Узгодження, екранування і гальванічна розв’язка ліній зв’язку

Як уже зазначалося, електричні лінії зв'язку (кручені пари, коаксіальні кабелі) вимагають проведення спеціальних заходів, без яких неможлива не тільки безпомилкова передача даних, але і взагалі будь-який функціонування мережі. Оптоволоконні кабелі вирішують всі подібні проблеми автоматично.

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

Принцип узгодження кабелю простий: на його кінцях необхідно встановити погоджують резистори (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 і форми провідників, товщини і матеріалу ізоляції і т.д.). Величина хвильового опору обов'язково вказується в супровідній документації на кабель і становить зазвичай від 50-100 Ом для коаксіального кабелю, до 100-150 Ом для кручений пари або плоского многопроводним 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 узгоджувального резистора не перевищувало 10% в ту або іншу сторону.

Якщо згода, навантажувальний опір R н менше хвильового опору кабелю Rв. то фронт переданого прямокутного імпульсу на приймальному кінці буде затягнутий, якщо ж Rн більше Rв. то на фронті буде коливальний процес (рис.3.1).

Мал. 3.1. Передача сигналів по електричному кабелю

Мережеві адаптери, їхні приймачі і 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 з крутими фронтами. Їх форма значно менше спотворюється (рис. 3.2). Це пов'язано 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 дзвоновидні імпульси (рис. 3.3), близькі за формою до полуволне синуса, для чого штучно затягуються або згладжуються фронти споконвічно прямокутних сигналів.

Мал. 3.2. Загасання сигналів в електричному кабелі

Мал. 3.3. Трапецієвидний і колоколообразний 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), в яку полягають дроти кабелю. Екранування буде працювати, якщо екран заземлений, оскільки необхідно, щоб наведені на нього струми стікали на землю. Крім того, екранування помітно зменшує і зовнішні випромінювання кабелю, що важливо для забезпечення таємності переданої інформації. Побічними корисними ефектами екранування є збільшення міцності кабелю і труднощі з механічним підключенням до кабелю для підслуховування. Екран помітно підвищує вартість кабелю, але також його механічну міцність.

Знизити вплив наведених перешкод можна і без екрану, якщо використовувати диференціальну передачу сигналу (рис. 3.4). У цьому випадку передача йде по двох проводах, причому обидва дроти є сигнальними. Передавач формує протифазні сигнали, а приймач реагує на різницю сигналів в обох проводах. Умовою узгодження є рівність опорів узгоджувальних резисторів R половині хвильового опору кабелю Rв. Якщо обидва дроти мають однакову довжину і прокладені поруч (в одному кабелі), то перешкоди діють на обидва дроти приблизно однаково, і в результаті різницевий сигнал між проводами практично не спотворюється. Саме така диференціальна передача застосовується звичайно в кабелях з кручених пар. Але екранування і в цьому випадку істотно покращує стійкість.

Мал. 3.4. Диференціальна передача сигналів по кручений парі

Гальванічна розв'язка комп'ютерів від мережі при використанні електричного кабелю зовсім необхідна. Справа в тому, що по електричним кабелям (як по сигнальним проводам, так і по екрану) можуть йти не тільки інформаційні сигнали, але і так званий вирівнюючий струм, що виникає внаслідок неідеальності заземлення комп'ютерів.

Коли комп'ютер не заземлений, на його корпусі утворюється наведений потенціал близько 110 вольт змінного струму (половина напруги живлення). Його можна відчути на собі, якщо однією рукою взятися за корпус комп'ютера, а інший 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 в роботі машини. Але при з'єднанні декількох територіально рознесених комп'ютерів електричним кабелем заземлення стає серйозною проблемою. Якщо один з з'єднуються комп'ютерів заземлений, а інший ні, то можливий вихід з ладу одного з них або обох. Тому комп'ютери вкрай бажано заземлювати.

У разі використання триконтактною вилки і розетки, в яких є нульовий провід, це виходить автоматично. При двоконтактний вилці і розетці необхідно вживати спеціальних заходів, організовувати заземлення окремим проводом великого перерізу. Варто також відзначити, що в разі трифазної мережі бажано забезпечити харчування всіх комп'ютерів від однієї фази.

Але проблема ускладнюється ще й тим, що "земля", до якої приєднуються комп'ютери, зазвичай далека від ідеалу. Теоретично заземлюючі проводи комп'ютерів повинні сходитися в одній точці, з'єднаної короткою масивною шиною з зариті в землю масивним провідником. Така ситуація можлива тільки якщо комп'ютери не занадто рознесені, і заземлення дійсно зроблено грамотно. Зазвичай же заземлювальна шина має значну довжину, в результаті чого стікають по ній струми створюють досить велику різницю потенціалів між її окремими точками. Особливо велика ця різниця потенціалів в разі підключення до шини потужних і високочастотних споживачів енергії.

Приєднані до однієї і тієї ж шині, але в різних точках, комп'ютери мають на своїх корпусах різні потенціали (рис. 3.5). В результаті по електричному кабелю, що з'єднує комп'ютери, потече вирівнюючий струм (змінний з високочастотними складовими).

Мал. 3.5. Вирівнюючий струм при відсутності гальванічної розв'язки

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

Однак якщо кожен з комп'ютерів самостійно заземлений, то заземлення екрана в одній точці стає неможливим без гальванічної розв'язки комп'ютерів від мережі. Таким чином не повинно бути зв'язку по постійному струмі між корпусом ( "землею") комп'ютера і екраном ( "землею") мережевого кабелю. У той же час, інформаційний сигнал повинен передаватися з комп'ютера в мережу і з мережі в комп'ютер. Для гальванічної розв'язки зазвичай застосовують імпульсні трансформатори, які входять до складу мережного обладнання (наприклад, мережевих адаптерів). Трансформатор пропускає високочастотні інформаційні сигнали, але забезпечує повну ізоляцію по постійному струму.

Мал. 3.6. 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 включати в себе наступне (рис. 3.6):

кінцеве узгодження кабелю за допомогою термінаторів;

гальванічну розв'язку комп'ютерів від мережі;

заземлення кожного комп'ютера;

заземлення екрана (якщо, звичайно, він є) в одній точці.

Не варто нехтувати будь-яким з цих вимог. Наприклад, гальванічна розв'язка мережевих 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 роз'єми в металевому корпусі. Цей корпус не повинен з'єднуватися ні з корпусом комп'ютера, ні з "землею" (на платі адаптера він встановлений із пластиковою ізоляцією від кріпильної планки). Заземлення екрана кабелю мережі краще проводити не через корпус комп'ютера, а окремим спеціальним проводом, що забезпечує кращу надійність. Пластмасові корпуси роз'ємів RJ-45 для кабелів з неекранованими крученими парами знімають цю проблему.

Важливо також враховувати, що екран кабелю, заземлений в одній точці, є радіоантени з заземленим підставою. Він може вловлювати і посилювати високочастотні перешкоди з довжиною хвилі, кратній його довжині. Для зниження цього "антенного ефекту" застосовується багатоточкове заземлення екрана по високій частоті. У кожному мережевому адаптері "земля" мережевого кабелю з'єднується з "землею" комп'ютера через високовольтні керамічні конденсатори. Для прикладу на рис. 3.7 показана спрощена схема гальванічної розв'язки, що застосовується в мережевих адаптерах Ethernet.

Мал. 3.7. Схема гальванічної розв'язки в мережі Ethernet

Приймач безпосередньо пов'язаний з кабелем мережі, але гальванічно розв'язаний за допомогою трансформаторів від комп'ютера і решти мережевого адаптера. Це продиктовано особливостями протоколу CSMA / CD і манчестерського коду, що застосовуються в Ethernet. Для забезпечення повної розв'язки харчування приймача здійснюється за допомогою перетворювача напруги живлення, що має всередині також трансформаторну гальванічну розв'язку. Обшивка коаксіальногокабелю з'єднана із загальним проводом комп'ютера через високовольтний конденсатор. Паралельно конденсатору включений резистор з більшим опором (1 МОм), який запобігає електричний удар користувача при одночасному торканні їм обплетення кабелю (корпусу роз'єму) і корпусу комп'ютера.

У разі застосування кручених пар все набагато простіше. Кожна кручена пара має розв'язують імпульсні трансформатори на обох своїх кінцях. Жоден з проводів кручений пари не заземлюють (вони обидва сигнальні). До того ж роз'єми для кручених пар мають пластмасовий корпус.