我們從19世紀(jì)下半葉就開(kāi)始安裝和使用雙絞線電纜。進(jìn)入21世紀(jì)，雙絞線電纜仍廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)通信。雙絞線電纜(見(jiàn)圖1)通常被作為電話線來(lái)使用，包括為數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的家庭提供高速互聯(lián)網(wǎng)連接的DSL服務(wù)。雙絞線電纜還用于以太網(wǎng)連接以及電視機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器等設(shè)備的HDMI和DVI連接。雖然雙絞線電纜在日常生活中隨處可見(jiàn)，但是對(duì)這種電纜的屬性進(jìn)行深入分析的文章卻寥寥無(wú)幾。

　　  我們可以看到有大量資料在討論同軸電纜、PCB跡線。雖然雙絞線得以廣泛運(yùn)用，但闡述雙絞線在各種情況中應(yīng)用的資料卻不多見(jiàn)。筆者在研究中發(fā)現(xiàn)缺乏雙絞線電纜分析的原因是這種分析將很快陷入復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題。在分析同軸電纜或PCB布局時(shí)，可以使用二維分析獲得良好的電纜行為模型，但雙絞線電纜本質(zhì)上是三維結(jié)構(gòu)—如果沒(méi)有這第三維，那么雙絞線和非雙絞線就沒(méi)有什么區(qū)別了。因此，本文旨在為設(shè)計(jì)人員提供雙絞線電纜高速通信的概覽，并識(shí)別從A點(diǎn)到B點(diǎn)獲得高速數(shù)據(jù)可能遇到的問(wèn)題。

　　  雙絞線電纜的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是它允許信號(hào)在對(duì)稱(chēng)線對(duì)中發(fā)送，信號(hào)不是接地，而是接入雙絞線電纜的對(duì)側(cè)。在對(duì)稱(chēng)線對(duì)中，如果有干擾磁場(chǎng)或電場(chǎng)，它們將均勻接入雙絞線對(duì)的兩根線。由于接收器能識(shí)別雙絞線對(duì)中兩根線間的差異，因此干擾的影響被降低。由于對(duì)干擾的相對(duì)不敏感性，可以使用較小信號(hào)擺幅的差分信號(hào)，在相似環(huán)境中比單端系統(tǒng)省電。

　　  差分電纜中的信號(hào)損耗

　　  雖然在確定雙絞線衰減特征中涉及的數(shù)學(xué)問(wèn)題比同軸電纜復(fù)雜得多，但最終結(jié)果卻是相似的—有三種損耗機(jī)制：

　　  ● 電阻性損耗：由電纜的電阻引起。這種影響與頻率無(wú)關(guān)，而且非常小。在大多數(shù)情況下，這稱(chēng)不上影響因素。發(fā)送超低速數(shù)據(jù)信號(hào)或通過(guò)長(zhǎng)距離電纜傳送電力時(shí)，需要考慮這個(gè)因素。

　　  ● 趨膚效應(yīng)損耗：其中，衰減根據(jù)頻率平方根的函數(shù)增加。這種效應(yīng)變?yōu)橹饕乃p形式并不需要很高的頻率，因此對(duì)大多數(shù)有用的雙絞線電纜應(yīng)用，這是主要的損耗來(lái)源。關(guān)于趨膚效應(yīng)損耗的更詳細(xì)描述，請(qǐng)參閱www.en-genius.net/includes/files/iot_011209.pdf《優(yōu)異的電纜均衡器對(duì)工程師大有益處》。

　　  ● 介電損耗：隨頻率線性增加，但起初影響很低。

　　  如果從數(shù)據(jù)傳輸速率角度考慮信號(hào)，在超低速率時(shí)，主要的衰減形式是電阻性損耗，但速率稍有增加，集膚效應(yīng)損耗將起主導(dǎo)作用。一旦數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到1Gbps或2Gbps，介電損耗開(kāi)始發(fā)揮作用，并迅速占據(jù)主導(dǎo)地位。由于介電損耗與數(shù)據(jù)傳輸速率和電纜長(zhǎng)度成正比，一旦發(fā)生介電損耗，情況將迅速變?cè)?，這就是可以使用電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率的上限。

         類(lèi)別電纜
　　  通信使用的大部分雙絞線電纜都是“類(lèi)別電纜”，通常稱(chēng)為“3
類(lèi)”電纜等(見(jiàn)表1)。1類(lèi)和2類(lèi)電纜目前很少見(jiàn)，3類(lèi)電纜是推薦用于電話網(wǎng)絡(luò)的最低標(biāo)準(zhǔn)。EIA/TIA標(biāo)準(zhǔn) 568B對(duì)3類(lèi)、5e類(lèi)和6類(lèi)電纜都作了相應(yīng)規(guī)定。
　　  其中，每個(gè)類(lèi)別的電纜都具有明確定義的特征。例如：按照 ANSI TIA/EIA-568-B.2，5e 類(lèi)電纜的插入損耗必須小于或等于：
       
　　  其中，f的測(cè)量單位為MHz，結(jié)果是每100米電纜的損耗值，單位為dB。
　　 
在此等式中，第一項(xiàng)代表趨膚效應(yīng)損耗，第二項(xiàng)與介電損耗相關(guān)，用于找出介電損耗變?yōu)橹鲗?dǎo)因素的臨界點(diǎn)，我們要計(jì)算得出第一項(xiàng)和第二項(xiàng)相等時(shí)的f值。這發(fā)生在頻率為4GHz時(shí)。
　　  如圖 2 所示，雖然介電損耗可能在頻率達(dá)到4GHz后起主導(dǎo)作用，但在頻率達(dá)到1GHz時(shí)，損耗已達(dá)到80dB。因此只有在超短行程下才適合使用電纜。
        
　　 
延長(zhǎng)雙絞線電纜有效距離的一種方法是使用自適應(yīng)電纜均衡器，例如DS15EA101。DS15EA101配備模擬濾波器，具有與圖2所示相反的特征，并采用可調(diào)整濾波器增益的伺服機(jī)制用于補(bǔ)償電纜插入損耗。使用類(lèi)似DS15EA101的電纜均衡器可以在數(shù)據(jù)傳輸速率為1Gbps時(shí)使5e類(lèi)電纜的有效長(zhǎng)度達(dá)到75米。

在很多情況中，如果使用雙絞線電纜在鏈路上傳輸數(shù)據(jù)，通常采用串行器做驅(qū)動(dòng)。很多串行器可以使驅(qū)動(dòng)到電纜的信號(hào)預(yù)失真，升高信號(hào)的高頻分量電壓。在預(yù)加重過(guò)程中，高頻分量升壓，使信號(hào)過(guò)沖和下沖。由于預(yù)加重實(shí)際使峰-峰(p-p)間信號(hào)的擺幅增加超過(guò)標(biāo)稱(chēng)值，如果使用的是較短的電纜，應(yīng)該注意接收器是否可以接受此電壓。另一種達(dá)到相同效果的方法是去加重。
　　 
通過(guò)去加重，使單位間隔的起始部分幅度保持不變，但在邊緣過(guò)渡后短時(shí)間內(nèi)，振幅降低到較低水平。這種信號(hào)看上去與預(yù)加重信號(hào)相似，但總體振幅較小。去加重利用了雙絞線電纜和差分信號(hào)通常有足夠抗噪聲性能這一特點(diǎn)。提供可編程去加重的串行器例子是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的DS32EL0421。此串行器可以產(chǎn)生速率高達(dá)3.125Gbps的串行數(shù)據(jù)流。
　　  串音和干擾
　　 
如上所述，雙絞線電纜的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)干擾的相對(duì)免疫能力。雖然具有這種抗干擾性，但干擾仍可能對(duì)雙絞線通信系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。雙絞線電纜的一項(xiàng)有用功能是在一股中可以具有多對(duì)雙絞線，因此很容易通過(guò)安裝一根電纜獲得多對(duì)導(dǎo)線。然而這也有不利之處：串音。如果在一股中使用多對(duì)雙絞線，它們不可避免地會(huì)相互干擾?？梢允褂枚喾N方法降低電纜中的串音，其成本和效果不盡相同。
　　 
最常用的降低串音的方法是電纜中使用不同的對(duì)絞率。對(duì)絞率或?qū)g間距通常被定義為每米的對(duì)絞數(shù)。如果兩對(duì)絞線具有不同的對(duì)絞率，當(dāng)它們彼此相鄰時(shí)，其中一對(duì)產(chǎn)生的干擾通常被消除。如果不同的對(duì)絞率沒(méi)有為兩對(duì)絞線之間提供足夠的隔離效果，可以使用另一種方法——屏蔽雙絞線(STP)電纜。
　　 
STP中的每對(duì)絞線包有一層薄箔，將所有雙絞線對(duì)裹在一起。如果安裝正確，薄箔將在電纜每端接地，這就提供了一個(gè)有效的屏障，阻止一對(duì)絞線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)干擾電纜中的另一對(duì)絞線。雖然STP比常用的無(wú)屏蔽雙絞線(UTP)提供更好的絞線對(duì)間隔離，但STP也有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：
　　  ● STP比UTP價(jià)格更貴;
　　  ● STP比UTP更難安裝;
　　  ● STP比UTP體積更大。
　　  近端串音
　　 
包含多個(gè)雙絞線對(duì)的電纜通常存在的問(wèn)題是電纜中不同絞線對(duì)可沿相反方向發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種情況下，串音將成為更嚴(yán)重的問(wèn)題。假定系統(tǒng)使用100米5e類(lèi)電纜從A點(diǎn)向B點(diǎn)發(fā)送帶寬為300MHz的信號(hào)，同時(shí)，從B點(diǎn)向A點(diǎn)返回信號(hào)。參考圖2，我們發(fā)現(xiàn)可能有大約40dB的信號(hào)衰減，這需要電纜均衡器恢復(fù)信號(hào)，但仍然可以實(shí)現(xiàn)。

   現(xiàn)在考慮接近A點(diǎn)的電纜部分的串音問(wèn)題。從B點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)衰減了
40dB，但從A點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)仍具有完整強(qiáng)度，因此成為非常強(qiáng)勢(shì)的信號(hào)!即使少量的串音都可能消除收到的信號(hào)，并使其無(wú)法恢復(fù)。這被稱(chēng)為“近端串音”或“NEXT”。大多數(shù)電纜制造商都指定雙絞線電纜的近端串音，類(lèi)別電纜指定各電纜的最大允許近端串音。
　　  在上例使用的5e類(lèi)電纜的情況中，允許的近端串音由以下方程式指定：
        
　  　以 300MHz 的最大允許串音為例，我們發(fā)現(xiàn)只能保證近端串音小于28dB。假設(shè)收到的信號(hào)降低40dB，我們將很難恢復(fù)信號(hào)。
       
　　  這種情況下有幾種選擇。一種是使用更高等級(jí)的電纜，例如6類(lèi)電纜的損失較小。保證近端串音降低約10dB，所以容限也得到顯著改善。
　　  也可使用成本/質(zhì)量更高的電纜，如7類(lèi)電纜。7類(lèi)電纜中每對(duì)雙絞線覆有箔屏蔽，這為相鄰絞線對(duì)之間提供更有效的隔離，但成本更加昂貴，安裝也更為復(fù)雜。
　　  另一種使傳輸?shù)男盘?hào)少受干擾的方法是限制高頻的使用和能量。如果您的發(fā)送器具有預(yù)加重功能，只有在非常必要時(shí)才可使用。

         雙絞線電纜中的“噪聲”
　　 
當(dāng)信號(hào)在受控制的阻抗線中傳輸并遇到阻抗不連續(xù)時(shí)，不連續(xù)的地方會(huì)產(chǎn)生反射。如果傳輸線具有多處小的不連續(xù)，所有這些反射累加，各自都有相應(yīng)的延時(shí)，將會(huì)形成噪聲。對(duì)于雙絞線電纜，阻抗取決于雙絞線對(duì)中兩根線的對(duì)齊度。因此，如果雙絞線電纜被“扭折”或被迫形成超出電纜規(guī)定值的小半徑彎曲，或者在管道中被強(qiáng)行拉長(zhǎng)或以其他各種方法錯(cuò)誤使用，這些微小的阻抗不連續(xù)將存在于整個(gè)電纜中。直接的結(jié)果是在檢驗(yàn)收到的信號(hào)時(shí)，將顯示為多噪聲。因此，謹(jǐn)慎安裝雙絞線電纜很重要。
　　  結(jié)語(yǔ)
　　 
從電話到等離子電視機(jī)每秒幾千兆位的HDMI連接，雙絞線電纜無(wú)處不在。雙絞線電纜的廣泛使用源于它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)——價(jià)格低廉，易于使用和安裝，并且類(lèi)型廣泛能夠滿足各種應(yīng)用的需求。雖然具有這些優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員仍需要注意雙絞線電纜的某些問(wèn)題。例如，雙絞線產(chǎn)生的衰減大于同軸電纜，串音(尤其是近端串音)可能成為嚴(yán)重的缺點(diǎn)。此外，在臨界狀況下使用雙絞線電纜時(shí)，可能由于處理不當(dāng)影響性能。所以，只要設(shè)計(jì)人員注意這些缺點(diǎn)并妥善處理，雙絞線電纜通常是從A點(diǎn)向B點(diǎn)傳輸高速數(shù)據(jù)的最佳解決方案。