что означает термин затухание в передаче данных

Затухание сигнала в СКС

Согласно последним изменениям в стандартах в настоящее время используется термин вносимые потери, а не затухание. Но поскольку производители тестового оборудования используют термин «затухание» с 1993 г., в отчетах о проведенных тестированиях данный термин будут использовать и дальше.

Электрические сигналы, передаваемые по линии связи, проходя по ней, теряют часть энергии. Вносимые потери определяют количество энергии, которая теряется, пока сигнал достигает принимающего конца кабельной линии. Измерение величины вносимых потерь дает количественную оценку сопротивления кабельной линии при передаче по ней электрического сигнала.

Характеристики канала связи, связанные с вносимыми потерями, изменяются с частотой передаваемого сигнала; так, высокочастотные сигналы испытывают намного более высокое сопротивление. Иначе говоря, кабельные линии показывают более высокие значения вносимых потерь для высокочастотных сигналов. Следовательно, вносимые потери должны измеряться во всем используемом диапазоне частот. Например, если вы измеряете вносимые потери в канале категории 5e, то их значение нужно проверить для сигналов в диапазоне от 1 до 100 МГц. Для кабелей категории 3 частотный диапазон составляет от 1 до 16 МГц. Вносимые потери также возрастают с увеличением длины канала связи практически линейно. Другими словами, если линия «A» в два раза длиннее линии «B», а все остальные характеристики одинаковы, значение вносимых потерь для линии «A» будет в два раза больше, чем для линии «B».

Величина вносимых потерь выражается в децибелах (дБ). Децибел – это логарифм отношения величины выходной мощности (мощность сигнала, принимаемого в конце линии связи) к величине входной мощности (мощность сигнала, испускаемого в кабель передатчиком).

Затухание в кабеле в значительной степени зависит от типоразмера провода, используемого в составе пары. Провода калибра AWG24 будут иметь меньшее затухание, по сравнению с проводами той же длины калибра AWG26 (более тонкие). Кроме того, многожильные кабели будут иметь затухание на 20-50 % больше, чем сплошные(одножильные) медные провода. Полевое испытательное оборудование будет определять наихудшее значение затухания и необходимый запас, т. е. разницу между измеренным значением затухания и его максимальным значением, которое допускает выбранный стандарт. Следовательно, запас в 4 дБ лучше, чем 1 дБ.

Источник

Что означает термин затухание в передаче данных

Боб Кенни
директор по информационным кабельным технологиям в Prestolite Wire Cop.

Проводка с неэкранированными витыми парами оказала огромное влияние на сетевую инфраструктуру. Благодаря ей пользователи получили возможность использовать один тип кабельной системы для любых локально-сетевых приложений. Однако в последнее время решения на базе UTP стали куда как разнообразнее. На данный момент производители предлагают многочисленные разновидности проводки UTP от базовой Категории 3 до нестандартной пока Категории 6. В результате конечным пользователям становится все труднее и труднее разобраться в том, чем же отличаются различные типы проводки.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДКИ UTP

За последнее десятилетие проводка UTP претерпела значительные изменения. Рост потребностей сетей привел к появлению потенциального спроса на проводку UTP более высокого качества. Но прежде чем переходить к обсуждению достоинств проводки UTP, мы должны вначале разобраться в определяющих ее терминах.

Назначение любого сетевого кабеля состоит в передаче данных от одного устройства к другому. Такими устройствами могут быть терминалы, принтеры, серверы и т. д. Они могут подключаться к различным типам кабельных сред, включая оптический, коаксиальный, биаксиальный кабель, а также кабель с различными сочетаниями экранированных и неэкранированных пар. Выбор наилучшим образом подходящего для данного приложения типа проводки зависит от множества факторов, в том числе от удаленности конечных устройств, срока службы, уровня шума, требований защиты, финансовых ограничений, возможности последующего расширения и скорости передачи. Многие конечные пользователи рассматривают кабели с неэкранированными витыми парами как стандартную среду передачи, использование которой решает многие из перечисленных проблем.

Наибольшей популярностью UTP пользуется в качестве горизонтальной проводки, а именно для подключения настольных систем к телекоммуникационным шкафам (Telecommunication Closet, TC). Как следует из названия, UTP состоит из нескольких неэкранированных витых пар, окруженных общей оболочкой. Несмотря на наличие двух- и 25-парных кабелей, наибольшей популярностью пользуется четырехпарная проводка. Хотя в большинстве локально-сетевых сред, таких, как 10/100BaseTX, используется только две из четырех пар, новые рассматриваемые протоколы, в частности Gigabit Ethernet, будут задействовать все четыре пары.

ПОГОННОЕ ЗАТУХАНИЕ

Рисунок 1. Погонное затухание.

Одной из наиболее серьезных проблем для любой кабельной инфраструктуры является затухание сигнала. К сожалению, при передаче информации от устройства к устройству качество сигнала ухудшается. Так, при прохождении расстояния в 100 м по кабелю UTP сигнал 100BaseT обычно теряет значительную часть своей первоначальной мощности (см. Рисунок 1). Если эти потери окажутся чересчур велики, то принимающее устройство не сможет распознать передаваемые данные. Чтобы этого не случилось, комитеты по стандартизации налагают ограничения на допустимый размер потерь.

Потери характеризуются термином ‘погонное затухание’ или просто ‘затухание’. В случае UTP затухание определяет величину потерь при прохождении сигнала по проводящей среде и выражается в децибелах (дБ). Использование децибел в качестве единицы измерения имеет свои преимущества. Например, нетрудно запомнить, что при затухании сигнала на 3 дБ он теряет 50% своей мощности. В Таблице 1 показано, как децибелы соотносятся с потерянной мощностью сигнала.

Таблица 1

Затухание и ослабление
мощности сигналадБПроцент
потерь350675109015972099

Величина потерь зависит от конструкции кабеля, в том числе от размера проводника, состава, изоляции и/или материала оболочки, диапазона рабочих частот, скорости передачи и протяженности кабеля. Влияние первого фактора, размера проводника, наиболее очевидно. Обычно чем больше проводник, тем меньше потери. По этой причине во многих кабелях UTP старшего класса используются проводники 23 AWG вместо 24 AWG.

Резюме по затуханию:

ПЕРЕХОДНОЕ ЗАТУХАНИЕ

Рисунок 2. Переходное затухание.

Витая пара называется активной, если по ней передается сигнал. Активная пара, естественно, создает электромагнитное поле. Это поле может оказывать влияние на другие находящиеся поблизости активные пары (см. Рисунок 2).

Таблица 2.

Переходное
затухание
в дБНапряжение
на активной
пареРезультирующее
или «наведенное»
напряжение
в соседней
паре310,7610,51010,32010,1

Очевидно, появление шумов в соседних парах нежелательно. Как видно из диаграммы, чем больше величина переходного затухания в децибелах, тем меньше наведенное напряжение (т. е. шумы) в соседних парах.

Погонное затухание характеризует потерю сигнала. Следовательно, чем больше величина в децибелах, тем выше потеря сигнала. Однако переходное затухание характеризует потерю шума. В этом случае чем больше величина в децибелах, тем больше потери шума. И конечно, чем активнее затухает шум, тем лучше.

ВИДЫ ПЕРЕХОДНОГО ЗАТУХАНИЯ

Наиболее часто термин ‘переходное затухание’ используется вместе со словосочетанием ‘на ближнем конце’. Причина этого в том, что на ближнем конце, где сигнал имеет наибольшую мощность, он порождает мощное электромагнитное излучение (электромагнитные помехи). Рядом же с передатчиком по соседней паре идет ослабленный сигнал на приемник. Такая комбинация может иметь самые серьезные последствия для принимаемого сигнала, так как он оказывается под воздействием сильного соседнего поля. Это явление имеет место на ближнем конце, поэтому оно и выделяется.

Суммарное переходное затухание. Как отмечалось ранее, некоторые системы задействуют все четыре пары. При рассмотрении переходного затухания на ближнем конце мы исходили из того, что используются только две пары. Однако, если активны все четыре пары, как в стандарте на Gigabit Ethernet, они порождают значительно большие шумы.

Рисунок 4. Суммарное переходное затухание.

Здесь-то нам и понадобится такая характеристика, как суммарное переходное затухание. Оно учитывает влияние всех активных пар (см. Рисунок 4). Для примера мы взяли кабель с четырьмя парами. В случае 25-парной магистральной проводки эта величина имеет еще более важное значение, так как потенциально активными могут быть в шесть раз больше пар.

Переходное затухание на дальнем конце. Обычно данные передаются в одном направлении, а именно от передающего устройства к принимающему. Однако в некоторых системах данные передаются в двух направлениях. Такие системы называются полнодуплексными. В этом случае данные вводятся в кабель как на ближнем конце, так и на дальнем одновременно. Поэтому в случае полнодуплексной передачи шумы возникают как на ближнем, так и на дальнем конце. Ввиду этого переходное затухание на дальнем конце введено во многие новые спецификации.

Шум на дальнем конце измерить не так-то просто, потому что значительная доля шумов теряется или затухает по пути к тестовому устройству. Поэтому стандартной практикой является вычитание погонного затухания и учет только одних шумов. Величина ‘шумы минус затухание’ получила название приведенного переходного затухания на дальнем конце.

Рисунок 5. Стороннее переходное затухание.

Стороннее переходное затухание. Этот термин используется для описания перекрестных помех между кабелями. Данный эффект наиболее заметен, когда активны несколько пар в кабеле. В этом случае излучаемая отдельным кабелем энергия может быть достаточно существенна. В примере на Рисунке 5 шесть кабелей с четырьмя активными парами каждый окружают еще один четырехпарный кабель. Общее число активных пар равно 24. Все вместе они могут создать серьезные помехи для сигнала в центральном кабеле. В этом случае знание о стороннем затухании будет иметь важное значение для эффективного функционирования сети.

Резюме по переходному затуханию:

ИМПЕДАНС И ОБРАТНЫЕ ПОТЕРИ

Такое несовпадение неизбежно вызовет отражение энергии в точке разрыва (см. Рисунок 7б). Если импеданс обусловливает возможность несоответствия, то обратные потери характеризуют его последствия. Обратные потери (измеряемые в дБ) позволяют выяснить, какая доля сигнала теряется вследствие отражения.

Резюме по импедансу и обратным потерям:

ПЕРЕКОС ЗАДЕРЖКИ

Когда все четыре пары активны, сигналы должны прибывать согласованно. Измеряемый в наносекундах перекос задержки характеризует разницу во времени поступления сигналов по разным парам кабеля. Если эта разница окажется чересчур велика, то принимающее устройство будет не в состоянии восстановить сигнал. В конечном итоге это приведет к ошибкам и потере данных.

ЗАЧЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАТЬ ПРОВОДКУ?

Первые усовершенствованные версии проводки Категории 5 появились около пяти лет назад. Многие из обсуждавшихся выше параметров удалось улучшить за счет применения уникальных конструкций кабеля, в частности более тугой скрутки и внутрикабельных заполнителей. Цель этих усовершенствований состояла в подготовке пользователей к грядущим изменениям в технологиях локальных сетей.

Когда Категория 5 только появилась, лишь немногим системам был действительно необходим предоставляемый ею диапазон рабочих частот. Так, Ethernet на 10 Мбит/с и Token Ring на 4 Мбит/с разрабатывались в расчете на проводку Категории 3. Однако с появлением новых систем, таких, как 100BaseT и ATM на 155 Мбит/с, потребность в Категории 5 стала очевидной. В последнее время уже новые протоколы, в частности ATM на 622 Мбит/с и 1000BaseT, заставляют многих задуматься о достаточности Категории 5 для их реализации. Отсюда и тенденция к усовершенствованию UTP.

Что же такого особенного в этих сетях, что их появление привело к подобной тенденции?

Возросшие скорости передачи данных. Широкое распространение в современных сетях получили такие системы, как 100BaseT и ATM на 155 Мбит/с. Ввиду их сложности по сравнению с 10BaseT и его аналогами проводка для этих систем должна обеспечивать меньшее затухание сигнала, обладать лучшей устойчивостью к помехам и вообще быть более целостной.

Сложные схемы кодирования. В целях оптимального распределения энергии по диапазону частот системами типа 100BaseT используются многоуровневые схемы кодирования. Они имеют множество достоинств, в частности низкий уровень шумов. К сожалению, чем сложнее схема кодирования, тем чувствительнее система. Поэтому кабель не должен иметь разрывов импеданса, обладая при этом хорошей изоляцией.

Использование нескольких пар. В обычных сетях активны только две из четырех пар. Между тем пропускную способность можно значительно увеличить за счет использования всех четырех пар кабеля Категории 5. С помощью хитроумной электроники данные могут передаваться одновременно по нескольким парам и восстанавливаться в точке приема. Чтобы это стало возможным, кабель должен обеспечивать при прохождении сигнала как можно меньшие помехи между парами, когда активны все четыре пары. Это послужило толчком к сертификации кабелей Категории 5 на соответствие параметрам суммарного затухания.

КРАТКОЕ ОБОБЩЕНИЕ

Весь спор о необходимости усовершенствованной проводки можно свести к двум очень простым вопросам.

Рисунок 9. Показания тестового устройства NEWSLine компании LeCroy.

Поэтому просто установка усовершенствованной проводки UTP не дает гарантии повышения производительности системы. Пользователю необходимо продемонстрировать, что эти усовершенствования расширят возможности сети и/или улучшат ее характеристики. На Рисунке 9 показаны результаты измерений сигнала с помощью тестового устройства для сети 100BaseT компании LeCroy под названием NEWSLine. Используемый кабель соответствовал Категории 5. Нижний график соответствует исходному сигналу, а верхний показывает, каким сигнал становится после прохождения 100 м.

Тем не менее остается вопрос, каковы общие следствия для сети? В том, что UTP способен обеспечить соединение, сомнений не возникает. Однако гораздо более важное значение имеет способность UTP передавать данные согласованным образом и без ошибок.

Таблица 3 показывает влияние ошибок на пропускную способность сети 100BaseT Ethernet. Как было установлено, увеличение числа ошибок при передаче данных до одного процента приводит к снижению пропускной способности на 80%. Поэтому если усовершенствование проводки UTP способно предотвратить появление ошибок, то переход к проводке более высокого класса вполне оправдан. Улучшение таких параметров, как суммарное переходное затухание, стороннее переходное затухание и мощность сигнала, позволяет сократить вероятность ошибок в существующих и будущих сетях. Однако эти характеристики должны быть продемонстрированы и объяснены конечным пользователям.

Таблица 3.

Процент
повторных
передачПотенциальная
пропускная
способность (Мбит)01001202430,840,1650,32

Значение надежно функционирующей проводки UTP возрастает с увеличением скорости передачи данных. Такие системы, как 1000BaseT, потенциально в четыре раза более чувствительны, чем 100BaseT. Предотвращение ошибок является в обоих случаях обязательным для успешного функционирования сети. Используя такие устройства, как вышеупомянутый тестер компании LeCroy, конечные пользователи могут увидеть, как UTP влияет на характеристики сети. И в некоторых случаях переход на усовершенствованную проводку позволяет увеличить пропускную способность за счет предотвращения ошибок в передаче данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на наличие у усовершенствованной проводки UTP потенциала для расширения возможностей как существующих, так и будущих сетей, вопросы по-прежнему остаются: ‘Насколько нужны эти усовершенствования для вашей системы и чем они могут помочь для вывода ее на новый уровень?’ Только ответив на эти два вопроса, вы сможете отличить реальные потребности от мнимых.

Источник

Отношение затухания к наводкам – важнейшие параметры СКС

Качество передачи сигналов характеризуют два важнейших параметра: ACR и ELFEXT. ACR означает превышение сигнала над уровнем собственных шумов для двунаправленной передачи сигналов, ELFEXT – для однонаправленной.

Физический смысл терминов прост и понятен. В стандартах СКС большая часть параметров выражена в виде логарифмических величин, измеряемых в децибелах. Децибел – это десятая доля Бела. Бел – это степень десятичного числа. Один Бел равен десяти в первой степени, два – десяти во второй и так далее. Вычитание логарифмических величин равно делению арифметических чисел, сложение логарифмов означает умножение чисел.

Рис. 1. Затухание, наводки и их отношение при двунаправленной и однонаправленной передаче

ATT = 10 log (Р₃ прием / Р₃ пер)

Из другой пары наводится нежелательный сигнал, величина которого определяется параметром NEXT. Наводки, возникающие при передаче импульсов, характеризуются пиками напряжения. Наводки (NEXT) – отношение мощности сигнала, наведенного на входе в приемник смежной пары, к мощности сигнала на выходе передающей линии.

NEXT = 10 log (Р₃ нав / Р₁ пер)

Отношение затухания к наводкам (ACR) в логарифмическом виде – это разность ATT и NEXT. Обе величины отрицательны, а их разность положительна.

Это важнейший параметр передачи сигналов. В типичном случае (протоколы 10 BaseT Ethernet, 100 BaseT Fast Ethernet и другие) используются две пары. Передача сигналов идет в противоположных направлениях. Отсюда перекрестные или двунаправленные наводки.

Отношение затухание / наводки в логарифмическом виде:
ATT – NEXT = ACR
–24 + 27,1 дБ = 3,1 дБ
Отношение затухание / наводки в арифметическом виде:
ATT / NEXT = ACR
1/251 : 1/513 / = 2,04
Пересчет логарифмической величины в арифметическую:
3,1 дБ = 2,04 раза

Такого отношения сигнал / шум совершенно не достаточно для протоколов класса D (эффективная полоса частот 100 МГц). Точное соответствие категории 5 / классу D приводит в каналах максимальной длины к возрастанию коэффициента битовых ошибок (BER) в миллионы раз. Битые пакеты передаются повторно, реальная скорость передачи данных снижается. Но это уже проблемы стандартов.

На нижней части рисунка 1 показана упрощенная схема наводок однонаправленной передачи с двумя парами. Существуют и другие схемы. Протокол Fast Ethernet 100 BaseT4 использует две пары, передающие сигналы в противоположных направлениях и две других – в любом направлении в зависимости от нагрузки. В Gigabit Ethernet 1000 BaseT задействованы все четыре пары, передача идет одновременно в обеих направлениях. В результате приходится учитывать не только межпарные, но и суммарные наводки.

Приведенная схема позволяет увидеть соответствие параметров ACR и ELFEXT. Затухание, наводки и их отношение определяют по тем же формулам, что и для двунаправленной передачи:

ATT = 10 log (Р₃ прием / Р₃ пер)
FEXT = 10 log (Р₃ нав / Р₁ пер)
ELFEXT = ATT – FEXT

В схемах на рисунке 1 возникает по одному значению NEXT на каждом конце линии и два значения FEXT на одном конце линии. Удаленность точек измерения не имеет значения, поскольку наводки всегда измеряются на входе в приемник. Современные стандарты требуют тестирования четырехпарных кабелей на шесть комбинаций межпарных двунаправленных и по двенадцать комбинаций межпарных однонаправленных наводок на каждом конце линии. Кроме того, фиксируется по четыре комбинации суммарных наводок PS NEXT и PS FEXT также на обоих интерфейсах тестирования. Все эти наводки реально возникают и влияют на качество сигналов, попадающих в приемники пар при работе протокола 1000 Base T Gigabit Ethernet.

Результаты тестирования канала категории 6 в графическом виде дают наглядное представление о характере указанных наводок в диапазоне частот 1 – 350 МГц.

Источник

Что означает термин затухание в передаче данных

Когда сигнал проходит вдоль канала связи, его амплитуда уменьшается, поскольку физическая среда сопротивляется потоку электрической или электромагнитной энергии. Этот эффект известен как затухание сигнала. При передаче электрических сигналов некоторые материалы, такие, как медь, являются более эффективными проводниками, чем другие. Однако все проводники содержат примеси, которые сопротивляются движению o образующих электрический ток электронов. Сопротивление проводников вызывает преобразование некоторой части электрической энергии сигнала в тепловую энергию по мере продвижения сигнала по кабелю, что ведет к постоянному снижению уровня электрического сигнала. Затухание сигнала выражается потерей мощности сигнала на единицу длины кабеля, обычно в децибелах на километр (дБ/км).

Рис. 2.5. Затухание сигнала

Для затухания устанавливается предел для максимальной длины канала связи. Это делается для того, чтобы гарантировать, что прибывающий на приемник сигнал обладает достаточной амплитудой для надежного распознавания и корректной интерпретации. Если канал превышает эту максимальную длину, на его протяжении для восстановления приемлемого уровня сигнала должны использоваться усилители или повторители (repeater).

Рис. 2.6. Повторители сигнала

Затухание сигнала увеличивается с ростом частоты. Это вызывает искажение реального сигнала, содержащего диапазон частот. Например, у цифрового сигнала есть очень острый, быстро растущий фронт импульса, создающий высокочастотный компонент. Чем острее (быстрее) подъем, тем больше будет компонент частоты. Это показано на рис. 2.5, где период фронта ослабленных сигналов прогрессивно увеличивается по мере прохождения сигнала по кабелю из-за большего затухания высокочастотных компонент. Эту проблему можно преодолеть использованием специальных усилителей (эквалайзеров), которые усиливают подверженные большему затуханию высокие частоты.

Свет также затухает при прохождений сквозь стекло во многом по тем же причинам. Электромагнитная энергия (свет) поглощается из-за естественного сопротивления стекла.

2.3.3. Полоса пропускания канала

Количество информации, которую канал может передать за данный период времени, определяется его способностью обработать скорость изменения сигнала> то есть его частоту. Аналоговый сигнал меняет частоту от минимальной до максимальной, и их разница составляет ширину спектра частот сигнала. Полоса пропускания (bandwidth) аналогового канала представляет собой разницу между максимальной и минимальной частотами, которые могут быть надежно переданы каналом. Обычно это частоты, на которых сигнал теряет половину своей мощности по сравнению с уровнями частот в середине диапазона или с* уровнями частот на входе канала; эти частоты обозначаются как точки 3 дБ. В последнем случае полоса пропускания известна как полоса пропускания 3 дБ.

Цифровые сигналы составлены из большого набора частотных компонентов, однако получать можно лишь те частоты, которые находятся внутри полосы пропускания канала. Чем больше полоса пропускания канала, тем выше может быть скорость передачи данных и тем более высокочастотные компоненты сигнала могут передаваться, поэтому может быть получено и декодировано более точное представление переданного сигнала

Рис. 2.7. Полоса пропусклния

Рис. 2.8. Влияние полосы пропусклния на цифровые сигналы

Максимальная скорость передачи данных (С) канала может быть определена из его юлосы пропускания с использованием следующей формулы выведенной математиком Найквистом (Nyquist).

C = 2 B log 2 M bps,

В особом случае при использовании лишв двух уровней, «ВКЛЮЧЕНО» и «ВЫКЛЮЧЕНО» (двоичном):

В качестве примера: максимальная скорость передачи данных, по Найквисту, для канала PSTN с полосой пропускания 3100 герц для двоичного сигнала будет следующей: 2 х 3100 = 6200 bps. В реальности достижимая скорость передачи данных снижается из-за наличия в канале шума.

2.3.4. Шум

При прохождении сигналов через канал связи атомы и молекулы в среде передачи вибрируют и излучают случайные электромагнитные волны в виде шума. Обычно сила передаваемого сигнала велика по сравнению с шумовым1 сигналом. Однако по мере продвижения и затухания сигнала его уровень может сравняться с уровнем шума. Когда полезный сигнал незначительно превышает фоновый шум, приемник не может отделить данные от шума и возникают ошибки связи.

Важным параметром канала является отношение мощности полученного сигнала (S) к мощности шумового сигнала (N). Отношение S/N называется отношением сигнал/шум и выражается обычно в децибелах, сокращенно дБ.

S/N = 10 log 10 (S/N) дБ,

где S- мощность сигнала в ваттах; N- мощность шума в ваттах.

C = B log 2(1 +S/N) bps,

Из этой формулы можно видеть, что увеличение полосы пропускания или увеличение отношения сигнала к шуму позволяет увеличить скорость передачи данных и что сравнительно небольшое увеличение полосы пропускания эквивалентно гораздо большему увеличению отношения сигнала к шуму.

Каналы цифровой передачи используют широкие полосы пропускания и цифровые повторители или регенераторы для воссоздания сигналов через регулярные интервалы, поддерживая приемлемые отношения сигнала к шуму. Ослабленные сигналы, получаемые регенератором, распознаются, перенастраиваются и пересылаются как почти точные копии исходных цифровых сигналов, как показано на рис. 2.9. В сигнале нет накапливаемого шума даже при передаче на тысячи километров, при условии поддержания приемлемых отношений сигнала к шуму.

Источник