Как передается сигнал по витой паре

Что такое технология Ethernet – история сетевого кабеля

Для многих это просто кабель, который позволяет подключить компьютер – настольный компьютер или ноутбук – без разницы – игровые приставки, жесткие диски и медиацентры к маршрутизатору с целью создания локальной сети (Local Area Network), т.е. домашней сети. Однако, понятие Ethernet объединяет целое семейство технологий, необходимых для создания и эксплуатации локальных сетей (в частности, LAN), технические характеристики которых были установлены в соответствии со стандартом IEEE 802.3.

Экспериментально задуманный в середине 70-х годов в лабораториях Xerox PARC Робертом Меткалфом и его помощником Дэвидом Боггсом, Ethernet в настоящее время является наиболее используемой технологией в домашних условиях для создания сетей, которые включают в себя и соединяют небольшое количество узлов.

По этой причине создаются всё более эффективные коммутаторы Ethernet, необходимые для быстрой и надёжной связи между двумя узлами одной сети.

Что такое Ethernet

С технической точки зрения, Ethernet – это набор протоколов и сетевых инструментов, которые позволяют создавать локально разнородные локальные сети (от нескольких узлов до нескольких десятков).

Теоретически длина кабеля Ethernet может достигать 100 метров: устройства, которые повторяют или перенаправляют сигнал, используются для соединения узлов на большем расстоянии. Для этой цели используют Ethernet-мосты и Ethernet-коммутаторы – периферийные устройства, способные соединять различные сегменты одной и той же локальной сети.

Общим элементом любой сети Ethernet является структура пакета, называемая кадром. Кадр, состоящий из 7 различных элементов, отвечает за передачу данных между двумя узлами одной и той же локальной сети.

Как сделан кабель Ethernet

Внешне кабель Ethernet выглядит как длинный провод, покрытый пластиковой оболочкой с двумя разъемами RJ45 (также изготовленными из пластика). Внутри оболочки между различными защитными и экранирующими слоями мы обнаруживаем четыре витые пары, отвечающие за передачу данных от одного сетевого устройства к другому. Витые пары отличаются друг от друга благодаря цветовой идентификации: синий, оранжевый, зеленый и коричневый. Таким образом, у нас будет синяя витая пара (полноцветный кабель и полосатый кабель), оранжевая витая пара (полноцветный кабель и полосатый кабель), зеленая витая пара (полноцветный кабель и полосатый кабель) и коричневая витая пара (полноцветный кабель и полосатый кабель).

Кабели Ethernet могут быть прямыми или скрещенными. В прямых кабелях Ethernet схема витой пары одинакова как в одном разъеме RJ45, так и в другом: это означает, что порядок, в котором расположены 8 медных кабелей, поддерживается на двух концах провода Ethernet.

В скрещенных кабелях Ethernet положение восьми кабелей «меняется», как если бы они были отражены в зеркале: если в одном разъеме RJ45 вы начинаете с коричневой витой пары и заканчиваете оранжевой, на другом конце начинайте с оранжевой, а заканчивайте коричневой.

Семь элементов кадра Ethernet

1. Первый элемент, состоящий из 7 байт, называется «преамбула» (preamble) и используется для синхронизации процесса связи между двумя узлами сети, то есть между отправителем и получателем. Для выполнения этой задачи, с одной стороны, используются адаптеры для получателя, а с другой – генераторы для отправителя: эти два компонента, по сути, синхронизируют часы передающего и принимающего узлов.
2. Вторым элементом является SFD (Start Frame Delimiter) размером в 1 байт, который используется для определения границы преамбулы и начала пакета данных.
3. Третий и четвертый элемент кадра Ethernet, каждый длиной 6 байтов, соответствует MAC-адресам получателя и отправителя, они представляют собой физические идентификационные адреса, однозначно присовенные производителем каждой сетевой карты и, следовательно, однозначно связанные с каждым узлом локальной сети.
4. Ethertype, размером 2 байта, указывает тип протокола, используемого для связи. В зависимости от случая, может быть использован, IPv4 или IPv6, PPPoE и ARP.
5. Payload или «поле данных» – от 46 до 1500 байт – содержит реальную информацию в сообщении.
6. Чтобы закрыть кадр используется FCS (Frame Check Sequence) из 4 байт, содержащих управляющее значение типа CRC (Cyclic Redundancy Check) и позволяющих обнаруживать ошибки в процессе обмена данными.

История кабеля Ethernet

Все физические и протокольные элементы, служащие для технического определения Ethernet, были экспериментально спроектированы Робертом Меткалфом в период с 1973 по 1974 годы в Xerox PARC (исследовательский центр Пало-Альто). Последний был вдохновлен ALOHAnet, сетевым протоколом, целью которого было гарантировать доступ и функции передачи данных в небольших сетях.

Название Ethernet впервые было использовано в мае 1973 года самим Меткалфом, который пытался убедить руководителей Xerox в важности е своей работы. Название было выбрано, чтобы «воздать должное» светоносному эфиру, газообразному и неощутимому веществу, которое в середине XIX века считалось инертной средой, через которую распространялись электромагнитные волны. В 1975 году Xerox подал патент от имени Меткалфа и его команды (в дополнение к Дэвиду Боггсу патент носит имена Чака Такера и Батлера Лэмпсона).

Технологии, описанные в патенте, были успешно использованы в Xerox PARC, и в 1976 году Меткалф и Боггс опубликовали научную статью «Ethernet: распределенная коммутация пакетов для локальных компьютерных сетей», в которой они описали фундаментальные части и работу сети, основанную на технологии Ethernet.

В 1979 году Меткалф покинул Xerox, но всё же смог убедить тогдашнего американского ИТ-гиганта вступить в партнерство с Digital Equipment Corporation и Intel, чтобы начать работу над уникальным стандартом Ethernet. Так родилась команда DIX (из инициалов трёх компаний, участвующих в проекте), которая в следующем году представила Институту инженеров по электронике и электронике (IEEE) первое предложение по стандартизации Ethernet в области LAN. Это первое предложение касалось стандарта со скоростью 10 Мбит/с и 48-битными адресами: то была 10BASE-T – «базовая модель» подключения Ethernet.

Модели Ethernet

Среди множества способов, которыми можно «каталогизировать» различные типы Ethernet, разработанные за последние 30 лет использования этой технологии, наиболее распространенным является метод, основанный на максимальной теоретической скорости, которая может быть достигнута во время передачи файла.

10BASE-T

Спецификация базового уровня протокола IEEE 802.3 характеризуется скоростью передачи 10 мегабит (10 миллионов бит) в секунду. Кабели состоят из двух витых пар телефонных линий, скрученных вместе, в то время как разъемы RJ-45 также были взяты с телефонной линии.

Fast Ethernet

Стандарты передачи данных для сетей LAN, теоретическая максимальная скорость которых составляет 100 мегабит в секунду. Также в этом случае 100BASE-T является преобладающим стандартом, который характеризуется двумя витыми парами и разъемами RJ-45.

Гигабитный Ethernet

Эволюция Fast Ethernet, приведшая к 10-кратному увеличению скорости. Как следует из названия, Gigabit Ethernet характеризуется скоростью передачи 1 гигабит (1 миллиард бит) в секунду, используя конфигурацию 1000BASE-T, медные пары телефонных проводов и разъёмы RJ-45.

2.5GBASE-T, 5GBASE-T и 10GBASE-T с кабелями категории Cat5e, Cat6 и Cat7

Однако, развитие кабелей Ethernet позволило техническим специалистам и инженерам выйти за пределы порога в 1 гигабит. Сегодня на рынке уже есть кабели, которые могут достигать 10 гигабит в секунду: это относится к Ethernet-кабелям Cat 7 (также называемым 10GBASE-T), способным передавать пакеты данных со скоростью 1,25 гигабайта в секунду (1 байт = 8 бит).

Однако, они не единственные, которые могут выйти за пределы гигабитного уровня скорости: с введением стандарта IEEE 802.3bz, по сути, были достигнуты значительные улучшения производительности также для кабелей Ethernet Cat 5e и Cat 6. Первый также называется 2.5GBASE-T, имеет максимальную скорость передачи данных 2,5 гигабит в секунду; второй, называемый 5GBASE-T, может развивать скорость до 5 гигабит в секунду.

Передача сигнала по кабелю витой пары: все pro et contra

Специалисты в области мультимедиа знают, что получить качественный видео- и аудио сигнал – это еще полдела. Сложности возникают, если необходимо передать этот сигнал на десятки и сотни метров без искажений и помех, да еще, если аппаратура-приемник находится в неудобном или труднодоступном месте.

В настоящее время многие информационные, презентационные и рекламные системы являются мультимедийными, то есть способными воспроизводить изображение и звук, самых разных форматов от обычного видео до ультрасовременной компьютерной графики. Поэтому главным инструментом, находящимся на рабочем столе рекламщика, становится компьютер. Естественно, что воспроизводить созданное на компьютере видео и звук гораздо проще и экономичнее тоже с помощью компьютера с монитором VGA/XGA, хотя бы потому, что в этом случае не требуется преобразование форматов. Это экономит время, а в рекламном бизнесе время – деньги!

Но подключить компьютер «напрямую» к существующим информационным и рекламным системам иногда бывает не так-то просто. И в первую очередь возникает проблема, связанная с ограниченной длиной компьютерных кабелей. Дело в том, что все стандарты низкочастотной (не модулированной) связи двух устройств (как аналоговых, так и цифровых) проектировались исходя из предположения о размещении источника и приемника, так сказать, «на одном столе», поэтому длина стандартного соединительного кабеля обычно составляет 1,5-3 м. Если же устройство-приемник сигнала находится на большем расстоянии, возникает потребность в специализированном оборудовании – так называемых удлинителях интерфейса. Устройства этого класса помогают устранить изначальное ограничение на длину линии связи между компьютером и элементами информационной сети.

Коаксиальный кабель или витая пара?

На сегодняшний день одними из самых распространенных средств передачи видеоинформации являются коаксиальный кабель и кабель витой пары.

С помощью коаксиального кабеля осуществляется несимметричная передача сигнала, а витая пара обеспечивает симметричную передачу. Передачу сигналов по коаксиальному кабелю называют несимметричной передачей, так как коаксиальный кабель замыкает контур между источником и приемником, где центральная жила кабеля является сигнальным проводом, а экран – заземляющим. Несмотря на хорошее экранирование, коаксиальный кабель подвержен воздействию помех, поэтому передача с его помощью композитного сигнала и компо- нентного видеосигналов на значительные расстояния невозможна. Кроме того, коаксиальный кабель требует согласования выходного импеданса источника и входного импеданса приемника со своим характеристическим импедансом, особое внимание приходится уделять раскладке кабеля и заделке разъемов.

Альтернативой коаксиальному кабелю является витая пара. В отличие от коаксиального кабеля, при помощи витой пары осуществляется симметричная видеопередача, при которой все электромагнитные помехи и шум, в конечном счете, одинаково воздействуют на оба провода. Когда сигнал достигает приемного конца линии, он попадает на вход дифференциального усилителя с хорошо сбалансированным фактором коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС).

Если два провода имеют схожие характеристики и достаточно закруток на метр (чем больше, тем лучше), на них будут одинаково воздействовать шумы, падение напряжения и наводки. Усилитель с хорошим КОСС на приемном конце линии устранит большую часть нежелательных шумов.

Витая пара обычно дешевле коаксиального кабеля, ее легче раскладывать, а разделка разъемов не представляет никаких проблем.

Симметрирование

Симметричными являются двухпроводные схемы, в которых оба проводника и все подключенные к ним цепи имеют одинаковый импеданс относительно земли и любого другого проводника.

Цель симметрирования состоит в том, чтобы сделать равными шумы, наводимые в обоих проводниках; в этом случае они будут представлять собой продольный, или синфазный, сигнал, который можно скомпенсировать в нагрузке.

Симметрирование – метод подавления шумов, который можно использовать в сочетании с экранированием там, где уровень шумов должен быть ниже уровня, достижимого при использовании только экранирования, или даже вместо экранирования.

Использование дифференциального усилителя явилось первым шагом на пути к созданию симметричной системы. Усилитель обеспечивает симметричную нагрузку, но источник остается несимметричным из-за наличия внутреннего сопротивления источника сигнала R_r. (рис. 1).

Рисунок 1. Уменьшение эффекта синфазных шумов

При симметрировании источника относительно земли (рис. 2) получается полностью симметричная система. В общем случае последовательно с проводниками оказываются включенными два синфазных напряжения шумов U_ш1 и U_ш2, которые вызывают появление токов шумов I_Ш1 и I_Ш2. Источники U_Г1 и U_Г2 совместно создают сигнальный ток I_г. При этом суммарное напряжение на нагрузке составит:

Первые два члена в правой части уравнения представляют собой напряжения шумов, а третий член – напряжение полезного сигнала. Если I_Ш1 равен I_Ш2 и R_H1 равно R_Н2, то напряжение шумов на нагрузке равно нулю. Уравнение при этом упрощается:

т. е. напряжение на нагрузке создает только сигнальный ток I_Г.

Рисунок 2. Симметрирование источника сигнала

В качестве проводников в симметричных схемах обычно применяют неэкранированные или экранированные витые пары, так как они симметричны. Коаксиальный кабель, напротив, имеет несимметричную форму, поэтому для симметричной системы следует брать два коаксиальных кабеля.

Степень симметрии схемы, или коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС), определяется как отношение синфазного (продольного) напряжения шумов к вызванному им дифференциальному (или поперечному) напряжению шумов и выражается обычно в децибелах (дБ). Преобразование синфазного напряжения в дифференциальное является следствием несимметрии системы.

Чем лучше симметрия схемы, тем большее подавление шумов можно получить. Если было бы возможно достичь совершенной симметрии, шумы не могли бы проникать в систему. От хорошо спроектированной системы можно ожидать симметрию 60 – 80 дБ. Можно получить и лучшую симметрию, однако для этого обычно требуются специальные кабели, и может понадобиться индивидуальная подстройка схемы.

Симметрия системы зависит от симметричности источника, сигнальных проводов и нагрузки, а также от симметрии любых паразитных импедансов. Между двумя входными проводниками должна быть обеспечена симметрия, как по активным, так и по реактивным сопротивлениям, т. е. активные и реактивные сопротивления каждого из проводников относительно земли должны быть равны. Величина любых шумов, проникающих в симметричную схему, является функцией степени ее несимметрии и прямо пропорциональна синфазному напряжению шумов. Симметрия никогда не бывает совершенной, и при наличии синфазных напряжений шумов некоторое напряжение шумов поступает в схему. Синфазное напряжение шумов можно уменьшить соответствующим экранированием и заземлением.

Экранирование можно использовать для уменьшения величины синфазного напряжения, наводимого на проводники, а симметрирование уменьшает долю синфазного напряжения, поступающего в нагрузку. Симметрия системы зависит от частоты сигнала. Обычно, чем выше частота, тем труднее получить точную симметрию, поскольку на высокой частоте большое влияние на работу схемы оказывает паразитная емкость.

Знание симметрии, обеспечиваемой отдельными компонентами, из которых строится система, не позволяет предсказывать степень симметрии всей системы. Например, отклонения в симметрии двух компонентов могут компенсировать друг друга таким образом, что суммарный баланс комбинации компонентов будет выше, чем от каждого из них. С другой стороны, компоненты могут быть такими, что суммарный баланс может оказаться меньше, чем от каждого компонента в отдельности.

Одним из способов гарантии хорошей симметрии всей системы является задание на каждый компонент допуска, существенно меньшего, чем величина общего допустимого разбаланса системы. Однако этот метод может привести к тому, что разработка будет не самой экономичной.

Удлинители интерфейса

Недостаток симметричной передачи сигнала по витой паре состоит в том, что в дополнение к кабелю необходимы одно передающее и одно приемное устройство. Они увеличивают не только стоимость системы, но и риск потерять сигнал, если какой-либо из этих двух компонентов выйдет из строя.

Рассмотрим простейший случай, когда информацию от компьютера нужно воспроизводить с помощью видеопроектора или плазменной панели, находящейся на значительном удалении (скажем, 50-100 м) от системного блока компьютера. На первый взгляд, очевидным кажется решение о создании локальной сети из двух компьютеров и подключении устройства отображения вместо монитора второго компьютера, но как быть, если проектор должен крепиться к потолку или устанавливаться в таком месте, где обслуживать его станет, мягко говоря, неудобно?

Правильное решение заключается в использовании удлинителей интерфейса (extender или line transmitter) компьютерного монитора, современные модели которых обеспечивают передачу сигнала на требуемую дальность с малым уровнем помех по витой паре. Такое эффективное и недорогое техническое решение найдет применение во многих областях: в информационных системах на транспорте, в учебных заведениях или больницах.

Как и удлинители видеоинтерфейсов, удлинитель сигналов VGA действует на аппаратном уровне, поэтому он свободен от каких-либо проблем с совместимостью программного обеспечения, согласованием кодеков или преобразованием форматов.

До недавних пор по витой паре удавалось передавать без потери качества сигналы на сравнительно небольшие расстояния, однако в истекшем году ситуация коренным образом изменилась после того, как на рынке появилась новая линейка удлинителей для работы с витой парой. Благодаря новой элементной базе, а также новым аппаратным и схемным решениям удалось достичь настоящего прорыва: теперь сигналы без потери качества можно передавать на расстояния, превышающие 300 метров. Оборудование способно устойчиво работать с обычной неэкранированной витой парой категории 5, но гораздо лучшие результаты можно получить при использовании кабелей более высокого качества.

В новую линейку оборудования входят передатчики XGA сигнала в витую пару, усилители-распределители, коммутаторы, приемники сигналов из витой пары.

Возможности оборудования удовлетворят потребностям самых взыскательных пользователей.

Что и на какое расстояние передает удлинитель

Пассивная линия (без усилителей/преобразователей):

• Кабель типа RG-59 или RG-6 способен передать без видимых на экране искажений композитное видео, телевизионный сигнал стандартов PAL или NTSC на 20-40 м.
• Кабель типа RG-11 работает до 50-70 м.
• Специализированные кабели, например Belden 8281 или Belden 1694A, позволят увеличить дальность передачи примерно на 50%.

Для сигналов VGA, Super-VGA или XGA:

• Обычный кабель VGA обеспечивает передачу изображения с разрешением 640×480 на расстояние 5-7 м.
• При разрешении 1024×768 и выше такой кабель не должен быть длиннее 3 м.
• Высококачественные промышленные кабели VGA/XGA обеспечивают дальность до 10-15, редко до 30 м.

Линия связи подвержена потерям на высоких частотах (High frequency loss), которые проявляются в снижении яркости до полного исчезновения цвета, ухудшении разрешения и четкости. Для устранения этой проблемы в удлинителях VGA/XGA используется схема управления потерями на высоких частотах, именуемая EQ (Cable Equalization, коррекция кабеля) или управление высокочастотной составляющей – HF (High Frequency) control.

Схема EQ обеспечивает частотнозависимое усиление сигнала для «спрямления» амплитудно-частотной характеристики.

Итак, удлинитель должен быть оснащен усилителем сигнала (желательно регулируемым) и системой EQ, а в качестве среды передачи лучше выбрать витую пару, как наиболее массовое и недорогое кабельное изделие.

Линии на основе витой пары

• Способны передать композитный видеосигнал на расстояние до 300-1000 м (при передаче композитного сигнала на расстояние менее 100 м нет особого смысла переходить на витую пару).
• Компонентный и s-Video сигналы (для стандартного ТВ) можно передавать на расстояния, не намного меньшие, чем композитный сигнал.
• Компонентные сигналы для телевидения высокой четкости (ТВЧ, HDTV) требуют большей полосы пропускания и хорошо передаются на 100-500 м.
• Сигналы класса VGA можно передавать на расстояния до 100-300 метров. Пример системы передачи такого сигнала на 100 м приведен на рисунке 3, а разветвленной системы распределения сигнала до 250 м — на рисунке 4.

Передающее устройство удлинителя обычно преобразует видеосигнал(ы) в дифференциальный симметричный формат, наиболее подходящий для витых пар. На принимающей стороне восстанавливается стандартный видеоформат для воспроизведения полученного сигнала на мониторе.

Средой передачи в удлинителях могут также быть оптическое волокно и беспроводный радиоканал. По сравнению с витыми парами, оптоволокно значительно увеличит стоимость, а беспроводная связь не обеспечит достаточной помехозащищенности и надежности, да и получить разрешение на ее использование непросто.

Рисунок 3. Система трансляции VGA/XGA-сигнала на расстояние 100 метров

Рисунок 4. Распределение VGA/XGA-сигнала от одного источника на много
удаленных дисплеев