Выбор кабеля UTP, FTP, SFTP

Кабели типа витая пара

Кабели типа витая пара (TP, Twisted Pair) в настоящее время очень популярны. Они используются не только для построения локальных компьютерных сетей, но и для сетей абонентского доступа на базе Ethernet (например FTTB), в системах сигнализации, видеонаблюдения и других применениях.

Конструктивно такой кабель состоит из изолированных медных или биметаллических жил, скрученных в отдельные пары (обычно 2 или 4). Все пары, скручиваются между собой, формируя кабельный сердечник, на который накладывается защитная пластиковая оболочка. Под оболочкой может находиться металлический экран, защищающий кабель от внешних электромагнитных влияний (помех). Чаще всего в качестве экрана используется лента из алюминиевой фольги, наложенная на сердечник. В некоторых конструкциях экраны могут накладываться на отдельные пары внутри кабеля для защиты от взаимных влияний между цепями передачи.

По наличию внешних экранов кабели делятся на несколько типов:

  • Неэкранированный кабель маркируется UTP (Unshielded Twisted Pair)
  • Экранированный фольгой – FTP (Foiled Twisted Pair)
  • Иногда в конструкцию добавляется  экран в виде оплетки проволок.
    Кабель маркируется – STP (Shielded Twisted Pair) или SFTP (если используются оба экрана).
Витая пара UTP (Unshielded Twisted Pair)
Витая пара FTP (Foiled Twisted Pair)
Витая пара SFTP
 

Рис. 1. Конструкции неэкранированных и экранированных кабелей типа витая пара

Давайте посмотрим, насколько полезен экран, когда и от чего он защищает. Есть ли смысл использовать кабели FTP, и в каких случаях.

Механизм наводок и помех

Источниками внешних э/м влияний, способными ухудшить качество передачи сигналов по витой паре, могут выступать молнии, электродвигатели, линии высокого напряжения, силовые кабели, и даже другие кабели типа витая пара проложенные параллельно.

Э/м поле источника наводит в парах напряжения и токи (см.Рис.2). Если проводники и пары имеют идеально одинаковые конструкции, то в цепях синфазные токи помех (Iпом) компенсируются на приеме и не влияют на соотношение сигнал/шум. В реальных кабелях геометрия витой пары всегда немного нарушена по технологическим причинам. Поэтому на приеме возникает разностное напряжение помех (Uпр).

Контент1
Контент1

Рис. 2. Сбалансированная (а) и несбалансированная (б) витая пара.

Степень электромагнитного влияния на кабель зависит от мощности источника, расстояния и частоты излучения. Например, молния – мощнейший источник эл разрядов, но основная частота наводок  до 10 кГц вызовет скорее шумы в телефонном канале, чем при передачи данных. Хотя амплитуда наводок может быть очень большой и это может привести к выгоранию портов активного оборудования.

Значительное влияние на витую пару могут оказывать соседние кабели (и силовые кабели и информационные), положенные в одном лотке канале, кабель росте. Расстояние между такими кабелями минимально, а длина участка взаимодействия может быть достаточно большой – десятки метров. Величина влияний будет существенной при большой мощности потока (силовые) ил высокой частоте (информационные).

Источником помех могут выступать не только внешние источники, но и другие пары в том же кабеле – так называемые «переходные помехи». Особенно это сказывается при передаче сигналов в высокочастотном спектре (свыше 200 МГц), т.е. в кабелях категорий 6, 6а, 7 и более высоких.

Кроме защиты от внешних электромагнитных воздействий существует проблема излучения кабеля при передаче сигнала. Неэкранированный кабель выступает своеобразной антенной, излучение с которой увеличивается с ростом частоты. Таким образом, предаваемая информация может быть снята дистанционно с помощью специального оборудования.

Конструкции экранов

Наличие экрана позволяет как защитить сердечник кабеля от электромагнитных влияний, так и избежать нежелательного излучения при передаче сигнала. Чаще применяют экран из алюминиевой фольги: недорогой, легкий, тонкий, хорошо отражающий э/м волны. Такой экран хорошо защищает пары в широком диапазоне частот  – от единиц до сотен МГц. Экранирование кабеля  позволяет уменьшить мощность наводимых в проводниках помех на 13-15 дБ. Принцип работы экрана заключается в том, что электромагнитная волна частично отражается от границы сред диэлектрика и металла, а частично проходит в толщу экрана, затухая в нем. Отражение работает более эффективно, поэтому толщина экрана не играет существенной роли в процессе.

Ретранслятор TP-Link TL-WA854RE

 

Рис.3. Механизм работы электромагнитного экрана

На практике в качестве экрана используют ламинированную фольгу, т.е. на одну сторону наносят тонкую полиэтиленовую пленку. Это добавляет ленте механической прочности, а при  сборке кабеля пластиковый слой экрана лучше крепится к внешней оболочке. Под экраном размещается медный, а лучше луженый медный, проводник (обычно 0,4 мм) для отвода токов помех в систему заземления. В случае нарушения целостности фольги проводник также обеспечивает соединение отдельных частей экрана между собой.

Экраны из оплетки применяется не часто. Он более эффективен для экранирования в нижней части спектр Ethernet (до 20-30 МГц).

Максимальный эффект экранирования достигается в том случае, если не только кабель, но и все устройства от точки передачи до точки приема заэкранированы, а их экраны заземлены. Поэтому при построении экранированной кабельной системы кабель FTP должен оконечиваться экранированными коннекторами, соединяться с экранированными модулями в розетке и кроссе.

Ретранслятор TP-Link TL-WA854RE

 

Рис.4. Заземление в экранированной локальной кабельной системе

Возможно также заземление непосредственно кабеля FTP за медную проволоку. В этом есть смысл, так как защищается наиболее длинный сегмент цепи. Но в целом эффективность экранирования линии передачи снижается.

Отдельный вопрос – совместная прокладка силовых и информационных кабелей. Понятно, что помехи  частотой 50 Гц не окажут существенного влияния на передачу в спектре 1-100 МГц, но большая мощность наводок может быть неприятна для подключаемого активного оборудования. На этот счет есть много разнообразных требований стандартов, учитывающих наличие экрана в силовых кабелях и витой паре, напряжения питания, длин параллельной прокладки и т.п. Требования украинского ПУЭ (п.2.1.85) достаточно прагматичны:

1) если силовой кабель и UTP походят параллельно менее 35 м, то разнесение не обязательно;

2) на длинных участках сближения между кабелями должен быть разнос по крайне мере 50 мм, а в стесненных условиях следует использовать металлическую перегородку.

При прокладка экранированного кабеля FTP или SFTP в одном канале с силовым кабелем 220 В требуется только разделение диэлектрической перегородкой, не забывая про обязательное заземление экрана.


На чем можно сэкономить?

В реальных конструкциях витой пары используются экраны из медной и алюминиевой фольги. Поскольку проводимость меди выше, то и эффективность экрана можно ожидать выше. Однако разницу можно определить только при точных лабораторных измерениях.

На практике встречаются даже кабели FTP, в которых роль экрана выполняет фторопластовая лента, покрашенная серебристой краской! Понятно, что эффективность такого экрана равна нулю. Тем не менее находятся люди, осознанно покупающие такую «экономичную модель».

Еще один пример экономии это применение вместо медного заземляющего проводника биметаллического (CCS — сталь/медь, CCA — алюминий/медь). Наверное, понятно, что это не очень хорошая идея, так как сопротивление меди на постоянном токе или низких частотах значительно меньше. Проводники CCS или CCA лучше использовать на высоких частотах для передачи сигналов Ethernet. Где за счет поверхностного эффекта они будут иметь практически такие же параметры передачи, как медные.

Сейчас много пишут о том, что при передаче сигналов 10G Ethernet, 40G Ethernet по кабелям категории 6а, 7, 7а традиционное экранирование от межкабельных помех становится менее эффективным. Если заземлять кабельную линию только по концам, то за счет большей частоты и меньшей длины волны протекающая по экрану помеха успевает переизлучиться внутрь кабеля. Поэтому следует заземлять экран буквально каждые 20-30 м. Это требование обосновано, но не практично, особенно для кабелей, прокладываемых во внутренних каналах, коробах, пленум-пространствах. Возможно проще несколько разнести параллельно прокладываемые кабели. Это также даст эффект, поскольку мощность наводимых ВЧ помех сильно уменьшается с расстоянием.


Применение экранов. Выводы

Несмотря на некоторые сложности в процессе инсталляции и дополнительные затраты, экранированные кабельные системы по-прежнему применяются достаточно активно. По оценкам некоторых изданий в европейских странах экранированные системы на витой паре составляют 35-40% от общего числа инсталляций. В Украине часть таких систем оценивают в 20-25%.

Обосновывая свой выбор кабельной системы рекомендует учесть следующие выводы и рекомендации.

  1. Подверженность помехам в витой паре зависит не только и не столько от экрана, сколько от качественного производства (сбалансированности) пары и сердечника кабеля. Кабель UTP высокого качества будет защищен достаточно хорошо.
  2. Качественно выполненный экран действительно уменьшает воздействие э/м помех до 20-30 раз (13-15дБ). Но это не значит, что соотношение сигнал шум улучшится на столько же дБ, или во столько раз возрастет скорость передачи Ethernet.
  3. Применения только одного экранированного кабеля (FTP, STP, SFTP) без построения всего экранированного участка сети почти ничего не решает. Должны применяться все экранированные элементы в линии от абонентской розетки до кросса и активного оборудования.
  4. Эффективность экранирования сильно зависит от правильно спроектированной и реализованной системы заземления – именно телекоммуникационного заземления, как требуют стандарты (TIA/EIA 607, EN 50174-2). Простое заземление кабеля «на любую железяку» не слишком эффективно.
  5. Для построения участка абонентской сети на кабелях категорий 5 и 5е в домах, квартирах – в 99% случаев экранирование не нужно. Достаточно будет качественного кабеля UTP. То же касается офисных помещений.
  6. В производственных помещениях, при наличии сильных источников электромагнитного излучения, параллельной прокладке с силовыми кабелями есть смысл использовать экранированные кабели FTP. При наличии электродвигателей — даже  STP или SFTP. Если есть возможность померять напряженность э/м поля – будет проще определиться.
  7. При прокладке внешних кабелей (за пределами помещений), особенно подвесных, а не подземных, немного лучше использовать экранированные кабели FTP. От наводок молний они хоть немного, но защитят. Опять же, если не пренебрегать системой заземления.
  8. Совместная прокладка силовых кабелей и витой пары требует подумать проектное решение. В большинстве случаев, если это 220В, то достаточно разноса на несколько сантиметров с UTP. С FTP вообще никаких проблем при наличии заземления.
  9. При необходимости обеспечить хорошую защиту передаваемой информации – обязательно применение экранированных систем с правильным заземлением. Но, нужно понимать, что это – полумера. Ослабленное экраном излучение все-равно выходит в пространство. И применение профессиональных устройств позволит дистанционно снимать информацию. Максимальную защиту дает только применение оптического волокна.
  10. Использование кабелей категорий 6а, 7, 7а и выше, особенно на магистральных участках, где они прокладываются параллельно в пучках (кабельросты, короба, стояки и т.п.) предполагает кабели будут экранированными, как минимум FTP. Это связано с очень высокими частотами передачи (более 500 МГц и более), что сильно увеличивает взаимные влияния – так называемые межкабельные помехи. Возможно здесь также понадобится экранирование отдельных пар в кабеле. Но это отдельная тема.
  11. Построение экранированных кабельных систем или линий приводит к удорожанию проекта – до 10-30% только пассивная часть. Поэтому их применение должно быть обосновано технически и экономически.
Спасибо за внимание.