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.

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

Fargekode Tabell 5.1 Eksempel på fargekode (IEC). Par A-gren B-gren Hvit/ blå Blå/ hvit 11 Sort/ blå Blå/ sort 21 Fiolett/ blå Blå/ fiolett 2 Hvit/ oransje Oransje/ hvit 12 Sort/ oransje Oransje/sort 22 Fiolett/ oransje Oransje/ fiolett 3 Hvit/ grønn Grønn/ hvit 13 Sort/ grønn Grønn/ sort 23 Fiolett/ grønn Grønn/ fiolett 4 Hvit/ brun Brun/ hvit 14 Sort/ brun Brun/ sort 24 Fiolett/brun Brun/ fiolett 5 Hvit/ grå Grå/ hvit 15 Sort/ grå Grå/ sort 25 Fiolett/grå Grå/ fiolett 6 Rød/ blå Blå/ rød 16 Gul/ blå Blå/ gul 7 Rød/ oransje rød 17 Gul/ oransje Oransje/ gul 8 Rød/ grønn Grønn/ rød 18 Gul/ grønn Grønn/ gul 9 Rød/ brun Brun/ rød 19 Gul/ brun Brun/ gul 10 Rød/ grå Grå/ rød 20 Gul/ grå Grå/ gul Tabell 5.1 Eksempel på fargekode (IEC).

Dielektrikum (isolator) Koaksialkabler Senterleder Dielektrikum (isolator) Flettet skjerm Ytterkappe Figur 5.2 Koaksialkabel Typer koaksialkabel, egenskaper og anvendelse Type Karakteristisk impedans, ohm Anvendelse Beskrivelse RG-8 50 Datanett Tynn Ethernett-kabel (brukes lite i dag) RG-9 RG-58 Tykk Ethernett-kabel (utgått) RG-59 75 Kabel-TV og antennenett

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

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.

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)

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

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.

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

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.

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.

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

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).

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

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/

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

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

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.

Balansert transmisjon Driver Mottaker Kabelpar Signal Figur 5.7 Balansert transmisjon.

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

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

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

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.

Karakteristisk impedans Z0 =  R + j L G + j C = 2π er vinkelfrekvensen i radianer/sek (den imaginære enhet) j =  - 1 j brukes 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: Z0 =  L C

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

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: Z0 = u i

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

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

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

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

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

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. Z0 = den karakteristiske impedansen RL = den ohmske lasten S = Z0 RL 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.

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

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: Gdbm = 10 lg p 1 mW Gdbu = 20 lg u 0,775 V dBu Absolutt effektnivå [dBm] Absolutt spenningsnivå [dBu] dBm