Узгодження, екранування й гальванічна розв'язка ліній зв'язку

Електричні лінії зв'язку (кручені пари, коаксіальні кабелі) вимагають проведення спеціальних мір, без яких неможлива не тільки безпомилкова передача даних, але й взагалі будь-яке функціонування мережі. Оптоволоконні кабелі вирішують всі подібні проблеми автоматично.

Узгодження електричних ліній зв'язку застосовується для забезпечення нормального проходження сигналу по довгій лінії без відбиттів і перекручувань. Слід зазначити, що в локальних мережах кабель працює в режимі довгої лінії навіть при мінімальних відстанях між комп'ютерами, тому що швидкості передачі інформації й частотний спектр сигналу дуже великі.

Принцип узгодження кабелю простий: на його кінцях необхідно встановити резистори, що погодять (термінатори) з опором, рівним хвильовому опору використовуваного кабелю.

Як уже згадувалося, хвильовий опір – це параметр даного типу кабелю, що залежить тільки від його пристрою (перетину, кількості й форми провідників, товщини й матеріалу ізоляції й т.д.). Величина хвильового опору обов'язково вказується в супровідній документації на кабель і становить звичайно від 50-100 Ом для коаксіального кабелю, до 100-150 Ом для кручений пари або плоского многодротового кабелю. Точне значення хвильового опору легко можна виміряти за допомогою генератора прямокутних імпульсів і осцилографа саме по відсутності перекручування форми переданого по кабелю імпульсу. Звичайно потрібно, щоб відхилення величини погоджуючого резистора, не перевищувало 10% у ту або іншу сторону.

Якщо погоджуючий навантажувальний опір R_н менше хвильового опору кабелю R_в, то фронт переданого прямокутного імпульсу на прийомному кінці буде затягнутий, якщо ж R_н більше R_в, те на фронті буде коливальний процес (мал. 5.1).

Рис. 5.1.  Передача сигналів по електричному кабелі

Мережні адаптери, їхні приймачі й передавачі спеціально розраховуються на роботу з даним типом кабелю з відомим хвильовим опором. Тому навіть при ідеально погодженому на кінцях кабелю, хвильовий опір якого істотно відрізняється від стандартного, мережа, швидше за все, працювати не буде або буде працювати зі збоями.

Тут же варто згадати про те, що сигнали з пологими фронтами передаються по довгому електричному кабелю краще, ніж сигнали із крутими фронтами. Їхня форма значно менше спотворюється (мал. 5.2). Це пов'язане з різницею величин загасання для різних частот (високі частоти загасають сильніше). Найменше спотворюється форма синусоїдального сигналу, він просто зменшується по амплітуді. Для поліпшення якості передачі нерідко використовуються трапецієподібні або колоколоподібні імпульси (мал. 5.3), близькі за формою до напівхвилі синуса, для чого штучно затягаються або згладжуються фронти споконвічно прямокутних сигналів.

Рис. 5.2  Загасання сигналів в електричному кабелі

Рис. 5.3.  Трапецієподібний і колоколоподібний імпульси

Екранування електричних ліній зв'язку застосовується для зниження впливу на кабель зовнішніх електромагнітних полів. Екран являє собою мідну або алюмінієву оболонку (плетену або з фольги), у яку вкладаються дроти кабелю. Екранування буде працювати, якщо екран заземлений, оскільки необхідно, щоб наведені на нього струми стікали на землю. Крім того, екранування помітно зменшує й зовнішні випромінювання кабелю, що важливо для забезпечення таємності переданої інформації. Побічними корисними ефектами екранування є збільшення міцності кабелю й труднощі з механічним підключенням до кабелю для підслуховування. Екран помітно підвищує вартість кабелю, але також його механічну міцність.

Знизити вплив наведених перешкод можна й без екрана, якщо використовувати диференціальну передачу сигналу (мал. 5.4). У цьому випадку передача йде по двох дротах, причому обої дроти є сигнальними. Передавач формує протифазні сигнали, а приймач реагує на різницю сигналів в обох проводах. Умовою узгодження є рівність опорів погоджуючих резисторів R половині хвильового опору кабелю Rв. Якщо обидва дроти мають однакову довжину й прокладені поруч (в одному кабелі), то перешкоди діють на них приблизно однаково, і в результаті різницевий сигнал між проводами практично не спотворюється. Саме така диференціальна передача застосовується звичайно в кабелях із кручених пар. Але екранування й у цьому випадку істотно поліпшує завадостійкість.

Рис. 5.4.  Диференціальна передача сигналів по кручений парі

Гальванічна розв'язка комп'ютерів від мережі при використанні електричного кабелю зовсім необхідна. Справа в тому, що по електричних кабелях (як по сигнальним проводам, так і по екрані) можуть іти не тільки інформаційні сигнали, але й так званий струм, що вирівнює, виникаючий внаслідок неідеальності заземлення комп'ютерів.

Коли комп'ютер не заземлений, на його корпусі утвориться наведений потенціал близько 110 вольтів змінного струму (половина живлячої напруги). Його можна відчути на собі, якщо одною рукою узятися за корпус комп'ютера, а іншої за батарею центрального опалення або за який-небудь заземлений прилад.

При автономній роботі комп'ютера відсутність заземлення, як правило, не робить серйозного впливу на його роботу. Правда, іноді збільшується кількість збоїв у роботі машини. Але при з'єднанні декількох територіально рознесених комп'ютерів електричним кабелем заземлення тає більш серйозною проблемою. Якщо один з комп'ютерів, що з'єднуються, заземлений, а інший ні, то можливо вихід з ладу одного з них або обох. Тому комп'ютери вкрай бажано заземлювати.

У випадку використання трехконтактної вилки й розетки, у яких є нульове дріт, це виходить автоматично. При двухконтактної вилці й розетці необхідно вживати спеціальних заходів, організовувати заземлення окремим проведенням великого перетину. Варто також відзначити, що у випадку трифазної мережі бажано забезпечити живлення всіх комп'ютерів від однієї фази.

Але проблема ускладнюється ще й тим, що "земля", до якої приєднуються комп'ютери, звичайно далека від ідеалу. Теоретично заземлюючі проводи комп'ютерів повинні сходитися в одному місці, з'єднаному короткою масивною шиною із заритим у землю масивним провідником. Така ситуація можлива тільки якщо комп'ютери не занадто рознесені, і заземлення дійсно зроблене грамотно. Звичайно ж заземлювальна шина має значну довжину, у результаті чого стікаючі по ній струми створюють досить більшу різницю потенціалів між її окремими точками. Особливо велика ця різниця потенціалів у випадку підключення до шини потужних і високочастотних споживачів енергії.

Приєднані до однієї й тій же шині, але в різних точках, комп'ютери мають на своїх корпусах різні потенціали (мал. 5.5). У результаті по електричному кабелю, що з'єднує комп'ютери, потече вирівнюючий струм (змінний з високочастотними складовими).

Рис. 5.5   Вирівнюючий струм, при відсутності гальванічної розв'язки

Гірше, коли комп'ютери підключаються до різних шин заземлення. Вірівнюючий струм, може досягати в цьому випадку величини в декілька ампер. Подібні струми смертельно небезпечні для малосигнальних вузлів комп'ютера. Крім того струм, що вирівнює, істотно впливає на переданий сигнал, часом повністю забиваючи його. Навіть тоді, коли сигнали передаються без участі екрана (наприклад, по двох проводам, укладеним в екран) внаслідок індуктивної дії струм, що вирівнює, заважає передачі інформації. Саме тому екран завжди повинен бути заземлений тільки в одній точці.

Однак якщо кожний з комп'ютерів самостійно заземлений, то заземлення екрана в одній точці стає неможливим без гальванічної розв'язки комп'ютерів від мережі. У такий спосіб не повинне бути зв'язку по постійному струмі між корпусом ("землею") комп'ютера й екраном ("землею") мережного кабелю. У той же час, інформаційний сигнал повинен передаватися з комп'ютера в мережу й з мережі в комп'ютер. Для гальванічної розв'язки звичайно застосовують імпульсні трансформатори, які входять до складу мережного встаткування (наприклад, мережних адаптерів). Трансформатор пропускає високочастотні інформаційні сигнали, але забезпечує повну ізоляцію по постійному струмі.

Рис. 5.6  Правильне з'єднання комп'ютерів мережі (гальванічна розв'язка умовно показана у вигляді прямокутника)

Грамотне з'єднання комп'ютерів локальної мережі електричним кабелем обов'язково повинне містити в собі наступне (мал. 5.6):

1. кінцеве узгодження кабелю за допомогою термінаторів;
2. гальванічну розв'язку комп'ютерів від мережі;
3. заземлення кожного комп'ютера;
4. заземлення екрана (якщо, звичайно, він є) в одній точці.

Не варто зневажати якоюсь-небудь із цих вимог. Наприклад, гальванічна розв'язка мережних адаптерів часто розраховується на допустиме напруження ізоляції всього лише 100 В, що при відсутності заземлення одного з комп'ютерів може легко привести до виходу з ладу його адаптера.

Слід зазначити, що для приєднання коаксіального кабелю звичайно застосовуються рознімання в металевому корпусі. Цей корпус не повинен з'єднуватися ні з корпусом комп'ютера, ні з "землею" (на платі адаптера він установлений із пластиковою ізоляцією від кріпильної планки). Заземлення екрана кабелю мережі краще робити не через корпус комп'ютера, а окремим спеціальним проведенням, що забезпечує кращу надійність. Пластмасові корпуси рознімань RJ-45 для кабелів з неекранованими крученими парами знімають цю проблему.

Важливо також ураховувати, що екран кабелю, заземлений в одній точці, є радіоантеною із заземленою підставою. Він може вловлювати й підсилювати високочастотні перешкоди з довжиною хвилі, кратній його довжині. Для зниження цього "антенного ефекту" застосовується багатоточечне заземлення екрана по високій частоті. У кожному мережному адаптері "земля" мережного кабелю з'єднується з "землею" комп'ютера через високовольтні керамічні конденсатори. Для приклада на мал. 5.7 показана спрощена схема гальванічної розв'язки, застосовувана в мережних адаптерах Ethernet.

Рис. 5.7.  Схема гальванічної розв'язки в мережі Ethernet

Прийомо-передавач прямо пов'язаний з кабелем мережі, але гальванично розв'язаний за допомогою трансформаторів від комп'ютера й іншої частини мережного адаптера. Це продиктовано особливостями протоколу CSMA/CD і манчестерского коду, що застосовуються в Ethernet. Для забезпечення повної розв'язки живлення прийомо-передавача здійснюється за допомогою перетворювача живлячої напруги, що має усередині також трансформаторну гальванічну розв'язку. Обплетення коаксіального кабелю з'єднано із загальним дротом комп'ютера через високовольтний конденсатор. Паралельно конденсатору включений резистор з більшим опором (1 МОм), що запобігає електричному удару користувача при одночасному торканні їм оплетення кабелю (корпуса рознімання) і корпуса комп'ютера.

У випадку застосування кручених пар всі набагато простіше. Кожна кручена пара має імпульсні трансформатори, що розв'язують, на обох своїх кінцях. Жоден із проводів кручений пари не заземлюється (вони обоє сигнальні). До того ж рознімання для кручених пар мають пластмасовий корпус.