Perte d'insertion - atténuation du signal sur les paires de fils

"Au secours, je n'arrive pas à obtenir une perte d'insertion sur mes longs parcours !" Un appel au secours souvent entendu lorsqu'on effectue des mesures de réception sur un câblage en cuivre structuré. Pour pouvoir apporter un soutien professionnel dans un tel cas, il faut connaître les bases de cette propriété électrique.

La perte d'insertion (IL) indique l'atténuation d'un signal par un ou plusieurs composants insérés dans un chemin de signal. La perte d'insertion décrit le rapport entre la puissance injectée et la puissance transmise.

Avec la perte d'insertion, l'atténuation du signal est évaluée, sur l'ensemble du chemin, du début à la fin de la ligne. La mesure associée a pour but d'évaluer si les valeurs limites requises pour la transmission des signaux de données sont respectées et si la station partenaire peut également reconnaître clairement les signaux. Si la mesure révèle des problèmes de perte d'insertion, plusieurs causes peuvent être envisagées. Il s'agit essentiellement de la longueur et de la qualité de la ligne, exprimées par ses caractéristiques haute fréquence.

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Ne pas tirer sur le câble !
La somme de toutes les propriétés des hautes fréquences donne à un câble de données la caractéristique d'un filtre passe-bas ; il laisse mieux passer les basses fréquences que les hautes fréquences. D'une part, cette caractéristique passe-bas limite la largeur de bande de la transmission du câble et oblige à installer des amplificateurs (répéteurs) après une certaine longueur de câble afin de régénérer à nouveau le signal ou, comme pour les câbles de données, à limiter la longueur de câble admissible par valeur limite, soit directement via la longueur, soit indirectement via la perte d'insertion maximale.

Les propriétés haute fréquence sont très importantes car les câbles en cuivre ne sont pas seulement des fournisseurs d'énergie, mais des composants essentiels de la voie de transmission des signaux de données à très haute fréquence. En particulier, une surcharge mécanique d'un câble entraîne directement une déviation de ses valeurs caractéristiques nominales et conduit à une détérioration immédiate des propriétés de transmission jusqu'à l'interruption de la communication. D'où le conseil urgent à tous les installateurs de ne jamais "tirer" les câbles de données, mais seulement de les "insérer".

Paramètres de mesure Perte d'insertionLa perte d'insertion d'une section de câblage est mesurée dans la gamme de fréquences de la classe de câblage correspondante (par exemple, la classe EA jusqu'à 500 MHz). Pour ce faire, on ne mesure pas seulement une fréquence unique comme point de référence, mais on balaie l'ensemble du spectre de 1 MHz à la fréquence maximale de la norme correspondante. Les résultats sont enregistrés aux points de fréquence définis par la norme et utilisés pour l'évaluation. Les valeurs mesurées dépendent de la longueur des câbles et de la section des fils du câble utilisé. L'atténuation des paires de fils est le rapport logarithmique entre le signal qui est introduit dans les paires et le signal qui arrive à l'autre extrémité de la section du câble. Parmi les quatre atténuations d'un câble typique à 8 fils, la valeur la plus importante est utilisée pour évaluer le parcours de câblage. Ceci a été défini dans les normes correspondantes.

Les certificateurs de câblage d'aujourd'hui affichent également les valeurs totales mesurées de toutes les paires de fils sous forme graphique et les enregistrent également avec tous les points de données.

Comme l'obtention de la perte d'insertion maximale acceptable n'est pas liée à une longueur de câble fixe, le paramètre de mesure "longueur" n'est déterminé qu'à titre informatif dans les normes ISO/CEI et les normes qui en sont dérivées. Dans les normes américaines, par contre, il existe des limites fixes de réussite/échec pour la longueur d'une ligne.

Causes des erreurs
Les erreurs dans le paramètre de perte d'insertion peuvent avoir différentes causes, comme nous l'avons déjà mentionné. La principale cause d'échec de cette mesure est tout simplement des câbles trop longs sur le trajet de transmission. Ensuite, les causes sont des câbles qui ne sont pas de qualité suffisante (catégorie de puissance trop faible) ou qui sont mesurés par rapport à des normes trop élevées ou qui ont simplement été trop sollicités pendant l'insertion.

Pour un exemple de deux erreurs de perte d'insertion en une (voir figure 1) : câble trop long, toutes les paires en dehors des limites (ligne rouge) et câble insuffisant pour la norme de mesure choisie, câble Cat 7 (600 MHz) contre norme de mesure Cat 8 (2 000 MHz).

Too long!
The rule of thumb is that the installed length of an AWG 22/23 cable up to approx. 90m always has enough reserve to be able to transmit data signals without problems; lengths above this can, but no longer have to function. If the connection cords of the active components are already in the cable, the total length should not exceed 100m if you want to be on the safe side. However, there are always irritations when lengths of installed tracks are measured that are actually smaller than the magic 90m, but the measurement of the insertion loss still goes wrong. What people passionately like to do wrong is to specify the so-called NVP value or shortening factor of the installed cable. This value indicates how much slower than the speed of light signals travel through the cable.

It is needed to make the length measurement as precise as possible by determining the time of flight of reflected signals. This correction value is directly proportional to the measured value and if it is set too low, all lengths appear shorter than in reality and vice versa. This is where the question arises how it can be that the insertion loss fails although the cable is supposedly shorter than the 90m. If, however, the NVP value had been set correctly, not too small, one would have seen immediately that the length exceeded the value by far and thus the cause for the failure of the insertion loss is obvious.

Too thin!
Recently, however, there has also been an increase in enquiries about attenuation errors in cable sections that have lengths between 60m and 90m, the lengths have also been correctly determined, but still fail when measured. The cause is increasingly modern data cables that were once developed especially for data centres and are now marketed with new designations primarily for the home area. Characteristic of these cables is a smaller cross-section, typically solid core with AWG 26 diameter. The reduced diameter produces higher attenuation values and only allows lengths of up to approx. 60m. Sufficient for data centres and single-family homes, but often too short for office environments. Since these cables are also suitable up to category 7, they are often used in office environments without knowing their limitations.

Flexible cables are also often used for short-term or mobile cabling, but they have similar attenuation characteristics and should only be used within their length restrictions, otherwise there are the same problems as described above.

Dommage !
Comme tous les composants d'un système de câblage passif, les câbles de données sont également divisés en catégories de performances (voir tableau 1). Celles-ci sont définies par la largeur de bande haute fréquence réalisable. Les catégories courantes vont de la catégorie 5e, avec une bande passante de 100 MHz, à la catégorie 8, avec une bande passante de 2 000 MHz. Cette classification est également utilisée pour les composants de connexion. La règle est donc la suivante : si vous souhaitez, par exemple, construire un parcours de câblage avec une bande passante de 500 MHz pour transmettre jusqu'à 10Gbit/s Ethernet, vous devez utiliser au moins des composants de catégorie 6A.

Si un câble d'une catégorie inférieure, par exemple la catégorie 5e (100 MHz), est utilisé dans cette configuration, il y a un grand risque d'échouer la mesure, non seulement avec la perte d'insertion, mais aussi avec la diaphonie (NEXT) et la réflexion (perte de retour). Les liaisons de transmission sont comme la fameuse chaîne qui n'est aussi forte que son maillon le plus faible. Un composant de trop faible catégorie tire vers le bas les performances de l'ensemble de la liaison. Rarement, mais de temps en temps, l'installateur se surprend aussi à poser des câbles qui ont déjà quitté l'usine défectueux et qui ont en quelque sorte survécu au contrôle de qualité qui y est effectué. Une erreur typique se produit de temps en temps avec les câbles S/FTP à double blindage que nous utilisons habituellement. Il arrive que, lors de l'étape de production consistant à envelopper les paires d'âmes avec la feuille intérieure, cette feuille ne s'enroule pas autour de la paire d'âmes, mais tourne à l'envers et cette paire de signaux se retrouve donc sur le tambour sur une certaine distance sans blindage. Si vous installez maintenant ce morceau de câble, vous remarquerez lors de la mesure que les quatre paires de fils ne produisent pas toutes approximativement la même courbe d'atténuation que d'habitude, mais qu'une paire de fils se détache et fait échouer le paramètre de la perte d'insertion sur de plus longues distances ou fait chuter le paramètre ACR-F, qui évalue précisément cette synchronisation des atténuations.

Cassé !
Comme déjà mentionné, les câbles de données réagissent de manière très allergique aux erreurs d'installation. Comme la géométrie d'un câble de données est en grande partie responsable de ses propriétés à haute fréquence, les erreurs d'installation qui modifient la structure mécanique du câble, par exemple un tirage excessif, un vrillage, un écrasement, entraînent immédiatement des modifications des propriétés électriques de base, telles que la capacité de la paire et donc l'impédance du câble et les paramètres associés. De tels câbles endommagés peuvent souvent être reconnus par leur comportement de réflexion. Des erreurs de placement des câbles sur les composants de terminaison peuvent également produire des effets similaires et faire échouer les mesures.

Conclusion
La recommandation générale aux équipes de mesure sur la route de la certification de câblage : Soyez toujours en mesure d'isoler rapidement les principales sources d'erreur dans vos problèmes de mesure. Dans l'atelier, vous pouvez même construire une section de référence à partir des composants et du câble sélectionné et la mesurer avec votre appareil de mesure s'il est fraîchement étalonné et équipé de nouveaux câbles ou pointes de mesure (précieux). De cette manière, assurez-vous que vos réglages sur l'appareil sont corrects et que les matériaux installés répondent aux exigences souhaitées et emportez ce parcours sur le chantier. Lors de l'insertion des câbles, veillez à ce que les restrictions de longueur soient respectées et posez les câbles, sans les tirer ( !). Si, malgré ces précautions, vos résultats de mesure se détériorent, effectuez une autre mesure sur votre section d'échantillon et comparez le résultat avec le protocole original. De cette façon, vous pouvez immédiatement voir si votre système de mesure commence à s'user ou si le système est éventuellement en difficulté en raison d'un problème de lot ou d'une fluctuation de la qualité du traitement. Ayez toujours un nouveau jeu de câbles ou de pointes de mesure avec vous, afin de ne pas être laissé en plan en cas de panne. La plupart du temps, ces choses arrivent lorsque votre revendeur est déjà fermé ! Épargnez-vous des dépannages longs et coûteux en étant bien préparé et en ayant du matériel de rechange. Votre marge bénéficiaire vous en remerciera !

Alfred Huber
Chef de la technologie
Softing IT Networks GmbH