что она позволя-
ет гарантированно устранить известный в технике
СКС эффект локального роста мощности переход-
ных шумов ближнего конца (т.н. проблема 15 м),
который значительно искажает результаты изме-
рений. С другой стороны, одновременно выбранная
протяжённость кабеля не настолько велика, чтобы
слишком сильно снизить мощность сигнала на его
выходе даже в самой высокочастотной части спек-
тра. Это позволяет практически исключить влияние

Рис. 1. «Остаточная» (после стрелки) переходная

помеха из-за концевых переотражений

Время, мкс

Сигнал А

О, В

0,12

0,08

0,04

-0,04

-0,08

-0,12

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2013, www.kabel-news.ru

на получаемые результаты тепловых шумов вход-
ных каскадов приёмника измерительной системы.

Кроме того, 50-метровая длина кабеля близка к

средней протяжённости стационарной линии (40 м)
офисных СКС, что дополнительно увеличивает цен-
ность получаемых результатов.

Выбор конструкции F/UTP целесообразен тем,

что общий экран кабеля снижал до приемлемого
предела степень искажения принимаемого сигнала
мощными источниками внешнего электромагнитно-
го излучения.

Витые пары кабеля на обоих концах нагружались

на согласующие резисторы. Неизбежное в реальных
условиях рассогласование волнового сопротивления
кабеля и входных схем интерфейсной части приёмо-
передатчика было в основном обусловлено паразит-
ной ёмкостью измерительных цепей (30—35 пФ).

Отсчёты входного воздействия и выходной реак-

ции сохранялись в памяти ПЭВМ. Ошибка собствен-
но измерений уменьшалась до приемлемой величи-
ны использованием накопления отсчётов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Ограниченный объём данной публикации не по-

зволяет привести весь объём экспериментальных
данных, поэтому опишем только наиболее интерес-
ные из них.

Рис. 1 свидетельствует о важности тщательного

согласования нагрузок. При нарушении этого усло-
вия возникает «остаточная» переходная помеха,
обусловленная многочисленными переотражениями
от сосредоточенных неоднородностей, и в первую
очередь от нагрузки. Её амплитуда сопоставима с
основным переходным шумом, т.е. оказывает зна-
чимое влияние на достоверность передачи.

На рис. 2 и 3 представлены нормированные эпю-

ры сигнала и переходной помехи ближнего и даль-
него концов. Их сравнение показывает заметные

отличия форм наводок. Это определяется ростом
затухания с темпом корня квадратного от частоты и
более сильным влиянием частотных искажений на
наводку дальнего конца из-за большей протяжённо-
сти пути её распространения. Кроме того, наводка
на пару, подверженную влиянию, независимо от ме-
ста её фиксации искажается сильнее по сравнению
с сигналом на выходе витой пары.

Высокоскоростные современные интерфейсы

ЛВС используют исключительно схему параллель-
ной передачи. В этой связи сопоставление рис. 2а
и рис. 2б экспериментально подтверждает необхо-
димость обязательного учёта переходной помехи
дальнего конца, мощность которой сопоставима с
помехой ближнего конца. Её наличие значительно
ограничивает пропускную способность тракта.

На рис. 4 показано амплитудное распределение

переходной помехи ближнего конца. Из него следу-
ет, что за счёт наличия явно выраженных «крыльев»

Рис. 2. Примеры эпюр сигнала и переходной помехи

Рис. 3. Отличия формы импульса на входе U

выходе U

кабеля

б — дальнего конца

а — ближнего конца

вход

Время, мкс

Помеха на ближайшем конце

Помеха на дальнем конце

Сигнал, В

Поме

ха, В

Поме

ха, В

-1

0,9

0,6

0,3

-0,3

-0,6

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Время, мкс

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Сигнал, В

Время, мкс

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

0,11

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÑÂßÇÈ

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2013, www.kabel-news.ru

шум этой разновидности не может полноценно счи-
таться гауссовым. Аналогичный вывод справедлив в
отношении помехи дальнего конца.

Окрашенный характер сигнала и переходного

шума уменьшает их энтропию:

При этом меньшие отличия формы сигнала от

гауссовой позволяют утверждать, что

. Таким

образом, из выражения (2) вытекает, что реальная
пропускная способность тракта вполне может пре-
высить шенноновскую.

В работе Клода Шеннона приведён алгоритм рас-

чёта предельной пропускной способности тракта для
общего случая произвольного амплитудного рас-
пределения помехи. Обращение к нему показывает,
что значение параметра

увеличивается относи-

тельно случая белого шума на 2—17% и достигает
примерно 400 Мбит/с на пару даже при увеличении
протяжённости исследованного кабеля до 100 м.
Это вполне достаточно для получения требуемого
от техники категории 5е значения

= 1 Гбит/с при

четырёхпарной параллельной передаче с учётом
эксплуатационных запасов.

Из рис. 5 вытекает необходимость отдельно-

го учёта в ряде случаев мешающего воздействия
внешних источников электромагнитного излуче-
ния (локальные выбросы на частотном спектре).
Их спектральная плотность мощности может пре-
вышать аналогичный параметр теплового шума на
1,5—2 порядка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведённых экспериментов свиде-

тельствуют о том, что:
• переходная помеха как наиболее мощная помехо-

вая составляющая не может считаться гауссовым

Рис. 5. Частотное распределение собственных

шумов приёмника измерительной системы и помех

от вещательных радиостанций

белым шумом. При этом степень отличия такова,
что при расчётах качественных показателей ка-
налов связи сохраняется возможность в первом
приближении пользоваться гауссовой моделью
составляющих отношения сигнала к шуму;

• относительно слабый характер отклонения шума

и сигнала от белого определяет корректность
применения интегральной формы соотношения
Шеннона при выполнении инженерных расчётов;

• «окрашенный» характер переходной помехи даёт

возможность в случае выполнения соответствую-
щей коррекции примерно на 15% увеличить ско-
рость передачи по отношению к шенноновскому
пределу для случая белого шума;

• принятый IEEE в процессе нормирования харак-

теристик симметричных кабельных трактов более
чем 30-процентный запас по шенноновской про-
пускной способности представляется несколько
завышенным. Имеющиеся превышения могут
быть израсходованы на увеличение предельной
протяжённости тракта, компенсацию эффектов
старения, ошибок монтажа, эксплуатационных
повреждений и иных аналогичных факторов;

• система традиционных аналоговых передаточных

параметров симметричного кабеля СКС вполне
адекватна практике. На линиях небольшой про-
тяжённости (менее 20 м) в обоснованных случаях
следует учитывать эффекты резонансного взаи-
модействия отражений от концов;

• на скорости передачи информации 1 Гбит/с и

выше становится невозможным достижение
хороших потребительских качеств электропро-
водной линии без предварительной отработки
полноценной системы из кабеля и разъёмных
соединителей.

Рис. 4. Амплитудное распределение помехи

ближнего конца

Частота, МГц

lg (амплит

уда шума), В

250

-3

-4

-5

-6

-7

200

100

150

lg (час

тота)

Амплитуда, В

0,03

-0,03

-0,01

0,01

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÑÂßÇÈ

Оригинал статьи: Пропускная способность витой пары

Читать онлайн

Физический уровень современных информационно-вычислительных систем реализуется преимущественно на проводных каналах связи. В качестве их основы в подавляющем большинстве случаев берутся симметричные и волоконно-оптические кабели, работающие в составе структурированной кабельной системы.