数字传输用对绞电缆应用与性能分析

□ 焦庆春 浙江省质量技术监督检测研究院

□ 金心宇 浙江大学信息电子系

     1. 概述

    随着信息社会的发展，网络技术变得越来越复杂，而作为网络的基石，龙骨——网络线缆显得更加重要。目前应用的网络中，主要存在三种电缆介质：光缆、同轴电缆和数字对绞电缆。本文着重分析应用量最大的数字对绞电缆。

    数据用对绞电缆是综合布线工程中最常用的一种传输介质。它由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了对绞电缆。目前对绞电缆分为两类：非屏蔽双绞线(UTP:Unshielded
Twisted Pair)和屏蔽双绞线(STP:Shielded Twisted Pair)。

    采用对绞电缆的局域网的带宽取决于所用导线的质量、长度及传输技术。只要精心选择和安装，就可以在有限距离内达到每秒几百万位的可靠传输率。当距离短，并采用适当的传输设备和传输协议时，传输率可达100Mbit/s～155Mbit/s，甚至千兆。屏蔽双绞线电缆的外层由铝泊包裹，以减小双绞线传输信息时向周围产生的幅射。非屏蔽对绞电缆成为目前主流，主要是因为它性价比高、易安装，并且具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。


    2. 数字对绞电缆的

    主要性能

    在ANSI 和EIA/TIA568标准中按物理特性和应用级别将电缆分为几类。当前实际局域网应用中主要以五类、超五类和六类作为数据传输对绞电缆。三类电缆目前主要是作为语音线路在使用。

    三类电缆的传输频率为16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbit/s的数据传输，主要用于10base-T；五类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输频率为100MHz，用于语音传输和数据传输，主要用于100base-T的以太网电缆；超五类和六类电缆是为了适应吉比特以太网应用而出现的，其性能指标目前还没有最终完善。

    从实际网络应用的角度出发，作为网络的底层链路，其电性能指标显得尤为重要。对电缆性能分析有两种方式：其一是实验室测试的方法，它按照国际和我国相应的标准要求对线缆进行常态性能测试和环境性能测试；其二是现场型性能测试，对在楼宇内施工完毕的布线系统进行测量，考核线缆铺设完毕后整体布线性能。

    实际应用中我们最关心的是表征其性能的几个指标:

    (1)衰减

    衰减(Attenuation)是沿链路的信号损失度量。衰减与线缆的长度有关系，随着长度的增加，信号衰减也随之增加。衰减用“db”作单位，表示源传送端信号到接收端信号强度的比率。由于衰减随频率而变化，因此，应测量在应用范围内的全部频率上的衰减。

    (2)串扰

    串扰分近端串扰和远端串扰(FEXT)。近端串扰损耗是测量一条UTP链路中从一对线到另一对线的信号耦合。对于UTP链路，NEXT是一个关键的性能指标，也是最难精确测量的一个指标。随着信号频率的增加，其测量难度将加大。

    NEXT并不表示在近端点所产生的串扰值，它只是表示在近端点所测量到的串扰值。这个量值会随电缆长度不同而变，电缆越长，其值变得越小。同时发送端的信号也会衰减，对其它线对的串扰也相对变小。

    (3)直流电阻

    直流环路电阻会消耗一部分信号，并将其转变成热量，它是指一对导线电阻的和。ISO11801规格的双绞线的直流电阻不得大于19.2欧姆。每对间的差异不能太大(小于
0.1欧姆)，否则表示接触不良，必须检查连接点。

    (4)特性阻抗

    特性阻抗包括电阻及频率为1～100MHz的电感阻抗及电容阻抗，它与一对电线之间的距离及绝缘体的电气性能有关。各种电缆有不同的特性阻抗，而双绞线电缆则有100欧姆
、120欧姆及150欧姆几种。

    (5)衰减串扰比(ACR)

    在某些频率范围，串扰与衰减量的比例关系是反映电缆性能的另一个重要参数。ACR有时也以信噪比(SNR
:Signal-Noice Ratio)表示，它由最差的衰减量与NEXT量值的差值计算。ACR值较大，表示抗干扰的能力更强。一般系统要求至少大于10分贝。

    (6)电缆特性

    通信信道的品质是由它的电缆特性描述的。SNR是在考虑到干扰信号的情况下，对数据信号强度的一个度量。如果SNR过低，将导致数据信号在被接收时，接收器不能分辨数据信号和噪音信号，最终引起数据错误。因此，为了将数据错误限制在一定范围内，必须定义一个最小的可接收的SNR。

    在对这些指标进行测试时有几种不同的方式，其指标要求也略有差异。

    以上性能指标都是按照电缆的物理特性要求的，在实际网络应用中人们更想知道其传输带宽究竟应该满足什么样的要求。在对线缆分析时，物理带宽（0~100MHz）与数据传输带宽（0～100Mbit/s）是两个完全不同的概念。从香农定理可以看出物理带宽和数据传输带宽的相互关系：


    C=Blog2(1＋S/N)

    其中C是可得到的链路速度，B是链路的带宽，S是平均信号功率，N是平均噪声功率，信噪比（S/N）通常用分贝（dB）表示，分贝数=10×log10（S/N）。

    由此我们可以看到，数字对绞电缆的物理带宽是网络应用的基础。在此基础上应用不同的网络设备来达到不同的网络传输效果。提高线缆的物理能力则可大幅降低网络设备成本，以达到最优的网络性能价格比。表4为常用网络的应用标准。

    3. 综合布线应用分析

    针对当前网络应用，正确设计数字输出用对绞电缆的拓扑构架是一项十分重要的工作。

    从标准的综合布线网络应用图，我们可以清楚地看出传输介质与网络设备、节点设备的关系。例如终端设备全部选用10Mbit/s的网卡作为借口，那么整体布线全部采用Cat3的双绞电缆就可以达到设计要求。但是综合布线是一项隐蔽工程，一次施工后短期内不会再进行变动，这样就要求整体布线要有一定的先进性和扩充性，在选择传输介质时要根据实际需要，选择具有一定超前性能的线缆。

    目前为了适应网络的发展，在设计中等规模以上的线缆拓扑构架时，采用多膜光纤作为建筑物内主干子系统的传输介质，采用CAT5、CAT5E或CAT6作为水平子系统的传输介质。对于小规模的网络构架，则无需采用楼层配线区管理模式，直接从主配线区连接至终端节点，这时应采用高档次的数字用对绞电缆。


    数字传输用对绞电缆的连接配件，也是整个系统必须要考虑的因素。简单地说，如果CAT6的对绞电缆使用CAT5的连接配件，其链路整体性能指标也只能达到CAT5介质的性能。

    为使网络达到优良性能，传输介质是基础保障。数字传输用对绞电缆是目前性价比最高的一种传输介质，对它的性能进行较详细的分析，将为设计网络和应用网络提供依据。


摘自《通信世界》2001.36