Борьба между экранированными и неэкранированными системами идет много лет, и одно из стереотипных представлений состоит в том, что незаземленный экран работает как антенна, собирая и усиливая помеховые сигналы.
В 2006 году институт IEEE принял стандарт на приложения 10GBase-T, обеспечивающий передачу со скоростью до 10 Гбит/с по кабельным системам Категории 6A или Класса EA. С этого момента экранированные системы переместились в центр внимания, и в конечном итоге сформировалось два противоположных мнения (см. рис. 1).
.png) |
| Рис. 1. Мнения о том, чем чревато плохое заземление экрана |
Мнение A активно поддерживается производителями экранированных кабельных решений. Многие из них утверждают, что, даже если экран на обоих концах сегмента заземлен плохо или не заземлен вовсе, канал передачи все равно соответствует требованиям 10GBase-T.
Мнение Б разделяют те, кто полагает, что все не так радужно. Чтобы проиллюстрировать проблему, представители этого лагеря часто ссылаются на «эффект антенны», хотя это очень упрощенное представление.
Оба лагеря подкрепляют свои доводы результатами практических экспериментов, причем их точки зрения диаметрально противоположны и к примирению никто не стремится. Единственное утверждение, с которым готовы согласиться все, состоит в том, что скверно выполненное заземление уменьшает защищенность системы от электромагнитных помех на 15–20 дБ. Но достаточно ли оставшейся защищенности для нормальной работы приложений? А вот при обсуждении этого вопроса уже завязываются споры.
Озабоченность вызывают межкабельные наводки Alien Crosstalk (A-NEXT) — помехи, которые в ходе передачи данных по парам одного кабеля возникают в парах соседнего, проложенного рядом. При низких скоростях передачи, к примеру в гигабитных системах, этим явлением можно было бы пренебречь, а все внимание сосредоточить на взаимном влиянии пар под оболочкой одного и того же кабеля. Но диапазон рабочих частот для приложений 10GBase-T в пять раз шире, затухание гораздо сильнее, а роль межкабельных наводок Alien Crosstalk существенно выше. Сейчас эти эффекты уже хорошо изучены. Справиться с межкабельными наводками можно лишь двумя способами:
- улучшить структуру повива пар и увеличить расстояние между соседними кабелями;
- использовать экран из металлической фольги и/или оплетки.
Второй способ стал основным для систем Категории 6A и Класса EA.
Фактически экран представляет собой клетку Фарадея, которая защищает все четыре пары кабеля от внешних наводок. Но чтобы этот подход сработал, экран должен быть заземлен, ведь энергию, наводимую на него помехами, необходимо куда-то перенаправить. Если пути отвода нет, он станет средой для распространения помех. Между экраном кабеля и металлической пластиной, со всех сторон охватывающей внутренние компоненты вилки RJ-45, должны обес-печиваться постоянный контакт и электрическая непрерывность. И кабельные тестеры должны уметь проверять качество экранирования в структурированных кабельных системах.
Из всех областей применения СКС — в офисах, жилых домах, автоматизированных системах на промышленных предприятиях и в центрах обработки данных — для двух последних качество экранирования имеет критическую важность. В ЦОДах прокладываются большие пучки кабеля, экранирование здесь жизненно необходимо, для того чтобы избавиться от межкабельных наводок и других влияний извне. На таких объектах коннекторы, устанавливаемые в кабельных системах, обычно заземлены на обоих концах сегмента, из-за чего с помощью кабельного тестера не удастся проверить, правильно ли заделан экран (см. рис. 2).
.png "Рис. 2. Коннекторы обычно заземлены на обоих концах сегмента, из-за чего с помощью обычного кабельного тестера не удастся проверить, правильно ли заделан экран") |
| Рис. 2. Коннекторы обычно заземлены на обоих концах сегмента, из-за чего с помощью обычного кабельного тестера не удастся проверить, правильно ли заделан экран |
Проблема в том, что обычный тестер не может отличить, по какому пути пошел ток — через экран или систему заземления. Замеры омического сопротивления не позволяют установить маршрут, потому что в разных системах сопротивление того или иного пути может оказаться больше или меньше. Сопоставление времени прохождения сигнала с аналогичным показателем для пар кабеля тоже не решит задачу, поскольку в цепи, заземленной с обоих концов, такое измерение провести нельзя. Чтобы выполнить тестирование правильно, от системы заземления придется временно отсоединиться. Для этого порт RJ-45 нужно извлечь из панели и протестировать в изолированном состоянии.
Для оценки способности кабельного тестера корректно выполнить проверку экрана в заземленной системе можно провести простой эксперимент. Нужно взять металлическую панель переключений, установить в нее два экранированных модуля и подсоединить к ним неэкранированный кабель. Если при таком измерении тестер показывает, что все в порядке, значит, он не умеет правильно проверять качество экранирования. Можно ли тогда вообще использовать такой прибор для тестирования кабельных систем на соответствие стандартам?
Требования к тестерам для кабельных систем описаны в стандартах ISO/IEC 61935-1 и TIA 1152a. В более ранних изданиях утверждалось, что достаточно убедиться в электрической непрерывности между соответствующими контактами на обоих концах сегмента. Применять специальные методы измерения не требовалось, да тогда и не было соответствующих технологий.
В издании стандарта TIA 1152a, вышедшем в 2016 году, и в проекте стандарта ISO/IEC 61935-1 содержится уточнение для приборов, соответствующих новым требованиям по точности Accuracy Level VI и Accuracy Level 2G: «Кроме того, тестеры с уровнем точности 2G должны проверять целостность экрана вдоль трассы кабеля». Эта фраза подразумевает, что теперь уже доступны технологии, позволяющие корректно провести такое измерение.
Чисто теоретически можно было бы проверить правильность экранирования, измерив затухание сигнала в точке соединения в соответствии со стандартом EN50289-1-15 «Coupling Attenuation Setup for Channels» («Определение затухания в точке соединения в каналах»). Однако такой тест организовать весьма сложно и его практическая реализация вряд ли возможна: напротив коммутационной панели потребуется установить специализированные измерительные клещи (устройство весом около 15 кг) и медную пластину площадью 1 м2, через отверстие в центре которой надо пропустить коммутационный шнур...
Метод нельзя рекомендовать еще и потому, что он пригоден для измерений только в каналах; для постоянных линий его применять нельзя. К тому же практикующие специалисты пришли к выводу о том, что метод дает плохо воспроизводимые результаты и позволяет составить лишь качественную картину происходящего, в то время как количественным результатам доверять нельзя. Фактически такой тест дает ответ только на один вопрос: сопоставимы ли по качеству соединение и экранирование с другими такими же соединениями на объекте?
Инженерам и ученым удалось найти принципиально иной подход к оценке качества экранирования. Подобные методы уже много лет применяются в медицине. Чтобы выявить наличие того или иного заболевания, анализируется полный набор показателей, включая те, которые, на первый взгляд, не имеют отношения к возможному диагнозу. Все они рассматриваются в комплексе на предмет наличия специфических зависимостей, называемых маркерами. Такой подход позволяет идентифицировать заболевание даже на самой ранней стадии.
Этот же подход пригоден для тестирования экранов. В ходе сертификации СКС тестер замеряет весь набор обязательных параметров: все, что требуют стандарты, включая вносимые потери (IL), перекрестные наводки на ближнем конце (NEXT), возвратные потери (RL), отношение сигнал-шум на дальнем конце (ACR-F), помехозащищенность ACR и другие. Целостность и качество экранирования напрямую из этих параметров вывести нельзя.
Однако даже прежние модели тестеров уже обладали дополнительными измерительными функциями для оценки параметров, обязательной проверки которых стандарты не требовали. С их помощью проводилась не сертификация, а диагностика. Такие «нестандартные» диагностические функции применяются в том случае, когда основные стандартизуемые параметры выходят за пределы допустимых значений и нужно установить причину этого, чтобы устранить сбой. Для трактовки результатов диагностических функций обычно приходится обращаться к ведущему инженеру или эксперту, обладающему большим опытом и достаточными знаниями.
В медных СКС используются четырехпарные кабели, волновое сопротивление которых (характеристический импеданс) составляет 100 Ом. Однако экранированную систему можно рассматривать и как комплекс, состоящий из восьми коаксиальных проводников, причем у каждого волновое сопротивление составляет 50 Ом. В итоге для анализа оказывается доступно втрое большее количество параметров. Последние поколения тестеров способны отслеживать волновое сопротивление и его отклонения от среднего значения по всей длине кабелей 100- и 50-омных систем. В таком массиве данных вполне возможно выделить маркеры, свидетельствующие о нарушении целостности экрана или отклонении его характеристик от средних.
К настоящему времени уже протестировано огромное количество сегментов с правильно и неправильно заделанными экранами, и на основе полученных данных выявлены маркеры, однозначно свидетельствующие о плохом качестве экранирования. Исследования заняли несколько лет, их результаты закреплены патентами. Разработанные технологии сейчас охраняются как фирменные ноу-хау, материалы открыто не публикуются. Новый измерительный подход очень непрост, однако его практическое использование не представляет никаких сложностей для технических специалистов.
.png "Рис. 3. Схема разводки на экране приборов DSX8000/5000") |
| Рис. 3. Схема разводки на экране приборов DSX8000/5000 |
На рис. 3 для примера показан результат такого измерения: на расстоянии 64,9 м от основного модуля тестера и 0,0 м от удаленного модуля обнаружен обрыв экрана. Такие измерения очень важны в свете принятия новых стандартов. Некоторое время назад были одобрены спецификации TIA для СКС Категории 8 и ISO/IEC/EN для Класса I. В таких системах, чтобы обеспечить передачу данных на скоростях до 40 Гбит/с (приложения 40GBase-T, стандартизованные институтом IEEE), диапазон рабочих частот расширен до 2000 МГц. Требования, ранее разработанные для систем Категории 6A и Класса EA, были экстраполированы на диапазон от 500 до 2000 МГц. Единственный параметр, который не экстраполировали, — межкабельные наводки Alien NEXT: для них во всем диапазоне частот от 1 до 2000 МГц определили новые, более строгие пределы допустимых значений (см. рис. 4).
.png "Рис. 4. Пределы по межкабельным наводкам Alien NEXT для Классов EA, FA и Класса I") |
| Рис. 4. Пределы по межкабельным наводкам Alien NEXT для Классов EA, FA и Класса I |
Правильное экранирование приобрело необычайную важность, что демонстрируется на примере, представленнном на рис. 5. При неправильно заделанном экране межкабельные наводки Alien NEXT усиливаются и выходят далеко за пределы, которые допускаются стандартом.
.png "Рис. 5. Эксперимент с межкабельными наводками Alien NEXT при правильной и неправильной заделке экрана") |
| Рис. 5. Эксперимент с межкабельными наводками Alien NEXT при правильной и неправильной заделке экрана |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение металлических экранов в кабельных системах в чем-то схоже с использованием ремней безопасности в автомобиле: они полезны только в том случае, если установлены и применяются правильно. Разработанные за последние годы технологии позволяют проверить качество заделки экранов и эффективность экранирования в кабельной системе путем прямых измерений.
Кристиан Шиллаб, менеджер по продуктам для тестирования компании Fluke Networks