Разъемы и качество СКС


Каталоги структурированных кабельных систем (СКС) могут содержать сотни позиций, но для распространения сигналов требуются две из них — кабели и разъемы. Качество сигналов на входе в приемник зависит только от параметров среды передачи. Международные, региональные и национальные стандарты определяют два типа среды — оптоволоконную и электропроводную. Если предел оптоволоконных систем зависит от кабелей, то электропроводных линий и каналов на основе витой пары — от разъемов.

В оптоволоконных каналах дополнительные потери, вносимые разъемами, пренебрежимо малы. Полоса пропускания зависит от категории кабеля (2 издание ISO/IEC 11801), его длины и используемого оптического окна. Потери, вызванные затуханием и отражением сигнала, равномерно распределяются по всей длине кабеля. Затухание в сплайсах и разъемах составляет доли децибел или 7–12%. Какие-либо помехи отсутствуют, если не принимать во внимание системы с волновым уплотнением, которые в локальных сетях пока не применяются.

В электропроводных системах приходится учитывать не только затухание, но и наводки. Затухание зависит от категории и длины кабеля и прямо пропорционально частоте сигнала. Затуханием в электрических разъемах, имеющим примерно ту же величину, что и в оптических, можно пренебречь. Наводки также увеличиваются с ростом частоты. При этом в разъемах они на порядок больше, чем наводки в кабелях. Суммарный эффект затухания в кабелях и наводок в разъемах приводит к тому, что мощность сигнала оказывается сопоставимой с мощностью шумов. На верхней границе частотного диапазона стандартных каналов максимально допустимой длины категории 5 и 6 сигнал практически равен уровню суммарных шумов.

Параметр сигнал / шум ограничивает длину канала и скорость передачи данных. Длина электропроводного канала, используемого для информационных приложений соответствующего класса, не должна превышать 100 метров. Скорость передачи данных зависит от метода преобразования цифрового сигнала в аналоговый и частотного диапазона среды передачи. Верхняя часть спектра сигналов, обеспечивающая качество работы современных протоколов — Gigabit Ethernet, Fast Ethernet, ATM 155 и других, имеет наихудшие параметры сигнал / шум.

Для увеличения скорости и качества передачи данных решающую роль играют разъемы. Качество разъемов зависит от коннекторов. Наводки возникают из-за разбалансировки и изменений волнового сопротивления симметричных витых пар в результате монтажа гнездовых разъемов. Уменьшить наводки в кабелях оказывается намного проще, чем компенсировать расплетение витых пар. О влиянии расплетения витых пар свидетельствует тот факт, что параметры кабеля длиной 100 метров примерно на порядок лучше, чем у того же кабеля длиной 90 метров с двумя разъемами на концах.

Для лучшего понимания особенностей электропроводных систем необходим более детальный взгляд на проблему оснащения кабелей разъемами.

Коннектор — предел возможностей СКС

Коннектор многие считают разъемом и наоборот. В стандартах СКС, действительно, используется один термин, однако эти понятия четко разграничены. Разъем это окончание кабеля для коммутируемого электрического или оптического соединения. Коннектор — элемент кабельного разъема, обеспечивающий подключение проводников кабеля.

Строго говоря, электрический разъем имеет два коннектора — врезной и контактный. Первый служит для неразъемного подключения витых пар, второй — для коммутируемого соединения с ответным разъемом. Врезное соединение реализовано на коннекторах, разъемное — на подпружиненных контактах. Гнездо является интерфейсом линейных кабелей. Коннектор соединительных кабелей одновременно выполняет функции врезного и контактного соединений. С одной стороны он неразъемно подключен к проводникам кабеля, другая служит для контактного соединения с гнездовым разъемом.

Рис. 1 Кабельный разъем и коннектор

71_4.gif (6223 bytes)

Стандарт RJ45 предусматривает несимметричное разъемное соединение, образуемое гнездом и штекером. Для монтажа разъема требуется удалить оболочку кабеля и расплести концы витых пар. В штекерных разъемах изменение геометрии проводников гораздо меньше, чем в гнездовых. Максимальная разбалансировка, наибольший уровень излучений и помех имеют место именно на гнездовых разъемах. Поэтому от соединения кабеля с разъемом зависит работа протоколов и сети в целом.

Контакт сквозь изоляцию

Для подключения четырехпарных кабелей к абонентским розеткам и распределительным панелям все ведущие производители элементов для структурированных кабельных систем используют коннекторы, реализующие принцип контакта сквозь изоляцию (КСИ).

Конструкция коннекторов очень проста. Она напоминает гребенку с тонкими электропроводными лезвиями на боковых поверхностях зубцов. Гребенка коннектора может быть однорядной или двухрядной. Для подключения проводников кабеля их просто проталкивают между ножами гребенки, которые прорезают изоляцию и обеспечивают электрический контакт врезкой в медное тело проводников. Для компенсации разбалансировки, вызванной расплетением витых пар, применяют печатные платы.

Штекерные разъемы также имеют врезной коннектор и контактный разъем, но выполняются без печатных плат. Компенсация разбалансировки штекерных разъемов обеспечивается гнездовыми разъемами.

Технология врезки, которая была создана для монтажа телефонных проводов на кроссах, оказалась весьма удачной. Она применяется практически в 100% случаев для подключения проводников медных кабелей, используемых в системах передачи данных. Врезной контакт лучше, чем механический, или пайка, поскольку значительно упрощает монтаж и обеспечивает надежное низкоомное электрическое соединение.

Кроме того, врезной контакт не окисляется, не подвержен неблагоприятным воздействиям перепадов температур и не имеет переходов типа "медь проводника — олово пайки — металл коннектора". В коннекторах типа КСИ происходит процесс диффузии — медь проводника и специальный сплав коннектора проникают друг в друга, увеличивая площадь контакта. С годами электрические параметры таких соединений даже улучшаются.

Параметры канала и коэффициент ошибок

Для оценки качества сигнала, передаваемого по двум парам в противоположных направлениях (одна пара — передача, другая — прием) достаточно измерить затухание и наводки. Отношение этих величин характеризует превышение сигнала над уровнем шумов без учета внешних помех. Параметры СКС представляют в логарифмической шкале, в которой деление десятичных величин соответствует вычитанию.

Применение современных протоколов передачи данных требует использования высоких частот. В настоящее время международные и национальные стандарты определяют параметры передачи сигналов по медному кабелю категории 5 / класса D в локальных сетях в полосе до 100 МГц.

Наводки обозначают как NEXT (Near End Crosstalk — дословно — перекрестные наводки на ближнем конце (кабеля). Точнее это наводки двунаправленной передачи. Они создаются на обоих концах кабеля. Данный параметр характеризует отношение сигнала на выходе из передатчика одной пары к наведенному сигналу на входе в приемник другой пары. Наводки уменьшают путем скрутки пар кабеля с разным шагом. Геометрия витых пар фиксируется оболочкой кабеля. Однако для того, чтобы оснастить медный кабель разъемами, требуется снять оболочку и расплести пары, что в наибольшей степени ухудшает параметры системы.

Затухание сигнала возрастает с ростом частоты более, чем в сто, а наводок — в тысячи раз. Увеличение наводок наряду с ослаблением сигнала приводит к увеличению коэффициента ошибок. Это проявляется в сбоях протоколов и сети в целом.

Графики 1 и 2. Параметры базовой линии и канала категории 5 и коэффициент ошибок
Параметры базовой линии (БЛ) и канала категории 5 Зависимость к-та ошибок (BER) от отношения сигнал / шум

Att — затухание, ACR отношение затухания и наводок (эквивалент сигнал / шум без учета внешних помех и возвратных потерь),
NEXT — перекрестные наводки, БЛ — базовая линия, BER — коэффициент ошибок

Как показано на графике слева, параметры разъемов лучше, чем у кабелей. Однако при монтаже разъемов на кабель уровень наводок базовой линии оказывается в несколько раз больше, чем у кабеля. Наихудшее качество сигналов отмечается на максимальных частотах. Отношение затухания и наводок (ACR) базовой линии категории 5 на частоте 100 Мгц должен быть не менее 8 дБ, канала — 3,1 дБ.

График справа показывает зависимость коэффициента ошибок (BER — Bit Error Rate) от чистоты сигнала (ACR). Отношение сигнал/шум в эффективной полосе частот должно быть не менее 16 дБ, чтобы коэффициент ошибок составил 10-10.

Для протокола Fast Ethernet 100 Мбит/с максимальная частота эффективной полосы составляет 80 МГц. Стандартный канал гарантирует на этой частоте около 10 дБ, что соответствует коэффициенту ошибок 10-3.Это в 107 раз больше, чем допустимо. Кабель без разъемов на концах обеспечил бы при тех же условиях коэффициент ошибок примерно на уровне 10-9. Другими словами, из миллиона ошибок только одна происходит в кабеле, а остальные — в разъемах.

Стандартный канал категории 5 имеет худшие параметры, чем того требуют протоколы класса D. Наибольшую роль в ограничении возможностей среды передачи играют именно разъемы. Приведенный ниже материал показывает в какой степени конструкция разъемов позволяет повысить качество систем и что это дает пользователям.

Модуль 808 компании ITT NS&S

В настоящее время существуют 3 типа запатентованных врезных коннекторов: Lucent Technologies, Krone и MOD-TAP. Длина расплетения витых пар для подключения к таким коннекторам соответствует стандартами. Ее не удается уменьшить потому, что пары необходимо развести на одну или две гребенки, которые имеют достаточно большой размер.

Решение компании ITT NS&S, Великобритания, для кабельных разъемов базируется на том же принципе контакта сквозь изоляцию. Отличие состоит в том, что лезвия коннектора, расположенные практически в один ряд, максимально приближены друг к другу. Для улучшения электрических параметров V-образные лезвия коннекторов находятся в двух параллельных плоскостях, разделенных тонким (0,1 мм) диэлектриком, и имеют разную высоту.  Это увеличивает расстояние между точками электрических контактов проводников.

Контакты 3 и 6 худшей (расщепленной пары) составляют одну плоскость, остальные шесть контактов — другую. Это решение обеспечило компенсацию без применения печатных плат и электрических элементов.  Балансировочная емкость образуется механическим расположением и размерами разделенных диэлектриком проводников, проходящих внутри модуля и соединяющих лезвия коннекторов с контактами гнезда. Такую технологию называют планарной. Ее применение стало возможным в результате минимальной разбалансировки витых пар.

Модуль 808 имеет две разновидности — 808 Mk2 категории 5/5е и 808 Mk3 — категории 6. Конструктивные отличия 808 Mk2 и 808 Mk3 незначительны — контакты 3 и 6 разделены диэлектриком, что образует три компенсационные пластины. Внешние размеры идентичны. В сочетании с модульной конструкцией это обеспечивает дополнительную гибкость проектирования и монтажа.
Фото 1. Экранированный модуль 808  

В частности, на одной панели можно установить модули разных категорий, например, категории 6 для магистральных каналов или подключения серверов и категории 5е — для горизонтальных линий.

Для систем категории 5 стандарты разрешают расплетение пар на длину не более чем 1/2 дюйма (13 мм). Стандарты не определяют длину удаления оболочки, но рекомендуют монтировать разъемы таким образом, чтобы она была минимальна. Некоторые производители элементов СКС ограничивают этот параметр величиной один дюйм (25,4 мм). В разъеме 808 Mk2 расплетение пар производится на всю длину удаления оболочки и составляет не более 7 — 9 мм. Это в четыре раза меньше, чем того требуют особенности монтажа традиционных коннекторов. Расстояние от оболочки кабеля до точки врезки в коннектор — 2 — 3 мм или на порядок меньше стандартного. Оставшаяся часть расплетенных пар находится в направляющих, образованных модулем и его крышкой. Расположение проводников в направляющих обеспечивает заданную геометрию пар и высокую универсальность механических и электрических параметров монтажа.

Технология ITT NS&S позволила свести к минимуму разброс параметров. Это обеспечило высокую степень компенсации шумов в  и позволило увеличить их число разъемов в канале до семи. Стандарты предусматривают три основных разъема в канале и один дополнительный при наличии резерва параметров. Следует отметить также надежность фиксации витых пар и кабеля в разъеме. Кабельная оболочка заканчивается и крепится внутри модуля, в поле зрения нет витых пар.

Данный запатентованный разъем, конструктивно выполненный в виде сборного модуля, имеет самые маленькие размеры и обладает наилучшими электрическими и механическими параметрами по сравнению со всеми существующими типами кабельных разъемов.

Электрические параметры модулей 808 Mk2 существенно превосходят требования, определяемые стандартом TIA/EIA-568-A-5, а 808 Mk3 — проекта категории 6. По затуханию резерв составляет один — два порядка, по наводкам (NEXT) — один порядок.

Конструкция модуля 808 хорошо иллюстрирует понятие телекоммуникационный разъем, определяемое базовыми стандартами СКС. Разъем — это окончание кабеля, обеспечивающее коммутируемые соединения. На розетке устанавливают от одного — двух до 24 разъемов, на панелях — от 12 до 72. Об иных представлениях свидетельствует то, что телекоммуникационный разъем (telecommuпication outlet) повсеместно понимают и переводят в русскоязычной литературе как телекоммуникационная розетка. Модули 808, в отличие от большинства решений, универсальны Линия — не интегрирована в конструкцию розеток и панелей и не имеет различия параметров на обеих концах из-за различного конструктивного исполнения коннекторов.

Последовательность и перекрестные наводки

Существует несколько вариантов взаимного расположения проводников относительно контактов коннекторов. Это TIA-T568A, TIA-T568B и USOC для четырех пар, TOKEN RING, 10 BASE-T — для двух пар и другие. В современных стандартах используются последовательности TIA-T568A и TIA-T568B.

Протоколы передачи данных предусматривают разное число используемых пар и несколько вариантов подключения проводников к коннекторам. Две пары необходимы для протоколов 10BaseT, 100BaseTX, ATM155. Для работы 100BaseT4 и 100BaseVG выделяются все четыре пары. Как пары проводников, так и пары коннекторов, имеют различные электрические параметры. Поэтому для оптимизации системы необходимо учитывать требования протоколов, параметры кабелей и параметры разъемов.

Последовательность монтажа проводов строго соблюдается. Для этого как витые пары, так и монтажные позиции коннекторов имеют цветовую маркировку.

Рис. 2 и 3. Последовательность и перекрестные наводки
Схема последовательности расположения проводников TIA-T568B График перекрестных наводок для базовой линии 90 м, 100 Мгц

Компания ITT NS&S пошла по пути улучшения параметров всех пар базовой линии (БЛ). Базовая линия, представляет собой кабель длиной до 90 метров, оснащенный гнездовыми разъемами. На рисунке слева показана одна из наиболее распространенных последовательностей монтажа проводников и пар на контактах коннектора — TIA-T568B. Проводники второй и четвертой пар размещаются на крайних парах контактов. Первая пара занимает два центральных контакта, а проводники третьей пары размещаются с внешней стороны проводников первой пары.

Рисунок справа иллюстрирует величину наводок стандартной базовой линии, и БЛ с разъемами типа 808 Mk2, на частоте 100 Мгц. Значения NEXT приведены на шестиугольной диаграмме. Каждый из лучей диаграммы имеет значение — 50 дБ в центре и -20 дБ — на конце линий.

Зеленая линия показывает уровень наводок, определяемый стандартами. Для базовой линии категории 5 перекрестные наводки должны быть не хуже -29,1 дБ. Красная линия — фактические усредненные измерения уровней наводок между парами для базовой линии экранированной системы ISCS.

Как видно из графика, компании ITT NS&S удалось значительно уменьшить перекрестные наводки между всеми парами. Наилучшие результаты — -48 дБ, получены для 2-й и 4-й пар, используемых для работы АТМ 155. Для любой из пар показатели NEXT для крайних условий эксплуатации превосходят требования стандартов не менее чем на 8 дБ. Это практически означает, что уровень внутренних шумов системы на один — два порядка (в 8 — 95 раз) ниже, чем допускается стандартами.

Как видно из графика, структурированная кабельная система ITT NS&S универсальна и имеет существенный резерв даже по наихудшим парам.

Долговечность

По истечении нескольких лет эксплуатации кабельной системы контакты начинают окисляться. Для решения проблемы соединение проводников и контактов коннектора должно быть газонепроницаемым. Это не позволяет кислороду проникать в зону контакта. Врезные контакты обеспечивают многолетний срок службы благодаря бескислородному контакту и механической фиксации.

Для обеспечения газонепроницаемости лучшие производители СКС покрывают лезвия врезных контактов окислами серебра. При монтаже проводников окислы серебра снимаются таким образом, что кислород не попадает в зону врезки. При повторном монтаже на те же лезвия защитное покрытие на них отсутствует, что приводит к наличию молекул кислорода между двумя металлами. Кислород препятствует диффузии и приводит к деградации контакта. Через два — три года эксплуатации возможно появление отказов. Модуль 808 допускает единственный монтаж, зато служит десятилетиями.

Механическая фиксация проводников обеспечивает снятие нагрузок с контактов коннектора, которые могут привести к попаданию кислорода уже после врезки.

В неэкранированном модуле 808 реализовано три уровня фиксации кабеля и коннектора. Механическое крепление осуществляется в следующих точках:

  • проводники зажимаются между выступами крышки и направляющими модуля;
  • проводники фиксируются ножами коннектора и дополнительно поджимаются крышкой модуля. Усилие врезки не снимается после монтажа и сохраняется в течение всего срока эксплуатации;
  • кабель крепится стяжкой к панели (розетке).

В дополнение к этому в экранированных системах кабель фиксируется обжимным кольцом к корпусу модуля, что обеспечивает четвертую точку фиксации.

В традиционных гребеночных коннекторах предусмотрена только одна фиксация кабеля стяжкой.

Разъем 808 состоит из двух частей: модуля с крышкой и корпуса. В неэкранированных системах корпус пластмассовый, в экранированных — металлический. Массивный металлический корпус обеспечивает малое волновое переходное сопротивление экрана и эффект "массы".

Эффективное электрическое соединение модулей и панелей с помощью металлической шины вновь многократно снижет потенциал экрана за счет массы панелей и шкафов и упрощает процесс заземления. Кроме того, конструкция модуля наилучшим образом решает проблему экранирования проводников кабеля на 360о.

В дополнению к улучшению прочности заделки кабеля корпус обеспечивает дополнительную защиту расплетенных проводников от внешних воздействий.

Механические и диэлектрические характеристики

По диэлектрическим и механическим параметрам модуль 808 превосходит требования, определяемые международными (ISO/IEC 11801), европейскими (IEC 603-7) и американскими стандартами (TIA/EIA-568-A). Гнездовой восьмиконтактный разъем модуля очень долговечен и надежен.

Контактные проводники не окисляются благодаря нанесенному на них покрытию золотым напылением толщиной около 2 микрон. Это обеспечивает более 2.500 коммутаций. Стандарты требуют не менее 200 коммутаций. Электрические, механические и температурные характеристики приведены в таблице.

  Модуль 808 Стандарт
ISO/IEC 11801
Максимально допустимое напряжение

1000 В

500 В

Минимальное гарантированное число соединений 2500 раз

200 раз

Усилие соединения / разъединения разъемов 2 кг

-
Усилие разрыва разъемов 5 кг -
Диапазон рабочих температур от -40°C до +70°C от -10°C до +60°C

Модульная конструкция и простота

Традиционное решение панелей СКС — металлическая планка шириной 19 дюймов с полкой, на которой неразъемно закреплены от 12 до 72 коннекторов. Розетка включает один, два или более коннекторов. При этом кабельные окончания панелей и розеток разнотипны и различаются по параметрам.

Структурированная кабельная система ITT NS&S состоит из универсальных модулей 808, которые монтируются как на панелях, так и на розетках всех типов и всех стандартов. При замене розеток или панелей модули остаются на кабеле. С другой стороны, для создания новых линий не требуется менять всю панель или розетку.

Размеры и механические характеристики коннектора также играют немаловажную роль. ITT NS&S производит модули кабельных разъемов самых маленьких размеров. В результате, они более компактно размещаются на распределительных панелях. Плотность монтажа модулей типа 808 на распределительных панелях примерно в полтора раза выше, чем у самых миниатюрных разъемов других производителей.

Структурированная кабельная система фирмы ITT NS&S имеет меньше элементов, чем любая другая система. Это упрощает дистрибуцию, монтаж, эксплуатацию и администрирование.

Удобство монтажа

Модуль 808 позволяет монтировать гнездовые разъемы линейных кабелей практически так же, как и штыревые разъемы соединительных кабелей.

Все восемь проводов, сформованные и обрезанные специальным инструментом, вставляются в коннектор одновременно, после чего фиксируются крышкой модуля. Модуль задвигают в корпус одним движением того же инструмента. Врезка проводников происходит за счет усилия, передаваемого корпусом на крышку модуля. Этим достигается точная посадка проводников в основание V-образных лезвий врезных контактов.

Модуль 808
midi_tool1.jpg (8248 bytes)
Монтажный инструмент

Модуль фиксируется в корпусе защелками, которые не допускают разборки модуля и повторного монтажа.Лезвия коннектора покрыты окислом серебра. При врезке серебряное покрытие легко смещается, но не допускает попадания кислорода в точки контакта. Благодаря газонепроницаемому контакту, обеспечивается долговечность врезного соединения. Прочный внешний корпус, отсутствующий у традиционных разъемов, обеспечивает механическую защиту зоны контактов и повышенную прочность заделки кабеля.

Эта простая технология монтажа кабельных разъемов, заложенная в конструкцию модуля и инструмента, обеспечивает непревзойденные удобство и простоту работы. Механические и электрические параметры расплетенных пар при этом универсальны и строго заданы.

Качество системы

Разработав модуль принципиально нового типа в 1991 году, компания ITT NS&S на несколько лет опередила конкурентов. Аналогичные решения начали появляться в конце 90-х годов для систем категории 6.

Компании ITT NS&S удалось в полной мере использовать преимущества систем, имеющих резерв параметров. Повышение качества передачи сигналов было трансформировано в увеличение длины каналов и числа разъемных соединений. При этом заказчики получили гарантии работы протоколов, что выходит за рамки традиционных гарантий категории 5.

Расширение возможностей и гибкости среды передачи обеспечило применение принципов централизованной архитектуры к большему числу объектов, уменьшение числа сетевых устройств, размеров шкафов, площади телекоммуникационных помещений.

Модульная конструкция и эффективное индивидуальное экранирование каналов позволило решить проблемы электромагнитной совместимости и обеспечить соответствие требованиям европейской Директивы ЭМС для офисной и промышленной среды.

Продукция и услуги компании ITT NS&S гарантируют заказчикам минимальную стоимость владения структурированной кабельной системы и сети в целом. Крупнейшие сети в мире созданы на базе систем ITT NS&S.

Разработка новых стандартов подтверждает преимущества разъемов с контролируемым расплетением витых пар без компенсационных печатных плат. Конструкция традиционных коннекторов не позволяет решить проблемы совместимости. Это может привести уже в ближайшее время к массовой замене разъемов, линейных и соединительных кабелей в результате модификации категории 5.

Заказчики, установившие системы ITT NS&S, не испытывают данных проблем. Решения ITT NS&S реально обеспечивают длительный срок службы структурированных кабельных систем.

 




Дополнительно

Разъемы и качество СКС

Разъемы и качество СКС

Каталоги структурированных кабельных систем (СКС) могут содержать сотни позиций, но для распространения сигналов требуются две из них — кабели и разъемы. Качество сигналов на входе в приемник зависит только от параметров среды передачи. Международные, региональные и национальные стандарты определяют два типа среды — оптоволоконную и электропроводную. Если предел оптоволоконных систем зависит от кабелей, то электропроводных линий и каналов на основе витой пары — от разъемов.

В оптоволоконных каналах дополнительные потери, вносимые разъемами, пренебрежимо малы. Полоса пропускания зависит от категории кабеля (2 издание ISO/IEC 11801), его длины и используемого оптического окна. Потери, вызванные затуханием и отражением сигнала, равномерно распределяются по всей длине кабеля. Затухание в сплайсах и разъемах составляет доли децибел или 7–12%. Какие-либо помехи отсутствуют, если не принимать во внимание системы с волновым уплотнением, которые в локальных сетях пока не применяются.

В электропроводных системах приходится учитывать не только затухание, но и наводки. Затухание зависит от категории и длины кабеля и прямо пропорционально частоте сигнала. Затуханием в электрических разъемах, имеющим примерно ту же величину, что и в оптических, можно пренебречь. Наводки также увеличиваются с ростом частоты. При этом в разъемах они на порядок больше, чем наводки в кабелях. Суммарный эффект затухания в кабелях и наводок в разъемах приводит к тому, что мощность сигнала оказывается сопоставимой с мощностью шумов. На верхней границе частотного диапазона стандартных каналов максимально допустимой длины категории 5 и 6 сигнал практически равен уровню суммарных шумов.

Параметр сигнал / шум ограничивает длину канала и скорость передачи данных. Длина электропроводного канала, используемого для информационных приложений соответствующего класса, не должна превышать 100 метров. Скорость передачи данных зависит от метода преобразования цифрового сигнала в аналоговый и частотного диапазона среды передачи. Верхняя часть спектра сигналов, обеспечивающая качество работы современных протоколов — Gigabit Ethernet, Fast Ethernet, ATM 155 и других, имеет наихудшие параметры сигнал / шум.

Для увеличения скорости и качества передачи данных решающую роль играют разъемы. Качество разъемов зависит от коннекторов. Наводки возникают из-за разбалансировки и изменений волнового сопротивления симметричных витых пар в результате монтажа гнездовых разъемов. Уменьшить наводки в кабелях оказывается намного проще, чем компенсировать расплетение витых пар. О влиянии расплетения витых пар свидетельствует тот факт, что параметры кабеля длиной 100 метров примерно на порядок лучше, чем у того же кабеля длиной 90 метров с двумя разъемами на концах.

Для лучшего понимания особенностей электропроводных систем необходим более детальный взгляд на проблему оснащения кабелей разъемами.

Коннектор — предел возможностей СКС

Коннектор многие считают разъемом и наоборот. В стандартах СКС, действительно, используется один термин, однако эти понятия четко разграничены. Разъем это окончание кабеля для коммутируемого электрического или оптического соединения. Коннектор — элемент кабельного разъема, обеспечивающий подключение проводников кабеля.

Строго говоря, электрический разъем имеет два коннектора — врезной и контактный. Первый служит для неразъемного подключения витых пар, второй — для коммутируемого соединения с ответным разъемом. Врезное соединение реализовано на коннекторах, разъемное — на подпружиненных контактах. Гнездо является интерфейсом линейных кабелей. Коннектор соединительных кабелей одновременно выполняет функции врезного и контактного соединений. С одной стороны он неразъемно подключен к проводникам кабеля, другая служит для контактного соединения с гнездовым разъемом.

Рис. 1 Кабельный разъем и коннектор

71_4.gif (6223 bytes)

Стандарт RJ45 предусматривает несимметричное разъемное соединение, образуемое гнездом и штекером. Для монтажа разъема требуется удалить оболочку кабеля и расплести концы витых пар. В штекерных разъемах изменение геометрии проводников гораздо меньше, чем в гнездовых. Максимальная разбалансировка, наибольший уровень излучений и помех имеют место именно на гнездовых разъемах. Поэтому от соединения кабеля с разъемом зависит работа протоколов и сети в целом.

Контакт сквозь изоляцию

Для подключения четырехпарных кабелей к абонентским розеткам и распределительным панелям все ведущие производители элементов для структурированных кабельных систем используют коннекторы, реализующие принцип контакта сквозь изоляцию (КСИ).

Конструкция коннекторов очень проста. Она напоминает гребенку с тонкими электропроводными лезвиями на боковых поверхностях зубцов. Гребенка коннектора может быть однорядной или двухрядной. Для подключения проводников кабеля их просто проталкивают между ножами гребенки, которые прорезают изоляцию и обеспечивают электрический контакт врезкой в медное тело проводников. Для компенсации разбалансировки, вызванной расплетением витых пар, применяют печатные платы.

Штекерные разъемы также имеют врезной коннектор и контактный разъем, но выполняются без печатных плат. Компенсация разбалансировки штекерных разъемов обеспечивается гнездовыми разъемами.

Технология врезки, которая была создана для монтажа телефонных проводов на кроссах, оказалась весьма удачной. Она применяется практически в 100% случаев для подключения проводников медных кабелей, используемых в системах передачи данных. Врезной контакт лучше, чем механический, или пайка, поскольку значительно упрощает монтаж и обеспечивает надежное низкоомное электрическое соединение.

Кроме того, врезной контакт не окисляется, не подвержен неблагоприятным воздействиям перепадов температур и не имеет переходов типа "медь проводника — олово пайки — металл коннектора". В коннекторах типа КСИ происходит процесс диффузии — медь проводника и специальный сплав коннектора проникают друг в друга, увеличивая площадь контакта. С годами электрические параметры таких соединений даже улучшаются.

Параметры канала и коэффициент ошибок

Для оценки качества сигнала, передаваемого по двум парам в противоположных направлениях (одна пара — передача, другая — прием) достаточно измерить затухание и наводки. Отношение этих величин характеризует превышение сигнала над уровнем шумов без учета внешних помех. Параметры СКС представляют в логарифмической шкале, в которой деление десятичных величин соответствует вычитанию.

Применение современных протоколов передачи данных требует использования высоких частот. В настоящее время международные и национальные стандарты определяют параметры передачи сигналов по медному кабелю категории 5 / класса D в локальных сетях в полосе до 100 МГц.

Наводки обозначают как NEXT (Near End Crosstalk — дословно — перекрестные наводки на ближнем конце (кабеля). Точнее это наводки двунаправленной передачи. Они создаются на обоих концах кабеля. Данный параметр характеризует отношение сигнала на выходе из передатчика одной пары к наведенному сигналу на входе в приемник другой пары. Наводки уменьшают путем скрутки пар кабеля с разным шагом. Геометрия витых пар фиксируется оболочкой кабеля. Однако для того, чтобы оснастить медный кабель разъемами, требуется снять оболочку и расплести пары, что в наибольшей степени ухудшает параметры системы.

Затухание сигнала возрастает с ростом частоты более, чем в сто, а наводок — в тысячи раз. Увеличение наводок наряду с ослаблением сигнала приводит к увеличению коэффициента ошибок. Это проявляется в сбоях протоколов и сети в целом.

Графики 1 и 2. Параметры базовой линии и канала категории 5 и коэффициент ошибок
Параметры базовой линии (БЛ) и канала категории 5 Зависимость к-та ошибок (BER) от отношения сигнал / шум

Att — затухание, ACR отношение затухания и наводок (эквивалент сигнал / шум без учета внешних помех и возвратных потерь),
NEXT — перекрестные наводки, БЛ — базовая линия, BER — коэффициент ошибок

Как показано на графике слева, параметры разъемов лучше, чем у кабелей. Однако при монтаже разъемов на кабель уровень наводок базовой линии оказывается в несколько раз больше, чем у кабеля. Наихудшее качество сигналов отмечается на максимальных частотах. Отношение затухания и наводок (ACR) базовой линии категории 5 на частоте 100 Мгц должен быть не менее 8 дБ, канала — 3,1 дБ.

График справа показывает зависимость коэффициента ошибок (BER — Bit Error Rate) от чистоты сигнала (ACR). Отношение сигнал/шум в эффективной полосе частот должно быть не менее 16 дБ, чтобы коэффициент ошибок составил 10-10.

Для протокола Fast Ethernet 100 Мбит/с максимальная частота эффективной полосы составляет 80 МГц. Стандартный канал гарантирует на этой частоте около 10 дБ, что соответствует коэффициенту ошибок 10-3.Это в 107 раз больше, чем допустимо. Кабель без разъемов на концах обеспечил бы при тех же условиях коэффициент ошибок примерно на уровне 10-9. Другими словами, из миллиона ошибок только одна происходит в кабеле, а остальные — в разъемах.

Стандартный канал категории 5 имеет худшие параметры, чем того требуют протоколы класса D. Наибольшую роль в ограничении возможностей среды передачи играют именно разъемы. Приведенный ниже материал показывает в какой степени конструкция разъемов позволяет повысить качество систем и что это дает пользователям.

Модуль 808 компании ITT NS&S

В настоящее время существуют 3 типа запатентованных врезных коннекторов: Lucent Technologies, Krone и MOD-TAP. Длина расплетения витых пар для подключения к таким коннекторам соответствует стандартами. Ее не удается уменьшить потому, что пары необходимо развести на одну или две гребенки, которые имеют достаточно большой размер.

Решение компании ITT NS&S, Великобритания, для кабельных разъемов базируется на том же принципе контакта сквозь изоляцию. Отличие состоит в том, что лезвия коннектора, расположенные практически в один ряд, максимально приближены друг к другу. Для улучшения электрических параметров V-образные лезвия коннекторов находятся в двух параллельных плоскостях, разделенных тонким (0,1 мм) диэлектриком, и имеют разную высоту.  Это увеличивает расстояние между точками электрических контактов проводников.

Контакты 3 и 6 худшей (расщепленной пары) составляют одну плоскость, остальные шесть контактов — другую. Это решение обеспечило компенсацию без применения печатных плат и электрических элементов.  Балансировочная емкость образуется механическим расположением и размерами разделенных диэлектриком проводников, проходящих внутри модуля и соединяющих лезвия коннекторов с контактами гнезда. Такую технологию называют планарной. Ее применение стало возможным в результате минимальной разбалансировки витых пар.

Модуль 808 имеет две разновидности — 808 Mk2 категории 5/5е и 808 Mk3 — категории 6. Конструктивные отличия 808 Mk2 и 808 Mk3 незначительны — контакты 3 и 6 разделены диэлектриком, что образует три компенсационные пластины. Внешние размеры идентичны. В сочетании с модульной конструкцией это обеспечивает дополнительную гибкость проектирования и монтажа.
Фото 1. Экранированный модуль 808  

В частности, на одной панели можно установить модули разных категорий, например, категории 6 для магистральных каналов или подключения серверов и категории 5е — для горизонтальных линий.

Для систем категории 5 стандарты разрешают расплетение пар на длину не более чем 1/2 дюйма (13 мм). Стандарты не определяют длину удаления оболочки, но рекомендуют монтировать разъемы таким образом, чтобы она была минимальна. Некоторые производители элементов СКС ограничивают этот параметр величиной один дюйм (25,4 мм). В разъеме 808 Mk2 расплетение пар производится на всю длину удаления оболочки и составляет не более 7 — 9 мм. Это в четыре раза меньше, чем того требуют особенности монтажа традиционных коннекторов. Расстояние от оболочки кабеля до точки врезки в коннектор — 2 — 3 мм или на порядок меньше стандартного. Оставшаяся часть расплетенных пар находится в направляющих, образованных модулем и его крышкой. Расположение проводников в направляющих обеспечивает заданную геометрию пар и высокую универсальность механических и электрических параметров монтажа.

Технология ITT NS&S позволила свести к минимуму разброс параметров. Это обеспечило высокую степень компенсации шумов в  и позволило увеличить их число разъемов в канале до семи. Стандарты предусматривают три основных разъема в канале и один дополнительный при наличии резерва параметров. Следует отметить также надежность фиксации витых пар и кабеля в разъеме. Кабельная оболочка заканчивается и крепится внутри модуля, в поле зрения нет витых пар.

Данный запатентованный разъем, конструктивно выполненный в виде сборного модуля, имеет самые маленькие размеры и обладает наилучшими электрическими и механическими параметрами по сравнению со всеми существующими типами кабельных разъемов.

Электрические параметры модулей 808 Mk2 существенно превосходят требования, определяемые стандартом TIA/EIA-568-A-5, а 808 Mk3 — проекта категории 6. По затуханию резерв составляет один — два порядка, по наводкам (NEXT) — один порядок.

Конструкция модуля 808 хорошо иллюстрирует понятие телекоммуникационный разъем, определяемое базовыми стандартами СКС. Разъем — это окончание кабеля, обеспечивающее коммутируемые соединения. На розетке устанавливают от одного — двух до 24 разъемов, на панелях — от 12 до 72. Об иных представлениях свидетельствует то, что телекоммуникационный разъем (telecommuпication outlet) повсеместно понимают и переводят в русскоязычной литературе как телекоммуникационная розетка. Модули 808, в отличие от большинства решений, универсальны Линия — не интегрирована в конструкцию розеток и панелей и не имеет различия параметров на обеих концах из-за различного конструктивного исполнения коннекторов.

Последовательность и перекрестные наводки

Существует несколько вариантов взаимного расположения проводников относительно контактов коннекторов. Это TIA-T568A, TIA-T568B и USOC для четырех пар, TOKEN RING, 10 BASE-T — для двух пар и другие. В современных стандартах используются последовательности TIA-T568A и TIA-T568B.

Протоколы передачи данных предусматривают разное число используемых пар и несколько вариантов подключения проводников к коннекторам. Две пары необходимы для протоколов 10BaseT, 100BaseTX, ATM155. Для работы 100BaseT4 и 100BaseVG выделяются все четыре пары. Как пары проводников, так и пары коннекторов, имеют различные электрические параметры. Поэтому для оптимизации системы необходимо учитывать требования протоколов, параметры кабелей и параметры разъемов.

Последовательность монтажа проводов строго соблюдается. Для этого как витые пары, так и монтажные позиции коннекторов имеют цветовую маркировку.

Рис. 2 и 3. Последовательность и перекрестные наводки
Схема последовательности расположения проводников TIA-T568B График перекрестных наводок для базовой линии 90 м, 100 Мгц

Компания ITT NS&S пошла по пути улучшения параметров всех пар базовой линии (БЛ). Базовая линия, представляет собой кабель длиной до 90 метров, оснащенный гнездовыми разъемами. На рисунке слева показана одна из наиболее распространенных последовательностей монтажа проводников и пар на контактах коннектора — TIA-T568B. Проводники второй и четвертой пар размещаются на крайних парах контактов. Первая пара занимает два центральных контакта, а проводники третьей пары размещаются с внешней стороны проводников первой пары.

Рисунок справа иллюстрирует величину наводок стандартной базовой линии, и БЛ с разъемами типа 808 Mk2, на частоте 100 Мгц. Значения NEXT приведены на шестиугольной диаграмме. Каждый из лучей диаграммы имеет значение — 50 дБ в центре и -20 дБ — на конце линий.

Зеленая линия показывает уровень наводок, определяемый стандартами. Для базовой линии категории 5 перекрестные наводки должны быть не хуже -29,1 дБ. Красная линия — фактические усредненные измерения уровней наводок между парами для базовой линии экранированной системы ISCS.

Как видно из графика, компании ITT NS&S удалось значительно уменьшить перекрестные наводки между всеми парами. Наилучшие результаты — -48 дБ, получены для 2-й и 4-й пар, используемых для работы АТМ 155. Для любой из пар показатели NEXT для крайних условий эксплуатации превосходят требования стандартов не менее чем на 8 дБ. Это практически означает, что уровень внутренних шумов системы на один — два порядка (в 8 — 95 раз) ниже, чем допускается стандартами.

Как видно из графика, структурированная кабельная система ITT NS&S универсальна и имеет существенный резерв даже по наихудшим парам.

Долговечность

По истечении нескольких лет эксплуатации кабельной системы контакты начинают окисляться. Для решения проблемы соединение проводников и контактов коннектора должно быть газонепроницаемым. Это не позволяет кислороду проникать в зону контакта. Врезные контакты обеспечивают многолетний срок службы благодаря бескислородному контакту и механической фиксации.

Для обеспечения газонепроницаемости лучшие производители СКС покрывают лезвия врезных контактов окислами серебра. При монтаже проводников окислы серебра снимаются таким образом, что кислород не попадает в зону врезки. При повторном монтаже на те же лезвия защитное покрытие на них отсутствует, что приводит к наличию молекул кислорода между двумя металлами. Кислород препятствует диффузии и приводит к деградации контакта. Через два — три года эксплуатации возможно появление отказов. Модуль 808 допускает единственный монтаж, зато служит десятилетиями.

Механическая фиксация проводников обеспечивает снятие нагрузок с контактов коннектора, которые могут привести к попаданию кислорода уже после врезки.

В неэкранированном модуле 808 реализовано три уровня фиксации кабеля и коннектора. Механическое крепление осуществляется в следующих точках:

  • проводники зажимаются между выступами крышки и направляющими модуля;
  • проводники фиксируются ножами коннектора и дополнительно поджимаются крышкой модуля. Усилие врезки не снимается после монтажа и сохраняется в течение всего срока эксплуатации;
  • кабель крепится стяжкой к панели (розетке).

В дополнение к этому в экранированных системах кабель фиксируется обжимным кольцом к корпусу модуля, что обеспечивает четвертую точку фиксации.

В традиционных гребеночных коннекторах предусмотрена только одна фиксация кабеля стяжкой.

Разъем 808 состоит из двух частей: модуля с крышкой и корпуса. В неэкранированных системах корпус пластмассовый, в экранированных — металлический. Массивный металлический корпус обеспечивает малое волновое переходное сопротивление экрана и эффект "массы".

Эффективное электрическое соединение модулей и панелей с помощью металлической шины вновь многократно снижет потенциал экрана за счет массы панелей и шкафов и упрощает процесс заземления. Кроме того, конструкция модуля наилучшим образом решает проблему экранирования проводников кабеля на 360о.

В дополнению к улучшению прочности заделки кабеля корпус обеспечивает дополнительную защиту расплетенных проводников от внешних воздействий.

Механические и диэлектрические характеристики

По диэлектрическим и механическим параметрам модуль 808 превосходит требования, определяемые международными (ISO/IEC 11801), европейскими (IEC 603-7) и американскими стандартами (TIA/EIA-568-A). Гнездовой восьмиконтактный разъем модуля очень долговечен и надежен.

Контактные проводники не окисляются благодаря нанесенному на них покрытию золотым напылением толщиной около 2 микрон. Это обеспечивает более 2.500 коммутаций. Стандарты требуют не менее 200 коммутаций. Электрические, механические и температурные характеристики приведены в таблице.

  Модуль 808 Стандарт
ISO/IEC 11801
Максимально допустимое напряжение

1000 В

500 В

Минимальное гарантированное число соединений 2500 раз

200 раз

Усилие соединения / разъединения разъемов 2 кг

-
Усилие разрыва разъемов 5 кг -
Диапазон рабочих температур от -40°C до +70°C от -10°C до +60°C

Модульная конструкция и простота

Традиционное решение панелей СКС — металлическая планка шириной 19 дюймов с полкой, на которой неразъемно закреплены от 12 до 72 коннекторов. Розетка включает один, два или более коннекторов. При этом кабельные окончания панелей и розеток разнотипны и различаются по параметрам.

Структурированная кабельная система ITT NS&S состоит из универсальных модулей 808, которые монтируются как на панелях, так и на розетках всех типов и всех стандартов. При замене розеток или панелей модули остаются на кабеле. С другой стороны, для создания новых линий не требуется менять всю панель или розетку.

Размеры и механические характеристики коннектора также играют немаловажную роль. ITT NS&S производит модули кабельных разъемов самых маленьких размеров. В результате, они более компактно размещаются на распределительных панелях. Плотность монтажа модулей типа 808 на распределительных панелях примерно в полтора раза выше, чем у самых миниатюрных разъемов других производителей.

Структурированная кабельная система фирмы ITT NS&S имеет меньше элементов, чем любая другая система. Это упрощает дистрибуцию, монтаж, эксплуатацию и администрирование.

Удобство монтажа

Модуль 808 позволяет монтировать гнездовые разъемы линейных кабелей практически так же, как и штыревые разъемы соединительных кабелей.

Все восемь проводов, сформованные и обрезанные специальным инструментом, вставляются в коннектор одновременно, после чего фиксируются крышкой модуля. Модуль задвигают в корпус одним движением того же инструмента. Врезка проводников происходит за счет усилия, передаваемого корпусом на крышку модуля. Этим достигается точная посадка проводников в основание V-образных лезвий врезных контактов.

Модуль 808
midi_tool1.jpg (8248 bytes)
Монтажный инструмент

Модуль фиксируется в корпусе защелками, которые не допускают разборки модуля и повторного монтажа.Лезвия коннектора покрыты окислом серебра. При врезке серебряное покрытие легко смещается, но не допускает попадания кислорода в точки контакта. Благодаря газонепроницаемому контакту, обеспечивается долговечность врезного соединения. Прочный внешний корпус, отсутствующий у традиционных разъемов, обеспечивает механическую защиту зоны контактов и повышенную прочность заделки кабеля.

Эта простая технология монтажа кабельных разъемов, заложенная в конструкцию модуля и инструмента, обеспечивает непревзойденные удобство и простоту работы. Механические и электрические параметры расплетенных пар при этом универсальны и строго заданы.

Качество системы

Разработав модуль принципиально нового типа в 1991 году, компания ITT NS&S на несколько лет опередила конкурентов. Аналогичные решения начали появляться в конце 90-х годов для систем категории 6.

Компании ITT NS&S удалось в полной мере использовать преимущества систем, имеющих резерв параметров. Повышение качества передачи сигналов было трансформировано в увеличение длины каналов и числа разъемных соединений. При этом заказчики получили гарантии работы протоколов, что выходит за рамки традиционных гарантий категории 5.

Расширение возможностей и гибкости среды передачи обеспечило применение принципов централизованной архитектуры к большему числу объектов, уменьшение числа сетевых устройств, размеров шкафов, площади телекоммуникационных помещений.

Модульная конструкция и эффективное индивидуальное экранирование каналов позволило решить проблемы электромагнитной совместимости и обеспечить соответствие требованиям европейской Директивы ЭМС для офисной и промышленной среды.

Продукция и услуги компании ITT NS&S гарантируют заказчикам минимальную стоимость владения структурированной кабельной системы и сети в целом. Крупнейшие сети в мире созданы на базе систем ITT NS&S.

Разработка новых стандартов подтверждает преимущества разъемов с контролируемым расплетением витых пар без компенсационных печатных плат. Конструкция традиционных коннекторов не позволяет решить проблемы совместимости. Это может привести уже в ближайшее время к массовой замене разъемов, линейных и соединительных кабелей в результате модификации категории 5.

Заказчики, установившие системы ITT NS&S, не испытывают данных проблем. Решения ITT NS&S реально обеспечивают длительный срок службы структурированных кабельных систем.