Ethernet과 USB, HDMI를 위한 고속 통신 프로토콜 ①

Fischer Connectors

이 기사는, 커넥터와 케이블 어셈블리가 정의된 데이터 프로토콜의 감당 여부를 결정하는 가장 중요한 매개 변수를 설명하고, Fischer MiniMax™와 Fischer UltiMate™ 시리즈 케이블 커넥터의 이더넷과 USB, HDMI 프로토콜에 따른 성능을 소개한다.

소개

통신 프로토콜은 컴퓨팅이나 통신 시스템에서 메시지를 교환하기 위한 디지털 메시지 형식과 규칙 시스템이다.
프로토콜에는 공식 표현이 있을 수 있으며, 신호, 인증과 오류 감지, 수정 기능이 포함된다.

프로토콜은 통신의 구문과 의미, 동기화를 정의한다. 지정된 동작은 일반적으로 프로토콜이 구현되는 방식과 관계가 없다. 프로토콜은 하드웨어, 소프트웨어 또는 둘 다로 구현된다. 통신 프로토콜은 관련된 당사자가 합의해야 한다. 그것을 위해 기술 표준으로 프로토콜이 개발될 수 있다.

통신 프로토콜: IEC 11801

국제 표준 ISO/IEC 11801은 광범위한 용도(아날로그와 ISDN 전화 통신, 다양한 데이터 통신 표준, 빌딩 제어 시스템, 공장 자동화)에 적합한 범용 전기 통신 구조화된 케이블링을 규정한다. 이 표준은 특정 채널 성능이 요구되는 최대 주파수가 다른, 트위스트 페어 구리 상호 연결의 여러 링크/채널 클래스와 케이블링 범주를 정의한다.
균형 잡힌 케이블링 성능은 여러 매개 변수 세트로 정의된다. 가장 관련성이 높은 것은 아래와 같다.

Insertion Loss (IL)

Insertion Loss(삽입 손실)나 Attenuation(감쇄)는 주파수의 함수로서 전선 쌍에서 전송된 신호의 진폭 감소이다.

Return Loss(RL)

Return Loss(반사 손실)는 와이어 쌍(신호가 방출되는 케이블의 같은 면에서 측정)에서 반사된 신호의 강도를 측정한 것이다. 신호 반사는 임피던스 불일치로 인하여 생긴다. (보통 제조 오류로 발생함.)

Near End Crosstalk(NEXT)

Near End Crosstalk(NEXT)는 전송된 간섭의 진폭과 간섭을 발생시키는 신호의 진폭이 신호가 방출되는 케이블의 같은 면에서 측정된 다른 와이어 쌍에 적용된 비율이다.

Far End Crosstalk(FEXT)

Far End Crosstalk는 전송된 간섭의 진폭과 이 간섭을 생성하는 신호의 진폭을 다른 전선 쌍에 적용한 비율이다. 전송된 간섭은 신호가 방출되는 케이블의 다른 쪽에서 측정된다.

구성 요소 범주 vs 균형 케이블링 성능

ISO/IEC 표준에서 구조화된 케이블링 구성 요소(예: 케이블, 연결 하드웨어, 패치 코드)는 성능 ‘범주’로 특징하며, 영구 링크나 채널은 ‘클래스’로 기술한다.(TIA 표준에서는 구성 요소와 케이블링 모두 성능 범주로 구분된다.)
ISO/IEC 11801은 구성 요소 범주와 균형 잡힌 케이블링 성능 클래스 간에 다음과 같은 일치성을 정의한다.

• 카테고리 5 구성 요소는 클래스 D 균형 케이블링 성능을 제공
• 카테고리 6 구성 요소는 클래스 E 밸런스 케이블링 성능을 제공
• 카테고리 6A 구성 요소는 클래스 EA 평형 케이블링 성능을 제공
• 범주 7 구성 요소는 클래스 F 평형 케이블링 성능을 제공
• 범주 7A 구성 요소는 클래스 FA 균형 케이블링 성능을 제공

ISO/IEC 11801은 모든 클래스의 주파수 범위 내에서 어떤 성과를 달성해야 하는지를 정의한다.
또한 ISO/IEC 11801은 애플리케이션 유형에 권장되는 평형 케이블링 클래스를 정의한다.

예를 들어, 이더넷 1000base-T 애플리케이션(기가비트 이더넷, IEEE 802.3ab)에 사용할 수 있는 클래스 D 균형 케이블링을 생성하려면 Cat. 5 구성 요소가 필요하다.
USB 2.0 프로토콜은 그나마 0-400MHz 주파수 범위에서 최소 Insertion Loss 값만 필요하다. Return Loss, Near End Crosstalk, Far End Crosstalk와 같은 다른 일반적인 매개 변수는 USB 2.0 사양에 지정되어 있지 않다.

트위스트 페어와 케이블 카테고리

트위스트 페어 케이블링(Twisted pair cabling)은 외부 소스로부터 전자기 간섭(EMI)을 제거하는 단일 회로의 두 도체가 함께 꼬여있는 유형의 배선이다; UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블의 전자기 방사와 이웃한 쌍 사이의 혼선이 있다.

비틀림률(비틀림 피치라고도 하며, 일반적으로 미터당 비틀기로 정의)은 특정 유형의 케이블 사양 일부를 구성한다. 인근 쌍이 같은 비틀림률을 갖는 경우, 서로 다른 쌍의 같은 도선이 나란히 반복적으로 놓여 차동 모드의 이점을 부분적으로 취소할 수 있다. 그러므로 최소한, 케이블이 포함하는 쌍의 수가 적으면 비틀림률도 달라야 한다.

ISO/IEC 11801: 2002(부록 E)는 차폐 케이블에 대한 다양한 명칭을 비차폐용 U, 꼰 차폐용 S, 포일 차폐용 F의 세 문자 조합을 사용하여 국제 표준화하는 것을 목표로 하며, 전체 케이블 보호와 개별 쌍이나 쿼드(quads)에 대한 화면 유형을 명시적으로 나타낸다.

Shielding(차폐)이 여러 쌍에 적용될 때 이를 보통 screening이라고 한다. 그러나 다른 공급 업체와 저자는 ‘screening’과 ‘shielding’을 서로 바꾸거나, 다른 용어를 사용한다. 예로, U/ FTP와 S/UTP, F/UTP, SF/UTP, S/FTP 구성을 나타내기 위해 STP(shielded twisted pair)나 ScTP(screened twisted pair)가 사용되었다.
Cat 6a와 Cat 7, Cat 8 케이블에 사용되는 일반적인 실드 케이블 유형에는 비차폐와 STP, ScTP, SSTP(screened shielded twisted pair)가 있다.

UTP(Unshielded Twisted Pair)

UTP 케이블은 컴퓨터 네트워크에 사용되는 가장 일반적인 케이블이다. 가장 일반적인 데이터 네트워크 표준인 최신 이더넷은 UTP 케이블을 사용한다. Twisted pair cabling은 광섬유와 동축 케이블보다 상대적으로 저렴한 비용으로 중, 단거리 연결의 데이터 네트워크에서 자주 사용된다.

U/FTP(Shielded twisted pair)

U/FTP는 금속 포일로도 알려졌으며 twist pair나 quad 포일로 개별 차폐되어 있다. 이러한 유형의 차폐는 외부 EMI로부터 케이블이 들어오고 나가는 것을 방지하며 인접 쌍을 혼선으로부터 보호한다.

F/UTP, S/UTP and SF/UTP(Screened twisted pair)

F/UTP, S/UTP, SF/UTP, F/UTP는 100ohm의 twisted pair cable 내의 모든 쌍에 걸친 전체 포일이나 편조 실드, 브레이드다. 이러한 유형의 차폐는 EMI가 케이블에 들어가거나 나오는 것을 방지한다.

F/FTP and S/FT(Screened shielded twisted pair)

Shielded나 screened, screened/shield foiled 형의 twisted pair로 알려진 F/FTP와 S/FTP는 twisted pair 세트 사이의 포일을 사용하는 개별 차폐이며 100ohm twisted pair cable이다.
이러한 유형의 차폐는 EMI가 케이블에 들어가거나 빠지는 것을 방지하고 인접 쌍을 혼선으로부터 보호한다.

일반적인 산업 약어

슬래시 앞에 있는 코드는 케이블 자체에 대한 차폐를 지정하고 슬래시 뒤에 오는 코드는 개별 쌍에 대한 차폐를 결정한다.

TP = twisted pair
TQ = twisted pair, individual shielding in quads
U = unshielded
F = foil shielding
S = braided shielding (outer layer only)

디자인 규칙과 시뮬레이션

특정 데이터 프로토콜에 대한 연결 솔루션을 설계하려면 커넥터와 케이블의 디자인을 최적화해야 한다. 기능적 솔루션은 무엇보다 특정 프로토콜을 처리할 커넥터를 갖추어야 한다.
각 프로토콜에는 커넥터에 대한 특정 디자인 규칙이 필요하다.

이러한 모든 특정 규칙은 다중 프로토콜 커넥터용으로 결합된다. 설계자가 설계된 커넥터/케이블 어셈블리와 대상 프로토콜의 호환성을 확인할 수 있으므로 소프트웨어 시뮬레이션은 완벽한 설계 프로세스 도구다. 설계 변경의 효과는 시간과 주파수 영역에서 즉시 평가할 수 있어 커넥터가 원하는 프로토콜과 완벽하게 일치하는 높은 신뢰성 수준으로 최적화된 설계가 가능하다.

특성과 자격

정의된 프로토콜에 설계를 최적화하면 실제 제품 프로토 타입을 테스트하고 네트워크 분석기를 사용하여 전체 특성을 검증해야 한다. 케이블 어셈블리의 S-파라미터는 프로토콜 사양(예: USB 3.0, HDMI, 이더넷)에 정의된 목푯값으로 측정, 비교된다. 매개 변수 중 하나가 실패하면 케이블 어셈블리가 모든 프로토콜 요구 사항을 충족할 때까지 디자인에 반복 루프가 적용된다. 현재 이 제품은 ‘프로토콜 호환’이라 한다.

고속 애플리케이션을 위한 제품 라인

고속 애플리케이션을 위한 Fischer UltiMate™ 시리즈

Fischer UltiMate™ 시리즈는 까다로운 환경과 산업, 화학 조건에 견디는 견고하고 작으며 가벼운 밀폐 커넥터와 케이블 어셈블리 솔루션을 제공한다.

• IP68/69 실링 결합과 결합 해제
• 10,000회의 mating cycle
• 블라인드 결합과 매우 강력한 키잉
• 작동 온도: -55°C~+135°C
• 1,000시간의 내부식성
• 5가지 크기: 07, 08, 11, 13, 18 및 4~42핀
• 360° EMC 차폐

고속 애플리케이션을 위한 Fischer MiniMax™ 시리즈

Fischer MiniMax™ 시리즈는 전력을 공급하고 장치를 소형화하도록 도와준다. 사용자 편의성과 취급 용이성이 필수적인 환자나 병사의 핸드헬드나 신체 착용 장치나 계측기와 테스트 장비를 위한 애플리케이션용으로 고안된 견고한 장치에 특히 적합하다.

• IP68 실링 결합과 결합 해제
• 5,000회의 mating cycle
• 높은 핀 밀도로 최대 45% 공간을 절약하고, 무게를 최대 75%까지 줄일 수 있다.
• 단일 커넥터에서 최대 20개의 신호 콘택트와 4개의 전원 콘택트를 고유하게 조합
• 신뢰할 수 있고 사용자 친화적인 3개의 잠금 시스템: 푸시 풀, 나사, 퀵 릴리스
• 4~24핀
• 360° EMC 차폐 <10월호에 계속>

자료 제공: Fischer Connectors(www.fischerconnectors.com)