Согласование, экранирование и гальваническая развязка линий связи
Как уже отмечалось, электрические линии связи (витые пары, коаксиальные кабели) требуют проведения специальных мер, без которых невозможна не только безошибочная передача данных, но и вообще любое функционирование сети. Оптоволоконные кабели решают все подобные проблемы автоматически.
Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без отражений и искажений. Следует отметить, что в локальных сетях кабель работает в режиме длинной линии даже при минимальных расстояниях между компьютерами, так как скорости передачи информации и частотный спектр сигнала очень велики.
Принцип согласования кабеля прост: на его концах необходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) с сопротивлением, равным волновому сопротивлению используемого кабеля.
Как уже упоминалось, волновое сопротивление – это параметр данного типа кабеля, зависящий только от его устройства (сечения, количества и формы проводников, толщины и материала изоляции и т.д.). Величина волнового сопротивления обязательно указывается в сопроводительной документации на кабель и составляет обычно от 50—100 Ом для коаксиального кабеля, до 100—150 Ом для витой пары или плоского многопроводного кабеля. Точное значение волнового сопротивления легко можно измерить с помощью генератора прямоугольных импульсов и осциллографа как раз по отсутствию искажения формы передаваемого по кабелю импульса. Обычно требуется, чтобы отклонение величины согласующего резистора не превышало 10% в ту или другую сторону.
Если согласующее, нагрузочное сопротивление Rн меньше волнового сопротивления кабеля Rв, то фронт передаваемого прямоугольного импульса на приемном конце будет затянут, если же Rн больше Rв, то на фронте будет колебательный процесс (рис.3.1).
Рис. 3.1. Передача сигналов по электрическому кабелю
Сетевые адаптеры, их приемники и передатчики специально рассчитываются на работу с данным типом кабеля с известным волновым сопротивлением. Поэтому даже при идеально согласованном на концах кабеле, волновое сопротивление которого существенно отличается от стандартного, сеть, скорее всего, работать не будет или будет работать со сбоями.
Здесь же стоит упомянуть о том, что сигналы с пологими фронтами передаются по длинному электрическому кабелю лучше, чем сигналы с крутыми фронтами. Их форма значительно меньше искажается (рис. 3.2). Это связано с разницей величин затухания для разных частот (высокие частоты затухают сильнее). Меньше всего искажается форма синусоидального сигнала, он просто уменьшается по амплитуде. Для улучшения качества передачи нередко используются трапециевидные или колоколообразные импульсы (рис. 3.3), близкие по форме к полуволне синуса, для чего искусственно затягиваются или сглаживаются фронты изначально прямоугольных сигналов.
Рис. 3.2. Затухание сигналов в электрическом кабеле
Рис. 3.3. Трапециевидный и колоколообразный импульсы
Экранирование электрических линий связи применяется для снижения влияния на кабель внешних электромагнитных полей. Экран представляет собой медную или алюминиевую оболочку (плетеную или из фольги), в которую заключаются провода кабеля. Экранирование будет работать, если экран заземлен, поскольку необходимо, чтобы наведенные на него токи стекали на землю. Кроме того, экранирование заметно уменьшает и внешние излучения кабеля, что важно для обеспечения секретности передаваемой информации. Побочными полезными эффектами экранирования являются увеличение прочности кабеля и трудности с механическим подключением к кабелю для подслушивания. Экран заметно повышает не только стоимость кабеля, но также и его механическую прочность.
Снизить влияние наведенных помех можно и без экрана, если использовать дифференциальную передачу сигнала (рис. 3.4). В этом случае передача идет по двум проводам, причем оба провода являются сигнальными. Передатчик формирует противофазные сигналы, а приемник реагирует на разность сигналов в обоих проводах. Условием согласования является равенство сопротивлений согласующих резисторов R половине волнового сопротивления кабеля Rв. Если оба провода имеют одинаковую длину и проложены рядом (в одном кабеле), то помехи действуют на оба провода примерно одинаково, и в результате разностный сигнал между проводами практически не искажается. Именно такая дифференциальная передача применяется обычно в кабелях из витых пар. Но экранирование и в этом случае существенно улучшает помехоустойчивость.
Рис. 3.4. Дифференциальная передача сигналов по витой паре
Гальваническая развязка компьютеров от сети при использовании электрического кабеля совершенно необходима. Дело в том, что по электрическим кабелям (как по сигнальным проводам, так и по экрану) могут идти не только информационные сигналы, но и так называемый выравнивающий ток, возникающий вследствие не идеальности заземления компьютеров.
Когда компьютер не заземлен, на его корпусе образуется наведенный потенциал около 110 вольт переменного тока (половина питающего напряжения).
При автономной работе компьютера отсутствие заземления, как правило, не оказывает серьезного влияния на его работу. Правда, иногда увеличивается количество сбоев в работе машины. Но при соединении нескольких территориально разнесенных компьютеров электрическим кабелем заземление становится серьезной проблемой. Если один из соединяемых компьютеров заземлен, а другой нет, то возможен выход из строя одного из них или обоих. Поэтому компьютеры крайне желательно заземлять.
В случае использования трехконтактной вилки и розетки, в которых есть нулевой провод, это получается автоматически. При двухконтактной вилке и розетке необходимо принимать специальные меры, организовывать заземление отдельным проводом большого сечения. Стоит также отметить, что в случае трехфазной сети желательно обеспечить питание всех компьютеров от одной фазы.
Но проблема осложняется еще и тем, что "земля", к которой присоединяются компьютеры, обычно далека от идеала. Теоретически заземляющие провода компьютеров должны сходиться в одной точке, соединенной короткой массивной шиной с зарытым в землю массивным проводником. Такая ситуация возможна только если компьютеры не слишком разнесены, и заземление действительно сделано грамотно. Обычно же заземляющая шина имеет значительную длину, в результате чего стекающие по ней токи создают довольно большую разность потенциалов между ее отдельными точками. Особенно велика эта разность потенциалов в случае подключения к шине мощных и высокочастотных потребителей энергии.
Присоединенные к одной и той же шине, но в разных точках, компьютеры имеют на своих корпусах разные потенциалы (рис. 3.5). В результате по электрическому кабелю, соединяющему компьютеры, потечет выравнивающий ток (переменный с высокочастотными составляющими).
Рис. 3.5. Выравнивающий ток при отсутствии гальванической развязки
Хуже, когда компьютеры подключаются к разным шинам заземления. Выравнивающий ток может достигать в этом случае величины в несколько ампер. Подобные токи смертельно опасны для малосигнальных узлов компьютера. Кроме того выравнивающий ток существенно влияет на передаваемый сигнал, порой полностью забивая его. Даже тогда, когда сигналы передаются без участия экрана (например, по двум проводам, заключенным в экран) вследствие индуктивного действия выравнивающий ток мешает передаче информации. Именно поэтому экран всегда должен быть заземлен только в одной точке.
Однако если каждый из компьютеров самостоятельно заземлен, то заземление экрана в одной точке становится невозможным без гальванической развязки компьютеров от сети. Таким образом не должно быть связи по постоянному току между корпусом ("землей") компьютера и экраном ("землей") сетевого кабеля. В то же время, информационный сигнал должен передаваться из компьютера в сеть и из сети в компьютер. Для гальванической развязки обычно применяют импульсные трансформаторы, которые входят в состав сетевого оборудования (например, сетевых адаптеров). Трансформатор пропускает высокочастотные информационные сигналы, но обеспечивает полную изоляцию по постоянному току.
Рис. 3.6. Правильное соединение компьютеров сети (гальваническая развязка условно показана в виде прямоугольника)
Грамотное соединение компьютеров локальной сети электрическим кабелем обязательно должно включать в себя следующее (рис. 3.6):
- оконечное согласование кабеля с помощью терминаторов;
- гальваническую развязку компьютеров от сети;
- заземление каждого компьютера;
- заземление экрана (если, конечно, он есть) в одной точке.
Не стоит пренебрегать каким-либо из этих требований. Например, гальваническая развязка сетевых адаптеров часто рассчитывается на допустимое напряжение изоляции всего лишь 100 В, что при отсутствии заземления одного из компьютеров может легко привести к выходу из строя его адаптера.
Следует отметить, что для присоединения коаксиального кабеля обычно применяются разъемы в металлическом корпусе. Этот корпус не должен соединяться ни с корпусом компьютера, ни с "землей" (на плате адаптера он установлен с пластиковой изоляцией от крепежной планки). Заземление экрана кабеля сети лучше производить не через корпус компьютера, а отдельным специальным проводом, что обеспечивает лучшую надежность. Пластмассовые корпуса разъемов RJ-45 для кабелей с неэкранированными витыми парами снимают эту проблему.
Важно также учитывать, что экран кабеля, заземленный в одной точке, является радиоантенной с заземленным основанием. Он может улавливать и усиливать высокочастотные помехи с длиной волны, кратной его длине. Для снижения этого "антенного эффекта" применяется многоточечное заземление экрана по высокой частоте. В каждом сетевом адаптере "земля" сетевого кабеля соединяется с "землей" компьютера через высоковольтные керамические конденсаторы. Для примера на рис. 3.7 показана упрощенная схема гальванической развязки, применяемая в сетевых адаптерах Ethernet.
Рис. 3.7. Схема гальванической развязки в сети Ethernet
Приемопередатчик напрямую связан с кабелем сети, но гальванически развязан с помощью трансформаторов от компьютера и остальной части сетевого адаптера. Это продиктовано особенностями протокола CSMA/CD и манчестерского кода, применяемых в Ethernet. Для обеспечения полной развязки питание приемопередатчика осуществляется посредством преобразователя питающего напряжения, имеющего внутри также трансформаторную гальваническую развязку. Оплетка коаксиального кабеля соединена с общим проводом компьютера через высоковольтный конденсатор. Параллельно конденсатору включен резистор с большим сопротивлением (1 МОм), который предотвращает электрический удар пользователя при одновременном касании им оплетки кабеля (корпуса разъема) и корпуса компьютера.
В случае применения витых пар все гораздо проще. Каждая витая пара имеет развязывающие импульсные трансформаторы на обоих своих концах. Ни один из проводов витой пары не заземляется (они оба сигнальные). К тому же разъемы для витых пар имеют пластмассовый корпус.