Учебный курс R&MfreenetТеория передачи по медным кабелям

Теория передачи по меди
Содержание:
Кодирование
Полоса частот сигнала, Пропускная способность, МГц, бит, бит/сек, Коды, Бод, Уменьшение пропускной способности
Параметры
Модель, Сопротивление по постоянному току, PS-EL-FEXT …
Измерения
Кабели, различные тракты, 200...600МГц, особенности

Частота, полоса частот
Частота: количество полных циклов колебний за секунду
Единица измерения Герц (Гц)
1МГц соответствует 1 миллиону колебаний за 1 секунду
Полоса частот: Постоянный диапазон частот между двумя граничными значениями частоты- определяет пропускную способность
Единица измерения Герц (Гц)
Центральная частота: наиболее используемая частота
t
f
Полоса частот
1/T =f

Цифровой сигнал
Электрический сигнал может быть представлен в виде бесконечного ряда гармоник
Кабель является фильтром нижних частот и не имеет возможности передать бесконечный спектр частот
По кабелю могут быть переданы частоты между 0 Гц и частотой максимально возможной для данного конструктива кабеля
..…Любой кабель имеет ограниченную полосу пропускания

Сигнал, Бит, Бит/сек.
Сигнал: Совокупность ряда гармоник
Двоичные коды: уровень нуля или уровень единицы
Количество битов в секунду определяется как скорость передачи данных
Для ATM 155: Передается 155 миллионов Бит за секунду
0
1
1 Бит
1 Бит
Кодирование

Бод
Скорость передачи данных - это число бит данных, переданных за одну секунду.
Скорость передачи сигнала - это число символов, передаваемых за одну секунду, выражается в Бодах.
Скорость сигнала и Скорость передачи данных могут совпадать или не совпадать в зависимости от используемого кода модуляции.
NRZ Код: 2Бит = 1 Символ
Manchester: 1Бит = 1 Символа
MLT3: 4Бит = 1 Символ
Пример:
2Бит = 1 Символ
Скорость передачи 20MБит/сек
Для передачи потока данных 20 МБит/сек требуется линия связи информационной емкостью (Скорость передачи сигнала) 10Мсимвол/с =10MБод, центральная частота 10 МГц

Manchester Код
Используется для Ethernet and Token Ring
Изменение уровня сигнала в середине каждого битового периода
Код с внутренней синхронизацией
Отсутствует постоянная составляющая
1 Бит = 1 Символа
Наихудшая последовательность: 00000000
Необходима в два раза большая пропускная способность
10Base-T: 10MHz центральная частота, 20MHz полоса
f

NRZ Код
Таймер: обеспечивает синхронизацию при передаче
Самая простая схема кодирования
Уровень сигнала изменяется только при изменении значения данных
2 Бит = 1 Символ
Худшая последовательность: 1010101
Для 10 Base-T: 5 MHz центральная частота, 10MHz полоса
f

MLT-3
Ноль не инвертируется
Единица инвертируется
Инверсия в середине интервала
Худший случай 111111111111
Используестся для ATM 155 с кодировкой 4b/5b
Используется для FDDI TP-PMD и 100baseTX
0
+
-
1 1 1 1

Кодирование уменьшает ширину спектра, но при этом требует лучшего соотношения сигнал/шум.
1 1 0
110
001
010
111
0 0 1
0 1 0
1 1 1
12 Бит = 12 Импульсов
12 Бит = 4 Импульса
Без кодирования
V/8= 0.25V
Линейное кодирование: на примере PAM 8

2B1Q

Многоуровневые способы кодирования

Применение кодировок для протоколов (передача)
Signal level
0V
1V
-1V
100BASE-TX 1000BASE-T 10GBASE-T
MLT-3 PAM 5 PAM 16

Применение кодировок для протоколов (прием)
Signal level
0V
0.25V
-0.25V
100BASE-TX 1000BASE-T 10GBASE-T
MLT-3 PAM 5 PAM 16

Многоуровневые способы кодирования

Используемые способы кодирования

Достижение пропускной способности
Для более высокой скорости передачи необходима большая пропускная способность
Пример:
Передача сигнала 200 МБит/сек. по медному кабелю с пропускной способностью 100 МГц. С кодом NRZ нам нужно полосу 200Мгц
--> что не возможно
Возможности:
больше уровней напряжений (MLT3: -1, 0, 1)
передача двух потоков данных с 90 градусным сдвигом фаз
Другие способы модуляции (AM , FM)
Комбинации

Достижение пропускной способности
Разделение сигнала на 4 пары

BER
Частота появления ошибочных битов BER - отношение количества ошибочных битов к общему количеству битов за условленный промежуток времени.
Для нормальной передачи BER должна быть в области 10-10.
Низкая BER: 10-13 хорошая передача, Биты переданы
Высокая BER: 10-5 плохая передача, Биты не переданы

Выводы
Различия MHz, полоса частот, центральная частота
Бит, Бит/сек, Бод
Возможности кодирования
Возможности достижения пропускной способности

Содержание. Передача по меди
Модель кабеля
Симплекс, полный дуплекс
Модель витой пары
Параметры
Выводы

Децибел
Относительная единица соотношения между двумя физическими величинами
dB = 20 log ( V1/ V2 )
10
dB = 20 log ( I1/I2 ) dB = 10 log ( P1/ P2 )
Example:
Xmitted 1 mW
Received 20 uW
10
10
dB = 10 log ( 20/ 1000)
10
= -16.9..db
Уменьшение мощности в половину = 3дБ

Модель системы
Черный ящик
Возможно создать модель Постоянной линии, Тракта, и т.д.
Входят и выходят 4 пары
Возможность добавить источники

Симплекс / Дуплекс
Симплекс: В каждый момент времени передача происходит только в одном направлении
Полный дуплекс. Вариант 1.
Используются 2 пары
1 пара для передачи, другая для приема
Классическая модель: 10Base-T
Передатчик
TD+
TD-
Гальваническая развязка
RD+
RD-
Приемник

Полный дуплекс. Вариант 2.
Используется она пара
Передача и прием по одной паре
Гибрид: разделение сигнала
Более сложная ИС
Уменьшение необходимой полосы частот если сигнал разделяется в 4 парах
Предложение для Gigabit-Ethernet

Модель витой пары по постоянному току
Можно построить модель витой пары с сосредоточенными параметрами
Возможны другие модели
Vdcc: напряжение между проводами --> симметричное напряжение
Vdcg: напряжение между одним проводом и землей--> асимметричное напряжение
Lw1/2
Rw1/2
Cm
Lw2/2
Rw2/2
Ce1
Ce2
Земля и другие провода
Rin
Vdcg
Vdcc
Lw1/2
w1
Rw1/2
Lw2/2
Rw2/2

DC-сопротивление и емкость
DC -сопротивление зависит от:
материал
диаметр
длина
температура
Измеряется омметром
Сопротивление контура (Rw1 +Rw2) в системе класса D должен быть < 25 Ohm.
Различие между Rw1 и Rw 2 - рассогласование по сопротивлению
Взаимная емкость:
Емкость между проводами зависит от:
Материал изоляции
Толщина изоляции
Повив пар
Другие емкости: Между парами, между одной парой и остальными парами и экраном

Другие DC-параметры
Ri: Сопротивление изоляции
Зависит от толщины и изоляции материалов
перекрестные токи могут течь если сопротивление имеет низкий уровень
Vd: Электрическая прочность
Зависит от материала изоляции
Не должна быть возможна связь при броске напряжения
Напряжение телефонии возможно >150V

Характеристический импеданс
Параметры изменяются в зависимости от частоты
Сигнал начинает распространяться в проводе как волна
Волновое сопротивление является высокочастотным эквивалентом сопротивления по постоянному току
Зависит от геометрии материалов
Возможно обеспечение номинального волнового сопротивления
Величина волнового сопротивления является комплексной

Обратные потери (потери при отражении)
Отношение отраженного сигнала к входному сигналу
Номинальный характеристический импеданс звена кабельной линии может иметь значения 100Ω ±15Ω от 1 МНz и выше.
Отражение происходит на плохих коннекторах, некачественном оборудовании при возникновении неоднородностей в проводнике или диэлектрике, из-за изменения волнового сопротивления звена кабельной линии .
высокий RL --> подобранные компоненты, низкая BER
низкий RL --> плохая инсталляция, передатчик может быть выведен из строя, высокая BER

Затухание
Параметры являются частотно-зависимыми
Чем выше частота, тем выше затухание
Ключевой показатель
Приемник должен обнаружить сигнал
Сигнал > Шум
Затухание важно для определения уровня передачи
10Base-T: 0...20 МГц

NEXT- потери перекрестной наводки на передающей стороне
Затухание сигнала помехи, наведенного сигналом, проходящим по одной паре проводников, на другую расположенную поблизости
NEXT преобладает на начальном участке (30m)
Измеряется с обоих концов.
Уменьшение достигается повивом или экранированием
Большие перекрестные наводки --> высокий BER

PS- NEXT
Для передачи используются более чем две пары (магистральные кабели)
В один и тот-же момент времени по всем парам может быть как прием так и передача
Худший случай: NEXT-4.8 dB
Необходимый для Gigabit Ethernet

ACR, PS-ACR соотношение затухания и потерь перекрестной наводки
Для определения канала
Разница между Затуханием и NEXT
Современные сети работают только с положительным ACR
Для передачи по четырем парам --> PS-ACR = PS- NEXT -ATT
с увеличением ACR, BER уменьшается

Пример ACR
3 случая: На входе 1Вольт
Случай 1: Затухание 30dB (коэф. 31,6), Next 40dB (коэф. 100)
Случай 2: Затухание 30dB (коэф. 31,6), Next 30dB (коэф. 31.6)
Случай 3: Затухание 40dB (коэф. 100), Next 30dB (коэф. 31.6)
Случай 1: Передан сигнал напряжением в 1В, принят сигнал ослабленный в 31,6раз равный 31,6мВ. В это же время возникла перекрестная помеха, от переданного сигнала по соседней паре. Возникшее напряжение будет иметь амплитуду 1В/ 100=10мВ. В этом случае перекрестная помеха не помешает приемнику править принять сигнал, так как уровень сигнала в три раза выше.
Случай 2: Если уровень NEXT и ATT имеет одинаковое значение, отсутствует гарантия, что сигнал будет правильно получен. Связь может быть возможной только с очень высокой частотой появления ошибочных битов.
Случай 3: Затухание ATT больше, чем потери перекрестной наводки NEXT. Принимаемый информационный сигнал имеет в три раза меньшую амплитуду, чем шум. Не возможно соединение.

FEXT, PS-FEXT
Необходимы в случае если на одной стороне находятся более, чем один приемник/передатчик.
PS-FEXT если используются все четыре пары (Gigabit-Ethernet)
Модули оптимизированы по NEXT, но FEXT не лимитируемый параметр

EL-FEXT, PS-EL-FEXT
FEXT - параметр зависящий от длины, для активных компонентов он необходим, чтобы определить максимальную длину
EL-FEXT = FEXT-ATT
является параметром ACR для FEXT
должен быть положительным
EL-FEXT величина предлагаемая для Gigabit-Ethernet
Если используются 4 пары: PS-EL-FEXT = PS-FEXT-ATT

Временная задержка распространения сигнала
Электромагнитная волна имеет скорость, зависящую от среды распространения.
Сигнал имеет задержку при прохождении по кабельной системе.
Максимальную скорость распространения имеет свет в вакууме. При прохождении сигналов по меди, возникает задержка сигнала которую можно соизмерить в процентном соотношении к скорости света.
NVP: номинальная скорость распространения
Пример: NVP 70%
Волна распространяется с скоростью 300’000km/s * 0.7 = 210’000km/s через медный кабель.
Для кабеля длиной 100m сигнал от передатчика к приемнику будет задержан на--> 100m/210’000km/s=476ns --> задержка распространения
Максимальное задержка распространения в горизонтальной кабельной линии не должна превышать 1μs.

Рассогласование из-за задержки
Становится важным при передаче по 4-м парам
Распределенный сигнал должен прибыть в одно и то-же время
Из-за разного шага повива--> разная длина кабеля--> разные задержки.
Это различие = Рассогласование задержки
Этот параметр необходим для производителей активного оборудования, чтобы определить буферное запоминающее устройство на входе
большое рассогласование задержки: биты неправильно скомпонованы вместе

Передаточное сопротивление
Показывает эффективность экранирования
Высокочастотное сопротивление экрана
Только лабораторная величина
Невозможно измерить сопротивление в инсталлированной системе
Хорошее экранирование от электромагнитных полей: Хороший контакт экрана с компонентами --> низкое сопротивление по постоянному току

Alien Crosstalk
Когда кабели расположены вплотную наводка с одного из них оказывает влияние на другой. Этот эффект называется внешней перекрестной наводкой.
Особенно значимым является для кабелей UTP, связанных в пучки длиннее 15 м.
Этот эффект нельзя предсказать и компенсировать электроникой.
Большая сложность измерения. Пока нет методики.

Alien Crosstalk

Увеличение скоростей передачи

Измерения
Кабели и компоненты
Постоянная линия
Тракт
Измерения до 200, 600 MHz

Типы кабелей
Различные типы в сравнении с UTP
Затухание сигнала: При увеличении диаметра проводника затухание уменьшается
NEXT: качественный повив минимизирует NEXT
UTP, FTP, S-FTP имеют приблизительно одинаковые электрические характеристики

Пример

Типичные ошибки?
Что измерено (Постоянная линия, Тракт, компоненты)?
Частоты?
Где, кем и чем были проведены измерения?
Стандарт?

Метод измерения компонентов

Измерения
Модули
RJ 45 UTP
RJ45 STP
Горизонт. кабели
UTP
FTP
S-STP
Шнуры
UTP
FTP
S-STP
Тракт
Элементы линков
Постоянная линия

Параметры компонентов
Коннектор
Затухание
< 0.4 dB на 100 MHz Кат.5
< 0.2 dB на 100 MHz Кат.6
< 0.32 dB на 250 MHz Кат.6
NEXT
> 45dB на 100 MHz Кат.5е
> 54dB на 100 MHz Кат.6
> 46dB на 250 MHz Кат.6
Кабели
Затухание (100MHz)
AWG 23 (0.58mm) 18,0 dB/100m Кат.7 SSTP
AWG 23-24 (0.55mm) 18,9 dB/100m Кат.6 SSTP
AWG 23 (0.58mm) 18,7 dB/100m Кат.6 UTP
AWG 24 (0.51mm) 20,3 dB/100m Кат.5
AWG 26 (0.14mm2) 30 dB/100m
NEXT (100MHz)
UTP, FTP >42 dB Кат.5
UTP, FTP >49 dB Кат.6
SSTP >90 dB Кат.7

Постоянная линия
Кабель S-FTP
Кабель имеет наибольшее влияние
NEXT кабеля лучше, чем у модуля
Для проверки качества монтажа должны быть измерены все кабели

Тракт (интерконнект)
Горизонтальный кабель S-STP
Коммутационный шнур S-FTP
Коммутационный шнур и разъемы влияют на тракт
Качественные горизонтальные кабели, плохие коммутационные шнуры --> выброшенные деньги
Для всех типов кабелей
Показан худший случай
90m
5m

Тракт
Горизонтальный кабель S-STP
Коммутационный шнур S-STP
Показано влияние модуля
2 модуля на 5-ти метрах --> NEXT становится хуже

Тестирование коммутационных шнуров

Измерения до 200 или 600MHz
UTP до 200 MHz
необходимость в лучших кабелях
Комбинация Модуль-Вилка-должны соответствовать--> Невозможно достичь необходимых параметров с использованием любых коммутационных шнуров.
Система R&M FreeNet обеспечивает параметры тракта для Класса E
Нет гарантии с другими Вилками!
S-STP до 600MHz
Возможны только с использованием специальных коммутационных шнуров
Возможно только с использованием 1/2-7/8 пар!!!
Модуль должен быть правильно подключен --> необходимо больше времени.
Система R&M FreeNet обеспечивает параметры тракта для Класса F до 600MHz на 1/2-7/8 парах
Нет гарантии если используются другие коммутационные провода

Выводы
Различия между трактами
Узнали влияние различных компонентов
Можете получить результаты измерений
UTP, FTP системы: доминирующим является влияние кабелей
Смешанные системы: доминирующими являются коммутационные шнуры
STP системы: доминирующими являются коннекторы
S-STP измерения до 600MHz нужны соответствующие соединительные компоненты и специальные навыки

Наши преимущества
Наилучшие параметры при собранных компонентах
«Easy lock» для кабелей
эффективное экранирование модуля
Сертификаты