Cáp xoắn kép

Một loại cáp xoắn kép không bọc UTP

Một loại cáp xoắn kép có bọc STP

Cáp xoắn kép (tiếng Anh twisted pair cable) là phương tiện truyền dẫn có dây, gồm cặp dây đồng bọc cách điện và xoắn với nhau. Cặp dây xoắn hoạt động như một đường truyền dẫn đơn lẻ. Đây là phương tiện truyền dẫn có giá thành thấp nhất và là phương tiện truyền dẫn có dây thông dụng nhất.

Cấu tạo

Cáp xoắn kép thường có một cặp dây đồng có bọc cách điện, đường kính thường nhỏ hơn 1mm. Hai sợi dây đồng được xoắn vào nhau như hình chuỗi ADN. Trong một sợi cáp có thể có nhiều cặp dây được xếp với nhau và bọc trong một vỏ bảo vệ. Khi hai sợi dây đồng được bố trí song song sẽ tạo thành ăng-ten truyền tín hiệu. Việc xoắn hai sợi dây đồng vào nhau sẽ làm giảm nhiễu xuyên kênh giữa những cặp dây cạnh nhau trong một sợi cáp và làm cho khả năng chịu nhiễu từ môi trường bên ngoài tốt hơn. Những cặp dây cạnh nhau trong một bó cáp có thể có độ dài đoạn xoắn khác nhau để làm giảm nhiễu xuyên kênh. Trên đường kết nối dài, độ dài đoạn xoắn khoảng từ 5 đến 15cm. Các dây đồng trong cặp dây có độ dày từ 0,4 đến 0,9mm.

Khi có nhiều cặp dây xoắn kép chạy song song trong những khoảng cách đáng kể, ví dụ như các đôi dây từ một nhà cung cấp dịch vụ điện thoại tới các căn hộ trong một tòa nhà, khi đó các cặp dây xoắn kép sẽ được gộp lại thành bó và để chung vào vỏ bọc bảo vệ. Các cặp dây trong bó dây này có thể gây nhiễu lên nhau nếu không được xoắn.

Ứng dụng

Cáp xoắn kép có thể được dùng để truyền tín hiệu tượng tự hoặc tín hiệu số. Dải băng thông phụ thuộc vào độ dày của dây đồng và khoảng cách truyền dẫn. Trong nhiều trường hợp với tốc độ dữ liệu truyền dẫn vài Mb/giây khoảng cách truyền có thể đạt được tới vài ki-lô-mét. Do những tính năng kỹ thuật phù hợp và giá thành thấp, cáp xoắn kép còn được sử dụng trong nhiều năm tới.

Đối với tín hiệu tương tự, do hiện tượng suy giảm năng lượng, qua mỗi khoảng cách 5-6km, cần có bộ khuếch đại tín hiệu. Đối với tín hiệu số, bộ lặp tín hiệu (repeater) cần được sử dụng sau mỗi khoảng cách 2-3km.

So sánh với các phương tiện truyền dẫn có dây khác, cáp xoắn kép khá giới hạn về khoảng cách, băng thông và tốc độ truyền dữ liệu. Đối với cáp xoắn kép, sự suy giảm tín hiệu phụ thuộc mạnh vào tần số, ngoài ra cáp xoắn kép còn khá nhạy cảm với sự phản xạ tín hiệu, sự mất mát do trở kháng trên đường dây dài và nhiễu xuyên kênh từ các cặp dây liền kề trong bó dây,... Tuy vậy do cấu trúc xoắn kép của đôi dây, điều này làm cho cáp xoắn kép có khả năng chống lại sự ảnh hưởng của những sóng điện từ tần số thấp khá tốt (ví dụ, tần số 50-60Hz). Để giảm sự ảnh hưởng của các tín hiệu tần số cao (lớn hơn 30MHz) người ta có thể dùng bỏ bọc bằng các lá kim loại.

Ứng dụng phổ biến nhất của cáp xoắn kép là trong hệ thống điện thoại có dây, hệ thống mạng máy tính. Hầu như các điện thoại đều kết nối tới các trạm của hãng điện thoại bằng cáp xoắn kép. Các cuộc gọi điện thoại và đường truy cập Internet qua công nghệ ADSL đều thực hiện trên những cáp nối này. Các đôi dây xoắn kép có thể chạy dài hàng ki-lô-mét mà không cần khuếch đại, tuy vậy trên những khoảng cách dài hơn, tín hiệu có thể bị suy hao mạnh, do đó sẽ cần có những thiết bị chuyên biệt, gọi là bộ lặp.

Phân loại

Một số loại cáp xoắn kép

ISO/IEC 11801	Minh hoạ
U/UTP
F/UTP
S/UTP
SF/UTP
U/FTP
F/FTP
S/FTP
SF/FTP

Cáp xoắn kép thường có hai loại: cáp không bọc UTP (Unshielded Twisted Pair) và cáp có bọc STP (Shielded Twisted Pair).

Cáp không bọc UTP thường gồm một hoặc nhiều cặp dây xoắn gộp chung trong vỏ nhựa bảo vệ, không có lớp bọc kim loại để chống sự ảnh hưởng của nhiễu điện từ. Cáp UTP thường dùng cho dây điện thoại và các dây trong tòa nhà. Cáp UTP có thể dùng cho truyền thoại hoặc truyền dữ liệu tốc độ cao trong các mạng LAN. Đối với mạng LAN tốc độ cao, cáp UTP thường có 4 cặp dây xoắn với số lần xoắn trên một cm khác nhau để giảm ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh. Do cáp UTP thường chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ, nên khi cần truyền dữ liệu trong môi trường chịu ảnh hưởng của nhiều nguồn sóng điện từ khác nhau, người ta dùng loại cáp xoắn kép có bọc STP.

Việc bọc kim loại cho cáp xoắn sẽ làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và làm tăng hiệu năng truyền tốc độ cao, tuy vậy làm tăng giá thành. Cáp STP có thể có nhiều cách bọc:

• Mỗi cặp dây xoắn được bọc trong một lớp vỏ bằng lá kim loại mỏng, và có thể được gọi là FTP (Foiled Twisted Pair);
• Có lớp bọc bằng lá kim loại bạc hoặc lá đồng quanh cả cụm dây trong cáp UTP. Khi đó cáp có thể gọi là F/UTP;
• Có lớp bọc quanh mỗi cặp dây xoắn và có lớp bọc kim lợi cho cả cụm dây. Khi đó cáp gọi là S/FTP.

Các chuẩn mạng LAN khác nhau sử dụng những cặp xoắn kép một cách khác nhau. Chuẩn Ethernet 100Mbps sử dụng hai trong bốn cặp, mỗi cặp dùng truyền tín hiệu theo một hướng. Để đạt tốc độ truyền dẫn cao hơn, công nghệ Ethernet 1Gbps sử dụng toàn bộ bốn cặp dây cho cả hai hướng truyền đồng thời. Đường truyền tín hiệu có thể dùng để truyền đồng thời theo cả hai hướng thường gọi là đường truyền song công. Đường truyền có thể dùng cho cả hai chiều, tuy vậy tại một thời điểm chỉ có thể truyền theo một chiều gọi là bán song công. Đường truyền chỉ cho phép truyền một chiều gọi là đơn công.

Cáp xoắn kép có nhiều biến thể, có thể kể đến là Cat 3, Cat 4, Cat 5, Cat 6, Cat 7,... Thông thường cáp triển khai cho mạng tại các tòa nhà thuộc loại 5 hay Cat 5. Cáp xoắn kép Cat 5 gồm bốn cặp dây đồng xoắn kép có bọc cách điện nằm trong một vỏ bọc bảo vệ chung. Loại cáp Cat 5 thay thế cho Cat 3 thông dụng trước đó. Cả hai loại cáp cùng dùng một bộ kết nối, cùng dùng các loại dây đồng như nhau, tuy vậy có số vòng xoắn trên một mét khác nhau. Cat 5 có số vòng xoắn trên một đơn vị chiều dài lớn hơn. Điều này làm giảm tốt hơn nhiễu xuyên kênh và cho chất lượng tín hiệu tốt hơn trên đường truyền dài, làm cho cáp có thể dùng cho các thiết bị truyền thông tốc độ cao, đặc biệt là mạng LAN Ethernet 100Mbps, 1Gbps với các chuẩn 100BASE-TX, 1000BASE-T.

Những loại cáp mới là Cat 6, Cat 7 cho phép truyền tín hiệu với dải băng thông lớn hơn. Một số cáp loại Cat 6 hoặc cao hơn cho phép tín hiệu với tần số lên tới 500MHz và có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên tới 10Gbps.

Lịch sử

Cáp xoắn kép được A. G. Bell đưa vào sử dụng năm 1881 trong truyền điện thoại, điện tín. Tới năm 1900, toàn bộ mạng lưới điện thoại của Mỹ đều được dùng cáp xoắn kép.

Năm 1991, Tổ chức công nghệ Điện tử công bố tiêu chuẩn ANSI/EIA/TIA-568 về các chuẩn cáp viễn thông thương mại, trong đó đặc tử việc sử dụng các cáp UTP và F/UTP trong việc truyền thoại và truyền dữ liệu. Các phiên bản hiện nay sử dụng theo công bố tiêu chuẩn 2009 của Tổ chức Công nghiệp Viễn thông TIA với các chuẩn ANSI/TIA-568-C.0 - C.3.

Cáp Cat 5e/Class D công bố năm 2000 sử dụng cho các ứng dụng 1Gbps Ethernet, đảm bảo các yêu cầu truyền với tốc độ 1Gbps. Cáp Cat 6/Class E công bố năm 2002 có những đặc tính tốt hơn Cat 5e trong những hệ thống áp dụng công nghệ Ethernet dùng hỗ hợp tốc độ 100Mbps với 1000Mbps. Cáp Cat 6A/Class EA sử dụng cho các ứng dụng 10Gbps Ethernet.

Tài liệu tham khảo

1. A. S. Tanenbaum, and D. J. Wetherall (2011). Computer Networks. Pearson 2011.
2. W. Stallings. Data and Computer Communications. Pearson 2007.
3. W. Stallings. Data and Computer Communications. Pearson 2013;
4. Benrouz A. Forouzan. Data Communication and Networking. McGraw-Hill 2012.
5. J. F Kurose, K. W Ross. Computer Networking A topdown approach. 6th edition. Pearson. 2013.