我們從19世紀下半葉就開始安裝和使用雙絞線電纜。進入21世紀，雙絞線電纜仍廣泛應用于高速數(shù)據(jù)通信。雙絞線電纜(見圖1)通常被作為電話線來使用，包括為數(shù)以百萬計的家庭提供高速互聯(lián)網(wǎng)連接的DSL服務。雙絞線電纜還用于以太網(wǎng)連接以及電視機、計算機顯示器等設備的HDMI和DVI連接。雖然雙絞線電纜在日常生活中隨處可見，但是對這種電纜的屬性進行深入分析的文章卻寥寥無幾。
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用，但闡述雙絞線在各種情況中應用的資料卻不多見。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雜的數(shù)學問題。在分析同軸電纜或PCB布局時，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)上是三維結構—如果沒有這第三維，那么雙絞線和非雙絞線就沒有什么區(qū)別了。因此，本文旨在為設計人員提供雙絞線電纜高速通信的概覽，并識別從A點到B點獲得高速數(shù)據(jù)可能遇到的問題。
雙絞線電纜的一個最大優(yōu)點是它允許信號在對稱線對中發(fā)送，信號不是接地，而是接入雙絞線電纜的對側。在對稱線對中，如果有干擾磁場或電場，它們將均勻接入雙絞線對的兩根線。由于接收器能識別雙絞線對中兩根線間的差異，因此干擾的影響被降低。由于對干擾的相對不敏感性，可以使用較小信號擺幅的差分信號，在相似環(huán)境中比單端系統(tǒng)省電。
差分電纜中的信號損耗
雖然在確定雙絞線衰減特征中涉及的數(shù)學問題比同軸電纜復雜得多，但最終結果卻是相似的—有三種損耗機制：
● 電阻性損耗：由電纜的電阻引起。這種影響與頻率無關，而且非常小。在大多數(shù)情況下，這稱不上影響因素。發(fā)送超低速數(shù)據(jù)信號或通過長距離電纜傳送電力時，需要考慮這個因素。
● 趨膚效應損耗：其中，衰減根據(jù)頻率平方根的函數(shù)增加。這種效應變?yōu)橹饕乃p形式并不需要很高的頻率，因此對大多數(shù)有用的雙絞線電纜應用，這是主要的損耗來源。關于趨膚效應損耗的更詳細描述，請參閱www.en-genius.net/includes/files/iot_011209.pdf《優(yōu)異的電纜均衡器對工程師大有益處》。
● 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，在超低速率時，主要的衰減形式是電阻性損耗，但速率稍有增加，集膚效應損耗將起主導作用。一旦數(shù)據(jù)傳輸速率達到1Gbps或2Gbps，介電損耗開始發(fā)揮作用，并迅速占據(jù)主導地位。由于介電損耗與數(shù)據(jù)傳輸速率和電纜長度成正比，一旦發(fā)生介電損耗，情況將迅速變糟，這就是可以使用電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率的上限。
類別電纜
通信使用的大部分雙絞線電纜都是“類別電纜”，通常稱為“3
類”電纜等(見表1)。1類和2類電纜目前很少見，3類電纜是推薦用于電話網(wǎng)絡的最低標準。EIA/TIA標準 568B對3類、5e類和6類電纜都作了相應規(guī)定。
其中，每個類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 類電纜的插入損耗必須小于或等于：
其中，f的測量單位為MHz，結果是每100米電纜的損耗值，單位為dB。
在此等式中，第一項代表趨膚效應損耗，第二項與介電損耗相關，用于找出介電損耗變?yōu)橹鲗б蛩氐呐R界點，我們要計算得出第一項和第二項相等時的f值。這發(fā)生在頻率為4GHz時。
如圖 2 所示，雖然介電損耗可能在頻率達到4GHz后起主導作用，但在頻率達到1GHz時，損耗已達到80dB。因此只有在超短行程下才適合使用電纜。
延長雙絞線電纜有效距離的一種方法是使用自適應電纜均衡器，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制用于補償電纜插入損耗。使用類似DS15EA101的電纜均衡器可以在數(shù)據(jù)傳輸速率為1Gbps時使5e類電纜的有效長度達到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。很多串行器可以使驅(qū)動到電纜的信號預失真，升高信號的高頻分量電壓。在預加重過程中，高頻分量升壓，使信號過沖和下沖。由于預加重實際使峰-峰(p-p)間信號的擺幅增加超過標稱值，如果使用的是較短的電纜，應該注意接收器是否可以接受此電壓。另一種達到相同效果的方法是去加重。
通過去加重，使單位間隔的起始部分幅度保持不變，但在邊緣過渡后短時間內(nèi)，振幅降低到較低水平。這種信號看上去與預加重信號相似，但總體振幅較小。去加重利用了雙絞線電纜和差分信號通常有足夠抗噪聲性能這一特點。提供可編程去加重的串行器例子是美國國家半導體開發(fā)的DS32EL0421。此串行器可以產(chǎn)生速率高達3.125Gbps的串行數(shù)據(jù)流。
串音和干擾
如上所述，雙絞線電纜的一個優(yōu)點是對干擾的相對免疫能力。雖然具有這種抗干擾性，但干擾仍可能對雙絞線通信系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。雙絞線電纜的一項有用功能是在一股中可以具有多對雙絞線，因此很容易通過安裝一根電纜獲得多對導線。然而這也有不利之處：串音。如果在一股中使用多對雙絞線，它們不可避免地會相互干擾?？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絞率。對絞率或?qū)g間距通常被定義為每米的對絞數(shù)。如果兩對絞線具有不同的對絞率，當它們彼此相鄰時，其中一對產(chǎn)生的干擾通常被消除。如果不同的對絞率沒有為兩對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中的每對絞線包有一層薄箔，將所有雙絞線對裹在一起。如果安裝正確，薄箔將在電纜每端接地，這就提供了一個有效的屏障，阻止一對絞線產(chǎn)生的電磁場干擾電纜中的另一對絞線。雖然STP比常用的無屏蔽雙絞線(UTP)提供更好的絞線對間隔離，但STP也有以下幾個缺點：
● STP比UTP價格更貴;
● STP比UTP更難安裝;
● STP比UTP體積更大。
近端串音
包含多個雙絞線對的電纜通常存在的問題是電纜中不同絞線對可沿相反方向發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種情況下，串音將成為更嚴重的問題。假定系統(tǒng)使用100米5e類電纜從A點向B點發(fā)送帶寬為300MHz的信號，同時，從B點向A點返回信號。參考圖2，我們發(fā)現(xiàn)可能有大約40dB的信號衰減，這需要電纜均衡器恢復信號，但仍然可以實現(xiàn)。
現(xiàn)在考慮接近A點的電纜部分的串音問題。從B點發(fā)送的信號衰減了
40dB，但從A點發(fā)送的信號仍具有完整強度，因此成為非常強勢的信號!即使少量的串音都可能消除收到的信號，并使其無法恢復。這被稱為“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。假設收到的信號降低40dB，我們將很難恢復信號。
這種情況下有幾種選擇。一種是使用更高等級的電纜，例如6類電纜的損失較小。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類電纜。7類電纜中每對雙絞線覆有箔屏蔽，這為相鄰絞線對之間提供更有效的隔離，但成本更加昂貴，安裝也更為復雜。
另一種使傳輸?shù)男盘柹偈芨蓴_的方法是限制高頻的使用和能量。如果您的發(fā)送器具有預加重功能，只有在非常必要時才可使用。
雙絞線電纜中的“噪聲”
當信號在受控制的阻抗線中傳輸并遇到阻抗不連續(xù)時，不連續(xù)的地方會產(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，各自都有相應的延時，將會形成噪聲。對于雙絞線電纜，阻抗取決于雙絞線對中兩根線的對齊度。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，或者在管道中被強行拉長或以其他各種方法錯誤使用，這些微小的阻抗不連續(xù)將存在于整個電纜中。直接的結果是在檢驗收到的信號時，將顯示為多噪聲。因此，謹慎安裝雙絞線電纜很重要。
結語
從電話到等離子電視機每秒幾千兆位的HDMI連接，雙絞線電纜無處不在。雙絞線電纜的廣泛使用源于它的獨特優(yōu)點——價格低廉，易于使用和安裝，并且類型廣泛能夠滿足各種應用的需求。雖然具有這些優(yōu)點，設計人員仍需要注意雙絞線電纜的某些問題。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)可能成為嚴重的缺點。此外，在臨界狀況下使用雙絞線電纜時，可能由于處理不當影響性能。所以，只要設計人員注意這些缺點并妥善處理，雙絞線電纜通常是從A點向B點傳輸高速數(shù)據(jù)的最佳解決方案。