5类和6类数字通信电缆的传输性能分析
1 引言
随着宽带通信接入网建设的兴起，5类和6类数字通信电缆作为信息高速公路最后100m的理想传输媒介而得到广泛的应用。5类电缆近年来广泛应用于智能大楼中作为综合布线，传输数字信息，如高速以太网（100BASE-T）、光纤分布数字接口（FD-DI）和IBM令牌环中，其传输速率在100m时达100Mb/s,6类电缆作为新一代布线，比5类缆性能更优越，应用于千兆比以太网中（1000BASE-T4），四对线全双工，每对线的传输速率可达200～400Mb/s。对称电缆的类别是按照电缆发展顺序和使用频率来划分的。
水平布线用5类和6类电缆由四对对绞的绝缘导线包封在同一护套内组成的。线中导体为经过韧练的实心软铜线，也可为多股绞合铜线，但一般为前者。导体的直径原IEC-61156-2规定较宽，为0.4～0.8mm,对于6类缆，IEC-51156-5建议值0.5～0.65mm，但最终以电气性能达标为准。5类和6类电缆的结构有无屏蔽对绞线对（UTP）、总屏蔽对绞线对（FTP）和线对单独屏蔽对绞线对（STP）之分。但不管电缆是怎样的结构，只要符合分级的电缆标准就可达标。UTP是一种最常用的结构，它对电磁干扰的防卫是靠对绞线的平衡特性。FTP是金属箔屏蔽对绞线对结构，它通过护套屏蔽层和对绞线的平衡特性共同防卫电磁干扰。STP是对绞线对单独屏蔽结构，它是靠对绞线对的单独屏蔽及对绞线对的平衡特性防卫电磁干扰。
为了确保数字综合布线网的质量，各国和国际标化准组织制定了一系列的有关标准。主要的国际和国内标准有下列诸种：1）EIA/TIA TSB-36是EIA/TIA-586商用建筑电信布线标准的重要补充；2）ISO/IEC-11801：《信息-建筑物综合布线系统》；3）IEC61156 1-4：《数字通信用多芯对/星绞对称电缆》；4）IEC-46C/436，437/CDV文件；5）YD/T1019-1999：《数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》。
本文根据这些标准来计算电缆的传输性能。但应该看到，所有标准中规定的参数均是由正弦波激励所得，但由于LAN（局域网）电缆数据通信传输的是方波，含有很多正弦谐波分量，有一定的频带，所以不能简单地由一个单一频率的参数计算一定传输速率下的误码率。本文提出在带宽带内平均信噪比（S/N）AV的概念，定量计算出电缆串音和衰减对传输速率和误码率（BER）的影响，并阐述影响5、6类缆使用长度的因素。
2 近端串音和衰减对5、6类缆传输误码率的影响
在局域网数字通信中，5、6类缆中一般传输4B/5B的非归零码（NRZI），并且基带传输，也就是说传输100Mb/s数据时，实际比特率是125Mb/s。信号的功率谱分布如图1所示，图中，T为二进制符号时间间隔。如只考虑功率谱主瓣，且假设系统的传输带宽利用率为1，即每赫兹传输1bit,则信号的带宽Bd=1/T,传输速率r=1/T。
若数字信号的发送功率为PT，而接收功率为PR，则接收机所接收到的信号功率为：
PR=PT-a(f)L (dB) (1)
而接收机所接收到的干扰功率PI为:
Pi=Pt+10Lg(10-RSFEXT/10+10-RSFEXT/10)(dB)(2)
式中PSFEXT为电缆内除本线对外,其他线对干扰本系统的远端串音功率和(dB);PSNEXT为电缆内除本线对外,其他线对干扰本系统的近端串音功率和(dB);式(1)右边含对数的项为近端和远端串音衰减的总功率和(dB)。
接收信号的S/N为：
S/N=PR-P1=-10Lg（10-RSFEXT/10 +10-RSFEXT/10）-α(f)L (dB) (3)
YD/T1019-1999标准规定，20℃时5类和6类4对UTP、0.5mm线径的电缆线对的衰减系数a(f)和NEXT（f）与频率f的关系。
2.1在高速以太网100BASE-TX中BER的计算
对于高速以太网10BASE-T2或其他应用场合，如FDDI，每一个工作区域放置一根4对5类缆，其中一对用于接收数据，一对发送数据，一对用于语音，一对备用（如图2所示）。在工作站端或集线器（BUB）端，发送线对较大功率的发送信号将对接收线对中经衰减的接收信号形成干扰，即近端串音。近端串音衰减（NEXT(f)）一般表示为：
NEXT(f)=10Lg(PT/P’T)（dB） (4)
式中PT表示发送信号功率， 表示串音功率。NEXT（f）越大，干扰越小。在100BASE-TX和FD-DI应用中，近端串音为主要噪声来源，在不考虑远端串音的情况下，接收信号的S/N为：
S/N=-10Lg(10-NEXT(F)/10)-α（f）L (5)
下面分别计算5、6类缆在此类应用中各种不同传输速率时的误码率。在局域网中由于传输的是矩形波，信号中含有多种频率成分，其功率谱见图1。
所以计算100Mb/S净数据速率时（用4B/5B编码传输速率为125Mb/s）的S/N不能用f=125MHz简单地代入式（3），而应在整个信号频带内求平均。
5类缆用于100BASE-T2和FDDI时，一对发送信号，一对接收信号，所以PSNEXT=NEXT（f）,代入式（6）得：
同样地，6类缆用于同样的网络时，
应用MATLAB数学软件对式（7）和式（8）进行数值计算，带宽用Bb=1.25r(r为传输速率),得到5、6类缆在各种不同速率下的（S/N）AV(dB)(见下表3)。
表3中的S/N还没有将白高斯噪声（AGWN）、符号间干扰（ISI）、语音传输线对的振铃干扰、用户电力线干扰、广播干扰考虑在内，所以要将表3中的（S/N）再扣除1dB的裕度后，代入P（ε）公式（9），得到在不同传输速率下的BER，数值也列于表3中。
从计算结果可见，5类电缆在100Mb/s传输速率（物理层链路速率）时，BER为10-7，满足数据通信的使用要求（一般为10-6级）。但当速率提高时，BER显著上升，5类缆不能再使用。而6类缆在200Mb/s时的BER相当于5类缆在100Mb/s时的BER，所以6类缆可用到200Mb/s的速率。
上面的计算结果没有考虑信道编码增益，由于4B/5B码的信道编码增益，实际的BER还要低一点。
2.2 千兆比以太网中的计算
在千兆比以太网1000BASE-T中，四对线同时全双工传输，每对线实际传输速度250Mb/s,取消4B/5B编码，而用其他FEC编码，五电平传输，前后两者S/N增益和损耗抵消。1000BASE-T的噪声环境示意如图3所示。下面计算四对线同方向传输时，远端串音对BER的影响。
图3 1000BASE-T近端和远端串音模型
TXM为发送机，RXM为接收机
根据IEC1156-5标准草案，5、6类缆的等电位远端串音，防卫度的功率和（PSELFEXT），即三对线对一对线干扰的总功率为：
5类：PSELFEXT（f）=62.3-20lgf (dB) (10)
6类：PSELFEXT（f）=72.3-20lgf (dB) (11)
在1000BASE-T中，四对线同时在同一方向传输1000Mb/s的数据速率，每对线传输250Mb/s，在这种情况下，远端串音是主要干扰源。IEC61156-5标准草案给出了PSELFEXT指标，根据PSELFEXT的定义，它就是某一线对接收端的S/N，所以，一个线对接收端的平均S/N为（250Mb/s时）：
5类缆：
考虑还有其它干扰源，如结构回波损耗（SRL）时，扣除3dB裕度，将（S/N）=20dB代入式（9），得BER为4×10-7，满足数据通信的要求。
6类缆：
同样，扣除3dB裕度后，按式（9）得BER小于10-12。
可见，近端串音的影响要比远端串音大。同时，由于四对线经串/并变换后高速传输同一数据，对四对线的传播时延τ的一致性提出了更高的要求。IEC-46C/436，437/CDV文件中对6类缆规定：任意两对线在4MHz到最高频率范围内，在10±2℃与40±1℃所测得的时延差均不得超过45μs/100m。
3 时延对数据帧丢失的影响
在以太网100BASE-TX等网络中以IEEE 802.3为标准，采用CSMA/CD媒体接入协
议。该协议规定数据帧的最小长度为512bits。如帧长小于512bits，就会发生当帧发送完以后（如发生冲突）还检测不到冲突的情况，造成数据帧的丢失（如图4所示）。
根据YD/T1019-1999标准，5类缆的电磁波传播速度不小于0.65c,c为光在真空中的传播速度。假如传播100m，实际传播速度为0.65c，则传播时间为100/（3×108×0.65）=0.513μs，在这段时间内传输的比特数为100Mb/s×0513μs=51.3bits。考虑包括终端软线在内的循环时间（Round Trip Timing）,所以每米电缆时延为1.112bits。考虑如图5所示的简单网络，终端DTE1到DTE2是最远路径，其跨度为A（100m）+B（5m）+C（100m）。A段和C段的时延1.112×200=222.4bits，每个中继集线器（Repeater Hub）的时延为92bits，终端的发送接收处理（约9.6μs）时延约为100bits。所以从终端DTE1到DTE2的总时延为1.112×200+92×2+5×1.112+100=511.96bits.已接近最小帧长的界限。为了保险起见，ISO11801规范规定从中继器到终端的距离为90m。
4 结构回波损耗（SRL）对传输性能的影响
SRL是由电缆长度上特性阻抗的不均匀引起的，归根到底是由电缆结构的不均匀引起的。由于信号在电缆中不同地点引起反射，从而引起到达接收机的信号脉冲展宽与频率相关的衰减。信号脉冲展宽使接收端脉冲重叠而无法判决，从而限制了系统传输速率的提高；频率相关的衰减会导致接收信号的失真，严重影响正确判决。信号在电缆中的多次反射还导致信号功率的衰减，影响接收端的S/N，从而也限制传输速率。所以YD/T 1019-1999标准对5、6类数字电缆的SRL有明确的要求。5类缆的SRL要求在20MHz以下低于23dB，在20～100MHz不低于23-10lg（f/20）(dB)。
5 提高电缆质量的几项措施
从上面的分析可知，影响数字通信电缆传输质量的主要因素是电缆的结构。电缆结构的对称性和均匀性是电缆生产控制的重点。下面从几个方面介绍提高数字通信电缆质量的措施。
5.1降低衰减的途径
传输线的衰减常数为：
式中R为导体交流回路电阻;C为导体间互电容;G为导体间介质电导;L为导线电感。
一般情况下，由于G很小，后一项可不考虑。所以，减小R和C是减小衰减常数α的有效措施。减小R可通过加大导体直径来实现（在规定的范围内），此时绝缘外径也应成比例增大，以保持电容C不变；减小互电容C可通过加大绝缘层厚度，或采用绝缘层物理发泡，减小相对介电常数εr来实现。
5.2降低线对间串音（提高NEXT和ELFEXT）的措施
串音来自于线对间的电磁场耦合，降低串音主要是降低线对间电容不平衡。绝缘单线的均匀性和对称是提高NEXT和ELFEXT的基础。另一方面，优良的绞对节距设计是提高串音防卫度的有力措施。5、6类缆的绞对节距应在9～25mm，且节距差越大越好，但也要注意不能导致太大的时延差，因为有可能存在同一帧数据的各比特分线对传送（1000BASE-T4）的应用情况。
5.3 提高SRL的措施
要提高线对纵向结构的均匀性，保证电缆长度方向上特性阻抗的均匀一致性。
在单线拉丝绝缘挤出工序中，要保证绝缘外径偏差在±2μm以内，导体直径波动±0.5μm以内，且要求表面光滑圆整，否则，对绞后的线对会有较大的特性阻抗波动。单线挤出工序中另一重要的控制参数是偏心度，偏心度应控制在5%以内。
绞对工序也是影响SRL的重要工序。除了绞对节距的合理设计可提高串音防卫度外，为了消除绝缘单线偏心对特性阻抗的影响，应采用有单线“预扭绞”或“部分退扭”的群绞机或对绞机绞对，以“细分”由于单线不均匀造成的特性阻抗的变化，使线对在总的长度上阻抗的变化如同微见轻拂平静水面形成的细波纹。普通的市话电缆对绞机不具备这样的性能。绞对中还要注意放线张力的精确控制，防止一根导线轻微地缠绕在另一根导线上，导致电阻不平衡、电容不平衡，引起串音。
5.4 降低时延和时延差的措施
时延是决定5、6类缆使用距离的关键参数，由于相速度vp=1/εr ，所以减小绝缘相对介电常数εr是降低时延的重要途径。5类缆可用实心HDPE（高密度聚乙烯）绝缘，6类缆最好用物理发泡PE或FEP绝缘，以减小εr，并降低时延τ。减小时延差的措施是适当减小线对节距差。
在挤护套工序中，护套内径不能太小，否则过分挤压线对，会导致相对介电常数变大，使电缆的电气性能变坏。
6 结束语
从上面的计论可见，LAN数字通信电缆的各项技术指标，特别是近、远端串音和衰减指标均对通信有重要影响。特性阻抗和时延指标也不能忽视。在高速以太网（100Mb/s以上）中，从CSMA/CD协议看，传输速率与距离成反比，6类缆在200Mb/s速率下，使用距离为100m时，虽然BER允许，但链路长度已超过CSMA/CD的最小帧长，从TCP/IP协议数据链路层上不能保证帧的冲突差错，检测帧的差错将由协议的高层完成，这会影响通信的效率。在目前一对发送，一对接收，一对语音，一对备用的（10BASE-TX和100BASE-TX）使用情况下，近端串音是主要的噪声来源，它主要影响S/N和BER。在千兆比以太网（1000BASE-T中），远端串音是干扰的主要来源。在低速网（16Mb/s及以下）中，串音引起的BER是影响数字通信对绞电缆使用距离的主要因素：在高速网（100Mb/s和1000Mb/s）中，串音和时延以及时延差是限制使用距离的因素。电缆厂家应严格按标准精心生产合格的电缆，保证网络物理层的最小BER，才是保证LAN高速数据传输率的基础。
