伝播遅延と遅延スキュー

電気通信の専門家の中には、「伝播遅延」や「遅延スキュー」などの概念を聞くと、高校の物理の授業でのつらい思い出が思い出される人もいます。実際には、信号伝送に対する遅延と遅延スキューの影響は簡単に説明され、理解されます。

遅延は、あらゆる種類の伝送メディアに存在することが知られている特性です。伝播遅延は、信号が送信されてからケーブル チャネルのもう一方の端で受信されるまでに経過する時間に相当します。この効果は、電気信号が音よりはるかに速く伝わることを除けば、稲妻が落ちてから雷鳴が聞こえるまでの時間の遅れに似ています。ツイストペアケーブルの実際の遅延値は、公称伝播速度 (NVP)、長さ、および周波数の関数です。

NVP はケーブルに使用されている誘電体材料によって異なり、光速のパーセンテージで表されます。たとえば、ほとんどのカテゴリ 5 ポリエチレン (FRPE) 構造の NVP 範囲は、完成したケーブルで測定した場合、0.65c ～ 0.70c (「c」は光の速度 ~3 x 108 m/s を表します) です。テフロン (FEP) ケーブルの構造の範囲は 0.69c ～ 0.73c ですが、PVC 製のケーブルの範囲は 0.60c ～ 0.64c です。

エンドツーエンドのケーブル長が増加すると、それに比例してエンドツーエンドの遅延も増加するのと同様に、NVP 値が低いと、特定のケーブル長に対して遅延が増加します。他のほとんどの送信パラメータと同様に、遅延値は周波数に依存します。

同じケーブル内の複数のペアが異なる遅延性能を示すと、結果として遅延スキューが発生します。遅延スキューは、遅延が最も少ないペアと遅延が最も多いペアの差を測定することによって決定されます。遅延スキュー性能に影響を与える要因には、導体の絶縁などの材料の選択や、ペア間のツイスト率の違いなどの物理設計が含まれます。

ケーブル伝播遅延

すべてのツイストペア ケーブルはある程度の遅延スキューを示しますが、NVP の変動やペア間の長さの違いを考慮して慎重に設計されたケーブルは、規格に準拠した水平チャネル構成で許容可能な遅延スキューを持ちます。遅延スキュー性能に悪影響を与える可能性のある特性には、不適切に設計された誘電体構造を備えたケーブルや、ペア間のツイスト レートが極端に異なるケーブルが含まれます。

伝播遅延と遅延スキューの性能は、適切な信号伝送を保証するために、最悪の場合の 100 m チャネル構成に対する一部のローカル エリア ネットワーク (LAN) 標準によって指定されています。過剰な遅延と遅延スキューに関連する伝送の問題には、ジッターとビット エラー レートの増加が含まれます。IEEE 802 シリーズ LAN 仕様に基づいて、カテゴリ 3、4、および 5 の 4 ペア ケーブルについて、最大伝播遅延 570 ns/100mat 1 MHz、および 100 MHz までの最大遅延スキュー 45 ns/100m が TIA によって検討されています。TIA ワーキング グループ TR41.8.1 は、ANSI/TIA/EIA-568-A に従って構築された 100 オームの水平リンクおよびチャネルの伝播遅延と遅延スキューを評価するための要件の開発も検討しています。TIA 委員会「レター投票」TR-41:94-4 (PN-3772) の結果、1996 年 9 月の会議中に、リリース前に修正草案に関する「業界投票」を発行することが決定されました。追加の遅延/遅延スキュー要件についてテストされたケーブルとテストされていないケーブルの違いを反映するために、カテゴリの指定が変更されるかどうか (カテゴリ 5.1 など) の問題はまだ未解決です。

伝播遅延と遅延スキューは大きな注目を集めていますが、ほとんどの LAN アプリケーションにとって最も重要なケーブル パフォーマンスの問題は依然として減衰対クロストーク比 (ACR) であることに注意することが重要です。ACR マージンは S/N 比を改善し、それによってビット エラーの発生率を減らしますが、システム パフォーマンスは、大幅な遅延スキュー マージンを持つチャネルの配線によって直接影響を受けることはありません。たとえば、最大 50 ns の遅延スキューを許容するように設計されたシステムでは、ケーブル配線チャネルの 15 ns の遅延スキューは、通常、45 ns よりも優れたネットワーク パフォーマンスにはなりません。

このため、大幅な遅延スキュー マージンを持つケーブルを使用することは、他のチャネルと比較してシステム パフォーマンスが向上するという保証よりも、設置方法やその他の要因によって遅延スキューが限界を超える可能性があることに対する保険としての価値が高くなります。システム遅延スキュー制限を数ナノ秒だけ満たすだけです。

異なるペアに異なる誘電体材料を使用するケーブルは遅延スキューの問題を引き起こすことが判明しているため、ケーブル構造における混合誘電体材料の使用について最近論争が巻き起こっています。「2 by 2」（誘電体材料「A」のペアが 2 つと、材料「B」のペアが 2 つあるケーブル）や「4 by 0」（4 つのペアすべてが材料 A または材料 B で作られたケーブル）などの用語) は、ケーブルよりも木材を連想させるもので、誘電体構造を説明するために使用されることがあります。

単一タイプの誘電体材料を備えた構造のみが許容可能な遅延スキュー性能を示すと誤解させる可能性のある商業的な誇大広告にもかかわらず、実際には、1 種類の誘電体材料または複数の誘電体材料を備えた適切に設計されたケーブルは、アプリケーション標準によって指定されている最も厳しいチャネル遅延スキュー要件と、TIA によって検討されている要件。

状況によっては、混合誘電体構造を使用して、ツイスト レートの違いから生じる遅延スキューの差を相殺することもできます。図 1 と 2 は、ランダムに選択された「2 by 2」(FRPE/FEP) 構造の 100 メートルのケーブル サンプルから得られた代表的な遅延値とスキュー値を示しています。このサンプルの最大伝播遅延と遅延スキューは、1 MHz ～ 100 MHz の周波数範囲でそれぞれ 511 ns/100 ns と 34 ns であることに注意してください。