В последнее время все больше внимания уделяется электромагнитной совместимости (Electromagnetic Compatibility — EMС) информационных систем, использующих кабели на экранированных (STP) и неэкранированных (UTP) витых парах. Бытует мнение, основанное на традиционных представлениях об экранировании, что физически "экранированный" кабель, безусловно, менее восприимчив к помехам и обладает меньшей излучающей способностью, чем "неэкранированный". Однако исследования показали, что восприимчивость к помехам и излучательная способность этих кабелей практически не различаются. Так, в [1] показано, что при сравнительно низкой стоимости монтажа и эксплуатации кабельные системы на основе UTP категории 5 с точки зрения электромагнитной совместимости имеют превосходные рабочие характеристики.
Электромагнитная совместимость является показателем способности кабельной системы минимизировать уровень излучаемой энергии и быть устойчивой к шумовым помехам от внешних источников. Важно помнить, что EMC определяется качеством как кабельной системы, так и сетевого оборудования. Если установлено активное оборудование посредственного качества, то кабельная система с превосходными рабочими характеристиками не может улучшить EMC. И наоборот, кабель с плохими рабочими характеристиками может стать причиной ухудшения EMC систем, где установлено первоклассное сетевое оборудование.
Сбалансированный сигнал состоит из двух одинаковых по амплитуде противофазных сигналов, распространяющихся по двум проводникам пары. Приемник интерпретирует сигнал, приходящий по линии передачи, как разницу напряжений между двумя проводниками витой пары. Термин "баланс" применительно к кабелю означает, насколько точно проводники в каждой паре соответствуют друг другу. В идеально сбалансированной кабельной системе в обоих проводниках пары электромагнитные помехи наводят одинаковые сигналы. С одной стороны, вследствие равенства амплитуды и фазы наведенных в проводниках шумовых сигналов приемник, чувствительный только к разнице напряжений, не воспринимает их. С другой стороны, в идеальных условиях передатчик вырабатывает одинаковые по амплитуде противофазные сигналы и образуются электромагнитные поля, равные по напряженности, но противоположные по фазе, поэтому излучение в окружающее пространство отсутствует.
К сожалению, в реальных условиях передатчики, приемники и кабельные компоненты не бывают идеально сбалансированными. Дисбаланс вызывает излучение электромагнитного поля, интенсивность которого зависит от амплитуды передаваемого сигнала и степени нарушения баланса. Разницу силы тока в проводниках несбалансированной пары можно представить в виде тока, текущего по одному из проводников в одну сторону и возвращающегося обратно по другому проводнику, т. е. образующего таким образом протяженную петлю. Формируется как бы контурная антенна. Напряженность излучаемого поля зависит от площади петли и силы протекающего по ней "нескомпенсированного" тока. Такое излучение может создавать помехи для телевизоров, радиоприемников и сотовых телефонов. Снизить уровень паразитного излучения можно применением экранированных и неэкранированных кабелей с улучшенным балансом пар.
Кроме нежелательного излучения, в кабельных системах могут возникнуть проблемы с восприимчивостью к шумовым помехам. Невосприимчивость кабельной системы к шуму — это ее способность противостоять воздействию таких помех, которые могут создаваться передающими антеннами радиостанций и электронными устройствами, например принтерами или электроприборами, такими, как электродвигатели и коммутаторы.
В UTP- и STP-кабелях применяются разные методы уменьшения шумовых помех. В неэкранированных кабелях для снижения восприимчивости к шумовым помехам основной упор делается на улучшение сбалансированности пар в кабеле. Когда характеристики UTP-кабелей приближаются к идеальным, шумовые сигналы, наведенные на отдельные проводники пары, выравниваются и приемник, способный обнаруживать только разницу напряжений на проводниках, становится невосприимчивым к шумовым помехам. Таким образом, даже не прибегая к защите с помощью физического "экрана", можно достичь максимальной невосприимчивости кабельной системы к шуму. При использовании STP-кабелей невосприимчивость их к шуму и контроль за ней обеспечиваются с помощью сложной и дорогостоящей технологии.
Поле шумовой помехи наводит в металлическом экране кабеля ток, при стекании которого на землю к обоим проводникам пары, несущим полезный сигнал и расположенным внутри экрана, прикладывается напряжение, одинаковое по амплитуде и фазе. По мере приближения качества экрана к идеальному два результирующих тока будут уменьшаться, компенсируя влияние шумовых помех.
Существует сложная взаимозависимость между восприимчивостью к шумовым помехам и нежелательным излучением. Идеально сбалансированная кабельная система обладает абсолютной невосприимчивостью к шуму и не испускает электромагнитного излучения (в случае если и передатчик и приемник также идеально сбалансированы).
Однако в реальных условиях, когда сигнальные проводники "открыты" для несбалансированных шумовых токов, мы наблюдаем не только наведенный шум на стороне приемника, но и описанный ранее эффект контурной антенны, создаваемый несбалансированным током. Следовательно, несбалансированная передающая система на витой паре или неправильно заземленная STP-система будут не только излучать нежелательные электромагнитные поля, но сами подвергнутся шумовым помехам от внешних источников. Поэтому, принимая решения, касающиеся кабельных систем, как разработчики систем и оборудования, так и конечные пользователи должны тщательно анализировать причины возникновения этих явлений.
С точки зрения разработчика, хорошая кабельная система — это такая, с помощью которой можно осуществлять передачу сигнала с уровнями, достаточными для получения приемлемого соотношения сигнал/шум и в то же время удовлетворяющими требованиям по излучению, опубликованным, например, в таких нормативных документах, как FCC Part 15 [2] и IEC CISPR22 [3].
Для конечных пользователей определяющим является правильное функционирование систем независимо от выбранной конфигурации и конкретного решения, т. е. от различного числа пользователей и кабельных сегментов, а также длины последних. Невосприимчивость к электромагнитным помехам — главный критерий при определении рабочих характеристик установленной системы (часто его выражают с помощью параметра BER (Bit Error Rate — частота битовых ошибок). Ухудшение рабочих характеристик в ЛВС может значительно увеличить время реакции на запрос, а в экстремальных ситуациях даже привести к аварии.
Неэкранированный кабель на витых парах состоит в основном из двух или более одножильных медных проводников калибра 24 AWG, которые помещают в изолирующие пластиковые оболочки, изготовленные, как правило, из термопластичного поливинилхлорида (PVC — ПВХ) или полиэтилена (кабели высокого класса). Обычно изолированные пары имеют различный шаг витков, что повышает сбалансированность пар и улучшает переходное затухание между ними — NEXT.
Экранированный кабель состоит из витых пар, помещенных в экранирующую трубку из тонких луженых проволочек или фольги. Экранировать можно каждую пару или весь кабельный пучок. Цель экранирования каждой пары — уменьшение излучения, повышение невосприимчивости к шумовым помехам и улучшение значения параметра NEXT. Экранирование всего кабельного пучка снижает общий уровень излучения и повышает невосприимчивость кабеля к шумовым помехам. В этом случае значение параметра NEXT не улучшается. Кабели, экранированные только оболочкой из фольги, подвержены влиянию низкочастотного шума, например от мощных электродвигателей. Кроме того, экранирование увеличивает затухание амплитуды сигнала в кабеле из-за добавочной емкости между экраном и витыми парами.
В лабораториях Bell Labs, ранее входивших в AT&T, а теперь работающих в составе Lucent Technologies, были проведены сравнительные испытания рабочих характеристик экранированных и неэкранированных кабелей на витых парах. Во-первых, исследовалась чувствительность кабеля к шуму при защите только с помощью экранирования (измерение величины вторично наведенного тока). Во-вторых, измерялась разность уровней помех, наводимых на проводниках UTP-кабелей категории 3 и 5 и STP-кабелей Type 1.
Многие проектировщики систем и оборудования, а также конечные пользователи убеждены в том, что высокие рабочие характеристики кабельных систем на основе STP объясняются наличием физического "экрана". Однако любой неправильно изготовленный и терминированный экран будет вести себя как излучающая электромагнитные поля и воспринимающая шумы антенна. Экранированные кабели должны быть правильно терминированы с обоих концов, и по всей длине кабельной системы необходимо поддерживать целостность экрана.
При измерении величины вторично наведенного тока сотрудники Bell Labs сравнивали степень результирующего воздействия шума на кабель с нарушением заземления с силой воздействия шума на хорошо заземленный кабель. В результате этого тестирования обнаружено, что невосприимчивость экрана к шуму изменялась от предельно допустимой (10% для заземляющего отвода длиной 25 мм) до плохой (50% для заземляющего отвода длиной 200 мм). Точно так же изменялось результирующее влияние на уровень полезного сигнала. Проведение таких тестов имеет важное практическое значение, так как часто для заземления экрана используют провод значительной длины.
По результатам измерений величины вторично наведенного тока стало ясно, что любое нарушение экрана ухудшает невосприимчивость кабеля к шуму до такой степени, что может вызвать искажения сигнала. Очевидно, наличие экрана само по себе не гарантирует достаточной невосприимчивости к шуму. Более того, качество терминирования экрана в точках сопряжения и монтажа системы заземления по всей телекоммуникационной системе определяет общий уровень невосприимчивости к шуму. В действительности хорошо сбалансированная линия передачи с неправильно терминированной системой экранирования может быть подвержена шумовым помехам даже больше, чем совсем неэкранированная.
На основании результатов измерений инженеры Bell Labs пришли к выводу, что в реальных рабочих условиях при соблюдении определенных правил неэкранированный кабель на витых парах может иметь такие же высокие рабочие характеристики по невосприимчивости к шуму, как и экранированный кабель. Величина результирующих дифференциальных шумовых напряжений, измеренная в кабелях UTP категории 5 и STP, была достаточно низкой для обеспечения точной передачи данных с учетом жестких условий эксперимента [1].
Результаты измерений дифференциального напряжения и силы вторично наведенного тока показали, что и UTP- и STP-кабели способны обеспечивать степень невосприимчивости к электромагнитным помехам от хорошей до отличной, причем в неэкранированных кабелях данная характеристика зависит от качества сбалансированности проводников в парах, а в экранированных — прежде всего от качества экранирования. С одной стороны, UTP-кабели, предназначенные для высокоскоростных приложений, в которых жестко выдержаны технологические допуски, могут обеспечивать характеристики по EMC, сравнимые с такими же характеристиками систем на основе STP-кабелей с хорошим экранированием. Но, с другой стороны, плохо экранированная система на STP-кабелях может оказаться более уязвимой к помехам, чем хорошо спроектированная система на основе UTP-кабелей.
Исследования, проведенные в Bell Labs, развеяли некоторые ошибочные представления о рабочих характеристиках экранированных и неэкранированных кабелей на витых парах. Измерения вторично наведенного тока доказали, что экранированный кабель сам по себе не обеспечивает невосприимчивость к шуму. Следует серьезно заниматься внешним экранированием вдоль всей линии, так как безобидные на первый взгляд соединения могут оказывать и оказывают значительное влияние на общую эффективность экранирования. Кроме того, поддержание высокого качества экранирования в каждой точке становится дорогим удовольствием. Поэтому, учитывая требуемый уровень EMC, разработчик системы должен найти компромисс между требованиями, предъявляемыми к системе, и стоимостью ее компонентов и обслуживания [4, 5]. Таким образом, можно утверждать, что применение в кабельных системах неэкранированного кабеля способно обеспечивать такой же уровень устойчивости их к шуму, как и применение экранированного.