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    （菲尼克斯亞太電氣（南京）有限公司）  杜品圣，張   龍
杜品圣（1951－）
博士，現(xiàn)任菲尼克斯亞太電氣(南京)有限公司研發(fā)技術(shù)總監(jiān)，中國自動化學(xué)會專家咨詢委員會委員。

    當(dāng)今大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都是由某種電纜或纜線連接起來，充當(dāng)計算機之間進行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘栞d體。有許多種纜線可以滿足從小到大不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的需要。纜線的種類非常多，也很容易混淆，但大多網(wǎng)絡(luò)只使用了三種主要的纜線進行網(wǎng)絡(luò)布線：同軸電纜、雙絞線（包括非屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線）和光纖。

    同軸電纜曾經(jīng)是網(wǎng)絡(luò)布線使用最廣泛的一種電纜，但作為早期的主要連接介質(zhì)已經(jīng)逐漸趨于淘汰，在工業(yè)場合也用得比較少。工業(yè)以太網(wǎng)通常要求使用屏蔽雙絞線或者光纖作為傳輸介質(zhì)。

    本文將重點介紹雙絞線電纜和光纖的分類、規(guī)范、連接和安裝等內(nèi)容，以及EMC的相關(guān)知識。

    4.1 雙絞線（Twist Pair）電纜

    4.1.1 雙絞線電纜的類型

    雙絞線最簡單的形式包括兩條絞在一起的絕緣銅線。有兩種主要的雙絞線：非屏蔽雙絞線（UTP）和屏蔽雙絞線（STP）。幾條雙絞線通常集成一束，外包一層保護外鞘組成一條纜線。纜線中雙絞線的實際數(shù)目有所不同。集成一束的好處可以免受其它雙絞線和馬達(dá)、變頻器等其它電子噪音源的干擾。

    雙絞線電纜適用于多種傳輸方法，例如令牌環(huán)和以太網(wǎng)。導(dǎo)線的典型直徑0.5-0.6mm。最大傳輸距離取決于信號衰減和有無屏蔽。傳輸率為10/100Mbps時，雙絞線最大長度100m。電纜的最小長度是0.6m。電纜將兩個站點連接起來。常用RJ-45插頭和插座連接。

    雙絞線電纜的版本有多種：UTP、FTP、S/UTP、S/STP或ITP描述電纜的結(jié)構(gòu)；CAT3,5,6或7描述電纜和插接件的類別。電纜級別（A-100kHz，B-1MHz，C-16MHz，D-100MHz，E-300MHz，F(xiàn)-600MHz）定義傳輸帶寬。

    * CAT1用于警報系統(tǒng)和模擬語音傳輸；

    * CAT2用于語音和V.24（RS-232）接口；

    * CAT3用于最大16MHz的數(shù)據(jù)傳輸；

    * CAT4用于最大20MHz的數(shù)據(jù)傳輸（IBM令牌環(huán)16MHz）；

    * CAT5用于最大100MHz的數(shù)據(jù)傳輸，衰減24dB，串?dāng)_27dB；

    * CAT5e用于最大100MHz的數(shù)據(jù)傳輸，衰減24dB，串?dāng)_30dB；

    * CAT6用于最大250MHz的數(shù)據(jù)傳輸，衰減22dB，串?dāng)_40dB；

    * CAT7用于最大600MHz的數(shù)據(jù)傳輸，衰減21dB，串?dāng)_62dB。
電纜的設(shè)計對干擾抑制和電纜的抗干擾能力有顯著作用。下面簡述各類電纜的屏蔽結(jié)構(gòu)，以說明它們傳輸質(zhì)量的差別：

    * UTP（無屏蔽雙絞線） 沒有屏蔽的多線雙絞電纜。典型抗干擾值40dB。這種電纜過去常用于Category3電纜。現(xiàn)在也用于CAT5電纜。UTP電纜在工業(yè)場合的高數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)技術(shù)中仍然廣泛使用。

    *S/UTP（有屏蔽/無屏蔽雙絞線） 有完全的屏蔽銅網(wǎng)，降低外部干擾。典型干擾抑制值可達(dá)70dB。

    * FTP（帶屏蔽層的雙絞線）  有完全的屏蔽鋁箔。

    * S/FTP（屏蔽/鋁箔屏蔽雙絞線）  用于安裝UTP插座的最新電纜。有完全的屏蔽，由覆蓋鋁的聚脂膜和銅網(wǎng)組成。干擾抑制值大于90dB。

    * STP（有屏蔽雙絞線）  有完全的屏蔽，不帶其它規(guī)格。

    * S/STP（屏蔽/屏蔽雙絞線）  電纜中的每對雙絞線帶有屏蔽，還有整個的屏蔽，這提供了最佳的干擾抑制，即使是不同雙絞線對的串?dāng)_也能有效抑制。

    * ITP（工業(yè)雙絞線對） S/STP的工業(yè)版本。典型的網(wǎng)絡(luò)電纜有四個雙絞線對，ITP有兩對。
CAT3電纜和CAT5電纜的價格差別很小，新的安裝常選用CAT5，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)100Mbps。
    
    4.1.2 雙絞線電纜的安裝

    常規(guī)的雙絞線以太網(wǎng)電纜使用RJ45連接器。在RJ45中有八個針腳；10/100Mbps傳輸用到其中的四個針腳，而1000Mbps傳輸時用到了所有的八個針腳。如表1所示。

               表1   RJ45連接器的針腳分配

    在以太網(wǎng)雙絞線中屏蔽是需要的，特別是在工業(yè)應(yīng)用中。另外，如果電纜彎曲的話，絞線的效果就會降低，如在安裝過程中，入股電纜的彎曲超出允許的范圍，電線的絕緣常常被破壞，而且電線間的電容干擾增強。
一方面，不對稱的結(jié)果使得信號傳輸對電阻、電容和感應(yīng)的干擾變得敏感；另一方面，這類電纜用作高頻傳導(dǎo)。高頻傳導(dǎo)在系統(tǒng)中是一種干擾性的傳輸。

    屏蔽包含一個傳導(dǎo)的金屬箔和金屬編織網(wǎng)，其中至少70%要被導(dǎo)體覆蓋，以便提供足夠的保護來抵抗電場和磁場。

    銅纜安裝需遵守以下常見事項：
 
    * 剝線的長度盡可能短；
 
    * 電纜的彎曲不能小于90度；
 
    * 電纜彎曲的半徑應(yīng)當(dāng)至少是電纜直徑的四倍；
 
    * 不要扭曲、拉伸電纜；
 
    * 固定電纜時，不要擠壓電纜；
 
    * 電纜兩端的屏蔽層要等電勢連接，使用盡可能多的屏蔽層，保證小阻抗；
 
    * 解開雙絞的線長不超過13mm；
 
    * 幾根電纜的屏蔽層等電勢連接到同一點。

    4.2 光纖（Fiber Optic）

    光是一種電磁波。可見光部分波長范圍是：390-760nm。大于760nm部分是紅外光，小于390nm部分是紫外光。光纖中通常應(yīng)用的是850nm、1300nm和1550nm三種。

    因光在不同物質(zhì)中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時，在兩種物質(zhì)的交界面處會產(chǎn)生折射和反射。而且，折射光的角度會隨入射光的角度變化而變化。當(dāng)入射光的角度達(dá)到或超過某一角度時，折射光會消失，入射光全部被反射回來，這就是光的全反射。不同的物質(zhì)對相同波長光的折射角度是不同的，即不同的物質(zhì)有不同的光折射率，相同的物質(zhì)對不同波長光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。

    光纖技術(shù)的優(yōu)點是不受電磁場和電磁輻射的影響，光纖路徑的運行不需要額外的屏蔽、等電位的連接或者浪涌保護裝置。光纖路徑甚至在最大距離上提供了最大的傳輸速率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴：碗p絞線相比，其缺點主要是價格和連接裝配的復(fù)雜性。

    4.2.1 光纖分類

    按光在光纖中的傳輸模式，可分為：單模光纖和多模光纖。

    按照制造光纖所用的材料來分類，有塑料光纖、HCS光纖和玻璃光纖。

    按照光纖芯的折射率分布來劃分，有階躍型光纖（Step Index Fiber）、梯度型光纖（Graded Index Fiber）、環(huán)形光纖（Ring Fiber）和W形光纖等。

    （1） 單模光纖和多模光纖

    多模光纖：中心玻璃芯較粗（50或62.5μm），可傳輸多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴(yán)重。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。

    單模光纖：中心玻璃芯較細(xì)（芯徑一般為9或10μm），只能傳輸一種模式的光。因此其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通信。但其色度色散起主要作用，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。

    （2）玻璃光纖、塑料光纖和HCS光纖

    玻璃光纖：一根玻璃光纖包含一個纖芯和一個屏蔽層。纖芯是一個高度消毒的，非常細(xì)的硅石或石英玻璃線，被低光密度的玻璃所屏蔽。在玻璃纖維里密度的差別為連接的光脈沖提供了全反射，促進了光沿纖芯前進。光的波長有850nm、1300nm或1550nm。由于玻璃光纖帶寬大、數(shù)據(jù)完整、防抖動、抗干擾、傳輸距離遠(yuǎn)，因此被被用在100Mbps的連接中。
   
塑料光纖：常規(guī)玻璃光纖的成本比較高，玻璃光纜的裝配和檢查以及維護都是耗時和昂貴的。對于傳輸路徑較短的場合，塑料光纖（POF）技術(shù)是一個很好的解決辦法。采用塑料光纖，可以更簡便地裝配光纖連接器和對光纖進行在線診斷。塑料光纖在現(xiàn)場總線的應(yīng)用中使用得比較多。塑料光纖的最遠(yuǎn)距離限制在50米。

    HCS（硬包層石英）光纖：對于超過50米的路徑，可以使用HCS（硬包層石英）光纜。HCS光纖有200微米厚的帶有塑料罩的玻璃纖芯，因此比塑料光纖有較低的衰減。HCS光纖可以達(dá)到100米的傳輸距離。HCS光纖的制作安裝比POF復(fù)雜和費時，但仍然比玻璃光纖更易于安裝。