綜合布線系統(tǒng)信道余量與網(wǎng)絡(luò)傳輸性能

1、綜合布線系統(tǒng)信道余量與網(wǎng)絡(luò)傳輸性能簡介 在最近的許多通信雜志和IT行業(yè)展覽會上，布線系統(tǒng)傳輸性能對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸比特誤碼率的影響成為引人注目的焦點(diǎn)。一般來講，因阻抗不匹配而產(chǎn)生的信道回波損耗是導(dǎo)致高比特誤碼率的主要原因，而且回波損耗對所有的系統(tǒng)性能都有一定的影響，近端串?dāng)_衰耗的影響則更為嚴(yán)重。 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計與測試要求信道必須符合應(yīng)用性能，而這些信道卻可能無法提供充足的富余量來擔(dān)負(fù)許多未來高寬帶網(wǎng)絡(luò)需求應(yīng)用。為了比較及驗證6類布線方案比新近頒布的5e類標(biāo)準(zhǔn)能提供更好的傳輸質(zhì)量及更快的網(wǎng)絡(luò)速度，美國康普實驗室最近利用三種高速、高密集信息量傳輸?shù)膽?yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行了實驗。所選的應(yīng)用系統(tǒng)是270 Mb/s的

2、串行數(shù)字視頻信號，100BASE-TX視頻流和100BASE-TX數(shù)據(jù)文件傳輸。并把同護(hù)套大對數(shù)共享線纜接入實驗中，模擬最差條件下的近端串?dāng)_的干擾網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境。 這些實驗的結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求下，使用高性能大富余量的布線系統(tǒng)能夠顯著的提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。另外，通過實驗還證明了使用6類布線系統(tǒng)能夠為現(xiàn)在市場現(xiàn)存的應(yīng)用系統(tǒng)提供更好的傳輸及使用性能。 背景 信道傳輸量的定義是指信道在一定時間內(nèi)通過或傳輸數(shù)據(jù)的總量。信道最大傳輸量僅在理想信道條件下方可實現(xiàn)，而在現(xiàn)實的環(huán)境下無法達(dá)到。所有信道都存在不同的損耗，因此信道只能在低于最大工作能力或傳輸量的條件下工作。在通信系統(tǒng)或特定的局域網(wǎng)中，信道的設(shè)計

3、必須考慮要能彌補(bǔ)這些損耗。 系統(tǒng)元器件以及周圍環(huán)境等因素給信道的傳輸特性帶來一定的損害，從而影響結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)的傳輸性能。一些干擾因素給結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)的信道傳輸性能帶來負(fù)面影響，這些干擾因素被記入在1000BASE-T的IEEE 802.3ab千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，現(xiàn)將其列出如下： · 散射； · 外界干擾； · 延遲偏差； · 衰減； · 阻抗失配/回波損耗； · 近端串?dāng)_及遠(yuǎn)端串?dāng)_。 所有這些潛在的干擾因素都可能導(dǎo)致信道比特誤碼，從而降低結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)的信道傳輸量。比特誤碼率是指錯誤接收比特與總傳輸比特的比率。在使用高速網(wǎng)絡(luò)帶寬及密集

4、型信息傳輸應(yīng)用中，需要最低的比特誤碼來保證最高傳輸性能。在數(shù)據(jù)應(yīng)用中，較高的比特誤碼率、網(wǎng)絡(luò)性能遲緩會導(dǎo)致信號重發(fā)。在視頻應(yīng)用中，較高比特差碼率導(dǎo)致圖像間斷，丟失禎或產(chǎn)生白斑（雪花）。在任何應(yīng)用領(lǐng)域，較高的比特誤碼率都會導(dǎo)致令人不滿的性能。以下各節(jié)將探討一些對比特誤碼率及其后傳輸量有影響的因素。 散射： 散射是位脈沖在通過信道時產(chǎn)生的擴(kuò)散。它起因于每一比特與相鄰比特的疊加，從而導(dǎo)致信道終端接收到的傳輸位發(fā)生錯誤。散射的影響通常被稱為內(nèi)擾，能夠用可見圖形來反映，以跳動來測量。信道纜線和連接線匹配性是產(chǎn)生散射的主要原因。對于像270Mb/s串行數(shù)字視頻的數(shù)字傳輸應(yīng)用而言，散射會增加比特誤碼率及降低

5、信道的性能，造成接收端的圖像分辨率降低。通常會把自適應(yīng)性均衡電路加入通信硬件系統(tǒng)的電路接口處來補(bǔ)償散射的影響。 外界干擾： 噪音通過信道附近的外部電場和磁場進(jìn)入信道，這就是外界干擾。ESD或EFT的不定向發(fā)射是外界干擾來源的一種。需要注意的是，即使是設(shè)計和安裝非常完美的結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)信道，外界電磁場的轉(zhuǎn)化仍然會對其起作用，影響比特誤碼率，并導(dǎo)致原有的不平衡因素由通信硬件電路與纜線接口處侵入信道，從而對系統(tǒng)性能造成不良效果。 延遲偏差： 延遲偏差是在多對線纜套內(nèi)不同對線纜產(chǎn)生的傳輸速率差異，絞合率變化以及線對的絕緣結(jié)構(gòu)限定了偏差，并以秒為單位。一些應(yīng)用系統(tǒng)需要信號在復(fù)合雙絞線上傳輸，并且同時到達(dá)

6、信道末端的接收器。所以把延遲偏差減至最小非常重要。 利用雙絞線進(jìn)行現(xiàn)場傳輸?shù)牡湫桶咐窃谧C券交易所內(nèi)把金融信息發(fā)送到高分辨率顯示屏。這類顯示屏需要100兆赫茲以上的可用帶寬和RGB同步模擬視頻信號。過度的延遲偏差可能會導(dǎo)致色素分散，隨著信道長度增加則會產(chǎn)生重影。1000BASE-T（千兆位以太網(wǎng)）是另一個需要使用UTP雙絞線進(jìn)行傳輸?shù)陌咐Ｑ舆t偏差在IEEE802.3ab協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中被定義為在2MHz到100MHz頻率之間，所有對組合之間雙工信道的偏差差異不得超過50ns 。 衰減： 衰減是信號幅度通過信道時能量的減小。與散射類似，纜線與連接接插件是造成衰減的主要因素。IEEE 802.3協(xié)議中

7、對1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，衰減是接入損耗，雙工信道的最大衰減使用下面的公式計算： 接入損耗(f) = 2.1 f (0.529) + 0.4/f (dB) f=1MHz to 100MHz 信道衰減的不良影響可以通過考察模擬視頻信號的傳輸效果來論證。過度衰減導(dǎo)致視頻流中的低頻亮度信號部分的強(qiáng)度低于高頻色度信號部分，使得接收的影像灰暗，對比度過低。 阻抗失配/回波損耗： 阻抗失配/回波損耗發(fā)生在負(fù)載阻抗與設(shè)備內(nèi)部阻抗不平衡的情況下。對結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)而言，這類損耗多出現(xiàn)于構(gòu)成信道的組件沒有適當(dāng)匹配的情況下。這樣會影響能源與負(fù)載間的最大傳輸功率。對于使用混合功能接口電路的1000BASE-T的

8、系統(tǒng)而言，將阻抗匹配失衡減至最小是非常重要的?；旌瞎δ艹Ｓ脕韺崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的全雙工傳送。 混合電路提供四對終端，信號由一個終端對進(jìn)入后，從相鄰兩對分發(fā)出來，但卻不能到達(dá)相對應(yīng)的終端線對。設(shè)備電路與信道的阻抗匹配是相當(dāng)重要的，否則產(chǎn)生回波，也就是反射的傳輸能量將以噪音的形式在接收端出現(xiàn)。將回波補(bǔ)償電路并入1000BASE-T接口電路，目的是有效的抵制混合功能產(chǎn)生的回波影響。 1000BASE-T ，IEEE 802.3ab標(biāo)準(zhǔn)指出阻抗失配就像回波損耗一樣用分貝來表示，即每一個特定頻率段上的相關(guān)阻抗（100歐姆）。回波損耗是由于阻抗不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)用信號反射，是一個分?jǐn)?shù)數(shù)值的比率。IEEE 802.

9、3ab 標(biāo)準(zhǔn)記錄了信道上的阻抗失配影響，并用以下公式表示阻抗失配的容限范圍。 Return Loss (f)=15 (dB) f= 1MHz to 20MHz Return Loss (f) =15 - 10log(f/20) (dB) f= 20MHz to 100MHz 第二個公式允許在回波損耗適合值里有一個較寬的容限。例如，這個容限范就是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的100 MHz頻率下8dB的回波損耗。這個回波損耗等于100歐姆（-57歐姆到133歐姆）的阻抗失配。諸如1000BASE-T之類應(yīng)用的能力可以容許很寬范圍的阻抗失配。這表明，此類損害因素還沒有像其他因素那樣危及到布線傳輸性能。 近端串?dāng)_及遠(yuǎn)端

10、串?dāng)_： 從一對或多對線纜到其他相鄰線對上的信號耦合被稱做串?dāng)_。近端串?dāng)_損耗被定義為：耦合信號與原來的傳輸信號從同一信道端被測量情況下，傳輸信號大小與耦合信號大小的比率。遠(yuǎn)端串?dāng)_損耗被定義為：耦合信號在原來傳輸信號相對另一端進(jìn)行測量的情況下，傳輸信號大小與耦合信號大小的比率。近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_損耗同樣是用分貝(dB)來表示的。 對于1000BASE-T等多線對傳輸系統(tǒng)來講，把近端串?dāng)_最小化是非常關(guān)鍵的。每個1000BASE-T全雙工信道接收器從與四對信道相連接的三個相鄰傳送器感受近端串?dāng)_。因此，在1000BASE-T傳送系統(tǒng)中，引入近端串?dāng)_補(bǔ)償以減少近端串?dāng)_的干擾。同樣的方式，把遠(yuǎn)端串?dāng)_補(bǔ)償引入

11、1000BASE-T傳送系統(tǒng)也可以降低遠(yuǎn)端串?dāng)_的干擾。但是，如果把遠(yuǎn)端串?dāng)_與近端串?dāng)_作的影響比較起來，就明顯小的很，以至于可以忽略不計。另外，近端串?dāng)_干擾產(chǎn)生于相鄰的的線纜之間，這些線纜不在同一護(hù)套內(nèi)。近端串?dāng)_一般指來自于外在的近端串?dāng)_干擾，當(dāng)線纜被緊緊束在一起的時產(chǎn)生。外在的近端串?dāng)_一般被視為外部干擾。 總而言之，結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)信道的傳輸性能被一些潛在干擾因素所影響。不管是近端串?dāng)_、遠(yuǎn)端串?dāng)_還是外部噪音產(chǎn)生的串?dāng)_，對比特誤碼率都有非常重要的影響，隨之也殃及到結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)信道的傳輸性能。串?dāng)_就像其他影響結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)信道的損害因素一樣，它可以蔓延到難以控制的地步并且影響更多的應(yīng)用。 

12、0;演示 美國康普實驗室做出的實驗表明，對三個不同的高帶寬大型密集型應(yīng)用而言，近端串?dāng)_（NEXT）是主要影響傳輸性能的損害因素。實驗是以二個四連接器信道來評估的，其中一條信道用市場上通用的CAT5e超五類相關(guān)產(chǎn)品，另一信道使用市場上通用的SYSTIMAX GigaSPEED(r)六類布線系統(tǒng)。 1. 100BASE-TX局域網(wǎng)大型數(shù)據(jù)文件傳輸： 比特誤碼率性能影響著局域網(wǎng)上傳輸大型文件所需的時間，甚至影響工作效率。 a) 100BASE-TX 局域網(wǎng)大型數(shù)據(jù)文件傳輸 b) 100BASE-TX局域網(wǎng)視頻信號傳輸流 c) 串行數(shù)字視頻信號(SDV) 大數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)膶嶒炁渲萌鐖D1所示。利用諾頓克

13、隆精靈多點(diǎn)傳送服務(wù)器軟件，把一個248 MB的視像文件從服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳?。在傳輸過程中監(jiān)測傳輸速 和所用時間。利用惠普公司8112A脈沖發(fā)生器，在4對信道內(nèi)相鄰對信道近端處引入干擾信號脈沖。 使用5e類線纜信道的實驗結(jié)果： 當(dāng)連接客戶端PC的局域網(wǎng)使用一般廠家CAT5e類信道時，文件傳輸需要129秒，平均每分鐘傳輸速率為115 MB。 使用GigaSPEED 六類線纜信道的實驗結(jié)果： 利用GigaSPEED 6類信道，文件傳輸需要72秒，平均每分鐘傳輸速率為206 MB。在同樣的串?dāng)_干擾條件下，同樣的信息數(shù)量，用GigaSPEED 6類信道傳輸?shù)臅r間是用5e類信道傳輸?shù)臅r間的80%。 100

14、BASE-TX局域網(wǎng)實驗的物理配置: Pulse Generator ：脈沖發(fā)生器 100 BASE-TX Hub： 100 BASE-TX 集線器 Server： 服務(wù)器 Client ：客戶終端 270 Mhz串行數(shù)字視頻的光譜分析圖 2. 100BASE-TX局域網(wǎng)視頻信號流： 在局域網(wǎng)上傳輸多媒體內(nèi)容需要有足夠的傳輸能力。對于用戶的實時瀏覽而言，從多媒體服務(wù)器到終端用戶傳輸大量數(shù)據(jù)的能力以及糾錯能力都非常關(guān)鍵。局域網(wǎng)演示配置也如圖1所示，既可以對接收到的數(shù)字信號的視頻和音頻質(zhì)量做出主觀評估，也可以測定比特誤碼的數(shù)量。 一個56MB、40秒的視頻文件，在服務(wù)器與客戶機(jī)間通過一對帶有4個連

15、接器的結(jié)構(gòu)化布線信道以15禎/秒的速度進(jìn)行傳輸，信道分別使用其他廠家5e類纜線與GigaSPEED 6類線纜。通常，計算機(jī)視頻格式的禎傳輸速度是15禎/秒。文件使用微軟公司的多媒體設(shè)備以多點(diǎn)播送模式進(jìn)行傳輸。該文件是寄宿生在積雪的山坡滑雪的圖像。利用惠普公司8112A脈沖發(fā)生器，在4對信道內(nèi)某一相鄰對信道近端處引入干擾脈沖。引入脈沖的大小、周期、上升/下降時間都不相同，從而模擬最差的近端串?dāng)_環(huán)境。纜線未用端使用100歐姆節(jié)線器來終止。使用統(tǒng)計軟件來測量發(fā)送與丟失的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)的利用率以及CRC位誤碼。 使用其他廠家CAT5e類纜線信道的實驗結(jié)果： 在CAT5e類纜線信道里，CRC比特誤碼導(dǎo)致視

16、頻圖像變形，例如圖像出現(xiàn)凝滯。每個錯誤都會使數(shù)據(jù)包無效，導(dǎo)致圖像禎的丟失，造成接收畫面抖動。 使用GigaSPEED 6類線纜信道的實驗結(jié)果： 在相同的近端串?dāng)_環(huán)境下，使用GigaSPEED線纜不會產(chǎn)生比特誤碼，因此接收的視頻圖像質(zhì)量相當(dāng)好。 3. 串行數(shù)字視頻（SDV）： SDV傳輸是基于SMPTE 259M標(biāo)準(zhǔn)的。這個標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于動畫制作領(lǐng)域，將電影數(shù)字化并以270Mb/s的速度非壓縮傳輸。這種系統(tǒng)也可用45Mb/s的壓縮視頻傳輸速度來傳送的重要影像，以143Mb/s的非壓縮視頻傳輸速度來傳送電視圖像。只有270Mb/s的非壓縮視頻才可用來傳送高質(zhì)量電影圖像。270Mb/s的位流被編輯并

17、傳送到廣播的前端用來做實況廣播。纜線長度一般小于或等于100米。 SDV來自模擬基帶視頻與音頻信號，要求4.2MHz和20KHz獨(dú)立的、數(shù)字化的、可組合的帶寬。在單根75歐姆同軸電纜上以270Mb/sNRZI串行位流傳輸。視頻信號中的亮度與色差元素是分離的。嵌入式數(shù)字音頻要求3MHz帶寬。一般跳動為0.2UI（單位間隔），約為0.5ns。SMPTE 259M標(biāo)準(zhǔn)允許大于18分貝的回波損耗。合成的SDV基帶信號峰到峰的電壓值為0.8V（+/-10%），需要最小的帶寬為135MHz，而下面的譜線分析圖中有效能量光譜可延展到270MHz。 SDV的演示配置如圖2所示，可以實現(xiàn)比特誤碼數(shù)量和跳動的測量

18、，也可主觀評估接收信號的視頻和音頻質(zhì)量。實驗由Sony和Tektronix公司制造的音頻和視頻設(shè)備組成，用于主觀評估和獨(dú)立的數(shù)量測量。它包含傳輸/接收SDV到UTP適配器，SDV信號在非平衡75歐姆的同軸電纜上傳輸為270 Mb/s，超過了平衡的100歐姆4對UTP線纜。兩個SDV信號在相對的方位上傳輸，即4對線纜中的2和3線對，目的是為了在信道的每端都產(chǎn)生串?dāng)_。標(biāo)準(zhǔn)適配器完成自適應(yīng)均衡，根據(jù)形變狀態(tài)和數(shù)量，在信道線纜長度范圍內(nèi)，提供自動補(bǔ)償?shù)姆?wù)。標(biāo)準(zhǔn)適配器被設(shè)計成連接插線/插頭裝置的15個插腳的連接器。多插腳連接器的作用與目前線纜測試裝置的作用類似。它可以把任何信道所測定的連接器串?dāng)_最小化

19、。信道內(nèi)不用的線纜用適配器終結(jié)，并把每個適配器設(shè)為“Y” 形式。 SDV實驗的物理結(jié)構(gòu) 一對四個連接器的結(jié)構(gòu)化布線信道是用市場上其他廠家通用的CAT5e類和SYSTIMAX GigaSPEED 6類相關(guān)組件構(gòu)成的。Tektronix TSG601 SDV信號發(fā)生器把16個可選之中的一個SDV測試樣本以270 Mb/s的速率，以嵌入式AES/EBU數(shù)字音頻、CRC數(shù)據(jù)的方式傳送到Tektronix WFM601M SDV波形監(jiān)測器。監(jiān)測器履行實時數(shù)字錯誤偵察，并根據(jù)SMPTE標(biāo)準(zhǔn)RP-165匯報CRC誤差。 當(dāng)檢測到以前和現(xiàn)在視頻幀之間的CRC位值有所不同時便立即報告錯誤。跳動可以被精確測定并顯

20、示為一個眼狀圖形。疊加所有可能到達(dá)信道接收端的傳輸脈沖序列，就構(gòu)成了這個圖形。效果圖像一個眼的形狀。這個眼狀圖形是評估像SDV這樣的基帶信號性能的方法。在信道中，當(dāng)噪音、干擾、或跳動增加時，眼睛的睜開的程度就會減小，睜開的高度表明在噪音環(huán)境下裕量存在的程度。Tektronix WFM601M SDV 波形監(jiān)測器也可提供一個被動的閉合回路，允許在高分辨率NTSC Sony 20”顯示器上顯示接收的視頻信號。Sony DVW-510 Digital Betacam (r) Player以嵌入式AES/EBU數(shù)字音頻方式，通過一個3.5分鐘Digital Betacam格式化磁帶，把數(shù)字視頻傳輸?shù)礁?/p>

21、分辨率SDV Sony 20”顯示器。顯示器被特別裝備以視頻和音頻串行數(shù)字接口，以便于對兩者進(jìn)行自動評估。 使用其他廠家CAT5e類纜線信道的實驗結(jié)果： 最初用單一SDV信號單向傳輸視頻和音頻時沒有明顯的問題。然而，當(dāng)在信道中加入第二個SDV 信號產(chǎn)生近端串?dāng)_時，視頻和音頻的質(zhì)量就變的很差。影像出現(xiàn)很多的白斑（雪花）。這個白斑產(chǎn)生的原因是由于比特誤碼導(dǎo)致的圖片元素即像素?fù)p失的結(jié)果。傳輸?shù)囊纛l部分存在明顯的、令人不滿的靜電干擾。Tektronix WFM601M波形監(jiān)視器顯示紅色警報以表明CRC比特誤碼發(fā)生。跳動被顯示為眼狀圖形，測定的結(jié)果是962微微秒。當(dāng)來自于Tektronix TSG601 Signal Generator 或 Sony Digital Betacam Player的傳輸信號被取消，所有可見的和可聽的干擾終止了，跳動減少到592微微秒。CRC比特誤碼、白斑或靜電將不再出現(xiàn)。 使用GigaSPEED 6類線纜信道的實驗結(jié)果： 使用6類GigaSPEED信道進(jìn)行