Кабельные линии связи

Вступление

В данной статье мы устройство кабельных линий связи используемых в вычислительных сетях.

Наиболее часто в компьютерных сетях применяются кабельные соединения, выступающее в качестве среды электрических или оптических сигналов между компьютерами и другими сетевыми устройствами. При этом используются следующие типы кабеля:

• коаксиальный кабель (coaxial cable);
• витая пара (twisted pair);
• волоконно-оптический или оптоволоконный кабель (fiber optic).

Кабель - это изделие, состоящее из проводников, слоев экрана и изоляции. В некоторых случаях в состав кабеля входят разъемы, с помощью которых кабели присоединяются к оборудованию.

Важнейшие характеристики:

• Коэффициент затухания, дБ/км - зависит от свойств материалов проводников и изоляционного материала. Наилучшими свойствами (малым сопротивлением) обладают медь и серебро. Коэффициент затухания зависит также от геометрических размеров проводников.
• Скорость распространения, км/мс - с ростом частоты скорость распространения увеличивается, приближаясь к скорости света в вакууме 300 км/мс. Данный параметр зависит также от свойств диэлектрика, применяемого в кабеле.
• Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT);
• Волновое сопротивление (импеданс) (Ом) - сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения, т.е. при условии, что на процесс передачи не влияют несогласованности на концах линии. Волновое сопротивление симметричного кабеля зависит от удельных значений емкости и индуктивности кабеля.
• Активное сопротивление - это сопротивление постоянному току в электрической цепи. В отличие от импеданса активное сопротивление не зависит от частоты и возрастает с увеличением длины кабеля.
• Емкость - это свойство металлических проводников накапливать энергию. Два электрических проводника в кабеле, разделенные диэлектриком, представляют собой конденсатор, способный накапливать заряд. Емкость является нежелательной величиной, поэтому следует стремиться к тому, чтобы она была как можно меньше (иногда применяют термин «паразитная емкость»).Высокое значение емкости в кабеле приводит к искажению сигнала и ограничивает полосу пропускания линии.
• Электрический шум -это нежелательное переменное напряжение в проводнике. Электрический шум бывает двух типов: фоновый и импульсный. Электрический шум можно также разделить на низко-, средне- и высокочастотный. Источниками фонового электрического шума в диапазоне до 150 кГц являются линии электропередачи, телефоны и лампы дневного света; в диапазоне от 150 кГц до 20 МГц -компьютеры, принтеры, ксероксы; в диапазоне от 20 МГц до 1 ГГц - телевизионные и радиопередатчики, микроволновые печи. Основными источниками импульсного электрического шума являются моторы, переключатели и сварочные агрегаты. Электрический шум измеряется в милливольтах.
• Диаметр или площадь сечения проводника.

Коаксиальные кабели

Еще пятнадцать-двадцать лет назад при создании сетей в основном применялся именно коаксиальный кабель, состоящее из передающего сигнала медной или алюминиевой жилы, слоя изоляции, экранирующей оплетки из медных проводов или алюминиевой фольги и защитной внешней обмотки.

Для передачи сигнала в коаксиальном кабеле использовалась центральная жила, тогда как оплетка заземлялась, выступая в роли «электрического нуля».

Кабели делятся по шкале Radio Guide. Наиболее распространённые категории кабеля:

• RG-8 и RG-11 — «Толстый Ethernet» (Thicknet), 50 Ом. Стандарт 10BASE5;
• RG-58 — «Тонкий Ethernet» (Thinnet), 50 Ом. Стандарт 10BASE2:
• RG-58/U — сплошной центральный проводник,
• RG-58A/U — многожильный центральный проводник,
• RG-58C/U — военный кабель;
• RG-59 — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Российский аналог РК-75-х-х («радиочастотный кабель»);
• RG-6 — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Кабель категории RG-6 имеет несколько разновидностей, которые характеризуют его тип и материал исполнения. Российский аналог РК-75-х-х;
• RG-62 — ARCNet, 93 Ом

Тонкий коаксиальный кабель – гибкий, диаметром около 0,5см, позволяет передавать данные без затухания на расстояния до 185м (в реальных сетях даже до 300м).

Для подключения кабеля к сетевым устройствам применялись специальные разъемы типа BNC.

На концах отрезков кабеля монтировались простые BNC-коннекторы. Сращивание этих отрезков производили с помощью BNC I-коннекторов, а для соединения с сетевыми адаптерами и устройствами использовались BNCT-коннекторы.

Чтобы отраженный сигнал поглощался на концах кабеля, там устанавливали BNC-терминаторы, один из которых обязательно заземлялся.

Широкое распространение сетей, построенных на основе коаксиального кабеля, было вызвано двумя обстоятельствами: дешевизной (особенно для сетей на тонком коаксиальном кабеле) – расходы на кабель и коннекторы были минимальными, а больше для небольших сетей ничего и не требовалось, и простотой – достаточно было проложить магистральный кабель, установить на его концах терминаторы и подключить к нему все компьютеры, - и сеть готова.

Кабели на основе витой пары

Витая пара (twisted pair) — вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой.

Цели скручивания проводников:

• повышения связи проводников одной пары (электромагнитная помеха одинаково влияет на оба провода пары);
• уменьшения электромагнитных помех от внешних источников;
• уменьшения взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов.

Виды кабелей на основе витой пары:

• незащищенная витая пара (UTP — Unshielded twisted pair) — отсутствует защитный экран вокруг отдельной пары;
• фольгированная витая пара (FTP — Foiled twisted pair) — также известна как F/UTP, присутствует один общий внешний экран в виде фольги;
• защищенная витая пара (STP — Shielded twisted pair) — присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки;
• фольгированная экранированная витая пара (S/FTP — Screened Foiled twisted pair) — внешний экран из медной оплетки и каждая пара в фольгированной оплетке;
• незащищенная экранированная витая пара (SF/UTP — Screened Foiled Unshielded twisted pair) — двойной внешний экран из медной оплетки и фольги, каждая витая пара без защиты.

Категории кабелей на основе витой пары

Благодаря своей дешевизне, легкости в установке и универсальности может использоваться в большинстве сетевых технологий, не экранированная витая пара сейчас является самым распространенным типом кабеля, используемым при построении локальных сетей. Экранированная витая пара, несмотря на большую помехозащищенность, не получила широкого распространения из-за сложностей установке – требуется заботиться о заземлении, да и кабель по сравнению с не экранированной витой парой более жесткий.

Витая пара подключается к компьютеру и другим устройствам с помощью восьмиконтактного разъема 8P8C (8 Position 8 Contact). Этот коннектор похож на применяемых в телефонных линиях (коннектор RJ-11), только немного больше него и называется RJ-45.

Заделка кабеля «витая пара» в коннектор 8P8C  выполняется в соответствии со стандартами EIA/TIA568A и 568B.


Заделка кабеля «витая пара» в коннектор 8P8C  выполняется с помощью специального обжимного инструмента – кримпера.

Заметим, что кабели, применяемые для подключения компьютеров к концентраторам и коммутаторам, обжимаются с двух сторон одинаково, т.е. по одному и тому же стандарту. При этом получается так называемый прямой кабель. Однако для непосредственного соединения сетевых адаптеров компьютеров используется перекрестный кабель (“кросс-кабель”).

Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с линиями связи на основе металлических кабелей:

• большая пропускная способность;
• малое затухание;
• малые масса и габариты;
• высокая помехозащищенность;
• надежная техника безопасности;
• практически отсутствующие взаимные влияния;
• малая стоимость из-за отсутствия в конструкции цветных металлов.

В ВОЛС применяют электромагнитные волны оптического диапазона. Напомним, что видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн 380...760 нм. Практическое применение в ВОЛС получил инфракрасный диапазон, т.е. излучение с длиной волны более 760 нм. В оптическом волноводе может одновременно существовать несколько типов волн (мод). В зависимости от модовых характеристик оптическое волокно делится на два вида:

• многомодовые

• одномодовые

Волоконно-оптический кабель состоит из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

• светодиоды;
• полупроводниковые лазеры.

В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

• многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления. В ступенчатом оптоволокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине оптоволокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по оптоволокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по оптоволокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по оптоволокну.
• многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления. Отличается от ступенчатого тем, что показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние межмодовой дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т.д.
• одномодовое волокно. В этом оптоволокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5Гбит/с и выше без регенерации.

Для подключения оптического кабеля используются специальные коннекторы. Коннекторы SC и ST сегодня считаются устаревшими, поэтому в новом оборудовании чаще всего применяются разъемы для коннекторов FC.

ST и SC коннекторы имеют самую простую конструкцию, могут использоваться как в магистральных сетях, так и в патч кордах. В них используется механизм соединения «push-pull». К сожалению, их простата отрицательно сказывается на надежности.

FC-коннектор имеет более высокую надежность, так как имеет керамический наконечник и накидную гайку для фиксации разъема на оптическом порту. Это дает возможность использовать его не только в магистральных сетях, но даже в условиях высокой подвижности.

Монтаж коннекторов (заделка оптоволоконного кабеля в коннектор) довольно сложен и требует специального оборудования. Правда, в последнее время появились наборы, позволяющие заделывать такие коннекторы и в домашних условиях. Однако их использование требует точности и терпения, поскольку производится путем вклейки оптического волокна в наконечник с последующей сушкой тонкой шлифовкой.

По сравнению с электрическими кабелями оптоволокно обеспечивает непревзойденные параметры помехозащищенности и защиты передаваемого сигнала от перехвата. Кроме того, при его использовании данные удается передавать на существенно большие расстояния, да и теоретически возможные скорости передачи в оптоволокне намного выше.

Окна прозрачности оптоволокна

Окно прозрачности - диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, затухание излучения в среде, в частности - в оптическом волокне. Стандартное ступенчатое оптическое волокно SMF имеет три окна прозрачности: 850 нм, 1310 нм и 1550 нм. К настоящему времени разработаны четвёртое (1580 нм) и пятое (1400 нм) окна прозрачности, а так же оптические волокна, имеющие относительно хорошую прозрачность во всём ближнем инфракрасном диапазоне.

Первоначально, в 70-х годах, системы волоконно-оптической связи использовали первое окно прозрачности, поскольку выпускаемые в то время GaAs-лазеры работали на длине волны 850 нм. В настоящее время этот диапазон из-за большого затухания используется только в локальных сетях.

В 80-х годах были разработаны лазеры на тройных и четверных гетероструктурах, способные работать на длине волны 1310 нм и второе окно прозрачности стало использоваться для дальней связи. Преимуществом данного диапазона явилась нулевая дисперсия на данной длине волны, что существенно уменьшало искажение оптических импульсов.

Третье окно прозрачности было освоено в начале 90-х годов. Преимуществом третьего окна является не только минимум потерь, но и тот факт, что на длину волны 1550 нм приходится рабочий диапазон волоконно-оптических эрбиевых усилители (EDFA). Данный тип усилителей, имея способность усиливать все частоты рабочей области, предопределил использование третьего окна прозрачности для систем со спектральным уплотнением (WDM).

Четвёртое окно прозрачности простирается до длины волны 1620 нм, увеличивая рабочий диапазон систем WDM.

Пятое окно прозрачности появилось в результате тщательной очистки оптического волокна от посторонних примесей. Таким образом, было получено оптическое волокно AllWave, имеющее малые потери во всей области от 1280 нм до 1650 нм.