витая пара почему так называется
Почему витая пара скручена: объяснение для «гуманитариев»
Один профессор в институте, объяснял студентам, как работает витая пара и почему она скручена, двумя способами. Во-первых, он погрузился в математику, стоящую за этой идеей, заполняя доску уравнениями и показывая, как они все связаны друг с другом. Он отметил это «для инженеров». Затем объяснял эту физику снова, но на этот раз без математики. Это, по его словам, было «для гуманитариев».
Почему витая пара скручена
Высокочастотный сигнал, который используется для передачи данных, генерирует магнитное поле, которое может вызвать сигнал на соседнем проводе. Эти индуцированные сигналы называются «перекрестными помехами». К примеру, на старых аналоговых телефонных линиях часто можно слышать другие разговоры на фоне вашего вызова. Эти сигналы и возникают в результате этих индуцированных сигналов.
Представим, что компьютер передает в линию какой-то сигнал. Электромагнитное поле, которое образуется вокруг проводников (Tx), приводит к возникновению паразитных сигналов в соседних парах, в том числе и на паре (Rx), по которой компьютер осуществляет прием сигналов.
Исходя из правил, по которым функционирует Ethernet, передача и прием осуществляется последовательно, а не одновременно. Соответственно, как только компьютер начинает передачу сигнала, он «слышит» сигнал на паре приема и останавливается. Таким образом, передача информации невозможна.
На самом деле, индуцированный в паре приема сигнал во много раз слабее, чем оригинал, что делает это меньшей проблемой. Однако приемная электроника должна быть очень чувствительной. Это связано с тем, что высокочастотные сигналы сильно ослабляют по всей длине кабеля. Например, спецификация IEEE 802.3 для 1000BASE-T допускает максимальные потери 24 дБ, что приводит к уменьшению сигнала до (я выполню математику для вас, гуманитариев) 6% от его первоначальной силы при его отправлении от передатчика с дальнего конца к порту Ethernet вашего компьютера. Таким образом, для успешной передачи информации, наведенный сигнал должен быть намного слабее оригинала. По мере удаления от интерфейса передающего компьютера сигнал затухает, что приводит и к уменьшению наводок на соседние пары. В результате делаем вывод, что наибольшие наводки возникают на передающей стороне. Параметр, который описывает это влияние называется перекрестные помехи на ближнем конце (Near End Crosstalk) или NEXT.
Несмотря на то, что в модульном (RJ-45) соединителе проводники расположены параллельно только на коротком расстоянии, в этом месте наблюдаются наибольшие помехи. И чем больше длина раскрученных проводников, тем сильнее переходные помехи в этом месте. В ряде случаев, нарушение технологии монтажа соединителя приводит к тому, что вся линия не проходит сертификацию.
Кабели витой пары более продвинутой конструкции имеют лучшие характеристики NEXT благодаря использованию экранов в кабеле, более тщательному контролю скорости скручивания и соединению пар вместе. А новые технологии, такие как 10GBASE-T и PoE, требуют сведения к минимуму перекрестных помех. Вместе с тем перекрестные помехи все еще являются одним из наиболее важных проблем с точки зрения влияния на скорость передачи информации.
Некоторые приборы позволяют не только проанализировать уровень переходных помех и наведенных шумов, но и локализовать повреждение витой пары мостовым или рефлектометрическим способом.
Выводы
Надеемся, теперь вам стало понятнее, как работает витая пара, зачем у нее скручены проводники друг с другом и пары проводников также скручены. Вся эта физика витой пары направлена на то, чтобы снизить уровень помех и повысить скорость передачи данных.
Почему витая пара скрученая? Физика витой пары простыми словами
12 октября 2021 15:48
В статье — немного истории о витом кабеле, а еще об особенностях его конструкции. Рассказываем, почему кабель называется витой парой, а не по-другому, и как свитые проводники помогают сделать сигнал качественнее.
Краткая история витой пары
Изобретение этого кабеля стало решением защиты телефонного сигнала от помех. Первые телефоны работали от телеграфных или однопроводных линий, которые прокладывали открытым способом. В 1880 году во многих городах запустили электрические трамваи, они создавали немало помех этим линиям. По этой причине телефонные компании стали переделывать линии таким образом, чтобы они образовывали сбалансированную схему и при этом сигнал слабел меньше.
Это помогло ненадолго: линии электропередачи распространились еще больше, а телеграфные провода шли параллельно им. Это снова привело к росту помех. По этой причине ученые разработали способ транспозиции проводов: через определенное количество опор положение проводов менялось. Такой метод — ранняя реализация скручивания проводников с определенным шагом. Тогда у проводов было около 4 перекрещиваний на 1 км.
Интересно: подобные открытые линии с определенным шагом скрутки на километр даже сейчас можно встретить в некоторых селах.
Немногим позже изобрели витую пару — кабель, который содержит проводники с определенным шагом скрутки. Ее создал Александр Белл в 1881 году. А уже 9 лет спустя вся сеть телефонных линий Америки работала с этим кабелем или на открытых проводах с транспозицией.
Как устроен кабель витая пара? Особенности конструкции
Кабель состоит из нескольких проводников (минимум двух), каждый из которых оснащен изоляцией. Проводники скручены в пары и имеют общую внешнюю оболочку для защиты от повреждений.
Из-за своей конструкции кабель и получил название «витая пара». В отличие от сигналов кабелей электропитания или других типов проводов, он функционирует на более высокой частоте и скорости. Из-за этого образуется магнитное поле. Оно вызывает появление сигнала и на соседнем проводнике. То есть создает перекрестные помехи.
Например, раньше на стационарных телефонах можно было случайно подслушать чужой разговор во время своего звонка. Причина этому — перекрестные помехи. Они еще губительнее для интернета.
Представим, что компьютер куда-нибудь передает сигнал. Вокруг проводников, по которым этот сигнал проходит, образуется магнитное поле, вызывающее посторонние сигналы в соседних парах. Это значит, что помехи появятся даже в той паре, которая принимает сигнал. Ethernet стандарт же подразумевает последовательность: сначала передача сигнала, а потом — прием. По этой причине если компьютер уже начал передавать данные, он прервет процесс, если «почувствует» сигнал на паре для приема сигнала. А значит передача данных будет невозможна.
На самом же деле сигнал, индуцированный в рассчитанной на прием паре проводников, слабее, чем оригинальный. Так что проблема не настолько существенная. Однако электроника, которая принимает сигнал, должна быть очень чувствительной: чем длиннее провод, тем высокочастотный сигнал слабее.
История витой пары
Витой парой называют вид кабеля связи, представляющий собой одну или несколько пар изолированных проводников, которые скручены между собой. Покрыты проводники защитной пластиковой оболочкой. О том, как появилась витая пара, и какую роль играет это изобретение в нашем мире, подробно расскажем далее.
Кто изобрёл витую пару
Витая пара обязана своим существованием американскому учёному Александру Бэллу, запатентовавшему в 1876 году телефон, а в 1881 году – витую пару. Изобретение появилось благодаря поиску способов снизить помехи для проведения электричества.
Производители тестировали множество различных материалов. Были испробованы такие комбинации, как провода из медистой стали и фосфористой бронзы. Однако эти материалы работали плохо и не подходили для повсеместного применения.
Отличной проводимостью обладала медь, но производственные технологии того времени не позволяли наделить её достаточной прочностью.
Так продолжалось вплоть до 1877 года, пока изобретатель Томас Дулиттл из штата Коннектикут не разработал процесс создания медной проволки с достаточной прочностью для растяжения. Провода можно было изолировать хлопком, а сам хлопок пропитывался парафином, резиновой смесью или гуттаперчей. К концу 19 века провода скручивались друг с другом, чтобы сократить число появляющихся помех.
Как изменилась витая пара
Такой вид кабеля, как витая пара, предназначен для применения в линиях связи. Кабель постоянно совершенствовался. В настоящее время витая пара – это важнейший элемент любых структурированных кабельных сетей. Сам кабель отличается дешевизной, он легок для проведения монтажных работ.
По мере развития сетей связи и повышения требований к передаваемому сигналу, развивалась и модернизировалась конструкция кабеля. Современная витая пара включает следующие компоненты:
NTP-Сервер, а также иная продукция компании «КОМСЕТ-сервис» разработана согласно всем актуальным требованиям и нормам. Мы используем только лучшие типы витых пар для производства своих товаров.
Как работает витая пара и как происходит передача данных
Содержание
Содержание
Современный компьютер обязан быть подключенным к интернету. Если раньше это было прихотью владельца, то сейчас некоторые игры и программы без него не работают. Тем не менее, владельцы чаще обращают внимание на скорость оперативной памяти или частоту монитора, а качество сетевого оборудования остается на втором плане. Тем не менее, простой провод от роутера к компьютеру имеет много характеристик, и они могут влиять на стабильность соединения. Что такое витая пара, почему она витая, и откуда в ней берется интернет — разбираемся в нашем материале.
Информация передается по проводам: длинным, коротким, медным и даже стеклянным. В мире так много проводов, что, если связать их в один, то можно провести интернет на Луну и обратно. Однако, даже если это осуществимо, такой интернет гарантированно не будет работать. Потому что, кроме самого провода, есть еще тонна условий, при которых работает витая пара. Это категория проводника, тип, материал провода, качество экранирования, помехоустойчивость и многое другое. Все это определяет качество работы сети и распространяется как на многокилометровые линии связи, так и на домашних коротышек.
А для тех, кто предпочитает использовать беспроводные сети, можно посмотреть, какую точку доступа подобрать и как это сделать правильно:
Как витая пара передает сигнал
Для кого-то будет открытием, что по кабелю передаются не биты и байты, хотя технику мы называем цифровой. На самом деле, в проводе нет никакой информации, а только напряжение. Один компьютер задает вопрос, другой отвечает, и все это происходит с помощью передачи вольтажа через витые пары.
Для передачи информации компьютер делит ее на биты. Затем они шифруются в двоичную систему и передаются по кабелю. В это время информация выглядит как простые электрические импульсы разной длительности (частоты) и с разным вольтажом. При этом, передаются два сигнала: один с положительным напряжением, другой — с отрицательным. Принимая сигнал, дешифратор складывает напряжения и в сумме получает ноль. Таким образом, зная вольтаж, длительность импульса и разницу напряжений, сетевая карта понимает, какой код ей посылает собеседница.
С точки зрения простого человека без физико-математической корочки в кармане такое объяснение будет понятным и достаточным, чтобы представить, что творится в витой паре во время передачи сигнала. В информатике этот процесс называется манчестерским кодом и это находится на первом уровне OSI. Так называют 7 уровней движения информации от бита к понятному для человека изображению на экране. Движение электрических или световых сигналов это первый, «физический» уровень. Там и работает витая пара.
От советской лапши к современному UTP
Для передачи высокочастотного сигнала не всегда использовался провод с несколькими витыми парами. Не будем заглядывать в историю совсем далеко, а остановимся на времени, когда телефония уверенно поселилась в каждой квартире 80-х. Вполне реально, что у кого-то и до сих пор работает телефонный аппарат по старой DSL-линии. Он подключен таким проводом:
Это телефонный провод ТРП для прокладки сети в помещениях. В народе его называют лапшой из-за сходства с плоскими макаронами. Обычно используется для «доводки» сигнала к нужному месту. Сейчас таким проводом сигнальные линии не ведут, а используют современные UTP патч-корды.
Еще один способ передать высокочастотные данные на средние расстояния — коаксиальные провода. Сигнальный провод защищен от наводок экранированием:
Коаксиальный кабель используют и сейчас, например, в радио и спутниковой связи, а также в антеннах для приема цифрового или аналогового телевидения. Впрочем, его могут применять везде, где необходимо соединить между собой два чувствительных к помехам устройства.
Помимо «домашних» и всем известных проводов, в современных сетях есть и другие. Это многожильные провода-трассы с 25 парами, экранированные и усиленные, а также оптоволоконные проводники с разным количеством стеклянных жил, в том числе и витые пары.
Для чего так много разновидностей витой пары
С помощью витой пары соединяют не только роутер и компьютер. Есть более глобальные применения. Так, один проводник предназначен только для помещений, а другой способен работать на улице под прямыми лучами солнца. Первый растянется и испортится на больших расстояниях, а другой спокойно выдержит вытягивание на десятки метров. Где-то достаточно протянуть простой провод без экрана, а в другом месте будет много посторонних сигналов, поэтому и провод нужен соответствующий. Для этого предназначены разные типы витой пары.
UTP — самый простой и нежный кабель. Не защищен от внешних помех, а также не любит растягивание. Зато он мягкий и хорошо сгибается. Подходит для дома и офиса.
FTP — то же самое, но с дополнительным экранированием. То есть, все пары закутаны в фольгу. Имеет те же физические плюсы и минусы первого варианта, только более устойчив к помехам. Такие провода — минимум для использования в производственных помещениях с посторонними помехами.
STP — все то, что есть в предыдущих, плюс защитная металлическая оплетка.
SFTP — каждая пара завернута в собственную фольгу, а общий провод защищен металлической оплеткой.
U/FTP — каждая пара в фольге, остальное все как у UTP.
F/FTP — для каждой пары фольга, плюс общая для всего провода.
SF/FTP — каждая пара экранирована, плюс весь провод защищен металлической оплеткой, а для жесткости добавляют стальную проволоку. Это провод для построения длинных трасс.
Для домашнего интернета вполне хватает простого UTP. Максимум — FTP, если это многоквартирный дом и нужно защитить сигнал от микроволновок и роутеров с точками доступа 5 ГГц. Остальные используются для прокладки внешних линий между зданиями или на большое расстояние, где сигнал обязательно защищают от внешних помех и стремятся максимально сохранить качество.
Категории витой пары
Категории витой пары определяются основными характеристиками провода: максимальная частота сигнала и толщина проводника. Чем выше допустимая частота в проводе, тем лучше его качественные показатели и способность удерживать скорость на протяжении десятков метров. В основном используются «5e» и «6» категории, хотя всего их 10:
Между прочим, та самая «лапша» — это витая пара Cat. 1, и она до сих пор встречается в частных жилых секторах под ADSL. Остальные категории вышли из обихода (2, 3, 4) или еще не нашли широкого применения в домашних сетях (6a, 7, 7a). Тем не менее, это вопрос времени, так как соединения со скоростью более 1 Гбит/с уже существуют и предлагаются провайдерами.
Другие характеристики
С категорией витой пары определиться несложно, потому что в компьютерных магазинах пользователю вряд ли предложат что-то, кроме проводов Cat. 5e или Cat. 6. Гораздо важнее выбрать провод по другим параметрам.
Во-первых, учитываем материал, из которого сделаны жилы витой пары. Самый дешевый и доступный вариант — это алюминий. Проводит электричество в 1,7 раза хуже меди, любит окисляться при контакте с кислородом и не любит изгибы. Как основа для качественной сигнальной трассы сразу отметается, даже если это домашняя сеть со скоростью до 100 Мбит/с. Единственный плюс такого провода — дешевое производство.
Чуть лучше — омедненный алюминий. Все то же самое, только алюминий покрыт нанослоем меди для защиты от окисления. Проходим мимо.
Единственно верный путь — чистая медь. Это лучшая электропроводность, устойчивость к окислению, стойкость к изгибам и гарантия стабильности в месте соединения провода и клеммы. Разумеется, это самый дорогой провод из витых пар.
Однако наличие проводников из чистой меди составляет только половину дела. Медный провод производить дорого, поэтому и здесь есть нюансы. Следующий важный параметр, который указывает на качество проводника — это толщина медной жилы. Тут тоже есть свои стандарты:
Чем больше диаметр, тем меньше сопротивление линии, а значит, выше скорость передачи информации на большие расстояния. В обычных сетях используют 23-24 AWG, и этого достаточно. Тем более, что фанатично искать провод с «толстыми» парами не стоит хотя бы из-за стандартов ISO. Они говорят, что 22-24 AWG — это разумные пределы для того, чтобы провод без проблем помещался в контактах коннекторов и розеток (до 0,64 мм). Впрочем, если говорить о домашних сетях, то AWG 24 — это разумный предел для любых систем и скоростей.
Витая пара бывает одножильная и многожильная. Провод с цельными жилами подходит для разводки сети по стенам, в кабель-каналах или для организации длинных трасс. Физические и электрические свойства цельного медного провода лучше, чем у многожилки. В основном это прочность и помехоустойчивость. Многожильный провод применяется для сборки заводских патч-кордов. Его свойств достаточно для передачи информации между устройствами на небольшом (до 5 м) расстоянии. Он хорошо принимает форму и устойчив к изломам.
Несмотря на стандарты в Cat. 5e, производители могут выпускать провода с двумя парами вместо четырех. Количество пар играет роль в сетях со скоростью выше 100 Мбит/с. Учитываем этот момент и берем полноценный кабель со всеми парами, чтобы потом спокойно переключиться на высокоскоростной тариф, подключить видеонаблюдение и смотреть фильмы в 4К без проблем с пропускной способностью.
Хорошему проводу — хорошая изоляция. Качественная витая пара должна защищаться толстой, но мягкой оболочкой. Тогда провод будет легче свернуть, направить в кабель-канале, а еще он не перетрется и будет уверенно держаться в клипсе сетевого разъема. Хорошая изоляция — это также защита от потери сигнала на больших расстояниях, где полимерное покрытие проводника работает как электромагнитный диэлектрик.
Коннекторы RJ-45
Registered Jack — стандартизированный разъем. Как и витая пара, коннектор имеет разные категории и уровни качества.
Для каждого типа витой пары применяется свой разъем. Для проводов Cat. 5 и 5e используют первый вариант (см. изображение выше). Он знаком каждому пользователю и способен переварить толщину проводников до 24 AWG. Более ничем не примечателен.
Для построения экранированных сетей используется джек Cat. 6. Он может зажимать провода до 23 AWG, а также имеет металлический корпус, который соединяется с фольгой в проводе и создает единый помехоустойчивый контур между устройствами.
Соответственно, для проводов высших категорий есть другие коннекторы. Но это серверный уровень и домашний пользователь вряд ли столкнется даже с коннекторами типа 6a.
Пригодность разъема для разного типа проводов диктуется не только размерами клипсы, что удерживает провод в разъеме, но и типами ножей, которые пробивают оболочку каждого провода в паре и соединяются с медью. А еще качеством позолоты контактов.
Почему пар несколько и за что они отвечают
Для приема и передачи данных в проводе используется два способа расположения витых пар в коннекторах. Это прямой и перекрестный обжим. Для современных сетевых устройств нет разницы в распиновке, потому что устройства умеют делать это автоматически на уровне разъема. Поэтому в основном используется прямой обжим и соответствующая ему распиновка пар:
В соединениях до 100 Мбит/с данные передаются только двумя парами: одна занимается отправкой сигнала (называют TX), другая приемом (RX). То есть, Transfer и Receive. Причем в каждой паре оба провода работают в одном направлении. Только по одному бежит положительное напряжение, а в другом — отрицательное. Это мы разобрали в начале статьи. Остальные пары задействуются под нужды PoE (подключение IP-камер), телевидения или телефонии. Для работы высокоскоростных линий задействуют все четыре пары.
Провода обозначают стандартными цветами, где каждая пара имеет свой основной цвет. Это сделано для удобства, так как прозванивать восемь одноликих проводов при каждом обжиме —занятие утомительное. Физической разницы между парами нет, главное, чтобы провод был обжат одинаково с обоих концов.
Почему пара «витая» и что такое экранирование
По проводу передаются электрические импульсы с высокой частотой. В самом начале эти импульсы сильные и отчетливые, а к концу провода их амплитуда снижается. Это называется затуханием сигнала или «вносимыми потерями». Отношение силы выходного сигнала в начале провода к силе входного сигнала в конце измеряют в децибелах. Чем выше разница, тем хуже качество сигнала. Обычно сигнал портится на больших расстояниях, если спецификации витой пары не соответствуют заявленным или нарушаются правила построения сетей. Немалую роль в качестве сигнала играет материал проводников, их правильный обжим в коннекторе, а также защита от собственных и внешних наводок.
Как сократить потери сигнала на длинных трассах:
То есть, если нужно передать сигнал на очень большое расстояние, то без репитера это не получится. Принцип работы такой же, как и у повторителя для WiFi: берется редуцированный сигнал, преобразуется в исходный по мощности и отправляется следующей станции или адресату. Для этого есть специальные устройства — экстендеры Ethernet. Или роутер (он же свитч). То есть, если сигнал тухнет через каждые 100 метров, то можно переподключать линию на свитчах и передавать сигнал дальше. Но это в теории.
На практике сигнал в витой паре перемешивается с различными помехами. Это сигналы сотовой сети, радиосигнал роутера, высокочастотные волны от микроволновой печи и даже низкочастотный шум от двигателя автомобиля. Помимо этих явлений есть и внутренние, когда одна пара вносит паразитные сигналы в другую пару и возникают перекрестные помехи.
От внешних воздействий на сигнал провод защищают алюминиевой фольгой. В зависимости от типа и категории провода, такая фольга может защищать каждую пару отдельно или весь провод целиком. Для защиты от сильных помех также используют металлическую оплетку.
Для снижения наводок между пар придумали другой способ — витые провода:
Из начальной физики мы знаем, что движение электричества в проводе создает электромагнитное поле. Это поле может влиять и взаимодействовать на поле и сигнал других проводов. От таких наводок нельзя избавиться, но ими можно управлять. Для этого все пары в проводе смещены относительно друг друга и имеют одинаковый шаг витка. Таким образом, влияние помех распределяется равномерно и становится предсказуемым для передатчиков.
Вместо тысячи слов
Если поднимать всю теорию о витой паре, возвращаемых сигналах, помехах и различных электромагнитных явлениях, можно написать диссертацию, магистерскую работу, а может и диплом для технического ВУЗа. Тем не менее, общее понимание работы витой пары мы рассмотрели. Этого должно быть достаточно, чтобы любой пользователь (особенно гуманитарий) мог прочитать статью и выбрать хороший провод для своей сети. И построить ее так, чтобы потом не пришлось все переделывать.
Пошаговая инструкция по выбору хорошего провода для дома: