Что такое кабель витая пара и для чего он нужен?

Витая пара используется в компьютерных сетях, СКС, при подключении абонентского интернет-оборудования, роутеров, ТВ-приставок, модемов, маршрутизаторов. В материале подробно рассказываем про данный тип кабеля – историю, описание принципа работы, характеристики, сильные и слабые стороны.

Что такое витая пара

Простыми словами, витая пара – это коммутационный кабель, сформированный одной или несколькими парами скрученных между собой металлических проводников. Каждый проводник и кабель в целом находится в изолированной оболочке из полимерного диэлектрика.

Смысл скручивания жил – повышение защиты от внешних электромагнитных полей и радионаводок, уменьшение перекрестных помех. Частота витков определяется электротехническими параметрами, подбирается под определенную частоту сигнала, скорость, дальность его распространения.

Немного из истории - когда и зачем была изобретена витая пара

Изобретатель витой пары – американский ученый Александр Белл. Соответствующий патент оформлен им еще в 1881 году. Необходимость нового коммутационного кабеля была продиктована распространением телеграфных, телефонных, магистральных силовых линий.

Сети прокладывались параллельно, на общих опорах. Высоковольтные кабели формировали вокруг себя мощное ЭМ-поле, негативно сказывающееся на сигнале. Сокращалась дальность связи, наблюдались потери данных. Скручивание оказалось простым, но эффективным решением этой проблемы. Электромагнитная волна влияет на оба проводника с противоположной полярностью, возникающие помехи нивелируют друг друга.

Нужно отметить и вклад инженера Томаса Дулиттла. В 1877 он разработал методику изготовления тончайшей медной проволоки растяжением заготовки без потери прочности. Именно чистая медь лучше всего подходит для витой пары. Минимальное электрическое сопротивление увеличивает дистанцию распространения сигнала, а выраженная стойкость к окислению – продлевает срок службы.

Принцип работы - как передается сигнал по кабелю

Сигнал по металлическим проводникам передается в виде электрических импульсов с определенными параметрами. Первое подключенное устройство отправляет запрос, второе – отвечает на него.

Чтобы передать данные, компьютер дробит их на биты, переводит в двоичный код. На этом этапе информация – это набор электрических импульсов, характеризующихся определенной частотой и напряжением. Передача всегда предполагает отправку двух сигналов: вольтаж первого положителен, второго – отрицателен. Сложение показателей дает нулевой результат. Сетевая карта принимающего устройства анализирует импульсы, оценивает их напряжение, продолжительность, проводит расшифровку и точно определяет присланный код.

Примеров работы масса. Двоичный код “0 1” может выглядеть как импульс, длящийся 3 миллисекунды с напряжением плюс и минус 6 вольт, “0 0” – 2 миллисекунды, плюс и минус 3 вольта. В мире IT-технологий алгоритм известен как “манчестерский код”, принадлежит к 1-му (физическому) уровню OSI.

Для чего нужен кабель - области применения витой пары

Ethernet-кабель универсален, подходит для локальных, магистральных комплексов передачи данных. В первую очередь, витая пара используется в следующих системах:

1. Локальные сети (домашние, коммерческие, административные). Витая пара гарантирует стабильный обмен данными между ПК и удаленными устройствами, принтерами, сканерами.
2. Видеонаблюдение. Кабель совместим с аналоговыми и цифровыми камерами, в том числе – высокой четкости, стандартов Full HD и 4K. При использовании технологии PoE не нужно монтировать дополнительные линии питания, что упрощает подключение.
3. СКУД. Подключение считывателей магнитных карт, дистанционно управляемых турникетов, электронных замков, устройств, ограничивающих и блокирующих доступ на контролируемый объект.
4. Охранные, пожарные. По Ethernet передаются сигналы с датчиков дыма, независимо от класса, отправляются команды на активацию модулей светового, звукового оповещения.
5. Производственная автоматизация. Пропускной способности с запасом хватает для сбора информации с удаленных датчиков, счетчиков, подачи команд на запуск, остановку, смену рабочего режима оборудования.
6. “Умный дом”. Принцип тот же, что в предыдущем случае. Сигнал, переданный по медному проводнику, запускает или останавливает кондиционер, активирует систему пожаротушения при обнаружении дыма, открытого пламени. Поэтому кабель часто применяется в электрике.
7. СКС (структурированные кабельные системы). Это могут быть и небольшие сети на 10-20 устройств, и масштабные – на сотни, охватывающие несколько уровней, этажей здания.

Кабели типа витая пара востребованы при подключении абонентского оборудования, беспроводных роутеров, модемов, IP-телевизоров. Пропускной способности категории 6a и более высоких достаточно даже для 10-гигабитных тарифных планов.

Конструкция витой пары

Основа кабеля – проводники: медные (CU), алюминиевые или омедненные (CCA). Они отвечают за передачу электрического импульса. Медь – оптимум, обеспечивающий стабильную связь на дальних дистанциях. Алюминий дешевле, но высокое электрическое сопротивление ограничивает дальность, провоцирует потери, а склонность к коррозии сокращает срок службы.

Омедненный проводник – комбинация алюминиевой основы и внешнего медного слоя. Для нетребовательных линий она подойдет, но уступит чистой меди. Технология PoE (из-за разницы в сопротивлениях) не поддерживается, передача мощности невозможна.

Помимо токопроводящих жил, витая пара состоит из следующих элементов:

• Изоляция проводников. Средняя толщина – 0.2 миллиметра. Стандартный материал – поливинилхлорид, лучший – вспененный полиэтилен. Он минимизирует диэлектрические потери, защищает металл от окисления, сохраняет гибкость, не разрушается при низкотемпературных нагрузках.
• Капроновая нить (рипкорд). Упрощает разделку, снятие общей изоляции, установку коннекторов 8P8C. При вытягивании нить разрывает оболочку без повреждения внутренних элементов.
• Внешняя оболочка. Средняя толщина – 0.5 миллиметра. Для внутренней прокладки подойдет ПВХ-изоляция, для уличной – полиэтиленовая. Безгалогенный полимер LSZH ориентирован на объекты с жесткими противопожарными требованиями. Он не поддерживает горение, при воздействии пламени – не выделяет едкого густого дыма, токсичных веществ.

Допустима модификация конструкции. Для протяжки “по воздуху” используются кабели со стальным тросом, исключающим провисания, растяжения, разрывы при порывах ветра и налипании снега. В землю укладываются провода с “бронированием” (оплеткой из стальной ленты).

Возможная модификация – экранирование, например, ламинированной алюминиевой фольгой или медная обмоткой. Задача экрана (независимо от типа) – защита сигнала от искажений при внешних наводках. Экранированные витые пары FTP можно монтировать вблизи силовых линий, приемников, передатчиков. Корректная работа незащищенных UTP кабелей в таких случаях невозможна.

Характеристики и классификация

Подробное изучение параметров витой пары – тема для отдельной масштабной статьи. В рамках этой – сосредоточимся на наиболее значимых. Пример – пропускная способность, которая определяется категорией кабеля. Самые популярные из них:

1. Cat.5e. До гигабита в секунду при задействованных 4-х парах, до сотни мегабит – при двух.
2. Cat.6. 10 гигабит в секунду на 55 метрах.
3. Cat.6a. Те же 10 Гбит, но уже на сотне метров.
4. Cat.8. Пропускная способность увеличена до 40 Гбит/с. Такая витая пара нужна для наиболее ответственных приложений и систем: серверных, центров обработки данных, удаленных файловых хранилищ, где приходится взаимодействовать с огромными информационными массивами.

Тип проводника

Важен не только металл, но и структура. Цельная (solid) жила тяжела, имеет ограниченную гибкость, но отличается минимальным сопротивлением. Рекомендуется ее применение на протяженных прямых участках.

Многожильные (stranded) проводники сформированы множеством тонких металлических волокон. Они гибче, легче, проще в прокладке, но характеризуются повышенным сопротивлением, сокращающим дистанцию передачи.

Экранирование

1. UTP (без защиты). Внутренняя прокладка вдали от источников ЭМ-излучения.
2. FTP (фольгированный экран). Проводник защищен от легких внешних наводок. Такие кабели ориентированы на офисы.
3. S/FTP. Помимо общего экрана, в фольгу обернута и каждая пара проводников. Искажения сигнала минимизированы даже в прямой близости от устройств, силовых линий, генерирующих мощные помехи. Назначение – производственные цеха, энергетические предприятия.

Строжайший стандарт экранирования – SFTP. Кабели дороги, тяжелы, не отличаются гибкостью, но справляются с наиболее жесткими эксплуатационными условиями.

Плюсы и минусы

Достоинства

Преимущества кабеля витая пара:

• Невысокая цена. Она ниже, в сравнении с коаксиальными аналогами и оптоволокном. Экономия достигается как при покупке, так и при монтаже, обслуживании.
• Простота установки. Разделка, обжим – манипуляции не требуют высокой квалификации специалиста и дорогого инструмента.
• Разнообразие. Кабели представлены массой вариантов: от обычных UTP для внутренней прокладки до бронированных экранированных S/FTP, выдерживающие максимально жесткие нагрузки. Вариативны и электротехнические параметры, пропускная способность.
• Универсальность. Достигнута совместимость со всеми протоколами: от классического 10BASE-T до высокоскоростного 40GBASE-T, востребованного в современных приложениях.
• Скорость. Она уступает оптике, но достаточна до 90% сценариев применения. Даже 10 гигабит в секунду с запасом перекрывают большинство бытовых и коммерческих потребностей.
• Прочность. Провод выдержит нагрузки на разрыв, растяжение, скручивание.

Недостатки витой пары

Существенный минус – ограниченная дальность передачи. В лучшем случае, длина сегмента составляет 100 метров. Это значит, что превышение данного расстояния сопряжено с резким снижением скорости. Явление связано с затуханием сигнала из-за сопротивления металла. Компенсировать его можно усилителями и ретрансляторами, усложняющими и удорожающими формирование сети.

Актуальны и другие минусы:

• Требовательность к качеству монтажа. Процесс прост, но требует аккуратности и внимания. Недопустимы ошибки при обжиме, превышение допустимых радиусов изгиба. Они сильно сказываются на дальности и стабильности связи.
• Уязвимость перед электромагнитными воздействиями. Актуально для неэкранированных UTP-версий. Прокладка STP и FTP возможна даже в прямой близости от источников помех, но они существенно дороже.
• Вес и ограниченная гибкость. Характерны для экранированных и бронированных версий. Затрудняют монтаж.

Частые вопросы

1. Какой срок службы у витой пары: в помещении и на улице?

Срок определяется качеством, соответствием условиям эксплуатации. В помещении, при отсутствии нагрузок, даже простой кабель в ПВХ-оболочке прослужит 20-25 лет. Для улицы он не подойдет. Для наружного монтажа требуется аналог в полиэтиленовой изоляции (ПЭ). Такой кабель выдерживает влагу и термические нагрузки, обеспечит 20-летнюю работу.

2. Чем витая пара отличается от оптического кабеля?

В принципе передачи сигнала. В первом случае сигнал – электрический импульс, во втором – световая волна. Оптоволокно превосходит медь по дальности, скорости связи. Передача возможна на тысячи километров, скорость – десятки и сотни гигабит в секунду.

Медные кабели выигрывают по цене, простоте монтажа, подключению и обслуживанию. Оптика лучше подходит для магистральных, высокоскоростных линий, витая пара – для локальных, не слишком требовательных к пропускной способности.

3. Можно ли использовать витую пару для передачи электричества?

Да, при поддержке технологии Power-over-Ethernet (PoE). Она позволяет запитывать удаленные устройства, IP-камеры, датчики, приборы учета.

4. Какова максимальная скорость интернета по медному кабелю?

40 гигабит в секунду. Скорость характерна для 8-й категории, достижима на 30-метровом расстоянии.

5. Что означают цвета в витой паре?

Цветовая маркировка жил упрощает установку разъемов, позволяет корректно расположить их для четкого прохождения сигнала. Оттенки внешней оболочки не регламентированы, но провода для внутреннего монтажа чаще обозначают серым цветом, уличного – черным. Негорючую изоляцию из LSZH окрашивают в оранжевый, желтый.

Заключение

Назначение проводов витой пары – передача электрического сигнала, в котором зашифрована информация. Несмотря на развитие оптики, кабель остается наиболее сбалансированным решением по цене и характеристикам, подходящим для бытовых и коммерческих приложений. Достоинства сполна перекрывают недостатки провода. Главное – выбрать кабель, соответствующий поставленным задачам, особенностям и условиям применения