Take what you can, spread more

Twisted pair – какво им е усукано и защо?

Малко предговор – от известно време обмислям да започна серия от постове, покриващи конспекта за теста за Националната олимпиада по информационни технологии. Причината, поради която мисля, че това е смислено, се състои от 2 части. Първо, надявам се, това ще бъде от полза на всички участници в олимпиадата. Второ, конспектът покрива огромна част от ИТ – от процесор, памет, шини, през програми, среди за разработка, софтуерни системи, бази данни, протоколи, уеб, мрежи, дори до концепции като софтуерни инженерство, работа в екип, принципи на презентиране чрез средствата на ИТ и така нататък. Все теми, важни за някой желаещ да бъде софтуерен инженер, хардуерен специалист или просто човек, който иска да разбира как работи света ни днес. За съжаление за някой от тези теми няма удобни ресурси, дори на английски – общо взето е нужно доста ровене, за да стане ясно какво е това, защо го има, защо работи. Ще се опитам да дам отговор на тези въпроси в този пост и следващите в серията. Хайде вече по същество.

Twisted pair кабели

Twisted pairs 25 pair color codeНа български често се наричат кабели с усукани двойки и са  едно от средствата за пренос на данни по електрически път.   Тоест в тези кабели има проводници, които осигуряват преминаване на електрически импулси от единия край на кабела до другия, свързвайки предавател и приемник. Проводниците в тези кабели са групирани по двойки (оттам pair – чифт). В допълнение на това, проводниците във всяка двойка са усукани един около друг (оттам twisted – усукани, преплетени) – всички сте виждали домати усукани около колци, сега си представете, че и колците са усукани около доматите – е доматът + колът усукани един около друг = усукан чифт или twisted pair. По-лесно щеше да е с плитки на косата на момиче, нали… ?

Twisted pair кабелите се използват на много места, като може би най-известна е употребата им в 10BASE-T, 100BASE-TX и т.н.  кабели, или както са по-известни – LAN кабели – това, което позволява на LAN картата ви да се свърже към някаква мрежа, както и в много високоскоростни компютърни шини и интерфейси. Тях ще обсъдим в някоя по-късна публикация. Засега е достатъчно да кажем, че twisted pair кабелите са значителна част от комуникацията, съществуват от над 100 години и е важно да разбираме защо ги има и как работят.

Проблеми при предаването на сигнали с 1 проводник

Както сами се досещате, най-лесният начин за предаване на сигнал е с 1 проводник, по който да се движи този сигнал. В идеални условия този метод работи.

Обикновено условията не са идеални. По трасето на предаване на сигнала често има различни смущения – най-често от други проводници или източници на електричество. Тези смущения ще наричаме интерференция или шум. Съответно един от основните проблеми в комуникациите е отстраняването на този шум.

coaxial cableКоаксиалните кабели например са точно кабели с 1 проводник. За да бъде защитен от външно влияние, този проводник е обгърнат от няколко слоя защити – които правят самия кабел дебел и по-малко гъвкав (едно по-сериозно сгъване може да го направи безполезен). Така и предаването на паралелни сигнали се усложнява, защото всеки проводник трябва да има свои защити, за да не се влияе от другите. Всичко това изисква намиране на други решения за предаване на сигнали.

Differential signaling или “защо двойки?”

Differential signaling е метод на предаване на сигнали, при който сигналът се разделя на две равни по големина части, които се предават по два паралелни проводника, като двете части, макар еднакви по големина, са противоположни (можем да си представим волтажи с противоположни знаци).

Нека всеки сигнал да е пулс с  волтаж S (от signal). Тогава по единия проводник ще имаме сигнал с волтаж S/2, а по другия ще имаме сигнал с волтаж S/2.

Разделянето на сигнала на тези 2 части е задача на предавателя, проводниците сами по себе си само осигуряват преминаването му. Приемникът също прави обработка на двата сигнала, за да получи оригиналния сигнал. Това става като от сигнала по първия проводник се “извади” сигналът по втория проводник. Така, по горните означения, ще получим S/2 – (-S/2) = S/2 + S/2 = S, тоест волтажът на оригиналния сигнал.

Differential signaling

Как differential signaling спомага за намаляване на смущенията?

Обикновено един източник на интерференция ще повлияе приблизително еднакво и на двата паралелни проводника (освен ако не е много близък до единия проводник). Тоест, ще създаде (индуцира) еднакъв по големина и “знак” пулс и в двата проводника.

Нека източникът на интерференция индуцира шум, който е пулс с волтаж N (от noise). Както казахме, този пулс най-вероятно ще се появи еднакво в двата паралелни проводника, т.е. всеки от тях ще получи пулс N.

Когато пулсът “достигне” приемника, приемникът ще приложи горепосочената формула, за да получи оригиналния сигнал (какъвто в този пример няма, т.е. нула). Предвид еднаквостта на пулсовете, образували се в двата проводника, формулата по-горе ще придобие вида N – N = 0, съответно шумовият пулс няма да бъде приет от приемника. Това ще работи дори и шумът да се “насложи” върху оригиналния сигнал: (S/2+N) – (-S/2+N) = S/2 + N + S/2 -N = S/2 + S/2 = S.

Справяне с близки източници на интерференция – усукване на двойката проводници

Ако ползваме просто двойка проводници, разчитаме, че интерференцията ще бъде приблизително еднаква и при двата проводника. Това обикновено е вярно, освен в случаите, в които имаме източник, който е много близко до само единия проводник. В такива случаи единият проводник ще получи по-голям “пулс” шум от другия, при което шумът няма да се нулира при приемника, а ще остане част от него (толкова голяма, колкото е разликата в индуцираните пулсове в единия и другия проводник). Изобщо, достатъчно е шумът да повлияе повече на единия проводник, за да има отново проблеми с шума.

Реално погледнато проблемът е, че двата проводника биха били различно отдалечени от потенциален източник на шум. Малко по-формално, всички “части” на единия проводник ще са близки, а всички “части” на другия проводник ще са отдалечени от източника.

Решението е измислено от Александър Бел и е сравнително просто – проводниците се усукват един около друг така, че за дължината на едно усукване двата проводника да са средно на еднакво разстояние от потенциални източници на шум. С две думи, чрез усукването вече и двата проводника ще имат близки и отдалечени от източника “части” и ще получат приблизително по-равно количество шум, който ще се нулира при приемника. Така постигаме същия резултат, както ако източникът е еднакво отдалечен и от двата проводника.

Последни думи за twisted pair

Обобщено, twisted pair кабелите комбинират двойки проводници, по които се предава паралелно сигналът разделен на 2 равни по големина и противоположни части, като благодарение на прости операции може да се възстанови оригиналният сигнал, а шумовете се нулурат от същите операции, тъй като индуцират смущения, които са равни по големина, без да са противоположни. Усукването на двойката проводници се прави, за да се подсигури еднаквата големина на индуцираните смущения в двата проводника, което от своя страна ще доведе до взаимното им нулиране.

Тази публикация има за цел да обясни основите на принципите на работа на усуканите двойки и в никакъв случай не изчерпва всичките им технически характеристики и физични аспекти. Не са споменавани и различните видове такива кабели – UTP, STP, FTP. Запознаването с детайлите по темата остава в ръцете на читателя, като за тази цел по-долу могат да бъдат намерени ресурсите ползвани за тази публикация, както и материали за допълнително четене.

Ресурси и допълнително четене

5 Responses to “Twisted pair – какво им е усукано и защо?”

  • Zax says:

    Евала, брато. Чудил съм се не веднъж защо са така, но така и не съм се ровил за информация. И сега попаднах случайно на нея. Браво. Благодаря :).

  • Miroslav says:

    Супер любопитно. Липсва ти Like или g+ бутонче, иначе веднага получаваше +1, от мен ;].

  • Radoslav says:

    Евалата брат :)

  • Ralitsa says:

    От доста време имаше нужда от такива статии по конспекта. Много просто и лесно е обяснено, браво! Ще чета с интерес и следващите статии.

  • Radoslav Ivanov says:

    Чудесна статия, браво, след няколко дни имам изпит на Линукс и ще ми е полезна :)

Leave a Reply to Zax Cancel reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>