Анализ эффективности уменьшения межкабельных переходных помех в экранированных кабельных системах

УДК 621.316

Анализ эффективности уменьшения межкабельных переходных помех в экранированных кабельных системах

В.М. Артюшенко, К.А. Енютин, М.Н.Буткевич

Проанализирована эффективность уменьшения величины межкабельных переходных помех в мультимедийных кабельных системах с помощью применения экранированных кабельных систем.

Effectiveness of decreasing mutual coupling noise in multimedia cable systems in screened cable systems is shown and analyzed.

С развитием кабельных систем, работающих на частотах свыше 200 МГц, на первый план стали выходить проблемы, с которыми ранее не приходилось сталкиваться. К числу таких важнейших проблем относятся межкабельные переходные помехи, т.е, перекрестные наводки от других кабелей, находящихся в общем жгуте [1 - 3]. Повышение частот передачи сигнала увеличило уровень собственного излучения кабелей, с одной стороны, и ослабление полезного сигнала, с другой стороны. Как известно, значения величин затухания и наводок определяют важнейшую характеристику линии — ее частотный диапазон.

Межкабельная переходная помеха (Alien Crosstalk) представляет собой перекрестные наводки, вызванные работой других кабелей, находящихся в общем жгуте. Если в жгуте более двух кабелей, появляется эффект суммарных наводок. Так как сигналы в соседних кабелях неизвестны, то техническая возможность компенсации такой помехи практически отсутствует.

Как правило, при анализе межкабельной переходной помехи используются методы математического моделирования, где исходят из того, что на конкретную цепь передачи информационного сигнала оказывает влияние не менее шести соседних кабелей (рис. 1).

Такая конфигурация является наилучшей моделью для реально существующих пучков кабелей. Определение граничных значений осуществляется по принципу суммирования всех отдельных мешающих сигналов (модель Power Sum, PS). Например, в случае четырех парных кабелей мешающее воздействие создается двадцатью четырьмя различными источниками.

Как известно, различают переходные помехи на ближнем и дальнем концах. Если приемник и создающий для него помеху передатчик находятся на одной стороне кабеля, то речь идет о помехе на

ходной помехи

ближнем конце (Near End), если приемник и генератор мешающих сигналов подключены к разным концам кабеля, то говорят о переходной помехе на дальнем конце (Far End).

На практике контроль межкабельных переходных помех требует учета многих факторов. Общий уровень межкабельных наводок будет зависеть от числа кабелей в связке, длины жгута и типа прокладки.

Важно учесть, что даже после монтажа системы эффект межкабельных наводок невозможно обнаружить с помощью стандартных измерений.

Для учета межкабельных переходных помех следует различать понятия жгута и канала. Жгут представляет собой параллельно проложенные кабели, фиксированные стяжками. Как правило, длина жгута не превышает 90 м — максимальной длины базовой линии.

Канал - это среда передачи сигналов между двумя устройствами активного оборудования,

включающий в себя линию, абонентские и сетевые кабели. Иногда соединительные кабели также могут объединяться в жгуты, например, коммутационные кабели для удобства администрирования фиксируются стяжками. Длина канала не должна превышать 100 м.

Как и в кабеле, в жгуте возникают наводки двунаправленной и однонаправленной приемопе-редачи. Источниками двунаправленных межка-бельных наводок служат точки максимального приближения к друг другу однотипных пар. Двунаправленные межкабельные наводки повышают требования к качеству монтажа. Чрезмерная затяжка жгутов приводит к изменению геометрии витых пар и приближению пар друг к другу. Это ухудшает балансировку и увеличивает все виды электромагнитных помех.

Несмотря на то что длина жгута для двунаправленных наводок не имеет значения, длину канала все же следует учитывать. Связано это с тем, что при увеличении длины канала затухание возрастает, следовательно, ухудшается соотношение сигнал/шум.

Однонаправленные наводки зависят как и от длины жгута, так и от длины канала. Рекомендации стандарта прокладки кабельных каналов Е1А/Т1А 569 таковы, что жгуты составляют практически всю длину линии - от панели до розетки В жгутах к многопортовым розеткам информационные приложения будут подвергаться межка-бельным наводкам на всей длине линии.

Межкабельные наводки можно уменьшить тремя способами: уменьшением мощности источников шумов, что улучшает параметр ОСШ кабеля; изменением параметров монтажа, что приведет к ограничениям в использовании кабельных связок и недопустимости полного заполнения коробов; применением экранированных кабелей.

Для минимизации межкабельных наводок не-экранированных кабелей их следует располагать свободно и не параллельно. Заполнение коробов не должно превышать 40%. Если все эти меры окажутся неэффективными, остается уменьшение длины каналов, которое позволит достичь заданного ОСШ путем уменьшения затухания.

Обычно на практике применяются два метода уменьшения величины межкабельной переходной помехи. Первый — это экранирование отдельных элементов кабельного тракта, при котором экран ослабляет воздействующий сигнал и таким образом подавляет большую часть помехи. Второй — увеличение расстояния между контурами прохож-

дения мешающего и информационного сигналов, что, как правило, достигается либо за счет выбора конструкции кабеля с учетом подавления помехи, либо посредством соответствующего расположения кабелей на трассе.

Рассмотрим и проанализируем эффективность уменьшения величины межкабельных переходных помех с помощью применения экранированных кабельных систем.

Простейший и наиболее эффективный метод уменьшения межкабельных переходных помех -использование экранированных кабельных систем. Они не только уменьшают уровень межкабельных переходных помех, но и значительно улучшают электромагнитную совместимость (ЭМС) любой кабельной линии.

Как известно, важнейшим показателем, характеризующим ЭМС кабельной системы, т.е. невосприимчивость к внешним электромагнитным полям и минимум собственного излучения, является показатель Coupling Attenuation (СА) - ослабление внешних полей. В равной мере этот показатель характеризует и излучение поля, так как эти процессы обратимы.

Кабельная система с большим значением СА эффективно подавляет внешние помехи и не влияет на работу соседних устройств и телекоммуникационных каналов.

В табл. 1 представлены значения величины СА для кабелей с различными видами защит [5].

Значения величины ослабления внешних электромагнитных полей кабелями различных категорий приведены на рис. 2 [5].

Таблица 1. Значение С А дли кабелей с различными видами защит

Тип кабеля СА, дБ

UTP 40

STP 60

SSTP 90

Кат. б тар Кат:ИЯИ> Кат. 6AFTP Кат. 7 STP

Рис. 2. Ослабление внешних электромагнитных полей кабелями различных категорий

Из представленных диаграмм видно, что экранирование витых пар значительно снижает уровень шумов в кабельных линиях.

Способность лучших образцов экранированных и неэкранированных кабельных линий, заявленных на рынке как соответствующих спецификациям линии Class ЕА (500 МГц), ослаблять наводки из соседних кабелей PSANEXT иллюстрируют графики, представленные на рис. 3. Из этих графиков видно, что неэкранированная кабельная линия почти не имеет запаса по параметру PSANEXT, а на верхних частотах вообще превышает предельно допустимый уровень. Экранированная кабельная линия, в отличие от неэкранированной, практически во всем диапазоне частот имеет запас по параметру PSANEXT, превышающий 20 дБ.

Используемые в мультимедийных линиях сигналы имеют малые амплитуды и высокую час-

тоту. Их качественной передаче кроме межкабельных наводок мешают и так называемые фоновые шумы, создаваемые окружающими нас источниками электромагнитного излучения, к которым относятся телевизионные и радиовещательные передатчики, мобильные телефоны, беспроводные устройства связи, молнии и т. п.

Для уменьшения влияния фоновых шумов, так же как и межкабельных наводок, мультимедийная кабельная система должна обладать высоким показателем СА. Для экранированных 8ТР-систем этот показатель намного выше, чем для иТР-систем, что означает их большую защищенность, а следовательно, и большую производительность.

Экранирование витых пар значительно снижает уровень фоновых шумов и увеличивает полосу пропускания кабельных линий (табл. 2).

а)

б)

Рис. 3. Ослабление наводок от соседних кабелей (сплошная линия показывает нормативное ослабление наводок): а - экранированной кабельной системой: б - ОТР-системой

Таблица 2. Отличия между функциональными характеристиками экранированных и неэкранированных кабельных линий

Параметры Неэкранированная кабельная линия ЦТР Экранированная кабельная линия STP

Подавление межкабельных помех Низкое Высокое

Ослабление фоновых шумов Очень слабое Очень хорошее

Поддержка нескольких приложений одним кабелем Очень ограничена Эффективная

Полоса пропускания, МГц 500 1200

Информационная емкость телекоммуникационного канала С, а следовательно и максимальная скорость передачи данных определяется фундаментальным соотношением Шеннона:

С = П1о§2[1 + СРс - Акщрш + Ршку'1 где П - полоса пропускания линии, Гц; Рс - мощность сигнала на входе линии, дБ; Ак - коэффициент погонного затухания линии, дБ; £ - длина линии, м; Рш - мощность шумов в линии, вызванных сторонними источниками электромагнитного излучения, дБ; Рш.к мощность шумов, наведенных в линии из соседних кабелей, дБ.

Из представленного выражения видно, что полоса пропускания и отношение сигнал/шум определяют максимальную скорость передачи, а значит, и пропускную способность канала, причем скорость передачи данных, в первую очередь, зависит от полосы пропускания канала.

В табл. 3 представлены значения величины полосы пропускания, необходимые для обеспечения требуемой скорости передачи различными протоколами.

Таблица 3. Полоса пропускания протоколов передачи данных

Протокол Скорость передачи, Мбит/с Полоса пропускания, МГц

Ethernet 10 12,5

Fast Ethernet 100 31,25

Gigabit Ethernet 1000 83

10 Gigabit Ethernet 10000 417

Максимальная полоса пропускания информационных трактов, выполненных на основе экранированных витых пар, в 2 - 3 раза превышает полосу современных неэкранированных аналогов. Кроме того, экранирование значительно уменьшает шумы, наведенные в линии от внешних источников электромагнитного поля, и тем самым еще более увеличивает пропускную способность канала.

Таблица 4. Значение показателя КБЗ

Как известно, каждый электрический разряд, будь то удар молнии, либо дуга электрической сварки и т. п., сопровождается импульсами электромагнитного поля. Они могут быть настолько большими, что могут привести к нарушению работы всей сети или даже к повреждению портов активного оборудования.

Согласно 1ЕС 62305-2/БШ8 чувствительность кабельной системы к влиянию электрических разрядов может быть найдена из соотношения

Рш = К51 + К§2 + *83, где Рш - вероятность сбоя в сети при воздействии разряда в окрестности кабельной системы; К51, ^2, К5з - показатели, определяемые типом витой проводки.

Значения показателя К83 для различных типов кабеля представлены в табл. 4 [5].

Согласно результатам исследований, проведенных при составлении стандарта 1ЕС 62305-2/БВ18, в сетях, построенных на базе экранированных кабелей, вероятность сбоев за счет электрических разрядов во много раз меньше, чем в аналогичных сетях с неэкранированными кабелями.

Кроме того, монтаж экранированных кабельных систем значительно проще и быстрее, чем иТР-кабельных систем. Это обусловлено тем, что они гораздо менее критичны к погрешностям монтажа из-за большого запаса качества и ненужности экранирования кабельных лотков, а также других мер, применяемых для ослабления внешних наводок на иТР-кабели.

В отличие от иТР-кабельных систем экранированные кабели прокладываются практически независимо от расположения силовых кабелей.

В табл. 5 приведены минимально допустимые расстояния между силовыми кабелями и кабелями 11ТР- и 8ТР-систем с использованием между ними различного рода перегородок.

Тип проводки ^S3

иТР-кабель, проложенный без принятия мер по избежанию петель 1

иТР-кабель, проложенный так, чтобы избежать больших петель 0,2

БТР-кабель с сопротивлением экрана К > 5 Ом/км 0,1

БТР-кабель с сопротивлением экрана 1 < К < 5 Ом/км 0,02

БТР-кабель с сопротивлением экрана К < 1 Ом/км 0,001

Таблица 5. Минимально допустимые расстояния между силовыми и информационными кабелями

Тип инсталляции Тип перегородки, мм

Диэлектрическая Алюминиевая Стальная

Неэкранированный силовой и ОТР-кабель 200 100 50

Неэкранированный силовой и БТР-кабель 50 20 5

Экранированный силовой и ОТР-кабель 30 10 2

Экранированный силовой и БТР-кабель 0 0 0

Очень часто при выборе сечения короба требуется оценить вместимость кабельного короба. Обычно расчеты выполняются исходя из его заполнения однородным кабелем: для информационного кабеля диаметром 5,5 мм, силового кабеля N¥N'1 3x1,5 диаметром 9 мм и силового кабеля КУМ 3x2,5 диаметром 10 мм.

В соответствии с методикой, приведенной в АМ51Я1А/Е1А-569-А-7, коэффициент заполнения принимается равным 50%. В этом случае число кабелей N рассчитывается по формуле .V 2-Л73.14ч/:. где Я ~ внутреннее сечение короба, мм2; с1 — диаметр одиночного кабеля, мм.

В табл. 6 представлены результаты расчетов числа кабелей в кабельных коробах в соответствии с методикой АМ51Я1А/Е1А-569-А-7.

Примеры заполнения кабельного короба, выполненного в соответствии с расчетной формулой и табл. 6, приведены на рис. 4.

Наиболее распространенные сечения кабельных каналов приведены в табл. 7.

Если короба необходимо заполнить неоднородным кабелем, то расстояние между кабелями в кабельном желобе можно определить по формуле Еащ> = пс! + 0,6 пс! + т + Д где п - число кабелей; с! - диаметр информационного кабеля; И - диаметр силового кабеля; т -расстояние между кабелями в кабельном желобе.

Только экранированные кабельные системы могут быть полностью сертифицированы в полевых условиях и не требуют дополнительного тестирования, так как их характеристики по параметру АКЕХТ гарантируются конструкцией кабелей и соединителями.

Таблица 7. Сечения кабельных каналов

Таким образом, экранированная кабельная система не только эффективно подавляет внешние помехи, но и снижает уровень шумов в кабельных линиях, существенно увеличивает частотную полосу пропускания, практически не влияет на работу соседних устройств и телекоммуникационных каналов. Она не только уменьшает уровень межкабельных переходных помех, но и улучшает ЭМС любой кабельной линии.

Таблица 6. Результаты расчетов числа кабелей

Размер короба, мм Внутреннее сечение короба, мм2 Число UTP- кабеля Число силового кабеля NYM 3x1,5 Число СИЛОВОГО кабеля NYM 3x2,5

16x16 150 3 1 1

25x16 270 6 2 2

40x16 450 9 4 3

40x25 790 17 6 5

50x50 1900 40 15 12

75x50 3000 63 24 19

100x40 3000 63/20 24/5 19/4

100x50 4000 84/40 31/13 25/10

100 .100 8700 183/140 68/50 55/40

170x50 6700 141/101 53/34 43/27

210x60 9000 190/109 71/33 57/27

а) б)

Рис. 4. Примеры заполнения кабельного короба: а - короб 100x50 мм, заполнение - 84 кабеля ШР; б - короб 100x50 мм с подрозетником 25 мм, заполнение - 40 кабелей ШР

Из-за очень маленького запаса по параметру АЖЕЖТ неэкранированные кабельные системы нуждаются в дополнительной проверке по межка-бельным наводкам. Если это технически и осуществимо в полевых условиях, то очень трудоемко и требует дорогостоящего оборудования. Кроме того, любые изменения и добавления в кабельной линии требуют повторного тестирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артюшенко Н..\/. Анализ взаимного влияния кабельных линий в электротехнических системах. -Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2006. т.2, №2, с. 8 - 11.

2. Валоводов А.А. Европейская директива электромагнитной совместимости. - Сети и системы связи. 1997, № 10, с. 30; № 12, с. 48.

3. Енютин КА. Защита мультимедийных кабельных систем от внешних электромагнитных воздействий. - Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2008, т.4, №3, с. 8 - 13.

Поступила 09.12. 2008 г.

Кабельные каналы

Микрокороба Средние короба Большие короба Специализированные короба

Сечение, см До 10 до 50 до 125 -

Серии l-.ua Mini, 1- ца. Commutication Premier Prestige, Prestige Plus, Presti-geAlum, Prestige 2 com Pinnacle, Comice, Lincoln