Cabeamento blindado e protegido

O cabeamento de cobre de par trançado blindado e blindado existe há bastante tempo. Um padrão global na década de 1980, as variedades de cabos blindados (F/UTP e U/FTP) e totalmente blindados (S/FTP) permaneceram como um dos pilares em alguns mercados, enquanto muitos outros migraram para cabos não blindados (UTP).

Recentemente, no entanto, a crescente adoção de equipamentos de rede 2,5/5GBASE-T e 10GBASE-T e a ratificação do protocolo 10BASE-T1L Single Pair Ethernet (SPE) restabeleceram a viabilidade comercial dos sistemas blindados e reforçaram a adoção desses sistemas em mercados anteriormente centrados em sistemas não blindados.

Nesse cenário competitivo, muitas mensagens confusas e muitas vezes contraditórias estão chegando ao mercado, desafiando tanto os especialistas em cabeamento quanto os usuários finais. Este white paper aborda as dúvidas, os problemas e os equívocos mais comuns em relação ao cabeamento blindado e ao cabeamento blindado.

Introdução e a história da blindagem

Na década de 1980, o cabeamento de LAN surgiu para dar suporte às primeiras redes de computadores que começaram a aparecer no espaço de edifícios comerciais. Essas primeiras redes eram normalmente suportadas pela transmissão Token Ring da IBM, que foi padronizada como IEEE 802.5 em 1985. O cabeamento da rede Token Ring consistia em um cabo “IBM Tipo 1” acoplado a conectores hermafroditas exclusivos. O cabo IBM Tipo 1 consiste em dois pares de 150 ohms, frouxamente torcidos, com blindagem de folha, cercados por uma trança geral. (ou seja, S/FTP de 2 pares), conforme mostrado na
Figura 1.

Figura 1: IBM. Cabo tipo 1

Essa mídia foi a escolha ideal para o suporte de topologias de LAN de primeira geração por vários motivos. Seu design aproveitou a capacidade do protocolo de transmissão de par trançado de maximizar a distância (o Token Ring atendia a distâncias de até 100 metros) e as taxas de dados usando transceptores econômicos. Além disso, as lâminas e a trança melhoraram o desempenho de diafonia e compatibilidade eletromagnética (EMC) a níveis que ainda não podiam ser alcançados pela capacidade de projeto e fabricação de par trançado da geração anterior.

Em 1990, os especialistas do setor de LAN estavam começando a reconhecer o desempenho e a confiabilidade que a Ethernet comutada oferecia em relação ao Token Ring. Ao mesmo tempo, os recursos de projeto e fabricação de par trançado haviam progredido a ponto de não ser mais necessário usar folhas individuais para proporcionar isolamento interno de diafonia e não eram necessárias blindagens gerais para proporcionar imunidade contra fontes de ruído externas nas bandas de operação 10BASE-T e 100BASE-T. A publicação do aplicativo 10BASE-T em 1990 e da primeira edição do padrão de cabeamento genérico ANSI/EIA/TIA-568 em 1991, em conjunto com o custo mais baixo associado ao cabeamento de par trançado sem blindagem (UTP), estabeleceu firmemente o cabeamento UTP como a mídia preferida para os novos projetos de rede LAN na época.

Como a tecnologia de aplicativos Ethernet evoluiu para suportar taxas de transmissão de 10 Gb/s, 25 Gb/s e 40 Gb/s, houve um ressurgimento acentuado na especificação de sistemas de cabeamento de par trançado blindado e totalmente blindado. Este white paper aborda os benefícios práticos das telas e blindagens e como elas podem melhorar o desempenho dos projetos de cabeamento UTP tradicionais destinados a suportar a transmissão de alta largura de banda. Ele também desfaz mitos e equívocos comuns em relação ao comportamento de telas e blindagens.

Transmissão balanceada

A vantagem de especificar o cabeamento de par trançado balanceado para a transmissão de dados é claramente demonstrada ao examinar os tipos de sinais presentes nos ambientes dos edifícios. Os sinais elétricos podem se propagar no modo comum ou no modo diferencial (ou seja, “balanceado”). O modo comum descreve um esquema de sinal entre dois condutores em que a tensão se propaga em fase e é referenciada ao terra. Exemplos de transmissão em modo comum incluem circuitos CC, energia de edifícios, TV a cabo, circuitos HVAC e dispositivos de segurança. O ruído eletromagnético induzido por perturbadores, como motores, transformadores, luzes fluorescentes e fontes de RF, também se propaga no modo comum. Praticamente todos os sinais e tipos de perturbadores no ambiente do edifício se propagam em modo comum, com uma exceção notável: o cabeamento de par trançado é otimizado para transmissão em modo balanceado ou diferencial. A transmissão em modo diferencial refere-se a dois sinais que têm magnitudes iguais, mas estão 180° fora de fase, e que se propagam pelos dois condutores em um par trançado. Em um circuito balanceado, dois sinais são referenciados um ao outro, em vez de um sinal ser referenciado ao terra. Não há conexão de aterramento em um circuito balanceado e, como resultado, esses tipos de circuitos são inerentemente imunes à interferência da maioria dos perturbadores de ruído de modo comum.

Em teoria, o ruído de modo comum se acopla igualmente a cada condutor de um par trançado perfeitamente equilibrado. Os transceptores de modo diferencial detectam a diferença na magnitude de pico a pico entre os dois sinais em um par trançado realizando uma operação de subtração. Em um sistema de cabeamento perfeitamente balanceado, o sinal de modo comum induzido apareceria como duas tensões iguais que são simplesmente subtraídas pelo transceptor, resultando, assim, em imunidade perfeita a ruídos.

No mundo real, entretanto, os cabos de par trançado não são perfeitamente balanceados, e suas limitações devem ser compreendidas tanto pelos desenvolvedores de aplicativos quanto pelos especificadores de sistemas. Os comitês TIA e ISO/IEC tomam muito cuidado ao especificar parâmetros de equilíbrio, como TCL (perda de conversão transversal), TCTL (perda de transferência de conversão transversal) e ELTCTL (perda de transferência de conversão transversal de nível igual) em seus padrões para cabeamento estruturado de grau superior (ou seja, categoria 6 e superior). Ao examinar os limites de desempenho desses parâmetros e observar quando eles começam a se aproximar da tolerância de isolamento de ruído exigida por vários aplicativos Ethernet, fica claro que a largura de banda operacional prática definida por níveis aceitáveis de imunidade a ruído de modo comum devido ao equilíbrio é de aproximadamente 30 MHz.

Embora isso ofereça imunidade a ruídos mais do que suficiente para aplicativos como 100BASE-T e 1000BASE-T, a modelagem da capacidade Shannon demonstra que esse nível não oferece margem de manobra para os requisitos mínimos de imunidade a ruídos de 10GBASE-T. Felizmente, o uso de blindagem melhora significativamente a imunidade a ruídos, dobra a capacidade Shannon disponível e aumenta substancialmente as larguras de banda operacionais práticas para aplicativos futuros.

Um efeito do equilíbrio do sinal de par trançado degradado acima de 30 MHz é a conversão modal, que ocorre quando os sinais de modo diferencial são convertidos em sinais de modo comum e vice-versa. A conversão pode afetar negativamente a imunidade a ruídos do ambiente, além de contribuir para a interferência entre pares e cabos balanceados, e deve ser minimizada sempre que possível. A blindagem pode diminuir o potencial de conversão modal, limitando o ruído acoplado ao par trançado proveniente do ambiente.

Fundamentos da interferência de ruídos

Todos os aplicativos exigem margens positivas de sinal-ruído (SNR) para transmitir dentro dos níveis alocados de taxa de erro de bit (BER). Isso significa que o sinal de dados que está sendo transmitido deve ter uma magnitude maior do que todos os perturbadores de ruído combinados acoplados à linha de transmissão (ou seja, o cabeamento estruturado). Conforme mostrado na Figura 2, o ruído pode ser acoplado ao cabeamento de par trançado de qualquer uma ou de todas as três maneiras:

1. Ruído diferencial (Vd): Ruído induzido de um par trançado adjacente ou de um cabo balanceado.

2. Ruído ambiental (Ve): Ruído induzido por um campo eletromagnético externo.

3. Ruído de loop de terra (Vg): Ruído induzido por uma diferença de potencial entre as extremidades do condutor.

Diferentes aplicativos têm sensibilidade variável à interferência dessas fontes de ruído, dependendo de seus recursos. Por exemplo, o aplicativo 10GBASE-T é comumente reconhecido como extremamente sensível ao alien crosstalk (acoplamento de cabo a cabo no modo diferencial) porque seu recurso de processamento de sinal digital (DSP) cancela eletronicamente o crosstalk interno de par a par em cada canal. Diferentemente da diafonia par a par, a diafonia externa não pode ser cancelada pelo DSP. Por outro lado, como a magnitude da diafonia alienígena é muito pequena em comparação com a magnitude da diafonia par a par, a presença da diafonia alienígena afeta minimamente o desempenho de outros aplicativos, como 100BASE-T e 1000BASE-T, que empregam algoritmos de cancelamento de diafonia parciais ou inexistentes.

Figura 2: Fontes de ruído da LAN

A compatibilidade eletromagnética (EMC) descreve a suscetibilidade de um sistema à interferência de (imunidade) e o potencial de perturbar (emissões) fontes externas e é um indicador importante da capacidade de um sistema de coexistir com outros dispositivos eletrônicos/elétricos. O desempenho da imunidade a ruídos e emissões é recíproco, o que significa que a capacidade do sistema de cabeamento de manter a imunidade à interferência é proporcional ao potencial de radiação do sistema. É interessante notar que, embora seja dada muita ênfase desnecessária às considerações de imunidade, é um fato conhecido que os sistemas de cabeamento estruturado não irradiam nem interferem em outros equipamentos ou sistemas no ambiente de telecomunicações!

Distorcedores de ruído diferencial: A diafonia alienígena e a diafonia interna par a par são exemplos de perturbadores de ruído de modo diferencial que devem ser minimizados por meio do projeto adequado do sistema de cabeamento. A suscetibilidade à interferência de fontes de modo diferencial depende do equilíbrio do sistema e pode ser melhorada com o isolamento ou a separação dos condutores que estão interferindo uns nos outros. O cabeamento com equilíbrio aprimorado (ou seja, categoria 6 e superior) apresenta melhor desempenho de interferência interna e interferência externa. Como nenhum cabo é perfeitamente balanceado, estratégias como o uso de material dielétrico para separar os condutores ou o uso de folha de metal para isolar os condutores são usadas para melhorar ainda mais o desempenho de diafonia. Por exemplo, o cabeamento F/UTP da categoria 6A comprovadamente tem um desempenho de diafonia substancialmente superior ao do cabeamento UTP da categoria 6A porque sua construção geral em folha reduz o acoplamento de diafonia a praticamente zero. Foi comprovado que o cabeamento S/FTP da categoria 7A tem desempenho substancialmente superior de par a par e de alien crosstalk do que qualquer projeto de cabeamento da categoria 6A, pois sua construção individual de par trançado com folhas reduz o acoplamento par a par e alien crosstalk a praticamente zero. Esses níveis superiores de diafonia não poderiam ser alcançados somente por meio do desempenho de equilíbrio compatível.

Perturbadores de ruído ambiental: O ruído ambiental é um ruído eletromagnético composto por campos magnéticos (H) gerados por acoplamento indutivo (expresso em A/m) e campos elétricos (E) gerados por acoplamento capacitivo (expresso em V/m). O acoplamento de campo magnético ocorre em baixas frequências (ou seja, 50 Hz ou 60 Hz) em que o equilíbrio do sistema de cabeamento é mais do que suficiente para garantir a imunidade, o que significa que seu impacto pode ser ignorado em todos os tipos de cabeamento balanceado. Entretanto, os campos elétricos podem produzir tensões de modo comum em cabos balanceados, dependendo de sua frequência. A magnitude da tensão induzida pode ser modelada presumindo-se que o sistema de cabeamento seja suscetível à interferência da mesma forma que uma antena de loop[1]. Para facilitar a análise, a equação (1) representa um modelo simplificado de antena de loop que é apropriado para avaliar o impacto no campo elétrico gerado devido a várias larguras de banda de fontes de ruído interferentes, bem como a relação de distância dos pares trançados com o plano de aterramento. Observe que é necessário um modelo mais detalhado, que inclua especialmente o ângulo de incidência dos campos elétricos, para calcular com precisão a tensão de ruído acoplada real.

Onde:
λ = o comprimento de onda da fonte de ruído interferente

A = a área do loop formado pelo comprimento perturbado do condutor do cabeamento (l) suspenso a uma altura média (h) acima do plano do solo

E = a intensidade do campo elétrico da fonte interferente

O comprimento de onda, λ, da fonte de interferência pode variar de 5.000 km para um sinal de 60 Hz a menos de 1 m para sinais de RF na faixa de 100 MHz e superior. A densidade de intensidade do campo elétrico varia de acordo com o interferente, depende da proximidade da fonte e normalmente é reduzida a níveis nulos a uma distância de 0,3 m da fonte. A equação demonstra que um sinal de 60 Hz resulta em um distúrbio de campo elétrico que só pode ser medido na faixa de milésimos de mV, enquanto as fontes que operam na faixa de MHz podem gerar um distúrbio de campo elétrico bastante grande. Como referência, 3 V/m é considerado uma aproximação razoável do campo elétrico médio presente em um ambiente industrial/comercial leve e 10 V/m é considerado uma aproximação razoável do campo elétrico médio presente em um ambiente industrial.

Figura 3: Correntes de modo comum

A única variável que afeta a magnitude da tensão acoplada pelo campo elétrico é a área do loop, A, que é calculada multiplicando-se o comprimento perturbado do cabeamento (l) pela altura média (h) do plano de aterramento. A vista em seção transversal na figura 3 mostra as correntes de modo comum que são geradas por um campo elétrico. São essas correntes que induzem sinais indesejados no elemento condutor mais externo do cabeamento (ou seja, os próprios condutores em um ambiente UTP ou a tela/blindagem geral em um ambiente blindado/completamente blindado). O que se torna imediatamente aparente é que a impedância de modo comum, conforme determinado pela distância (h) até o plano de aterramento, não é muito bem controlada em ambientes UTP. Essa impedância depende de fatores como a distância de pistas metálicas, estruturas metálicas ao redor dos pares, o uso de pistas não metálicas e o local da terminação. Por outro lado, essa impedância de modo comum é a proteção de imunidade contra distúrbios de campo elétrico que o cabeamento UTP oferece!

É importante lembrar que a suscetibilidade geral dos cabos de par trançado a distúrbios de campo elétrico depende dos ambientes de cabeamento bem definidos e controlados em ambientes de cabeamento blindado/com blindagem total, uma vez que a tela e/ou a blindagem atuam como plano de terra. As aproximações médias para (h) podem variar de 0,1 a 1 metro para cabeamento UTP, mas são significativamente mais restritas (ou seja, menos de 0,001 m) para cabeamento blindado e totalmente blindado. Isso significa que o cabeamento blindado e totalmente blindado teoricamente oferece um desempenho de equilíbrio de 100 a 1.000 vezes maior do que o cabeamento e a presença de uma tela ou blindagem. Cabos bem balanceados (ou seja, categoria 6A e superior) devem ser imunes a interferências eletromagnéticas de até 30 MHz. A presença de uma blindagem ou proteção é necessária para evitar a interferência eletromagnética em frequências mais altas, o que é uma consideração especialmente importante para os aplicativos da próxima geração. Por exemplo, é razoável imaginar que um aplicativo emergente que usa técnicas de DSP exigirá um SNR mínimo de 20 dB a 100 MHz. Como o isolamento mínimo produzido apenas pelo equilíbrio também é de 20 dB a 100 MHz, a adição de uma tela ou blindagem é necessária para garantir que esse aplicativo tenha espaço suficiente de imunidade a ruídos para a operação.

Loops de terra

Os loops de terra se desenvolvem quando há mais de uma conexão de terra e a diferença no potencial de tensão de modo comum nessas conexões de terra introduz (gera) ruído no cabeamento, conforme mostrado na figura 4. É um equívoco pensar que o ruído de modo comum dos loops de aterramento só pode aparecer nas telas e blindagens; esse ruído também aparece regularmente nos pares trançados. Um ponto importante sobre a tensão gerada pelos loops de terra é que sua forma de onda está diretamente relacionada ao perfil da energia CA do edifício. Nos EUA, a principal frequência de ruído é 60 Hz e seus harmônicos relacionados, que são frequentemente chamados de “hum” de CA. Em outras regiões do mundo, a frequência primária de ruído é de 50 Hz e seus respectivos harmônicos.

Como cada par trançado é conectado a um transformador de balun e a um circuito de rejeição de ruído de modo comum nas extremidades da placa de rede e do equipamento de rede, as diferenças nas relações de espiras e nas impedâncias de aterramento de modo comum podem resultar em ruído de modo comum. A magnitude do ruído induzido nos pares trançados pode ser reduzida, mas não eliminada, com o uso de terminações de modo comum, bobinas e filtros dentro do equipamento.

Os loops de aterramento induzidos na tela/blindagem geralmente ocorrem devido a uma diferença de potencial entre a conexão de aterramento no barramento de aterramento de telecomunicações (TGB) e a conexão de aterramento do prédio fornecida pelo chassi do equipamento de rede na extremidade do cabeamento da área de trabalho. Observe que não é obrigatório que os fabricantes de equipamentos forneçam um caminho de aterramento predial de baixa impedância a partir do conector RJ45 blindado através do chassi do equipamento. Às vezes, o chassi é isolado do aterramento do prédio com um circuito RC de proteção e, em outros casos, o conector RJ45 blindado é completamente isolado do aterramento do chassi.

Figura 4: Introdução de loops de terra

Os padrões TIA e ISO identificam o limite para o desenvolvimento de um loop de terra excessivo quando a diferença de potencial entre a tensão medida na blindagem na extremidade do cabeamento da área de trabalho e a tensão medida no fio terra da tomada elétrica usada para fornecer energia à estação de trabalho excede 1,0 Vrms. Essa diferença de potencial deve ser medida e corrigida em campo para garantir a operação adequada do equipamento de rede, mas valores superiores a 1,0 Vrms são muito raros em países como os EUA, que têm sistemas de construção e aterramento cuidadosamente projetados e especificados. Além disso, como a tensão de modo comum induzida pelos loops de aterramento é de baixa frequência (ou seja, 50 Hz ou 60 Hz e seus harmônicos), o desempenho de equilíbrio da planta de cabeamento por si só é suficiente para garantir a imunidade, independentemente da magnitude real da tensão.

Projeto de telas e escudos

A blindagem oferece os benefícios de um desempenho significativamente melhor de diafonia par a par, desempenho de diafonia externa e imunidade a ruídos que não podem ser igualados por nenhuma outra estratégia de projeto de cabeamento. Os cabos F/UTP de categoria 6A e de classificação inferior são construídos com uma folha geral envolvendo quatro pares trançados, conforme mostrado na figura 5. Os cabos S/FTP de categoria 7 e de classificação mais alta são construídos com uma trança geral envolvendo quatro pares blindados individualmente com folha de alumínio, conforme mostrado na figura 6. Às vezes, são fornecidos fios de drenagem opcionais.

Os materiais de blindagem são selecionados por sua capacidade de maximizar a imunidade à perturbação do campo elétrico por sua capacidade de refletir a onda de entrada, suas propriedades de absorção e sua capacidade de fornecer um caminho de sinal de baixa impedância. Como regra geral, materiais de blindagem mais condutivos produzem maior quantidade de reflexão do sinal de entrada. A folha de alumínio sólida é o meio de blindagem preferido para o cabeamento de telecomunicações porque oferece 100% de cobertura contra vazamento de alta frequência (ou seja, acima de 100 MHz), além de baixa resistência elétrica quando conectada corretamente ao terra. A espessura da blindagem de alumínio é influenciada pelo efeito de pele das correntes de ruído interferentes. O efeito de pele é o fenômeno em que a profundidade de penetração da corrente de ruído diminui à medida que a frequência aumenta. As espessuras típicas da folha são de 1,5 mils (0,038 mm) a 2,0 mils (0,051 mm) para corresponder à profundidade máxima de penetração de um sinal de 30 MHz. Essa abordagem de projeto garante que os sinais de frequência mais alta não consigam atravessar a blindagem de alumínio. Os sinais de frequência mais baixa não interferirão nos pares trançados como resultado de seu bom desempenho de equilíbrio. As tranças e os fios de drenagem aumentam a resistência dos conjuntos de cabos e diminuem ainda mais a resistência elétrica de ponta a ponta da blindagem quando o sistema de cabeamento está adequadamente conectado ao terra.

Figura 5: Construção F/UTP

Figura 6: Construção de S/FTP

Sistemas de aterramento e cabeamento

A ANSI/TIA-607-D define a infraestrutura de aterramento e ligação de telecomunicações do edifício que se origina no aterramento do equipamento de serviço (energia) e se estende por todo o edifício. É importante reconhecer que a infraestrutura se aplica tanto aos sistemas de cabeamento UTP quanto aos blindados/completamente blindados. O padrão exige que:

1. O barramento de ligação primária (PBB) de telecomunicações é ligado ao aterramento do equipamento de serviço (energia) do edifício. Os métodos reais, os materiais e as especificações apropriadas para cada um dos componentes do sistema de aterramento e ligação de telecomunicações variam de acordo com o tamanho do sistema e da rede, a capacidade e os códigos locais.

2. Se usados, os barramentos de ligação secundária de telecomunicações (SBBs) são ligados ao PBB por meio do backbone de ligação de telecomunicações (TBB).

3. Todos os racks e caminhos metálicos estão conectados ao PBB.

4. A planta de cabeamento e os equipamentos de telecomunicações são aterrados aos racks de equipamentos ou às vias metálicas adjacentes. Pretende-se que os equipamentos de TI recebam um caminho de aterramento específico e suplementar verificável, além do caminho de aterramento de energia CA ou CC do edifício, conforme descrito na Norma.

As normas TIA e ISO fornecem uma etapa adicional para o aterramento de sistemas de cabeamento blindados e protegidos. Especificamente, a blindagem do cabo deve ser ligada ao PBB ou SBB no local onde os cabos são terminados no rack. Esse requisito tem como objetivo dar suporte à configuração ideal de uma conexão de aterramento para minimizar o aparecimento de loops de aterramento, mas reconhece que várias conexões de aterramento podem estar presentes ao longo do cabeamento. Como a possibilidade de aterramento na área de trabalho por meio do equipamento foi considerada quando as recomendações de aterramento e ligação especificadas na ANSI/TIA-607-D foram desenvolvidas, não há necessidade de evitar especificamente o aterramento do sistema blindado no PC ou dispositivo do usuário final.

É importante observar a diferença entre uma conexão de aterramento e uma conexão com tela/escudo. Uma conexão de aterramento liga o sistema de cabeamento blindado ao PBB ou SBB, enquanto uma conexão blindada mantém a continuação elétrica da tela/blindagem do cabo por meio dos conectores de telecomunicações blindados ao longo de todo o comprimento do cabeamento. Parte da função da tela ou blindagem é fornecer um caminho de aterramento de baixa impedância para as correntes de ruído que são induzidas no material de blindagem. A conformidade com as especificações TIA e ISO para os parâmetros de impedância de transferência e atenuação de acoplamento do cabo e do hardware de conexão garante que um caminho de baixa impedância seja mantido em todos os pontos de conexão com tela/blindagem no sistema de cabeamento. Para obter o melhor desempenho de imunidade a ruídos e diafonia externa, a continuidade da blindagem deve ser mantida em todo o sistema de cabeamento de ponta a ponta. Não se recomenda o uso de patch cords UTP em sistemas de cabeamento blindado.

Sugere-se que os usuários finais do edifício realizem uma validação para garantir que os sistemas de cabeamento blindados e protegidos estejam adequadamente aterrados ao PBB ou SBB. Um plano de inspeção recomendado é:

1. Inspecione visualmente para verificar se todos os racks/gabinetes de equipamentos/caminhos metálicos estão ligados ao PBB ou SBB usando um condutor de 6 AWG.

2. Inspecione visualmente para verificar se todos os patch panels blindados estão ligados ao PBB ou SBB usando um condutor de no mínimo 12 AWG, se não for especificado pelas instruções do fabricante.

3. Faça um teste de resistência CC para garantir que cada conexão de aterramento do painel e do rack/gabinete apresente uma medição de resistência CC de <1 Ω entre o ponto de ligação do painel/rack e o PBB ou SBB. (Observação: alguns padrões locais/regionais especificam uma resistência CC máxima de <5 Ω nesse local). 4. Documente a inspeção visual, os resultados do teste de CC e todos os outros resultados de teste de cobre/fibra aplicáveis.

O mito da antena

É um mito comum que as telas e os escudos possam se comportar como antenas porque são longas extensões de metal. O medo é que as telas e as blindagens possam “atrair” sinais que estão no ambiente ou irradiar sinais que aparecem nos pares trançados. O fato é que tanto as telas e blindagens quanto os pares trançados balanceados de cobre em um cabo UTP se comportam como uma antena até certo ponto. A diferença é que, conforme demonstrado pelo modelo simplificado de antena de loop, o ruído que se acopla à tela ou à blindagem é, na verdade, de 100 a 1.000 vezes menor em magnitude do que o ruído que se acopla a um par trançado sem blindagem no mesmo ambiente. Isso se deve à impedância de modo comum bem definida e controlada dos pares internos em relação ao plano de terra fornecido pela tela/blindagem. A seguir, apresentamos uma análise dos dois tipos de perturbadores de sinal que podem afetar o desempenho da imunidade a ruídos do cabeamento de par trançado balanceado: aqueles abaixo de 30 MHz e aqueles acima de 30 MHz.

Figura 7: Suscetibilidade UTP VS. Susceptibilidade F/UTP

Em frequências abaixo de 30 MHz, as correntes de ruído do ambiente podem penetrar na tela/blindagem e afetar os pares trançados. No entanto, o modelo simplificado de antena de loop mostra que a magnitude desses sinais é substancialmente menor (e principalmente atenuada devido à perda de absorção da folha de alumínio), o que significa que os pares trançados não blindados no mesmo ambiente estão, na verdade, sujeitos a uma intensidade de campo elétrico muito maior. A boa notícia é que o desempenho de equilíbrio do próprio cabo é suficiente até 30 MHz para garantir uma suscetibilidade mínima à perturbação dessas fontes de ruído, independentemente da presença de uma tela/blindagem geral.

Em frequências acima de 30 MHz, as correntes de ruído do ambiente não podem penetrar na tela/blindagem devido aos efeitos de pele e os pares trançados internos são totalmente imunes à interferência. Infelizmente, o desempenho do equilíbrio não é mais suficiente para garantir a imunidade adequada a ruídos para o cabeamento UTP nessas frequências mais altas. Isso pode ter um impacto adverso na capacidade do sistema de cabeamento de manter os níveis de SNR exigidos pelos aplicativos que empregam a tecnologia DSP.

O potencial de um cabo se comportar como uma antena pode ser verificado experimentalmente organizando dois cabos balanceados em série, injetando um sinal em um cabo para emular uma antena de transmissão em uma faixa de frequência varrida e medindo a interferência em um cabo adjacente para emular uma antena receptora[2]. Como regra geral: quanto maior a frequência da fonte de ruído, maior o potencial de interferência. Conforme mostrado na figura 7, o acoplamento entre dois cabos UTP (mostrados em preto) é, no mínimo, 40 dB pior do que a interação entre dois cabos F/UTP devidamente aterrados (mostrados em azul). Deve-se observar que 40 dB de margem correspondem a 100 vezes menos acoplamento de tensão, confirmando assim as previsões modeladas. Claramente, o cabo UTP está irradiando e recebendo (ou seja, comportando-se como uma antena) substancialmente mais do que o cabo F/UTP!

Um segundo mito da antena está relacionado à crença imprecisa de que os sinais de modo comum que aparecem em uma tela ou blindagem só podem ser dissipados por meio de um caminho de aterramento de baixa impedância. O medo é que uma tela não aterrada irradie sinais que estão “saltando para frente e para trás” e “se acumulando” sobre a tela/blindagem. O fato é que, se não for aterrada, uma tela/blindagem ainda atenuará substancialmente os sinais de frequência mais alta devido ao filtro passa-baixas formado por sua resistência, capacitância shunt distribuída e indutância em série. Os efeitos de deixar as duas extremidades de um cabo de par trançado sem aterramento também podem ser verificados usando o método experimental anterior. Conforme mostrado na Figura 8, o acoplamento entre dois cabos UTP (mostrados em preto) ainda é, no mínimo, 20 dB pior do que a interação entre dois cabos F/UTP não aterrados (mostrados em azul). Deve-se observar que 20 dB de margem correspondem a 10 vezes menos acoplamento de tensão. Mesmo nas piores condições, sem aterramento, o cabo UTP se comporta mais como uma antena do que o cabo F/UTP!

Figura 8: UTP VS. Susceptibilidade F/UTP não aterrada

Os resultados modelados e experimentais dissipam claramente o mito da antena. É fato que as telas e as blindagens oferecem imunidade a ruídos substancialmente melhorada em comparação com construções sem blindagem acima de 30 MHz, mesmo quando aterradas de forma inadequada.

O mito do loop de terra

É um mito comum que os loops de terra só aparecem em sistemas de cabeamento blindados e protegidos. O medo é que os loops de terra resultantes de uma diferença no potencial de tensão entre as conexões de terra de um sistema de cabeamento com tela/blindagem causem correntes de modo comum excessivas, o que pode afetar negativamente a transmissão de dados. O fato é que tanto as telas quanto as blindagens e os pares trançados balanceados em um cabo UTP são afetados por diferenças no potencial de tensão nas extremidades do canal.

A diferença na impedância de terminação de modo comum do transformador na placa de rede e no equipamento de rede resulta naturalmente na indução de corrente de ruído de modo comum em cada par trançado. O aterramento do sistema com tela/blindagem em vários locais também pode resultar em corrente de ruído de modo comum induzida na blindagem da tela. Entretanto, essas correntes de ruído de modo comum não afetam a transmissão de dados porque, independentemente da magnitude da tensão, sua forma de onda está sempre associada ao perfil da energia CA do edifício (ou seja, 50 Hz ou 60 Hz). Devido ao excelente equilíbrio do cabeamento em baixas frequências, as correntes de modo comum induzidas no par trançado, seja diretamente dos diferenciais de impedância do equipamento ou acopladas a uma tela/blindagem, são simplesmente subtraídas pelo transceptor como parte do algoritmo de transmissão diferencial.

Por que usar cabeamento blindado/com blindagem total

As vantagens de desempenho do uso de sistemas blindados e totalmente blindados são inúmeras e incluem:

1. Reduzida diafonia par a par em projetos totalmente blindados

2. Redução da diafonia alienígena em projetos blindados e totalmente blindados

3. Os diâmetros dos cabos blindados da categoria 6A são geralmente menores do que os cabos UTP 6A, permitindo maior preenchimento/utilização do caminho

4. Imunidade a ruídos substancialmente aprimorada em todas as frequências e especialmente acima de 30 MHz, quando o equilíbrio do cabo começa a se degradar significativamente

5. Dissipação de calor superior para requisitos de empacotamento menos restritivos ao suportar aplicativos de alimentação remota (por exemplo, Power over Ethernet ou PoE) e/ou operar em ambientes de temperatura elevada

Conclusões

A margem SNR alcançável depende das propriedades combinadas do equilíbrio do cabeamento e do modo comum e da imunidade a ruídos do modo diferencial fornecidos pelas telas e blindagens. Os aplicativos dependem de uma margem SNR positiva para garantir a transmissão adequada do sinal e uma BER mínima. Com a implantação do 10GBASE-T, ficou claro que o isolamento de ruído proporcionado apenas por um bom equilíbrio é insuficiente para atender aos objetivos de transmissão. Os benefícios de imunidade a ruídos e diafonia alienígena proporcionados pelos projetos de cabeamento F/UTP e S/FTP chamaram a atenção dos desenvolvedores de aplicativos e especificadores de sistemas de 4 pares e de par único. Costuma-se dizer que o setor de telecomunicações completou o círculo na especificação do seu tipo de mídia preferido. Na verdade, os atuais sistemas de cabeamento blindado e totalmente blindado representam uma fusão dos melhores recursos de desempenho elétrico das duas últimas gerações de cabeamento de LAN: excelente equilíbrio para proteção contra interferência de baixa frequência e blindagem para proteção contra interferência de alta frequência.

Rev F 6/22