自 20 世紀 90 年代雙絞線銅纜開始支持數(shù)據(jù)傳輸以來，其本身及其內(nèi)部組件的設計和制造始終致力于確保已安裝的電路能夠支持信號傳輸，從而達到規(guī)定的數(shù)據(jù)速率。盡管過去三十年發(fā)生了許多變化——包括安裝實踐的改進、測試已安裝系統(tǒng)性能特征的能力，以及除了數(shù)據(jù)傳輸之外還考慮支持電力傳輸——但雙絞線電纜設計和制造工藝的優(yōu)化始終未變。
如今，要確保銅纜布線系統(tǒng)能夠穩(wěn)定支持預期的應用需求，安裝人員與布線系統(tǒng)所有者必須綜合關注多個關鍵因素：包括產(chǎn)品的設計與制造質(zhì)量、規(guī)范的安裝實踐，以及已安裝系統(tǒng)電氣性能的準確評估與測試。本文將系統(tǒng)回顧銅纜布線系統(tǒng)在應用保障方面的發(fā)展歷程，并探討其當前趨勢與技術重點。
10 Mbit/秒的10Base-T以太網(wǎng)是最早與雙絞線“聯(lián)姻”的網(wǎng)絡應用之一。這種關聯(lián)很可能就是雙絞線獲得“以太網(wǎng)電纜”綽號的原因，這個名稱在30多年后依然沿用。3類電纜支持10Base-T以太網(wǎng)。當以太網(wǎng)速度提升十倍至100Base-T，同時工作波長也從最大約16 MHz增加到接近100 MHz時，人們發(fā)現(xiàn)3類電纜不足以支持更高的數(shù)據(jù)速率。
將 100 MHz 以上的以太網(wǎng)信號傳輸?shù)阶钸h 100 米的距離，會給支撐雙絞線電纜帶來前所未有的壓力。解決方案是將電纜內(nèi)的線對絞合得更緊密，以便導體能夠成功傳輸高頻信號。導體對絞合的平衡使得該線對能夠傳輸 100 MHz 信號，同時最大程度地減少衰減或串擾造成的信號衰減。在 4 對電纜中，每對線的絞合率略有不同，以減少線對之間的串擾。
此外，用作 5 類電纜導體材料的銅通常比 3 類導體中使用的銅質(zhì)量更高。
20世紀90年代中期，隨著100Base-T標準的推出以及五類布線在市場上的顯著份額，布線行業(yè)開始重視驗證已安裝布線系統(tǒng)的性能，以確保其能夠支持預期應用。經(jīng)過多年的技術研究和實驗，最終促成了美國電信行業(yè)協(xié)會（TIA）《電信系統(tǒng)公告TSB-67：非屏蔽雙絞線布線系統(tǒng)現(xiàn)場測試的傳輸性能規(guī)范》的發(fā)布。TSB-67是已安裝布線系統(tǒng)現(xiàn)場認證/驗證/鑒定重要流程的開創(chuàng)性文件。
速度提升
當以太網(wǎng)實現(xiàn)其下一個十倍速度提升（從 100 Mbits/秒到 1000 Mbits/秒或 1 Gbit/秒）時，IEEE 成功實現(xiàn)了在不增加頻率范圍的情況下實現(xiàn)這一目標。1000Base-T 的最高工作頻率為 100 MHz。這一成就背后的工程原理超出了本文的討論范圍，但簡而言之，1000Base-T 通過四對全雙工傳輸運行，這意味著每對線同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。簡而言之，1000Base-T 全雙工收發(fā)器內(nèi)置的復雜調(diào)制技術給 5 類布線系統(tǒng)帶來了前所未有的壓力。
盡管 IEEE 打算開發(fā) 1000Base-T 在已安裝的 5 類電纜上運行，但現(xiàn)場測試表明并非所有 5 類系統(tǒng)都能勝任這項任務。TIA 文件再次解決了這個問題。TSB-95《4 對 100 歐姆 5 類電纜附加傳輸性能指南》確定了電氣性能特性以及這些特性的可接受限值，以確定 5 類電路是否能夠支持 1000Base-T。
對于 100Base-T 性能，5 類鏈路必須達到某些電氣特性，而這些特性在開發(fā)原始 5 類測試參數(shù)時并未考慮在內(nèi)。5 類測試套件包括線路圖、長度、衰減（損耗）和近端串擾，而 TSB-95 則規(guī)定了延遲偏差、回波損耗、等電平遠端串擾 (ELFEXT) 和功率總和等電平遠端串擾 (PSELFEXT)。
在IEEE制定1000Base-T標準期間，該標準制定組織與TIA保持著密切的聯(lián)絡關系，不僅參與了TSB-95內(nèi)容的制定，還幫助TIA建立了全新的雙絞線類別——5e類?！癳”代表“增強型”，因為5e類布線比5類布線具有更優(yōu)異的電氣性能特性，并包含5類規(guī)范中未包含的參數(shù)。
聚焦工藝
在對已安裝的 5 類線進行 1000Base-T 支持適用性測試時，我們發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)實情況是，安裝工藝對鏈路性能影響很大，而工藝水平并非總是一流的。其中一個問題就是端接點處的線對解扭。由于緊密、均衡的導線絞合能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能，因此安裝人員在端接點處解扭每對線對的程度對于維持或降低性能起著重要作用。解扭程度越小，性能越好。5e 類標準要求安裝人員在電纜護套和端接點之間解扭的導線對長度不得超過 0.5 英寸。
在 5e 類標準中，業(yè)界不僅獲得了一套布線系統(tǒng)的性能規(guī)范，而且還獲得了一些安裝要求（例如 0.5 英寸線對解扭），以及一組密切相關的測試參數(shù)，以確保安裝的系統(tǒng)符合規(guī)定的規(guī)格。
5e類是第三種與以太網(wǎng)應用緊密相關的雙絞線性能類型（繼用于10Base-T的3類和用于100Base-T的5類之后）。自5e類和1000Base-T最終確定以來，布線性能類別和網(wǎng)絡應用的雙重路徑就不再像以前那樣緊密相關。它們各自的路徑時而分道揚鑣，時而交叉。
盡管如此，在最終發(fā)展至1000Base-T的過程中，還是確立了三重奏。這三重奏是：1) 為實現(xiàn)某些性能特征而進行優(yōu)化設計和制造的電纜；2) 與電纜安裝相關的工藝問題；3) 評估已安裝布線系統(tǒng)支持預期應用能力的測試參數(shù)。
讓我們看幾個例子，看看這三重奏在過去的幾十年里是如何保持下去的。
2002年，TIA發(fā)布了六類布線標準。六類布線的最大頻率為250MHz，其開發(fā)并非與以太網(wǎng)或任何其他數(shù)據(jù)傳輸應用的特定速度同步。它作為超五類的升級版進入市場，在電氣性能參數(shù)方面比超五類提供了更大的空間（更佳的性能），并將正衰減串擾比 (ACR) 提高到接近250MHz，這使得六類布線能夠支持該頻率范圍內(nèi)尚未開發(fā)的應用。
TIA發(fā)布六類布線標準的同一年，IEEE最終確定了光纖10Gb以太網(wǎng)標準(IEEE 802.3ae)。雖然2002年時，10Gb銅纜傳輸在IEEE工程師眼中還只是曇花一現(xiàn)，但如果六類布線的工作頻率被定義為高達250MHz，它最終將能夠支持該應用。
6 類和 5e 類之間一個顯著的區(qū)別是，6 類的銅導體通常為 23 AWG，比 5e 類導體的 24 AWG 更大。從電氣角度來看，導體越粗，電阻就越小。對于 6 類線纜而言，導體越粗，抗噪能力就越強，信號損耗越小，數(shù)據(jù)速率就越高，帶寬（工作頻率）也就越寬。6 類線纜的 23 AWG 導體是其帶寬達到 250 MHz 的重要原因。
PoE
2003年，IEEE最終確定了以太網(wǎng)供電 (PoE) 標準，即IEEE 802.3af。盡管這項技術通常被稱為“以太網(wǎng)供電”，但實際上，直流 (DC) 電源并非通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包或幀傳輸，而是通過同時支持直流電源和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p絞線電纜傳輸。由于現(xiàn)場部署了大量 5e 類線纜和一些 6 類線纜，PoE 的早期采用者能夠獲得支持該應用的強大布線基礎設施。
PoE 的后續(xù)版本增加了供電設備 (PSE) 的傳輸功率和受電設備 (PD) 的接收功率。最初的 802.3af 規(guī)范規(guī)定，PSE 的功率最高可達 15.4 瓦，PD 的功率最高可達 13 瓦。在 2009 年發(fā)布的 802.3at 規(guī)范中，PoE 技術規(guī)定 PSE 的功率最高可達 30 瓦，PD 的功率最高可達 25.5 瓦。而 2018 年發(fā)布的 802.3bt 規(guī)范則規(guī)定 PSE 的功率最高可達 90 瓦，PD 的功率最高可達 73.3 瓦。
第二代和第三代 PoE 對雙絞線電纜的電氣性能提出了更高的要求，而數(shù)據(jù)傳輸，甚至第一代 PoE 都未提出這樣的要求。隨著 PoE 的發(fā)展，某些版本的技術將電流傳輸?shù)诫娎|的所有四對線對，而不僅僅是兩對線對。此外，PoE 采用共模電壓，而數(shù)據(jù)信號則以差分模式工作。這意味著，部署 PoE 時，一對線對中的兩根導線要么接收正電壓，要么接收負電壓。相比之下，部署數(shù)據(jù)時，一對線對中的一根導線接收正電壓，另一根導線接收負電壓。
線纜缺陷（例如設計或制造缺陷）或端接工藝缺陷都可能導致線纜出現(xiàn)直流電阻不平衡。銅導體尺寸較大的線纜比導體尺寸較小的線纜具有更好的直流電阻不平衡性能，因此通常情況下，導體尺寸越大，線纜支持 PoE 的能力就越強。當 PoE 應用于直流電阻不平衡性能較差的線纜時，電流在導體之間分配不均，導致線纜、PSE 和 PD 過熱。
可以采取多種措施來避免直流電阻不平衡或減輕其影響。安裝人員可以使用性能更好的電纜，并正確端接這些電纜作為預防措施。他們還可以限制線束中的電纜數(shù)量，以避免產(chǎn)生過熱的可能性。
甚至在 IEEE 802.3bt 標準（通常稱為“PoE Plus Plus”）發(fā)布之前，實驗室對電纜束內(nèi)發(fā)熱情況的檢測最終促成了 2017 年美國國家電氣規(guī)范 (NEC) 中關于根據(jù)電纜銅導體尺寸限制每束電纜數(shù)量的規(guī)定。這些要求適用于任何未達到“LP”等級的雙絞線電纜。LP 代表“有限功率”，表示電纜能夠支持 PoE 供電，且不會出現(xiàn)過高溫升（即溫升極小且無關緊要）。多家雙絞線銅纜制造商均提供 LP 等級的電纜。
專用電纜
雖然 LP 級線纜是安裝人員和最終用戶的選擇，但許多雙絞線線纜制造商也提供非 LP 級線纜，但其設計和制造也支持 PoE 應用。通常，這些線纜的導體直徑更大（最大可達 22 AWG），導體可以是實心銅線而非絞合銅線，以獲得更好的電阻性能，并且線纜的耐熱等級更高，這意味著它們可以在高溫環(huán)境下正常工作。其中一些線纜采用屏蔽而非非屏蔽設計，以最大限度地減少干擾。
直流電阻不平衡性能會影響電纜對 PoE 的充分支持能力，這一發(fā)現(xiàn)催生了對在已安裝鏈路中驗證該性能的方法的需求。這一需求促使多家測試設備制造商致力于開發(fā)新的功能或工具，或向用戶介紹其現(xiàn)有產(chǎn)品的功能，以便測試與 PoE 支持相關的鏈路參數(shù)。
如今，多家測試設備制造商提供驗證工具，用于測試布線鏈路與 PoE 相關的性能參數(shù)。其中一些測試儀的名稱中帶有“PoE”字樣。其中一些測試儀還可用作 PoE PSE 模擬器，不僅可以幫助用戶了解布線對 PoE 傳輸?shù)捻憫?，還可以了解 PD 接收 PoE 直流電的準備情況。
在PoE從引入到第三代標準的十五年時間里，雙絞線類別和以太網(wǎng)速度發(fā)展也經(jīng)歷了雙重演變。6A類（TIA標準，發(fā)布于2009年）和10GBase-T（IEEE標準，發(fā)布于2006年）的匹配方式與5e類和1000Base-T的匹配方式大致相同。
按照IEEE的慣例，以太網(wǎng)標準開發(fā)小組竭盡全力定義10GBase-T，以便它能夠在現(xiàn)有的雙絞線銅纜上運行。在10GBase-T開發(fā)之初，6類是市場上性能最高的雙絞線。6類支持10GBase-T的能力讓人想起5類支持1000Base-T的能力。這一次，工藝問題不再是主要問題，而是電纜本身的物理限制，以及電纜的設計和制造工藝。
測試流程與安裝實踐的轉(zhuǎn)變
10GBase-T 采用全雙工四對線傳輸，最高頻率可達 500 MHz。這種傳輸方案除了會強調(diào)一系列內(nèi)部電氣性能特征外，還會引起稱為外部串擾的現(xiàn)象，即一條電纜產(chǎn)生的噪聲會對相鄰的電纜產(chǎn)生不利影響。
測試表明，設計、制造和安裝精良的六類線纜可以支持 10GBase-T，傳輸距離可達 37 至 55 米。TIA 制定并發(fā)布了 TSB-155 標準，其中描述了測試六類線纜支持 10GBase-T 能力的程序。功率和外部串擾 (PS-AXT) 測試要求測試技術人員識別受干擾或“受干擾”的線纜，并在鏈路遠端使用模擬干擾源的設備對其進行測試。這些干擾源模擬器插入遠端的多個端口，以模擬多條線纜的外部串擾對被測線纜的綜合影響。
此測試流程與技術人員在測試雙絞線電纜時習慣的“只需按下按鈕即可自動測試”程序截然不同，這與前幾代規(guī)范相比也發(fā)生了顯著變化。除了測試流程中這些額外的步驟外，隨著10GBase-T和外部串擾的出現(xiàn)，電纜安裝實踐也發(fā)生了變化。電纜捆綁受到了特別的嚴格審查，安裝人員被要求將電纜松散地鋪設在托盤等支撐設備中。多年來，緊密捆綁的程序為專業(yè)安裝的布線系統(tǒng)提供了直觀的視覺呈現(xiàn)，但現(xiàn)在卻大大增加了電纜間外部串擾的風險。
6A類線纜額定頻率為500 MHz，通常包含23 AWG導體，性能優(yōu)于6類線纜，并且其結(jié)構(gòu)設計最大程度地降低了外部串擾的可能性。6A類線纜除了是10GBase-T的優(yōu)化支持技術外，還因支持PoE而廣受歡迎。較大線徑的導體是6A類線纜支持高功率PoE的主要優(yōu)勢，但其能夠支持10GBase-T至100米的完整信道，使其成為未來網(wǎng)絡中升級到更高速度、更大PoE功率輸出或兩者兼具的介質(zhì)。
速度放慢，能力提升
2016年，IEEE發(fā)布了802.3bz規(guī)范，定義了2.5 Gbit/秒和5 Gbit/秒的數(shù)據(jù)傳輸。與傳統(tǒng)的十倍速度提升（10 Mbit/秒到100 Mbit，到1 Gbit，到10 Gbit）不同，2.5GBase-T和5GBase-T的開發(fā)至少在一定程度上是為了為高速無線局域網(wǎng)傳輸提供一種“回程”支持。
到2016年這些標準發(fā)布時，5e類和6類線纜的安裝基礎已經(jīng)非常龐大，傳統(tǒng)觀點認為2.5G可以在5e類或6類上運行，而5G可以在6類上運行。雖然這可能是真的，但歷史再次重演，對安裝基礎的審查顯示，有些線纜能夠勝任這項任務，而有些則不能。
在這項技術推出之際，測試設備制造商提供了各種儀器來進行“速度測試”，以確定布線系統(tǒng)支持特定傳輸速度的能力。這些類型的測試，結(jié)合關鍵電氣性能特征的參數(shù)測量，可以為布線系統(tǒng)所有者提供一定程度的保障。尤其對于 2.5G 和 5GBase-T，外部有限信噪比 (ALSNR) 這一性能指標尤為重要。大量的現(xiàn)場和實驗室測試表明，5e 類和 6 類布線在某些情況下可以分別支持 2.5G 和 5GBase-T，但 6A 類布線可提供最高的應用保障，同時將故障風險降至最低。
傳輸更遠
如今，雙絞線銅纜的性能提升，與其說是因為新的更高傳輸速度或更高直流功率的出現(xiàn)，不如說是因為更長的傳輸距離。幾十年來，網(wǎng)絡設計師的最佳實踐是，任何超過 100 米的鏈路長度都應采用光纖電纜，而不是雙絞線銅纜。實際上，100 米是雙絞線的最大傳輸距離。
100米的限制是由TIA布線標準中的定義和規(guī)范規(guī)定的，不一定是由電纜或連接的物理或電氣限制決定的。過去幾年中，一些雙絞線電纜制造商推出了支持超過100米數(shù)據(jù)傳輸和/或PoE傳輸?shù)漠a(chǎn)品。由于TIA標準規(guī)定的100米距離限制，這些電纜從定義上來說屬于非標準產(chǎn)品。但作為全球用戶在實際應用中面臨的現(xiàn)場連接挑戰(zhàn)的實用解決方案，這些電纜是可行的產(chǎn)品，與部署其他介質(zhì)類型或PoE擴展器等產(chǎn)品相比，可以顯著節(jié)省經(jīng)濟成本。
再次強調(diào)，電纜內(nèi)部的組件（尤其是導體）至關重要。一些最新推出的傳輸距離超過 100 米的電纜采用了 21-AWG 導體，這進一步提高了電纜的直流電阻性能，從而提高了其遠距離傳輸能力。
測試設備供應商已與多家此類電纜供應商合作，導入制造商各自產(chǎn)品的專有規(guī)格。導入這些規(guī)格后，測試設備用戶可以選擇電纜品牌并運行測試，以驗證已安裝電纜在指定距離下的性能指標。
在許多情況下，除了在端接過程中使用大于典型值的導體外，這些電纜的安裝也是其他雙絞線電纜類型的典型特征。
自雙絞線電纜成為 10 Mbit/秒以太網(wǎng)傳輸?shù)馁x能技術以來，數(shù)十年來，此類電纜的供應商不斷推動其發(fā)展，如今，這些電纜能夠同時傳輸數(shù)據(jù)和直流電，跨越曾經(jīng)被認為無法企及的距離。在整個過程中，電纜設計和制造、安裝技術以及性能驗證能力這三項要素，對于為網(wǎng)絡所有者提供保障和安心至關重要。
本文作者：Patrick McLaughlin
來源：cablinginstall
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