双绞线

一、概述

双绞线(TP:Twisted Pairwire)是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线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。双绞线一般由两根22～26号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。在双绞线电缆(也称双扭线电缆)内,不同线对具有不同的扭绞长度,一般地说,扭绞长度在38.1cm至14cm内,按逆时针方向扭绞, 相临线对的扭绞长度在12.7cm以上。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到一定限制, 但价格较为低廉。目前,双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP:Unshilded Twisted Pair)和屏蔽双绞线(STP:Shielded Twisted Pair)。

虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息的,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,并且产生波形畸变。采用双绞线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双绞线, 就可以在有限距离内达到每秒几百万位的可靠传输率。当距离很短,并且采用特殊的电子传输技术时,传输率可达100Mbps～155Mbps。由于利用双绞线传输信息时要向周围幅射,信息很容易被窃听,因此要花费额外的代价加以屏蔽。屏蔽双绞线电缆的外层由铝泊包裹, 以减小幅射,但并不能完全消除辐射。屏蔽双绞线价格相对较高,安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。类似于同轴电缆, 它必须配有支持屏蔽功能的特殊连结器和相应的安装技术。但它有较高的传输速率,100米内可达到155Mbps。

另外,非屏蔽双绞线电缆具有以下优点:

(1)无屏蔽外套,直径小,节省所占用的空间;
(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)具有独立性和灵活性,适用于结构化综合布线。

二、规格型号

EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。计算机网络综合布线使用第三、四、五类。这五种型号如下：

1、第一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。
2、第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率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、第三类:指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为16MHz, 用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。
4、第四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。
5、第五类:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为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。

双绞线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100欧姆电缆、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1所示。图中AWG表示美国线缆规格。

三、性能指标

对于双绞线,用户最关心的是表征其性能的几个指标。这些指标包括衰减、近端串扰、阻抗特性、分布电容、直流电阻等。

(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)近端串扰

串扰分近端串扰和远端串扰(FEXT),测试仪主要是测量NEXT,由于存在线路损耗,因此FEXT的量值的影响较小。近端串扰(NEXT)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。实验证明, 只有在40米内测量得到的NEXT是较真实的。如果另一端是远于40米的信息插座, 那么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。因此,最好在两个端点都进行NEXT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。NEXT测试的结果参照表1和表2。

表1 各种连接为最大长度时各种频率下的衰减极限

频率(MHz)	最大率减20ºC
频率(MHz)	信道(100米)			链路(90米)
	3类	4类	5类	3类	4类	5类
1	4.2	2.6	2.5	3.2	2.2	2.1
4	7.3	4.8	4.5	6.1	4.3	4.0
8	10.2	6.7	6.3	8.8	6	5.7
10	11.5	7.5	7.0	10	6.8	6.3
16	14.9	9.9	9.2	13.2	8.8	8.2
20		11	10.3		9.9	9.2
25			11.4			10.3
31.25			12.8			11.5
62.5			18.5			16.7
100			24			21.6

表2 特定频率下的NEXT衰减极限

频率(MHz)	最小NEXT
频率(MHz)	信道(100米)			链路(90米)
	3类	4类	5类	3类	4类	5类
1	39.1	53.3	60.0	40.1	54.7	60.0
4	29.3	43.3	50.6	30.7	45.1	51.8
8	24.3	38.2	45.6	25.9	40.2	47.1
10	22.7	36.6	44.0	24.3	38.6	45.5
16	19.3	33.1	40.6	21	35.3	42.3
20		31.4	39.0		33.7	40.7
25			37.4			39.1
31.25			35.7			37.6
62.5			30.6			32.7
100			27.1			29.3

以上两个指标是TSB67测试的主要内容,但某些型号的测试仪还可以给出直流电阻、特性阻抗、衰减串扰比等指标。

(3)直流电阻
　　TSB67无此参数。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,
11801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
　　与环路直流电阻不同,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。

四、测试数据

100欧姆4对非屏蔽双绞线有3类线、4类线、5类线和超5类线之分。主要的性能指标为衰减、分布电容、直流电阻、直流电阻偏差值、
阻抗特性、返回损耗、近端串扰。标准测试数据如表1所示。

表3 双绞线的标准测试数据(a)

类型	率减(单位db)	分布电容 (以1khz计量)	直流电阻 20ºC测量校正值	直流电阻偏差值 20º时测量校正值
3类	<2.320sqrt(f) + 0.238(f)	<330pf/100米	<9.38欧姆/100米	5%
4类	<2.050sqrt(f) + 0.1(f)	<330pf/100米	同上	5%
5类	<1.9267sqrt(f) + 0.075(f)	<330pf/100米	同上	5%

(b)

类型	阻抗特性 1Mhz至最高的参考频率值	返回损耗测量长度>100米	近端串扰测量长度>100米
3类	100欧姆 + 15%	12db	43db
4类	同上	12db	58db
5类	同上	23db	64db

五、常用的双绞线电缆

综合布线中最常用的双绞线电缆有以下几种:

1、5类4对非屏蔽双绞线

　　它是美国线缆规格为24的实芯裸铜导体,以氟化乙烯做绝缘材料,传输频率达100MHz。导线组成如表4所示,物理结构如图2所示。

表4 导线色彩编码

线对	色彩码
1	白/蓝//蓝
2	白/橙//橙
3	白/绿//绿
4	白/棕//棕

图2 5类4对非屏蔽双绞线

　　电气特性如表5所示。其中,"9.38 欧姆MAX. Per100m @ 20℃"是指在20℃的恒定温度下,每100米的双绞线的电阻为9.38 欧姆(下表中类同)。

表5 5类4对非屏蔽双绞线电气特性

频率需求(Hz)	阻抗	衰减值 (dh/100)Max	NEXT(db) (最差对)	直流阻抗
256K	-	1.1	-	9.38欧姆 MAX.Per 100m @ 20ºC
512K	-	1.5	-
772K	-	1.8	66
1M	85~115 欧姆	2.1	64
4M		4.3	55
10M		6.6	49
16M		8.2	46
20M		9.2	44
31.25M		11.8	42
62.50M		17.1	37
100M		22.0	34

2、5类4对24AWG100欧姆屏蔽电缆

　　它是美国线规为24的裸铜导体,以氟化乙烯做绝缘材料,内有一24AWG TPG漏电线。传输频率达100MHz,导线组成如表6所示,
物理结构如图3所示,电气特性如表7所示。表6中屏蔽项"0.002[0.051]铝/聚酯带最小交叠@20℃及一根24AWG TPC漏电线"的含义是:

　　屏蔽层厚度为0.002厘米或0.051英寸。
　　@20℃代表在20℃恒定温度下。

表6 导线色彩编码

线对	色彩码	屏蔽
1	白/蓝//蓝	0.002[0.051] 铝/聚脂带最小交叠@20º及一根 24AWG TPC 漏电线。
2	白/橙//橙
3	白/绿//绿
4	白/棕//棕

图3 5类4对24AWG100欧姆屏蔽电缆

频率需求(Hz)	阻抗	衰减值 (dh/100)Max	NEXT(db) (最差对)	直流阻抗
256K	-	1.1	-	9.38欧姆 MAX.Per 100m @ 20ºC
512K	-	1.5	-
772K	-	1.8	66
1M	85~115 欧姆	2.1	64
4M		4.3	55
10M		6.6	49
16M		8.2	46
20M		9.2	44
31.25M		11.8	42
62.50M		17.1	37
100M		22.0	34

3、5类4对26AWG屏蔽软线

　　它由4对线和一根26AWG TPC漏电线组成,传输频率达100MHz。导线组成如表8所示,物理结构如图4所示,电气特性如表9所示。

表8 导线色彩编码

线对	色彩码	屏蔽
1	白/蓝//蓝	0.002[0.051] 铝/聚脂带箔内有一段26AWG TPC 漏电线。
2	白/橙//橙
3	白/绿//绿
4	白/棕//棕

图3 5类4对24AWG非屏蔽电线电气特性

4. 5类4对24AWG非屏蔽软线

　　它由4对线组成,用于高速数据传输,适合于扩展传输距离,应用于互连或跳接线。传输速率达100MHz。导线组成如表9所示,它的物理结构如图5所示, 电气特性如表10所示。

线对	色彩码
1	白/蓝//蓝
2	白/橙//橙
3	白/绿//绿
4	白/棕//棕

频率需求(Hz)	阻抗	衰减值 (dh/100)Max	NEXT(db) (最差对)	直流阻抗
256K	-	-	-	8.8 欧姆 MAX.Per 100m @ 20ºC
512K	-	-	-
772K	-	2.0	66
1M	85~115 欧姆	2.3	64
4M		5.3	55
10M		8.2	49
16M		10.5	46
20M		11.8	44
31.25M		15.4	42
62.50M		22.3	37
100M		28.9	34

六、超5类布线系统

超5类布线系统是一个非屏蔽双绞线(UTP)布线系统,通过对它的"链接"和"信道"性能的测试表明,它超过TIA/EIA568的5类线要求。
与普通的5类UTP比较,其衰减更小,串扰更少,同时具有更高的衰减与串扰的比值(ACR)和信噪比(SRL)、
更小的时延误差,性能得到了提高。它具有四大优点:

　　(1)提供了坚实的网络基础,可以方便转移、更新网络技术。
　　(2)能够满足大多数应用的要求,并且满足低偏差和低串扰总和的要求。
　　(3)被认为是为将来网络应用提供的解决方案。
　　(4)充足的性能余量,给安装和测试带来方便。
与5类线缆相比,超5类在近端串扰、串扰总和、衰减和信噪比四个主要指标上都有较大的改进。

近端串扰(NEXT)是评估性能的最重要的标准。一个高速的LAN在传送和接收数据时是同步的。 NEXT是当传送与接收同时进行时所产生的干扰信号。NEXT的单位是db,它表示传送信号与串扰信号之间的比值。

在普通应用中,衡量NEXT的标准方法是用一对线进行传送,另一对线用于接收,如10BASET和TokenRing, 甚至100BASET 和155Mbps ATM。但是,有时候也可以使用另外两对线,并接到另一工作站,这样可以加快LAN的速度, 如622Mbps ATM和1000BASE-T,不只用一对(可能用全部的4对线)来传送和接收。在一根线缆中使用多对线进行传送会增加这根线缆的串扰。现在的四对5类双绞线没有考虑这种情况。

串扰总和( Power Sum NEXT)是从多个传输端产生NEXT的和。如果一个布线系统能够满足5类线在Power Sum下的NEXT要求, 那么就能处理从应用共享到高速LAN应用的任何问题。超5类布线系统的NEXT只有5类线要求的1/8。

信噪比(Structural Return Loss)是衡量线缆阻抗一致性的标准,阻抗的变化引起反射。一部分信号的能量被反射到发送端,形成噪声。 SRL是测量能量变化的标准,由于线缆结构变化而导致阻抗变化,使得信号的能量发生变化。反射的能量越少, 意味着传输信号越完整,在线缆上的噪声越小。

比起普通5类双绞线,超5类系统在100MHz的频率下运行时,为用户提供8db近端串扰的余量, 用户的设备受到的干扰只有普通5类线系统的1/4,使系统具有更强的独立性和可靠性。