[专题讨论]扩展六类非屏蔽双绞线网络系统信道和固定链路中综合外来串扰的讨论和分析

The Power Sum Alien Crosstalk in Channel and Permanent Link in an Augmented Category 6 Unshielded Twisted-pair Network 'W,*mfB  
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引言 m/Erw"Z  
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第一次在论坛上发起专题讨论贴，希望通过这样的专题讨论能调动起所有相关学科爱好者的兴趣。 "fr{:'HX  
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这个专题预计涵盖传输线理论（Transmission Line Theory）、阻抗匹配理论（Impedance Matching）、电磁兼容（Electromagnetic Compatibility）、测试测量（Instrumentation and Measurement）学科领域。 ,z<1:
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因为这个专题基于本人工作中遇到的实际情况，因此会在不泄漏商业敏感信息的前提下，尽量将理论部分的东西提取出来。 CT5s`v!s  
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对于这个专题有非常独到见解或者直接可行性解决方案的回复，给与1威望、10技术分、100RF币、大赛特别奖勋章奖励。 `Xz!apA  
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在技术理论上有深入的分析或者能通过仿真验证的回复，视情况给与5-9技术分、50-90RF币奖励。 Lb)rloca  
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有质量的技术性回复将给与1-4技术分、10-40RF币奖励。 xP_/5N=f  
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声明：一切无技术性内容的回复将被删除！ 3dSb!q0&N  
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案例分析 9
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背景介绍 k3H0$1  
2006年发布的IEEE协议802.3an（IEEE Std 802.3an-2006）规定了在以太网（Ethernet）中布署10Gbit/s网络的相关电属性[1]，相关的协议内容在IEEE协议802.3-2008（IEEE Std 802.3-2008）中再次归类确认[2]。在以太通信网中，双绞铜网线和光纤是基本的两种布线方式，而非屏蔽双绞线（Un-shielded Twisted Pair – UTP）相对光纤有成本低廉和部署简单的优势。因此，国际标准组织Telecommunication Industrial Association（TIA）和International Standard Organisation（ISO）都发布了基于10GBase-T网络的双绞铜网线相关协议标准[3][4]。在TIA-568-C.2协议中，定义了扩展六类（Augmented Category 6 – C6A）网线系统（对应ISO/IEC 11801协议中的Class Ea）。本专题就讨论在C6A系统中遇到的工程问题。 %&_^I*  
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名词解释 N8pV[\f  
在TIA-568-C.2协议中定义了信道（Channel）和固定链路（Permanent Link）和水平网线（Horizontal Cable）三个基本概念。 8\"Gs z  
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水平网线是由4对双绞线封装在热塑外包当中，注意这个水平网线是硬质网线（Solid Cable），并非日常家庭中使用的软跳线（Patch Cord）。 +%v1X&_\  
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在水平网线两端安装上连结头（Connector）之后，这部分就称为固定链路，因为这部分通常布署在建筑物的墙内，布署后不再移动，因此是“固定”的。 t7l{^d_L  

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图片:Permanent Link.JPG

图1 – 固定链路示意图

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在固定链路两端再连接跳线之后，这部分就称为信道，信道是真正完整的通信系统，对应IEEE协议中的链路部分（Link Segment） 67hfve  

图片:Channel.JPG

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图2 – 信道示意图 ~+j2a3rv-{  
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在TIA-568-C.2协议中，测试水平网线要求100米长度，测试固定链路要求90米长度（90米水平网线加上连结头），测试信道要求不超过100米长度（90米固定链路加上不超过10米的跳线）。但是在实际应用中，尤其在数据中心布线，越来越多的客户会要求水平网线的长度越短越好。因此目前项目的挑战在于研发14米的信道方案（10米固定链路两端加上2米跳线）。 9Vqy<7i1  
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在之前低级别网线协议中，回波损耗（Return Loss – RL）、近端串扰（Near End Crosstalk – NEXT）和远端串扰衰减（Attenuation to Crosstalk Ratio at Far-end – ACR-F）是被重视的几个参数，NEXT是一根网线中一对双绞线从其它三对双绞线中接受到的串扰，我们可以把它看作是“内部的”。 ywl=@  
4e/!BGkAS  
从C6A系统协议开始，外部串扰（Alien Crosstalk – AxTalk）被定义并要求测量。AxTalk是一对双绞线从其它网线的双绞线中接受到的串扰。在TIA-568-C.2协议中，网线捆（Cable Bundle）要求以6包1（6-around-1）的形式捆绑，因此综合外部近端串扰（Power Sum Alien Near End Crosstalk – PSANEXT）和综合远端外部串扰衰减（Power Sum Attenuation to Alien Crosstalk Ratio at Far-end – PSAACR-F）需要计算6根网线的累计值。 (8aj`> y  

图片:6-around-1.JPG

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图3 – 6包1测试 r<vy6  
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工程问题分析 {g#4E0.A!  
讨论的问题是在10米固定链路和14米信道中测试综合外部近端串扰。以实地测量（Field Measurement）为例，下面两张图是使用Field CableAnalyzer测试固定链路和信道的配置： Rw%% 9  

图片:Fluke_Permanent_Link.JPG

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图4 – 固定链路实地测试 y+T[="W  

图片:Fluke_Channel.JPG

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图5 – 信道实地测试 3rB0H   
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注：将Field CableAnalyzer换成Network Analyzer就成为实验室测量（Laboratory Measurement），配置有少许不同，但实验室测量是基准测量。 /q+;!E
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(M"rpG>L  
对比上面两张图，可见固定链路测量和信道测量的一大区别在于校正平面（Calibration Plane）的位置。固定链路的校正平面在连结头处，而信道的校正平面在跳线的水晶头（RJ45 Plug）处。 yhYF "~CM  
接下来，先看看测量得到的固定链路和信道的PSANEXT（负dB值显示）： Bcarx<P-p  

图片:PL-PSANEXT.JPG

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图6 – 固定链路PSANEXT t"Ci1"U  

图片:CH-PSANEXT.JPG

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图7 – 信道PSANEXT M,S'4Szuk  
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由对比可见，信道中的PSANEXT有非常明显的“谐振”，尤其在100-300 MHz之间，外部近端串扰的谐振使得信道的PSANEXT性能没有通过TIA-568-C.2的规定。 9sT5l"?g  
专题讨论的焦点就在于： 是什么原因导致信道的综合外部近端串扰出现谐振现象？用什么办法可以有效抑制这种谐振？ !b7"K|  
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深入讨论 hrtz>qN  
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反射理论 vue^bn  
网线系统可以理想化为如下的级联系统： n8F~!|lQ0  

图片:System.JPG

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图8 – 级联系统示意图 GyWa=KW.u  
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根据小反射理论[5]，这个系统的反射可以表示如下（以下照抄《微波工程》内容）： ?WHf%Ie2(  

图片:Reflection.JPG

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图9 – 小反射理论 3r,~-6  
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注：公式内容见电子版文件。 ;RJ 8h x  
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公式11显示总反射主要来源于前两个连接处的反射。从测量的角度，第一个连接处位于软跳线水晶头处，第二个连接处位于固定链路连接头处。 E0R6qS:'  
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软跳线分析 R?O)vLmd  
V0v,s^\H  
在信道测量中，每个端口软跳线的长度只有2米，因此软跳线本身的PSANEXT贡献应该只有很小的比例。在其它对比测试中，即使使用了屏蔽7类网线（Shielded Foil Twisted Pair – SFTP Class F），测量得到的信道PSANEXT仍然有明显的谐振。那么，是否有可能是跳线与固定链路之间的反射导致这种谐振的呢（谐振频率大约为40 MHz）？ Oo@o$\+v  
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使用Agilent ENA E8753B测量一对网线的PSANEXT： YO.+-(   

图片:CH PSANEXT ENA FRQ.JPG

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图10 – 一对网线的信道PSANEXT ,#UZp\zZ*  
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使用ENA的Transform功能，切换到时域测量模式，观察S11（如非特别说明，本文图示中的Return Loss表示S11）得到： Q8%_q"C  

图片:CH Return Loss Time.JPG

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图11 – 时域信道S11 \$ipnQv  
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可以很清楚地看到在不同连接处测得的反射。如果可以将第一个和第四个反射去掉，那么得到的S11应该近似等于固定链路的S11。因此，使用ENA的Gating功能，得到： _ Lb"
yug  

图片:CH RL Gated Time.JPG

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图12 – 应用Gating后的S11 uyxYCc  
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这时，可以认为测量得到的是移除了软跳线反射效应的信道S11，近似等于固定链路状态。这时，保持Gating功能开启，再回到频域测量PSANEXT，得到： V-}}?c1 F  

图片:CH PSANEXT ENA Gated Frequency.JPG

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13 – 启用Gating功能的信道PSANEXT E{&MmrlL,  
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对比图10，可见PSANEXT的谐振基本被移除了，非常接近图6实测得到的固定链路PSANEXT。 J _;H  
>i,_qe?V:w  
这个试验的目的在于检验软跳线对信道PSANEXT的影响，目前可以得到的结论如下： RC/ 3\'  
1.软跳线自身不会对信道PSANEXT贡献很大的份额。 3}<U'%sd  
2.软跳线连接至固定链路后会加重信道PSANEXT的谐振。 >4jE[$p]"  
4lB??`UN  
Q0Ft.b  
后续思考 '1:)q  
A vq+s.h  
根据Agilent技术支持的说法，使用Gating功能后测量得到的S参数没有再归一化，因此图13测得的PSANEXT实际上比使用Calibration至连结头处的标准固定链路实验室测量方法得到的PSANEXT的能量要少。这两者之间的具体差距会作进一步的对比研究。 0mujf  
GeTk/tU  
是什么原因导致跳线连接至固定链路后信道 .. 8^>c_%e}  
##=$$1Ki  

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友情支持！请教个问题：使用Gating功能后测量得到的S参数没有再归一化，这个楼主能给出“Agilent技术支持的说法”吗？

我当时是这么问的： X1^VdJE  
When I perform the “transformation” and “gating” function on ENA, I believe it mathematically substrates some of the tested energy. Then, when I read the S11 value after I inverse-transform to the frequency domain, is the S11 re-normalised or not? fkxkf^g)  
1q}L
O2  
Agilent的回复如下： -zg*p&F  
I’m not sure I understand customer’s question correctly, but the value is not normalized. hFIh<m=C?Y  
If the customer gates out the response in time domain, and turn off the transformation, then gaiting is still valid in frequency domain. Thus the customer can get the frequency response and that some portion of the response is mathematically gated out. If he measures S11, then the displayed power should be smaller than that of without the gating.

本文的电子版文档在公司的机器里，前两天中了恶意软件，机器没办法使用。因此等圣诞节放假之后再看看还能不能再找回来。

难得在网上看到这样的讨论，专门注册了来看看，我没有技术手段来做模拟，但我觉得您的方向似乎有些偏。 uX7L1~s-  
<-`bWz=+  
短链路ANEXT超标，从时域上看此噪音主要从测量开始/结束的水晶头和后续的2个连接点窜入，这并不必然带来ANEXT的“谐振”，谐振发生是因为反射。你并没有给出链路的RL特性，虽然RL的测量主要针对线内传输信号的反射，但RL代表了此链路的阻抗匹配特性。而我认为ANEXT超标是因为窜入的外部噪音在线内多次反射而造成了谐振。对长链路由于此反射的能量被线路本身损耗掉了，因此没有此谐振显现；而短链路无法将反射的能量损耗掉，产生了谐振。 ufL,Kq4  
就你的现状分析应该是模块和电缆的阻抗不太匹配而成，因而你即便换了跳线也不管用。 392V\qtS  
似乎楼主是在做10G布线研发的， ~?/7:S  
其实你的固定链路绿对已经就有问题了。我想你需要先将ANEXT问题放下，先将内部的RL问题解决好，然后做ANEXT改进。 7ZUN;mr  
对ANEXT的改进可以先将6包1共7组模块/水晶头配对，每对都包裹在一个屏蔽层里，测量结果；然后只包裹模块露出水晶头测量；包裹水晶头露出模块测量。通过此种测量来定位噪音窜入点，然后考虑改进措施。 而对模块的ANEXT改进可以去看看有家公司叫Panduit的10G UTP电缆，采用了浮动屏蔽来解决ANEXT问题，可能对你会有启发。虽然Panduit是抄了别人的。 kepuh%KY[  
qCI&H7u@  
希望你成功！

感谢你的回复。马上要坐飞机回国度假，所以深入的讨论只能在元旦之后了。 T#&1q]P1F  
i7H([b<_m  
RL引起噪声能量在信道内反射考虑过，只是没有一个比较好的定量化的分析方法。而且因为我们公司只设计连接头，网线和跳线都是其它公司的产品，所以给我们回旋的余地不大。 -n:2US<  
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当然，现在设计的连接头本身的RL性能并不是很好，400-500 MHz部分绿线刚刚过标准，一个问题就是：PSANEXT严重超过协议标准的频率区域在150-300 MHz之间，这部分连接头的RL记忆中看着还挺好。是不是一定要大大优于标准线才不会引起反射呢？ CX#d  
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上面给出的链路和信道的PSANEXT用的是美国客户想用的一个美国本地的水平网线，这个网线本身的性能是比较差的，虽然也都通过了水平网线的测试……。Panduit C6A UTP系统上周刚刚测试过，确实是非常好的网线系统。用他们自家的系统或者用他们的水平网线我们的连接头另一家公司的跳线都可以组成14米的两连接头信道。

在长链路时，小地方有问题不会太显眼，在短链路下，有点不和谐都会出问题。 归结到此处，你可以通过解决RL来减少谐振，也可以通过改进模块/水晶头配对的ANEXT性能解决。也有可能此跳线的ANEXT不太好，而恶化了谐振效果。 eHx {[J?  
根据你给的Panduit水平线的测试结果看，应该判断此线的ANEXT性能大大高于标准，而给了你们的模块和跳线更多的余量来通过标准要求。

引用第6楼lioncat于2010-12-11 18:13发表的 : yrzyus  
在长链路时，小地方有问题不会太显眼，在短链路下，有点不和谐都会出问题。 归结到此处，你可以通过解决RL来减少谐振，也可以通过改进模块/水晶头配对的ANEXT性能解决。也有可能此跳线的ANEXT不太好，而恶化了谐振效果。 a/d8_(0  
根据你给的Panduit水平线的测试结果看，应该判断此线的ANEXT性能大大高于标准，而给了你们的模块和跳线更多的余量来通过标准要求。 X?8bb! g%Q  

|$T?P*pI.  
^]LWcJ?"^!  
谢谢回复。 p=Qo92 NH  
~@^pX*%i  
已经测过的90米长链路和94米长信道都能通过，即使用那个最“烂”的网线都能做到24米的信道，只是14米的挑战性确实很高。 q!d7Ms{q  
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现在其实是一个比较“现实”的工程问题：网线是别的公司提供的，如果我们跟他们说网线“不好”，做不了信道，他们会说他们的网线已经通过测试标准，RL、PSANEXT等等都可以通过，所以是我们的问题……。实际情况是用那个“烂”网线搭配市面上能弄到的十几种连接头+跳线全都不能通过……，目前只有Panduit自家的系统和另一家网线可以成功。 B)DtJf  
3qfQlqJ&3  
你说得对，14米两连接头信道能通过的配置，10米链路的PSANEXT都有8 dB以上的余量。 m,J9:S<5;  
5Shc$Awc!  
现在我最感兴趣的是，噪声能量在信道内反射而形成PSANEXT“谐振”的理论是什么？能不能用数学推导的方法证明一下？ +
+kVq$9@y  
再接着，这种情况该如何使用仿真软件来“重现”？ NS4W!o;"  

RL大的原因是阻抗不匹配，水平缆和模块，模块和跳线的阻抗。如果你们的跳线模块和Panduit及另一家的电缆匹配在短链路信道下没有问题，至少说明你的产品和主流产品是匹配的，你们的产品阻抗是正确的。你需要看看本文中的电缆的特性阻抗。

谐振产生应该还是软跳线连接处阻抗不匹配产生的，看一下谐振频率对应的波长和软跳线长度是否有对应关系，是否可以调整软跳线长度来看一下谐振频率的变化？