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    Cavi Cat 5: perché effettuare l’upgrade

    Con i cavi di cablaggio strutturato, grazie all’utilizzo di processori sempre più potenti, è possibile distribuire segnali di vario genere: dall’audio al video, controlli compresi. La lunghezza massima per tratta può raggiungere anche i 300 metri.


    Volume: SIAV_04_12 - Pagine: da 22 a 26

    I cavi di Categoria 5, meglio conosciuti con l’abbreviazione Cat 5, disponibili nelle versioni evolute 5e, 6 e 7, consentono all’installatore di realizzare un collegamento più semplice dei classici cavi segnali, per veicolare in un’installazione qualsiasi tipologia di servizio.
    Inoltre, possono essere più facilmente utilizzati per lunghe tratte di collegamento, mantenendo le prestazioni necessarie.
    Per questi motivi sono sempre più diffusi.
    I cavi Cat 5 rappresentano perciò una soluzione economica e funzionale che, con la corretta installazione e la giusta tecnologia, può portare significativi miglioramenti ad un impianto audio, video o domotico.
    I recenti progressi tecnologici e le molte opzioni disponibili sul mercato, possono quindi far compiere all’impianto un salto di qualità.
    I cavi Cat 5 sono formati da 4 doppini twistati al fine di ridurre le interferenze fra i segnali presenti.
    Il doppino (twisted pair) è relativamente semplice da produrre e installare: per questo è largamente utilizzato in numerose tipologie di collegamento.
    Attualmente è uno dei sistemi di cablaggio meno costosi.
    Inventato nel 1920, prima del cavo coassiale, il doppino si è affermato come mezzo di connessione standard per applicazioni che necessitavano una ridotta larghezza di banda, come la telefonia e il telegrafo.
    L’invenzione della televisione, il cui segnale richiedeva un incremento della larghezza di banda, ha decretato la supremazia del cavo coassiale, grazie alla migliore immunità alle interferenze e alla banda passante più ampia.
    Attualmente, però, il doppino può essere utilizzato anche per applicazioni di connettività televisiva, HDTV e video PC, grazie alla disponibilità di processori potenti a basso costo, che compensano con efficacia le carenze fisiche del cavo, facendo del cavo Cat 5 una soluzione conveniente anche per distribuire audio, video e controlli, sia in abitazioni che uffici, negozi, strutture pubbliche, ecc.


    Fattori fondamentali: il segnale Video

    La distribuzione tradizionale di informazioni video (HDMI, Component, RGBHV, ecc.), audio, RS232 e infrarossi è diventata più facile e accessibile proprio grazie al doppino.
    Per capire i benefici del cavo Cat 5, esaminiamo innanzitutto gli aspetti tecnici. Il semplice diagramma di Figura 1 descrive come il balun (doppino) distribuisce i segnali senza introdurre rumore.
    Il balun (termine composto dalle parole balanced - unbalanced) è un dispositivo utilizzato, in particolare nella costruzione di antenne, per adattare due linee, una bilanciata e l’altra sbilanciata. Viene anche impiegato per collegare linee dotate di diversa impedenza e può essere considerato una forma semplificata di trasformatore. Il segnale viene inviato lungo il cavo in modo differenziato (uno dei conduttori del doppino conduce il segnale positivo mentre l’altro un segnale negativo o invertito).
    Nel ricevitore questi segnali sono sottratti l’uno all’altro con algoritmi matematici e poiché sono invertiti, nel segnale in uscita il processo di sottrazione genera il doppio dell’ampiezza:
    S - (- S) = 2S
    Il rumore introdotto dall’ambiente circostante non è ‘differenziale’.
    Il processo di sottrazione nel ricevitore cancella qualsiasi segnale non-differenziale, come il rumore che può aggiungersi nei cavi:
    N - N = 0
    Fondamentalmente, a causa della natura del doppino, il cavo Cat 5 è l’equivalente di una serie di induttanze e condensatori che formano un filtro passa basso, come si può vedere dalla Figura 2.
    La lunghezza del cavo Cat è proporzionale al numero di induttanze e condensatori presenti nel cavo stesso: più il cavo è lungo e maggiori sono le induttanze e i condensatori presenti.
    Ciò determina un maggiore l’effetto del filtraggio passa basso che si traduce nel seguente concetto: più lungo è il cavo, minore è la larghezza di banda.
    Dal momento che quest’ultima è direttamente responsabile della risoluzione nei confronti della distanza, la capacità di trasporto viene molto attenuata, come mostrato dalla linea rossa (performance Cat 5) in Figura 3.
    Ora, distribuire un segnale su cavo Cat 5, concepito per essere veicolato attraverso un cavo segnale dedicato, significa dover utilizzare un particolare convertitore, definito anch’esso balun. Come vedremo più avanti, sono disponibili diverse tipologie di convertitori (balun), ciascuna adeguata ad una situazione specifica.
    L’elettronica presente in questi convertitori, negli ultimi anni ha registrato un’evoluzione profonda e con lo sviluppo di nuovi chip, sempre più potenti e meno costosi, sono così migliorate le prestazioni dei convertitori (balun) e dei cavi Cat 5.
    L’elaborazione elettronica operata dai microprocessori compensa la perdita di segnale dovuta ad una diminuita larghezza di banda, permettendo di mantenere le performance.
    Questa correzione è rappresentata dalla linea blu (correzione al silicio) di Figura 3.
    Naturalmente, il risultato nella performance del sistema, la linea verde nel grafico, diventa dipendente da poche ma importantissime caratteristiche:
    – Qualità del cavo Cat 5;
    – Qualità della terminazione meccanica (crimpaggio) del connettore;
    – Fattori ambientali, come la temperatura e l’umidità, che incidono sul punto di terminazione.
    Numerosi convertitori (balun) disponibili in commercio offrono la possibilità di agire su un’equalizzazione manuale per adattare la correzione effettuata dai chip.
    L’installatore deve pertanto valutare l’immagine visualizzata sullo schermo per trovare la regolazione ottimale del segnale video, tenendo in considerazione i seguenti fattori, non sempre così scontati come appaiono:
    – Le immagini video usate per la calibrazione non sono standard e potrebbero non possedere le caratteristiche necessarie per ottenere regolazioni ottimali;
    – La distanza dal display potrebbe non essere adeguata per la calibrazione;
    – Problemi di vista o legati al livello di fatica fisica potrebbero impedire una calibrazione corretta.
    Per ottenere un buon quadro di riferimento, per la regolazione dell’equalizzazione di un adattatore video, pertanto, si raccomanda di usare un modello test standard, come ad esempio le barre colore SMPTE.
    Questi modelli di video test possono essere facilmente caricati anche su un laptop. I requisiti di larghezza di banda per la risoluzione XGA (1.024x786) sono equivalenti all’HDTV (1.280x720p o 1.920x1080i).
    Sono anche disponibili barre colore per soddisfare requisiti di più elevata qualità.



    Fattori fondamentali: il segnale Dati

    A livello fisico, i dati sono una combinazione di 0 e di 1, o impulsi, trasmessi ‘al’ e ‘dal’ dispositivo interessato.
    Quando i dati viaggiano su un doppino Cat 5 vengono degradati a causa della banda ristretta e dalla non-linearità del cavo, la stessa cosa avviene con il segnale video o altri segnali.
    La Figura 4 mostra la degradazione dei dati, a 5 Mbps, inviati attraverso un doppino di un cavo Cat 5 lungo circa 300 metri.
    Il diagramma di Figura 4a mostra la condizione del segnale dati all’inizio di un tratto di cavo Cat 5 lungo 300 metri, il diagramma 4b lo stesso segnale dati al termine del cavo.
    Come si può vedere, anche i dati degradati portano informazioni corrette e precise, tanto quanto ‘l’occhio’ dei dati nel ricevitore (si definisce così la figura creata sullo schermo dal movimento continuo di 0 e 1) presenta un’apertura sufficiente per riconoscere gli 0 e gli 1 (diagramma 4b).
    Con un’equalizzazione corretta e meno severa rispetto a quella implementata per un segnale video, i dati possono essere completamente recuperati, nonostante il degrado dovuto a lunghezze spinte.
    Ciò vale, ad esempio, per i controlli RS-232 o IR bidirezionali.



    Fattori fondamentali: il segnale Audio

    L’elevata qualità del canale dati offre l’opportunità di inviare anche l’audio digitale. Nei collegamenti standard, in un cavo Cat vengono utilizzate tre coppie per il flusso video e quindi resta solo una coppia a disposizione per inviare l’audio stereo, come flusso dati digitale. Vi sono soluzioni che prevedono l’impiego di due cavi Cat 5, per distribuire risoluzioni elevate, dove un cavo intero viene utilizzato per il video e il secondo per i dati.
    La Figura 5 mostra come il suono stereo - canale destro e sinistro - può essere digitalizzato (quantizzato) nel convertitore (balun) che trasmette il segnale.
    Questo processo consente un collegamento con la migliore qualità del suono e rimuove possibili imperfezioni che si possono accumulare lungo il cammino verso il modulo ricevitore del convertitore.
    Il percorso dell’audio può comprendere, se il produttore del balun lo considera, anche i dati PCM o AC3 compressi attraverso lo stesso doppino. Un ulteriore vantaggio per l’installatore.



    Differenti tipologie di convertitori (balun)

    Video e audio (analogico e digitale), dati bidirezionali di controllo: questi segnali possono essere distribuiti su 4 coppie di doppini per creare un’installazione audio-video di elevata qualità, utilizzando un unico cavo Cat.
    Come abbiamo già accennato, vi sono soluzioni anche a doppio cavo Cat 5.
    Sul mercato si possono trovare convertirori (balun) dotati di varie tecnologie, a prezzi differenti, che possiamo suddividere in tre categorie principali: passivi, attivi con calibrazione manuale dell’equalizzazione, attivi con autocalibrazione dell’equalizzazione.

    Balun passivi
    I balun passivi, in genere, sono i dispositivi più semplici ed economici per generare segnali differenziali per ognuna delle quattro coppie disponibili in un cavo Cat.
    Dal momento che non è prevista l’equalizzazione attiva del cavo, è meglio essere molto conservativi con le distanze.
    I vari produttori offrono differenti distanze massime: guardando al grafico della degradazione della risoluzione video in funzione della distanza (Figura 3), si raccomanda di non superare i 90 metri per la risoluzione 1080i o XGA per segnali VGA.
    I balun passivi offrono un’enorme flessibilità per vari tipi di segnali, se si hanno i dispositivi giusti, come trasmettitori e ricevitori reversibili con capacità di inviare dati bi-direzionali, sia audio che video.
    Nella maggioranza dei casi, il trasmettitore e il ricevitore sono la stessa unità, che non necessita di alimentazione, risultando uno strumento molto pratico per chi effettua l’installazione.
    Possono essere utilizzati cavi non schermati UTP (Unshielded Twisted Pair) o schermati STP (Shielded Twisted Pair).
    Si raccomanda l’uso di cavi STP per fornire una buona connessione di massa tra le sorgenti e il display.
    In aggiunta, ci sono convertitori (balun) passivi che possono offrire un collegamento di massa selezionabile, tra la terra del segnale sbilanciato e lo schermo del cavo STP, dando all’installatore la possibilità di utilizzare la connessione di terra per aiutare a rimuovere i fenomeni di loop.

    Balun attivi: calibrazione manuale dell’equalizzazione
    I balun attivi con calibrazione manuale dell’equalizzazione sono più costosi rispetto ai balun passivi, ma garantiscono una migliore qualità video e audio su un singolo cavo Cat 5, per distanze fino a 300 metri.
    Il video può essere di vari standard, analogico o digitale: dall’HDMI al composito, così come l’audio, analogico o digitale.
    Con questo tipo di balun, tre delle quattro coppie sono dedicate al video, lasciando la quarta coppia a disposizione per gli altri segnali.
    Per risoluzioni elevate, allo scopo di ridurre o eliminare del tutto la compressione, vengono anche utilizzati due cavi Cat.
    L’unico modo per inviare audio stereo di qualità su una coppia di conduttori è quindi convertire il segnale audio in digitale.
    Il trasmettitore e il ricevitore sono due entità differenti e, quindi, possono essere utilizzati solo per trasmettere o ricevere; entrambi sono generalmente muniti di alimentatore e richiedono la calibrazione manuale.
    Un’espressione tecnologica avanzata, costituita dallo standard HDBaseT, consente di utilizzare un cavo Cat 5 per distribuire segnali 1080p non compressi, compresi l’audio i controlli e una linea di alimentazione della potenza fino a 100W.

    Balun attivi manuali: alcune considerazioni
    - Si raccomanda di utilizzare il modello a barre di colore XGA per una buona calibrazione manuale di alta qualità, su lunghe distanze realizzate con cavi Cat 5;
    – Nel caso di cablaggi dalla lunghezza importante si raccomanda di usare cavi Cat 5 ‘skew free’ per eliminare, al termine della tratta, un eventuale ritardo tra le componenti colore; un difetto che si percepisce con la presenza di un arcobaleno sui bordi di quando si visualizzano immagini particolarmente contrastate;
    – Possono essere utilizzati cavi sia di tipo STP che UTP. Il cavo STP può offrire una maggiore qualità di reiezione del rumore per tratte molto lunghe. Inoltre, il cavo STP potrebbe contribuire a risolvere i problemi causati da ritorni di massa;
    – Su percorsi molto lunghi, la degradazione del segnale potrebbe avvenire dopo un lungo periodo di tempo, a causa della natura meccanica del crimpaggio del cavo Cat 5, oltre a possibili condizioni ambientali sfavorevoli. Si raccomanda di creare sempre una terminazione perfetta per cavi di estrema lunghezza e di utilizzare connettori di elevata qualità;
    – Queste soluzioni non forniscono i controlli aggiuntivi RS-232 e IR.

    Balun attivi con autocalibrazione dell’equalizzazione
    I balun attivi con autocalibrazione dell’equalizzazione del cavo sono più costosi rispetto ai balun passivi e ai balun regolabili manualmente. I balun auto-equalizzanti offrono ulteriori miglioramenti per le performance video e audio su cavi Cat 5, per tratte con lunghezza fino a 300 metri. I balun attivi hanno le stesse capacità dei balun manuali, dove il trasmettitore e il ricevitore sono alimentati e l’audio può anche essere inviato in formato mono analogico o stereo digitale. Con i balun attivi, il canale dati è in grado di gestire anche l’audio PCM e AC3.

    Balun attivi con autocalibrazione dell’equalizzazione: alcune considerazioni
    – Non c’è bisogno di effettuare alcuna procedura di calibrazione o di utilizzare uno specifico strumento; con l’uso dei balun attivi la calibrazione dovrebbe avvenire automaticamente;
    – Come per i balun manuali, si raccomanda l’uso di cavi Cat 5 ‘skew free’ per eliminare, al termine di una tratta di collegamento piuttosto lunga, i ritardi tra le componenti colore; – Possono essere utilizzati cavi STP o UTP. Il cavo STP può offrire una maggiore qualità di reiezione del rumore per i cavi molto lunghi. Inoltre, può aiutare a risolvere i problemi di loop della massa;
    – La funzione di auto-regolazione si prende cura della qualità della terminazione e dell’invecchiamento del cavo, operando automaticamente la compensazione per mantenere ottimali le performance. Cosa che, ovviamente, non deve sollevare l’installatore dall’eseguire terminazioni a regola d’arte;
    – Se la grande capacità dei dati è utilizzata in modo corretto, certi balun attivi possono distribuire, in aggiunta all’audio digitale, anche i segnali bidirezionali RS 232 e/o IR. Ciò può eliminare la necessità di collegamenti aggiuntivi.



    Conclusioni

    Quando si usa un cavo Cat 5 con i convertitori (balun) è sempre bene leggere con attenzione tutte le specifiche rese disponibili dal produttore.
    Utilizzando l’attuale tecnologia al silicio, i balun possono offrire numerose potenzialità per gestire molteplici opzioni di connettività. I balun passivi si possono convenientemente utilizzare quando si devono posare un numero elevato di tratte di cavo Cat 5, per installazioni complesse che devono soddisfare criteri di economicità.
    I balun attivi manuali sono da preferire se si ha bisogno di inviare solo video e audio su un cavo Cat 5 e non si necessita di controlli.
    Infine, i balun attivi con autocalibrazione danno la possibilità di operare in qualsiasi installazione, sia nelle nuove costruzioni sia in adattamenti successivi. Inoltre, offrono la possibilità di inviare video, audio e controlli su un singolo cavo Cat 5. Questa rappresenta quindi l’opzione migliore. In ogni caso, spetta sempre all’installatore decidere quale sia la soluzione ideale a seconda del tipo di installazione e delle richieste del proprio cliente.
    Si ringrazia Mike Tsinberg, Presidente di Key Digital Systems, per il contributo offerto.



    Mike Tsinberg

    Fondatore e presidente di Digital Key (http://www.keydigital.com), è titolare di 40 brevetti riferiti all’HDTV. Viene considerato il ‘padre’ del DVD, avendo contribuito allo sviluppo della tecnologia chiave che ha consentito la nascita del primo DVD (Digital Video Disk) basato su MPEG-2, ossia l’architettura e il software di sistema. Tsinberg ha vinto l’Emmy Award per lo sviluppo della tecnologia DVD. Nel 2009 è stato entrato a far parte della speciale classifica ‘Top 200 Pioneer HDTV’ stilata dall’Academy of Pioneer DTV (CEA). Tsingerb è SMPTE fellow.



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