Sdělovací kabelové rozvody budov Jiří Vodrážka, Petr Jareš
Autoři: Jiří Vodrážka, Petr Jareš Název díla: Sdělovací kabelové rozvody budov Zpracoval(a): České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Kontaktní adresa: Technická 2, Praha 6
Inovace předmětů a studijních materiálů pro e-learningovou výuku v prezenční a kombinované formě studia
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
VYSVĚTLIVKY
Definice
Zajímavost
Poznámka
Příklad
Shrnutí
Výhody
Nevýhody
ANOTACE Rozvody přenosového média pro elektronickou komunikaci uvnitř budov a objektů, tedy sdělovací kabely metalické a optické, se realizují jako tzv. strukturované rozvody, též generické rozvody (strukturovaná kabeláž). Normami je definována hierarchie, provedení a vlastnosti těchto rozvodů, které se rozlišují podle typu prostředí: kancelářské, průmyslové, domácnosti. Jednotné rozvody se používají pro různé typy signálů, nejčastěji se jedná o lokální sítě LAN typu Ethernet, telefonní a ISDN, příp. xDSL přípojky, datové sběrnice apod.
CÍLE Výukový modul popisuje uspořádání a hierarchii strukturovaných rozvodů, seznamuje s relevantními normami a zejména s parametry metalických kabeláží různých tříd a kategorií a s principy jejich měření. Porovnání základních přenosových parametrů je demonstrováno pomocí interaktivního on-line výpočetního programu.
LITERATURA [1]
Vodrážka, J., Havlan, M.: Přístupové přenosové systémy - cvičení, Vydavatelství ČVUT, Praha 2003..
[2]
Vodrážka, J.: Přenosové systémy v přístupových sítích - 2. přepracované vydání, Vydavatelství ČVUT, Praha 2006.
[3]
Boháč,L., Bezpalec, P: Datové sítě. Přednášky. Vydavatelství ČVUT, 1. Vydání, Praha 2011.
Obsah 1 Koncepce strukturovaných rozvodů .................................................................................. 6 1.1
Historie a standardizace.............................................................................................. 6
1.2
Evropské a národní normy ......................................................................................... 7
1.3
Základní struktura kabelových rozvodů ..................................................................... 9
1.4
Hierarchie rozvodů ................................................................................................... 10
1.5
Rozmístění kabelových rozvaděčů v budově ........................................................... 11
1.6
Základy dimenzování strukturovaného kabelového rozvodu ................................... 13
2 Kategorie a třídy kabeláží ................................................................................................. 14 2.1
Fyzický kanál ........................................................................................................... 14
2.2
Provedení metalických kabelů.................................................................................. 15
2.3
Typy metalických kabelů ......................................................................................... 16
2.4
Rozdělení fyzického kanálu do tříd .......................................................................... 19
2.5
Kategorie kabelů....................................................................................................... 20
2.6
Propojovací konektory ............................................................................................. 21
3 Vlastnosti metalických kabeláží a jejich měření ............................................................. 23 3.1
Parametry metalických kabeláží ............................................................................... 23
3.2
Měrný útlum vedení ................................................................................................. 25
3.3
Přeslechy .................................................................................................................. 27
3.4
Demonstrace a porovnání parametrů metalických kabeláží ..................................... 29
3.5
Měření vložného útlumu .......................................................................................... 30
3.6
Měření útlumu přeslechu na blízkém konci NEXT.................................................. 32
3.7
Útlum přeslechu na vzdáleném konci FEXT ........................................................... 34
3.8
Odstup od přeslechu a sumární přeslechy ................................................................ 36
3.9
Měření charakteristické impedance a útlumu odrazu ............................................... 37
3.10
Závěrečný test........................................................................................................... 39
1 Koncepce strukturovaných rozvodů 1.1 Historie a standardizace Představa strukturovaných kabelových rozvodů (Structured Cabling Systems) vznikla začátkem devadesátých let minulého století, kdy rostl zájem o instalaci moderních elektronických informačních, dohledových a jiných systémů, v nových i starých budovách. Původně byla situace ve slaboproudých rozvodech taková, že každý zaváděný systém od konkrétního výrobce typicky vyžadoval instalaci vlastní kabelové infrastruktury, která často nebyla kompatibilní s výrobci ostatních kabelových systémů. Nekompatibilita komplikovala jednotnou správu, snižovala flexibilitu kabelového systému a v neposlední řadě vedla i k faktické závislosti na konkrétním výrobci. To podnítilo mezinárodní standardizaci postupů při projektování, instalaci a též zajištění odpovídajících parametrů kabelových rozvodů. Organizací, která se začala zabývat otázkou standardizace kabelových rozvodů v komerčních budovách je TIA (Telecommunications Industry Association), která je součástí americké asociace EIA (Electronic Industries Alliance). V roce 1991 vydala dokument pod zkratkou TIA/EIA 568 (Commercial Building Telecommunication Cabling Standard) definující základní funkční prvky strukturovaného kabelového rozvodu určeného pro telekomunikační účely v komerčních budovách. Tento standard posléze získal dostatečnou podporu, aby se stal standardem mezinárodním, schváleným následně na půdě ISO (International Organization for Standardization) a IEC (International Engineering Consortium), kde je znám pod označením ISO/IEC 11801. Následovaly pak další standardy, z nichž uvádíme tyto: •
TIA/EIA-569-A-1995 specifikuje požadavky kladené na telekomunikační prostory a dále na systém pokládky a instalace kabelů v budovách.
•
TIA/EIA-570-A-1998 definuje požadavky kabelových rozvodů v domácích rozvodech (residential building).
•
TIA/EIA-606-1994 definuje zásady správy a administrace telekomunikační infrastruktury.
•
TIA/EIA-607-1995 řeší problematikou uzemnění a stínění sdělovacích kabelů v souvislosti se silovými rozvody.
1.2 Evropské a národní normy V evropské oblasti jsou platné normy organizace CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization), jejíž standardy upravují výše uvedené americké standardy do evropské podoby a přizpůsobují je evropským podmínkám. Normy CENELEC jsou závazné i pro Českou republiku. Název národní normy vzniká přeřazením zkratky ČSN před označení evropské normy EN. V tomto ohledu je základní norma týkající strukturovaných kabelových rozvodů shrnuta v dokumentu ČSN EN 50173-1, který je obdobou americké normy EIA/TIA 568-B. Některé skupiny standardů jsou dostupné v přeložené formě od Českého normalizačního institutu (http://www.cni.cz): •
ČSN EN 50174-1. Informační technika – Instalace kabelových rozvodů – Část 1: Specifikace a zabezpečení kvality.
•
ČSN EN 50174-2. Informační technika – Kabelové rozvody – Část 2: Plánování instalace a postupy instalace v budovách.
•
ČSN EN 50288-1. Víceprvkové metalické kabely pro analogovou a digitální komunikaci a řízení – Část 1: Kmenová specifikace.
•
ČSN EN 50288-2-1. Víceprvkové metalické kabely pro analogovou a digitální komunikaci a řízení – Část 2-1: Dílčí specifikace stíněných kabelů do 100 MHz – Horizontální kabely a páteřní kabely budovy.
•
ČSN EN 50288-2-2. Víceprvkové metalické kabely pro analogovou a digitální komunikaci a řízení – Část 2-2: Dílčí specifikace stíněných kabelů do 100 MHz – Kabely pracoviště a propojovací kabely.
•
ČSN EN 50288-3-1. Víceprvkové metalické kabely pro analogovou a digitální komunikaci a řízení – Část 3-1: Dílčí specifikace nestíněných kabelů do 100 MHz – Horizontální kabely a páteřní kabely budovy.
•
ČSN EN 50288-3-2. Víceprvkové metalické kabely pro analogovou a digitální komunikaci a řízení – Část 3-2: Dílčí specifikace nestíněných kabelů do 100 MHz – Kabely pracoviště a propojovací kabely.
•
ČSN EN 50288-4-1. Víceprvkové metalické kabely pro analogovou a digitální komunikaci a řízení – Část 4-1: Dílčí specifikace stíněných kabelů do 600 MHz – Horizontální kabely a páteřní kabely budovy.
•
ČSN EN 50288-4-2. Víceprvkové metalické kabely pro analogovou a digitální komunikaci a řízení – Část 4-2: Dílčí specifikace stíněných kabelů do 600 MHz – Kabely pracoviště a propojovací kabely.
•
ČSN EN 50289-1-6. Komunikační kabely – Specifikace zkušebních metod – Část 1-6: Elektrické zkušební metody – Elektromagnetické vlastnosti.
7
•
ČSN EN 50310. Použití společné soustavy pospojování a zemnění v budovách vybavených zařízením informační techniky.
•
ČSN EN 50346:2003. Informační technologie – Instalace kabelových rozvodů – Zkoušení instalovaných kabelových rozvodů.
8
1.3 Základní struktura kabelových rozvodů Strukturované kabelové rozvody vycházejí ze základní myšlenky, že se celý systém rozvodu složí z přesně definovaných funkčních bloků, jež jsou uspořádány v určité hierarchii a které jsou vzájemně kompatibilní. Podle určení a typu prostor se dělí rozvody do tří skupin: •
kancelářské a obchodní prostory,
•
průmyslové prostory (výrobní haly, provozy),
•
domácí rozvody.
Struktura obecného kabelového rozvodu
Strukturovaný kabelový rozvod se skládá z dílčích komponent: •
Rozvaděč areálu budov – CD (Campus Distributor). o Páteřní rozvody v areálu budov.
•
Hlavní rozvaděč budovy – BD (Building Distributor) o Páteřní kabelové rozvody v budově, někdy nazývané také jako vertikální systém kabelových rozvodů (vertical cabling).
•
Rozvaděč jednoho podlaží či patra budovy – FD (Floor Distributor). o Horizontální kabelové (horizontal cabling).
•
rozvody
v rámci
jednoho
podlaží
Konsolidační propojovací bod – CP (Consolidation point). o Konsolidační propojovací kabel.
•
Pracovní prostor uživatele (work area). o Uživatelská datová zásuvka – TO (Telecommunication Outlet). 9
budovy
1.4 Hierarchie rozvodů Strukturované kabelové rozvody se tedy dělí na tři subsystémy: •
páteřní rozvody areálu budov (campus backbone),
•
páteřní (vertikální) kabelové rozvody budovy (building backbone),
•
horizontální kabelové rozvody v budově v rámci jednoho podlaží.
Jednotlivé dílčí kabelové subsystémy jsou mezi sebou vzájemně propojeny a tvoří hierarchické upořádání.
Hierarchické uspořádání kabelového rozvodu
Kabelový subsystém se skládá z rozvaděčů, od kterých hvězdicovitě vedou kabelové rozvody k rozvaděčům nižší hierarchické úrovně. Standard umožňuje též realizovat přímé propojení kabelovými rozvody mezi hlavními rozvaděči jednotlivých budov areálu. V některých případech povoluje standard také propojit rozvaděče v různých podlažích budovy přímo, a to jen jako dodatek k výše uvedenému základnímu hvězdicovému způsobu. Bod CP slouží jako dodatečný rozvaděč, který zlepšuje flexibilitu propojení horizontálních rozvodů. Typické použití CP bodu je např. v případě instalace kabelových rozvodů v otevřených kancelářských prostorách (Open Office).
10
1.5 Rozmístění kabelových rozvaděčů v budově Na jednotlivých podlažích jsou ve vhodných místech umístěny příslušné rozvaděče FD. Každý z těchto rozvaděčů pokrývá horizontálními kabely vždy odpovídající podlaží. FD rozvaděče jsou kabelovými páteřními (vertikálními) rozvody hvězdicově napojeny na hlavní rozvaděč budovy BD, který se typicky nachází na jednom z nejnižších podlaží. Rozvaděče se instalují do speciálně k tomu určených prostor, které se nazývají telekomunikační místnosti (Telecommunication Rooms). Požadované rozměry těchto prostor, jejich vnitřní provedení, včetně přívodu elektrického napájení, osvětlení, případné větrání, zabezpečení proti vstupu nepovolaných osob a v neposlední řadě systému protipožární ochrany s nezbytnou signalizací, to vše je řešeno v příslušných standardech.
Hierarchie kabelového rozvodu v budově
Na schematickém komponenty:
znázornění
budovy
11
zvláště
vyniknou
další
důležité
•
technické prostory pasivních kabelových rozvaděčů (Telecommunication Closets),
•
technické prostory telekomunikačních zařízení (Equipment Rooms),
•
technický prostor ukončení vnějších kabelů vstupujících do budovy (Entrance Facility)
Požadavky kladené na telekomunikační prostory a na úložné systémy kabelů uvnitř budov upravuje norma ČSN EN 50174.
12
1.6 Základy dimenzování strukturovaného kabelového rozvodu Počet a typy kabelových subsystémů závisí na lokálních podmínkách a velikosti areálu nebo budovy, ale také na použité strategii projektování a požadavcích organizace, která bude danou kabelovou infrastrukturu využívat. Obvykle se projektuje v jednom areálu jeden areálový rozvaděč, v jedné budově jeden hlavní rozvaděč a pro každé patro jeden podlažní rozvaděč. Pokud se bude jednat o rozsáhlou budovu, je vhodné použít větší počet hlavních rozvaděčů budovy. V rámci podlaží je doporučeno na každých 1000 m2 plochy jeden horizontální rozvaděč. Telekomunikační zásuvky TO lze rozmístit buď jednotlivě, nebo ve skupinách. Doporučuje se řídit těmito základními pravidly: •
v každém individuálním pracovním prostoru uživatele musí být osazeny minimálně dvě TO,
•
první zásuvka musí ukončovat čtyřpárový symetrický metalický kabel typu STP nebo UTP,
•
druhá zásuvka ukončuje pár optických vláken nebo opět čtyřpárový symetrický metalický kabel typu STP nebo UTP v závislosti na místních požadavcích,
•
každá zásuvka musí být opatřena permanentní a dobře viditelnou identifikační značkou, jednoznačnou v celém systému kabelového rozvodu, aby nemohlo dojít k záměně,
•
obě zásuvky tvořící jednu skupinu musí být umístěny na dobře viditelném a přístupném místě,
•
všechny připojovací uživatelské kabely jsou součástí kabelového systému a musí tedy jako celek splňovat požadavky na konkrétní třídu rozvodu,
•
u instalací v otevřených kancelářských systémech může jedna skupina TO sloužit pro připojení maximálně 12 uživatelů. V tomto případě se použije konsolidační bod CP (rozvaděč), který slouží pro flexibilní připojení zmiňovaných uživatelů.
13
2 Kategorie a třídy kabeláží 2.1 Fyzický kanál Pro specifikaci přenosových parametrů kabelového rozvodu byla definována množina parametrů, způsoby měření a limitní hodnoty pro jednoznačnou kvalifikaci splněno/nesplněno. V první řadě se definuje tzv. fyzický kanál, což je přenosová cesta řešená strukturovanými rozvody zahrnující kabelové prvky, propojovací panely, konektory, zásuvky. Měření parametrů fyzického kanálu lze provést na více úrovních kabelového rozvodu, jmenovitě: •
mezi areálovými rozvaděči,
•
mezi BD a FD rozvaděči,
•
mezi FD a telekomunikační zásuvkou TO,
•
na sekvenci spojení dané předchozími možnostmi.
Pro strukturované kabelážní rozvody se používají: •
stíněné či nestíněné metalické kabely se symetrickými páry,
•
kabely s mnohavidovými nebo jednovidovými optickými vlákny.
Typické provedení metalické strukturované kabeláže vychází z maximální délky 100 m. Součástí takto realizované přenosové cesty je: •
propojovací kabel (patch cord) od rozvaděče FD k aktivnímu prvku (typicky přepínač Ethernet) délky 4 m,
•
propojovací panel (patch panel) v rozvaděči FD,
•
horizontální kabel délky 90 m,
•
zásuvka TO,
•
uživatelský propojovací kabel (typicky k počítači PC) délky 6 m.
14
2.2 Provedení metalických kabelů Ve strukturovaných kabelážních rozvodech se používají metalické symetrické páry (twisted pair).
Schematický řez UTP kabelem
Typické provedení kabelu pro horizontální kabeláže jsou 4 páry 4x2x0,5 mm (AWG 24) s plným měděným drátem. Pro propojovací kabely (patch cord) v rozvaděčích a u uživatelů se vyžaduje ohebnost, takže se používá lanko spletené ze svazku vodičů. Plastová izolace je barevně odlišena a celek uzavírá plastový plášť. Izolace každého páru je označena jednou z těchto barev: •
oranžová,
•
zelená,
•
modrá,
•
hnědá.
Vodiče se v páru od sebe liší tím, že jeden z nich má plné označení dané barvy, kdežto druhý má barvu zkombinovanou s bílým pruhem. Páry mají potom toto barevné značení: 1. oranžovo-bílý, oranžový, 2. zeleno-bílý, zelený, 3. modro-bílý, modrý, 4. hnědo-bílý, hnědý. Dále může být použito různě provedené stínění.
15
2.3 Typy metalických kabelů Základní rozdělení a označení metalických kabelů podle stínění je: •
U (Unshielded) – nestíněné.
•
S (Screened Shielded ) – stíněné opletením.
•
F (Foil Shielded) – stíněné folií.
Rozlišuje se stínění jednotlivých párů a stínění celého kabelu a provedení stínění pomocí hliníkové fólie nebo opletení. Typy kabelů metalické kabeláže
Staré označení
Nové označení
Stínění párů
Stínění pláště
UTP
U/UTP
žádné
žádné
STP
U/FTP
folie
žádné
FTP
F/UTP
žádné
folie
S-STP
S/FTP
folie
opletení
S-FTP
SF/UTP
žádné
opletení, folie
16
17
Ukázky provedení jednotlivých kabelů (v pořadí UTP, STP, FTP, S-STP, S-FTP)
Moderní kabely určené pro instalace do větracích šachet budov musí vyhovovat přísným požárním předpisům z hlediska hořlavosti a případného produkování škodlivých zplodin v důsledku vystavení silnému žáru v případě vzniku požáru. Pro jejich výrobu se používají speciální plasty označované zkratkou LSZH (Low Smoke Zero Halogen).
18
2.4 Rozdělení fyzického kanálu do tříd Strukturovaný kabelový rozvod využívající metalický kabel lze z hlediska přenosových parametrů fyzického kanálu rozdělit do celkem šesti tříd podle frekvenčního pásma, ve kterém jsou garantovány parametry podle normy. Rozdělení fyzického kanálu do tříd pro symetrický metalický kabel
Třída
Pásmo [MHz]
A
0,1
B
1
C
16
D
100
E
250
F
600
Původní třídy E a F byly doplněny o rozšířené varianty EA do 500 MHz, FA do 1 GHz. Pokud je v roli přenosového média fyzického kanálu použito optické vlákno, dělí se kanály do těchto tříd: •
OF – 300, jedná se o fyzický kanál s délkou optického kabelu minimálně 300 m.
•
OF – 500, jedná se o fyzický kanál s délkou optického kabelu minimálně 500 m.
•
OF – 2000, jedná se o fyzický kanál s délkou optického kabelu minimálně 2000 m. Třídy fyzických kanálů pro optický přenos a maximální útlumy pro typické vlnové délky
Třída
Maximální hodnota útlumu kanálu [dB]
Druh vlákna
mnohavidové vlákno
jednovidové vlákno
Vlnová délka
850 nm
1310 nm
1310 nm
1550 nm
OF-300
2,55
1,95
1,80
1,80
OF-500
3,25
2,25
2,00
2,00
OF-2000
8,50
4,50
3,50
3,50
19
2.5 Kategorie kabelů S třídou fyzického kanálu souvisí kategorie kabeláže. Norma je navržena tak, že pokud bude fyzický kanál tvořen jen prvky určité kategorie, bude i jeho výsledná třída v souladu s kategorií těchto prvků. Pokud budou např. všechny prvky fyzického kanálu odpovídat kategorii 5, měl by příslušný fyzický kanál vyhovovat třídě D do 100 MHz. Kategorie metalických kabelů podle EIA/TIA-568-B
Kategorie
Pásmo [MHz]
Max. rychlost
CAT 1
Analog. telefon
CAT 2
Digital. telefon
1 Mbit/s
CAT 3
16 MHz
4 Mbit/s
CAT 4
20 MHz
16 Mbit/s
CAT 5, 5e
100 MHz
1 Gbit/s
CAT 6
250 MHz
10 Gbit/s
CAT 7
600 MHz
10 Gbit/s
Původní kategorie 6 a 7 byly doplněny o rozšířené varianty CAT 6A – 500 MHz a CAT 7A – 1 GHz (cílem je přenést tok 40 Gbit/s metalickou kabeláží na vzdálenost cca 50 m). Podobně jako se dělí kabely do kategorií, dělí se též do kategorií ostatní komponenty fyzického kanálu (konektory, propojovací kabely, atd.). •
Standardy dnes uznávají pro strukturované rozvody kabely, které obsahují skupinu čtyř symetrických metalických párů s charakteristickou impedancí 100 Ω.
•
Inovované evropské normy dnes uznávají pro nové instalace jen kategorie 5, 6 a 7, přičemž evropská kategorie 5 odpovídá kategorii 5e podle EIA/TIA-568B.
•
Nové instalace horizontálních rozvodů musí být realizovány minimálně v kategorii 5 (rozuměj 5e) nebo vyšší.
20
2.6 Propojovací konektory Úkolem konektorů je poskytnout uživateli flexibilní, opakovatelný spoj se stabilními přenosovými parametry, ideálně neměnnými se zvětšujícím se počtem realizovaných spojení a rozpojení. Propojovací kabely (patchcords) jsou cca 0,5 – 2 m dlouhé úseky kabelu na obou koncích zakončené odpovídajícím konektorem umožňujícím realizovat buď požadovaný spoj mezi dvěma kabely pevného rozvodu, nebo připojení uživatelského zařízení k zásuvce, popř. připojení síťového zařízení k rozvodu.
Konektor RJ-45
Ve strukturovaných kabelových rozvodech se používají konektory označované jako RJ (Registered Jack) s umělohmotným opticky transparentním nosným tělem, které byly původně uvedené na trh firmou AT&T v sedmdesátých letech minulého století. Tyto konektory lze použít v kabelových systémech nejvýše do třídy E (kategorie 6). Pro třídu F (kategorie 7) je nutné zvolit odlišný typ konektoru, protože je nutné řešit stínění jednotlivých párů mezi sebou. Konektory mají 8 pinů (kontaktů) číslovaných podle obrázku shora dolů. Připojení vodičů kabelu může být dvojí. Na obrázku je kreslena varianta B. Varianta A se liší vzájemnou záměnou páru označeného oranžově a zeleně.
Připojení vodičů kabelu ke kontaktům konektoru
Konektorování se provádí pomocí speciálních, tzv. krimplovacích kleští, pomocí kterých se zlacené kontakty protlačí izolací vodičů a zaříznou do měděného jádra. Současně se fixuje kabel pomocí plastové koncovky kabelu zatlačením ve směru šipky na obrázku.
21
Kabel připojený a fixovaný v konektoru RJ-45
22
3 Vlastnosti metalických kabeláží a jejich měření 3.1 Parametry metalických kabeláží Pro každý fyzický kanál se symetrickými metalickými páry se měří následující elektrické parametry, které musí dle normy a třídy vyhovět daným limitům: •
Stejnosměrné parametry: o hodnota odporu smyčky (max. 30 Ω/100 m), o nesymetrie odporů obou vodičů smyčky – pro všechny třídy nesmí překročit 3%, o izolační odpor na 1 km délky min. 500 MΩ, o stejnosměrný napájecí proud - podle normy ČSN EN 50173-1 z roku 2002 má být schopen jeden pár dodávat koncovému zařízení dle potřeby minimálně 0,175 A, platné pro třídy D, E, F, o minimální stejnosměrné napětí, které musí libovolné vodiče mezi sebou podporovat je 72 V.
•
Střídavé přenosové parametry měřené v závislosti na kmitočtu: o vložný útlum (Attenuation), o útlum přeslechu na blízkém konci NEXT (Near End CrossTalk) – měření se musí provést na obou koncích fyzického kanálu, o útlum celkových přeslechů na blízkém konci PSNEXT (Power Sum NEXT) – měří se jen pro třídy D, E, F, o odstup signálu od přeslechu ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio) – vypočítává se z vložného útlumu a útlumu NEXT, o odstup signálu od celkových přeslechů PSACR (Power Sum ACR) – jen pro třídy D, E, F, vypočítává se z jednotlivých měření NEXT, o odstup od přeslechu na vzdáleném konci ELFEXT (Equal Level Far End CrossTalk) – jen pro třídy D, E, F (obdoba ACR pro NEXT), o odstup od celkových přeslechů na vzdáleném konci PSELFEXT (Power Sum EFFEXT) – jen pro třídy D, E, F (obdoba PSACR pro FEXT).
•
Další parametry: o zpoždění průchodu signálu (Propagation Delay) – typicky 60% rychlosti šíření světla,
23
o rozdíl zpoždění průchodu signálu (Propagation Delay Skew) – max. 40 ns/100 m, o útlum nesymetrie na blízkém konci LCL (Longitudinal Conversion Loss) – udává míru nesymetrie proti zemi, o útlum odrazu RL (Return Loss) nepřizpůsobení, jen pro třídy C, D, E,
–
udává
míru
impedančního
o vazební útlum (Coupling Attenuation) – vyjadřuje míru vyzařování z kabelu do okolí (a naopak). Rozbor některých významných parametrů a způsob jejich měření si uvedeme dále. Metodiku měření předepisují normy řady EN 50289.
24
3.2 Měrný útlum vedení Úsek symetrického vedení lze považovat za tzv. homogenní vedení (má stejné vlastnosti po celé délce), jehož teoretický popis i praktické aplikace jsou dobře zvládnuté. Základním přenosovým parametrem je α – měrný útlum udáván v dB/km. Měrný útlum se dá zjednodušeně modelovat funkcí s jedním parametrem kα a závislostí na odmocnině frekvence.
α ( f ) = kα
f
[dB/km].
Pro vedení párové konstrukce lze pro přesnější modelování použít funkci
α ( f ) = k1 ⋅ f + k2 ⋅ f + k3
1 f
[dB/km].
Tato funkce je použita k předpisu limitních hodnot pro kabely UTP kategorie s konkrétními hodnotami podle tabulky (hodnoty platí pro teplotu 20o C). Parametry modelu útlumu pro kabely UTP kategorie 3 až 7 používané jako mezní hodnoty
Parametr horní kmitočet pásma [MHz] k1
Kategorie 3
Kategorie 5
Kategorie 6
Kategorie 7
16
100
250
600
0,0232
0,01967
0,0182
0,018
k2
2,38·10-6
0,23·10-6
0,169·10-6
0,1·10-6
k3
0
2000
2500
2000
25
Závislost měrného útlumu na frekvenci – shora dolů kategorie 3, 5, 6 a 7
Hodnoty jsou udávány v dB/km. Pro typickou délku 100 m ve strukturovaných rozvodech jsou hodnoty útlumu 10x nižší. Útlum vedení A určité délky je dán jednoduchým přepočtem pomocí délky vedení A = α .l [dB; dB/km, km].
26
3.3 Přeslechy Při přenosu digitálních signálů působí vedle útlumu vedení další vlivy, zejména vzájemné vazby mezi páry v profilu kabelu (přeslechy) a dále rušivé vlivy z okolí. •
Zdroje uvnitř kabelu o přeslechy na blízkém konci (NEXT), o přeslechy na vzdáleném konci (FEXT).
•
Zdroje vně kabelu o radiové rušení (RFI), o impulsní rušení typicky ze silových rozvodů.
Rušení ze zdrojů vně kabelu lze omezit dodržováním norem a pravidel EMC (Electromagnetic Compatibility).
Přeslechy typu NEXT a FEXT mezi páry stejného kabelu
Nejvážnějším zdrojem rušení jsou přeslechy od ostatních přenosových systémů nasazených v tomtéž kabelu. Každý pár je rušen různou měrou všemi ostatními páry v kabelu, se kterými je v souběhu. Záleží na vzájemné poloze v kabelu, na vzájemných poměrech zkrutů, přesnosti výroby apod. Útlum přeslechu NEXT lze modelovat následujícím vztahem:
ANEXT = 10log
P1 P2 NEXT
= kNEXT - 15 log f .
V logaritmických souřadnicích kmitočtu představuje závislost NEXT přímku se sklonem 15 dB/dekádu. Útlum přeslechu FEXT lze modelovat následujícím vztahem:
27
AFEXT = 10log
P1 P2 FEXT
= kFEXT + α ( f ) ⋅ l − 20 log f − 10log l.
Útlum přeslechu na vzdáleném konci se snižuje o 20 dB na dekádu frekvence, zároveň se ale zvětšuje s útlumem vedení. Proto přeslechové rušení do určitého kmitočtu roste, ale pak v důsledku rostoucího útlumu vedení začne klesat, což je pozitivní pro přenos signálů v nejvyšších kmitočtových oblastech. Přeslech na blízkém konci je podstatně závislý na délce vedení.
28
3.4 Demonstrace a porovnání parametrů metalických kabeláží V rámci přestávky ve studiu využijte možnost interaktivního ověření získaných znalostí. Výpočetní program umožňuje porovnat přenosové parametry (výchozí hodnotou je referenční délka 100 m, kterou lze libovolně změnit) •
spoj (link),
•
celého kanálu (channel).
Počítá se přitom volitelně s těmito kategoriemi, resp. třídami •
5, D
•
6, E
•
7, F
Horní kmitočet pásma lze libovolně nastavit, výchozí hodnotou je 100 MHz. Maximální hodnotu má smysl nastavovat na cca 1000 MHz. Počátek stupnice je 0,1 MHz a výpočet se provádí s krokem 0,1 MHz. Zobrazují se frekvenční závislosti modelovaného útlumu, útlumu přeslechu NEXT nebo sumárního útlumu NEXT v dB (mezní křivky pro testování kabeláží). Rozdíl mezi těmito křivkami je odstup od přeslechu, který vymezuje pásmo použitelné k přenosu. Pokud se útlum přeslechu přiblíží k útlumu vedení na vzdálenost prakticky 3 až 6 dB, znamená to konec využitelného pásma. Zatržením příslušných parametrů se volí, jaké kmitočtové závislosti se mají vykreslit. Výpočet se spustí tlačítkem Vypočti. Výsledné průběhy jsou zobrazeny jednak v lineární, jednak v logaritmické stupnici kmitočtů.
Simulace není v tomto formátu dostupná. Demonstrace a porovnání parametrů metalických kabeláží
29
3.5 Měření vložného útlumu Útlum je základním parametrem symetrického vedení a vyjadřuje schopnost přenosového média přenést signál představovaný elektrickým výkonem ze vstupu na výstup. P A = 10 ⋅ log 1 P2
[dB; W, W].
•
P1 – výkon na vstupu vedení.
•
P2 – výkon na výstupu vedení.
Schéma zapojení pro kalibraci
Při měření se používají symetrizační transformátory zajišťující také impedanční přizpůsobení vedení (typicky 100 Ω). Obvykle se používají analyzátory kabeláží, které celé měření zajistí automaticky (inicializace, odměření požadovaných parametrů pro všechny páry v kabelu). •
V prvním kroku se provede kalibrace (uloží se naměřené hodnoty pro pozdější korekci měření), kdy se propojí svorky krátkými propojkami, jak ukazuje obrázek.
•
Po kalibraci se krátké propojky nahradí měřeným párem a proměří se závislost útlumu na frekvenci v celém požadovaném kmitočtovém pásmu.
•
Odečtením korekčních hodnot získaných při kalibraci získáme korigovaný útlum.
•
Po přepočtu na referenční délku (typicky 100 m) se porovnává se specifikací uvedenou v příslušných standardech. Měřený parametr nevyhoví, pokud v jakémkoli bodě frekvenční charakteristiky překročí stanovenou mez.
30
•
Při přesných měřeních se provádí teplotní korekce pomocí následujícího vztahu pro útlum přepočtený na délku 100 m:
AC ( f ) =
A ( f )T K 1 + 100 ⋅ (T − 20)
[dB/100 m].
•
K – korekční faktor = 0,2/°C.
•
T – teplota při měření ve °C.
•
A(f)T – útlum vedení referenční délky 100 m při teplotě T.
31
3.6 Měření útlumu přeslechu na blízkém konci NEXT Získá se z poměru výkonů vyjádřených v dB: P ANEXT = 10 ⋅ log 1N P2 N
[dB].
•
P1N – vstupní výkon na rušeném páru.
•
P2N – výstupní výkon rušeného páru na blízkém konci.
Schéma zapojení pro měření NEXT
Principiálně se měří útlumy přeslechu jako útlum vedení a stejný je i postup při kalibraci •
Pro měření přeslechu na blízkém konci je generátor i přijímač připojen na stejné straně měřeného kabelu.
•
Před měřením se provádí kalibrace stejně jako při měření vložného útlumu.
•
Opačné konce vedení je nutno zakončit rezistory hodnotou blízké charakteristické impedanci vedení (typicky 100 Ω).
•
Ostatní nepoužité páry, na kterých se neprovádí měření, mohou být bez zakončení (naprázdno) nebo přizpůsobené nominální impedanci.
•
Postupně by se měly změřit kombinace všech párů měřeného kabelu, a to z obou stran kabelu.
•
Po přepočtu na referenční délku (typicky 100 m) se porovnává se specifikací uvedenou v příslušných standardech. Měřený parametr nevyhoví, pokud v jakémkoli bodě frekvenční charakteristiky překročí stanovenou mez.
32
Příklad změřeného průběhu, který vyhovuje požadavku kategorie 5
33
3.7 Útlum přeslechu na vzdáleném konci FEXT Získá se z poměru výkonů vyjádřených v dB: P AFEXT = 10 ⋅ log 1N P2 F
[dB].
•
P1N – vstupní výkon na rušeném páru.
•
P2F – výstupní výkon rušeného páru na vzdáleném konci.
Schéma zapojení pro měření FEXT
Principiálně se měří útlumy přeslechu jako útlum vedení a stejný je i postup při kalibraci •
Pro měření přeslechu na vzdáleném konci jsou generátor a přijímač připojeny na opačných stranách měřeného kabelu.
•
Před měřením se provádí kalibrace stejně jako při měření vložného útlumu.
•
Opačné konce vedení je nutno zakončit rezistory hodnotou blízké charakteristické impedanci vedení (typicky 100 Ω).
•
Ostatní nepoužité páry, na kterých se neprovádí měření, mohou být bez zakončení (naprázdno) nebo přizpůsobené nominální impedanci.
•
Postupně by se měly změřit kombinace všech párů měřeného kabelu, a to z obou stran kabelu.
•
Po přepočtu na referenční délku (typicky 100 m) se porovnává se specifikací uvedenou v příslušných standardech. Měřený parametr nevyhoví, pokud v jakémkoli bodě frekvenční charakteristiky překročí stanovenou mez.
34
Z praktických důvodů se často měření rovnou parametr odstup od přeslechu na vzdáleném konci ELFEXT (Equal Level Far End CrossTalk), který se získá z měření provedených na vzdáleném konci, kdy se v dB vyjádří poměr výkonu P1F a P2F.
35
3.8 Odstup od přeslechu a sumární přeslechy Další parametry se získávají výpočtem z výše popsaných měřených průběhů frekvenční závislosti. Odstup od přeslechu NEXT označovaný ACR (Attenuation Crosstalk Ratio) se získá jako rozdíl útlumu přeslechu NEXT a útlumu vedení. Odstup od přeslechu se vypočte v celém daném frekvenčním pásmu podle vztahu: ACR ( f ) = ANEXT ( f ) l − A ( f ) l
[dB].
•
ANEXT(f)l – útlum přeslechu na blízkém konci mezi dvěma páry délky l.
•
A(f)l – útlum rušeného páru délky l.
Obdobně lze vyjádřit i odstup od přeslechu na vzdáleném konci ELFEXT (Equal Level Far End CrossTalk), pokud se ovšem rovnou nezměří způsobem popsaným výše. Odstupy od přeslechu jsou použitelné pro bilanci přenosových poměrů, pokud se používají pouze 2 páry z kabelu (typicky Ethernet 100 Mbit/s na kabeláži kategorie 5). Pokud se používají všechny 4 páry (typicky Ethernet 1 Gbit/s na kabeláži kategorie 5e), je nutno vyjádřit a ověřit útlum, případně odstup od celkových (sumárních) přeslechů (od 3 párů vůči jednomu rušenému). Útlum celkového přeslechového rušení na blízkém konci PSNEXT (Power-Sum NEXT) popisuje vzájemný vliv více vedení, kdy je přeslechové rušení dáno superpozicí rušení od všech ostatních párů. Útlum celkového přeslechu na blízkém konci se vypočte v celém daném frekvenčním pásmu z dílčích přeslechů ze všech párů v profilu kabelu podle vztahu:
PS NEXT ,k = −10 ⋅ log
n
10
−0,1⋅ ANEXT ( i , k )
[dB].
i =1,i ≠ k
•
ANEXT(i,k) – útlum přeslechu na blízkém konci mezi rušícím párem i a rušeným párem k.
•
n – počet párů.
Obdobně lze vyjádřit i útlum celkového přeslechového rušení na vzdáleném konci PSFEXT či PSELFEXT.
36
3.9 Měření charakteristické impedance a útlumu odrazu Charakteristická impedance vedení Zc je obecně vyjádřena komplexním číslem a udává se buď jako reálná a imaginární část nebo jako absolutní hodnota a fáze. Pro homogenní vedení je charakteristická impedance na vysokých kmitočtech reálná a konstantní. V praxi však vedení není homogenní vlivem různých strukturálních změn podél vedení. Proto se zjišťuje vstupní impedance na začátku vedení, když vzdálený konec měřeného vedení je impedančně přizpůsoben (zakončen vlastní impedancí). Prakticky se spočítá charakteristická impedance z měření na vedení prováděných naprázdno a nakrátko. Vedle vstupní impedance se může zjišťovat útlum odrazu RL (Return Loss), který vyjadřuje velikost odraženého signálu, který vzniká nehomogenitami na vedení a nepřizpůsobením vedení nominální impedancí. Obvykle se požaduje zjištění a vyhodnocení pouze jednoho z uvedených parametrů – buď vstupní impedance, nebo útlumu odrazu. Pro měření je nutné použít analyzátor obsahující generátor a přijímač a dále můstek pro měření odrazu signálu (Reflection bridge).
Schéma zapojení při kalibraci pro měření odrazu a impedance
•
Kalibrace se provádí při zakončení výstupní symetrické strany transformátoru naprázdno (open), nakrátko (short) a nominální impedancí. Naměřené hodnoty
37
kalibrace se uchovají pro korekci naměřených hodnot, což je obvykle automatická funkce analyzátoru. •
Po kalibraci se připojí na svorky měřicího symetrizačního transformátoru měřené vedení, provede se opět měření s opačným koncem vedení naprázdno (open), nakrátko (short) a při zakončení nominální impedancí. Všechny páry kabelu se měří z obou konců.
38
3.10 Závěrečný test Po chvilce oddychu se pusťte do závěrečného testu. Hodně štěstí při jeho zvládnutí! 1. Strukturované kabelové rozvody kategorie 5e používají jako přenosové médium a) volný prostor b) optické vlákno c) symetrické vedení d) koaxiální kabel správné řešení: c
2. Vodič v kabelovém prvku je vyroben z a) železa b) hliníku c) plastu d) mědi správné řešení: d
3. Metalické vedení lze zjednodušeně považovat za a) dva nezávislé vodiče b) homogenní vedení c) nehomogení vedení d) rozprostřený vlnovod správné řešení: b
4. Jaký symetrický prvek je nejčastější v strukturovaných kabelážích a) křížová čtyřka b) DM čtyřka c) stočený pár d) plochá dvojlinka správné řešení: c
39
5. Frekvenční závislost útlumu vedení lze zjednodušeně vyjádřit funkcí a) konstanta b) lineární závislost c) odmocnina z frekvence d) mocnina frekvence správné řešení: c
6. Kabely UTP kategorie 5e mají zaručované parametry do kmitočtu a) 20 MHz b) 100 MHz c) 150 MHz d) 250 MHz správné řešení: b
7. Kabely UTP kategorie 6A mají zaručované parametry do kmitočtu a) 20 MHz b) 100 MHz c) 500 MHz d) 1000 MHz správné řešení: c
8. Kabely UTP kategorie 7A mají zaručované parametry do kmitočtu a) 20 MHz b) 100 MHz c) 500 MHz d) 1000 MHz správné řešení: d
40
9. Útlum přeslechu na blízkém konci klesá cca o kolik dB na dekádu a) 10 b) 15 c) 20 d) 40 správné řešení: b
10. Útlum přeslechu na vzdáleném konci klesá cca o kolik dB na dekádu a) 10 b) 15 c) 20 d) 40 správné řešení: c
11. Kolik párů obsahuje typický kabel UTP a) 2 b) 3 c) 4 d) 8 správné řešení: c
12. Jaká je typická délka fyzického kanálu metalických rozvodů a) 10 m b) 24 m c) 100 m d) 125 m správné řešení: c
41
13. Jaký konektor se typicky používá v metalických strukturovaných rozvodech a) CANNON b) RJ-45 c) Jack d) CINCH správné řešení: b
14. Jak se označuje přeslech na blízkém konci a) NEXT b) FEXT c) SXTR d) SXTM správné řešení: a
15. Jak se označuje přeslech na vzdáleném konci a) NEXT b) FEXT c) SXTR d) SXTM správné řešení: b
16. Jak se označuje odstup od přeslechu na blízkém konci a) PSNEXT b) ELFEXT c) SNR d) ACR správné řešení: d
42
17. Jak se označuje odstup od přeslechu na vzdáleném konci a) PSNEXT b) ELFEXT c) SNR d) ACR správné řešení: b
18. Jaký druh rozvaděče je nejvyšší v hierarchii strukturovaných rozvodů a) TO b) CD c) FD d) BD správné řešení: b
19. Jaký druh rozvaděče je nejnižší v hierarchii strukturovaných rozvodů a) TO b) CD c) FD d) BD správné řešení: c
20. Jaká maximální délka kabelu se uvažuje na připojení uživatelského zařízení od účastnické zásuvky a) 2 m b) 4 m c) 6 m d) 10 m správné řešení: c
43
