双绞线缆传输网络及应用

双绞线（Twisted pair）是两根相互绝缘的铜导线按规定节距相互缠绕在一起而成的网络传输介质，绞合可减少相邻导线对之间的电磁干扰。

双绞线缆主要用于传输模拟信号和数字信号。最常用的是无屏蔽双绞线缆（Unshielded Twis-ted Pair Cable，UTP），价廉物美，施工方便。

长期以来，双绞线一直用于电话系统，几乎所有的用户电话机到交换机之间的传输线（称为用户线）都使用双绞线。它的最大特点是成本低廉，使用方便灵活，良好的互联性能，使它获得了广泛应用。

20世纪90年代以来，由于高速发展的多媒体通信、计算机网络通信和综合布线（PDS）的需要，1991年美国电子工业协会（EIA）和电信工业协会（TLA）联合发布了一个EIA/TLA-586标准，它的全名为“商用建筑电信布线标准（Commercial Building Telecommunications Cabling Standard）”，它规定了用于室内传送数据的UTP和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）的标准。随着局域网数据传送速率的不断提高，ANSI/EIA在1995年将上述标准更新为ANSI/EIA-586-A，规定了五个种类的UTP标准，从Cat.1（一类线）到Cat.5（五类线），现在又公布了Cat.6（六类线）和Cat.7（七类线）标准，数据传输的速率越来越高。图4-72是双绞线缆的典型结构。

图4-72 双绞线缆的典型结构

a）无屏蔽双绞线 b）屏蔽双绞线

最常用的双绞线缆有三类线、五类线、超五类线和六类线。各型号双绞线缆的应用范围如下：

1）一类线：主要用于20世纪80年代之前的电话线缆。

2）二类线：最高传输频率为1 MHz，用于语音传输和最高传输速率为4Mbit/s的数据传输，常见于使用4Mbit/s规范令牌传递协议的旧令牌网。

3）三类线：指目前在ANSI（美国国家标准协会）和EIA/TIA-568标准中指定用电缆，该电缆的最高传输频率为16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbit/s的数据传输，主要用于10Base-T局域网。

4）四类线：四类线的最高传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率为16Mbit/s的数据传输，主要用于令牌局域网和10Base-T/100Base-T局域网。

5）五类线：该类电缆增加了缠绕密度，外套一种高质量的绝缘材料，最高传输频率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为10Mbit/s的数据传输，主要用于10Base-T和100Base-T局域网络。这是最常用的以太网电缆。

6）超五类线：超五类衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减/串扰比（ACR）和回波损耗信噪比、更小的时延误差，性能得到很大提高。超五类线主要用于千兆位以太网（1000Mbit/s）。

7）六类线：该类电缆的传输频率为1～250MHz，六类线布线系统在200MHz时的综合衰减/串扰比（PS-ACR）有较大的余量，它提供2倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbit/s的应用。

六类与超五类的一个重要的不同点在于：改善了在串扰以及回波损耗方面的性能，对于新一代全双工的高速网络应用而言，优良的回波损耗性能是极重要的。六类标准中取消了基本链路模型，布线标准采用星形拓扑结构。

双绞线10Base-T和100Base-TX最大可支持的传输距离（中间没有中继器）为100m。数据通信最常用的UTP五类线（Cat.5）结构：导线采用高电导率的直径为0.511mm（美国线规AWG24号）或直径为0.643mm（AWG26号），线芯一般为单芯导体，要求移动使用，有多股芯线的双绞线。导线的伸长率应小于15%，伸长率偏差应小于2%；采用聚乙烯或聚丙烯绝缘，外径不超过1.4mm，绝缘的同心度应达到90%以上，外径尺寸的一致性，公差不大于3μm；扭绞节距的精度公差应小于1mm。4对UTP的扭绞节距有：10-12-14-16mm、16-18-20-22mm或17-20-25-30mm等数种。这种不等扭绞节距可更有效地减少线对之间的电磁干扰。电缆护套采用阻燃聚氯乙烯、低烟阻燃护套或含氟聚乙丙烯护套等。

表4-13是各类双绞线的最高可用传输速率（与距离有关）和主要用途。

表4-13 各类双绞线的最高可用传输速率和主要用途

注：1.双绞线缆。

10 Base-T：10代表信息传输的速率为10Mbit/s；“Base”表示电缆上的信号为采用曼彻斯特编码的基带信号；T代表双绞线缆（Twisted Pair）。100 Base-TX代表传输速率为100Mbit/s的双绞线缆。

2.同轴电缆。

粗同轴电缆10Base 5（电缆直径10mm，特性阻抗50Ω），“5”代表可支持的最大传输距离为500m。

细同轴电缆10Base 2（电缆直径5mm，特性阻抗50Ω），“2”代表可支持的最大传输距离为200m。

3.光缆。

10Base-F（多模光纤电缆，光纤直径为62.5mm，传输光线波长为125μm），可支持的最大传输距离为2000m。

单模光纤的衰减小，在2.5Gbit/s的高速率下，可传输数十公里而不必采用中继器。

表4-14是双绞线缆、同轴电缆和光缆组成的10Mbit/s局域网的特性比较。

表4-14 10Mbit/s基带信号局域网的特性

1.双绞线传输信号的原理

按照线路的形式，传输线可分为非平衡式和平衡式两种。同轴电缆属于非平衡传输线，双绞线属于平衡传输线。音视频设备，包括信号源、扩声系统及显示设备，其接口通常是非平衡式，因此，可直接与同轴电缆匹配连接。要用双绞线传输音视频信号，必须在发送端将非平衡信号转换为平衡信号；以便平衡驱动双绞线传输，在接收端再将平衡信号转换为非平衡信号，与显示设备或音响设备连接。一个基本的双绞线视频传输系统如图4-73所示。图中的A₁是差分信号发送放大器，完成非平衡到平衡的转换；A₂是差分信号接收放大器，完成平衡到非平衡的转换。

图4-73 双绞线视频传输系统

（1）双绞线消除串扰的原理。作为信号传输的媒介，要求传输线不仅能有效地传输信号，同时具有良好的抑制干扰的能力。在双绞线中，干扰主要来自以下两方面：第一，外部干扰；第二，同一电缆内部各线对之间的相互串扰。

1）双绞线对外部干扰的抑制。图4-74是未扭绞的双线回路中的干扰。U_S为信号源，U_e为干扰信号源，干扰电流I_e在双线回路的两条导线L₁、L₂上产生的干扰电流分别是I₁和I₂。由于L₁距离干扰源较近，因此，I₁＞I₂，I₃=I₁-I₂≠0，有干扰电流存在。

图4-74 未扭绞的双线回路中的干扰

图4-75是扭绞双线回路的干扰。与图4-74不同的是，双线回路在中点位置进行了一次扭绞。在中点的两边，各自存在干扰电流I₁和I₂，I₁=I₁₁-I₂₁，I₂=I₂₂-I₁₂。由于两段线路的条件完全相同，所以I₁=I₂。总干扰电流I₃=I₁-I₂=0。因此只要合理地设置线路的扭绞，就能达到消除干扰的目的。

图4-75 扭绞双线回路的干扰

2）双绞线缆内部各线对之间的串扰。图4-76是两个未做扭绞的双线回路间的串扰。其中，回路1为主串回路，回路2为被串回路。回路1的导线L₁上的电流I₁在被串回路L₃和L₄中产生感应电流I₁₃和I₁₄。由于L₁与L₃的距离较近，所以I₁₃＞I₁₄，两者方向相对，抵消后尚余差值I₄。同样，回路1的导线L₂上的电流I₂在被串回路L₃和L₄中产生感应电流I₂₃和I₂₄，I₂₃＞I₂₄。两者相互抵消后，余下差值I₃。由于导线L₂与回路2的距离比导线L₁近，其差值电流I₃一定大于I₄，I₃与I₄的差为I₅，在回路2内形成干扰。

图4-76 未做扭绞的双线回路间的串扰

图4-77是两个扭绞相同的回路。回路1和回路2同时在线路中点位置做扭绞，因此，两个回路的4根导线之间的相对关系与未做扭绞是完全相同的，U_s1和U_s2分别在对方回路中产生干扰电流I₁₂和I₂₁；由此可知，两个绞合的双线回路扭距相同时，不能消除串扰。

图4-77 两个扭绞相同的回路间的串扰

图4-78是两个扭距不同的双线回路。回路1在线路的中点做扭绞。回路2除在线路的中点做扭绞外，还在A段和B段的1/2处分别做扭绞。下面以回路1为主串回路，回路2为被串回路。我们将整个线路分为A、B两段，先分析A段的串扰。在A段内，回路1未做扭绞，而回路2在1/2处做扭绞。我们进一步来看回路1的导线L₁对回路2的干扰的情况，由于回路2在A段的中点扭绞，干扰电流为零。同样道理，导线L₂对回路2的干扰电流也为零。因此，在A段，回路1对回路的串扰电流为零。

B段的情况与A段完全相同，在B段串扰电流也为零。因此，回路1对回路2的总串扰为零。由此可以得出结论：两个各自扭绞双线回路，只要合理地设计扭距，可以消除相互串扰。(www.xing528.com)

图4-78 两个扭距不同的双线回路间的串扰

（2）超五类双绞线的结构与技术指标。

1）超五类双绞线的结构。一条超五类双绞线电缆由4对线组成。每对线各自按反时针方向扭绞。4对线的扭距各不相同。采取这些措施，不仅可消除外部干扰，同时还可消除线对间的串扰。超五类双绞线各线对的扭距见表4-15。

表4-15 超五类双绞线各线对的扭距

2）超五类双绞线的主要技术指标。超五类双绞线的主要技术指标有特性阻抗、衰减与回路串扰。

①特性阻抗。特性阻抗是指在双绞线输入端施以交流信号电压时，输入电压与电流的比值。线路的特性阻抗与线路的直流电阻是完全不同的两个概念。线路的直流电阻与线路的长度成正比。而线路的特性阻抗完全由线路的结构和材料决定，与线路的长度无关。传输线的分布参数在高频状态下的等效电路如图4-79所示。由图可见，线路的分布电阻和分布电感串联在回路中，分布电容和分布电阻并联在回路中。线路可以认为是由无数个这样的基本单元环节连接起来的。这样的一个混联电路，不论线路多长，输入阻抗都是一个定值。线路阻抗Z（Ω）的值为

式中 L——一个单位长度的电感；

C——一个单位长度的电容。

用式（4-6）可计算出双绞线的特性阻抗。通常使用的非屏蔽超五类双绞线的阻抗为100Ω。

图4-79 传输线的分布参数在高频状态下的等效电路

②衰减。信号通过双绞线会产生衰减。双绞线的衰减B是频率的函数，即

式中 f——频率（MHz）；

B——双绞线的衰减（dB）。

③回路串扰防卫度。双绞线的回路串扰防卫度是表示同一电缆中的一个回路对来自另一个回路的干扰的防卫能力，用B_c（dB）表示，即

式中 U_s——主串回路信号电压；

U_c——被串回路干扰电压。

双绞线的串扰与频率有关。随着频率的升高，回路串扰防卫度降低。表4-16是UTP的主要技术数据。线缆执行标准为美标EIA/TIA-568。

表4-16 UTP的主要技术特性

一对双绞线可用作一条通信链路。多对双绞线包封在一个护套内组成的多芯双绞线缆，各线对之间的电磁干扰可达到最小。双绞线对的导体直径为0.38～1.42mm。Cat.3的绞合节距长度为7.5～10cm，Cat.5的绞合节距长度为0.6～0.85cm。绞合节距的长度与抵消电磁干扰直接相关，因此必须严格控制。

双绞线既可用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号。传输模拟音频信号时，每5～6km需用一台放大器。传送低码率数字信号时，每2～3km使用一台中继器。双绞线的最高可用带宽为268kHz。传送基带数字信号的最高速率不仅与传输距离有关，还与数字信号的编码方法有很大关系。例如使用T1线路总的数据传输速率可达1.544Mbit/s。

无论哪一类双绞线，信号衰减都随频率的升高而增加。在设计布线时，要考虑受到衰减的信号还应当有足够大的信号振幅，以便在有噪声及其他干扰的条件下能够在接收端正确地被检测出来。

在低频（或低速码流）传输时，双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆的抗干扰性。但是超过10～100kHz时，同轴电缆的抗干扰性明显比双绞线高。

2.五类UTP的主要电气性能

1）最大直流电阻（20℃）：AWG24线芯为9.38Ω/100m；AWG26线芯为5.91Ω/100m。

2）直流电阻的最大不平衡度：ANSI/EIA-568A为5%；ISO/IEC1801为3%。

3）线对最大工作电容（1kHz）：55.8pF/100m。

4）线对地之间的最大电容不平衡度：330pF/100m。

5）绝缘电阻（最小值）：不低于150MΩ/km。

6）介质耐压：直流1kV（1min）或2.5kV（2s）。

7）特性阻抗：在77.2kHz时应为102（±15%）Ω（87～117Ω），在1～100MHz时，应为100（±15%）Ω（85～115Ω）。

8）结构回波损耗（SRL）：在1～20MHz时，SRL＞23dB；在20～100MHz时，SRL＞20-10lg（F/20）dB，式中F为测试频率（MHz）。

9）20℃时频率衰减和近端串音衰减见表4-17。

表4-17 五类UTP的频率衰减和近端串音衰减

（续）

10）两种UTP特性见表4-18。

表4-18 两种UTP的特性

3.STP电缆

STP采用铝塑薄膜制成扭绞线对的屏蔽层，进一步提高了双绞线缆的抗干扰能力，适用于更高传输速率的数据传输，但成本也相应提高。

STP有两种结构形式：FTP（Foil Twisted Pair）和S-UTP（Shielded-UTP）。FTP采用0.05～0.07mm的铝塑薄膜对UTP双绞线对进行总屏蔽，达到提高抗干扰能力的目的，它是一种最便宜的STP屏蔽双绞线缆，在欧洲较流行。另一种S-UTP电缆采用同类铝塑薄膜屏蔽，它不仅对每根扭绞线屏蔽，而且还对两对屏蔽的扭绞线再进行总屏蔽，因此它具有更高的抗干扰性能，适用于更高的传输速率。