5 Signalkabler

1. 5 Signalkabler Parkabler Produseres og leveres i uskjermet og skjermet utførelse: UTP - uskjermet revolvert parkabel (Unshielded Twisted Pair) STP - skjermet revolvert parkabel (Shielded Twisted Pair) STP (TP-kabel med flettet skjerm) FTP (TP-kabel med folieskjerm) F-STP (TP-kabel med folieskjerm og flettet skjerm) Skjermede kabler har generelt større støyimmunitet enn uskjermede. Skjermen jordes i hver ende av kabelen.

2. Jordingslisse Folie- skjerm Flettet skjerm Isolerte kobberledere Plastkappe Figur 5.1 Skjermet parkabel av type S-FTP. Parkabel

3. Fargekode Tabell 5.1 Eksempel på fargekode (IEC).

4. Dielektrikum (isolator) Ytterkappe Senterleder Flettet skjerm Figur 5.2 Koaksialkabel Koaksialkabler Typer koaksialkabel, egenskaper og anvendelse

5. L R C G Figur 5.3 Ekvivalentskjema for elektrisk transmisjonslinje. Ekvivalentskjema

6. Elektromagnetisk støy • Ekstern støy • atmosfærisk støy som elektrostatiske utladninger i form av lyn og torden • støy forårsaket av industri, maskiner, releer osv • Intern støy • skyldes komponenter, strømmer og spenninger i det utstyret som skal overføre informasjon. • Signal/støyforholdet eller S/N-forholdet (Signal/Noise) oppgis i desibel (dB). • Jo bedre, det vil si større, S/N-forhold, desto bedre kvalitet på overføringen.

7. Forvrengning • Lineær forvrengning • skyldes ohmsk resistans • opptrer som en ren dempning av signalet • den ohmske resistansen øker med økende frekvens (skin-effekt), noe som gjør at signaler med forskjellige frekvenser dempes ulikt • Faseforvrengning. • tidsforsinkelse fra sending til mottaking • Ulineær forvrengning • skyldes induktans og kapasitans i kabelen (reaktans)

8. 1 XC = 2πf C 2πfL XL = Forvrengning Kabelens reaktans er frekvensavhengig, som vi kan se ut fra formlene for kapasitiv og induktiv reaktans: Et digitalt inngangssignal er sammensatt av en rekke sinusformede signalkomponenter av ulik frekvens og amplitude (se kap. 4figur 4.10 og 4.11). Signalkomponentene påvirkes ulikt som følge av forskjellig frekvens og kabelens reaktans.

9. Dempning (eng. attenuation) • Kabeldempning oppgis i dB/100 meter eller dB/km ved ulike frekvenser. • Skin effect: Ved økende frekvens presses elektronene ut i lederens ytterlag, og den elektriske motstanden øker i takt med signalets frekvens. Skin effekten gjør at elektronene ikke utnytter hele ledertverrsnittet.

10. dB 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 1 10 100 1000 f (MHz) Figur 5.4 Dempning som funksjon av frekvens i en kabel av type kategori 5. Dempning

11. Sløyferesistans (DC Loop-resistans) • Resistansen målt mellom lederne i den ene enden av kabelen med kortslutning i den andre enden. • Størrelsen på sløyferesistansen er avhengig av kabelens lengde, ledernes tverrsnitt og temperatur. • Oppgis i datablad per 100 meter eller per km og ved en bestemt temperatur, vanligvis 20 C. • For et kabelpar av kobber med lederdiameter på 0,5 mm vil sløyfemotstanden være ca. 175 ohm/km ved 20 C.

12. Krysstale (eng. crosstalk) • Skyldes elektromagnetiske felter fra omkringliggende ledere i en kabel. • Problemet reduseres ved å benytte balansert transmisjon. • To typer: • Nær-ende krysstale (NEXT = Near End cross Talk) • Fjern-ende krysstale (FEXT = Far End cross Talk) • NEXT måles ved å koble en signalgenerator på et par i én ende av kabelen og måle krysstale på et annet par i den samme enden. • FEXT måles ved å kople en signalgenerator på et par i den ene enden av kabelen og måle krysstale på et annet par i den motsatt enden.

13. ~ uA1 uA2 par A uB1 uB2 par B Måling av NEXT Måling av FEXT Figur 5.5 Måleoppstilling for registrering av krysstale. Måling av krysstale NEXTAB = 20 lg uA1 / uB1dB  FEXTAB = 20 lg uA1 / uB2dB 

14. Krysstale, egenskaper • NEXT og FEXT oppgis i datablad i dB. • Jo høyere dB-verdier, desto bedre kvalitet har kabelen med hensyn til krysstale. • Krysstaleegenskapene blir dårligere ettersom frekvensen øker. • Krysstaleegenskapene blir dårligere hvis strukturen i kabelen ødelegges (knekker, vridning, ytre skader).

15. Krysstale og frekvens NEXT dB 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 f (MHz) 1 10 100 1000 Figur 5.6 NEXT-egenskaper som funksjon av frekvens i en kabel av type kategori 5.

16. ACR, Attenuation to Crosstalk Ratio • Nær-ende krysstaledempning. • Defineres som differansen mellom kabelens NEXT og kabelens dempning. Ved å klikke på denne linken finner du data for bl.a. dempning, sløyferesistans, krysstale, ACR og karakteristisk impedans: DATABLAD http://www.draka.no/

17. Andre tap i transmisjonslinjer • Varmeutvikling i ledere • Dielektrisk varmeutvikling • Elektromagnetisk stråling (strålingstap)

18. Balansert og ubalansert transmisjon Ved transmisjon i kabler kan vi dele disse inn i to hovedgrupper: • Balanserte kabler (symmetriske) • Ubalanserte kabler (asymmetriske)

19. Balanserte kabler • To parallelle eller tvinnede ledere der de to lederne har like elektriske egenskaper. • Lederne er av samme type, har samme impedans per lengdeenhet og samme impedans mot jord og mot andre elektriske forbindelser. • Både signalkilde og avslutning på mottakerside må være balansert. • Balansert signalkilde vil si at det sendes like store signaler, men med motsatt polaritet (balanserte signaler) i hver av de to lederne. • Krysstale reduseres til et minimum fordi det elektromagnetiske feltet som oppstår i hver av de to lederne vil utligne hverandre. • Støy og elektromagnetisk interferens fra omgivelsene påvirker begge lederne like mye, og støysignalene som oppstår i de to lederne vil utligne hverandre.

20. Driver Mottaker Signal Kabelpar Figur 5.7 Balansert transmisjon. Balansert transmisjon

21. R/4 R/4 L/4 L/4 G C R/4 R/4 L/4 L/4  l Figur 5.8 Ekvivalentskjema foren bit av et balansert kabelpar. Kabel som firpol, balansert

22. L/2 L/2 R/2 R/2 Figur 5.9 Ekvivalentskjema for ubalansert kabel. G C  l Kabel som firpol, ubalansert

23. Ubalansert Ubalansert Balansert kabel Balun Balun Figur 5.10 Bruk av balun for overgang mellom balansert og ubalansert transmisjon. Fra ubalansert til balansert transmisjon

24. Karakteristisk impedans • En transmisjonslinjes karakteristiske impedans er impedansen i en teoretisk «uendelig lang linje». • Det vil si en linje som er så lang at impedansen som måles på inngangen er uavhengig av hvordan linjen er avsluttet i andre enden.

25.  R + j L Z0 = G + j C  L Z0 = C j =  - 1 Karakteristisk impedans • = 2π er vinkelfrekvensen i radianer/sek (den imaginære enhet) jbrukes for å markere at det er 90° faseforskjell mellom resistansen R og reaktansen  L, og likeledes mellom admittansen G og reaktansen  C. Karakteristisk impedans ved høyere frekvenser:

26. Z0 600 Ω 100 Ω 1 kHz 1 MHz frekvens Figur 5.11 Karakteristisk impedans som funksjon av frekvens i en parkabel. Karakteristisk impedans som funksjon av frekvens

27. u Z0= i Karakteristisk impedans • For høyere frekvenser vil den karakteristiske impedansen være tilnærmet konstant og uavhengig av frekvensen. • Karakteristisk impedans kan også uttrykkes som forholdet mellom påtrykt signalspenning og resulterende signalstrøm:

28. signalgenerator AC ampermeter kabel ~ AC voltmeter Figur 5.12 Måleoppstilling for måling av karakteristisk impedans. Måling av karakteristisk impedans

29. Karakteristisk impedans og mistilpasning Dersom det er ulikhet (mistilpasning) mellom kabelens karakteristiske impedans og impedansen i utstyret i hver ende av kabelen, vil vi få refleksjon i endepunktene som igjen resulterer i tapt signalstyrke. Z0 Z1 ZL = Z0→ tilpasning og ingen refleksjon ZL≠ Z0→ mistilpasning og refleksjon

30. Kortsluttet linje Z = 0 I Sendt og returnert strømbølge distanse /2 /4 /2 U Sendt og returnert spennings-bølge distanse Refleksjon, kortsluttet avslutning Figur 5.13 a) Refleksjon ved kortsluttet avslutning.

31. Refleksjon, åpen avslutning Åpen linje Z = ∞ I Sendt og returnert strømbølge distanse /2 /4 /2 U Sendt og returnert spennings-bølge distanse Figur 5.13 b) Refleksjon ved åpen avslutning.

32. ZL  Z0 UR p = = UF ZL + Z0 Z0 = linjens karakteristiske impedans ZL= lastens impedans p = 0 ingen refleksjon p = 1 totalrefleksjon Refleksjon Refleksjonsfaktor

33. Z0 Z0= den karakteristiske impedansen RL= den ohmske lasten S = RL Standbølgeforhold, SWR (Standing-Wave Ratio) • Forholdet mellom maksimum strøm og minimum strøm langs en transmisjonslinje. • Er et resultat av misforhold mellom impedansen i lasten og linjen. Jo mer standbølgeforholdet er forskjellig fra 1, desto større vil misforholdet mellom linje og last være, og desto større vil også problemene med refleksjon og standbølger være.

34. p2 GP = 10 lg dB p1 p1 p2 p3 Kabel dB Gi = 20 lg Ved strømberegning: i1 Figur 5.14 Dempningsberegning. Dempningsberegning Når vi beregner dempning regner vi som regel i desibel: Ved effektberegning: u2 dB Gu = 20 lg Ved spenningsberegning: u1 i2 For å kompensere for dempning må vi gjerne inn med en forsterker.

35. Absolutt effektnivå [dBm] p dBm Gdbm = 10 lg 1 mW Absolutt spenningsnivå [dBu] u Gdbu = 20 lg dBu 0,775 V Absolutt nivå, dBm og dBu I stedet for å operere med effekter og spenninger i forhold til hverandre, er det ofte hensiktsmessig å bruke effekt og spenning relatert til definerte nivåer: