Об изготовлении USB-кабелей из Ethernet-шнуров

При подключении различных устройств к компьютеру (например, USB-флешки, картридера или видеокарты через райзер), а также в сетях связи широко используются проводные соединения. Быстродействие проводных каналов связи напрямую зависит от совершенства протоколов связи (возможности исправления ошибок), качества и длины кабелей, а также помеховой обстановки.

Невозможно обеспечить надежную и быструю работу флеш-памяти и других устройств, подключенных к компьютеру по длинному некачественному кабелю.

Пользователь не сможет воспользоваться всеми преимуществами USB накопителя информации стандарта 3.2, подключенного через удлинитель стандарта 2.0.

Также не будет хорошо работать длинный кабель, даже подходящего стандарта, но сделанный из тонких проводников с алюминиевыми, пусть и омедненными жилами, особенно если вокруг работает множество компьютеров, смартфонов и прочей техники, излучающей помехи.

Чтобы обеспечить надлежащую работу USB-устройств, следует использовать качественные кабеля и гнезда, уменьшать их длину и количество разъемных соединений. Каждый дополнительный контакт и лишний сантиметр провода вносят потери/затухание сигнала, а также служат антеннами, улавливающими наводки/помехи.

В данной статье рассматриваются основные технические характеристики распространенных Ethernet и USB-кабелей, использующихся для подключения цифровых устройств для обмена данными. Знание технических характеристик доступных кабелей повзолит до конца использовать заложенный в них потенциал, а также применять их не по стандартному шаблону. Например, можно самостоятельно делать длинные качественные кабеля разных USB-стандартов, используя относительно дешевые Ethernet-шнуры с экранированными витыми парами. Это позволяет обеспечить качественное и недорогое соединение устройств, удаленных от компьютера на значительные расстояния, немыслимые для обычных USB-кабелей.

Технические особенности Ethernet-кабелей

Ethernet-кабеля используются для подключения вычислительной техники к локальной и/или глобальной сети. Скорость обмена данными напрямую зависит от качества этих кабелей, состоящих из экранированных изолированных витых пар многожильных проводников.

Большинство современных Ethernet-кабелей пятой-седьмой категорий с легкостью обеспечивает устойчивое соединение со скоростью от 100 Мбит/сек и выше.

Кабеля, состоящие из витых пар, имеют различные технические характеристики, которые зависят от количества/качества проводников, металла, из которого они сделаны, а также экранировки.

Ethernet-кабеля, предназначенные для обмена данными между компьютерами, работающими в сети, появились в восьмидесятые годы прошлого века. Они подразделяются на категории, которые напрямую связаны с их быстродействием (чем выше категория — тем оно выше).

Ethernet-кабеля первой категории (Сat1) с одной парой скрученных проводов появились в 1983 году. Их основное предназначение — медленный обмен данными и передача голоса (проводная телефонная связь). Доступная рабочая полоса частот — от нуля до 100-400 килогерц, в некоторых случаях (короткая медная витая пара, состоящая из многожильных проводников) — до 1 МГц.

Один канал аналоговой голосовой связи занимает полосу частот 0.3-3.4 кГц, поэтому даже относительно простой неэкранированный двухпроводной кабель (невитой) может использоваться телефонистами. Правда, при этом на больших расстояниях без дополнительных устройств (усилителей и фильтров) хорошую ТФ-связь обеспечить невозможно.

В странах бывшего СССР для обеспечения телефонной связи обычно использовались кабеля, представляющие собой симметричную двухпроводную линию. Подобные кабеля также можно отнести к первой категории Ethernet-кабелей:

Телефонный распределительный провод ТРП 2х0,5 — «советская» версия двухпроводного ТФ-кабеля, R=0.094 Ом/м:

При передаче данных симметричные кабеля работают хуже витой пары. Несмотря на это, благодаря широкому распространению телефонных сетей, проложенных такими кабелями, в конце 1990-х — начале 2000-х годов было популярным подключение к интернету через DialUp-модем, либо по стандарту ISDN. Скорость подключения при этом составляла до 56 Kb/s, либо до 64 Кбит/с соответственно.

Для улучшения качества телефонной связи и подключения цифровой техники стали использовать неэкранированные кабеля второй категории (Сat2), в которые добавили еще одну пару проводов, что позволило разделить канады приема и передачи. Кабеля, специально предназначенные для передачи данных имели две пары витых проводов, что расширило полосу рабочих частот до 1-4 мегагерц.

Кабель второй категории может использоваться в сетях типа TokenRing и Arcnet (скорость обмена данными до 4 Мбит/с), а также в аналоговых телефонных сетях (под этот стандарт были разработаны коннекторы RJ-11).

Самые дешевые варианты таких кабелей имеют по четыре параллельных провода, сделанных из омедненного алюминия. Они не очень хорошо подходят для передачи данных, но вполне справляются с аналоговой телефонной связью.

Шнур телефонный линейный плоский 4х0.12 ШТЛП-4 с омеденными алюминиевыми проволочками:

При использовании качественного Сat2-кабеля с двумя витыми парами можно обеспечить обмен данными по стандарту ADSL (асимметричная цифровая абонентская линия) со скоростью обмена порядка 1 Мбит/сек, который работает в диапазоне частот 26 кГц — 1.1 МГц (режим дуплекса с частотным разделением каналов TX-RX).

Кабеля категории Сat3 содержат три витые пары, предназначены для сетей стандарта Ethernet 10Base-T. Они могут работать на частотах до 16 мегагерц, обеспечивают обмен данными со скоротью до 10 Mbit/sec.

Кабель КППт-ВП (16) третьей категории (U/UTP-cat.3) имеет две витых пары, без экранировки, усилен металлическим тросом 2х2х0,4:

Из-за отсутствия экранировки и малого количества витых пар, кабеля третьей категории имеют неудовлетворительные технические характеристики, в 1994 году они были заменены шнурами четвертой категории.

Кабель Сat4 состоит из 4-х витых пар, способен работать на частоте до 20 мегагерц в сетях Token Ring, 10/100Base-T. С этим кабелем впервые стали использоваться широко известные разъемы RJ45.

Кабель пятой категории (Сat5) — это первая витая пара, позволяющая передавать информацию со скоростью до 100 Мбит/сек при длине кабеля до ста метров. Поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар хорошего качества. Аналоговый сигнал по этому кабелю может передаваться на частотах до 100 мегагерц.

Скорость до 1 Гбит/с стала стандартом для кабелей Сat5e, улучшенных шнуров пятой категории (с буквой E — extended).

Кабеля шестой категории (Сat6) обычно не имеют экрана, состоят из 4 пар проводников, разделенных между собой, что уменьшает взаимное влияние, обеспечивает работу на частотах до 250 MHz, обмен данными на скорости до 1 Гбит/с со стометровым кабелем и 10 Гбит/с при его короткой длине (до 55 метров).

Улучшенные кабеля категории Сat6a состоит из 4 пар проводников, имеют экран (общий (F/UTP) или вокруг каждой пары — U/FTP). Они могут полноценно работать по стандарту 10GBase-T (со скоростью до 10 Гбит/с при длине до 100 м), максимальная частота — 500 МГц.

Кабеля седьмой категории (Сat7) имеют высокую помехозащищенность благодаря обязательному наличию общего экрана, плюс экранировку каждой витой пары. Они обеспечивают скорость передачи данных до 10 Гбит/с, граничная частота работы — до 600 мегагерц. Основным отличием от шетсой категории является использование новых типов коннекторов (ARJ-45, GG-45 и TERA).

Модифицированная версия кабеля Сat7a имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары (F/FTP или S/FTP), работает на частотах, повышенных до 1000-1200 MHz. При длине кабеля до 55 метров может обеспечиваться скорость обмена данными до 40 Гбит/с, а на расстоянии до 15 метров — кратковременно до 100 Гбит/с.

Кабеля восьмой категории (Сat8/8.1) работают по стандарту 25GBase-T Ethernet со скоростью до 25 Гбит/с при длине до 100 метров, рабочая частота до 2000 мегагерц. При длине кабеля до 33 метров они могут работать со скоростью до 40 Гбит/с.

Кабель категории Cat8.2, в отличие от Cat 8.1 имеет большую стойкость к помехам, не поддерживает разъемы RJ-45. Обеспечивает скорость передачи данных до 40 Гбит/с на расстояние до 100 метров.

Виды экранировки кабелей с витой парой (без экрана, с фольгированным экраном, а также с общим экраном и отдельной экранировкой каждой пары (PiMF)):

В зависимости от конструкции/экранировки различают следующие виды кабеля:

UTP (Unshielded twisted pair) – самый дешевый кабель без экранирования от помех:

FTP (Foiled twisted pair) – улучшенный (по сравнению с UTP) кабель с одним общим экраном для всех пар фольгой:

STP (Shielded twisted pair) – LAN-кабель с экранированием каждой витой пары:

S/FTP (Shielded  Foiled twisted pair)  – кабель STP плюс общий экран из с экранирующей оплеткой:

S/STP (Screened shielded twisted pair) – STP плюс общий внешний экран.

U/STP (Unshielded Screened twisted pair) — кабель с экранированием каждой витой пары фольгой.

SF/UTP  (Screened Foiled Unshielded twisted pair) — экранированная витая пара с двумя внешними экранами из медной оплетки и фольги. Сами витые пары не экранированы:

Технические характеристики комvуникационных кабелей с витыми парами категорий 5E-7A:

Внешний вид кабелей конструкций F/UTP, F/FTP, U/FTP, S/FTP, SF/FTP и U/UTP:

Особенности конструкции распространенных типов кабелей, состоящих из витых пар:

По витым парам Ethernet-кабеля можно не только обмениваться данными, но и передавать питание для маломощных устройств (до 15.4 ватт). Для этого используется технология Power over Ethernet (PoE), обеспечивающая прохождение постоянного тока до 400 мА с вольтажом 48 вольт. Обычно для питания устройств по кабелю стандарта 100BASE-TX и новее (кабеля четвертого поколения и новее, имееющие четыре витых пары), используется свободная, незадействованная витая пара.

Технические особенности USB-кабелей разных стандартов

Учитывая схожесть конструкции Ethernet и USB-кабелей, их можно использовать для создания собственных нестандартных шнуров.

Основным отличием USB-кабеля от Ethernet-шнуров является наличие проводников, изначально предназначенных только для передачи постоянного тока напряжением 5 вольт.

Кабеля стандарта USB 1.0 могут обеспечивать обмен со скоростью до12 Mbit/sec (это соответствует Ethernet-кабелю третьего-четвертого поколения) и питать подключенное устройство постоянным напряжением номиналом 5V током до 500 мА.

Обмен данными в кабеле USB 2.0 осуществляется по одной неэкранированной витой паре. Кроме того, кабель имеет два проводника, по которым передается питающее напряжение номиналом 5 вольт током до 0.5A. Кабель защищен двойным экраном: оплеткой и фольгой, что теоретически позволяет обмениваться данными со скоростью до 480 Мбит/сек.

К сожалению, выпускается множество некачественных USB-кабелей второго поколения, реальная пропускная способность которых намного меньше заявленной. К тому же, по силовой линии в них стоят очень тонкие проводники, неспособные передавать нужный ток даже на небольшое расстояние. Именно поэтому длинные USB-удлинители обычно работают со сбоями.

Самодельный USB-шнур, сделанный из качественного Ethernet-кабеля будет работать намного лучше заводского USB-кабеля.

Например, если использовать Ethernet-кабель поколения Gen4 или лучше, который имеет четыре витых пары, одну из них можно задействовать для обмена данными, а оставшиеся три — соединить параллельно для передачи питающего напряжения. При этом, даже при большой длине шнура будет обеспечено высокое качество линии передачи данных и очень низкое сопротивление постоянному току.

USB-кабеля стандарта 3.0 (USB 3.1 Gen 1) и выше имеют более совершенную конструкцию, обеспечивающую скорость передачи до 5-10 Гбит/с (Ethernet-стандарт Gen6):

В них используется двойной экран, сигнал при подключении по стандарту 3.0 передается по двум экранированным витым парам. При соединении по стандарту второго поколения используется отдельная неэкранированная витая пара. Для питания подключенных по USB устройств (потребляемый ток до 0.9 A) используются еще два провода.

Всего при работе по стандарту USB 3.0 используется 9 проводников:

В кабелях стандарта USB 3.1 второго поколения для обмена данными используют 8 мини коаксиальных кабеля и одну экранированную витую пару, плюс провода питания:

Благодаря использованию коаксиала, кабель USB 3.1 Gen 2 может обеспечивать обмен данными со скоростью до 20 Гбит/с, что при длине в несколько метров соответствует кабелю Ethernet Gen6A и новее.

К недостаткам Ethernet-кабелей можно отнести значительно меньшую механическую прочность в сравнении с USB шнурами, поэтому их желательно использовать только в стационарных условиях.

Как самому изготовить качественный USB-кабель?

Учитывая технические особенности Ethernet и USB-кабелей можно сделать следующие выводы:

• Сборка USB- кабеля стандарта 2.0 на основе Ethernet-кабеля четвертого поколения или новее позволяет получить длинный (до 5-10 метров) USB-шнур с превосходными характеристиками, значительно превышающими возможности стандартов USB 1.0 и 2.0, как при обмене данными, так и при питании USB-устройств.
  

Для обмена данными можно использовать одну витую пару, остальные запараллелить и использовать в качестве питающих:

Оплетку Ethernet-кабеля нужно подпаять к корпусу USB-коннекторов, что увеличит помехозащищенность изготавливаемого кабеля.

• изготовить шнур стандарта USB 3.0 (3.1 Gen 1) или кабеля класса 3.1 Gen 2 значительно сложнее. Теоретически можно использовать Ethernet-кабель Gen6, либо Gen6A с экранировкой хотя бы двух сигнальных пар.
  

Две экранированные пары DIY-кабеля будут использоваться для обмена данными (StdA_SSRX- и +, StdA_SSTX- и +), их оплетку соединяют с общим сигнальным проводом (USB GND Drain), одна пара нужна для передачи питающего напряжения (GND-VCC), оставшиеся 2 провода — сигнальная линия (контакты D+ и D-). Наружную оплетку/экран кабеля нужно подпаять к корпусам USB-коннекторов. Теоретически максимальный ток такого кабеля будет ограничен 0.4А (так как по линии +5V имеется всего один провод), но на практике этот порог может быть и выше (все зависит от качества используемых проводов).

Повысить допустимый рабочий ток можно путем использования дополнительного кабеля, по которому будет подаваться питание. В случае использования еще одного Ethernet-кабеля его параллельно соединенные 4 витые пары смогут обеспечить суммарный ток до 1.6A! В основном кабеле появившиеся свободные провода можно закоммутировать на общий сигнальный провод (GND Drain), что увеличит помехоустойчивость канала связи. В случае использования дополнительного кабеля питания, при качественном изготовлении получившийся в итоге удлинитель должен превосходить по всем показателям самый лучший кабель USB 3.1 Gen 2 (по скорости передачи, величине тока и стоимости компонентов), правда, без сохранения совместимости с устаревшими стандартами USB 1.0, 1.1 и 2.0.

• если нужно изготовить зарядной USB-кабель, то можно использовать практически любой имеющийся Ethernet-кабель и USB-коннекторы второго поколения. Контакты Data+ и Data- при этом не задействуются, свободные проводники витых пар включаются в параллель, что позволяет получить неплохой высокотоковый кабель питания.