綜合布線系統(tǒng)第4章信道傳輸特性

第4章信道傳輸特性4.1信道傳輸特性的概念4.2電纜信道性能指標4.3光纖信道性能指標4.4提高信道傳輸質(zhì)量的措施4.1信道傳輸特性的概念

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由終端設(shè)備系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三個部分組成。其中，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)又由傳輸信道及兩端的數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備而構(gòu)成。由于數(shù)據(jù)通信質(zhì)量不但與傳送的信號、發(fā)／收兩端設(shè)備的特性有關(guān)，而且還要受到傳輸信道質(zhì)量及噪聲干擾的影響，所以傳輸信道是影響通信質(zhì)量的重要因素之一。因此，在設(shè)計或評價綜合布線系統(tǒng)性能時，經(jīng)常要用到數(shù)據(jù)通信中的許多基本概念，如信道、帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率等，要涉及信道的傳輸特性，否則就無法衡量其性能的優(yōu)劣。4.1.1信道和鏈路

1．信道和鏈路的概念

信道（Channel）是通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分。通俗地說，信道是指以傳輸介質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通路。具體地說，信道是指由有線或無線電線路提供的信號通路；抽象地說，信道是指定的一段頻帶，它讓信號通過，同時又給信號以限制和損害。信道的作用是傳輸信號。對信道分類的方法很多，按照信道所采用傳輸介質(zhì)的不同，可將信道分為有線信道和無線信道。

從綜合布線系統(tǒng)的角度講，信道是指連接兩個應(yīng)用設(shè)備的端到端的傳輸通道，它包括了設(shè)備電纜、設(shè)備光纜和工作區(qū)電纜、工作區(qū)光纜。

2．布線系統(tǒng)信道、永久鏈路、CP鏈路構(gòu)成模型

如圖4.1所示是布線系統(tǒng)信道、永久鏈路、CP鏈路構(gòu)成模型。

圖4.1布線系統(tǒng)信道、永久鏈路、CP鏈路構(gòu)成模型3．光纖信道構(gòu)成方式

①光纖信道的第一種構(gòu)成方式是，由水平光纜和主干光纜至樓層電信間的光纖配線設(shè)備經(jīng)光纖跳線連接構(gòu)成，如圖4.2所示。

圖4.2光纜經(jīng)電信間經(jīng)光纖跳線連接

②光纖信道的第二種構(gòu)成方式是，由水平光纜和主干光纜在樓層電信間做端接(熔接或機械連接)構(gòu)成，F(xiàn)D只設(shè)光纖之間的連接點，如圖4.3所示。

圖4.3光纜在電信間做端接

③光纖信道的第三種構(gòu)成方式是，由水平光纜經(jīng)過電信間直接連接至大樓設(shè)備間光配線設(shè)備構(gòu)成，F(xiàn)D安裝于電信間，只作為光纜路徑的場合，如圖4.4所示。

圖4.4光纜經(jīng)電信間直接連接至設(shè)備間

4．信道容量

信息論中的香農(nóng)(C.E.Shannon)定律給出了有擾模擬信道容量的計算公式。設(shè)信道(調(diào)制信道)的輸入端加入單邊功率譜密度為n0(W/Hz)的加性高斯白噪聲，信道的帶寬為B(Hz)，信號功率為S(W)，則通過這種信道無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔鬏斔俾蔆為：令N=n0B，；

其中，將S/N稱為信噪比，則C是用bit/s表示的信道容量，稱為香農(nóng)容量。信道容量給出了信道所能傳輸?shù)淖畲笮畔鬏斔俾?即能達到的最大傳輸能力)與信道帶寬B和信噪比S/N之間的關(guān)系。

由香農(nóng)公式可得出以下結(jié)論：①提高信號和噪聲功率之比，能增加信道容量。②當(dāng)噪聲功率N→0時，信道容量C可趨于無窮大。這意味著無干擾信道容量為無窮大。③當(dāng)信道容量C一定時，可以用不同的帶寬和信噪比的組合(或互換)來傳輸；即信道容量可以通過系統(tǒng)帶寬與信噪比的互換而保持不變。4.1.2數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕笜?/p>

1.帶寬或吞吐率

帶寬（Bandwidth）一個信號的帶寬是指該信號的各種不同頻率成份所占據(jù)的頻率范圍。目前常用對絞電纜帶寬等級如表4.1所示。電纜級別支持帶寬范圍/MHz5類1～1005e類1～1006類1～2507類1～600表4.1對絞電纜帶寬圖4.5吞吐率

2．傳輸速率

(1)調(diào)制速率

調(diào)制速率表示信號在調(diào)制過程中，單位時間內(nèi)調(diào)制信號波形的變換次數(shù)，即單位時間內(nèi)所能調(diào)制的次數(shù)，簡稱波特率，其單位是波特(Baud)，它是以電報電碼的發(fā)明者法國人波特(Baud)的名字來命名的。如果一個單位調(diào)制信號波的時間長度為T(s)，那么調(diào)制速率RB定義為：RB(Baud)=1/T(s)(2)數(shù)據(jù)信號速率①數(shù)據(jù)信號速率。數(shù)據(jù)信號速率，又稱信息速率，通常稱之為傳輸速率，也稱比特率。它表示通過信道每秒傳輸?shù)男畔⒘?，單位是比?秒，用bit/s或bps表示。數(shù)據(jù)信號速率Rb可定義為：②比特和比特/秒。③調(diào)制速率與數(shù)據(jù)信號速率的關(guān)系。(3)數(shù)據(jù)傳輸速率

數(shù)據(jù)傳輸速率又稱信道速率，是指信源入/出口處單位時間內(nèi)傳送的二進制脈沖的信息量，單位可以是比特、字符、碼組等；時間單位可以是秒、分、小時等；通常用字符/分為單位。數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)信號速率之間的關(guān)系需要考慮用多少比特來表示一個字符；另外，如果采用起止同步方式傳輸，還需要考慮在數(shù)據(jù)以外附加傳輸?shù)谋忍財?shù)。

3．頻帶利用率

頻帶利用率是描述傳輸速率與帶寬之間關(guān)系的一個指標，這也是一個與數(shù)據(jù)傳輸效率有關(guān)的指標。頻帶利用率定義式如下：

式中，R表示系統(tǒng)的傳輸速率，B表示系統(tǒng)所占的頻帶寬度。當(dāng)傳輸速率采用調(diào)制速率RB時，其頻帶利用率的單位為Baud/Hz；當(dāng)傳輸速率采用數(shù)據(jù)信號速率Rb時，其頻帶利用率的單位為bit/（Hz·s）。4．時延(1)發(fā)送時延

發(fā)送時延=數(shù)據(jù)塊長度/信道帶寬(2)傳播時延

傳播時延=信道長度/電磁波在信道上的傳播速率如圖4.6所示闡釋了傳播時延這個概念。圖4.6傳播時延

(3)排隊時延

排隊時延是指數(shù)據(jù)在交換節(jié)點的緩存隊列中排隊等候發(fā)送所經(jīng)歷的時間。這種時延的大小主要取決于網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時的數(shù)據(jù)流量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量很大時，還會發(fā)生隊列溢出，使數(shù)據(jù)丟失，這相當(dāng)于排隊時延為無窮大。

顯然，數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)歷的總時延是以上三種時延之和，即：

總時延=發(fā)送時延＋傳播時延＋排隊時延

5．波長

波長可由已知的傳播速度與信號周期來計算：

波長=傳播速度×周期由于周期與頻率彼此互為倒數(shù)，因此可寫成：

波長=傳播速度×(1/頻率)=傳播速度/頻率如果用λ表示波長，傳播速度用c表示，頻率用f表示，則得到：λ=c/f通常波長以μm而不是m作為度量單位。例如，空氣中紅光的波長是：λ=c/f=(3×108)/(4×1014)=0.75×10-6m=0.75μm由于光在纜線中的傳播速度比空氣中慢，因而在電纜或光纜中，波長低于0.5μm。4.1.3電磁干擾與電磁兼容性

1．電磁干擾

電磁干擾EMI（ElectroMagneticInterference）也稱為噪聲，指在銅導(dǎo)線中由電磁場引起的電噪聲，是電子系統(tǒng)輻射的寄生電能。2．電磁兼容性

電磁兼容性EMC（ElectroMagneticCompatibility）是指系統(tǒng)發(fā)出的最小輻射和系統(tǒng)能承受的最大外部噪聲，即設(shè)備或者系統(tǒng)在正常情況下運行時，不會產(chǎn)生干擾同一空間中其他設(shè)備、系統(tǒng)電信號的能力。

4.2電纜信道性能指標

描述平衡電纜信道（BalancedCablingLinks）性能的電氣特性參數(shù)有直流環(huán)路電阻、特征阻抗、回波損耗、衰減、串?dāng)_、時延等，其中與信道長度有關(guān)的參數(shù)，如衰減、直流環(huán)路電阻、時延等；與對絞電纜紐距相關(guān)的參數(shù)有：特征阻抗、衰減、串?dāng)_和回波損耗等。按照GB50311-2007關(guān)于綜合布線電纜系統(tǒng)A、B、C、D、E和F的分級情況，不同布線系統(tǒng)級別的具體性能指標也不相同。

4.2.1直流環(huán)路電阻

任何導(dǎo)線都存在電阻。直流環(huán)路電阻是指一對導(dǎo)線電阻之和，ISO/IEC11801-2002規(guī)定不得大于19.2Ω/100m，每對對絞電纜的差異應(yīng)小于0.1Ω。每對線的直流環(huán)路電阻應(yīng)低于表4.2所列數(shù)值。表4.2直流環(huán)路電阻限值

信道級別ABCDEF最大直流環(huán)路電阻/Ω560170402525254.2.2特征阻抗

特征阻抗（CharacteristicImpedance）描述由電纜及相關(guān)連接器件組成的傳輸信道的主要特性。特征阻抗指鏈路在規(guī)定工作頻率范圍內(nèi)對通過的信號的阻礙能力，用歐姆（Ω）來度量。

綜合布線系統(tǒng)要求整條電纜的特征阻抗保持為一個常數(shù)（呈電阻狀態(tài)）。鏈路上任何一點的阻抗不連續(xù)將導(dǎo)致該鏈路信號反射和信號畸變。4.2.3回波損耗和插入損耗

1．回波損耗

回波損耗(ReturnLoss，RL)又稱反射衰減，簡稱回損?；夭〒p耗是由于鏈路或信道特性阻抗偏離標準值導(dǎo)致功率反射而引起(布線系統(tǒng)中阻抗不匹配產(chǎn)生的反射能量)的。

圖4.8回波損耗2．插入損耗

一般說來，插入損耗是指發(fā)射機與接收機之間，插入電纜或元件產(chǎn)生的信號損耗，有時也指衰減。4.2.4衰減

信號在信道中傳輸時，會隨著傳輸距離的增加而逐漸變小。衰減（Attenuation，ATT）是指信號沿傳輸鏈路傳輸后幅度減小的程度，單位為分貝（dB）。衰減是指由于絕緣損耗、阻抗不匹配、連接電阻等因素，信號沿鏈路傳輸損失的能量。如圖4.9所示是信號衰減的示意圖。

圖4.9信號的衰減

一般，衰減的具體計算按以下步驟進行：（1）計算每100m對絞電纜在不同頻率（f）下的衰減其中：對于Cat5：k1=1.967，k2=0.023，k3=0.05，f=1～100MHz；對于Cat4：k1=2.050，k2=0.043，k3=0.057，f=1～20MHz；對于Cat3：k1=2.320，k2=0.238，k3=0，f=1～16MHz。（2）連接器件的衰減按照不同頻率（f）范圍，取如表4.5所列連接器件的衰減值。類別帶寬/MHz/dB1～10MHz>10～31.25MHz>31.25～62.5MHz>62.5MHz51～1000.10.20.30.441～200.10.2表4.5連接器件的衰減（3）計算鏈路衰減對于信道：

對于永久鏈路：

其中，Length是包括轉(zhuǎn)接線在內(nèi)的鏈路總長度，以m為單位。衰減測量的頻率步長一般為1MHz。

除了電纜會造成鏈路衰減之外，鏈路中的插座和連接器、配線盤等都對衰減有影響，在連接過程中不恰當(dāng)?shù)亩私右约白杩共黄ヅ湫纬傻姆瓷湟矔斐蛇^量的衰減。表4.6中列出了5類對絞電纜布線系統(tǒng)中基本鏈路和信道允許的衰減值。

頻率/MHz基本鏈路衰減/dB信道衰減/dB1.002.12.54.004.04.58.005.76.310.006.37.016.008.29.220.009.210.325.0010.311.431.2511.512.862.5016.718.5100.0021.624.0表4.65類水平鏈路及信道衰減4.2.5串?dāng)_

當(dāng)電流在一條導(dǎo)線中流通時會產(chǎn)生一定的電磁場，該電磁場會干擾相鄰導(dǎo)線上的信號，信號頻率越高這種影響就越大。常把這種干擾叫做串?dāng)_（Crosstalk）或串音。

1．近端串?dāng)_（NEXT）和遠端串?dāng)_（FEXT）

圖4.10是近端串?dāng)_和遠端串?dāng)_的示意圖。近端串?dāng)_和遠端串?dāng)_的大小分別用近端串?dāng)_損耗和遠端串?dāng)_（損耗）來表示。圖4.10近端串?dāng)_和遠端串?dāng)_（1）近端串?dāng)_損耗的定義在一條鏈路中處于線纜一側(cè)的某發(fā)送線對，對于同側(cè)的其他相鄰(接收)線對通過電磁感應(yīng)所造成的信號耦合(由發(fā)射機在近端傳送信號，在相鄰線對近端測出的不良信號耦合)為近端串?dāng)_，如圖4.11所示。近端串?dāng)_值(dB)和導(dǎo)致該串?dāng)_的發(fā)送信號(參考值定為0)之差值為近端串?dāng)_損耗。圖4.11線對的信號耦合頻率最小近端串?dāng)_(dB)(MHz)A級B級C級D級E級F級0.127.040.0----1-25.039.160.065.065.016--19.443.653.265.0100---30.139.962.9250----33.156.9600-----51.2表4.7信道近端串?dāng)_值（2）遠端串?dāng)_(損耗)的定義從鏈路或信道近端線纜的一個線對發(fā)送信號，經(jīng)過線路衰減從鏈路遠端干擾相鄰接收線對(由發(fā)射機在遠端傳送信號，在相鄰線對近端測出的不良信號耦合)為遠端串音(FEXT)。2．近端串?dāng)_功率和(PSNEXT)

近端串?dāng)_功率和（PowerSumNEXT，PSNEXT）是指：在4對對絞電纜一側(cè)測量3個相鄰線對對某線對近端串?dāng)_總和(所有近端干擾信號同時工作時，在接收線對上形成的組合串?dāng)_)，單位為分貝（dB）。近端串?dāng)_功率和定義為：

式中：PSj表示第j對線的近端串?dāng)_功率和。如圖4.12所示是近端串?dāng)_的示意圖。

圖4.12近端串?dāng)_

布線系統(tǒng)信道的PSNEXT值應(yīng)符合表4.8的規(guī)定。頻率(MHz)最小近端串?dāng)_功率和(dB)D級E級F級157.062.062.01640.650.662.010027.137.159.9250-30.253.9600--48.2表4.8信道近端串?dāng)_功率和值

3．等電平遠端串?dāng)_ELFEXT

遠端串?dāng)_FEXT并不是一種很有效的測試指標，電纜長度對測量到的FEXT值的影響很大，這是因為信號強度與它所產(chǎn)生的串?dāng)_及信號在發(fā)送端的衰減程度有關(guān)。因此兩條一樣的電纜，會因長度不同而有不同的FEXT值，因此須以等電平遠端串?dāng)_(EqualLevelFEXT，ELFEXT)值的測量來替代FEXT值的測量，并將其定義為：式中：P1F表示主串線對遠端的輸出功率；P2F表示被串線對遠端的串?dāng)_輸出功率。

如圖4.13所示是等電平端串?dāng)_的示意圖。

圖4.13等電平遠端串?dāng)_4．等電平綜合遠端串?dāng)_功率和（PSELFEXT）

等電平綜合遠端串?dāng)_功率和（PowerSumELFEXT，PSELFEXT）描述某線對受其他線對的等電平遠端串?dāng)_的綜合影響程度，單位為分貝（dB）。根據(jù)《綜合布線工程驗收規(guī)范》（GB50312-2007），布線系統(tǒng)信道每一線對的PSELFEXT數(shù)值應(yīng)參考表4.11所列關(guān)鍵頻率的PSELFEXT建議值。頻率(MHz)最小PSELFEXT(dB)D級E級F級154.460.362.01630.336.254.510014.420.341.4250-12.334.8600--28.3表4.11信道PSELFEXT建議值5．衰減串?dāng)_比ACR

衰減串?dāng)_比（AttenuationtoCrosstalkRatio，ACR）是反映電纜性能的另一個重要參數(shù)，又稱信噪比，單位分貝（dB）。ACR有時也以信噪比(Signal-NoiceRatio，SNR)表示，定義為：在同一頻率下受相鄰線對串?dāng)_的線對上其近端串?dāng)_損耗（NEXT）與本線對傳輸信號衰減值(Attenuation)之差。線對i與k間衰減串音比的計算公式：式中：i為線對號，k為線對號；NEXTik為線對i與線對k間的近端串?dāng)_；ILk是線對k的插入損耗。

如圖4.14所示是衰減、串?dāng)_、ACR之間的關(guān)系曲線圖。

圖4.14衰減、串?dāng)_、ACR關(guān)系圖頻率(MHz)最小衰減串?dāng)_比(dB)D級E級F級156.061.O61.01634.544.956.91006.118.242.1250--2.823.1600---3.4布線系統(tǒng)信道的ACR值應(yīng)符合表4.12的規(guī)定。表4.12信道衰減串?dāng)_比值4.2.6傳播時延和時延偏差

1．傳播時延

傳播時延又稱鏈路時延，或稱鏈路延遲，它表征了信號在線對中的傳播速度，與額定傳輸速率NVP（NominalVelocityofPropagation）值成正比，一般用納秒（ns）或微妙（μs）作為度量單位。2．傳播時延偏差

傳播時延偏差是指以同一纜線中信號傳播時延最小的線對作為參考，其余線對與參考線對時延的差值，即最快線對與最慢線對信號傳輸時延的差值（DelaySkew），以ns或μs作為單位，范圍一般在50ns以內(nèi)。

4.3光纖信道性能指標

光纖信道性能主要指標有光纖的工作波長、光纖信道損耗、光纖信道的通信富裕度、帶寬和反射損耗等；其中，影響光纖信道性能的主要參數(shù)是光纖信道損耗。

4.3.1光纖的工作波長

在綜合布線系統(tǒng)中，光纖的工作波長窗口參數(shù)應(yīng)符合表4.14的規(guī)定。

光纖模式標稱波長/nm下限/nm上限/nm基準試驗波長/nm最大光譜寬度(FWHM)/nm多模光纖85079091085050多模光纖1300128513301300150單模光纖131012881339131010單模光纖155015251575155010表4.14光纖工作波長窗口參數(shù)

4.3.2光纖信道的損耗

1．光纖自身的衰減

光纖自身的衰減Ac根據(jù)光纖類型不同及導(dǎo)入光波長不同而不同。根據(jù)光纖傳輸衰減系數(shù)公式:

可知，若在L長光纖的信道始端截面，由光信號發(fā)生器在光信道輸入的光功率為P1，而從光纖信道的末端，光信號接收器接收到的光功率為P2，則光纖自身衰減的計算公式為：其中，A（λ）的單位為dB。

各等級的光纖信道衰減值如表4.15所示。信道多模單模850nm1300nm1310nm1550nmOF-3002.551.951.801.800F-5003.252.252.002.00OF-20008.504.503.503.50表4.15各等級的光纖信道衰減值(dB)2．光纖連接損耗

光纖連接損耗是指節(jié)點至配線架之間的連接損耗，如各種連接器；光纖與光纖互連所產(chǎn)生的耦合損耗，如光纖熔接或機械連接部分，以及其他損耗等。表4.16連接器件的損耗連接器件說明損耗單位多模光纖導(dǎo)入波長：850μm3.5～4.0dB/km多模光纖導(dǎo)入波長：1300μm1.0～1.5dB/km單模光纖導(dǎo)入波長：1300μm1.0～2.0dB/km連接器<1.0dB/個光旁路開關(guān)在未加電的情況下2.5dB/個熔接點熔接或機械連接0.5(近似值)dB/個3．光纖耦合損耗光纖耦合損耗值A(chǔ)m如表4.17所列。

接收光纖發(fā)送光纖耦合損耗/dB50μmNA=0.2051μmNA=0.2262.5μmNA=0.27585μmNA=0.26100μmNA=0.2950μm，NA=0.2051μm，NA=0.2262.5μm，NA=0.27585μm，NA=0.26100μm，NA=0.290.00.00.00.00.00.40.00.00.00.02.21.60.00.10.03.83.21.00.00.05.74.92.30.80.0表4.17光纖耦合損耗值A(chǔ)m

4．其他原因造成的損耗

其他原因造成的損耗主要有：光纖色散損耗Pd（廠家說明）；信號源老化損耗Ma，約為1～3dB；熱偏差損耗Mt，約為1dB；以及安全性方面的損耗Ms，約為1～3dB等。5．光纖信道的總損耗

綜合上述，光纖信道總損耗值A(chǔ)的計算公式如下：

其中，L為光纖信道長度，Nr計劃個數(shù)，其余的Nx為各種連接個數(shù)（x=con，pc，s，m）。4.3.3光纖信道通信富裕度

通常用G表示光信號增益，其計算公式表示為： 其中，Pt代表指定的發(fā)送功率，Pr是接收裝置靈敏度，則光纖信道的富裕度M為： 只有當(dāng)M>0時，光纖通信系統(tǒng)才能正常運行。

4.3.4光纖的模式帶寬

綜合布線系統(tǒng)多模光纖的最小模式帶寬應(yīng)符合表4.18的規(guī)定。

光纖類型光纖直徑(μm)最小模式帶寬(MHz·kin)過量發(fā)射帶寬有效光發(fā)射帶寬波長850nm1300nm850nmOM150或62.5200500-0M250或62.5500500-0M35015005002000表4.18多模光纖模式帶寬4.3.5反射損耗

在綜合布線系統(tǒng)中，光纖信道任一接口處光纖的反射損耗，應(yīng)大于表4.19中所列數(shù)值。

多模單模標稱波長/nm850130013101550反射損耗/dB20202626表4.19最小的光纖反射損耗限值

光纖的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：（1）多模光纖多模光纖標稱直徑為62.5/125μm或50/125μm。在850nm波長時最大衰減為3.5dB/km；最小模式帶寬為160MHz·km(62.5/125μm)、400MHz·km(50/125μm)；在1300nm波長時最大衰減為1.5dB/km，最小模式帶寬為500MHz·km(62.5/125μm，50/125μm)。（2）單模光纖單模光纖應(yīng)符合IEC793-2、型號BI和ITU-TG.652標準。1310nm和1550nm波長時最大衰減為1.0dB/km，截止波長應(yīng)小于1280nm，1310nm時色散應(yīng)小于等于6.0ps/km·nm；l550nm時色散應(yīng)小于等于20.0ps/km·nm。（3）光纖連接器件光纖連接器件的最大衰減為0.5dB；