Для чего нитки в кабеле

Как работает витая пара и как происходит передача данных

Содержание

Содержание

Современный компьютер обязан быть подключенным к интернету. Если раньше это было прихотью владельца, то сейчас некоторые игры и программы без него не работают. Тем не менее, владельцы чаще обращают внимание на скорость оперативной памяти или частоту монитора, а качество сетевого оборудования остается на втором плане. Тем не менее, простой провод от роутера к компьютеру имеет много характеристик, и они могут влиять на стабильность соединения. Что такое витая пара, почему она витая, и откуда в ней берется интернет — разбираемся в нашем материале.

Информация передается по проводам: длинным, коротким, медным и даже стеклянным. В мире так много проводов, что, если связать их в один, то можно провести интернет на Луну и обратно. Однако, даже если это осуществимо, такой интернет гарантированно не будет работать. Потому что, кроме самого провода, есть еще тонна условий, при которых работает витая пара. Это категория проводника, тип, материал провода, качество экранирования, помехоустойчивость и многое другое. Все это определяет качество работы сети и распространяется как на многокилометровые линии связи, так и на домашних коротышек.

А для тех, кто предпочитает использовать беспроводные сети, можно посмотреть, какую точку доступа подобрать и как это сделать правильно:

Как витая пара передает сигнал

Для кого-то будет открытием, что по кабелю передаются не биты и байты, хотя технику мы называем цифровой. На самом деле, в проводе нет никакой информации, а только напряжение. Один компьютер задает вопрос, другой отвечает, и все это происходит с помощью передачи вольтажа через витые пары.

Для передачи информации компьютер делит ее на биты. Затем они шифруются в двоичную систему и передаются по кабелю. В это время информация выглядит как простые электрические импульсы разной длительности (частоты) и с разным вольтажом. При этом, передаются два сигнала: один с положительным напряжением, другой — с отрицательным. Принимая сигнал, дешифратор складывает напряжения и в сумме получает ноль. Таким образом, зная вольтаж, длительность импульса и разницу напряжений, сетевая карта понимает, какой код ей посылает собеседница.

С точки зрения простого человека без физико-математической корочки в кармане такое объяснение будет понятным и достаточным, чтобы представить, что творится в витой паре во время передачи сигнала. В информатике этот процесс называется манчестерским кодом и это находится на первом уровне OSI. Так называют 7 уровней движения информации от бита к понятному для человека изображению на экране. Движение электрических или световых сигналов это первый, «физический» уровень. Там и работает витая пара.

От советской лапши к современному UTP

Для передачи высокочастотного сигнала не всегда использовался провод с несколькими витыми парами. Не будем заглядывать в историю совсем далеко, а остановимся на времени, когда телефония уверенно поселилась в каждой квартире 80-х. Вполне реально, что у кого-то и до сих пор работает телефонный аппарат по старой DSL-линии. Он подключен таким проводом:

Это телефонный провод ТРП для прокладки сети в помещениях. В народе его называют лапшой из-за сходства с плоскими макаронами. Обычно используется для «доводки» сигнала к нужному месту. Сейчас таким проводом сигнальные линии не ведут, а используют современные UTP патч-корды.

Еще один способ передать высокочастотные данные на средние расстояния — коаксиальные провода. Сигнальный провод защищен от наводок экранированием:

Коаксиальный кабель используют и сейчас, например, в радио и спутниковой связи, а также в антеннах для приема цифрового или аналогового телевидения. Впрочем, его могут применять везде, где необходимо соединить между собой два чувствительных к помехам устройства.

Помимо «домашних» и всем известных проводов, в современных сетях есть и другие. Это многожильные провода-трассы с 25 парами, экранированные и усиленные, а также оптоволоконные проводники с разным количеством стеклянных жил, в том числе и витые пары.

Для чего так много разновидностей витой пары

С помощью витой пары соединяют не только роутер и компьютер. Есть более глобальные применения. Так, один проводник предназначен только для помещений, а другой способен работать на улице под прямыми лучами солнца. Первый растянется и испортится на больших расстояниях, а другой спокойно выдержит вытягивание на десятки метров. Где-то достаточно протянуть простой провод без экрана, а в другом месте будет много посторонних сигналов, поэтому и провод нужен соответствующий. Для этого предназначены разные типы витой пары.

UTP — самый простой и нежный кабель. Не защищен от внешних помех, а также не любит растягивание. Зато он мягкий и хорошо сгибается. Подходит для дома и офиса.

FTP — то же самое, но с дополнительным экранированием. То есть, все пары закутаны в фольгу. Имеет те же физические плюсы и минусы первого варианта, только более устойчив к помехам. Такие провода — минимум для использования в производственных помещениях с посторонними помехами.

STP — все то, что есть в предыдущих, плюс защитная металлическая оплетка.

SFTP — каждая пара завернута в собственную фольгу, а общий провод защищен металлической оплеткой.

U/FTP — каждая пара в фольге, остальное все как у UTP.

F/FTP — для каждой пары фольга, плюс общая для всего провода.

SF/FTP — каждая пара экранирована, плюс весь провод защищен металлической оплеткой, а для жесткости добавляют стальную проволоку. Это провод для построения длинных трасс.

Для домашнего интернета вполне хватает простого UTP. Максимум — FTP, если это многоквартирный дом и нужно защитить сигнал от микроволновок и роутеров с точками доступа 5 ГГц. Остальные используются для прокладки внешних линий между зданиями или на большое расстояние, где сигнал обязательно защищают от внешних помех и стремятся максимально сохранить качество.

Категории витой пары

Категории витой пары определяются основными характеристиками провода: максимальная частота сигнала и толщина проводника. Чем выше допустимая частота в проводе, тем лучше его качественные показатели и способность удерживать скорость на протяжении десятков метров. В основном используются «5e» и «6» категории, хотя всего их 10:

Между прочим, та самая «лапша» — это витая пара Cat. 1, и она до сих пор встречается в частных жилых секторах под ADSL. Остальные категории вышли из обихода (2, 3, 4) или еще не нашли широкого применения в домашних сетях (6a, 7, 7a). Тем не менее, это вопрос времени, так как соединения со скоростью более 1 Гбит/с уже существуют и предлагаются провайдерами.

Другие характеристики

С категорией витой пары определиться несложно, потому что в компьютерных магазинах пользователю вряд ли предложат что-то, кроме проводов Cat. 5e или Cat. 6. Гораздо важнее выбрать провод по другим параметрам.

Во-первых, учитываем материал, из которого сделаны жилы витой пары. Самый дешевый и доступный вариант — это алюминий. Проводит электричество в 1,7 раза хуже меди, любит окисляться при контакте с кислородом и не любит изгибы. Как основа для качественной сигнальной трассы сразу отметается, даже если это домашняя сеть со скоростью до 100 Мбит/с. Единственный плюс такого провода — дешевое производство.

Чуть лучше — омедненный алюминий. Все то же самое, только алюминий покрыт нанослоем меди для защиты от окисления. Проходим мимо.

Единственно верный путь — чистая медь. Это лучшая электропроводность, устойчивость к окислению, стойкость к изгибам и гарантия стабильности в месте соединения провода и клеммы. Разумеется, это самый дорогой провод из витых пар.

Однако наличие проводников из чистой меди составляет только половину дела. Медный провод производить дорого, поэтому и здесь есть нюансы. Следующий важный параметр, который указывает на качество проводника — это толщина медной жилы. Тут тоже есть свои стандарты:

Чем больше диаметр, тем меньше сопротивление линии, а значит, выше скорость передачи информации на большие расстояния. В обычных сетях используют 23-24 AWG, и этого достаточно. Тем более, что фанатично искать провод с «толстыми» парами не стоит хотя бы из-за стандартов ISO. Они говорят, что 22-24 AWG — это разумные пределы для того, чтобы провод без проблем помещался в контактах коннекторов и розеток (до 0,64 мм). Впрочем, если говорить о домашних сетях, то AWG 24 — это разумный предел для любых систем и скоростей.

Витая пара бывает одножильная и многожильная. Провод с цельными жилами подходит для разводки сети по стенам, в кабель-каналах или для организации длинных трасс. Физические и электрические свойства цельного медного провода лучше, чем у многожилки. В основном это прочность и помехоустойчивость. Многожильный провод применяется для сборки заводских патч-кордов. Его свойств достаточно для передачи информации между устройствами на небольшом (до 5 м) расстоянии. Он хорошо принимает форму и устойчив к изломам.

Несмотря на стандарты в Cat. 5e, производители могут выпускать провода с двумя парами вместо четырех. Количество пар играет роль в сетях со скоростью выше 100 Мбит/с. Учитываем этот момент и берем полноценный кабель со всеми парами, чтобы потом спокойно переключиться на высокоскоростной тариф, подключить видеонаблюдение и смотреть фильмы в 4К без проблем с пропускной способностью.

Хорошему проводу — хорошая изоляция. Качественная витая пара должна защищаться толстой, но мягкой оболочкой. Тогда провод будет легче свернуть, направить в кабель-канале, а еще он не перетрется и будет уверенно держаться в клипсе сетевого разъема. Хорошая изоляция — это также защита от потери сигнала на больших расстояниях, где полимерное покрытие проводника работает как электромагнитный диэлектрик.

Коннекторы RJ-45

Registered Jack — стандартизированный разъем. Как и витая пара, коннектор имеет разные категории и уровни качества.

Для каждого типа витой пары применяется свой разъем. Для проводов Cat. 5 и 5e используют первый вариант (см. изображение выше). Он знаком каждому пользователю и способен переварить толщину проводников до 24 AWG. Более ничем не примечателен.

Для построения экранированных сетей используется джек Cat. 6. Он может зажимать провода до 23 AWG, а также имеет металлический корпус, который соединяется с фольгой в проводе и создает единый помехоустойчивый контур между устройствами.

Соответственно, для проводов высших категорий есть другие коннекторы. Но это серверный уровень и домашний пользователь вряд ли столкнется даже с коннекторами типа 6a.

Пригодность разъема для разного типа проводов диктуется не только размерами клипсы, что удерживает провод в разъеме, но и типами ножей, которые пробивают оболочку каждого провода в паре и соединяются с медью. А еще качеством позолоты контактов.

Почему пар несколько и за что они отвечают

Для приема и передачи данных в проводе используется два способа расположения витых пар в коннекторах. Это прямой и перекрестный обжим. Для современных сетевых устройств нет разницы в распиновке, потому что устройства умеют делать это автоматически на уровне разъема. Поэтому в основном используется прямой обжим и соответствующая ему распиновка пар:

В соединениях до 100 Мбит/с данные передаются только двумя парами: одна занимается отправкой сигнала (называют TX), другая приемом (RX). То есть, Transfer и Receive. Причем в каждой паре оба провода работают в одном направлении. Только по одному бежит положительное напряжение, а в другом — отрицательное. Это мы разобрали в начале статьи. Остальные пары задействуются под нужды PoE (подключение IP-камер), телевидения или телефонии. Для работы высокоскоростных линий задействуют все четыре пары.

Провода обозначают стандартными цветами, где каждая пара имеет свой основной цвет. Это сделано для удобства, так как прозванивать восемь одноликих проводов при каждом обжиме —занятие утомительное. Физической разницы между парами нет, главное, чтобы провод был обжат одинаково с обоих концов.

Почему пара «витая» и что такое экранирование

По проводу передаются электрические импульсы с высокой частотой. В самом начале эти импульсы сильные и отчетливые, а к концу провода их амплитуда снижается. Это называется затуханием сигнала или «вносимыми потерями». Отношение силы выходного сигнала в начале провода к силе входного сигнала в конце измеряют в децибелах. Чем выше разница, тем хуже качество сигнала. Обычно сигнал портится на больших расстояниях, если спецификации витой пары не соответствуют заявленным или нарушаются правила построения сетей. Немалую роль в качестве сигнала играет материал проводников, их правильный обжим в коннекторе, а также защита от собственных и внешних наводок.

Как сократить потери сигнала на длинных трассах:

То есть, если нужно передать сигнал на очень большое расстояние, то без репитера это не получится. Принцип работы такой же, как и у повторителя для WiFi: берется редуцированный сигнал, преобразуется в исходный по мощности и отправляется следующей станции или адресату. Для этого есть специальные устройства — экстендеры Ethernet. Или роутер (он же свитч). То есть, если сигнал тухнет через каждые 100 метров, то можно переподключать линию на свитчах и передавать сигнал дальше. Но это в теории.

На практике сигнал в витой паре перемешивается с различными помехами. Это сигналы сотовой сети, радиосигнал роутера, высокочастотные волны от микроволновой печи и даже низкочастотный шум от двигателя автомобиля. Помимо этих явлений есть и внутренние, когда одна пара вносит паразитные сигналы в другую пару и возникают перекрестные помехи.

От внешних воздействий на сигнал провод защищают алюминиевой фольгой. В зависимости от типа и категории провода, такая фольга может защищать каждую пару отдельно или весь провод целиком. Для защиты от сильных помех также используют металлическую оплетку.

Для снижения наводок между пар придумали другой способ — витые провода:

Из начальной физики мы знаем, что движение электричества в проводе создает электромагнитное поле. Это поле может влиять и взаимодействовать на поле и сигнал других проводов. От таких наводок нельзя избавиться, но ими можно управлять. Для этого все пары в проводе смещены относительно друг друга и имеют одинаковый шаг витка. Таким образом, влияние помех распределяется равномерно и становится предсказуемым для передатчиков.

Вместо тысячи слов

Если поднимать всю теорию о витой паре, возвращаемых сигналах, помехах и различных электромагнитных явлениях, можно написать диссертацию, магистерскую работу, а может и диплом для технического ВУЗа. Тем не менее, общее понимание работы витой пары мы рассмотрели. Этого должно быть достаточно, чтобы любой пользователь (особенно гуманитарий) мог прочитать статью и выбрать хороший провод для своей сети. И построить ее так, чтобы потом не пришлось все переделывать.

Пошаговая инструкция по выбору хорошего провода для дома:

Источник

Знаете ли вы, зачем скручивают витую пару?

С витой парой мы сталкиваемся каждый день, ведь такой кабель применяется для прокладки локальных сетей, подключения к сети интернет, в слаботочных системах, видеонаблюдении и т.д. Как правило, он состоит из 2, 4 или более пар токопроводящих жил небольшого диаметра. Жилы скручены друг с другом с определённым шагом и покрыты общей оболочкой с экранированием или без него.

Кстати, название «витая пара», можно сказать, народное, устоявшееся в профессиональной среде. Если обратиться к нормативно-технической документации России, правильнее будет –«симметричный кабель связи» (ГОСТ Р 54429-2011).

Но верное название кабеля не самое интересное в этой истории. Знаете ли вы, почему витую пару скручивают, а жилы проводов или кабелей питания обычно прямые? Давайте разбираться!

С чего всё началось…

Во второй половине XIX века для телеграфов, а затем и для телефонных линий использовались прямые провода, проложенные параллельно по опорам. Но при бурном техническом прогрессе появлялось всё больше и потребителей электроэнергии, и абонентов телефонных сетей. Соответственно, приходилось протягивать больше кабельных линий.

Как известно, при протекании электрического тока через проводник возникает магнитное поле, а если проводник поместить в изменяющееся магнитное поле, то через него потечёт ток. Именно поэтому токи в силовых кабелях наводят помехи в сигнальных линиях, если они расположены рядом. То же самое происходит, если рядом расположено много сигнальных линий — они создают помехи друг для друга и искажают сигналы. Если помех слишком много, то передача сигнала становится и вовсе невозможной — принимающее устройство просто не поймёт, что ему было передано.

Конечно, инженеры начали искать решение проблемы. В конце XIX века посчитали, что лучший метод борьбы с помехами – транспозиция. И через каждые несколько опор меняли местами два сигнальных провода.

Иное решение предложил в 1881 году Александр Белл. Он запатентовал новый вид кабеля, который состоял из одной или нескольких пар изолированных друг от друга жил, причем жилы каждой пары скручивались между собой. Так и появился прообраз современных витопарных кабелей. К 1900 году все телефонные линии в США были проложены витой парой.

Зачем делить кабель связи на два?

Есть два основных способа передавать любой электрический сигнал — по одному проводу относительно земли или какой-либо точки с условно нулевым потенциалом, либо по двум проводам, не привязываясь к общим точкам.

При передаче сигнала по двум проводам каждому положительному сигналу в одной жиле соответствует отрицательный сигнал в другой жиле, это называют дифференциальным сигналом.

Так как на проводах в паре напряжения сигналов противоположны, а токи текут в разные стороны, то и электромагнитные поля, порождённые током в каждой из жил, компенсируют друг друга. И даже если возникают помехи, они наводятся на обоих проводах так, что сигнал практически не искажается. Тогда как при передаче несимметричного сигнала помеха может привести к «ложным» единицам и нулям при передаче, что вы и можете видеть на рисунке 1.

А зачем ещё и скручивать жилы?

Дифференциальный сигнал полностью проблему с помехами не решает. Если передавать его с помощью кабеля с параллельно уложенными жилами, то положительного эффекта не будет. Дело в том, что в такой конструкции кабеля невозможно обеспечить одинаковое расстояние между жилами каждой из пар. Для улучшения связи между жилами их скручивают, причем шаг скрутки проводников обязательно должен быть одним и тем же по всей длине кабеля – не может быть такого, что в начале жилы скручены с шагом в 1 см, в середине кабеля шаг 5 см, а на конце – 0,5 см.

Равномерная скрутка будет работать, если в кабеле одна пара жил. Но представим, что в кабеле несколько пар, тогда сразу появляется ещё одна проблема — перекрёстные помехи или просто наводки помех одной парой на другую.

Как добиться, чтобы скрученные пары одного кабеля меньше влияли друг на друга? Для этого каждую пару жил скручивают с разным шагом, подобное решение используется в витой паре категории 5 и выше.

Шаг скрутки у разных пар отличается.

Сигнал же цифровой, а он помех не боится…

Зачем вообще думать о помехах, ведь цифровой сигнал их не боится? Действительно, цифровой сигнал по сравнению с аналоговым гораздо более устойчив к помехам. Но есть один нюанс – в аналоговых линиях передаётся сигнал относительно низкой частоты, например, частота звукового сигнала лежит в слышимом диапазоне – до 20 кГц. Но частота сигнала в интернет-кабеле находится в диапазоне от 100 до 1000 МГц.

Чем больше частота сигнала, тем сложнее его передавать, так как он становится более уязвим к помехам, качеству монтажа, кабеля, разъёмов и сопутствующего оборудования. Конечно, можно использовать меньшие частоты, но тогда снизится скорость передачи данных. Таким образом, помехи снижают пропускную способность линии.

Подведём итоги

Чтобы снизить количество помех и повысить пропускную способность кабеля, используют дифференциальный сигнал. Для того, чтобы избавиться от внешних и перекрёстных наводок, жилы скручивают с разным шагом. Но это не все методы борьбы с помехами. В кабелях витая пара применяют экранирование фольгой или добавляют как общий для всех жил экран из оплетки медными лужеными жилами, так и индивидуальный экран на каждой жиле (в кабелях категории 7, 7а).

Чем выше категория кабеля, тем больше частота сигнала, соответственно, растет скорость его передачи. Подробнее смотрите в таблице ниже.

Применение витой пары различных категорий

Источник

Кабели связи ТПП

Маркировка

Рассмотрим, к примеру, кабель ТППэпЗБбШп 20х2х0,4 с целью примера расшифровки:

Числовые обозначения расшифровываются следующим образом:

В кабелях ТСВ вторая и третья буквы расшифровываются так:

Для малопарных кабелей в маркировке добавляют букву М — МТППЗ, МТППэпЗ.
Кабели КАПЗ, КАПЗоп практически не отличаются от МТППЗ и расшифровка их такова:

Системы скрутки жил в кабеле типа ТПП

В кабелях ТПП жилы могут иметь повивную и пучковую скрутку.

Повивная скрутка

На сегодняшний день кабели с повивной скруткой уже не производят, но еще используют. Повивная система скрутки осталась такой же, как старом свинцовом кабеле типа ТГ (кстати ТГ расшифровывается, как телефонный голый). Пары делятся на слои, называемые повивами. В разных по ёмкости кабелях количество пар в каждом повиве различно.

Для наглядности картинка, показывающая расположение пар в повивном кабеле. ТПП 50 х 2.

Конструкция повивного телефонного кабеля (ТПП, ТПВ) 50 х 2

Повивной кабель имеет, как правило, бедную расцветку жил. Первая пара в повиве красная, вторая синяя, и она же задаёт направление счёта (по часовой или против), остальные одинакового цвета. Повивы разделены нитками и при снятии оболочки не распадаются; то есть, снимаем первую пару ниток, рассыпается последний повив, далее предпоследний. Надо сказать, что из-за сложности счёта в таком кабеле спайщики часто ошибались с подсчётом пар, либо вовсе игнорировали его. Жилы сращивались просто попарно без учёта счёта, а собирались на последнем этапе монтажа кабеля при прозвонке. Так что вся эта система не прижилась. Некоторый плюс повивного кабеля в меньшей толщине кабеля. Пары в нём укладываются плотнее и сотня повивная заметно тоньше сотни скрученной пучками.

Пучковая скрутка

В настоящее время кабеля ТПП (ТППэп, ТППэпЗ, ТСВ, ТПВ) выпускаются с пучковой скруткой, то есть пары скручены пучками по 5 или 10. В зависимости от общей ёмкости кабеля эти пучки свиваются. Пучки формируются при помощи двух ниток, обвивающих пучок по спирали. Так же пучок содержит цветную нитку или лавсановую ленту, отличающую один пучок от другого. Надо сказать, что не всегда эти нитки имеют оригинальные цвета, то есть в кабеле могут быть два — три пучка с одинаковой ниткой. Возможно производители кабеля ТПП (ТППэп, ТППэпЗ, ТСВ) предполагают, что пучки будут считать так же, как пары в повиве, но я не встречал спайщиков, которые бы на такой счёт полагались — обычно полагаются на прозвонку.

Расшивка кабеля ТПП 50х2 на плинт

Порядок распайки десятипарного телефонного кабеля на плинте определяется стандартом, в котором каждой паре проводников присваивается номер, соответствующий цветовой комбинации жил пары.

Распределительные боксы, которые устанавливаются в здании, позволяют связать многопарный магистральный кабель связи ТППэп.

Цветовой счет ТПП в соответствии со стандартом, учитывая, что счет на плинтах ведется с «0»:

Снимать изоляцию с проводников не надо, так как контакты плинтов содержат ножи, которые ее перерезают и обеспечивают электрическое соединение.

Источник