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双绞线电缆

       在计算机与计算机连网时,首先会遇到通信线路和通道传输问题。目前,计算机通信分为有线通信和无线通信两种。有线通信利用电缆、光缆或电话线来充当传输导体,而无线通信是利用卫星、微波、红外线来充当传输导体。
双绞线电缆(图1)
      网络通信线路的选择必须考虑网络的性能、价格、使用规则、安装的容易性、可扩展性及其他一些因素。
      在网络布线系统中使用的线缆通常分为双绞线、同轴电缆、大对数线、光缆等。市场上供应的线缆品种型号很多,工程技术人员应根据实际的工程需求来进行选购,主要考虑其作用、型号、品种和主要性能。
      目前,在线缆市场上有国外公司的产品,也有国内公司的产品。就铜线缆质量、性能而言,国内的产品已经赶上或超过国外公司的产品,典型的有上海天诚集团生产的线缆,其性能已经超过了布线标准的要求和国外公司的同类产品。
2.1双绞线电缆
       双绞线(twisted pair,TP)是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线是由两根具有绝缘保护层的铜导线组成的。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出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消。双绞线一般由两根22号、24号或26号的绝缘铜导线相互缠绕而成。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆,双绞线电缆(也称为双扭线电缆)内,不同线对具有不同的扭绞长度,通常扭绞长度为38.1〜140mm,按逆时针方向扭绞。相临线对的扭绞长度在12.7mm以上,一般扭线越密其抗干扰能力就越强,与其他传输介质相比,双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受一定限制,但价格较为低廉。
       目前,双绞线可分为非屏蔽双绞线(unshieldedtwisted pair,UTP)和屏蔽双绞线(shielded twisted pair,STP),屏蔽双绞线电缆的外层由铝箔包裹着,价格相对要高一些。
       虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息,但同样适用于数字信号的传输,特别适用于较短距离的信息传输。在传输期间,信号的衰减比较大,并且会使波形畸变。
       采用双绞线的局域网络的带宽取决于所用导线的质量、导线的长度及传输技术。
       因为双绞线传输信息时要向周围辐射,很容易被窃听,所以要花费额外的代价加以屏蔽,以减小辐射(但不能完全消除)。这就是我们常说的屏蔽双绞线电缆。屏蔽双绞线相对来说贵一些,安装要比非屏蔽双绞线电缆难一些。
双绞线电缆有以下优点:
       1)直径小,节省空间;
       2)重量轻、易弯曲、易安装;
       3)将串扰减至最小或加以消除;
       4)具有阻燃性;
       5)具有独立性的灵活性,适用于结构化综合布线。
1.双绞线的分类
       1) 1类线:用于电话语音通信,而不是用于计算机网络数据通信。
       2) 2类线:传输频率为1MHz,用于语音传输和最高传输速率为4Mbps的数据传输,常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。
       3) 3类线:用于语音传输及最高传输速率为16Mbps的数据传输,主要用于10BASE-To
       4) 4类线:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率为20Mbps的数据传输,主要用于基于令牌的局域网和10BASE-T/100BASE-T。
       5) 5类线:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输,主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。这是最常用的以太网电缆。
      6) 超5类线:线类电缆具有衰减小、串扰少,并且具有更高的衰减与串扰的比值(ACR)和信噪比(StructuralReturnLoss)、更小的时延误差,性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网(1000Mbps)o
      7) 6类线:该类电缆的传输频率为1〜250MHz,6类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比(PS-ACR)应该有较大的余量,它提供2倍于超5类的带宽。6类布线的传输性能远远高于超5类标准,最适用于传输速率高于IGbps的应用。6类与超5类的一个重要的不同点在于:改善了在串扰以及回波损耗方面的性能,对于新一代全双工的高速网络应用而言,优良的回波损耗性能是极其重要的。6类标准中取消了基本链路模型,布线标准采用星形的拓扑结构,要求的布线距离为:永久链路的长度不能超过90m,信道长度不能超过100m。6类线分为6E和6EA。6E传输频率为200MHz,6EA传输频率为250MHz.
       8) 7类线:线类电缆主要是为了适应万兆位以太网技术的应用和发展,但它不再是一种非屏蔽双绞线,而是一种屏蔽双绞线,所以它的传输频率至少可达600MHz,是6类线和超6类线的2倍以上。7类线分为7F和7FA。7F传输频率为600MHz,7FA传输频率为620MHz。
       9) 8类线:国际标准已基本认准了8类布线,8类线分为8.1和8.2,8.1要与6类兼容,8.2要与7类兼容。
计算机网络综合布线使用的4对双绞线的种类如图2-1所示。
双绞线电缆(图1)
图2-1  计算机网络工程使用的双绞线种类
3类、5类、超5类线4对非屏蔽双绞线的物理结构如图2-2所示。
双绞线电缆(图2)
 
图2-2   3类、5类、超5类线4对非屏蔽双绞线物理结构
4对双绞线导线色彩组成如表2-1所示。
表2-1  4对双绞线导线色彩组成
双绞线电缆(图3)
2.双绞线的参数名词
      对于双绞线(无论是3类、5类、6类、7类、8类,还是屏蔽、非屏蔽),用户关心的是衰减、近端串扰、直流电阻、特性阻抗、分布电容等参数。
(1)衰减
      衰减(attenuation)是沿链路的信号损失度量。衰减随频率而变化,所以应测量在应用范围内的全部频率上的衰减。
(2)近端串扰
       近端串扰损耗(near-endcrosstalkloss)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链路来说,这是一个关键的性能指标,也是最难精确测量的一个指标,尤其是随着信号频率的增加其测量难度会增大。
      串扰分近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT),测试仪主要是测量NEXT,由于线路损耗,FEXT的量值影响较小。在3类、5类系统中忽略不计。
       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,电缆越长而变得越小。同时发送端的信号也会衰减,对其他线对的串扰也相对变小。实验证明,只有在40m内测量得到的NEXT值较真实,如果另一端是远于40m的信息插座,它会产生一定程度的串扰,但测试仪可能无法测量到这个串扰值。基于这个理由,对NEXT最好在两个端点都进行测量。现在的测试仪都配有相应设备,使得在链路一端就能测量出两端的NEXT值。
      衰减和NEXT测试值的参照表如表2-2及表2-3所示。
表2-2 各种连接为最大长度时各频率下的衰减极限
双绞线电缆(图4)
 
表2-3  特定频率下的NEXT测试极限
双绞线电缆(图5)
(3)直流电阻
       直流环路电阻会消耗一部分信号并转变成热量,它是指一对导线电阻的和,ISO/IEC11801的规格不得大于19.2Ω。每对间的差异不能太大(小于0.1Ω),否则表示接触不良,必须检查连接点。
(4)特性阻抗
       与环路直流电阻不同,特性阻抗包括电阻及频率自1〜100MHz的电感抗及电容抗,它与一对电线之间的距离及绝缘的电气性能有关。各种电缆有不同的特性阻抗,对双绞线电缆而言,则有100Ω、120Ω及150Ω几种(国内不使用也不生产120Ω电缆)。
(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)表示,它由最差的衰减量与NEXT量值的差值计算得出。较大的ACR值表示对抗干扰的能力更强,系统要求至少大于10dB。
  (6) 电缆特性
       通信信道的品质是由它的电缆特性(signal-noiceratio,SNR)来描述的。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,为了使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SNRO
3.双绞线的传输速率
       国际电气工业协会(EIA)为双绞线电缆定义了不同质量的型号。
计算机网络综合布线使用3类、4类、5类、超5类(5E)、6类这五种双绞线,分别定义为:
       1) 3类:指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。该电缆的传输特性最高规格为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输。
       2) 4类:该类电缆的传输特性最高规格为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输。
       3) 5类:该类电缆增加了绕线密度,外套是一种高质量的绝缘材料,传输特性的最高规格为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输。
       4) 超5类:在5类双绞线的基础上,增加了额外的参数(psNEXT,psACR)和部分性能提升,但传输速率仍为l00MbpS。
       5) 6类:在物理上与超5类不同,线对与线对之间是分隔的,传输的速率为250Mbps,其标准已于2002年6月5日通过。
4.双绞线的绞距
       在双绞线电缆内,不同线对具有不同的绞距长度,一般4对双绞线绞距周期在38.1mm长度内,按逆时针方向扭绞,一对线对的扭绞长度在12.7mm以内。
5.双绞线的线芯
      美国线缆线规(AmericanWireGauge,AWG)是用于测量铜导线直径及直流电阻的标准。线规号从0000-28号,其直径、直流电阻、重量的相互关系如表2-4所示。
表2-4    美国线缆线规
双绞线电缆(图6)
双绞线电缆(图7)
 
6.双绞线电缆的测试数据
       100Ω4对非屏蔽双绞线有3类线、4类线、5类线、6类线之分。它们受下述指标的约束:衰减、分布电容、直流电阻、直流电阻偏差值、特性阻抗、返回损耗、近端串扰。它们的标准测试数据如表2-5和表2-6所示。
表2-5    双绞线电缆的标准测试数据
双绞线电缆(图8)
表2-6   双绞线电缆的标准测试数据
双绞线电缆(图9)
7.弱电系统中的双绞线品种
       弱电系统中的双绞线品种分为屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线两大类。在这两大类中又分为:100Ω电缆、双体电缆、大对数电缆、150欧姆屏蔽电缆。具体型号有多种,如图2-3所示。
双绞线电缆(图10)
图2-3   弱电系统中的双绞线品种
8.双绞线在外观上的文字
      对于一条双绞线,在外观上需要注意的是:每隔两英尺有一段文字。以其公司的线缆为例,该文字为:
      XXXX  SYSTEMS  CABLE   E138034  0100
      24  AWG(UL)CMR/MPR  OR  C(UL) PCC
      FT4 VERIFIED ETL CAT5 044766 FT 9907
其中:
   □ XXXX:代表公司名称。
   □ 0100:表示100。。
   □ :表示线芯是24号(线芯有22、24、26三种规格)。
   □ AWG:表示美国线缆规格标准。
   □ UL:表示通过认证是认证标记。
   □ FT4:表示4对线。
   □ CAT5:表示5类线。
   □ 044766:表示线缆当前处在的英尺数。
   □ 9907:表示生产年月。
9.电缆防火等级
      通信电缆中的绝缘材料包含化学物质,这些化学物质作为遏制火势的物质使用。基于PVC的电缆(干线级、商用级、通用级和家居级)都使用卤素化学物质来遏制火势。在PVC燃烧时,它会散发出卤化气体(如氯气,它会迅速吸收氧气),从而灭火,导致电缆自行熄灭。但是,在浓度高时,氯气具有很高的毒性。此外,氧气在与水蒸气结合时,会生成盐酸,这对人也非常有害。
      电缆防火等级分增压级、干线级、商用级、通用级、家居级。
(1)增压级
       增压级是等级最高的电缆,在一捆电缆上使用风扇强制吹向火焰时,电缆将在火焰蔓延5m以内自行熄灭。增压级电缆使用聚四氟乙烯的绝缘材料,在燃烧或在极度高温时,使用的化学物质散发出水平非常低的烟雾,电缆不会放出毒烟或水蒸气。
(2)干线级
       干线级是等级位居第二的电缆,在风扇强制吹风的条件下,成捆电缆必须在火焰蔓延5m以内自行熄灭,但干线级电缆没有烟雾或毒性规范。通常在大楼干线和水平电缆中使用这种防火等级的电缆。
(3)商用级
       商用级比干线级要求低,成捆电缆必须在火焰蔓延5m以内自行熄灭,但没有任何风扇强制吹风的限制。与干线级一样,商用级电缆没有烟雾或毒性规范。这种防火等级的电缆常用于水平走线中。
(4)通用级
       通用级与商用级类似。
(5)家居级
       家居级是通信布线中最低的防火等级,这种等级的电缆也没有烟雾或毒性规范,仅应用于单独敷设每条电缆的家庭或小型办公室系统中。