Витая пара — это тип кабеля связи , в котором два проводника одной цепи скручены вместе для улучшения электромагнитной совместимости . По сравнению с одним проводником или нескрученной сбалансированной парой , витая пара уменьшает электромагнитное излучение от пары и перекрестные помехи между соседними парами, а также улучшает подавление внешних электромагнитных помех . Она была изобретена Александром Грэхемом Беллом . [1]
Для дополнительной помехоустойчивости витая пара может быть экранирована . Кабель с экранированием называется экранированной витой парой ( STP ), а без экранирования — неэкранированной витой парой ( UTP ).
Витая пара может использоваться как сбалансированная линия , которая как часть сбалансированной схемы может значительно уменьшить влияние шумовых токов, наведенных на линию при соединении электрических или магнитных полей. Идея заключается в том, что токи, наведенные в каждом из двух проводов, почти равны. Скручивание гарантирует, что два провода находятся в среднем на одинаковом расстоянии от источника помех и подвергаются одинаковому воздействию. Таким образом, шум создает синфазный сигнал , который может быть подавлен на приемнике путем обнаружения только разностного сигнала, причем последний является желаемым сигналом.
Синфазное подавление начинает давать сбой на нескрученных проводах, когда источник шума находится близко к сигнальным проводам; более близкий провод будет сильнее связываться с шумом, и приемник не сможет его устранить. Эта проблема особенно очевидна в телекоммуникационных кабелях, где пары в одном кабеле лежат рядом друг с другом на протяжении многих миль. Скручивание пар противодействует этому эффекту, поскольку на каждой половине скрутки ближайший к источнику шума провод заменяется. При условии, что источник помех остается однородным или почти однородным на расстоянии одного скручивания, индуцированный шум останется синфазным.
Скорость скручивания (также называемая шагом скручивания, обычно определяемая в скручиваниях на метр ) составляет часть спецификации для данного типа кабеля. Когда соседние пары имеют одинаковые скорости скручивания, одни и те же проводники разных пар могут неоднократно лежать рядом друг с другом, частично сводя на нет преимущества скручивания. По этой причине обычно указывается, что, по крайней мере, для кабелей, содержащих небольшое количество пар, скорости скручивания должны различаться. [2]
В отличие от экранированной или фольгированной витой пары (обычно экранирование кабеля S/FTP или F/UTP), кабель UTP не окружен никаким экранированием. UTP является основным типом провода для использования в телефонии и очень распространен в компьютерных сетях .
Самые ранние телефоны использовали телеграфные линии, которые представляли собой однопроводные цепи с обратным заземлением. В 1880-х годах во многих городах были установлены электрические трамваи , которые создавали помехи в этих цепях. В некоторых странах трамвайные компании несли ответственность за нарушение работы существующих телеграфных линий и должны были оплачивать ремонтные работы. [a] Однако для новых установок необходимо было с самого начала обеспечить защиту от существующих трамваев. Помехи на телефонных линиях еще более разрушительны, чем на телеграфных линиях. Телефонные компании перешли на сбалансированные цепи , что имело побочное преимущество в виде снижения затухания , а следовательно, и увеличения дальности.
По мере того, как распределение электроэнергии становилось все более распространенным, эта мера оказалась недостаточной. Два провода, натянутые по обе стороны поперечных планок на опорах электросети , делили маршрут с линиями электропередач . Через несколько лет растущее использование электричества снова привело к увеличению помех, поэтому инженеры разработали метод, называемый транспозицией проводов , чтобы устранить помехи.
При транспозиции проводов провода меняют свое положение один раз через каждые несколько полюсов. Таким образом, два провода будут получать одинаковые ЭМП от линий электропередач. Это представляло собой раннюю реализацию скручивания со скоростью скручивания около четырех скручиваний на километр или шесть на милю . Такие сбалансированные линии с открытым проводом и периодическими транспозициями все еще существуют сегодня в некоторых сельских районах.
Витая пара была изобретена Александром Грэхемом Беллом в 1881 году . [4] К 1900 году вся американская телефонная сеть состояла либо из витой пары, либо из открытого провода с транспозицией для защиты от помех. Сегодня большинство из миллионов километров витых пар в мире — это наружные наземные линии, принадлежащие и обслуживаемые телефонными компаниями, используемые для голосовой связи.
Неэкранированные витые пары (UTP) используются во многих сетях Ethernet и телефонных системах. Для телефонных приложений внутри помещений UTP часто группируется в наборы по 25 пар в соответствии со стандартным 25-парным цветовым кодом, первоначально разработанным корпорацией AT&T . Типичный подмножество этих цветов (белый/синий, синий/белый, белый/оранжевый, оранжевый/белый) присутствует в большинстве кабелей UTP. Кабели обычно изготавливаются из медных проводов, измеренных по американскому калибру проводов (AWG) 22 или 24 (0,644 или 0,511 мм²), [5] с цветной изоляцией, обычно изготовленной из изолятора, такого как полиэтилен или FEP, и общей упаковкой, покрытой полиэтиленовой оболочкой.
Для городских наружных телефонных кабелей, содержащих сотни или тысячи пар, кабель делится на небольшие, но идентичные пучки. Каждый пучок состоит из витых пар с разной скоростью скрутки, поскольку пары с одинаковой скоростью скрутки в кабеле все еще могут испытывать некоторую степень перекрестных помех . Пучки, в свою очередь, скручиваются вместе, образуя кабель.
UTP также является наиболее распространенным кабелем, используемым в компьютерных сетях . Современный Ethernet , наиболее распространенный стандарт сетей передачи данных, может использовать кабели UTP, при этом возрастающие скорости передачи данных требуют более высоких спецификаций вариантов кабеля UTP. Витая пара часто используется в сетях передачи данных для соединений на короткие и средние расстояния из-за ее относительно низкой стоимости по сравнению с оптоволоконным и коаксиальным кабелем .
Поскольку пропускная способность кабеля UTP улучшилась и теперь соответствует полосе пропускания телевизионных сигналов , UTP теперь используется в некоторых видеоприложениях , в первую очередь в камерах безопасности . [6] Поскольку UTP представляет собой сбалансированную линию передачи, для подключения к несбалансированному оборудованию, например, к любому оборудованию, использующему разъемы BNC и предназначенному для коаксиального кабеля, необходим симметрирующий трансформатор .
Витые пары кабелей могут включать экранирование в попытке предотвратить электромагнитные помехи. Экранирование обеспечивает электропроводящий барьер для ослабления электромагнитных волн, внешних по отношению к экрану. Экран также обеспечивает путь проводимости, по которому индуцированные токи могут циркулировать и возвращаться к источнику через заземляющее соединение. Такое экранирование может применяться к отдельным парам или к набору пар. Экранирование может быть выполнено из фольги или плетеной проволоки.
Когда экранирование применяется к набору пар, это обычно называется экранированием, но использование таких слов, как экранирование , экранирование и STP (экранированная витая пара), среди поставщиков и авторов может быть различным. [7] [8]
ISO/IEC 11801 :2002 (Приложение E) пытается стандартизировать на международном уровне различные обозначения экранирования для кабелей с витой парой (TP), используя явное двухкомпонентное сокращение в форме x/xTP , где первый x обозначает экранирование всего кабеля, а второй x обозначает экранирование отдельных пар или четверок, где каждый x может быть:
Экранированные кабели Cat 5e , Cat 6/6A и Cat 8/8.1 обычно имеют конструкцию F/UTP, тогда как экранированные кабели Cat 7/7 A и Cat 8.2 используют конструкцию S/FTP. [9]
Поскольку экранирование является проводящим, оно также может служить путем к земле. Кабель витой пары с фольгированным экраном может иметь встроенный заземляющий провод, называемый дренажным проводом, который обеспечивает электрический контакт с экраном. Цель дренажного провода — легкое подключение к клеммам, которые обычно предназначены для подключения круглых проводов.
Распространенные типы конструкций щитов включают в себя:
Ранним примером экранированной витой пары был IBM STP-A, представляющий собой двухпарный 150-омный кабель S/FTP, определенный в 1985 году спецификациями IBM Cabling System и используемый в сетях Token Ring или FDDI . [7] [11]
До того, как цифровая связь и Ethernet стали широко распространенными, не существовало международного стандарта для телефонного кабеля. Стандарты устанавливались на национальном уровне. Например, в Великобритании Главное почтовое отделение указало кабели CW1293 и CW1308. CW1308 был похож на более раннюю спецификацию CW1293, но с улучшенным цветовым кодом. CW1293 использовал в основном сплошные цвета на жилах, что затрудняло идентификацию пары, с которой она была скручена, без снятия большого количества оболочки. Чтобы решить эту проблему. CW1308 имеет узкие кольца парного цвета, напечатанные поверх основного цвета. Оба кабеля являются аналогичным стандартом для кабеля категории 3. [12] [13] Кабели с категориями от 3 до 7 имеют 4 витые пары. [14]
До повсеместного использования полиэтилена и других пластиков для изоляции телефонный витой кабель изолировался вощеной бумагой или хлопком с нанесенным на медь восковым покрытием. Общая оболочка этого типа кабеля обычно была свинцовой. Этот тип кабеля начал использоваться в конце 19 века вскоре после изобретения телефона. [15] Концевая заделка кабеля в оконечных коробках была запечатана расплавленным воском или смолой, чтобы предотвратить попадание влаги, которая могла бы серьезно ухудшить изоляционные свойства бумажной изоляции. [16] Однако такие уплотнения затрудняли будущее обслуживание и изменения. Эти кабели больше не производятся, но все еще иногда встречаются в старых зданиях и на различных внешних территориях, обычно в сельских деревнях.
Нагруженная витая пара намеренно добавила индуктивность и ранее была обычной практикой на линиях связи. Добавленные индукторы известны как нагрузочные катушки и уменьшают затухание для частот голосового диапазона , но увеличивают его на более высоких частотах. Нагрузочные катушки уменьшают искажение в голосовом диапазоне на очень длинных линиях. [22] В этом контексте линия без нагрузочных катушек называется незагруженной линией.
Связанная витая пара — это вариант конструкции, в котором два провода каждой пары соединены вместе по всей длине кабеля. Разработанный Belden , он призван помочь обеспечить согласованность конфигурации во время и после установки. Одним из ключевых преимуществ является то, что помехоустойчивость кабеля может быть сохранена, несмотря на потенциально грубое обращение. [23] Улучшенные характеристики могут быть излишними, а соединение снижает гибкость кабеля и делает его склонным к поломкам в местах изгиба. [24]
Витой ленточный кабель — это вариант стандартного ленточного кабеля , в котором соседние пары проводников соединены и скручены вместе. Затем витые пары слегка соединены друг с другом в формате ленты. Периодически вдоль ленты имеются короткие секции без скручивания, где разъемы могут быть присоединены с использованием обычных методов IDC ленточного кабеля . [25]
В кабеле с сплошным сердечником используется один сплошной провод на проводник, а в кабеле с четырьмя парами будет всего восемь сплошных проводов. [18] В многожильном кабеле используется несколько проводов, обмотанных друг вокруг друга в каждом проводнике, а в кабеле с четырьмя парами и семью жилами на проводник будет всего 56 проводов (2 на пару × 4 пары × 7 жил). [18]
Кабель с твердым сердечником предназначен для постоянно установленных трасс ( постоянное соединение ). Он менее гибкий, чем многожильный кабель, и более склонен к поломкам при многократном изгибе из-за упрочнения . Многожильный кабель используется в коммутационных панелях и для соединений от настенных портов к конечным устройствам ( коммутационный шнур или кабель ответвления), так как он устойчив к растрескиванию проводников.
Разъемы разработаны по-разному для сплошного сердечника и для многожильного. Использование разъема с неправильным типом кабеля может привести к ненадежной кабельной разводке. Вилки, разработанные для сплошных и многожильных сердечников, легко доступны, и некоторые поставщики даже предлагают вилки, разработанные для использования с обоими типами. Блоки для пробивки на коммутационных панелях и настенных портах предназначены для использования с кабелем с сплошным сердечником. Они работают по методу смещения изоляции , при котором устройство прокалывает стороны изоляции и «вгрызается» в медный проводник, образуя соединение. Блоки для пробивки используются в качестве коммутационных панелей или в качестве коммутационных коробок для кабеля с витой парой.
Витая пара имеет следующие полезные свойства: [26]
Витая пара имеет следующие ограничения:
Медиа, связанные с витыми парами на Wikimedia Commons