สายคู่บิดเกลียว (Twisted Pair Wire)

เป็นสายชนิดที่ได้รับความนิยมสูงสุดในการนำมาใช้งานตามห้องปฏิบัติการคอมพิวเตอร์ทั่วไป รวมทั้งตามสำนักงานต่างๆ สายชนิดนี้ได้ชื่อมาจากลักษณะองค์ประกอบภายในของสาย ที่เป็นสายลวดทองแดงสองเส้นนำมาพันเกลียวเข้าด้วยกันเพื่อทำให้เกิดเป็นสนามแม่เหล็ก ซึ่งใช้เป็นเสมือนเกราะสำหรับป้องกันสัญญาณรบกวนทั่วไปได้ในตัวเอง จำนวนรอบหรือความถี่ ในการพันเกลียว เช่น พันเกลียว 10 รอบต่อความยาว 1 ฟุต นั้นมีผลโดยตรงต่อกำลังของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น ถ้าจำนวนรอบสูงก็จะทำให้สนามแม่เหล็กมีกำลังแรงขึ้น สามารถป้องกัน สัญญาณรบกวนได้ดีขึ้น แต่ก็ทำให้สิ้นเปลืองสายมากขึ้น แต่ถ้าจำนวนรอบต่ำ ก็จะเกิดสนามแม่เหล็กกำลังอ่อน ซึ่งป้องกันสัญญาณรบกวนได้น้อยลงก็ใช้สายเปลืองน้อยลงเช่นกัน โดยทั่วไปแล้วสายชนิดนี้จึงมีคุณสมบัติในการป้องกันสัญญาณรบกวนได้ดีกว่าสายที่ไม่มีการ พันเกลียวเลยบริเวณแกน (Core) ของสายคู่บิดเกลียว สายคู่บิดเกลียว ประกอบด้วยสายทองแดงจำนวนหนึ่ง หรือหลายคู่สาย ห่อหุ้มสายด้วยฉนวนบางๆ เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการลัดวงจร แล้วนำมาพันเกลียวเข้าด้วยกันเป็นคู่ ทุกคู่จะถูกห่อหุ้มฉนวนอีกชั้นหนึ่งรวมกันเป็นสายขนาดใหญ่เพียงสายเดียว สายคู่บิดเกลียวแบ่งออกเป็นสองประเภทคือ

  1. แบบไม่มีฉนวนหุ้ม (UTP : Unshielded Twisted Pair)
  2. แบบมีฉนวนหุ้ม (STP : Shielded Twisted Pair)

สายคู่บิดเกลียวแบบไม่มีฉนวนหุ้ม (UTP : Unshielded Twisted Pair)
สาย UTP เป็นสายที่พบเห็นกันมาก มักจะใช้เชื่อมโยงคอมพิวเตอร์ไปยังอุปกรณ์สื่อสารตามมาตรฐานที่กำหนด สำหรับสายประเภทนี้จะมีความยาวของสายในการเชื่อมต่อได้ไม่เกิน 100 เมตร และสาย UTP มีจำนวนสายบิดเกลียวภายใน 4 คู่ คู่สายในสายคู่ตีเกลียวไม่หุ้มฉนวนคล้ายสายโทรศัพท์ มีหลายเส้นซึ่งแต่ละเส้นก็จะมีสีแตกต่างกัน และตลอดทั้งสายนั้นจะถูกหุ้มด้วยพลาสติก (Plastic Cover) ปัจจุบันเป็นสายที่ได้รับความนิยมมากที่สุด เนื่องจากราคาถูกและติดตั้งได้ง่าย แสดงดังรูป

รูปแสดงสายคู่บิดเกลียวแบบไม่มีฉนวนหุ้ม (UTP : Unshielded Twisted Pair)

สาย UTP จะมีสายสัญญาณอยู่จำนวน 4 คู่ 8 เส้น ประกอบด้วย

มาตรฐานสายสัญญาณ
สมาคมอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ หรือ EIA (Electronics Industries Association) และสมาคมอุตสาหกรรมโทรคมนาคม หรือ TIA (Telecommunication Industries Association) ได้ร่วมกันกำหนดมาตรฐาน EIA/TIA 568 ซึ่งเป็นมาตรฐานที่ใช้ในการผลิตสาย UTP โดยมาตรฐานนี้ได้แบ่งประเภทของสายออกเป็นหลายประเภทโดยแต่ละประเภทเรียกว่า Category N โดย N คือหมายเลขที่บอกประเภท ส่วนสถาบันมาตรฐานนานาชาติ (International Organization for Standardization) ได้กำหนดมาตรฐานนี้เช่นกัน โดยจะเรียกสายแต่ละประเภทเป็น Class A-F คุณสมบัติทั่วไปของสายแต่ละประเภทเป็นดังนี้

สาย UTP CAT3 นิยมใช้กับเครือข่าย LAN ตามมาตรฐาน IEEE 802.3 ทำงานที่ความเร็ว 10 Mbps โดยในการใช้งานจริง จะใช้เพียงสองคู่เท่านั้น ได้แก่คู่สีส้มและสีเขียว มาตรฐาน CAT3 ไม่สามารถรองรับการใช้งานกับเครือข่าย Fast Ethernet ความเร็ว 100 Mbps ได้ ดังนั้นในมาตรฐานนี้จึงต้องใช้สาย UTP CAT5 แทน สำหรับมาตรฐาน Fast Ethernet จะมีการใช้งานเพียงสองคู่เช่นเดียวกับ CAT3 เมื่อมาตรฐานความเร็วของเครือข่าย LAN เพิ่มขึ้นเป็น 1000 Mbps นั้น สาย UTP CAT5 ธรรมดา ไม่เหมาะสมที่จะรองรับการใช้งานที่ความเร็วขนาดนี้ โดยคงระยะสายประมาณ 100 เมตรได้ จึงต้องใช้สาย UTP CAT5e ซึ่งมีการป้องกันสัญญาณรบกวนได้ดีกว่า ทำให้สามารถรองรับการส่งข้อมูลที่ความเร็ว 1000 Mbps ที่ความยาว 100 เมตรได้ แต่ในมาตรฐาน 1000 Mbps นั้น การรับส่งข้อมูลภายในสายสัญญาณ จะใช้ครบทั้งสี่คู่

ปัจจัยที่ใช้กำหนดคุณภาพของสายสัญญาณ

ผู้ผลิตสาย UTP แต่ละ Category ต้องผลิตสายสัญญาณให้ได้คุณภาพขั้นต่ำตามที่กำหนดไว้ในมาตรฐาน ANSI/EIA/TIA-568-B (568-B.2 (Category 5e) และ 568.B.2-1 (category 6)) ซึ่งกำหนดค่าต่าง ๆ ในสาย UTP ดังนี้

Parameter dB
CAT5
CAT5e
CAT6
Minimum Frequency (สูงสุด) 100 MHz 100 MHz 250 MHz
Attenuation (สูงสุด) 24 dB 24 dB 36 dB
NEXT (ต่ำสุด) 27.1 dB 30.1 dB 33.1 dB
PS-NEXT(ต่ำสุด) N/A 27.1 dB 33.2 dB
ELFEXT(ต่ำสุด) 17 dB 17.4 dB 17.3 dB
PS-ELFEXT(ต่ำสุด) 14.4 dB 14.4 dB 12.3 dB
ACR(ต่ำสุด) 3.1 dB 6.1 dB -2.9 dB
PS-ACR(ต่ำสุด) N/B 3.1 dB -5.8 dB
Return Loss(ต่ำสุด) 8 dB 10 dB 8 dB
Propagation Delay (สูงสุด) 548 nsec 548 nsec 546 nsec
Delay Skew (สูงสุด) 50 nsec 50 nsec 50 nsec

ตารางแสดงข้อกำหนดคุณสมบัติของสาย UTP

คุณสมบัติของสาย UTP ที่ใช้ในการออกแบบ
ขนาดของสาย UTP เมื่อวัดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกควรมีขนาดน้อยกว่า 0.25 นิ้ว หรือ 6.35 มิลลิเมตร โดยสายแต่ละเส้น ทนแรงดึงได้มากกว่า 400 นิวตัน คุณสมบัติในเรื่องการดัดโค้งของ สายมีรัศมีความโค้งได้เท่ากับ 1 นิ้ว ความต้านทานของสายตามมาตรฐานกำหนดไว้ โดยวัดที่ความยาว 100 เมตร ต้องมีความต้านทานไม่เกิน 9.38 โอห์ม (ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส) ความต้านทานของสายแต่ละคู่จะต้องต่างกันไม่เกินกว่า 5% คุณสมบัติทางด้านการเหนี่ยวนำร่วมของสายตัวนำให้เกิดคุณสมบัติเป็นตัวเก็บประจุเมื่อวัดที่ความถึ่ 1 กิโลเฮิรตซ์ อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส ไม่ควรเกินกว่า 6.6 นาโนฟารัด ที่ความยาว 100 เมตร สำหรับสาย UTP CAT3 หากเป็นสาย UTP 4 และ 5 ควรมีค่าความจุไม่เกิน 5.6 นาโนฟารัด ค่าความจุของตัวเก็บประจุของแต่ละสาย เมื่อเทียบกับกราวน์ และวัดที่ความถี่ 1 กิโลเฮิรตซ์ มีค่าไม่เกินกว่า 330 PF ต่อความยาว 100 เมตร ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส ค่าลักษณะสมบัติอิมพีแดนซ์ของสาย UTP เป็นสิ่งที่มีความสำคัญ ค่านี้จะเกี่ยวกับการสะท้อนของสัญญาณ ถ้าการเชื่อมโยงไม่แมตซ์กันคุณสมบัติของสาย UTP ในเรื่องลักษณะสมบัติอิมพีแดซ์นี้มีค่า 100 โอห์ม +- 15 % ที่วัดที่ความถี่ 1 MHz จนถึงความถี่สูงสุดของสายที่ยอมรับในขอบเขตการใช้งาน เมื่อใช้งานสาย UTP ที่ความถี่สูงจะมีคุณสมบัติการสะท้อนกลับของสัญญาณหากไม่มีการแมตซ์ที่ปลายสาย ทำให้สัญญาณสะท้อนกลับเป็นตัวบั่นทอนสัญญาณให้เล็กลง การบั่นทอนในเรื่องนี้ เราเรียกว่า SRL-Structure Return Lose

ตารางแสดงคุณสมบัติ SRL ของสาย UTP ที่ใช้เป็นสายแนวราบ

ความถี่(f)
CAT3 (dB)
CAT4 (dB)
CAT5 (dB)
1-10 MHz 12 21 23
10-16 MHz 12-10 log(f/10) 21-10 log(f/10) 23 -
16-20 MHz - 21-10 log(f/10) 23 -
20-100 MHz - - 23-10 log(d/20)
* f คือความถี่ใช้งาน

อัตราการบั่นทอนของสาย
การบั่นทอนสัญญาณของสาย UTP ขึ้นอยู่กับความถี่ที่ใช้งานถ้าการบั่นทอนคือค่าที่ทำให้สัญญาณลดต่ำลง ซึ่งค่าบั่นทอนนี้ขึ้นอยู่กับความถี่ที่ใช้งานโดยวัดที่ความยาวสาย 100 เมตร ตามมาตรฐานวัดที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียสซึ่งปกติค่าคงที่ที่วัดได้ควรจะได้น้อยกว่าค่าที่คำนวณได้จากสูตร

อัตราการบั่นทอน (f) <= k1 sqrt(f)+k2f+k3/sqrt(f)

* ค่าความถี่ f มีค่าจาก 0.772 MHz จนถึงค่าความถี่สูงสุดของข้อกำหนดของสายแต่ละชนิด

ตารางแสดงค่า K

ชนิด

k1

k2

k3

สาย CAT3

2.320

0.238

0.000

สาย CAT4

2.050

0.043

0.057

สาย CAT5

1.967

0.023

0.050

* อัตราการบั่นทอนของสาย UTP ที่ใช้ในแนวราบ คิดที่ 100 เมตร อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส

การครอสทอร์คที่ใกล้ปลายสาย
(NEXT - Near End Crosstalk Loss) เป็นการเหนี่ยวนำของสัญญาณจากเส้นหนึ่ง ไปยังอีกเส้นหนึ่งมีลักษณะที่สัญญาณเหมือนกับสัญญาณวิ่งเข้าหากัน NEXT มีค่าไปตามสูตร

NEXT (f)>= NEXT(0.772)-15 log(f/0.772)

* ค่าของการเหนี่ยวนำให้เกิดการครอสทอร์คนี้จะมีขนาดลดลงเมื่อความถี่สูงขึ้น

ข้อดีของสาย UTP
- ราคาถูก
- ติดตั้งง่ายเนื่องจากน้ำหนักเบา
- มีความยืดหยุ่น และสามารถโค้งงอได้มาก

ข้อเสียของสาย UTP
- ไม่เหมาะในการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่ห่างไกลมาก เพราะสัญญาณที่วิ่งบนสายจะถูกลดทอนลงไปตามความยาวของสาย (มีความยาวของสายในการเชื่อมต่อได้ไม่เกิน 100 เมตร)

สายคู่บิดเกลียวแบบมีฉนวนหุ้ม (STP : Shielded Twisted Pair)
สายสัญญาณ STP มีการนำสายคู่พันเกลียวมารวมอยู่และมีการเพิ่มฉนวนป้องกันสัญญาณรบกวน ซึ่งร่างแหนี้จะมีคุณสมบัติเป็นเกราะในการป้องกันสัญญาณรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆ เรียกเกราะนี้ว่า ชิลด์ (Shield) และเป็นสายสัญญาณที่ได้รับการพัฒนาต่อจากสาย UTP โดยเพิ่มการชีลด์กันสัญญาณรบกวนเพื่อทำให้คุณสมบัติโดยรวมของสัญญาณดีมากขึ้น คุณลักษณะของสาย STP ก็เหมือนกับสาย UTP คือมีเรื่องเกี่ยวกับอัตราการบั่นทอนครอสทอร์ก

 

รูปแสดงสายคู่บิดเกลียวแบบมีฉนวนหุ้ม (STP : Shielded Twisted Pair)

ข้อดีของสาย STP
- ส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูงกว่า UTP
- ป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และคลื่นวิทยุ

ข้อเสียของสาย STP
- มีขนาดใหญ่และไม่ค่อยยืดหยุ่นในการงอพับสายมากนัก
- ราคาแพงกว่าสาย UTP


แหล่งอ้างอิง
http://www.dcs.cmru.ac.th
เจาะระบบ Network ฉบับสมบูรณ์
การสื่อสารข้อมูลและเครือข่ายคอมพิวเตอร์