Даже хорошо изолированная кабельная система подвержена электромагнитному воздействию. В данной статье рассказывается об одном из способов, с помощью которых можно избежать связанных с этим проблем.
Вот уже более 10 лет я имею дело со структурированными кабельными системами (СКС), т. е. занимаюсь разработкой, установкой и тестированием как отдельных их компонентов, так и завершенных инсталляций, в том числе систем, использующих полосу пропускания 100 МГц и выше. Конечно, за это время приходилось встречаться с разными проблемами: какие-то компоненты не соответствовали требованиям стандартов или монтаж кабельной проводки производился с нарушениями. Но чтобы в отдельных сегментах хорошо изолированной системы появлялись неполадки, обусловленные электромагнитным воздействием? Этого просто не случалось!
До недавнего времени я придерживался мнения о том, что если инсталляция кабельной системы проведена по всем правилам, а установленные компоненты соответствуют требованиям стандартов, то не следует ожидать никаких неприятностей. Свою точку зрения я отстаивал на различных конференциях и семинарах, но мой последний опыт показал, насколько я ошибался.
Перед тем как углубляться в детали, полезно освежить в памяти некоторые аспекты передачи информационных сигналов по неэкранированной витой паре, в частности поговорить об ее устойчивости к внешним воздействиям при отсутствии экранирующей оболочки.
Цепь передачи представляет собой два идентичных проводника, скрученных вместе и образующих витую пару. Обычно кабель содержит более одной пары таких проводников, каждая с разным шагом скрутки. Это делается для уменьшения до приемлемого уровня перекрестных помех между соседними парами кабеля. Что же касается способа передачи, то устойчивость к внешним воздействиям обеспечивается балансным методом, характеризующимся следующими особенностями.
· Значения сопротивлений обоих проводников пары, измеренные по отношению к нулевому потенциалу, равны, при этом оба проводника являются сигнальными (ср. с коаксиальным кабелем, в котором только один из проводников — жила — является сигнальным, а другой — экран — заземлен, т. е. имеет нулевой потенциал, при этом используется несбалансированный способ передачи).
· Информационный сигнал является дифференциальным, т. е. в каждый момент времени потенциалы обоих проводников пары относительно нуля равны по величине, но имеют противоположную полярность (или фазу).
· Любое внешнее электромагнитное воздействие вызывает в обоих проводниках пары наведенные синфазные токи, т. е. сигналы с равными амплитудой и фазой.
· Терминальное оборудование, установленное на обоих концах передающего кабеля, разработано таким образом, чтобы распознавать только дифференциальный сигнал и подавлять синфазный.
Поэтому нежелательный сигнал хотя и распространяется по витой паре, но в такой форме, что не воспринимается терминальным оборудованием.
То, о чем говорилось выше, справедливо только теоретически. В реальности, однако, не все так просто. В структуре любого кабеля обязательно существуют незначительные дефекты. Они неизбежно возникают в ходе производственного процесса. При прокладке кабеля из-за механических воздействий (изгибы, кручение или сдавливание) дефекты усиливаются.
Все это приводит к изменению геометрии проводников и в итоге к разбалансировке пары. В результате определенная часть синфазной наводки (вызванной внешним воздействием) преобразуется в дифференциальный сигнал, который добавляется к шуму, существующему в цепи, и накладывается на полезный сигнал. В этой ситуации терминальное оборудование уже не в состоянии отличить наводку от передаваемой информации.
Степень несбалансированности кабеля оценивается с помощью такого параметра, как потери разбалансировки. Они измеряются в децибелах и отражают степень преобразования синфазного сигнала. Например, значение потерь разбалансировки, равное 40 дБ, означает, что 1%, или 0,01 часть, синфазного сигнала преобразовался в дифференциальный. Проще говоря, чем лучше кабель, тем выше значение этого параметра, и, наоборот, если кабель во время инсталляции подвергается различным механическим воздействиям, составляющая синфазного сигнала, которая преобразуется в дифференциальный, возрастает. Поэтому перед покупкой кабеля категории 6 оцените, насколько строго вы соблюдаете правила и рекомендации во время монтажа кабельной системы.
Вы наверняка обнаружите, что потери разбалансировки редко указываются производителями кабелей в спецификациях (тем не менее они могут предоставить нужную информацию, если вы их об этом попросите). Вместо них обычно приводятся данные об уровне перекрестных помех. В сущности, это просто другая форма внешнего воздействия на витую пару, обусловленного несбалансированными проводниками.
Остановимся на одном очень интересном случае из моей практики, который демонстрирует, что даже самый лучший кабель на основе неэкранированной витой пары не в полной мере хорош.
Алан Тоуварт из компании Krone однажды попросил меня разобраться с проблемой, возникшей в только что установленной кабельной системе категории 5е. Ее монтаж производила компания C J Grose, являющаяся официальным инсталлятором Krone. По результатам тестирования после завершения работ кабельная система была признана соответствующей требованиям стандарта.
Однако при подключении к ней активного оборудования — офисной АТС (производства фирмы Fujitsu) — оказалось, что некоторые абоненты, так же как и оператор, слышат в трубке искаженно звучащую постороннюю музыку, которая становится то громче, то тише. Надо ли говорить, как это их раздражало?!
Никто не мог сообразить, откуда она взялась. Представители компаний, поставлявших и устанавливавших кабельную систему, после ее обследования посоветовали заказчику сделать что-нибудь с аналоговыми телефонными абонентскими терминалами, поскольку проблема оставалась и после того, как их переместили в другое место. Вместе с тем на линиях коммутируемой телефонной сети, к которым подключались аппараты Touchfone T200, не было ничего подобного. Службы передачи факсов и данных работали нормально. Ситуация становилась все более загадочной.
Вызвали представителя компании, поставившей офисную АТС, но и он не смог сказать ничего вразумительного. В отчаянии специалист компании C J Grose Ли Эш предложил проложить вдоль одной из линий еще один кабель — просто для того, чтобы посмотреть, изменится уровень нежелательного сигнала или нет. И надо же — все помехи исчезли! Налицо определенный прогресс, но такое решение крайне неэффективно, поскольку понадобилось бы протянуть дополнительные кабели вдоль 20 с лишним линий. Кроме того, это не объясняло, почему проблема возникла и неожиданно устранилась.
На этом этапе представители Krone и обратились ко мне с просьбой найти выход из создавшейся ситуации и устранить неполадки. Хотя относительно качества кабельной системы у них не было сомнений, они тем не менее хотели удостовериться в этом окончательно. К тому же не мешало подумать и о клиенте.
Мои подозрения сводились к мысли, что в данном случае мы имеем дело с определенным радиочастотным воздействием. Комплекс, где установили кабельную систему, принадлежал компании Akzo Nobel, являющейся крупным производителем химической продукции. Он представлял собой несколько старых, недавно отремонтированных зданий, размещенных на довольно большой площади. Беглый наружный осмотр не выявил ничего необычного, однако через дорогу напротив находился, по-видимому, заброшенный участок с какими-то постройками и радиомачтой высотой около 30 м.
При тщательном исследовании я обнаружил, что короткие секции опор мачты разделялись изоляторами, что, в общем-то, типично для мачт, передающих сигналы средневолнового диапазона. Секционная конструкция позволяла избежать повторного излучения, предотвращая искажение передаваемого сигнала. Вокруг основания мачты были проложены дополнительные провода для лучшего заземления передатчика.
После того как АТС была настроена таким образом, что во время соединения проигрывалась музыка, передаваемая по радио в средневолновом диапазоне, оказалось, что источником нежелательного музыкального сопровождения при разговорах сотрудников является общественная радиостанция. После звонка в соответствующие инстанции я выяснил, что подобным станциям разрешено работать с мощностью передатчика 400 Вт, а любые проблемы, возникающие из-за радиочастотного воздействия, должны решаться с поставщиком, чье оборудование подвергается этому воздействию. Владелец же передатчика не обязан предпринимать какие-либо меры по уменьшению его излучения.
Далее мы изолировали кабель, испытывавший внешнее воздействие, а к его концам на коммутационных панелях подключили нагрузку в 100 Ом. Затем специальным прибором мы измерили уровень сигнала в зависимости от частоты для одной из пар в диапазоне до 200 МГц. С помощью встроенного в прибор аудиоусилителя можно было слышать принимаемые сигналы во всем интервале частот.
Уровень измеренного дифференциального сигнала на интересующей нас частоте был чуть больше 100 мкВ, в то время как уровень синфазного сигнала равнялся приблизительно одному вольту. Это сразу навело меня на следующие размышления. Во-первых, ясно, что линия связи на основе неэкранированной витой пары функционировала нормально, при этом уровень потерь разбалансировки на частоте 1,6 МГц был выше 60 дБ; во-вторых, слабый аудиоусилитель аналогового телефонного абонентского терминала был устаревшей конструкции и просто не мог справиться с таким мощным синфазным сигналом. Подобный недостаток в обычных условиях никак бы не проявился.
Стало также понятно, почему прокладка 35 м дополнительного кабеля устранила проблему. Дело в том, что большинство кабелей в системе были длиной 30—40 м, и для сигнала на частоте 1,6 МГц представляли собой четвертьволновую антенну. Если такую цепь заземлить со стороны офисной АТС, максимум напряжения при приеме сигнала будет наблюдаться как раз на расстоянии четверти волны от точки заземления, т. е. практически у абонентского терминала. Добавляя еще четверть волны, мы получаем нулевой уровень напряжения, поэтому нежелательный шум исчезает.
Итак, что с этим делать? Опять возвращаясь к теории антенн, вспомним резонансную кривую. Для участка длиной в четверть волны максимум напряжения и минимум тока приходятся на разомкнутый конец линии связи (поскольку ток здесь протекать не может). На другом ее конце (заземленном) ситуация обратная — ток максимален, а напряжение минимально (из-за низкого сопротивления). Исходя из этого проблему можно решить двумя способами:
· обеспечить прохождение радиочастотных помех со стороны абонентского терминала на “землю” через низкоомное сопротивление;
· установить высокоомное сопротивление со стороны офисной АТС, чтобы исключить протекание тока.
Первый способ непрактичен, поскольку со стороны абонентского терминала потребуется обеспечение емкостной развязки проводников, подвергающихся радиочастотному воздействию пар с нулевым потенциалом. Уже то, что потребуется подводить “земляной” провод к каждому аппарату, представляет собой определенную проблему, не говоря о подборе емкости для подключения проводников пар к “земле”.
Устранить проблему, применив второй способ, можно с помощью двух синфазных радиочастотных катушек индуктивности с бифилярной намоткой (как вы помните, мы имеем дело с синфазным сигналом), что мы и сделали. Я изготовил прототип такого фильтра и протестировал его в лаборатории. Результаты показали, что он обеспечивает снижение уровня синфазного сигнала на 15 дБ на частоте 1,6 МГц, а дифференциальный сигнал при этом проходит практически без проблем. Степень влияния радиочастотного воздействия на кабельную систему при этом снизилась до приемлемого уровня. Физически решение проблемы представляло собой конструкцию из двух катушек индуктивности (по одной на каждую пару, подключенную к абонентскому терминалу), смонтированных на маленькой печатной плате с теплоотводом. Вся конструкция размещалась в центре короткого коммутационного шнура с разъемами RJ-45.
В заключение хочу сказать, что описанный изящный и дешевый способ устранения неполадок, вызванных внешними воздействиями, дает возможность упростить процесс инсталляции без дополнительных затрат. Проблема решена!