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第7章 传输介质及连接件(1)

在通信系统中,首先要解决的是通信线路和通道传输问题。通信系统用线缆在系统设备之间传输信号,随着通信技术的发展,目前已有多种不同的传输介质用来支持不同的通信系统。按传输介质,通常将通信系统划分为有线通信和无线通信两大类。有线通信系统是利用电缆或光缆作为信号的传输载体,通过连接器、配线设备及交换设备的连接而形成通信网络;而无线通信系统则是利用微波、超短波和红外线等作为信号的传输载体,借助空间波进行信号的传输,通过相应的信号收发器的连接形成通信网络。

在有线通信系统中,线缆主要有铜缆和光纤两大类。对于铜缆,又可分为同轴电缆和双绞电缆两种;光缆则依据其光信号在光纤中的传播模式主要分为单模光纤和多模光纤。

在综合布线系统中,语音通信系统一般使用非屏蔽双绞线电缆。计算机网络原来使用的电缆为细同轴电缆和粗同轴电缆,现在一般采用双绞线电缆、光缆或两者结合。楼宇自动化系统是在商用或居民楼内对楼宇环境的各个方面进行监测和控制的系统,楼宇自动控制系统配有传感器,这些传感器与中心监控处理单元进行通信,把信息传送给它,传统上讲,满足这些通信的电缆不需要做成双绞线,但在综合布线系统中,双绞线也已成为楼宇自动化系统的传输介质。在商业楼和居民楼中都会装上视频系统,视频系统通常采用RG-59等同轴电缆。广播系统是安装在建筑物中的声音通信系统,它的功能是在建筑物内广播呼叫信息和音频音乐,传统上讲广播系统的传输介质通常用18AWG(美国线缆标准)标准的导体电缆连接扬声器,综合布线系统中也采用双绞线来连接。

无线网络是近年来迅速发展起来的网络系统,已应用于计算机通信中。随着通信标准、通信速率、成本制约和环境干扰等问题的逐步解决,近年来无线通信技术发展很快,应用也越来越多、越来越深入,无线通信网络已成为整个通信系统组成的一部分,而不仅仅是作为有线通信的补充而应用于计算机通信中。根据发展的情况预测,未来很有可能无线通信网络与有线通信网络并驾齐驱,取长补短、相互融合,为传输数据服务。

在综合布线系统中,除传输介质外,传输介质的连接也非常重要。不同区域的传输介质要通过连接件连接,从而形成通信链路。连接件主要是指那些用于端接电缆的电缆部件,包括连接器或者是其他布线设备。连接器既可以用于铜缆也可以用于光缆。在铜缆中,连接器设计成与铜缆中的导线有物理电气接触,这样连接器可以与另一个配套连接器固定在一起,构成一个电气连接。在光缆中,连接器的主要作用是把两个光纤芯对准,以便光可以在两个连接器之间穿过。连接器的首要任务是为通信信号提供一个稳定可靠的连接通道,所有的连接器都设计成可以与其他的连接器兼容,并且有助于对电路和光路的校正。连接器的损耗不能太大,且必须具有一定的耐磨性,耐磨性是指连接器在接插过程中对磨损的抵抗能力。

2.1 双绞线

2.1.1 双绞线的结构

双绞线(Twisted Pair,TP)是综合布线工程中最常用的有线通信传输介质。双绞线由两根22~26号绝缘铜导线相互缠绕而成,每根铜导线的绝缘层上分别涂有不同的颜色,如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便构成了双绞线电缆。在双绞线电缆(也称双扭线电缆)内,不同线对具有不同的扭绞长度(Twist Length)。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞合在一起,可降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消,一般扭线越密其抗干扰能力就越强。与其他传输介质相比,双绞线在传输距离、信道带宽和数据传输速度等方面均受一定限制,但价格较为低廉,布线成本降低。

但近年来,双绞线技术和生产工艺在不断发展,使得在传输距离、信道带宽和数据传输速率等方面都有较大的突破,因此,网络布线的应用也越来越广泛。

双绞线的标准频宽为300~3400Hz。双绞线可以点对点或多点连接,在进行多点连接时,效果较差,可支持的工作站也较少,所以常用点对点的连接。双绞线的抗干扰能力视其是否有良好的屏蔽和设置地点而定,如果干扰源的波长大于双绞线的扭绞长度,其抗干扰性大于同轴电缆(在10~100kHz以内,同轴电缆抗干扰性更好)。双绞线较适合于近距离、环境单纯(远离潮湿,电源磁场等)的局域网络系统。双绞线可用来传输数字与模拟信号。由于价格便宜,安装容易,所以得到了广泛的应用。通常在局域网中的无屏蔽双绞线的传输速率是10Mbps和100Mbps,随着制造技术的发展,1000Mbps的双绞线已有大量的应用,10Gbps的双绞线也已出现。用双绞线传输数字信号时,由于信号衰减等原因,受到传输距离的限制。采用双绞线的局域网络的带宽取决于所用导线的质量、导线的长度及传输技术。

电缆护套外皮有非阻燃(CMR)、阻燃(CMP)和低烟无卤(Low Smoke Zero Halogen,LSZH)3种材料。电缆的护套若含卤素,则不易燃烧(阻燃),但在燃烧过程中,释放的毒性大。电缆的护套若不含卤素,则易燃烧(非阻燃),但在燃烧过程中所释放的毒性小。因此,在设计综合布线时,应根据建筑物的防火等级,选择阻燃型线缆或非阻燃型线缆。

按美国线缆标准(American Wire Gauge,AWG),双绞线的绝缘铜导线线芯大小有22、24和26等规格,常用5类和超5类非屏蔽双绞线是24AWG,直径约为0.51mm,规格数字越大,导线越细。加上绝缘层的铜导线直径约为0.92mm。典型的加上塑料外部护套的超5类非屏蔽双绞线电缆直径约为5.3mm。

双绞线电缆的外部护套上每隔两英尺会印刷上一些标识。不同生产商的产品标识可能不同,但一般包括双绞线类型、NEC/UL防火测试和级别、CSA 防火测试、长度标志、生产日期、双绞线的生产商和产品号码等信息。下面以AVAYA 的产品为例说明这些标识。

31086FEET-09745.0METERS”,这些记号提供了这条双绞线的以下信息:

①AVAYA-CSYSTEMIMAX:该双绞线的生产商。

②1061C+:该双绞线的产品号。

③4/24:说明这条双绞线是由4对24AWG电线的线对所构成。

④CM:通信通用电缆,CM 是NEC(美国国家电气规程)中防火耐烟等级中的一种。

⑤VERIFIEDUL:说明双绞线满足UL(Underwriters Laboratories Inc.,保险业者实验室)的标准要求。UL成立于1984年,是一家非营利的独立组织,致力于产品的安全性测试和认证。

⑥CAT5e:该双绞线通过UL测试,达到超5类标准。

⑦31086FEET09745.0METERS:表示生产这条双绞线时的长度点。双绞线的长度通行做法是用英尺标示长度,也有用米标示长度,该线缆同时用两种标准来标示。这个标记在使用双绞线时非常实用。1英尺等于0.3048m。

为了便于安装与管理,每对双绞线有颜色标示,4对UTP电缆的颜色分别为:蓝色、橙色、绿色和棕色。每对线中,其中一根的颜色为线对颜色加上白色条纹或斑点(纯色),另一根的颜色为白底色加线对颜色的条纹或斑点。

2.1.2 双绞线的种类与型号

双绞线是目前局域网中最通用的电缆,它有价格便宜、易于安装、适用于多种网络拓朴结构,且能满足当今布线系统的垂直干线、水平干线通信要求等优点。

按结构分类,双绞线电缆可分为非屏蔽双绞线电缆和屏蔽双绞线电缆两类。

按性能指标分类,双绞线电缆可分为1类、2类、3类、4类、5类、5e类、6类、7类双绞线电缆。

按特性阻抗划分,双绞线电缆则有100欧姆、120欧姆及150欧姆等几种。常用的是100欧姆的双绞线电缆。

按双绞线对数多少进行分类,有1对、2对、4对双绞线电缆,以及25对、50对、100对的大对数双绞线。

现在的双绞线电缆品种繁多,还有在塑料外部护套内加上防水层的室外双绞线电缆,且室外电缆主要是非阻燃型的;外型不是通常圆型的扁平双绞线电缆等。

1.屏蔽双绞线

随着电气设备和电子设备的大量应用,通信链路受到越来越多电子干扰,它们来自诸如动力线、发动机、大功率无线电和雷达信号之类的其他信号源,如果这些信号产生在附近,则可能带来称为噪声的破坏或干扰。另一方面,电缆导线中传输的信号能量的辐射,也会对临近的系统设备和电缆产生电磁干扰(EMI)。在双绞线电缆中增加屏蔽层就是为了提高电缆的物理性能和电气性能,减少电缆信号传输中的电磁干扰。该屏蔽层能将噪声转变成直流电。屏蔽层上的噪声电流与双绞线上的噪声电流相反,因而两者可相互抵消。

电缆屏蔽层的设计有如下几种形式:

屏蔽整个电缆;

屏蔽电缆中的线对;

屏蔽电缆中的单根导线。

电缆屏蔽层由金属箔、金属丝或金属网几种材料构成。

屏蔽双绞线电缆有STP和ScTP(FTP)两类,STP又分为STP电缆和STP-A 电缆两种。

STP电缆指的是IBM 在1984年确立的最初规格,它的性能要求是工作频率为20MHz。随着网络传输速率的不断提高,1995年STP电缆的规格也提升为STP-A 电缆,它的性能要求是工作频率为300MHz,在TIA/EIA-568-A 标准中,STP-A电缆是干线布线子系统和水平布线子系统都认可的传输介质。

另一类屏蔽双绞线电缆是金属箔屏蔽双绞线电缆,称为ScTP或FTP,它不再屏蔽各个线对,而只屏蔽整个电缆,电缆中所有线对被金属箔制成的屏蔽层所包围,在电缆护套下,有一根漏电线,这根漏电线与电缆屏蔽层相接。

在某些安装环境中,如果电磁干扰或其他电子干扰过强,则不能使用UTP,而用FTP电缆可以屏蔽这些干扰,保证电缆传输信号的完整性。

在通信系统或其他对电子噪声比较敏感的电气设备环境中,这些电子噪声往往会影响到系统设备运行的可靠性。FTP电缆可以保存电缆导线传输信号的能量,电缆导线正常的辐射能量将会碰到电缆屏蔽层,由于电缆屏蔽层接地,屏蔽金属箔将会把电荷引入地下,从而防止信号对通信系统或其他对电子噪声比较敏感的电气设备的电磁干扰(EMI)。

通信线路仅仅采用屏蔽双绞线电缆不足以起到良好的屏蔽作用,还必须考虑接地和端接点屏蔽等问题。STP中有一条接地线,当屏蔽双绞线电缆有良好的接地时,屏蔽层就像一根电线把接收到的噪声转化为屏蔽层里的电流,这股电流依次在双绞线里感应方向相反但大小相等的电流,这两股电流只要对称则会相互抵消,因而不会把网络噪声传输到接收端。但是屏蔽层里有断点(如端接点)或电流不对称时,双绞线里的电流则会产生干扰。因此,为了起到良好的屏蔽作用,屏蔽式布线系统中的每一个元件(双绞线、水晶头、信息模块等)必须全部屏蔽且接地良好。

2.非屏蔽双绞线

非屏蔽双绞线电缆,顾名思义,没有用来屏蔽双绞线的金属屏蔽层,它在绝缘套管中封装了一对或一对以上的双绞线,每对双绞线按一定密度互相绞在一起,提高了抗系统本身电子噪声和电磁干扰的能力,但不能防止周围的电磁干扰。UTP中还有一条撕剥线,使套管更易剥脱。

UTP电缆是通信系统和综合布线系统中最流行使用的传输介质,可用于语音、数据、音频、呼叫系统及楼宇自动控制系统。UTP电缆可同时用于垂直干线子系统和水平子系统的布线。非屏蔽双绞线电缆有如下优点:

无屏蔽外套,直径小,节省所占用的空间;

质量小、易弯曲、易安装;

将串扰减至最小或加以消除;

具有阻燃性。

常用的双绞线电缆封装有4对双绞线,其他还有25对、50对和100对等大对数的双绞线电缆,大对数电缆用于语音通信布线系统的干线子系统中。

常见UTP电缆型号如下。

(1)1类双绞线——CAT1

缆线最高频率带宽是750kHz,用于报警系统,或只适用于语音系统。

(2)2类双绞线——CAT2

缆线最高频率带宽是1MHz,用于语音、EIA-232。

(3)3类双绞线——CAT3

该电缆的频率带宽最高为16MHz,主要应用于语音、10Mbps的以太网和4Mbps令牌环,最大网段长为100m,采用RJ形式的连接器,目前已淡出市场。

(4)4类双绞线——CAT4

缆线最高频率带宽为20MHz,最高数据传输速率为20Mbps,主要应用于语音、10Mbps的以太网和16Mbps令牌环,最大网段长为100m,采用RJ形式的连接器,未被广泛采用。

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