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插入损耗——线对上的信号衰减

插入损耗——线对上的信号衰减

2023/1/9 11:08:17

“您好,我需要您的帮助。我在测试长距离线缆的时候,插入损耗没有通过测试!”这是在对铜缆布线进行验收测量时,我们经常能够听到的问题。针对这一情况,为了能提供更专业的支持,我们必须了解这一电气特性的基础知识。

插入损耗IL(Insertion loss)是指插入到信号链路中的一个或多个组件对信号的衰减。插入损耗描述了发射功率和接收功率之间的比率。

通过插入损耗,可以评估整个链路从线路起点到终点的信号衰减。相关测量旨在评估数据信号的传输是否符合所需的限值,以及毗邻站点是否也能清楚地识别信号。如果测量结果显示插入损耗存在问题,则产生这一问题的原因可能有多种。本质上,插入损耗的主要影响因素是线路的长度和质量,并通过其高频特性来表示。

首图.png

 请勿拉扯线缆

所有高频特性的总和使数据线缆具有低通滤波器的特性:让低频比高频更好地通过。一方面,这种低通特性限制了线缆传输的带宽,使得线缆的长达到一定长度后需要安装信号放大器(中继器),以便再次生成信号,或者与数据线缆一样,直接限制长度或通过最大插入损耗来间接限制线缆长度。

高频特性非常重要,因为铜缆不仅仅是电能的供应来源,而且是现代超高频数据信号传输链路的重要组成部分。特别是线缆的机械过载,不仅会直接导致其标称特性值产生偏差,还会导致传输性能迅速恶化,直至通信中断。因此,建议安装人员在布线的时候请“插入”数据线缆,而非“拉扯”它们。

 测量参数——插入损耗

线缆部分的插入损耗是在相应线缆等级(例如EA等级的500 MHz)的频率范围内测量的。为此,不仅需要测量单个频率作为参考点,还需要扫描从1 MHz到相应标准的最大频率的整个频谱。相关结果记录在标准定义的频率点上并用于评估。测量值取决于线缆的长度和所用线缆的导线横截面。线对的衰减是输入线对的信号与到达线缆另一端的信号的对数比。在典型的8芯线缆的四个衰减中,最大的衰减值用于评估布线链路。并且,不同线缆等级所对应的标准都定义了最大衰减值。

如今的布线验证仪仍然是以图形方式来显示所有线对的测量值,并将它们与对应的频率数据点一起保存。

由于插入损耗的最大值不受固定线缆长度的限制,因此测量参数“长度”在ISO/IEC标准及其衍生标准中仅被定义为参考值。另一方面,在美国标准中,线的长度有固定的通过/失败(pass/fail)限制。

 失败原因

如前文所述,有关插入损耗参数测量失败的原因可能有多种,而主要原因是传输路径中的线缆太长,除此以外还有线缆质量不够好(标准类别太低)、所选测量标准太高或在插入过程中受力过大。

以一个插入损耗测量失败为例(见图1):线缆太长,所有线对都超出限制(红线),线缆测量结果不足以满足所选测量标准——Cat 7(600 MHz)线缆与Cat 8(2000 MHz)测量标准。

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(图1 测量失败示例)

 线缆太长

根据经验,AWG 22/23线缆的安装长度最长约为90m,并且已留有足够的余量,可毫无问题地传输数据信号;安装长度可以超过这个限值,但却不能保证传输质量。如果有源组件的连接线已在线缆中,为了安全起见,总长度应不超过100m。 然而,有时即使测量安装的链路长度实际上已小于规定的90m,插入损耗的测量也会有问题。人们常常误以为所谓的NVP值是已安装线缆长度的缩短系数,而实际上该值表示信号在线缆中的传输速度与光速的比例。

要想使得线缆长度测量尽可能精确,就需要测量反射信号在线缆中的传输时间以确定NVP值。NVP值与长度测量值成正比,因此,如果NVP值设置得太低,那么所有长度都会显得比实际长度短,反之亦然。而这就是问题所在:由于NVP值设置得太低,因此所测线缆长度比90m短,并且可以看到测量结果显示的是“失败”。而如果NVP值设置正确,没有太低,那么人们就会很快发现线缆的长度实际上已远远超过了90m。由此可见插入损耗测量失败的原因。

 线芯太细

此外,有时我们确保了正确的长度,但在测量线缆时,插入损耗测量结果仍然显示失败。这种问题往往出现在测量60~90m的线缆时,而产生这一问题的原因是越来越现代化的数据线缆曾经是专门为数据中心而开发的,但现在却多用于家庭和办公区域。这些线缆的特点是横截面较小,通常是AWG 26直径的实芯。而较小的直径会产生更高的衰减值,并且这些线缆所支持的长度上限仅约为10英寸(60m)。对于数据中心和单户住宅而言,这样的线缆长度是足够用的。但是,其并不适用于办公环境,因为这些线缆所支持的长度往往不能满足在办公环境中的实际需求。由于这些线缆也适用于7类标准,因此人们经常在办公环境中使用它们,却不清楚它们的局限性。

质地较软的线缆也常用于短期或移动布线,但它们具有相似的衰减特性,应仅在其长度限制内使用,否则也会出现与上述相同的问题。

 组件标准不匹配

与无源布线系统中的所有组件一样,数据线缆也按照各种性能类别分类(见图2),并由高频带宽定义。常见的类别范围为Cat 5e(带宽为100 MHz)~Cat 8(带宽为2000 MHz)。图2中的分类也用于连接组件,并且相关规则是:例如,如果您想构建带宽为500 MHz的布线链路以传输高达10Gbit/s的以太网,则必须使用至少类别为Cat 6A类的组件。

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(图2 组件类别与链路性能之间的关系)

如果在此例中使用类别较低的线缆,例如类别Cat 5e(100 MHz),则测量失败的风险很大,不仅是指插入损耗,还有串扰(NEXT)和反射(Return Loss)。数据传输环节就像著名的链条定律:一根链条的强度取决于其最薄弱的环节。类别太低的组件会降低整个链路的性能。有时安装人员还会发现,一些线缆在出厂时就存在缺陷,但因其在质量控制中而被保留下来了。我们在使用双屏蔽S/FTP线缆时经常会遇到一个典型的问题......

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