A csavart érpár fizikája – avagy: hány méter egy bit?

A csavart érpár

csavart érpárA csavart [sodort, sodrott] érpárban 4 pár szigetelt rézvezeték halad páronként felcsavarva úgy, hogy páronként más-más a felcsavarás sűrűsége. A képen látható kábel pontos neve: árnyékolatlan csavart érpár (UnshieldedTwisted Pair – UTP)

A csavarás az árnyékolást szolgálja, ez csökkenti az interferencia jeltorzító hatását.

A probléma

A Wikipédia a következőképpen írja le, hogy a csavart érpár esetében a csavarás hogyan járul hozzá a zajok kiszűréséhez. A poszt ezt a kérdést fejti ki bővebben.

  • A külső zavaró jelek a két, egymáshoz közeli és azonos tulajdonságú dróton megegyező amplitúdóval és fázissal jelennek meg, így a két drót közötti feszültségben a külső jelek hatása nagymértékben kioltja egymást.
  • A csavarásnak köszönhetően a két drót hasonlóan erősen csatolódik a külső jelekhez, hiszen néha az egyik, néha a másik drót van közelebb a zavaró jel forrásához.
  • Emiatt kell a 4 érpárt más menetemelkedéssel csavarni, hogy ne legyenek minden menetben ugyanúgy összecsatolódva a különböző párok tagjai. Az érpárok áthallása így minimalizálható.
  • A pár két tagján ellentétes fázisú jelet továbbítva a két drót sugárzása erősen kioltja egymást, így nem fog antennaként viselkedni a kábel.

Az indukció

Ennek a megértéséhez csak annyit kell tudni, hogy a vezetőben folyó áram mágneses teret hoz létre maga körül, ugyanakkor az időben változó mágneses tér elektromos áramot képes kelteni egy másik vezetőben. Azaz ‘az időben változó elektromos mező mágneses mezőt, míg az időben változó mágneses mező elektromos mezőt indukál‘. Ez az indukció.

Tehát, ha egy vezetőben áram folyik, s arra a vezetőre külső elektromágneses tér hat, akkor az megváltoztatja a vezetékben folyó áram tulajdonságait, zaj lép fel, s ez módosíthatja a vezetékben futó jelet. Ez ellen védekezünk sordrással.

De hogyan és miért?

Ha két vezeték párhuzamosan fut, akkor az elektromágneses tér erősebben hat a forrásához közelebbi vezetékre, míg gyengébben a tőle távolabbi vezetékre, s nem ugyanúgy módosítja az egyes vezetékekben a feszültséget. Ugyanis ezen vezetékpárban lévő feszültségek különbsége lesz a vevő oldalán a jel, ami viszont így módosulhat. (Igy működnek pl. az antennák: felveszik és feszültséggé alakítják az adó által kisugárzott elektromágneses tér változását, így fogni tudják az adást. De most a cél ennek az ellenkezője, ti. hogy a vezetékpár ne fogjon semmilyen adást.) Source of the image: dr Ismat Aldmour.

csavart érpár - interferencia

A képen látható, hogy a közelebbi szálon ‘szakaszonként’ 1 mV feszültségemelkedés jön létre, ami összesen 6 mV lesz, míg a távolabbi dróton a 0.5 mV-os emelkedések összege 3 mV lesz. A vevő ezen feszültségek különbségét észleli, ami a küldött 0 mV helyett 6 mV – 3 mV = 3 mV lesz. Míg sodort érpár esetében a két drót darabkái felváltva lesznek a forráshoz közel, ill. távol, így mindkét kábel ugyanannyi feszültségnövekedést kap (1 mv + 0.5 mv + 1 mv + 0.5 mv + 1 mv + 0.5 mv = 4.5 mV), s mivel 4.5 mV – 4.5 mV = 0 mV, így a két zaj kioltja egymást.

Ebből az is következik, hogy minél sűrűbb az érpár sordása, annál jobban szűri ki a zajt. A vezetéket érő elektromágneses sugárzás ui. nem egyenletes, mint a fenti példában, hanem folyamatosan változik, így minél kisebb a ‘csavaródó szakaszok’ hossza, az elektromágneses tér annál kisebb változásaira lesz érzékeny a szűrés.

Az áthallás

A 4 db csavart érpár a párok különböző menetszámmal vannak csavarva, s ez előzi meg, hogy maguk között az érpárok között áthallás legyen, azaz az egyik érpár keltette elekromágneses mező ne indukáljon változást a másik érpárban futó áramban. Azaz az a cél, hogy az egymás mellett lévő kábelpárokban az ismétlődések ne ugyanabban a rendben fussanak. Továbbá – ha jól értelmezem – az egyes vezetékpárok esetén a ‘hány menetszám essen hány menetszámra‘ problémát a prímszámokkal oldják meg. Pl. ha két pár esetében 4 menet esik 6 menetre, akkor 12 menetenként ismétlődés lép fel. Míg 5 és 7 esetén az ismétlődés csak 35. Ugyanez a kérdés logikai tesztben.

Ha két buszjárat minden reggel 5 órakor indul, de az egyik 20 perces, a másik pedig 30 perces sűrűséggel, akkor milyen időközönként indulnak el ugyanabban az időpontban a buszok?

Mondjuk, prímszámok esetén is lesz ismétlődés, ami mindig a két szám legkisebb közös többszöröse, de ilyenkor lesz az ismétlődő szakaszok hossza a legnagyobb, ui. két prím esetén a legkisebb közös többszörös a két szám szorzata, míg összetett számok esetében (nem relatív prímek) ez lehet kisebb is.

Történeti kitekintés

Bell - csavart érpárA telekommunikációs adatátvitelre szolgáló csavart érpárt Alexander Graham Bell fedezte fel 1876-ban. A párhuzamosan futó kábelpárokban ui. áthallás jöhet létre az interferencia miatt, így az egyik vonal használói hallják a másik vonalon folyó beszélgetést. Bell viszont észrevette, hogy az érpár sodrásával kiküszöbölhető az interferencia, s növelhető a jeltovábbítási távolság is. (Nyilván: minél evesebb zaj éri a jelet, annál nagyobb távolságra lehet szállítani anélkül, hogy a fellépő zajok hatására értelmezhetetlenné váljon.) Source: weebly.com.

wire transpositionBell felfedezésének azonban megvoltak a történeti előzményei. A mérnökök ugyanis már korábban észrevették, hogy ha a póznákon egymás mellett futó vezetékpár szálai néhány kilométerenként keresztezik egymást, akkor azzal jelentősen ki tudják küszöbölni az interferencia zavaró hatását. Ennek a mértékegyesége lett a 4 csavarás/km, ill. a 6 csavarás/méter. Ez volt a wire transposition. Természetesen figyelembe kell venni, hogy a távírójelek (hosszú – rövid) rendkívül egyszerűek, így jobban tűrik a zajt, mint a telefonvonalon a beszéd közvetítése, ezért is van az, hogy amíg a távíróvonalon elég 4 csavarás kilométerenként, addig a csavart érpár esetében a mértékegység a TPI – Twist per Inch – inch (1 hüvelyk = 25.4 mm). Kép forrása: Wikipedia.

Az árnyékolás további módjai

Erről egy jó ismertető itt: antennak.hu.

  • Árnyékolatlan sodrott érpár (Unshielded Twisted Pair, UTP) – eddig erről volt szó
  •  Fóliázott sodrott érpár (Folied Twisted Pair, FTP): a sodrott érpárakat kívülrõl egy árnyékoló fémfólia burokkal is körbevesszük.
  • Árnyékolt, fóliázott sodrott érpár (Shielded Folied Twisted Pair, SFTP): a fémfólia köré még egy fémharisnya is kerül, és a kábel behúzását segítő merevítőszál.
  • Érpáranként árnyékolt sodrott érpár (Pair Insulated Metal Folied, PIMF vagy S-STP): érpáranként fóliázás, majd közös fémfólia és fémharisnya árnyékolás, plusz a behúzást segítő merevítőszál.

Hej, cica!

A csavart érpáros vezetékek osztályozásában a cat a category rövidítése. Az alábbi táblázat mutatja az egyes kategóriába tartozó kábelek jellemzőit.

Az adatátviteli sebesség azt jelenti, hogy a kábelen 1 másodperc alatt hány bit haladhat át, s a mértékegysége bit/secundum, azaz pbs.

CategoryMax. Data RateBandwidthMax. DistanceUsage
Cat-11 Mbps0.4 MHz Telephone and modem lines
Cat-24 Mbps4 MHz LocalTalk & Telephone
Cat-310 Mbps16 MHz100 m (328 ft.)10BaseT Ethernet
Cat-416 Mbps20 MHz100 m (328 ft.)Token Ring
Cat-5100 Mbps100 MHz100 m (328 ft.)100BaseT Ethernet
Cat-5e1 Gbps100 MHz100 m (328 ft.)100BaseT Ethernet, residential homes
Cat-61 Gbps250 MHz100 m (328 ft.)
10Gb at 37 m (121 ft.)
Gigabit Ethernet, commercial buildings
Cat-6a10 Gbps500 MHz100 m (328 ft.)Gigabit Ethernet in data centers and commercial buildings
Cat-710 Gbps600 MHz100 m (328 ft.)10 Gbps Core Infrastructure
Cat-7a10 Gbps1000 MHz100 m (328 ft.)
40Gb at 50 m (164 ft.)
10 Gbps Core Infrastructure
Cat-825 Gbps (Cat8.1)
40 Gbps (Cat8.2)
2000 MHz30 m (98 ft.)25 Gbps/40 Gbps Core Infrastructure

cat-5Arról, hogy a csavart érpárok esetében hány csavarás is jut egységnyi hosszra – arról nem találtam túl sok adatot. A Wikipédia említi a cat-5 kábelről, hogy a csavarások száma nincs meghatározva a szabványban, s egy konkrét mérésnél a táblázatban lévő csavarás-számokat számolták meg a kábelen belül található négy érpáron. Azaz annál a cat-5 kábelnál a csavarások száma méterenként 52-56-65-72 volt.

Hány centi egy bit?

Ez azért érdekes, mert megnézhetjük, hogy ‘hány bit jut’ egy csavarásra. A cat-5 kábel esetében az áteresztőképesség 100 Mbps, azaz 100x1024x1024 bit. A jel terjedési sebessége a rézkábelben nem a fénysebesség, hanem annál kisebb – nagyjából 210 000 000 m/s (amit a velocity factor mutat meg), azaz 1 mp alatt a fenti bitmennyiség 210 000 000 méteren terül el. Ez azt jelenti, hogy egy bit 210 000 000 / 100x1024x1024 méter ‘hosszú’, ami kerekítve 2 méter.

Ezzel szemben a Baudot féle távírón az írási sebesség három betű volt másodpercenként, s mivel egy betűt öt bit kódolt, így 15 bit/sec volt az átvitel sebessége. Ugyanígy kiszámolva a 210 000 000 / 15 értéket, azaz 14 millió métert kapunk.

Az első telexhálózatot a világon a német Reichspost hozta létre 1933-ban, amely 50 bit/sec sebességű vonalat használt az üzenetek továbbítására, s a szabvány a továbbiakban is ezt a sebességet szabta meg a telex vonalak számára (Magyarországon 2003-ig létezett a nyilvános telex hálózat). Ugyanígy kiszámolva – a telex is 5 bites karaktereket használt – a 4 200 000 értéket kapjuk.

A 8p8c (rj-45) nevű csatlakozó elnevezésének sajátosságai

rj-45A csavart érpárhoz a szabványoknak megfelelően a képen látható csatlakozó dugó tartozik, aminek két elnevezése is van: 8p8c, ill. rj-45. Most ezeket az elnevezéseket járjuk körül.

Az rj-45 a ‘registered jack‘ név rövidítése – azaz: ‘regisztrált csatlakozó’. Ebből egyből a Jack név jut eszünkbe, ami nem is alaptalan. A Jack név az angolban a latin Jacobus [Jákob] névből származik, s köznevesülve azt jelenti, hogy ‘egy egyszerű fickó‘, s ennek a szónak egy változata a jackass [buta fickó ~ s.ggfej is] . A Jack név így egy idő után olyan jelentést vett fel, mint ma nálunk a ‘Gipsz Jakab‘ név (figyelem: ott is a Jakab név szerepel!). A ‘jack‘ szó mellékjelentése az volt, hogy ‘a normál méretűnél kisebb‘ (hiszen a köznevesülő ‘Jack‘ névvel eredetileg a fiatalabb vagy alacsonyabb társadalmi osztályú férfiakat illették), így akár ez alapján is felvehette a ‘kis méretű csatlakozó‘ jelentést, de erre nem találtam adatot.

A 8p8c annak a rövidítése, hogy ‘8-Position-8-Contact‘, ugyanis a csatlakozón 1mm távolságra egymástól 8 bemélyedő ‘hely‘ van, s mindegyik bemélyedésben egy-egy érintkező van – azaz összesen 8 érintkező. (Hiszen a csavart érpár – leginkább – 8 vezetékből áll.) Az elnevezés kettőssége a következőből fakad:

  • Az rj45-öt ma leginkább Ethernet hálózatoknál használjuk, de eredetileg a telefonhálózatokra fejlesztették ki (ahogyan pl. az unicode karakterkódolás is a telex kódolásból fejlődött ki).
  • Amikor elterjedtek a számítógépes hálózatok, akkor egy új, de nagyon hasonló csatlakozót fejlesztettek ki. Ez volt a 8p8c.
  • Emiatt a 8 pólusú 8p8c csatlakozók megnevezésére nagyon gyakran – és tévesen – a hasonló rj-45 csatlakozó elnevezését használják.
  • különbségAz új (8p8c) és a régi (rj-45) csatlakozók közti különbség az alábbi képen látható (forrás): a régebbi csatlakozón van egy kiugró bütyök, s emiatt az új csattlakozók tatlakoztatóak a régi aljzatokhoz, de a régiek nem csatlakoztathatóak az újhoz.
  • Rövidebben: a régin levő kiugró bütyök miatt a régi nem csatlakoztatható az új – szűkebb – aljzatba.
  • Ezért, amit az iparág nagy része RJ45 csatlakozónak nevez, valójában 8P8C moduláris csatlakozók.Manapság szinte minden 8P8C csatlakozót használó elektronikus berendezés megjeleníti az RJ45 csatlakozók dokumentációját, ami technikailag helytelen.
  • Ez a téves terminológia elterjedt az egész iparágban [cikk dátuma: 2017], és bár nem valószínű, hogy hamarosan megváltozik, valójában nincs sok ok az aggodalomra; szinte mindenki közösen követi el ugyanazt a hibát, és azok, akik jobban ismerik, gyakrabban használják az RJ45 -öt, hogy elkerüljék a zavart vagy vitát.” (Forrás – érdemes beleolvasni.)
  • Mindenesetre a magyar nyelvű Wikipédia is felhívja erre a figyelmet az UTP szócikkében: “A kábel végein 8P8C (gyakran hibásan RJ-45-nek nevezett) csatlakozók találhatók, amellyel a hálózati interfészekhez csatlakozik.” A hiba említése 2010-ben jelenik meg a szócikkben, maga a szócikk 2004-ben jött létre.