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從零開始學布線15:網絡傳輸媒體之雙絞線概念

從零開始學布線15:網絡傳輸媒體之雙絞線概念

在計算機與計算機連網時,首先會遇到通信線路和通道傳輸問題。目前,計算機通信分為有線通信和無線通信兩種。有線通信利用電纜、光纜或電話線來充當傳輸導體,而無線通信是利用衛星、微波、紅外線來充當傳輸導體。

網絡通信線路的選擇必須考慮網絡的性能、價格、使用規則、安裝的容易性、可擴充性及其他一些因素。

在網絡布線系統中使用的線纜通常分為雙絞線、同軸電纜、大對數線、光纜等。市場上供應的線纜品種型号很多,工程技術人員應根據實際的工程需求來進行選購,主要考慮其作用、型号、品種和主要性能。

目前,線上纜市場上有國外公司的産品,也有國内公司的産品。就銅線纜品質、性能而言,國内的産品已經趕上或超過國外公司的産品,典型的有上海天誠集團生産的線纜,其性能已經超過了布線标準的要求和國外公司的同類産品。

雙絞線(twistedpair,TP)是綜合布線工程中最常用的一種傳輸媒體。雙絞線是由兩根具有絕緣保護層的銅導線組成的。把兩根絕緣的銅導線按一定密度互相絞在一起,可降低信号幹擾的程度,每一根導線在傳輸中輻射出來的電波會被另一根線上發出的電波抵消。雙絞線一般由兩根22号、24号或26号的絕緣銅導線互相纏繞而成。如果把一對或多對雙絞線放在一個絕緣套管中便成了雙絞線電纜,雙絞線電纜(也稱為雙扭線電纜)内,不同線對具有不同的扭絞長度,通常扭絞長度為38.1〜140mm,按逆時針方向扭絞。相臨線對的扭絞長度在12.7mm以上,一般扭線越密其抗幹擾能力就越強,與其他傳輸媒體相比,雙絞線在傳輸距離、信道寬度和資料傳輸速度等方面均受一定限制,但價格較為低廉。

目前,雙絞線可分為非屏蔽雙絞線(unshielded twisted pair,UTP)和屏蔽雙絞線(shielded twisted pair,STP),屏蔽雙絞線電纜的外層由鋁箔包裹着,價格相對要高一些。

雖然雙絞線主要是用來傳輸模拟聲音資訊,但同樣适用于數字信号的傳輸,特别适用于較短距離的資訊傳輸。在傳輸期間,信号的衰減比較大,并且會使波形畸變。

采用雙絞線的區域網路絡的帶寬取決于所用導線的品質、導線的長度及傳輸技術。

因為雙絞線傳輸資訊時要向周圍輻射,很容易被竊聽,是以要花費額外的代價加以屏蔽,以減小輻射(但不能完全消除)。這就是我們常說的屏蔽雙絞線電纜。屏蔽雙絞線相對來說貴一些,安裝要比非屏蔽雙絞線電纜難一些。

雙絞線電纜有以下優點:

1) 直徑小,節省空間;

2) 重量輕、易彎曲、易安裝;

3) 将串擾減至最小或加以消除;

4) 具有阻燃性;

5) 具有獨立性的靈活性,适用于結構化綜合布線。

1.雙絞線的分類

1) 1類線:用于電話語音通信,而不是用于計算機網絡資料通信。

2) 2類線:傳輸頻率為1MHz,用于語音傳輸和最高傳輸速率為4Mbps的資料傳輸,常見于使用4Mbps規範令牌傳遞協定的舊的令牌網。

3) 3類線:用于語音傳輸及最高傳輸速率為16Mbps的資料傳輸,主要用于10BASE-To

4) 4類線:該類電纜的傳輸頻率為20MHz,用于語音傳輸和最高傳輸速率為20Mbps的資料傳輸,主要用于基于令牌的區域網路和10BASE-T/100BASE-T。

5) 5類線:該類電纜增加了繞線密度,外套一種高品質的絕緣材料,傳輸率為100MHz,用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的資料傳輸,主要用于100BASE-T和10BASE-T網絡。這是最常用的以太網電纜。

6) 超5類線:線類電纜具有衰減小、串擾少,并且具有更高的衰減與串擾的比值(ACR)和信噪比(Structural Return Loss)、更小的時延誤差,性能得到很大提高。超5類線主要用于千兆位以太網(1000Mbps)。

7) 6類線:該類電纜的傳輸頻率為1~250MHz,6類布線系統在200MHz時綜合衰減串擾比(PS-ACR)應該有較大的餘量,它提供2倍于超5類的帶寬。6類布線的傳輸性能遠遠高于超5類标準,最适用于傳輸速率高于IGbps的應用。6類與超5類的一個重要的不同點在于:改善了在串擾以及回波損耗方面的性能,對于新一代全雙工的高速網絡應用而言,優良的回波損耗性能是極其重要的。6類标準中取消了基本鍊路模型,布線标準采用星形的拓撲結構,要求的布線距離為:永久鍊路的長度不能超過90m,信道長度不能超過100m。6類線分為6E和6EA。6E傳輸頻率為200MHz,,6EA傳輸頻率為250MHz。

8) 7類線:線類電纜主要是為了适應萬兆位以太網技術的應用和發展,但它不再是一種非屏蔽雙絞線,而是一種屏蔽雙絞線,是以它的傳輸頻率至少可達600MHz,是6類線和超6類線的2倍以上。7類線分為7F和7FA。7F傳輸頻率為600MHz,7FA傳輸頻率為620MHz。

9) 8類線:國際标準已基本認準了8類布線,8類線分為8.1和8.2,,8.1要與6類相容,8.2要與7類相容。

計算機網絡綜合布線使用的4對雙絞線的種類如圖1所示。

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圖1 計算機網絡工程使用的雙絞線種類

3類、5類、超5類線4對非屏蔽雙絞線的實體結構如圖2所示。

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圖2 3類、5類、超5類線4對非屏蔽雙絞線實體結構

4對雙絞線導線色彩組成如表1所示。

表1 4對雙絞線導線色彩組成

線對 色彩碼
1 白/藍//藍
2 白/橙//橙
3 白/綠//綠
4 白/棕//棕

2. 雙絞線的參數名詞

對于雙絞線(無論是3類、5類、6類、7類、8類,還是屏蔽、非屏蔽),使用者關心的是衰減、近端串擾、直流電阻、特性阻抗、分布電容等參數。

(1) 衰減

衰減(attenuation)是沿鍊路的信号損失度量。衰減随頻率而變化,是以應測量在應用範圍内的全部頻率上的衰減。

(2)近端串擾

近端串擾損耗(near-end crosstalk loss)是測量一條UTP鍊路中從一對線到另一對線的信号耦合。對于UTP鍊路來說,這是一個關鍵的性能名額,也是最難精确測量的一個名額, 尤其是随着信号頻率的增加其測量難度會增大。

串擾分近端串擾(NEXT)和遠端串擾(FEXT),測試儀主要是測量NEXT,由于線路損耗,FEXT的量值影響較小。在3類、5類系統中忽略不計。

NEXT并不表示在近端點所産生的串擾值,它隻是表示在近端點所測量到的串擾值。這個量值會随電纜長度不同而變,電纜越長而變得越小。同時發送端的信号也會衰減,對其他線對的串擾也相對變小。實驗證明,隻有在40m内測量得到的NEXT值較真實,如果另一端是遠于40m的資訊插座,它會産生一定程度的串擾,但測試儀可能無法測量到這個串擾值。基于這個理由,對NEXT最好在兩個端點都進行測量。現在的測試儀都配有相應裝置,使得在鍊路一端就能測量出兩端的NEXT值。

衰減和NEXT測試值的參照表如表2及表3所示。

表2 各種連接配接為最大長度時各頻率下的衰減極限

頻率(MHz) 最大衰減20°C
信道(100m) 鍊路(90m)
3類 4類 5類 5E 6類
4.2 2.6 2.5 2.1 3.2 2.2 1.9
7.3 4.8 4.5 6.1 4.3 3.5
8 10.2 6.7 63 6.3 5.7 8.8 6.0 5.0
10 11.5 7.5 7.0 6.8 5.6
16 14.9 9.9 9.2 13.2 8.2 7.1
20 11.0 10.3 9.0 7.9
25 11.4 10.1 8.9
31.25 12.8
62.5 18.5 16.5 16.7 14.4
100 24.0 21.3 21.6
200 31.5 27.1
250 36.0 30.7

表3 特定頻率下的NEXT測試極限

頻率(MHz) 最小NEXT/20°C
39.1 53.3 60.0 65.0 40.1 54.7
29.3 43.3 50.6 53.6 45.1 51.8 54.8 64.1
24.3 38.2 45.6 48.6 58.2 25.9 40.2 47.1 50.0 59.4
22.7 36.6 44.0 47.0 56.6 38.6 45.5 48.5 57.8
19.3 33.1 40.6 43.6 53.2 21.0 35.3 42.3 45.2 54.6
31.4 39.0 42.0 51.6 33.7 40.7 43.7 53.1
37.4 40.4 52.0 42.1 51.5
35.7 38.7 48.4 37.6
30.6 33.6 43.4 32.7
30.1 39.8 32.3 41.8
34.8 36.9

(3)直流電阻

直流環路電阻會消耗一部分信号并轉變成熱量,它是指一對導線電阻的和,ISO/IEC 11801的規格不得大于19.2Ω。每對間的差異不能太大(小于0.1Ω),否則表示接觸不良,必須檢查連接配接點。

(4)特性阻抗

與環路直流電阻不同,特性阻抗包括電阻及頻率自1~100MHz的電感抗及電容抗,它與一對電線之間的距離及絕緣的電氣性能有關。各種電纜有不同的特性阻抗,對雙絞線電纜而言,則有100Ω、120Ω及150Ω幾種(國内不使用也不生産120Ω電纜)。

(5)衰減串擾比(ACR)

在某些頻率範圍,串擾與衰減量的比例關系是反映電纜性能的另一個重要參數。ACR有時也以信噪比(SNR)表示,它由最差的衰減量與NEXT量值的內插補點計算得出。較大的ACR值表示對抗幹擾的能力更強,系統要求至少大于10dB。

(6)電纜特性

通信信道的品質是由它的電纜特性(signal-noice ratio,SNR)來描述的。SNR是在考慮到幹擾信号的情況下,對資料信号強度的一個度量。如果SNR過低,将導緻資料信号在被接收時,接收器不能分辨資料信号和噪音信号,最終引起資料錯誤。是以,為了使資料錯誤限制在一定範圍内,必須定義一個最小的可接收的SNR。

3. 雙絞線的傳輸速率

國際電氣工業協會(EIA)為雙絞線電纜定義了不同品質的型号。

計算機網絡綜合布線使用3類、4類、5類、超5類(5E)、6類這五種雙絞線,分别定義為:

1) 3類:指目前在ANSI和EIA/TIA 568标準中指定的電纜。該電纜的傳輸特性最高規格為16MHz,用于語音傳輸及最高傳輸速率為10Mbps的資料傳輸。

2) 4類:該類電纜的傳輸特性最高規格為20MHz,用于語音傳輸和最高傳輸速率16Mbps的資料傳輸。

3) 5類:該類電纜增加了繞線密度,外套是一種高品質的絕緣材料,傳輸特性的最高規格為100MHz,用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的資料傳輸。

4) 超5類:在5類雙絞線的基礎上,增加了額外的參數(ps NEXT,ps ACR)和部分性能提升,但傳輸速率仍為lOOMbpSo

5) 6類:在實體上與超5類不同,線對與線對之間是分隔的,傳輸的速率為250Mbps,其标準已于2002年6月5日通過。

4. 雙絞線的絞距

在雙絞線電纜内,不同線對具有不同的絞距長度,一般4對雙絞線絞距周期在38.1mm長度内,按逆時針方向扭絞,一對線對的扭絞長度在12.7mm以内。

5. 雙絞線的線芯

美國線纜線規(American Wire Gauge,AWG)是用于測量銅導線直徑及直流電阻的标準。線規号從0000-28号,其直徑、直流電阻、重量的互相關系如表4所示。

表4美國線纜線規

線規号 線纜直流 直流電阻(Q/km) 重量(kg/km)
mm in
28 0.320 0.0126 214 0.716
27 0.361 0.0142 169 0.908
26 0.404 0.0159 135 1.14
0.455 0.0179 106 1.44
0.511 0.0201 84.2 1.82
23 0.574 0.0226 66.6 2.32
22 0.643 0.0253 2.89
0.724 0.0285 41.9 3.66
0.813 0.0320 33.3 4.61
19 0.912 0.0359 26.4 5.80
18 1.020 0.0403 732
17 1.144 0.045 16.3 9.24
1.296 0.051 13.4 11.65
15 1.449 0.057 10.4 14.69
14 1.627 0.064 8.1 18.09
13 1.830 0.072 6.5 23.39
12 2.059 0.081 5.2 29.50
2.313 0.091 37.10
2.593 0.102 3.3 46.79
2.898 0.114 59
3.254 0.128 74.5
0.144 1.6 93.87
4.118 0.162 1.3 118.46
4.626 0.182 49.00
5.186 0.204 0.8 187.74
5.821 0.229 0.7 236.91
6.558 0.258 0.5 299.49
7.346 0.289 0.4 376.97
8.261 0.325 0.3 475.31
00 9.278 0.365 0.26 600.47
10.422 0.410 0.2 756.92
11.693 0.460 0.16 955.09

6. 雙絞線電纜的測試資料

100Ω 4對非屏蔽雙絞線有3類線、4類線、5類線、6類線之分。它們受下述名額的限制:衰減、分布電容、直流電阻、直流電阻偏內插補點、特性阻抗、傳回損耗、近端串擾。它們的标準測試資料如表5和表6所示。

表5雙絞線電纜的标準測試資料

類型 衰減(機關dB)

分布容量

(以1kHz計算)

直流電阻

201D測量校正值

直流電阻偏內插補點

20P測量校正值

W 2.320sqrt (f) + 0.238 (f) W 33Opf71OOm W 9.38Q/100m 5%
W 2.050sqrt (f) +0.1 (f) 同上
W 1.9267sqrt (f) +0.75 (f)

表6雙絞線電纜的标準測試資料

阻抗特性1MHz至最高的參考頻率值 傳回損耗 測量長度〉100米 近端串擾 删量長度〉100米
1000±15% 12dB 43dB
58dB
23dB 64dB

7. 弱電系統中的雙絞線品種

弱電系統中的雙絞線品種分為屏蔽雙絞線與非屏蔽雙絞線兩大類。在這兩大類中又分為:100Ω電纜、雙體電纜、大對數電纜、150歐姆屏蔽電纜。具體型号有多種,如圖3所示。

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圖3 弱電系統中的雙絞線品種

8. 雙絞線在外觀上的文字

對于一條雙絞線,在外觀上需要注意的是:每隔兩英尺有一段文字。以其公司的線纜為例,該文字為:

XXXX SYSTEMS CABLE E138034 0100

24 AWG (UL) CMR/MPR OR C (UL) PCC

FT4 VERIFIED ETL CAT5 044766 FT 9907

其中:

□ XXXX:代表公司名稱。

□ 0100:表示100Ω。

□ 24:表示線芯是24号(線芯有22、24、26三種規格)。

□ AWG:表示美國線纜規格标準。

□ UL:表示通過認證是認證标記。

□ FT4:表示4對線。

□ CAT5:表示5類線。

□ 044766:表示線纜目前處在的英尺數。

□ 9907:表示生産年月。

9. 電纜防火等級

通信電纜中的絕緣材料包含化學物質,這些化學物質作為遏制火勢的物質使用。基于PVC的電纜(幹線級、商用級、通用級和家居級)都使用鹵素化學物質來遏制火勢。在PVC燃燒時,它會散發出鹵化氣體(如氯氣,它會迅速吸收氧氣),進而滅火,導緻電纜自行熄滅。但是,在濃度高時,氯氣具有很高的毒性。此外,氧氣在與水蒸氣結合時,會生成鹽酸,這對人也非常有害。

電纜防火等級分增壓級、幹線級、商用級、通用級、家居級。

(1) 增壓級

增壓級是等級最高的電纜,在一捆電纜上使用風扇強制吹向火焰時,電纜将在火焰蔓延5m以内自行熄滅。增壓級電纜使用聚四氟乙烯的絕緣材料,在燃燒或在極度高溫時,使用的化學物質散發出水準非常低的煙霧,電纜不會放出毒煙或水蒸氣。

(2) 幹線級

幹線級是等級位居第二的電纜,在風扇強制吹風的條件下,成捆電纜必須在火焰蔓延5m以内自行熄滅,但幹線級電纜沒有煙霧或毒性規範。通常在大樓幹線和水準電纜中使用這種防火等級的電纜。

(3) 商用級

商用級比幹線級要求低,成捆電纜必須在火焰蔓延5m以内自行熄滅,但沒有任何風扇強制吹風的限制。與幹線級一樣,商用級電纜沒有煙霧或毒性規範。這種防火等級的電纜常用于水準走線中。

(4) 通用級

通用級與商用級類似。

(5 )家居級

家居級是通信布線中最低的防火等級,這種等級的電纜也沒有煙霧或毒性規範,僅應用于單獨敷設每條電纜的家庭或小型辦公室系統中。

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