Волновое сопротивление витой пары: Передача сигналов по витой паре

Передача сигналов по витой паре

PDF версия

PDF версия

22.05.200915.09.2021 Сети Статьи

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.

Витая 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.

 

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.

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

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. 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).

Рис. 3. Задержка сигнала между двумя проводами твинаксиального кабеля

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.

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

Глава 22: Витая пара (Twisted Pair)

« Предыдущая

Как уже не единожды упоминалось, самым распространенным кабелем, используемым при построении компьютерных сетей различного масштаба, является витая пара. Его отличает не высокая цена и широкая область применения в локальных сетях различной сложности. В этой главе, мы попытаемся выяснить, почему этот тип пользуется такой популярностью.

Основные определения и характеристики витой пары

Название «витая пара» этот тип кабеля получил благодаря тому, что состоит из попарно свитых между собой изолированных проводников на строго определенном промежутке. Такая структура способствует сокращению числа перекрестных наводок между проводниками. Характеристика этого кабеля позволяют ему успешно применяться при создании симметричных цепей (информация передается по принципу баланса).

 Симметричная цепь

 

Согласующие трансформаторы рассоединят приемник и передатчик один от другого при помощи гальванического метода. В это же время в сетевые адаптеры попадает разность потенциалов протяженной линии. В связи с этим существует 2 серьезных момента.

Первый: векторы напряженности электромагнитного поля каждого из проводников противоположно направлены, при этом суммарное ЭМИ отсутствует. Связано это с тем, что токи в любой точке идеальной витой пары равны по значению, и противоположны по направлению.

Идеальная витая пара – это линия, в которой проводники бесконечно плотно прилегают друг к другу, имеют бесконечно малый диаметр. Протекающий по ней ток стремиться к «0».

Второй – используя данный метод, становится невозможной передача постоянной составляющей. Такое положение вещей значительно ограничивает протокол передачи, но, при этом, внешние факторы не имеют на него существенного влияния. Этот момент проиллюстрирован рисунком 5.5. Здесь мы видим, что на сетевой адаптер результирующее  напряжение наводки не передается (синфазное напряжение).

 

Разновидности витопарных кабелей

Витая пара не относится к разряду «новых изобретений». На самом деле ее применяли в телефонии уже на протяжении многих десятилетий. На блага Ethernet витая пара заработала только в сентябре 1995 г. Своему появлению в новом качестве она обязана принятому в указанном году стандарту 10baseT. Такая витая пара обладала шагом скрутки проводов в несколько десятков сантиметров, была третьей категории и предоставляла относительно узкую полосу пропускания — не более 20 МГц. Компьютерные кабеля от телефонных отличались количеством пар: компьютерные имели четыре пары.

В 1995 году появляется новый стандарт кабеля — Level 5 и начинает работать Fast Ethernet. Новый стандарт подразумевал меняющийся для каждой из пар шаг скрутки в диапазоне от 2 до 32 миллиметров. Такая технология скрутки применялась для сокращения перекрестных наводок. Про перекрестные наводки мы поговорим ниже. Укажем, что данный вид кабеля позволяет передавать сигнал с частотой до 100 Мбит. Еще через 10 лет появился новый тип кабеля — Категории 5е. Он способен выдавать частоту до 125 МГц. Сейчас идут работы по созданию еще одного стандарта — Категория 7. Предполагается, что его частота будет достигать 600 МГц.

 Конструкция витой пары

 

Все конструктивные особенности данного вида кабеля наглядно представлены на рисунке. Самым распространенным считается тот кабель, который в одной оболочке имеет четыре пары. Бывают кабеля, имеющие две пары, но их использование предполагает отказ от большого числа существующих протоколов.

Для изготовления проводников используется медная проволока, ее толщина составляет от половины до 0.65 миллиметра в диаметре. Наряду с метрической популярностью пользуется и AWG система, с величинами 24 или 22 соответственно. Изоляция имеет толщину 0.2 миллиметра и изготавливается, в основном, из поливинилхлорида (PVC). Если рассматривается образец 5-й категории, то его обмотка обычно изготовляется из полипропилена (PP) или полиэтилена (PE). Для изготовления изоляции кабелей самого высокого качества используют вспененный полиэтилен. Он способен предотвратить диэлектрические потери. Также используют тефлон: уникальные свойства этого металла создают прекрасный диапазон рабочих температур.

Как показано на рисунке, кабель содержит специальную капроновую разрывную нить. Она предназначена для легкой и быстрой разделки оболочки. Благодаря ей мастер получает доступ к сердцевине кабеля не повреждая проводники дополнительными инструментами.

Внешнюю оболочку изготовляют из поливинилхлорида с добавлением мела (свойства мела обеспечивают оболочке хрупкость, которая необходима для точного облома на месте надреза), ее толщина от 0.5 до 0.6 миллиметров. Существует ряд кабелей, оболочка которых изготовлена из «молодых полимеров». Эти новые материалы не горят, а если нагреваются, то не выделяют галогены. К сожалению, кабеля с такой оболочкой стоят на много дороже обычных, поэтому их применение не носит массовый характер.

Чаще всего оболочка имеет серый цвет. Если оболочка оранжевого цвета, то она изготовлена из не подверженного горению материала. Этот вид кабеля применяют в закрытых областях. Не существует постоянного соотношения цвет/особые свойства. Разные цвета используются для отличия одного вида коммуникации от другого, что значительно упрощает работу мастера.

Обратим внимание на маркировку кабелей. В ней заключена информация о типе кабеля и его производителе. На кабеле так де отмечены длины — метры или футы.

Сердечник разных кабелей имеет различную конфигурацию. Качество укладки пар в кабеле зависит от его стоимости. В дешевых — они будут уложены хаотично. В дорогих- они будут скручены попарно или все четыре вместе. Последний тип позволяет значительно сократить ширину сердечника и повысить электрические характеристики. Причиной низкой популярности данного вида кабеля служит его цена — она слишком высока для не дорогих домашних сетей.

Внешняя оболочка может иметь и различную форму: круглую (обычная), плоская (прокладка по полу), овальная (если кабель имеет 2 пары).

Если проложить кабель необходимо с наружной стороны здания, то здесь применяют кабель с другим типом оболочки- она имеет влагостойкое свойство. Так же пустоты в кабеле часто заполнены специальным водоотталкивающим гелем. Такой кабель бронируют гофрированной лентой.

По наличию (или отсутствию) экрана, различают несколько типов кабелей:

1. UTP (unshieldedtwistedpair), что означает незащищенная витая пара (НЗВП), то есть кабель, витые пары которого не имеют индивидуального экранирования;
2. FTP (FoiledTwistedPair) — фольгированная витая пара. Имеет общий экран из фольги, однако у каждой пары нет индивидуальной защиты;
3. STP (shieldedtwistedpair) — защищенная витая пара (ЗВП), каждая пара имеет экран;
4. ScTP (ScreenedTwistedPair) — экранированный кабель, который может как иметь, так и не иметь защиту отдельных пар;

В этих технологиях экраны изготавливаются из плетеной медной проволоки, которая обеспечивает высокую степень защиты от низкочастотных наводок. Так же применяют токопроводящую пленку. Ее функция — создавать барьер на пути следования электромагнитного излучения. Но в основном мастера применяют экраны, сочетающие в себе обе эти функции.

 

Результат, который дает использование этих экранов очевиден: с одной стороны снижен уровень электромагнитного излучения, с другой — сокращено число внешних наводок на витые пары.

 

Экраны отражают 10-20% наводок, это приводит к увеличению количества перекрестных наводок. Из-за этого растет затухание в кабеле. Связано это с добавочной емкостью между витой парой и экраном. Кроме всего этого, установка экранированной системы очень сложна и стоит гораздо больше денег. При монтаже необходимо избегать даже самых не значительных ошибок, т.к. в итоге можно получиться прямо пропорциональный ожидаемому эффект.

 

Таких ограничений и препятствий вполне достаточно, чтобы производители перестали применять FTP или ScTP. Однако в условиях повышенного уровня внешних помех или если существует вероятность «грозовой наводки», значение использования экрана трудно переоценить. Для кабелей, проложенных «под открытым воздухом» экраны незаменимы.

 

Как бы там ни было, если целью стоит создание домашней сети, то никаких экранов не создается. Экранирование линии используются только при заземлении. Такой подход к созданию домашней сети можно проиллюстрировать следующей аналогией: в промышленных помещениях витую пару прокладывают в металлических трубах.

 

Увеличение веса кабеля, довольно высокая стоимость, хорошие электрические показатели — это свойства экранированного сетевого кабеля. В связи с этим, рекомендуется использовать такой тип кабеля только в случаях крайней необходимости.

 

Если знать все эти перечисленные нюансы экранированных систем, то уже не вызывает удивление тот факт, что самыми популярными на сегодняшний день являются кабеля незащищенной витой пары (UTP).

 

Кроме рассмотренных двух типов кабельных систем, существует еще два типа кабеля, которые выполняют другие функции.

 

Первый тип — магистральные кабеля. Это та же витая пара, только здесь один кабель имеет от 10 до 100 пар в одной оболочке. Компаний, производящих такой вид кабеля очень много, ассортимент удовлетворит любого потребителя. Существуют многоэлементные, состоящие из собранных в пучок в одной оболочке витых пар, есть кабеля, объединяющие большое количество 2-х или 4-х парных элементов.

 

Второй тип — это разнообразные гибкие кабеля. Они служат для подключения коммутации и подключения оборудования абонентов сети. Эта часть сети подвержена самой сильной деформации, поэтому проводник такого кабеля состоит из семи тонких медных проволок. Для этих же целей в кабеле есть толстая, до 0,25 миллиметров, изоляция. Оболочка такого гибкого кабеля так же отличается повышенной износостойкостью.

 

Этот вид кабеля не используется на дальние дистанции (до пяти метров) из-за высокого уровня затухания.

 

Параметры, определяющие электрические свойства витой пары

Для определения электрических свойств витой пары, применяют стандартный набор параметров:

R – сопротивление
L – индуктивность проводников
G – проводимость изоляции
С – емкость

Эти же показатели характеризуют обычную направленную систему электромагнитных колебаний.

 Упрощенная эквивалентная электрическая схема витой пары

 

Показатель R характеризуют потери тепла в меди, а  G — в диэлектрике. Частотные свойства всей системы описываются показатели L и C.

Величина активного сопротивления (R, сопротивление постоянному току) зависит от размера самого проводника, материала из которого он изготовлен и от его температуры. Предельная величина такого сопротивления установлена стандартом EIA/TIA-568A. Его величина должна быть в пределах 19,2 Ом при условии короткозамкнутого шлейфа (длиной в 100 м.) при температуре 20°С. Для определения сопротивления используют обычный омметр.

Активное сопротивление увеличивается с ростом частоты сигнала. Это объясняется эффектом близости, который возникает вследствие прохождения тока по той части кабеля, которая обращена к другому проводнику. Если проводник уже 0,8 мм, то скин-эффект (вытеснение тока ближе к поверхности) будет почти не заметен. Однако оно все равно окажет влияние на эффективное сечение, но его величина будет не большой.

Величина G (проводимость изоляции) служит показателем качества материала, нанесенного на поверхность проводника. Сегодня принято не учитывать утечки связанное с несовершенством диэлектрика. Такие утечки могут составлять нескольких единиц гигаом. Таким образом, можно сделать вывод о том, что на проводимость изоляции оказывают влияние только расходы на поляризацию диполей материала диэлектрика.

Таких диполей очень много в поливинилхлориде, из которого изготавливается изоляция для кабелей витой пары низкой категории. Гораздо меньшее их количество в полиэтилене или тефлоне (как следствие, рассеяние энергии в них на порядок ниже), которые применяются в кабелях более высокого качества. Самый низкий показатель рассеивания характерен для вспененных материалов. Этот материал используется только для кабелей самого высокого качества.

Что касается показателя L (индуктивность), то она бывает внешней и внутренней. Внешняя индуктивность — ее величина зависит от геометрической формы и магнитных свойств материала, из которого изготовлен проводник. Внутренняя — возникает при протекании электрического тока, создающим магнитное поле. С ростом частоты ее величина может немного сократиться.

С — емкость конденсатора, созданного двумя проводниками. Эта величина не зависит от частоты. Ее значение изменяется только в зависимости от материала проводников, их размеров, формы и расстояния между ними. Емкость не должна превышать 5,6 нФ (согласно общепринятого стандарта).

Обратим Ваше внимание на тот факт, что при применении экрана увеличивается величина емкости примерно на 30 процентов. В результате падают эксплуатационные показатели таких кабелей.

 Частотная зависимость электрических свойств витой пары

 

Используя данные электрические параметры можно рассчитать волновое сопротивление.

Формула для расчета:    Z = v(R+jwL)/(G+jwC)

Для нужд Ethernet (высокие частоты) упрощают до: Z = vL/C. Допустимая ее величина 100 ± 15% Ом.

С помощью волнового сопротивления можно охарактеризовать тракт передачи электромагнитной энергии. Если тракт не однороден, то часть сигнала начинает отражаться и снижается уровень качества линии. Из этого можно сделать вывод: все составные части сети (в том числе сетевые адаптеры) обязательно должны быть согласованы (у них всех должно быть равное волновое сопротивление).

Низкий уровень качества монтажа кабелей — это основная причина неоднородности волнового сопротивления (все возможные типы деформации: перекручивание, изгиб и т.п.).Гораздо более углубленно этот вопрос мы рассмотрим в главе, посвященной рефлектоскопии.

Следующая »

Каково общее сопротивление витой пары?

9 мая 2022 г. Автор Eric Bogatin 1 комментарий

Понимание импеданса в кабелях с витой парой поможет вам избежать проблем с сигналом.

Витая пара, такая же, как в кабелях Ethernet, предназначена для экономичной передачи дифференциального сигнала. Это межсоединение с дифференциальной парой, хотя проводников всего два. Как мы можем понять эту взаимосвязь, особенно когда мы хотим подумать об ее общем импедансе?

Секрет понимания свойств витой пары как дифференциального межсоединения заключается в определении третьего проводника: земли. В данном контексте я не имею в виду заземление. Я имею в виду землю, как и пол.

Витые пары обычно используются в кабелях связи, таких как Ethernet и последовательные порты.

Каждая дифференциальная пара состоит из двух несимметричных линий передачи — без исключений. Каждая из двух несимметричных линий передачи в витой паре на самом деле состоит из сигнальной линии (одного из проводов в паре) и ее обратного пути. В кабеле с неэкранированной витой парой, таком как кабель категории 5, обратный путь представляет собой сложную структуру, состоящую из интерференционных полей к шасси, к соседним проводам в кабеле и к любой близлежащей проводящей поверхности, которой обычно является земля, как в проводнике. пол. Это будет меняться по мере перемещения кабеля и изменения близости к полу или близлежащему металлу.

Несимметричные свойства каждой линии передачи в витой паре ужасны. Это не очень контролируемый импеданс. Несимметричный импеданс кабеля изменяется по его длине в зависимости от положения местных проводников.

Когда мы запускаем дифференциальный сигнал по двум линиям передачи, он на самом деле состоит из двух несимметричных сигналов, распространяющихся в одном направлении. Один — положительное напряжение, а другой — отрицательное напряжение. Обратные токи этих несимметричных сигналов проходят по сложному и запутанному пути, но обычно они следуют одному и тому же пути. Они компенсируют друг друга, потому что циркулируют в противоположных направлениях.

Чем больше обратные токи несимметричных линий передачи перекрываются и компенсируются, тем меньше влияние извилистого обратного пути на дифференциальный сигнал. Таким образом, витая пара обеспечивает очень чистый и равномерный дифференциальный импеданс.

Общий сигнал отличается. Общим сигналом является одинаковое напряжение на обеих линиях. Обратные токи этих двух линий передачи перекрываются, но поскольку обратные токи общего сигнала циркулируют в одном направлении, они просто складываются на обратном пути.

Профиль общего импеданса покажет изменение импеданса из-за этого извилистого обратного пути, и обычно это будет очень высокий импеданс.

На приведенном ниже графике показан пример измеренного профиля дифференциального и общего импеданса для витой пары, извлеченной из кабеля категории 5 и разложенной по поверхности стола.

Этот профиль импеданса показывает, как дифференциальный импеданс может оставаться постоянным по частоте, в то время как синфазный импеданс может меняться.

Типичное общее сопротивление неэкранированной витой пары варьируется от 100 до 200 Ом. Пока на витой паре нет общих сигналов, вам не нужно заботиться об общем импедансе. Задача состоит в том, чтобы предотвратить попадание обычных сигналов на витую пару.

Рубрики: Основы, Синхронизация EE, Электрика/Инструменты, Ethernet, Часто задаваемые вопросы, Рекомендуемые, Промышленность, IoT С тегами: faq

Калькулятор импеданса кабеля

| Коаксиальный, Витая пара…

Создано Álvaro Díez

Отзыв Стивена Вудинга

Последнее обновление: 02 февраля 2023 г.

Содержание:

• Как использовать калькулятор импеданса кабеля Omni
• ?
• Формула импеданса: Как рассчитать импеданс?

«Что это за калькулятор импеданса кабеля?» Вы можете спросить. Не волнуйся. Мы углубимся в это, в то, что такое импеданс, и в формулу импеданса. Просто краткое изложение, чтобы напомнить вам о том, что вы уже знаете, или чтобы вы быстро узнали о различиях между импедансом и сопротивлением, если вы только начинаете. Поэтому читайте всю необходимую информацию об импедансе витой пары или коаксиального кабеля и, самое главное, необходимые цифры!

Как пользоваться калькулятором импеданса кабеля Omni

Давайте к делу; если вы пришли сюда за номерами , мы расскажем как их получить. ЕСЛИ вы посмотрите налево, вы увидите калькулятор. Как и во всех калькуляторах от Omni, вы вводите числа, и он автоматически выдает результаты, не нужно нажимать никакую кнопку , как пещерный человек.

Шутки в сторону, под этим калькулятором импеданса кабеля происходит еще кое-что. Конечно, мы снабдили двигатель соответствующими уравнениями импеданса, чтобы получить правильные результаты, но мы также «обучили» калькулятор, какие переменные вам нужны для каждого типа кабеля.

Я мог бы добавить, что если вы хотите рассчитать электрический импеданс цепи, у них есть отдельный калькулятор согласования импеданса и калькулятор импеданса печатной платы для различных проводников, смонтированных на печатной плате.

Из-за геометрии импеданса коаксиального кабеля необходимо знать диаметр внутреннего провода и внешнего экрана. Однако кабель с витой парой требует диаметра проводников и расстояния между ними; экранирования нет. Но вам не нужно об этом помнить; калькулятор будет показать только релевантные переменные для ваших расчетов.

Таким образом, получить номера так же просто, как 1 (выберите тип кабеля), 2 (запишите значения), 3 (наслаждайтесь автоматическим отображением результатов) . Мы буквально не можем облегчить вам задачу.

Но мы могли бы сделать его более полным, верно? Да и у нас есть. Потому что, когда вы пытаетесь найти импеданс кабеля, вам обычно нужны такие значения, как частота среза (для коаксиальных кабелей), емкость, индуктивность и задержка сигнала. Мы также встроили их в калькулятор, чтобы вам не нужно было искать где-то еще.

Однако калькулятор не может вам объяснить, как мы получаем эти цифры, что такое импеданс или чем импеданс коаксиального кабеля отличается от импеданса витой пары. Это калькулятор, а не « объяснитель «.

Определение импеданса: Что такое импеданс?

И именно поэтому у нас есть текст, сопровождающий калькулятор, объясняющий, как он работает, научные принципы и почему вы хотите его использовать. Вам, вероятно, не нужно почему; вы, вероятно, пришли сюда, потому что вам нужно это значение для чего-то, что вы делаете. Но некоторым из вас, особенно тем, кто начинает заниматься электроникой, может понадобиться освежить в памяти понятие импеданса.

Итак, начнем с определения электрического импеданса и разницы между импедансом и сопротивлением. Электрический импеданс — это эффективное сопротивление материала по отношению к потоку переменного тока (AC). Проще говоря, при переменном токе импеданс эквивалентен сопротивлению при постоянном токе. Мы не говорим о сопротивлении переменного тока, потому что импеданс также включает реактивное сопротивление материала при изменении направления тока.

Это все прекрасно, но знание того, что есть что-то, не означает, что вы можете рассчитать его стоимость. Вот почему после того, как мы углубились в определение импеданса, нам обязательно нужно перейти к формуле импеданса, математическим инструкциям о том, как рассчитать импеданс.

Формула импеданса: Как рассчитать импеданс?

Прежде чем дать вам уравнение импеданса, я должен быть откровенен: не существует уникального уравнения импеданса . Несмотря на множество различий между импедансом и сопротивлением, у них есть одна общая черта: они оба являются свойствами материала. Они зависят от геометрии и конфигурации материала, то есть для определенных проводников существуют формулы импеданса, но, к сожалению, единой окончательной формулы импеданса не существует.

Это правда, что если бы у вас был доступ к схеме, вы могли бы попытаться измерить ВАХ и оттуда получить значение импеданса. В этот момент вы не столько вычисляете по уравнению, сколько косвенно измеряете.

Ситуация, с которой мы хотим вам помочь, — это ситуация, с которой вы обычно сталкиваетесь при проектировании кабельных трасс для передачи переменного или радиочастотного сигнала (в вашем случае проверьте конвертер радиочастотных единиц). В такой ситуации вы захотите узнать импеданс, емкость, задержку и т. д. витой пары или коаксиального кабеля, прежде чем что-либо строить или покупать, используя только спецификации производителя кабелей.

Итак, давайте посмотрим, как рассчитать импеданс в данной конкретной ситуации. Первое, что нужно знать, имеем ли мы дело с коаксиальным кабелем или с витой парой . Должно быть достаточно легко разобраться с этим, учитывая конструкцию вашей схемы, документацию производителя и т. Д. После того, как вы это сделаете, вам понадобятся геометрические размеры кабелей и их проводников.

В частности, необходимо знать эффективный диэлектрик подложки (материала вокруг проводника), называемый εr\varepsilon_rεr​, диаметр внутреннего проводника (единственного проводника в случае витой пары) ddd, а затем внутренний диаметр внешнего экрана (для коаксиального кабеля), называемый DDD, или расстояние между проводами (для витой пары), обозначаемое как sss.