Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 13 декабря
 
 

Это интересно!

Ранее

Последовательный интерфейс RapidIO и его применение в пакетной коммутации

В статье рассмотрены особенности применения последовательного интерфейса RapidIO (SRIO) в пакетной коммутации. Описаны механизм передачи сообщений, построение транспортной среды и характеристики некоторых коммутаторов интерфейса SRIO от ведущих мировых производителей. Обсуждаются вопросы реализации интерфейса SRIO в интегрированных коммуникационных микроконтроллерах.

Чипсеты National Semiconductor для SD/HD/3G SDI-интерфейсов. Часть 2*

Разработкой нового семейства чипсетов для поддержки стандарта 3G SDI компания National Semiconductor расширила портфолио продукции «Лучший в своем классе», предназначенной для применения в профессиональной и телевещательной видеоаппаратуре. Семейство чипсетов обеспечивает функции передачи и приема цифровых видеосигналов со скоростями передачи до 3Гбит/с по стандартному телевизионному 75-Ом кабелю на расстояния от 100 до 350 м. Новое семейство чипсетов SD/HD/3G SDI предназначено для замещения линейки CLCxxx.

Простой способ создания и настройки беспроводной сети

В статье описываются базовые концепции построения беспроводной сети, а также обсуждаются альтернативные варианты решений, в том числе инновационная самоформирующаяся PnP-сеть.

 

22 декабря

Передача сигналов по витой паре

Существует несколько типов проводных линий передачи информации: коаксиальный кабель, витая пара и оптоволокно. В статье рассматриваются основные характеристики кабелей на основе витых пар, описываются методы передачи сигналов для компенсации искажений. Перечислены типы витых пар и стандарты на них.



В

итая пара — это два скрученных провода в изоляции. Скручивание делается для того, чтобы оба провода находились в одинаковых условиях, то есть воздействие на них внешних помех не отличалось. В одном кабеле может быть несколько пар, обычно 2 или 4, заключенных в общую диэлектрическую оболочку. Информационный сигнал содержится в разности напряжений между проводами одной пары.
Существует несколько разновидностей витых пар:
– UTP (Unscreened Twisted Pair) — неэкранированная витая пара.
– FTP (Foiled Twisted Pair) — фольгированная витая пара с одним общим внешним экраном.
– SFTP (Shielded Foiled Twisted Pair) — фольгированная экранированная витая пара с двумя внешними экранами.
– STP (Shielded Twisted Pair) — защищенная витая пара. В таком кабеле каждая пара экранирована отдельным экраном.
– S/STP (Screened Shielded Twisted Pair) — защищенная экранированная витая пара, отличающаяся от STP наличием дополнительного общего внешнего экрана.
Одним из недостатков витой пары является возможность перехвата передаваемой информации. Это делается либо с помощью воткнутых в кабель двух иголок, либо путем считывания излучаемого кабелем электромагнитного поля. Экранирование обеспечивает защиту от электромагнитных наводок и несанкционированного подслушивания. С другой стороны, экранированный кабель значительно дороже, поэтому используется реже.
Кабели на основе витой пары по рабочей частоте делятся на следующие категории.
– К категории 1 относят обычные не витые телефонные кабели. По ним можно передавать только речь.
– Кабель категории 2 позволяет передавать данные в полосе частот до 1 МГц (используется редко).
– Кабель категории 3 используется для передачи данных в полосе частот до 16 МГц. Он состоит из витых пар с девятью витками проводов на 1 м длины.
– Кабель категории 4 передает данные в полосе частот до 20 МГц. Используется редко, т.к. не слишком отличается от категории 3. Стандартом рекомендуется вместо кабеля категории 3 переходить сразу на кабель категории 5.
– Кабель категории 5 в настоящее время самый совершенный кабель, рассчитанный на передачу данных в полосе частот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27-ми витков на 1 м длины.
– Кабель категории 6 — перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 200 (или 250) МГц.
– Кабель категории 7 — перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.
Согласно стандарту EIA/TIA 568 (Американский стандарт кабельных систем, принятый в июле 1991 г.), полное волновое сопротивление кабелей категорий 3, 4 и 5 должно составлять 100 Ом ±15% в частотном диапазоне от 1 МГц до максимальной частоты кабеля. Волновое сопротивление экранированной витой пары STP равно 150 Ом ±15%.
Стандарт определяет также максимально допустимую величину рабочей емкости каждой из витых пар кабелей категории 4 и 5. Она должна составлять не более 17 нФ на 305 м при частоте сигнала 1 кГц и температуре окружающей среды 20°С.
Итак, преимущество витых пар заключается в простоте монтажа и ремонта, а также в низкой стоимости кабеля. С другой стороны, неэкранированные кабели на основе витых пар обладают рядом недостатков: они подвержены влиянию электромагнитных помех и не гарантируют защиту передаваемой информации. Максимальная длина кабеля составляет 100 м.

Характеристики

Основными электрическими характеристиками витой пары являются волновое сопротивление, затухание на 1 м длины и скорость распространения сигнала. Рассмотрим их подробнее.
1. Затухание (attenuation) — это величина, характеризующая потерю мощности сигнала при передаче. Коэффициент затухания вычисляется как отношение мощности полученного на конце линии сигнала к мощности сигнала, поданного в линию, и измеряется в децибелах на единицу длины. Затухания обусловлены потерями в диэлектрике и скин-эффектом. По сравнению с другими типами кабелей витая пара обладает самым большим коэффициентом затухания на данной частоте. Именно затухание сигнала ограничивает длину кабеля. Для увеличения длины канала связи следует использовать более качественные кабели с защитой от помех и наводок. Для уменьшения коэффициента затухания применяются специальные корректоры или сигнальные буферы со встроенной коррекцией предыскажений.
Предыскажения вносятся для того, чтобы сделать АЧХ более ровной. При этом нелинейные искажения сигнала уменьшаются. В усилительный тракт передатчика включается корректор — нелинейное устройство, передаточные характеристики которого подбираются так, чтобы амплитудная характеристика объединенного устройства корректор-усилитель стала линейной, а амплитудно-фазовая характеристика — равномерной.
Для чего это требуется? В линиях передачи с ровной АЧХ отсутствует межсимвольная интерференция, что повышает качество передачи. Чем выше подъем АЧХ, тем большие затухания компенсируются и больше максимальная длина линии.
Существуют корректоры трех типов. АЧХ постоянного амплитудного корректора не меняется. Такие корректоры используются в сетях с фиксированной длиной среды передачи. Переменный амплитудный корректор, наоборот, имеет несколько предустановленных настроек, которые можно изменять в соответствии с длиной канала связи. Наиболее удобные в использовании — адаптивные корректоры, которые автоматически определяют уровень потерь в среде передачи и подбирают оптимальные параметры корректирующих импульсов. Адаптивные корректоры обычно разрабатываются под конкретные среды передачи, поэтому при выборе устройства необходимо удостовериться, что оно рассчитано именно на тот тип линии передачи и те параметры, которые используются в сети.
При коррекции сильных затуханий нельзя забывать о системном шуме. Дело в том, что сигналы с компенсацией потерь 40 дБ становятся очень чувствительными к шуму. Действительно, если отношение сигнал/шум поддерживается на уровне 10—15 дБ, то шумы в линии передачи не должны превышать 50—55 дБ, иначе сигнал потеряется.
2. NVP (Nominal Velocity of Propa­gation) — скорость распространения сигнала в линии, которая выражается как отношение скорости распространения сигнала к скорости света.
3. NEXT (Near End CrossTalk) — переходное затухание, или перекрестные наводки на ближнем конце. Оно характеризует влияние соседних витых пар друг на друга и рассматривается только при двухсторонней передаче информации. Данный эффект проиллюстрирован на рис. 1. Сигнал, передаваемый по верхней витой паре, наводит помеху на нижнюю. При одностороннем обмене в расчет принимается параметр FEXT (Far End CrossTalk), характеризующий взаимодействие пар на дальнем конце. Для ослабления наводок применяется фольгирование.
4. Временная задержка распространения сигнала между двумя парами в кабеле (Pair-to-Pair Skew). Она появляется из-за того, что пары не идеально одинаковы, одна из них обязательно длиннее другой, поэтому сигнал проходит по ней больший путь. Типичное значение задержки составляет порядка 25 нс/100 м, но может доходить и до 45 нс/100 м. Этот параметр учитывается при скоростях передачи 100 Мбит/с и выше.
5. Временная задержка распространения сигнала внутри одной пары (Intra-Pair Skew). Она возникает в случае, если длины проводников в паре не совпадают. Обратимся к рис. 2. Пусть сигнал передатчика является парафазным. Видно, что из-за разной длины проводов на выходе появляется синфазная составляющая, при этом амплитуда полезного дифференциального сигнала уменьшается. Проблема осложняется тем, что для витой пары задержка распространения сигнала зависит от частоты, т.е. при передаче несинусоидального сигнала все компоненты задерживаются на разное время.

Рис. 1. Перекрестные помехи в кабеле на основе витой пары

Рис. 2. Появление синфазной составляющей на выходе пары проводов с разной длиной

Рассмотрим некоторые заблуждения, относящиеся к временной задержке между проводниками в паре.
Миф 1: временная задержка распространения сигнала внутри одной пары не зависит от частоты. На самом деле в несвязанных парах, например в двойном коаксиальном кабеле, временная задержка постоянна и не зависит от частоты сигнала. Однако в случае STP и твинаксиального кабеля это не соблюдается (см. рис. 3).
Миф 2: временная задержка пропорциональна длине кабеля. Это утверждение верно только на очень низких частотах, когда длина волны сравнима с длиной кабеля. На рис. 3 видно, что в диапазоне 300...1500 МГц наибольшая временная задержка наблюдается в самом коротком кабеле.
Миф 3: временную задержку можно определить методом прямого измерения, т.е. на один конец пары подать дифференциальный сигнал, а на другом засечь интервал между моментами появления сигналов в каждом проводе. Как показывает практика, этот способ применим только для низких частот, поскольку концы кабеля являются фильтрами НЧ.

Рис. 3. Задержка сигнала между двумя проводами твинаксиального кабеля

Любая асимметрия в кабеле, в т.ч. и разность задержек сигнала внутри пары, приводит к появлению синфазной составляющей сигнала. При этом амплитуда дифференциальной составляющей уменьшается. Неприятность заключается в том, что дифференциальные и синфазные сигналы имеют различную скорость распространения и различные коэффициенты потерь, поэтому при переходе энергии из одной формы в другую фаза и частота сигнала могут меняться непредсказуемым образом, приводя к возникновению фазового дрожания (джиттера). Заметим, что сами по себе синфазные составляющие не вносят дрожание в дифференциальный сигнал. Однако преобразование составляющих из одной формы в другую существенно портят сигнал. Если дрожание мало или полностью отсутствует, то схема приемника значительно упрощается. Именно поэтому важно контролировать временные задержки в линиях связи и применять меры для их минимизации.
На практике фазовое дрожание определяют по амплитуде синфазной и дифференциальной составляющих, а точнее исходя из их отношения. Для проведения необходимых измерений требуется сетевой анализатор. Этот прибор очень дорогой и его обычно заменяют более простым устройством, схема которого приведена на рис. 4. Оно состоит из двух соединителей H9-SMA, работающих на частотах 2 МГц — 2 ГГц. Один из них нужен для генерации дифференциального сигнала (верхний на рисунке), второй — для отделения дифференциальной составляющей от синфазной. Далее сигналы поступают на измеритель мощности, который определяет их величину. По этим данным вычисляется фазовое дрожание.

Рис. 4. Устройство, заменяющее сетевой анализатор при определении джиттера

Заключение

Основными параметрами витой пары являются затухание на 1 м длины, переходное затухание NEXТ и временная задержка. Последние два показателя улучшаются за счет экранированных кабелей. Для ослабления затухания в кабеле существует несколько методов, наиболее распространенный из которых — применение корректоров сигнала.
При правильном выборе типа кабеля и корректора, а также их правильном соединении, максимальная длина линии передачи может достигать 100 м. Однако при передаче сигнала на дальние расстояния следует соблюдать симмметричность кабеля, иначе возникает фазовое дрожание, которое может серьезно повлиять на качество сигнала.

Литература

1. www.embedded.com/columns/technicalinsights/208404322?_requestid=60571
2. www.intuit.ru
3. www.ttv.ru/publikacii/detail.php?ID=18&PRINT=Y
4. www.gsc.com.ua/pages/?pid=ttwpair
5. www.adp.ru/PASSIVE/TEH_DOC/CAB/NAVODK/nex_fex.htm



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Екатерина Клюева, научный редактор, ИД «Электроника»



Комментарии

3 / 3
1

124 апреля, 14:45

Павел Дрычик

Браво

Как показывает практика, этот способ применим только для низких частот, поскольку концы кабеля являются фильтрами НЧ.
Ваш редактор еще работает на своей должности?

225 апреля, 12:50

Г-н Дрычик, на досуге погуглите насчет "эквивалентная схема кабеля" - и будет Вам просветление!

Заодно уровень знаний обновите.

326 апреля, 04:12

Леонид Чанов

re: Браво

Простая описка - пропущено слово "выходами" - спасибо, что заметили. За такие оплошности мы редакторов не увольняем - ибо нет людей совершенных в нашем мире :). Кабель, в том числе и витая пара, является фильтром низких частот с распределенными параметрами.Поэтому сигнал на конце кабеля можно трактовать как выходной сигнал ФНЧ.

3 / 3
1

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты