ツイストペアケーブル

ツイストペアケーブルとは

ツイストペアケーブル（Twisted pair cable）は、2本の電線を対にして撚り合わせたケーブルです。この撚り合わせが、外部ノイズの影響を軽減する重要な役割を果たしています。別名、撚り対線（よりついせん）やTPケーブルとも呼ばれます。

概要

ツイストペアケーブルは、平衡接続という方式を採用しており、これにより外部ノイズへの耐性を高めています。平衡接続では、通常、差動信号を使用します。送信側は、2本の配線に互いに逆位相の信号を送り、受信側はこれらの信号の差分を検出します。外部からのノイズは両方の配線にほぼ等しく影響するため、受信側で差分を検出することにより、ノイズを打ち消すことができます。しかし、撚られていない配線では、ノイズ源に近い方の配線がより強い影響を受け、ノイズ除去の効果が薄れてしまいます。この不平衡は、複数の平衡配線が束になっている場合や、配線が長い場合に顕著に現れます。これを漏話（クロストーク）と呼びます。

ツイストペアケーブルでは、配線を撚り合わせることで、ノイズ源に近い配線が交互に入れ替わるようにし、両方の配線がノイズの影響を均一に受けるようにしています。これにより、ノイズの打ち消しが効果的に働き、電磁波の放射も減少させることができます。ケーブルの仕様には、1メートルあたりに何回撚られているかを示すツイスト率（ツイストピッチ）があり、隣り合ったペアのツイスト率を変えることで、ペア間の干渉をさらに防いでいます。

シールド材で覆われていないケーブルはUTP（シールド無しツイストペア）ケーブルと呼ばれ、電話線やネットワークなど、柔軟性が求められる用途に広く使われています。特に、イーサネットでは4対のツイストペアによる8本の銅線が用いられ、両端には8P8C（通称RJ-45）と呼ばれるコネクタが取り付けられています。

歴史

初期の電話回線では、電報線やオープンワイヤ片側接地回路が使われていました。しかし、路面電車の架線が普及すると、これらの回路にノイズが誘導されるようになりました。電話会社は、この問題を解決するために平衡回路に転換し、減衰の減少にも繋がりました。さらに、電力供給が一般的になると、電柱の上の2本のワイヤーが送配電線と経路を共有し、通話に妨害が起こるようになりました。そこで、技術者たちはワイヤトランスポジションという手法を考案し、一定間隔でワイヤの位置を入れ替えることで、ノイズの影響を均一化しました。これはツイストペア手法の初期の実装であり、ツイスト率はキロメートルあたり4回、またはマイルあたり6回でした。

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。1900年までに、アメリカの電話回線ネットワーク全体が、ツイストペアあるいはトランスポジションオープンワイヤによってノイズから保護されるようになりました。現在では、世界中で何百万キロメートルものツイストペアケーブルが使用され、電話会社が所有し、電気通信設備工事担任者などの資格を持つ技術者によって扱われています。

種類

ツイストペアケーブルは、シールドの有無によってUTPとSTPに分類されます。

シールドの有無による分類

- UTP（Unshielded Twisted Pair、シールドなしツイストペア）ケーブル

- シールドがないため、取り回しが簡単で安価です。電話線やイーサネットなどで広く使用されています。特に、高速伝送が求められないLAN用途に標準的に使用され、日本で一般に販売されているLANケーブルの多くはUTPケーブルです。

- STP（Shielded Twisted Pair、シールド付きツイストペア）ケーブル

- シールドが施されており、電磁干渉を防ぎ、ノイズ耐性を高めています。ツイストペアごとにシールドで覆ったケーブルは、FTP（Foiled Twisted Pair, 金属箔付きツイストペア）ケーブルと呼ばれます。工場内や野外、高速通信が必要な環境で使用されます。

シールドには、ケーブル全体を覆う外装シールドとツイストペア線を覆う内装シールドの2種類があります。ケーブルメーカーによって用語が異なる場合があるため、ISO/IEC 11801|ISO_IEC 11801ではシールド方式の仕様を標準化し、内外シールドを「/」区切りで明示的に表現しています。

- ケーブル全体を覆うシールド: 非シールド(U), 箔シールド(F), 網組シールド(S)
- ツイストペア線を覆うシールド: 非シールド(UTP), 箔シールド(FTP)

ペア線シールドを使用する場合は、接続機器への接地が必要です。RJ-45コネクタを用いる場合はケーブル全体のみをシールドするF/UTP構造が、GG45やTERAコネクタを用いる場合はケーブルとペアの両方を覆うS/FTP構造が使用されます。

STPケーブルは一般的にUTPケーブルよりも高価で、接地が難しいため用途が限定されます。また、ケーブルが太くなり、曲げ半径が制限されます。ただし、カテゴリ6A以上の高周波用U/UTPケーブルでは、漏話性能を満たすために内部セパレータが必要となり、S/FTPケーブルより太くなる場合があります。

カテゴリによる分類

ツイストペアケーブルは、転送速度に応じた周波数特性を満たすカテゴリに分類されます。カテゴリ1から8までがあり、ANSI/TIA-568やISO/IEC 11801|ISO_IEC 11801などで規格が定められています。カテゴリが上がるにつれて、ツイスト率が大きくなったり、シールドやセパレータが追加されたりするため、ケーブルが太く硬くなる傾向があります。

上位カテゴリのケーブルは下位カテゴリのケーブルの代替として使用できます。カテゴリはISDN時代には「レイヤー」と呼ばれていたこともあり、技術者によってはそう呼ぶ場合もあります。

カテゴリ5e以上のケーブルでは、IEC 61156のPart 5, 6に詳細が規定されています。カテゴリ5・6でも一重シールド(F/UTP)を実装したものがあり、カテゴリ7などでは二重シールド(S/FTPなど)が必須となっています。カテゴリ7, 7A, 8.2などのペア線シールドのあるケーブルでは、RJ-45に代わりTERA、GG45、ARJ45などのコネクタが使用されます。これらのコネクタは、ケーブルシールドを機器側コネクタに接続し、接地を確保します。

メーカー独自仕様

メーカーによっては、規格化されていない独自仕様のケーブルが販売されていることがあります。

- 「カテゴリ5相当」と表示された4対中2対しか結線されていないケーブル。100BASE-TXで使用できますが、1000BASE-Tでは使用できません。1990年代末ごろに販売されました。
- 「カテゴリ6e」と表示されたケーブル。規格名称としては存在しません。2000年代中盤に販売されました。
- 「カテゴリ7対応」と表示されたUTPケーブルやRJ-45コネクタ付きケーブル。カテゴリ7では二重シールドのあるSTPしか定義されておらず、終端にはGG45コネクタやTERAコネクタの使用のみが定義されています。RJ-45コネクタを使用するとシールドが接地されず、ノイズによる電波障害が発生する可能性があります。2000年代後半から販売されています。

性能

ツイストペアケーブルの性能は、ISO/IEC 11801|ISO_IEC 11801およびANSI/TIA-568で電気的特性として規定されています。反射損失、挿入損失、漏話、ループ抵抗、電流容量、耐電圧、伝搬遅延、不平衡損失などがカテゴリごとに定められています。ケーブルの特性インピーダンスは100Ωと規定されており、この値で終端して特性を評価します。ケーブルのテスト仕様はIEC 61156、接続機器のテスト仕様はIEC 60512-25を参照しています。

ツイストペアケーブルの技術的課題としては、ノイズ混入対策が挙げられます。

漏話（クロストーク）

他の導線を流れる信号が電磁誘導によってノイズとなる現象です。特に、1本のケーブルに複数のツイストペアを収めた場合、内部ノイズの大きな原因となります。周波数が高くなるほど漏話が発生しやすくなります。近端漏話（NEXT）と遠端漏話（FEXT）があり、挿入損失に対するこれらの漏話の割合がACR（減衰対クロストーク比）として規定されます。

漏話を避けるために、ツイストペアごとに撚りのピッチを変えたり、シールドを施したりします。

外部ノイズ

電源ケーブルからの誘導ノイズや、高周波による外部のノイズ源があります。これらはエイリアン漏話（ANEXT・AFEXT）として規定・実測されます。ツイストペアは平衡配線のため影響を受けにくいですが、シールドによってさらに影響を減らすことができます。

反射

周波数が高くなると、インピーダンスの変化箇所で反射が起こりやすくなります。カテゴリ3以上で反射損失の下限値が規定されています。

挿入損失

ケーブルを流れる電気信号は、周波数が高いほど減衰しやすくなります。この対策として、高周波対応のケーブルは太い銅線を使用する必要があります。

機械的特性

導体径は0.4～0.8mmと規定されており、AWGではAWG22～AWG26が用いられます。

イーサネットでの利用

1990年に最初のツイストペアケーブルによるイーサネット規格である10BASE-Tが登場し、カテゴリ3のUTPケーブルが使用されました。その後、100BASE-TXが登場し、カテゴリ5のケーブルが主流となりました。1998年に登場した1000BASE-Tではカテゴリ5eが使用可能になり、ハブとLANボードの交換だけで利用できるようになったため、スムーズな移行が進みました。

2003年に標準化されたPower over Ethernet（PoE）では、同じカテゴリ5eケーブルで接続機器への給電と通信が可能になりました。2006年には10GBASE-Tが登場しましたが、カテゴリ5eが使用できなくなったため、2016年に2.5G/5GBASE-Tが策定されました。

LAN規格

イーサネットでは10Mbpsから始まり、現在は40Gbpsまでサポートする規格があります。通信速度の向上に伴い、信号周波数が上がり、ケーブルの定格周波数も広帯域なものが求められます。

シングルペア規格

2015年以降、車載組み込み機器や産業用機器向けに、ツイストペア1対によるシングルペアイーサネットが標準化されています。10BASE-T1Sではマルチドロップ構成もサポートされ、PoEと同様にPower over Data Lines (PoDL)で給電が可能です。

ストレートとクロス

LANケーブルは、結線方式によってストレートケーブルとクロスケーブルに分かれます。近年では、多くの機器にAuto MDI/MDI-Xという自動判別機能が搭載されているため、クロスケーブルの必要性はほとんどありません。

- ストレートケーブル: 両端のコネクタが同じピン番号同士で接続されているケーブルで、通常使用します。
- クロスケーブル: 両端の送受ピンが交差接続されているケーブルで、旧型の機器や1対1接続で使用されました。

普及

2022年現在、1000BASE-Tが普及しています。カテゴリ5eと6の価格差はほとんどありませんが、2000年頃に敷設された壁内ケーブルはカテゴリ5のままの住宅も多く、マルチギガビットイーサネットの使用時に問題となる場合があります。10ギガビットイーサネットはルータが高価なため、家庭向けには普及していません。

敷設

市販されているLANケーブルは、両端にRJ-45コネクタが付いたものが一般的です。工事業者が敷設する場合は、コネクタのないケーブルを必要な長さに切断し、圧着工具でコネクタを取り付けます。ケーブルにコネクタを取り付ける作業では、ツールセットや専用工具が利用されます。敷設作業では、導通や短絡の確認、減衰や漏話レベルの測定が必須です。主要なケーブルメーカーは、自社製品を認定業者が正しく施工した場合に限り、製品保証を提供しています。

コネクタ

ツイストペアケーブルのコネクタには、オス型（プラグ）とメス型（ジャック）があり、IEC 60352で接続機構や性能が規定されています。RJ-45コネクタでは、外皮を保護するパーツや爪を保護するパーツが用いられることがあります。

被覆色

ツイストペアケーブルの芯線は、AT&Tが開発した25ペアカラーコードがベースとなっています。LANケーブルでは、TIA/EIA-568-Aで4対8線の芯線被覆色が規定されています。ケーブル外皮の色に明確な基準はありませんが、事務所内ネットワークなどでは、トラブル防止や保守性向上のために色分けすることがあります。ネットワークの階層に応じた色分けも有効です。

その他ケーブル一般

芯線

ツイストペアや平衡配線に限らず、電線には単芯線と撚り芯線があります。

- 単芯線 (単線、ソリッド)：1本の銅線で構成され、固く扱いにくいですが、伝送特性に優れます。長いケーブルや基幹線に使用されます。
- 撚り芯線 (撚り線、ストランド)：複数の細い銅線で構成され、柔らかく扱いやすいですが、伝送特性が変化しやすいため長尺ケーブルには向かない場合があります。

電話線の他方式

電話線として使われる平衡配線には、ツイストペア以外にベル線や星形カッド線などがあります。

- ベル線：撚り合わされていない古い屋内配線で、火災報知器などにも使われます。
- 星形カッド線：4本の線を撚り合わせたもので、電話線やオーディオマイクに使われます。

特殊な形状

配線場所によって特殊な形状のツイストペアケーブルがあります。

- フラットケーブル：薄型で、窓と窓枠の隙間やカーペットの下に敷設できますが、ノイズに弱い場合があります。
- 細径ケーブル：導線を細くしてケーブル径を細くしたもので、省スペース化に役立ちます。
- 屋外用ケーブル：耐候性のある外被で、屋外配線に使用されます。支線付きのものもあります。
- 多対ケーブル：複数のツイストペアケーブルを束ねたもので、配線を単純化できます。

電子工作での利用

自作の高周波回路では、被覆付きの電線を撚ってツイストペアケーブルを製作し、伝送線路やコンデンサとして利用することがあります。

出典

Wikipedia

ツイストペアケーブル