Электромагнитная совместимость экранированной и неэкранированной проводок для 10GBase-T

При удовлетворении соответствующих требований и обеспечении рабочих условий для 10GBase-T можно использовать как экранированную, так и неэкранированную кабельную проводку. В статье рассматриваются именно эти требования и условия — какими они должны быть при использовании разных типов кабельной проводки в различных средах — и даются рекомендации по реализации СКС.

Чувствительность приложений 10GBase-T к внешним помехам заставляет заново оценить свойства электромагнитной совместимости (EMC) кабельных систем. В данной статье приведены результаты независимого исследования, в ходе проведения которого были задействованы две неэкранированные и три экранированные кабельные системы. Исследование основывается на европейской директиве EMC и таблице кабельных стандартов MICE для различных рабочих условий.

Хотя подобные исследования проводились уже не раз, мотивацией для очередного сравнения поведения экранированной и неэкранированной проводок с точки зрения воздействия электромагнитных помех стало появление новых приложений 10GBase-T. Применение модуляции более высокого порядка способно заметно уменьшить требуемую полосу рабочих частот, однако это делает новые протоколы все более уязвимыми для внешних помех. Не говоря уже о том, что интервалы между символами в 10GBase-T примерно в 100 раз меньше, чем в 1000Base-T (см. рис. 1). На рис. 1 показаны относительные уровни принимаемого сигнала для разных протоколов после передачи по кабелю Класса EA протяженностью 100 м.

Рис. 1. Сравнение уровней сигнала при разных протоколах Ethernet на стороне приемника

Чем выше частота сигнала или рабочий диапазон частот, тем больше затухание в кабеле. Что касается EMC, то уровень выходного сигнала не превышает +/- 1 В. А в зависимости от используемой частоты и затухания в кабеле на приемном конце этот двухвольтовый интервал оказывается еще меньше. Кроме того, с увеличением числа уровней модуляции разница в уровне напряжения между отдельными символами уменьшается.

Если раньше при переходе от 10 к 100 Мбит/с, а затем от 100 Мбит/с к 1G интервал между символами на приемном конце уменьшался примерно в три раза, то при переходе от 1 G к 10G на последней стадии разработки он сократился в 100 раз. Очевидно, что с увеличением скорости передачи данных чувствительность к помехам значительно возрастает.

Группа поставщиков кабельной продукции, включая R&M, сравнила EMC для различных типов кабельной проводки в нейтральной среде. Чтобы гарантировать объективность и независимость результатов, к исследованию была привлечена сторонняя лаборатория — Организация по высокочастотному тестированию (Gesellschaft für Hochfrequenz Messtechnik, GHMT).

Целью исследования было получение ответов на следующие вопросы, касающиеся выбора кабельной системы:

• Какие параметры нужно оценивать, чтобы дать обоснованное заключение об электромагнитной совместимости экранированных и неэкранированных кабельных систем?
• Какие специальные меры нужно предпринять при использовании экранированных и неэкранированных кабельных систем, чтобы обеспечить их работу в соответствии с законодательными требованиями и существующими стандартами?
• Как сравнить EMC экранированных и неэкранированных кабельных систем при работе с 1G и 10GBase-T?

Основная идея состояла не в сопоставлении экранированных и неэкранированных кабельных систем, а в определении базовых условий, которые необходимы для беспроблемной работы приложений 10GBase-T в соответствии с европейскими законодательными требованиями. В таком случае проектировщики и конечные заказчики смогут избежать путаницы и неопределенности при выборе кабельной системы.

Представленные здесь результаты получены специалистами лаборатории GHMT, однако их интерпретация и выводы основываются на анализе, выполненном компанией R&M.

ТЕСТИРУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И КОНФИГУРАЦИЯ

При проведении исследования была запланирована проверка шести кабельных систем:

• одной неэкранированной Категории 6;
• двуx неэкранированных Категории 6A;
• трех экранированных Категории 6A с экранированными витыми парами (фольга) и разными типами оплетки (U-FTP без экранирующей оплетки, S-STP с «легкой» оплеткой, S-STP с плотной оплеткой).

В табл. 1 приведены результаты предшествующих измерений, выполненных в соответствии с требованиями ISO/IEC 11801 (2008-04). Приведенные значения представляют собой запас в сравнении с предельными значениями для Класса EA, однако переходное затухание дано в абсолютных величинах.

Таблица 1. Параметры кабеля в соответствии с ISO/IEC 11801 (2008-04)

Как ни странно, параметры передачи (IL, NEXT, PS NEXT, TCL и RL) систем UTP Категории 6A находятся на том же уровне, что и в случае экранированных систем. За исключением системы предшествующего поколения Категории 6 эти значения более или менее сопоставимы между собой. Примечательно, что неэкранированные системы едва вписываются в требования PS ANEXT, если вообще им соответствуют. Однако при наличии экрана значения ANEXT улучшаются на 30–40 дБ, так что проблема исчезает.

Если принять во внимание такой «параметр EMC», как переходное затухание, то разница очевидна: система Категории 6 значительно отклоняется от требуемых значений, в то время как системы UTP следующего поколения этим требованиям отвечают. Здесь проявляется очевидное различие между экранированными и неэкранированными кабельными системами.

Функциональная диаграмма использовавшегося в тесте оборудования

Вместо переходного затухания, применяемого в случае экранированных систем, в международных стандартах для неэкранированных в качестве параметра EMC используется TCL. Однако сравнение значений TCL и переходного затухания систем 0–2 ставит эту практику под вопрос, поскольку при относительно небольшой разнице в TCL между системами 0 и 1 или 2 наблюдается серьезное расхождение в переходном затухании (Pass для TCL, Fail для переходного затухания). После получения этих неудовлетворительных результатов в остальной части исследования измерения EMC с системой 0 больше не выполнялись.

Кроме того, при любом исследовании EMC кабельные системы невозможно проверить на электромагнитную совместимость сами по себе. Это делается в рамках анализа общей системы вместе с активными компонентами. В данном исследовании использовались следующие:

• коммутатор Summit X450a-24t компании Extreme Networks (слот: XGM2-2bt);
• сервер IBM X3550 (сетевая карта Intel 10Gigabit AT).

Два сервера, генерирующие трафик 10 Гбит/с, подключались посредством кабеля через коммутатор. Диаграмма использовавшейся в тесте конфигурации приведена на первой полосе статьи.

Для всестороннего тестирования параметров EMC все компоненты передачи данных были смонтированы на поворотном столе диаметром 2,5 м в поглощающей EMC безэховой камере, где гасятся все электрические или акустические отражения и внешние помехи. В середине поворотного стола была установлена открытая стойка 19″ с коммутаторами и серверами, а по обеим сторонам — стойки с коммутационными панелями. Для подключения коммутационной панели и активного оборудования использовались шнуры длиной 2 м. Концы 90-метровых тестируемых кабелей подключались к одной из коммутационных панелей RJ45. Чтобы добиться высокой воспроизводимости результатов и создать контролируемую тестовую конфигурацию, кабели сгибались с определенным радиусом, согласно рекомендациям CENELEC TC 46X WG3, и фиксировались на деревянном каркасе, который располагался за стойками 19″. В целом эта конфигурация имитировала ситуацию в ЦОДе.

ИЗЛУЧАЕМАЯ МОЩНОСТЬ В СООТВЕТСТВИИ С EN 55022

В соответствии с директивой по EMC, принятой в Евросоюзе, данный тест является обязательным, а эксплуатация оборудования и систем, не прошедших его, запрещена. Он разработан для выявления помех со стороны тестируемого оборудования, которые могут повлиять на работу радиоприемников, телевизоров, телекоммуникационных и других устройств.

В тестовой конфигурации приемная антенна устанавливалась на расстоянии 3 м от проверяемого оборудования, и излучаемая мощность регистрировалась в вертикальной и горизонтальной поляризации. Существуют два ограничения: Класс A (для офисной среды), где требования менее строгие, и Класс B (для жилых зон) с более жесткими требованиями.

При передаче 10GBase-T измеренные значения электромагнитного излучения для неэкранированной системы превосходят предельные для Класса B на нескольких частотах, в то время как экранированная обеспечивает лучшую защиту, особенно в высокочастотном диапазоне, и, таким образом, отвечает существующим требованиям. При этом не имело значения, где делалось заземление — на одном конце экранированного кабеля или на обоих.

В случае 10GBase-T для передачи данных используется диапазон частот до 400 МГц и выше, поэтому можно предположить, что для неэкранированных систем параметры электромагнитного излучения улучшить невозможно, даже если применить технику фильтрации. Что касается предельных значений для Класса A, то им соответствуют оба типа кабелей. Как показывают другие измерения, в случае 1000Base-T предельным значениям для Класса B удовлетворяют и экранированный, и неэкранированный кабели.

Таким образом, можно сделать вывод, что в бытовой среде неэкранированные кабельные системы не должны применяться для приложений 10GBase-T, по крайней мере в Евросоюзе. Ответственность за соответствие EMC лежит на эксплуатирующей организации. В офисной среде и, естественно, в ЦОДах допускается эксплуатация экранированных и неэкранированных систем с 10GBase-T.

УСТОЙЧИВОСТЬ К ВНЕШНИМ ПОМЕХАМ

Тестирование помех от мобильного телефона

Тесты EMC на устойчивость основываются на серии стандартов EN 61000-4-X. Они выполнялись при обеспечении условий E₁/E₂/E₃ для разных электромагнитных сред в соответствии с таблицей MICE стандартов EN 50173-1 (см. табл. 2).

Для мониторинга непрерывной передачи данных между серверами использовался анализатор протоколов, затем система передачи подвергалась предопределенным стрессовым условиям, чтобы выяснить, какой именно «уровень стресса» негативно влияет на скорость передачи данных.

Защищенность от радиоволн высокой частоты. Описанный в стандарте EN 61000-4-3 тест служит для проверки защищенности оборудования от воздействия электромагнитных полей в диапазоне частот 80 МГц — 2,0 ГГц. Он имитирует влияние таких источников, как радиопередающие устройства, телевизионные передатчики, мобильные телефоны, беспроводные сети и др.

Таблица 2. Стрессовые условия для Классов E1 — E3 в соответствии с таблицей MICE из стандарта EN 50173-1

На расстоянии 3 м от тестируемых устройств устанавливается передающая антенна, после чего они подвергаются воздействию радиоволн (со всех четырех сторон). Напряженность поля в месте нахождения этого оборудования задается в соответствии с таблицей MICE («высокочастотное излучение», см. табл. 2). Полученные результаты представлены на рис. 2.

Рис. 2. Результаты, полученные в соответствии с EN61000-4-3

Все варианты с экранированной кабельной проводкой хорошо подходят для работы приложений 10GBase-T в офисной и нежесткой производственной среде. Для более жестких промышленных условий необходим дополнительный экран — оплетка всего кабеля (S-FTP).

Заземление с одной или с двух сторон не влияет на защищенность от внешних помех. Хороший неэкранированный кабель подходит для приложений 1000Base-T в офисах и нежестких промышленных средах. Для использования приложений 10GBase-T с неэкранированной проводкой потребуются дополнительные защитные меры — например, установка металлических кабельных каналов или еще большее удаление от источников помех.

Дополнительный тест подтвердил высокую восприимчивость неэкранированных систем при работе 10GBase-T к воздействию беспроводного оборудования, находящегося на расстоянии 70–200 см. Если радио- или мобильный телефон работал на расстоянии 3 м, в неэкранированной проводке прерывалась передача данных, в то время как в экранированных системах никаких ухудшений не наблюдалось.

Защищенность от воздействия силовых кабелей. В соответствии с EN 61000-4-4 выполнялась проверка защищенности оборудования от повторяющихся кратковременных помех, возникающих после включения индуктивной нагрузки (электромоторы), замыкания/размыкания контактов реле и электронных пускорегулирующих устройств для люминесцентных ламп. Чтобы получить воспроизводимую комбинацию силового кабеля и тестируемых устройств, использовались стандартные емкостные соединительные зажимы. Возмущения по напряжению представляли собой пики 260–4000 В с волной 5/50 нс и интервалом 0,2 мс. Применяемые уровни напряжения соответствовали таблице MICE (см. табл. 2).

Результаты данного теста представлены на рис. 3. Все экранированные системы позволяют использовать приложения 10GBase-T в любых условиях (E₁, E₂, E₃). В то же время экранирование более высокого уровня обеспечивает лучшую защиту от помех. В случае высококачественных неэкранированных кабелей приложения 1000Base-T можно использовать в офисной среде, но для 10GBase-T и в промышленных средах требуется экранирование. Если неэкранированные кабели предназначены для поддержки 10GBase-T, они нуждаются в дополнительных защитных мерах, таких, например, как аккуратное разделение информационных и силовых кабелей.

Рис. 3. Результаты теста в соответствии с EN 61000-4-4

Двустороннее заземление повышает невосприимчивость экранированного кабеля к кратковременным внешним помехам (по сравнению с минимальными требованиями стандарта). Если нет сплошного экрана, эффективность работы с 10GBase-T сводится на нет и уровень защищенности соответствует неэкранированному кабелю. На более низких частотах (используются в 1000Base-T) выявлен защитный эффект несплошного экрана, особенно при двухстороннем заземлении.

Тестирование с лампами дневного света, расположенными на расстоянии 0,5 м от кабеля, показало, что основанные на стандарте условия теста вполне реалистичны. Помехи, возникающие после включения лампы, влияют на передачу данных 10GBase-T точно так же, как при тестировании согласно стандарту. Поскольку помехи создавала не только сама лампа, но и ее шнур питания, их следует располагать на достаточном расстоянии от кабельной проводки, используемой для передачи данных.

Чтобы сравнить стандартный тест, в котором применялись соединительные зажимы, с реальной инсталляцией, кабели для передачи данных и силовые кабели были уложены в сетчатый лоток длиной 30 м с постоянным разделением 0–50 см. Согласно стандарту, на кабель питания подавался возмущающий сигнал. Результаты измерений представлены на рис. 4. Сравнив итоги испытаний, можно увидеть, что стандартизированный тест (см. рис. 3) имитирует разнесение кабелей на расстояние примерно 1–2 см. Чтобы гарантировать нормальную работу приложений 10GBase-T, расстояние между силовой и слаботочной проводками в случае неэкранированной системы должно быть не менее 30 см. Экранированная проводка отвечает всем требованиям даже без разнесения кабелей.

Рис. 4. Результаты теста для сетчатых кабельных лотков

Согласно EN 50174-2, неэкранированные системы должны быть отдалены от силовой проводки на 2 см, однако для 10GBase-T этого недостаточно. Другими словами, при использовании приложений 10GBase-T расстояние между силовой и слаботочной проводками должно быть намного больше, чем указано в стандарте.

Последующие тесты с использованием EN 61000-4-6 выполнялись с целью определения восприимчивости системы к наведенным помехам в радиодиапазоне 150 кГц — 80 МГц, при расположенных вблизи силовых кабелях. Силовая проводка работает как антенна для высокочастотного излучения от внешних источников (коротковолновых и ультракоротковолновых передатчиков). В данном тесте применялись упомянутые выше зажимы. Уровни воздействия выбирались в соответствии с таблицей MICE («Наведенные высокочастотные помехи», см. табл. 2). Результаты соответствуют постоянно повторяющемуся шаблону: экранированная проводка отвечает всем требованиям 10GBase-T. Неэкранированная проводка отвечает требованиям для офисов и нежестких производственных сред в случае использования 1000Base-T, но для поддержки 10GBase-T нужны дополнительные защитные меры, в частности увеличенное расстояние до силовой проводки.

Защищенность от магнитных полей, наводимых кабелями электропитания. В этом тесте, соответствующем EN61000-4-8, проверяется способность системы функционировать при наличии сильных магнитных полей на частоте 50 Гц. Такие магнитные поля могут генерироваться силовыми линиями (кабелями или шинами питания) либо оборудованием для распределения электропитания (трансформаторами, распределительными панелями). Уровни напряженности выбирались согласно таблице MICE («Магнитные поля», см. табл. 2).

При передаче 1000Base-T и 10GBase-T все кабельные системы отвечают самым высоким требованиям к защите окружающей среды (класс E₃). Никаких различий в магнитной восприимчивости экранированной и неэкранированной проводок выявлено не было. Повышения магнитной восприимчивости экранированного кабеля вследствие образования цепи обратной связи через землю тоже не наблюдалось.

Защищенность от электростатических разрядов. В данном тесте в соответствии с EN 61000-4-2 проверяется защищенность системы от электростатического разряда. С этим явлением мы сталкиваемся повсе-дневно, когда прикасаемся к какой-либо проводящей поверхности и ощущаем, как она «искрит». В тесте эта ситуация воспроизводится с помощью специальной установки с «металлическими пальцами». Электростатические разряды могут возникать при низкой влажности, наличии линолеумных полов или одежды из синтетики. Тестируемые точки выбирались так, чтобы имитировать обычный контакт с кабельной проводкой в процессе ее эксплуатации и обслуживания. В каждой точке генерировалось 10 разрядов на каждую полярность с интервалом более 1 с. Сила разряда выбиралась в соответствии с таблицей MICE («Электростатический разряд — контакт/воздух», см. табл. 2).

Экранированные кабельные системы не продемонстрировали восприимчивости к электростатическим разрядам. Отказов не наблюдалось, поскольку благодаря экрану энергия разряда не проникает внутрь кабеля. Что касается неэкранированного кабеля, то реакция активного оборудования была очень заметной, если разряды воздействовали на сигнальные жилы.

В случае неэкранированных кабельных систем для приложений 10GBase-T требуются дополнительные меры по предотвращению электростатических разрядов. Они хорошо известны производителям электроники: речь идет о заземлении, антистатических манжетах или полах и других средствах защиты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как было показано выше, появление 10GBase-T оказало значительное влияние на выбор кабельной проводки. При передаче данных 10GBase-T неэкранированные системы продемонстрировали повышенную чувствительность к внешним помехам (по сравнению с передачей 1000Base-T). Чтобы гарантировать работу приложений 10GBase-T, нужно не только обращать внимание на тип кабеля, но и учитывать окружающие условия, а также правильно выбирать компоненты кабельной системы. Переходное затухание может служить качественным параметром для сравнения характеристик EMC кабельной системы.

Это исследование показало, что в любой среде можно без проблем использовать экранированные системы для поддержки 10GBase-T. Справедливо следующее: чем лучше качество экрана, тем меньше электромагнитное излучение и выше защищенность кабельной системы от внешних помех.

Неэкранированная кабельная проводка подходит для 10GBase-T в случае небытового, промышленного применения и только в сочетании с дополнительными превентивными мерами. В Евросоюзе такие кабельные системы могут применяться лишь в выделенных рабочих зонах (офисах, ЦОДах и др.). Среди дополнительных защитных мер, уменьшающих внешние помехи, можно назвать следующие:

• тщательное разделение слаботочной проводки и силовых кабелей или источников помех (минимальное расстояние между информационными и силовыми кабелями — 30 см);
• прокладка слаботочной кабельной проводки в металлических кабеленесущих системах;
• недопущение использования беспроводных коммуникационных устройств вблизи кабелей передачи данных;
• предотвращение электростатических разрядов с помощью превентивных мер, хорошо известных производителям электронного оборудования.

При выборе между экранированной и неэкранированной проводками для поддержки приложений 10GBase-T нужно принимать во внимание влияние помех, дополнительные защитные меры и ограничения.

В промышленных средах (Класса E₂ и E₃) следует использовать экранированные кабельные системы. В жестких условиях (E₃) необходимы проводка S-FTP с общим экраном и, по возможности, двустороннее заземление кабеля.

В жилых зонах неэкранированные кабельные системы применять не следует. В офисной среде и в ЦОДах при использовании неэкранированных кабельных систем не стоит забывать об описанных выше защитных мерах.

Маттиас Гербер — менеджер по маркетингу офисной проводки в компании Reichle & De-Massari, Дмитрий Колосков — глава представительства Reichle & De-Massari в России и странах СНГ.