สายคู่บิดเกลียวแบบไม่มีฉนวนหุ้ม (UTP : Unshielded 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

• เขียว - ขาวเขียว
• ส้ม - ขาวส้ม
• น้ำเงิน - ขาวน้ำเงิน
• น้ำตาล - ขาวน้ำตาล

มาตรฐานสายสัญญาณสมาคมอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ 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

• Category 1/Class A : เป็นสายที่ใช้ในระบบโทรศัพท์อย่างเดียว โดยสายนี้ไม่สามารถใช้ในการส่ง ข้อมูลแบบดิจิตอลได้
• Category 2/Class B : เป็นสายที่รองรับแบนด์วิธได้ถึง 4 MHz ซึ่งทำให้สามารถส่งข้อมูลแบบดิจิตอล ได้ถึง 4 MHz ซึ่งจะประกอบด้วยสายคู่บิดเกลียวอยู่ 4 คู่
• Category 3/Class C : เป็นสายที่สามารถส่งข้อมูลได้ถึง 16 Mbps และมีสายคู่บิดเกลียวอยู่ 4 คู่
• Category 4 : ส่งข้อมูลได้ถึง 20 Mbps และมีสายคู่บิดเกลียวอยู่ 4 คู่
• Category 5/Class D : ส่งข้อมูลได้ถึง 100 Mbps และมีสายคู่บิดเกลียวอยู่ 4 คู่
• Category 5 Enhanced (5e) : มีคุณสมบัติเช่นเดียวกับ Cat 5 แต่มีคุณภาพของสายที่ดีกว่า เพื่อรองรับการส่งข้อมูลแบบฟูลล์ดูเพล็กซ์ที่ 1,000 Mbps ซึ่งใช้4 คู่สาย
• Category 6/Class E : ส่งข้อมูลได้ถึง 10,000 Mbps รองรับแบนด์วิธได้ถึง 250 MHz
• Category 7/Class F : รองรบแบนด์วิธได้ถึง 600 MHz และกำลังอยู่ในระหว่างการวิจัย

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

• Maximum Frequency คือค่าความถี่ของสัญญาณในสายสัญญาณ ค่าสูงดีกว่า แสดงถึงความสามารถในการ รองรับความถี่ที่สูงกว่า
• Attenuation เป็นค่าการลดทอนของสัญญาณในสายสัญญาณ ค่าที่ต่ำกว่าจะดีกว่า แต่จากตาราง สาย UTP CAT6 จะสูงกว่า UTP CAT5 และ UTP CAT5e เนื่องจากเป็นการกำหนดที่ความถี่สูงสุดของสายสัญญาณ คือ 250 MHz ของ UTP CAT6 ในขณะที่ UTP CAT5 และ CAT5e กำหนดจากความถี่ที่ 100 MHz
• NEXT (Near-end Crosstalk) เป็นค่าสัญญาณรบกวน (Crosstalk)ที่เกิดจากคู่สายที่ใช้ส่งสัญญาณอีกคู่ ต่อคู่ ที่ใช้ส่งสัญญาณที่ทำการวัด มีหน่วยเป็นเดซิเบล ค่าที่สูงหมายถึงสายสัญญาณคู่ที่วัดค่านี้ สามารถรองรับต่อ Crosstalk ที่เกิดได้ดีกว่า
• PS-NEXT (Power Sun NEXT) เป็นค่าสัญญาณรบกวนจากการใช้สายสัญญาณครบทั้งสี่คู่ โดยวัดสัญญาณ รบกวนที่เกิดจากสายสัญญาณในอีก 3 คู่ ที่เกิดต่อสายคู่ที่วัดสัญญาณ เป็นค่าที่ใช้ทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่า สายสัญญาณทั้งสี่คู่ สามารถใช้งานพร้อมกันได้โดยไม่ก่อสัญญาณรบกวนระหว่างกันมากเกินไป
• ELFEXT (Equal Level FEXT) เป็นค่าการลดทอนของสัญญาณที่เกิดจาก Crosstalk ค่าที่ต่ำแสดงอัตราการ สูญเสียข้อมูลที่สูงกว่าค่ามาก
• PSELFEXT (Power Sum ELFEXT) เป็นค่า FEXT ที่วัดจากสายสัญญาณทั้งสี่คู่
• ACR เป็นค่าที่ใช้บอกความคุณภาพของสายสัญญาณในการรองรับการส่งข้อมูล วัดจากอัตราส่วนระหว่าง การลดทอนของสัญญาณ กับค่า crosstalk ค่าที่สูงบอกถึงความสามารถในการรองรับ Bandwidth ที่มากกว่า
• PSACR เป็นค่า ACR ที่วัดจากสายสัญญาณทั้ง 4 เส้น จากตาราง จะพบว่า ค่า ACR และ PSACR ของสาย UTP CAT 6 จะต่ำกว่า UTP CAT5 และ CAT 5e เนื่องจากเป็นการกำหนดที่ความถี่สูงสุดของสายสัญญาณ คือ 250 MHz ของ UTP CAT6 ในขณะที่ UTP CAT5 และ CAT5e กำหนดจากความถี่ที่ 100 MHz
• Return Loss เป็นค่าอัตราส่วนการสะท้อนกลับของสัญญาณในสายจากปลายทาง ซึ่งจะขัดขวางการส่ง สัญญาณในสาย ทำให้สัญญาณในสายหาย สำหรับทั้ง UTP CAT5 , 5e, 6 กำหนดไว้ไกล้เคียงกัน โดยค่าที่ มากกว่า จะมีประสิทธิภาพดีกว่า
• Propagation Delay เป็นระยะเวลาที่สัญญาณเดินทางอยู่ในสายสัญญาณจากจุดหนึ่ง ไปอีกจุด โดยมาตรฐาน EIA/TIA กำหนดให้ไม่เกิน 548 nsec ต่อระยะทาง 100 เมตร ในสาย UTP CAT5 , 5e และ 546 nsec ในสาย UTP CAT6
• Delay Skew เป็นค่าบอกความแตกต่างของเวลาระหว่างสัญญาณในคู่สายสัญญาณที่เร็วที่สุด กับที่ช้าที่สุดใน สาย UTP เนื่องจากสัญญาณอาจเดินทางมาถึงปลายทางไม่พร้อมกัน ค่าสูงสุดกำหนดให้ไม่เกิน 50 nsec

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)