Кабели для HDBaseT

Старая поговорка «цепь прочна настолько, насколько прочно ее самое слабое звено» хорошо применима к теме соединений в AV-системах. Сигналы HDBaseT можно пропустить по уже проложенным кабелям, но если речь идет о строительстве новой сети, то какой выбрать для наилучшей производительности? Какой надо иметь запас на будущий рост? В этой статье рассмотрим нюансы кабельной инфраструктуры для технологии HDBaseT — технологии, которая позволяет передавать по стандартному кабелю витая пара аудио- и видеоданные, сигналы управления, обеспечивать подключение к сети интернет, а также обеспечивать питание устройств с потребляемой мощностью до 100 Вт.

Существует два отдельных стандарта кабелей категории витой пары:

• Стандарты ANSI/TIA, определяющие Cat 5e, Cat 6, Cat 6A и Cat 8;
• ISO/IEC, который определяют Cat 7, а также Cat 8.1 и 8.2.

Давайте подробнее рассмотрим оба.

Стандарты ANSI/TIA

В 2001 году выпустили стандарт TIA/EIA 568-B. Это событие задало правила игры на долгие годы вперед. Определились стандарты улучшенной, ”enhanced” категории 5 (Cat 5e) с полосой пропускания до 100 МГц и Cat 6 при полосе до 250 МГц для гигабитных сетей Ethernet с возможным расстоянием передачи до 100 м. Эти стандарты были разработаны для использования с восьмипозиционным восьмиконтактным (8P8C) модульным разъемом, который всем известен как RJ45.

К 2009 году возросла потребность в 10-гигабитных сетях с расстояниями передачи до 100 м (10GbE). Это привело к появлению расширенной версии Cat 6. Стандарт ANSI/TIA-568-C.2 с кабелем Cat 6A и полосой до 500 МГц. Обратите внимание на прописную букву A (Augmented — дополненный), хотя «улучшенный» в Cat 5e — строчные буквы.

Cat 8 последовал в 2017 году вместе с выпуском стандарта TIA-568-2.D. Беспрецедентная полоса вплоть до 2 ГГц была нужна для сетей 25GbE и 40GbE, длина соединений значительно уменьшилась и стала 30-36 м, но все равно кабели оконцовывались вездесущими разъемами 8P8C/RJ45.

Стандарты ISO/IEC

Международная организация по стандартизации (ISO) и Международная электротехническая комиссия (IEC) сотрудничали в разработке собственных стандартов кабелей витой пары для предприятий и центров обработки данных. И этим стандартом стал ISO/IEC 11801 в 2002 году, определив кабель типа Cat 7.

Существенное отличие Cat 7 от кабелей с TIA заключалось в том, что Cat 7 был разработан для использования с разъемами Gigagate 45 (GG45) или TERA. Они оба обеспечивают лучший контакт и разделение на пары проводов по сравнению с 8P8C/RJ45, более высокую рабочую частоту при использовании с полностью экранированными кабелями. Интересно, что с разъемами RJ45 производительность Cat 7 обычно снижается и сравнима с кабелем TIA Cat 6A, который появился несколько лет спустя.

В 2010 году в ожидании сетей 40G Ethernet появилось обновление стандарта ISO/IEC 11801, определяющее Cat 7A. Этот стандарт поддерживает частоты до 1 ГГц при использовании совместно с разъемами GG45 или TERA. Однако в 2017 году, когда TIA определял Cat 8, и IEEE допускал его использование в сетях 40GbE, Cat 7A все еще не применялся в промышленности. В 2017 году два стандарта окончательно сблизились. Через несколько месяцев после выхода ANSI/TIA Cat 8 ИСО/IEC ратифицировали стандарт, хотя и с нюансами, которые способствовали унификации.

Были определены:

• Cat 8.1 для обратной совместимости с Cat 6A и использования с разъемами 8P8C/RJ45;
• Cat 8.2 для обратной совместимости с разъемами Cat 7/7A с разъемами GG45 или TERA.

Важно отметить, что Cat 7 и Cat 7A никогда не были признаны TIA. Обратите внимание, что любая ссылка на Cat 8 — это номенклатура TIA, тогда как Cat 8.1 и Cat 8.2 — это итерации ISO/IEC.

Оптимизация кабелей для передачи HDBaseT

В HDBaseT v1.0 и v2.0 каждая витая пара несет 4-битные модулированные «символы» со скоростью 500 миллионов символов в секунду. Согласно принципу Найквиста, несущая частота при этом будет равна половине частоты дискретизации — 250 МГц, и это согласуется с пропускной способностью кабеля Cat 6.

HDBaseT версии 3.0 удваивает скорость обмена до 1 миллиарда символов в секунду и полосу пропускания до 500 МГц, что точно совпадает со спецификацией TIA для Cat 6А.

HDBaseT версии 1.0 в 2010 году был совместим с Cat 5e, хотя полоса пропускания Cat 5e номинально составляла всего 100 МГц, что значительно ниже 250 МГц сигнала HDBaseT. Это было сделано по двум основным причинам.

Во-первых, основной сигнал в HDBaseT v1.0 и 2.0 асимметричен: поток 8 Гбит/с на прием и только 150 Мбит/с на отдачу. Спецификации TIA были основаны на симметричных сигналах, специально для сетей передачи данных, а ассиметричные потоки данных делают возможной передачу данных по более узким каналам.

Во-вторых, специально разработанная цифровая обработка сигналов HDBaseT обеспечивает превосходное восстановление импульсов, повышающее производительность кабелей с полосой до 250 МГц.

Кроме того, HDBaseT v2.0 имеет еще лучшую обработку сигнала и алгоритмы минимизации ошибок, что дает лучшую производительность по сравнению с HDBaseT v1.0. В результате Cat 5e может обеспечивать расстояния передачи до 100 м при разрешении HD и около 70 м при разрешении 4K UHD. Переход на кабель Cat 6 увеличивает расстояние до 90 м с HDBaseT v1.0 и до 100 м с v2.0 при 4K UHD. Все расстояния включают в себя патч-кабель длиной до 5 м с каждой стороны. HDBaseT v3.0 имеет пропускную способность вдвое выше, поэтому важно использовать кабель с полосой 500 МГц.

В итоге:

• Cat 5e является минимальным требованием для HDBaseT v1.0 и v2.0, хотя и с меньшими расстояниями по сравнению с Cat 6 или выше.
• Cat 6 рекомендуется для HDBaseT версий 1.0 и 2.0 для увеличения расстояния при передаче всех разрешений вплоть до 4K UHD при 60 Гц 4:2:0 или 30 Гц 4:4:4.
• Cat 6A U/FTP требуется для HDBaseT v3.0 для 4K UHD с частотой 60 Гц 4:4:4 до 100 м. Кабель категории 7 будет обеспечивать схожую производительность при использовании с разъемами RJ45, но не будет экономически выгоден.

Многие инсталляторы и поставщики продолжают настаивать на Cat 6 для сетей 1Gb Ethernet в новом строительстве, однако использование кабеля типа Cat 6A наиболее предпочтительно. Такой вывод можно сделать, если опираться на документы:

• ANSI/TIA-570-D Стандарт телекоммуникационной инфраструктуры для частного строительства (июль 2018 г.);
• ANSI/TIA-568.1-E Кабельные системы электросвязи в коммерческих зданиях (март 2020 г.).

В любом случае, сечение провода в инфраструктурном кабеле витой пары должно быть не менее 24AWG (опционально 23AWG).

Экранирование

Экранирование в кабеле нужно для защиты сигнала от окружающих электромагнитных помех, включая радиочастотные. Источник электромагнитных помех обычно — окружающая среда в виде электрического шума, но каждая витая пара тоже излучает электромагнитное поле при передаче сигнала. Возникает нежелательная передача сигналов в соседних парах проводов в одном кабеле, известная как перекрестная помеха. Это же явление может произойти и между соседними сигнальными кабелями, например, когда два или более кабелей туго связаны вместе.

Производители электроники научились избегать перекрестных помех в пределах одного кабеля, будь то пары с экранированием или без. Но для того, чтобы смягчить перекрестные помехи между соседними кабелями, требуется какая-то форма экранирования. Особенно это важно при прокладке кабелей пучком.

Рисунок 1. Пример структуры кабеля F/UTP со слоем фольги, обернутой вокруг 4 неэкранированных витых пар.

Рисунок 2. Пример геометрии кабеля U/FTP, каждая пара экранирована фольгой, но без общего экрана или оплетки.

Какой тип подходит для HDBaseT? Выбор спецификации кабеля частично зависит от используемой версии HDBaseT.

HDBaseT v1.0 и v2.0 обычно не требуют использования экранированного кабеля, если речь идет о прокладке в среде с низким уровнем помех. Линии одинаково хорошо работают с UTP- или FTP-кабелями сопоставимого качества. UTP более популярен как наиболее доступный и экономичный тип кабеля. Однако, при прокладке в пучке двух и более кабелей, особенно на протяжении первых 20 м от передатчика, когда сигналы самые сильные, использование F/UTP витой пары — самый простой способ смягчить помехи от соседних линий и избавиться от  влияния источников электромагнитных помех низкого и среднего уровня.

HDBaseT 2.0 также совместим с оптическим кабелем для сверхдлинных расстояний передачи порядка 400-800 м на многомодовым волокне или до нескольких километров на одномодовом.

HDBaseT v3.0, то есть Cat 6A U/FTP — рекомендуемый тип кабеля. Фиксированный шаг скрутки и экранирование каждой пары обеспечивает низкие перекрестные помехи как в начале линии, так и в конце. Это необходимо для передачи данных на максимальное расстояние.

Таким образом, любой проект выиграет от прокладки кабелей Cat 6A U/FTP или лучше, упрощая возможное обновление до HDBaseT v3.0 в сетях передачи несжатого 4K с частотой 60 Гц 4:4:4 или, возможно, даже видео 8K с алгоритмами сжатия потока. Какую бы конструкцию кабеля вы ни предпочли, оконцовка кабеля и его экрана к подходящим разъемам RJ45 очень важна для надежности канала HDBaseT.

Заделка экрана кабеля

HDBaseT поддерживает прямые, кроссоверные или полукроссоверные разделки RJ45, как определено в TIA-568B. Независимо от того, какая топология используется, всегда следует проявлять особое внимание обжиму коннекторов. В частности, это означает поддержание скрутки жил вплоть до самого разъема.

Может показаться логичным правило: если использовать экранированный кабель, он должен быть заземлен на обоих концах. Однако от этого правила можно отступить. Например, когда речь идет не о заземленных устройствах или устройствах внутри заземленного шкафа, а о тех, которые запитаны от изолированных блоков питания. Эти адаптеры и устройства без клеммы заземления чрезвычайно распространены. В системах, где один или оба конца используют подобные блоки питания, подключение экрана может привести к возникновению так называемых «земляных петель». Исключение — использование технологии Power-over-HDBaseT (PoH), которая поддерживает заземление между устройством источника питания и конечным питаемым устройством.

Лучший способ избежать «земляных петель» — это заделка экрана по двум простым правилам независимо от версии HDBaseT:

1. Для любого разъема, подключаемого к устройству с заземленным шасси или использующим технологию PoH, экран кабеля должен быть соединен с землей устройства.
2. Там, где один конец линии подключен к устройству с изолированным блоком питания, экран кабеля оставляем неподключенным. Если оба устройства питаются от изолированных блоков питания, подключаем экран кабеля только на одном конце — неважно на каком.

Некоторые практические примеры:

• Матричный коммутатор HDBaseT, используемый с приемниками без технологии PoH, — разделку экрана выполняем со стороны матрицы и не применяем на стороне приемников.
• Матричный коммутатор HDBaseT, который взаимодействует с приемными устройствами с поддержкой PoH, — разделку экрана производим на концах кабеля.
• Устройство-источник или AV-ресивер с выходом HDBaseT, подключенный к проектору с входом HDBaseT — соединяем экран на обоих концах. Оба устройства используют заземленный блок питания (обратите внимание на шнур питания ресивера, в редких случаях это не так).
• Пара удлинителей HDBaseT, без PoH с изолированными блоками питания. Заделку экрана выполняем только с одного конца линии.

Основные критерии выбора

HDBaseT легко адаптируется к существующей кабельной инфраструктуре в здании, упрощая передачу HD и UHD видео. Но там, где прокладываются новые кабели, принципы выбора кабеля могут быть такими:

• Cat 5e — это минимальное требование для HDBaseT v1.0 и v2.0, хотя и с меньшим расстоянием по сравнению с Cat 6. И хотя Cat 5e будет работать с HDBaseT v3.0, это далеко не оптимальный вариант.
• Cat 6 рекомендуется для HDBaseT версий 1.0 и 2.0, чтобы максимизировать расстояния при передаче видео до 4K UHD с частотой 60 Гц и цветовом пространстве 4:2:0 или 30 Гц 4:4:4. Также эти кабели будут работать с HDBaseT v3.0, но это решение не рекомендовано. 
• Cat 6A U/FTP — рекомендуемый кабель для HDBaseT v3.0, чтобы обеспечить 4K UHD на большие расстояния при частоте кадров 60 Гц 4:4:4. Cat 7 при оконцовке на RJ45 имеет схожие характеристики, отметим его как опциональный вариант.