诗人的双绞线电缆物理学指南

 

我曾经上过一位教授的课,这位教授喜欢用两种方式来解释各种概念。首先,他会深入发掘某个概念背后的数学理念,在黑板上写满各种方程式,并阐述它们之间的关系。他将这称之为“工程师的视角”。之后,他会再对这个概念做一次解释,但这次,完全不涉及数学。他将这称之为“诗人的视角”。


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那么,为什么通讯电缆是双绞线结构,而输电电线却是直的?这完全是出于带宽的考虑。电力信号的频率很低,因此无需担心带宽,但这却是通讯电缆需要考虑的问题。沿着电线传输的高频信号会产生磁场,在临近电缆中引起感应信号。这些感应信号被称为“串扰”,因为在使用老式的模拟电话线路时,你经常可以听到电话中的背景对话,而这正是感应信号造成的。


想象一下,你电脑的网络接口正在传输一个信号。当一个信号从发送端线路发出时,接收端线路会同时产生一个感应信号。这样麻烦就来了,因为根据以太网的运行规则,如果其他人在“发言”(发送信号),你就得停止“发言”。但如果你的计算机每次试图“发言”的时候,它都能听到自己的发言,所以会立刻停止信号发送动作。如此一来,连电子邮件都发送不出去了。


事实上,感应信号的强度要比原始信号小很多倍,如此一来这个问题就没那么严重了。但信号接收器需要非常灵敏。这是因为高频信号在电缆中传输时会发生衰减。例如,IEEE 802.3标准对1000BASE-T双绞线的信号规定最大损耗值为24dB,相当于信号抵达你的计算机以太网接口相比从远端发射时的原始强度衰减6%。所以串扰信号不得超过这个水平。距离计算机接口越远,接收信号的强度就越大,也越不容易受到串扰的影响。这意味着距离发射器最近的地方串扰问题最严重,因此这里的关键指标就被称为近端串扰(NEXT)。


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工程师们有很多巧妙的方法来解决近端串扰(NEXT)的问题。首先,数据信号会以“差分”模式编码并输入电缆,意思是一根导线上的每一个正脉冲都会同相对应的配对导线上的负脉冲形成匹配。这意味着电缆会产生强度相同但极性相反的电磁场,二者会相互抵消,从而消除串扰。但如果只是让一对电缆彼此间保持平行,其中一根电缆会距离一个磁场更近,因此一根电缆的电磁场会比另一根稍强,最终还是会存在稍许串扰。


第二个方法是把电缆拧成麻花状。这种方法会令电缆之间的距离发生变化,时而更靠近正极导线,时而更靠近负极导线。这有利于抵消感应效应,减少甚至消除串扰。但如果线对的绞距相同,则有可能在整个距离中与磁场保持相同的间距,造成更大的串扰。这时就需要引入第三根电缆,让线对拥有不同的绞距,从而令它们在整个传输距离中不会与同一根导线保持相同的距离。


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不同的绞距正是当你在使用电缆测试仪测试线对时发现它们有着不同长度的原因。如果将线对解开,平直地伸展开来,绞距大的电缆要更长一些。长度差异通常在5%或者更多。TIA标准对电缆长度的限制以最短的线对为准。


尽管导线在模块(RJ-45)连接器中只在一小段距离中呈平行状态,但在安装好的链路中,它们通常是最主要的近端串扰致因。而且在安装连接器时,即使稍稍多解开一点缠绕也可能显著增强感应效应,导致链路认证失败。

较新的设计方案则通过其他方法来获得更好的抗串扰性能,包括通过在电缆中使用隔层,更仔细地控制绞距,以及将线对粘合在一起。而一些新的技术,例如10GBASE-T和PoE,对链路的要求不仅仅是更优秀的抗串扰性能。但在谈到优质布线时,串扰依然是最重要的参数之一。

 




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