Пропускная способность витой пары

Page 1
background image

Page 2
background image

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

56

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÑÂßÇÈ

Ф

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

2

 

и нижней f

1

 граничными частотами; 

P

s

 и P

n

 — мощности сигнала и шума соответ-

ственно.

В работе Клода Шеннона

1

  это соотношение по-

лучено из общего выражения:

 (2),

где: E

SN

 — энтропия смеси сигнала с шумом, Е

N

 — 

энтропия шума.

При записи выражения (2) использован факт 

того, что f

1

 << f

2

.

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-

1

  Shannon С. A mathematical theory of communication. Bell 

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


Page 3
background image

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

57

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

х

, причём 

x

 близко к 0,5.

Шум также имеет «окрашенный» характер из-

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

х

, причём в 

реальных условиях 0,75 < 

x

 < 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(

f

) и N(

f

) — 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

-0,04

-0,08

-0,12

0

1

2

3

4

6

5


Page 4
background image

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

58

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

0

 и 

выходе U

1

 кабеля

б — дальнего конца

а — ближнего конца

вход

Время, мкс

Помеха на ближайшем конце

Помеха на дальнем конце

Сигнал, В

Сигнал, В

Поме

ха, В

Поме

ха, В

15

10

5

0

2

1

0

-1

0,9

0,6

0,3

0

-0,3

-0,6

9

6

3

0

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Время, мкс

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Сигнал, В

6

5

4

3

2

1

0

Время, мкс

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

0,11

U

1

U

0

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÑÂßÇÈ


Page 5
background image

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

59

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 

W

 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 

W

 = 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

0

50

100

150

lg (час

тота)

6

5

4

3

2

1

0

Амплитуда, В

0,03

-0,03

-0,01

0,01

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÑÂßÇÈ


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.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 4(73), июль-август 2022

Технологический суверенитет в российской энергетике: энергоэффективные трансформаторы с сердечниками из аморфной стали

Энергоснабжение / Энергоэффективность Оборудование Экология
ООО «НПК «АВТОПРИБОР»
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 4(73), июль-август 2022

Разработка методики точной оценки фактической загрузки трансформаторов 6(10)–0,4 кВ с помощью данных от интеллектуальных систем учета электрической энергии

Энергоснабжение / Энергоэффективность Оборудование
Мусаев Т.А. Хабибуллин М.Н. Шагеев С.Р. Федоров О.В.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 4(73), июль-август 2022

О ремонтах оборудования распределительных устройств 220‑500 кВ узловых подстанций и их схемах

Управление производственными активами / Техническое обслуживание и ремонты / Подготовка к ОЗП Оборудование
Гринев Н.В.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»