ツイストペア

ツイストペアケーブルは、単一回路の2本の導体を、電磁両立性を向上させる目的で撚り合わせた通信ケーブルの一種です。単一導体または撚り合わせていない平衡ペアと比較すると、ツイストペアはペアからの電磁放射と隣接するペア間のクロストークを低減し、外部の電磁干渉の排除を改善します。これはアレクサンダー・グラハム・ベルによって発明されました。^[1]

ノイズ耐性を高めるために、ツイストペア ケーブルをシールドすることもできます。シールド付きのケーブルはシールド ツイストペア( STP )と呼ばれ、シールドなしのケーブルはシールドなしツイストペア( UTP ) と呼ばれます。

ツイストペアは平衡線路として使用でき、平衡回路の一部として、電界または磁界の結合によって線路に誘導されるノイズ電流の影響を大幅に低減できます。2 本のワイヤのそれぞれに誘導される電流がほぼ等しいという考え方です。ツイストにより、2 本のワイヤは平均して干渉源から同じ距離にあり、同じように影響を受けます。したがって、ノイズはコモンモード信号を生成しますが、受信機では差信号のみを検出することでこれをキャンセルできます。差信号は必要な信号です。

ノイズ源が信号線に近い場合、ツイストされていない線ではコモンモード除去が機能しなくなります。近い線ほどノイズと強く結合し、受信機はノイズを除去できなくなります。この問題は、同じケーブル内のペアが何マイルも隣り合って存在する通信ケーブルで特に顕著です。ペアをツイストすると、半ツイストごとにノイズ源に最も近い線が交換されるため、この効果が打ち消されます。干渉源が 1 回のツイストの距離にわたって均一であるか、ほぼ均一である場合、誘導ノイズはコモンモードのままになります。

ツイスト率（ツイストピッチとも呼ばれ、通常は1メートルあたりのツイスト数で定義されます）は、特定の種類のケーブルの仕様の一部を構成します。近くのペアのツイスト率が等しい場合、異なるペアの同じ導体が繰り返し隣り合うことがあり、ツイストの利点が部分的に失われます。このため、少なくともペア数が少ないケーブルでは、ツイスト率が異なる必要があることが一般的に指定されています。^[2]

シールド付きまたはフォイル付きのツイストペア (通常は S/FTP または F/UTP ケーブル シールド) とは対照的に、UTP ケーブルはシールドで囲まれていません。UTP は電話用途の主要なワイヤ タイプであり、コンピュータ ネットワークでは非常に一般的です。

最も初期の電話は、単線のアース帰路である電信線を使用していました。1880年代には多くの都市で路面電車が設置され、これらの回路にノイズを誘導しました。一部の国では、路面電車会社が既存の電信線の妨害の責任を負わされ、修復作業の費用を支払わなければなりませんでした。^[a]しかし、新しい設備では、最初から既存の路面電車に対する保護が必要でした。電話回線の干渉は、電信回線よりもさらに妨害的です。電話会社は平衡回路に切り替えましたが、これには減衰を減らすという付随的な利点があり、したがって範囲が広がりました。

電力供給がより一般的になるにつれ、この対策は不十分であることが判明しました。電柱の横木両側に張られた 2 本の電線が、電力線と経路を共有していました。数年のうちに電気の使用が増えて干渉が再び増加したため、技術者は干渉を打ち消すために電線転置と呼ばれる方法を考案しました。

電線転置では、電線は数極ごとに位置を交換します。このようにして、2 本の電線は電力線から同様のEMI を受け取ります。これはツイストの初期の実装を表し、ツイスト率は 1キロメートルあたり約 4 回、または 1マイルあたり約 6 回です。このような周期的な転置を伴うオープン ワイヤ バランス ラインは、今日でも一部の田舎の地域で残っています。

ツイストペアケーブルは、1881年にアレクサンダー・グラハム・ベルによって発明されました。 ^[4] 1900年までに、アメリカの電話網全体が、干渉を防ぐためにツイストペアまたは転置されたオープンワイヤになりました。今日、世界中の数百万キロメートルのツイストペアのほとんどは、電話会社が所有および管理し、音声サービスに使用されている屋外固定電話線です。

多くのイーサネットネットワークや電話システムでは、シールドなしツイストペア (UTP) ケーブルが使用されています。屋内電話アプリケーションでは、AT&T 社が最初に開発した標準の25 ペア カラー コードに従って、UTP は 25 ペアのセットにグループ化されることがよくあります。これらの色の典型的なサブセット (白/青、青/白、白/オレンジ、オレンジ/白) は、ほとんどの UTP ケーブルに見られます。ケーブルは通常、22 または 24 AWG (0.644 または 0.511 mm²) の銅線で作られており、 [ 5 ]^{色付きの絶縁体は通常、}ポリエチレンやFEPなどの絶縁体から作られ、パッケージ全体がポリエチレン ジャケットで覆われています。

数百または数千のペアを含む都市部の屋外電話ケーブルの場合、ケーブルは小さいながらも同一の束に分割されます。各束は異なるツイスト レートのツイスト ペアで構成されます。ケーブル内で同じツイスト レートを持つペアでも、ある程度のクロストークが発生する可能性があるためです。束は、さらに一緒にツイストされてケーブルを構成します。

UTP は、コンピュータ ネットワークで使用される最も一般的なケーブルでもあります。最も一般的なデータ ネットワーク標準である最新のイーサネットでは、UTP ケーブルを使用できますが、データ レートが増加すると、より高仕様の UTP ケーブルが必要になります。ツイストペア ケーブルは、光ファイバーや同軸ケーブルに比べてコストが比較的低いため、短距離および中距離の接続のデータ ネットワークでよく使用されます。

UTPケーブルの帯域幅がテレビ信号のベースバンドに一致するように改善されたため、UTPは現在、主にセキュリティカメラなどの一部のビデオアプリケーションで使用されています。^[6] UTPは平衡伝送線路であるため、BNCコネクタを使用し同軸ケーブル用に設計された 不平衡機器に接続するにはバランが必要です。

ツイストペア ケーブルには、電磁干渉を防ぐためにシールドが組み込まれている場合があります。シールドは、シールド外部の電磁波を減衰させる導電性バリアを提供します。また、シールドは、誘導電流を循環させて接地基準接続を介してソースに戻すことができる伝導パスも提供します。このようなシールドは、個々のペアまたはペアの集合に適用できます。シールドは、ホイルまたは編組ワイヤです。

シールドがペアの集合体に適用される場合、通常はスクリーニングと呼ばれますが、ベンダーや著者の間では、スクリーニング、シールド、STP（シールドツイストペア）などの用語の使用法は異なる場合があります。^{[7] [8]}

ISO/IEC 11801 :2002 (付録 E) は、 x/xTPという形式の明示的な 2 部構成の略語を使用して、ツイストペア (TP) ケーブルのさまざまなシールド指定を国際的に標準化しようとしています。ここで、最初のx はケーブル全体のシールドを示し、2 番目のx は個々のペアまたはクワッドのシールドを示します。各x は次のいずれかになります。

• Uはシールドなし、
• Sは編組シールド（外層のみ）および/または
• F はホイルシールドを表します。

シールド付きCat 5e、Cat 6/6A、Cat 8/8.1ケーブルは通常F/UTP構造ですが、シールド付きCat 7/7 _AおよびCat 8.2ケーブルはS/FTP構造を採用しています。^[9]

シールドは導電性であるため、接地経路としても機能します。フォイルシールドされたツイストペアケーブルには、シールドと電気的に接触するドレインワイヤと呼ばれる一体型接地ワイヤが付いている場合があります。ドレインワイヤの目的は、通常、丸型ワイヤの接続用に設計された端子に簡単に接続できるようにすることです。

一般的なシールド構造の種類は次のとおりです。

個人シールド（U/FTP）

各ツイストペアまたはクワッドにアルミホイルを使用した個別のシールド。一般的な名称：ペアインメタルフォイル（PiMF）、シールドツイストペア、スクリーンツイストペア、シールドペア。^[10]このタイプのシールドは、個々のペアへのEMIの出入りを防ぎ、隣接するペアをクロストークから保護します。

全体シールド（F/UTP、S/UTP、SF/UTP）

100 オームのツイストペア ケーブル内のすべてのペアに、全体を覆うフォイル、編組シールド、またはフォイルを編組したもの。一般的な名称: フォイル ツイストペア、シールド ツイストペア、スクリーン ツイストペア。このタイプのシールドは、EMI がケーブルに出入りするのを防ぐのに役立ちます。

個人および全体のシールド（F/FTP、S/FTP、SF/FTP）

ケーブル内のツイストペアごとにフォイルを使用した個別のシールド、および外側のフォイルまたは編組シールド。一般的な名前: 完全シールド ツイストペア、スクリーン フォイル ツイストペア、シールド フォイル ツイストペア、スクリーン シールド ツイストペア、シールド スクリーン ツイストペア。このタイプのシールドは、ケーブルへの EMI の出入りを防ぎ、隣接するペアをクロストークから保護します。

シールドツイストペアの初期の例としてはIBM STP-Aがある。これは1985年にIBM配線システム仕様で定義された2対150オームのS/FTPケーブルで、トークンリングやFDDIネットワークで使用されていた。^{[7] [11]}

デジタル通信とイーサネットが普及する前は、電話ケーブルの国際規格は存在しなかった。規格は国家レベルで設定されていた。例えば、英国では郵便局がCW1293とCW1308ケーブルを規定していた。CW1308は以前のCW1293と同様の規格であったが、カラーコードが改良されていた。CW1293はコアにほとんど単色を使用していたため、大量のシースを剥がさなければ、どのペアでツイストされているかを識別するのが困難であった。この問題を解決するために、CW1308では、ベースカラーの上にペアカラーの細いリングが印刷されている。どちらのケーブルも、カテゴリ3ケーブルと同様の規格である。^{[12] [13]}カテゴリ3から7までのケーブルには、4つのツイストペアがある。^[14]

ポリエチレンやその他のプラスチックが絶縁体として一般的に使用されるようになる前は、電話用ツイストペアケーブルは、銅にワックスを塗ったワックス紙または綿で絶縁されていました。このタイプのケーブルの全体的なシースは鉛で覆われているのが普通です。このタイプのケーブルは、電話が発明されて間もない19世紀後半に使用されるようになりました。^[15]端末ボックス内のケーブル端末は、紙絶縁体の絶縁特性を著しく低下させる水分の侵入を防ぐため、溶融ワックスまたは樹脂で密封されていました。^[16]しかし、このような密封により、将来の保守や変更が困難になりました。これらのケーブルはもはや製造されていませんが、古い建物やさまざまな屋外エリア、一般的には田舎の村で、今でも時折見かけます。

負荷ツイストペアは意図的にインダクタンスを追加したもので、以前は通信回線で一般的に使用されていました。追加されたインダクタは負荷コイルと呼ばれ、音声帯域周波数の減衰を減らしますが、高周波数では減衰を増やします。負荷コイルは、非常に長い回線での音声帯域の歪みを減らします。^[22]この文脈では、負荷コイルのない回線は無負荷回線と呼ばれます。

結合ツイストペアは、各ペアの2本のワイヤがケーブルの長さにわたって結合されている構造のバリエーションです。ベルデンが先駆けて開発したこの方法は、設置中および設置後に構成の一貫性を確保することを目的としています。主な利点の1つは、ケーブルのノイズ耐性性能が、乱暴に扱われる可能性があるにもかかわらず保護されることです。^[23]強化された性能は不必要な場合があり、結合によりケーブルの柔軟性が低下し、曲げられた部分で故障しやすくなります。^[24]

ツイストリボンケーブルは、隣接する導体のペアが結合され、ねじれている標準リボンケーブルの変形です。ツイストペアはリボン形式で互いに軽く結合されています。リボンに沿って定期的にねじれのない短いセクションがあり、通常のリボンケーブルIDC技術を使用してコネクタを接続できます。^[25]

ソリッドコアケーブルでは、導体ごとに1本のソリッドワイヤが使用され、4対ケーブルでは合計8本のソリッドワイヤが使用されます。^[18] 撚線ケーブルでは、各導体に複数のワイヤが巻き付けられており、導体ごとに7本の撚り線がある4対ケーブルでは、合計56本のワイヤ（対あたり2本×4対×7本の撚り線）が使用されます。^[18]

ソリッド コア ケーブルは、恒久的に設置された配線 (パーマネント リンク) 用です。撚り線ケーブルよりも柔軟性が低く、加工硬化により繰り返し曲げると故障しやすくなります。撚り線ケーブルは、導体のひび割れに強いため、パッチ パネルや壁面ポートからエンド デバイス (パッチ コードまたはドロップ ケーブル) への接続に使用されます。

コネクタは、単線と撚線では設計が異なります。間違ったケーブル タイプでコネクタを使用すると、ケーブルの信頼性が低下する可能性があります。単線と撚線用に設計されたプラグは簡単に入手でき、ベンダーによっては両方のタイプで使用できるように設計されたプラグも提供しています。パッチ パネルと壁ポート ジャックのパンチダウン ブロックは、単線ケーブル用に設計されています。これらは、絶縁体変位法によって機能します。この方法では、デバイスが絶縁体の側面を突き刺し、銅導体に「食い込んで」接続を形成します。パンチダウン ブロックは、ツイスト ペア ケーブルのパッチ パネルまたはブレークアウト ボックスとして使用されます。

ツイストペアには次のような有用な特性がある: ^[26]

• ケーブルに出入りする電気ノイズを防ぐことができます。
• クロストークが最小限に抑えられます。
• ネットワーク用途に利用できる最も安価なケーブル形式。
• 取り扱いや取り付けが簡単です。

ツイストペアには次の制限があります。

• 変形：ツイストペアの電磁干渉に対する感受性は、設置中にペアのツイスト構造がそのまま維持されるかどうかに大きく依存します。その結果、ツイストペアケーブルには通常、最大引張張力と最小曲げ半径に関する厳しい要件があります。ツイストペアケーブルのこの脆弱性により、設置方法はケーブルの性能を確保する上で重要な部分になります。^[27]
• 遅延スキュー: ペア間のクロストークを最小限に抑えるために異なるツイストレートが使用されるため、ケーブル内の異なるペアは長さが異なり、遅延も異なります。これにより、複数のペアを使用してビデオ信号のコンポーネントを伝送する場合、画質が低下する可能性があります。この問題を軽減するために、低スキューケーブルが利用可能です。^{[28] [29]}
• 不平衡（平衡線を参照）：ペアの2本の線間の差により、コモンモードと差動モード間の結合が生じる可能性がある。線路差動からコモンモードへの変換により、コモンモード電流が発生し、外部干渉を引き起こし、他のペアにコモンモード信号を生成する可能性がある。コモンモードから差動モードへの変換により、他のペアまたは外部ソースからのコモンモード干渉から差動モード信号が生成される可能性がある。不平衡は、ペアの2本の導体間の非対称性、および他の線とシールドとの関係によって発生する可能性がある。非対称性の原因の一部は、導体の直径と絶縁体の厚さの差から生じる可能性がある。^{[b] [30]}

• ANSI/TIA-568
• バランスのとれたライン
• 銅線とケーブル
• ツイストペア経由イーサネット
• リッツ線
• 電話網のツイストペア線を接続するために使用される主配線盤
• 登録ジャック、ツイストペアのコネクタとしてよく使用される
• スタークワッドケーブルは干渉のキャンセルを強化
• チップとリング

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