"Витая пара" (twisted pair) - это кабель на медной основе, объединяющий в оболочке одну или более пар проводников. Каждая пара представляет собой два перевитых вокруг друг друга изолированных медных провода. Кабели данного типа зачастую сильно отличаются по качеству и возможностям передачи информации. Соответствия характеристик кабелей определенному классу или категории определяют общепризнанные стандарты (ISO 11801 и TIA-568). Сами характеристики напрямую зависят от структуры кабеля и применяемых в нем материалов, которые и определяют физические процессы, проходящие в кабеле при передачи сигнала.

Сбалансированность пары

Impedance

Скорость/задержка распространения сигнала

Attenuation

NEXT

Power Sum Crosstalk

FEXT

ACR

ELFEXT

PS-ELFEXT

Return Loss

Согласно стандарту EIA/TIA 568, существуют пять категорий кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP):

• Кабель категории 1 — это обычный телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только речь, но не данные. Данный тип кабеля имеет большой разброс параметров (волнового сопротивления, полосы пропускания, перекрестных наводок).
• Кабель категории 2 - это кабель из витых пар для передачи данных в полосе частот до 1 МГц. Кабель не тестируется на уровень перекрестных наводок. В настоящее время он используется очень редко. Стандарт EIA/TIA 568 не различает кабели категорий 1 и 2.
• Кабель категории 3 — это кабель для передачи данных в полосе часто до 16 МГц, состоящий из витых пар с девятью витками проводов на метр длины. Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Это самый простой тип кабелей, рекомендованный стандартом для локальных сетей. Сейчас он имеет наибольшее распространение.
• Кабель категории 4 - это кабель, передающий данные в полосе частот до 20 МГц. Используется редко, так как не слишком заметно отличается от категории 3. Стандартом рекомендуется вместо кабеля категории 3 переходить сразу на кабель категории 5. Кабель категории 4 тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Кабель был разработан для работы в сетях по стандарту IEEE 802.5.
• Кабель категории 5 - самый совершенный кабель в настоящее время, рассчитанный на передачу данных в полосе частот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27 витков на метр длины (8 витков на фут). Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Рекомендуется применять его в современных высокоскоростных сетях типа Fast Ethernet и TPFDDI. Кабель категории 5 примерно на 30-50% дороже, чем кабель категории 3.
• Кабель категории 6 - перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 200 МГц.
• Кабель категории 7 - перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.

Согласно стандарту EIA/TIA 568, полное волновое сопротивление наиболее совершенных кабелей категорий 3, 4 и 5 должно составлять 100 Ом ± 15% в частотном диапазоне от частоты 1 МГц до максимальной частоты кабеля. Как видим, требования не очень жесткие: величина волнового сопротивления может находиться в диапазоне от 85 до 115 Ом. Здесь же отметим, что волновое сопротивление экранированной витой пары STP должно быть по стандарту равно 150 Ом ± 15%. Для согласования импедансов кабеля и оборудования в случае их несовпадения применяют согласующие трансформаторы (Balun). Встречается также экранированная витая пара с волновым сопротивлением 100 Ом, но довольно редко.

Второй важнейший параметр, задаваемый стандартом, - это максимальное затухание сигнала, передаваемого по кабелю, на разных частотах. В таблице 1 приведены предельные значения величины затухания для кабелей категорий 3, 4 и 5 для расстояния 1000 футов (305 метров) при нормальной температуре окружающей среды 20°С.

Табл.1. Максимальное затухание в кабелях

Из таблицы видно, что величины затухания на частотах, близких к предельным, для всех кабелей очень значительны, то есть даже на небольших расстояниях сигнал ослабляется в десятки и сотни раз, что предъявляет высокие требования к приемникам сигнала. 

Кабель чаще всего выпускается в двух видах оболочки:

• кабель в поливинилхлоридной (ПВХ, PVC) оболочке дешевле и предназначен для работы кабеля в сравнительно комфортных условиях эксплуатации;
• кабель в тефлоновой оболочке дороже и предназначен для более жестких условий эксплуатации.

Кабель в ПВХ-оболочке называется еще non-plenum, а кабель в тефлоновой оболочке - plenum. Термин plenum обозначает здесь не собрание руководства какой-то партии, а пространство под фальшполом и над подвесным потолком, где очень удобно размещать кабели сети. Для прокладки в этих скрытых от глаз пространствах как раз удобнее кабель в тефлоновой оболочке, который, в частности, горит гораздо хуже, чем ПВХ-кабель, и не выделяет при горении так много ядовитых газов.

Еще один важный параметр любого кабеля, который жестко не определяется стандартом, но может существенно повлиять на работоспособность сети, - это скорость распространения сигнала в кабеле, то есть задержка распространения сигнала в кабеле в расчете на единицу длины.

Производители кабелей иногда указывают величину задержки на метр длины, а иногда — скорость распространения сигнала относительно скорости света (или NVP - Nominal Velocity of Propagation, как ее часто называют в документации). Связаны эти две величины простой формулой:

t3=l/(3 • 1010 • NVP),

где t3 - величина задержки на метр длины кабеля в наносекундах. Например, если NVP=0,65 (65% от скорости света), то задержка t будет равна 5,13 нс/м. Типичная величина задержки большинства современных кабелей составляет около 5 нс/м.

Преимущества передачи видео по витой паре
Передача видео по витой паре от источника (например, видеокамеры) к приемному устройству (монитору или видеорегистратору) осуществляется с помощью комплекта устройств, состоящего из приемника и передатчика.Поступающее на вход видео передатчик преобразует из композитного сигнала в симметричный дифференциальный для последующей передачи его к приемнику, который, в свою очередь, осуществляет обратное преобразование сигнала, после чего видео выводится на монитор или поступает на видеорегистратор. Существуют приемники видео с двумя и более выходами, позволяющие осуществлять передачу видео к нескольким принимающим устройствам одновременно.  

Передача видео по витой паре позволяет значительно сократить расходы на прокладку кабеля, поскольку она значительно дешевле коаксиального кабеля. Это особенно выгодно там, где необходима передача видео на большие расстояния – если видеокамера находится на значительном удалении от принимающего устройства (для цветного видеосигнала это, как правило, 1000 м, а для черно-белого – 2000 м). Если осуществляется передача видео на расстояния, значительно превышающие 1 км, то на линии передачи устанавливают усилитель видео или промежуточный комплект оборудования для передачи видео по витой паре. 

Использование витой пары позволяет по одному многожильному кабелю осуществлять передачу видео от нескольких приемников, причем количество передаваемых сигналов ограничивается только количеством пар проводов в кабеле.  

Транслируемое по витой паре видео значительно меньше подвержено влиянию помех, чем при передаче по коаксиальному кабелю. Кроме того, помехи, возникающие в коаксиальном кабеле при передаче видеосигнала на большие расстояния, компенсировать практически невозможно без потери качества полезного видеосигнала, потому что частотные составляющие спектра наведенной помехи находятся в диапазоне частот видеосигнала. Поэтому для защиты от помех приходится использовать дорогостоящий коаксиальный кабель с двойной металлической оплеткой, прокладывать кабель с использованием металлического рукава и дополнительно заземлять его, что связано с техническими трудностями и финансовыми затратами.  

Принцип передачи сигнала по витой паре
Передатчик видео по витой паре преобразует поступающий на его вход однополярный несимметричный композитный видеосигнал в два симметричных противофазных сигнала, передача которых осуществляется по двухпроводной линии связи (витой паре). В процессе передачи видеосигнал ослабляется, и на него накладываются помехи, которые могут быть обусловлены близостью силовых кабелей или радиоизлучающих приборов. Помехи, возникающие в проводах витой пары, одинаковы для обоих проводов и синфазны. 

На другом конце линии связи устанавливается приемник, который осуществляет обратное преобразование дифференциального сигнала. Как правило, приемник видео по витой паре строится с применением дифференциального операционного усилителя, который складывает сигналы с двух проводов, усиливая противофазные составляющие (коэффициент усиления равен 50 – 70 дБ) и подавляя синфазные (коэффициент подавления 60 – 90 дБ). В результате на композитный вход принимающего устройства поступает стандартный композитный сигнал, очищенный от помех и усиленный.  

Приемники и передатчики видео по витой паре могут быть как активными, так и пассивными (не требующими подачи питания). Пассивные устройства передачи видео по витой паре содержат только согласующий трансформатор и не обеспечивают необходимого качества передачи видео и коэффициента подавления помех, а также характеризуются значительным затуханием передаваемого сигнала. Как правило, такие устройства обеспечивают передачу видео без потери качества на расстояние не более 500 – 600 м. При этом пассивные устройства компактны и недороги, что и является основным их достоинством, а использование пассивного передатчика в комплекте с активным приемником позволяет увеличить дальность передачи видео по витой паре до 1000 м.  

Дифференциальный усилитель активного передатчика с парафазным выходом должен иметь двухполярное симметричное питание, что обеспечивает симметрию его выходного сигнала относительно нулевой точки схемы передатчика. Это же требование должно соблюдаться и для дифференциального усилителя приемника. В противном случае будут возникать дополнительные искажения передаваемого сигнала из-за несимметричных токов утечки.  

Настройка аппаратуры передачи видео по витой паре
Как приемник, так и передатчик видео по витой паре имеют различные средства настройки на различную длину линии передачи. Сигнал на выходе каждого приемника должен находиться в пределах от 0,9 до 1,1 В, а разброс общего омического сопротивления проводов линии передачи видео на входе приемника должен составлять не более 2 – 3%. Исходя из этих параметров производится настройка аппаратуры для передачи видео по витой паре. Величина рассогласования регулируется потенциометрами, позволяющими произвести плавную настройку аппаратуры передачи видео. 

Как правило, передача видео по витой паре производится на расстояние от 50 до 1500 м. С помощью переключателя производится дискретное регулирование уровня коррекции, соответствующего диапазонам расстояний. При необходимости передачи видео на расстояния, меньшие 50 м, в каждый провод витой пары на входе приемника последовательно включают дополнительные сопротивления с тем, чтобы общее сопротивление линии составляло 30 – 50 Ом. Паразитная емкость линии компенсируется специальными перемычками в приемнике. 

Уровень компенсации паразитной емкости линии передачи видео подбирается индивидуально для каждой линии передачи по видеоизображению на контрольном мониторе. Так же, с помощью контрольного монитора или же осциллографа, приемник настраивается по амплитуде выходного сигнала. 

При использовании многоканального приемника видео для улучшения параметров принимаемого сигнала иногда целесообразно подключать мониторы к выходам приемника через последовательное сопротивление 51 – 82 Ом. 

Грозозащита – предохранение линии передачи видео от импульсных скачков напряжения
Кроме помех от радиоаппаратуры и силовых линий, иногда на линию передачи видео оказывают влияние и электромагнитные наводки, получаемые в результате разряда молнии. Такие наводки могут быть достаточно сильны, в результате чего оборудование для передачи видео по витой паре выйдет из строя. Во избежание порчи оборудования необходимо использовать на линиях передачи видео устройства грозозащиты. Приборы грозозащиты обеспечивают стекание электрических зарядов с центральной жилы и оплетки сигнального кабеля на шину заземления с помощью газонаполненных искровых разрядников или варисторов и специальных защитных стабилитронов или диодов. Иногда схема грозозащиты встраивается непосредственно в аппаратуру передачи видео по витой паре. 

Если при передаче видео по витой паре используются устройства грозозащиты, то на качество цепей заземления налагаются повышенные требования, поскольку возникающие в цепях заземления помехи могут проникать через собственные емкости разрядников и стабилитронов в сигнальные цепи и повлекут за собой возникновение помех на изображении. 

Требования к витой паре для передачи видео
Наилучшее качество передачи видео достигается при использовании специальной витой пары с количеством скруток от 10 до 20 на 1 м. При передаче видео на относительно небольшие расстояния допускается использовать телефонный кабель или витую пару для компьютерных сетей (100BaseT Ethernet).    

Для передачи видео по витой паре не рекомендуется использовать кабель, состоящий из нескольких соединенных в линию отрезков разнородных по своим параметрам витых пар, имеющих различный шаг скрутки, емкость и индуктивность.