综合布线系统信道富余量对网络传输性能的影响

　　简介

　　在最近的许多通信杂志和IT行业展览会上，布线系统传输性能对数据网络传输比特误码率的影响成为引人注目的焦点。

　　一般来讲，因阻抗不匹配而产生的信道回波损耗是导致高比特误码率的主要原因，而且回波损耗对所有的系统性能都有一定的影响，近端串扰衰耗的影响则更为严重。

　　标准规定的设计与测试要求信道必须符合应用性能，而这些信道却可能无法提供充足的富余量来担负许多未来高宽带网络需求应用。为了比较及验证6类布线方案比新近颁布的5e类标准能提供更好的传输质量及更快的网络速度，美国康普实验室最近利用三种高速、高密集信息量传输的应用系统进行了实验。所选的应用系统是270Mb/s的串行数字视频信号，100BASE-TX视频流和100BASE-TX数据文件传输。并把同护套大对数共享线缆接入实验中，模拟最差条件下的近端串扰的干扰网络传输环境。

　　这些实验的结果表明，在标准规定的要求下，使用高性能大富余量的布线系统能够显著的提高网络传输速度。另外，通过实验还证明了使用6类布线系统能够为现在市场现存的应用系统提供更好的传输及使用性能。

　　背景

　　信道传输量的定义是指信道在一定时间内通过或传输数据的总量。信道最大传输量仅在理想信道条件下方可实现，而在现实的环境下无法达到。所有信道都存在不同的损耗，因此信道只能在低于最大工作能力或传输量的条件下工作。在通信系统或特定的局域网中，信道的设计必须考虑要能弥补这些损耗。

　　系统元器件以及周围环境等因素给信道的传输特性带来一定的损害，从而影响结构化布线系统的传输性能。一些干扰因素给结构化布线系统的信道传输性能带来负面影响，这些干扰因素被记入在1000BASE-T的IEEE802.3ab千兆以太网标准中，现将其列出如下：

　　散射

　　外界干扰

　　延迟偏差

　　衰减

　　阻抗失配/回波损耗

　　近端串扰及远端串扰

　　所有这些潜在的干扰因素都可能导致信道比特误码，从而降低结构化布线系统的信道传输量。比特误码率是指错误接收比特与总传输比特的比率。在使用高速网络带宽及密集型信息传输应用中，需要最低的比特误码来保证最高传输性能。在数据应用中，较高的比特误码率、网络性能迟缓会导致信号重发。在视频应用中，较高比特差码率导致图像间断，丢失祯或产生白斑（雪花）。在任何应用领域，较高的比特误码率都会导致令人不满的性能。以下各节将探讨一些对比特误码率及其后传输量有影响的因素。

　　散射：

　　散射是位脉冲在通过信道时产生的扩散。它起因于每一比特与相邻比特的叠加，从而导致信道终端接收到的传输位发生错误。散射的影响通常被称为内扰，能够用可见图形来反映，以跳动来测量。信道缆线和连接线匹配性是产生散射的主要原因。对于像270Mb/s串行数字视频的数字传输应用而言，散射会增加比特误码率及降低信道的性能，造成接收端的图像分辨率降低。通常会把自适应性均衡电路加入通信硬件系统的电路接口处来补偿散射的影响。

　　外界干扰：

　　噪音通过信道附近的外部电场和磁场进入信道，这就是外界干扰。ESD或EFT的不定向发射是外界干扰来源的一种。需要注意的是，即使是设计和安装非常完美的结构化布线系统信道，外界电磁场的转化仍然会对其起作用，影响比特误码率，并导致原有的不平衡因素由通信硬件电路与缆线接口处侵入信道，从而对系统性能造成不良效果。

　　延迟偏差：

　　延迟偏差是在多对线缆套内不同对线缆产生的传输速率差异，绞合率变化以及线对的绝缘结构限定了偏差，并以秒为单位。一些应用系统需要信号在复合双绞线上传输，并且同时到达信道末端的接收器。所以把延迟偏差减至最小非常重要。

　　利用双绞线进行现场传输的典型案例是在证券交易所内把金融信息发送到高分辨率显示屏。这类显示屏需要100兆赫兹以上的可用带宽和RGB同步模拟视频信号。过度的延迟偏差可能会导致色素分散，随着信道长度增加则会产生重影。1000BASE-T（千兆位以太网）是另一个需要使用UTP双绞线进行传输的案例。延迟偏差在IEEE802.3ab协议标准中被定义为在2MHz到100MHz频率之间，所有对组合之间双工信道的偏差差异不得超过50ns。衰减：

　　衰减是信号幅度通过信道时能量的减小。与散射类似，缆线与连接接插件是造成衰减的主要因素。IEEE802.3协议中对1000BASE-T标准规定，衰减是接入损耗，双工信道的最大衰减使用下面的公式计算：

　　接入损耗(f)=2.1f (0.529) + 0.4/f (dB) [f=1MHz to 100MHz]

　　信道衰减的不良影响可以通过考察模拟视频信号的传输效果来论证。过度衰减导致视频流中的低频亮度信号部分的强度低于高频色度信号部分，使得接收的影像灰暗，对比度过低。

　　阻抗失配/回波损耗：

　　阻抗失配/回波损耗发生在负载阻抗与设备内部阻抗不平衡的情况下。对结构化布线系统而言，这类损耗多出现于构成信道的组件没有适当匹配的情况下。这样会影响能源与负载间的最大传输功率。对于使用混合功能接口电路的1000BASE-T的系统而言，将阻抗匹配失衡减至最小是非常重要的。混合功能常用来实现数据信息的全双工传送。

　　混合电路提供四对终端，信号由一个终端对进入后，从相邻两对分发出来，但却不能到达相对应的终端线对。设备电路与信道的阻抗匹配是相当重要的，否则产生回波，也就是反射的传输能量将以噪音的形式在接收端出现。将回波补偿电路并入1000BASE-T接口电路，目的是有效的抵制混合功能产生的回波影响。

　　1000BASE-T，IEEE802.3ab标准指出阻抗失配就像回波损耗一样用分贝来表示，即每一个特定频率段上的相关阻抗（100欧姆）。回波损耗是由于阻抗不匹配而产生的应用信号反射，是一个分数数值的比率。IEEE802.3ab 标准记录了信道上的阻抗失配影响，并用以下公式表示阻抗失配的容限范围。

　　ReturnLoss(f)=15(dB) {f= 1MHz to 20MHz}

　　ReturnLoss(f)=15 - 10log(f/20) (dB)

　　{f=20MHzto100MHz}

　　第二个公式允许在回波损耗适合值里有一个较宽的容限。例如，这个容限范就是标准规定的100MHz频率下8dB的回波损耗。这个回波损耗等于100欧姆（-57欧姆到133欧姆）的阻抗失配。诸如1000BASE-T之类应用的能力可以容许很宽范围的阻抗失配。这表明，此类损害因素还没有像其他因素那样危及到布线传输性能。

　　近端串扰及远端串扰：

　　从一对或多对线缆到其他相邻线对上的信号耦合被称做串扰。近端串扰损耗被定义为：耦合信号与原来的传输信号从同一信道端被测量情况下，传输信号大小与耦合信号大小的比率。远端串扰损耗被定义为：耦合信号在原来传输信号相对另一端进行测量的情况下，传输信号大小与耦合信号大小的比率。近端串扰和远端串扰损耗同样是用分贝(dB)来表示的。

　　对于1000BASE-T等多线对传输系统来讲，把近端串扰最小化是非常关键的。每个1000BASE-T全双工信道接收器从与四对信道相连接的三个相邻传送器感受近端串扰。因此，在1000BASE-T传送系统中，引入近端串扰补偿以减少近端串扰的干扰。同样的方式，把远端串扰补偿引入1000BASE-T传送系统也可以降低远端串扰的干扰。但是，如果把远端串扰与近端串扰作的影响比较起来，就明显小的很，以至于可以忽略不计。另外，近端串扰干扰产生于相邻的的线缆之间，这些线缆不在同一护套内。近端串扰一般指来自于外在的近端串扰干扰，当线缆被紧紧束在一起的时产生。外在的近端串扰一般被视为外部干扰。

　　总而言之，结构化布线系统信道的传输性能被一些潜在干扰因素所影响。不管是近端串扰、远端串扰还是外部噪音产生的串扰，对比特误码率都有非常重要的影响，随之也殃及到结构化布线系统信道的传输性能。串扰就像其他影响结构化布线系统信道的损害因素一样，它可以蔓延到难以控制的地步并且影响更多的应用。

　　演示

　　美国康普实验室做出的实验表明，对三个不同的高带宽大型密集型应用而言，近端串扰（NEXT）是主要影响传输性能的损害因素。实验是以二个四连接器信道来评估的，其中一条信道用市场上通用的CAT5e超五类相关产品，另一信道使用市场上通用的SYSTIMAXGigaSPEED(r)六类布线系统。

　　1.100BASE-TX局域网大型数据文件传输：

　　比特误码率性能影响着局域网上传输大型文件所需的时间，甚至影响工作效率。

　　演示

　　a)100BASE-TX局域网大型数据文件传输

　　b)100BASE-TX局域网视频信号传输流

　　c)串行数字视频信号(SDV)

　　大数据文件传输的实验配置如图1所示。利用诺顿克隆精灵多点传送服务器软件，把一个248MB的视像文件从服务器传输到客户端。在传输过程中监测传输速和所用时间。利用惠普公司8112A脉冲发生器，在4对信道内相邻对信道近端处引入干扰信号脉冲。

　　使用5e类线缆信道的实验结果：

　　当连接客户端PC的局域网使用一般厂家CAT5e类信道时，文件传输需要129秒，平均每分钟传输速率为115MB。

　　使用GigaSPEED六类线缆信道的实验结果：

　　利用GigaSPEED6类信道，文件传输需要72秒，平均每分钟传输速率为206MB。在同样的串扰干扰条件下，同样的信息数量，用GigaSPEED6类信道传输的时间是用5e类信道传输的时间的80%。

　　100BASE-TX局域网实验的物理配置

　　PulseGenerator：脉冲发生器

　　100BASE-TXHub：100 BASE-TX 集线器

　　Server：服务器

　　Client：客户终端

　　270Mhz串行数字视频的光谱分析图

　　2.100BASE-TX局域网视频信号流：

　　在局域网上传输多媒体内容需要有足够的传输能力。对于用户的实时浏览而言，从多媒体服务器到终端用户传输大量数据的能力以及纠错能力都非常关键。局域网演示配置也如图1所示，既可以对接收到的数字信号的视频和音频质量做出主观评估，也可以测定比特误码的数量。

　　一个56MB、40秒的视频文件，在服务器与客户机间通过一对带有4个连接器的结构化布线信道以15祯/秒的速度进行传输，信道分别使用其他厂家5e类缆线与GigaSPEED6类线缆。通常，计算机视频格式的祯传输速度是15祯/秒。文件使用微软公司的多媒体设备以多点播送模式进行传输。该文件是寄宿生在积雪的山坡滑雪的图像。利用惠普公司8112A脉冲发生器，在4对信道内某一相邻对信道近端处引入干扰脉冲。引入脉冲的大小、周期、上升/下降时间都不相同，从而模拟最差的近端串扰环境。缆线未用端使用100欧姆节线器来终止。使用统计软件来测量发送与丢失的数据包，网络的利用率以及CRC位误码。

　　使用其他厂家CAT5e类缆线信道的实验结果：

　　在CAT5e类缆线信道里，CRC比特误码导致视频图像变形，例如图像出现凝滞。每个错误都会使数据包无效，导致图像祯的丢失，造成接收画面抖动。

　　使用GigaSPEED6类线缆信道的实验结果：

　　在相同的近端串扰环境下，使用GigaSPEED线缆不会产生比特误码，因此接收的视频图像质量相当好。

　　3.串行数字视频（SDV）：

　　SDV传输是基于SMPTE259M标准的。这个标准广泛应用于动画制作领域，将电影数字化并以270Mb/s的速度非压缩传输。这种系统也可用45Mb/s的压缩视频传输速度来传送的重要影像，以143Mb/s的非压缩视频传输速度来传送电视图像。只有270Mb/s的非压缩视频才可用来传送高质量电影图像。270Mb/s的位流被编辑并传送到广播的前端用来做实况广播。缆线长度一般小于或等于100米。

　　SDV来自模拟基带视频与音频信号，要求4.2MHz和20KHz独立的、数字化的、可组合的带宽。在单根75欧姆同轴电缆上以270Mb/sNRZI串行位流传输。视频信号中的亮度与色差元素是分离的。嵌入式数字音频要求3MHz带宽。一般跳动为0.2UI（单位间隔），约为0.5ns。SMPTE259M标准允许大于18分贝的回波损耗。合成的SDV基带信号峰到峰的电压值为0.8V（+/-10%），需要最小的带宽为135MHz，而下面的谱线分析图中有效能量光谱可延展到270MHz。

　　SDV的演示配置如图2所示，可以实现比特误码数量和跳动的测量，也可主观评估接收信号的视频和音频质量。实验由Sony和Tektronix公司制造的音频和视频设备组成，用于主观评估和独立的数量测量。它包含传输/接收SDV到UTP适配器，SDV信号在非平衡75欧姆的同轴电缆上传输为270Mb/s，超过了平衡的100欧姆4对UTP线缆。两个SDV信号在相对的方位上传输，即4对线缆中的2和3线对，目的是为了在信道的每端都产生串扰。标准适配器完成自适应均衡，根据形变状态和数量，在信道线缆长度范围内，提供自动补偿的服务。标准适配器被设计成连接插线/插头装置的15个插脚的连接器。多插脚连接器的作用与目前线缆测试装置的作用类似。它可以把任何信道所测定的连接器串扰最小化。信道内不用的线缆用适配器终结，并把每个适配器设为“Y”形式。

　　SDV实验的物理结构

　　一对四个连接器的结构化布线信道是用市场上其他厂家通用的CAT5e类和SYSTIMAXGigaSPEED6类相关组件构成的。TektronixTSG601 SDV信号发生器把16个可选之中的一个SDV测试样本以270 Mb/s的速率，以嵌入式AES/EBU数字音频、CRC数据的方式传送到Tektronix WFM601M SDV波形监测器。监测器履行实时数字错误侦察，并根据SMPTE标准RP-165汇报CRC误差。

　　当检测到以前和现在视频帧之间的CRC位值有所不同时便立即报告错误。跳动可以被精确测定并显示为一个眼状图形。叠加所有可能到达信道接收端的传输脉冲序列，就构成了这个图形。效果图像一个眼的形状。这个眼状图形是评估像SDV这样的基带信号性能的方法。在信道中，当噪音、干扰、或跳动增加时，眼睛的睁开的程度就会减小，睁开的高度表明在噪音环境下裕量存在的程度。TektronixWFM601MSDV波形监测器也可提供一个被动的闭合回路，允许在高分辨率NTSC Sony 20”显示器上显示接收的视频信号。Sony DVW-510 Digital Betacam (r) Player以嵌入式AES/EBU数字音频方式，通过一个3.5分钟Digital Betacam格式化磁带，把数字视频传输到高分辨率SDV Sony 20”显示器。显示器被特别装备以视频和音频串行数字接口，以便于对两者进行自动评估。

　　使用其他厂家CAT5e类缆线信道的实验结果：

　　最初用单一SDV信号单向传输视频和音频时没有明显的问题。然而，当在信道中加入第二个SDV信号产生近端串扰时，视频和音频的质量就变的很差。影像出现很多的白斑（雪花）。这个白斑产生的原因是由于比特误码导致的图片元素即像素损失的结果。传输的音频部分存在明显的、令人不满的静电干扰。TektronixWFM601M波形监视器显示红色警报以表明CRC比特误码发生。跳动被显示为眼状图形，测定的结果是962微微秒。当来自于TektronixTSG601 Signal Generator 或 Sony Digital Betacam Player的传输信号被取消，所有可见的和可听的干扰终止了，跳动减少到592微微秒。CRC比特误码、白斑或静电将不再出现。

　　使用GigaSPEED6类线缆信道的实验结果：

　　使用6类GigaSPEED信道进行双向传输时，没有监测到任何可视和可听的干扰，也没有记录到CRC比特误码。跳动测定的结果是592微微秒，与在5e类信道中只有一个SDV传输信号时的跳动记录相同。很明显，近端串扰裕量设计给6类GigaSPEED信道带来非常好的传输性能。

　　总结

　　当文件在结构化布线信道上传输时，很多干扰因素都影响着高速、高带宽密集型网络应用的传输性能，实验清楚地揭示了近端串扰存在的严重影响。目前使用其他厂家的CAT5e类缆线的两类应用程序——文件传输和局域网视频流，在很差的近端串扰环境下，利用GigaSPEED6类缆线取得了显著优越的运行效果。近端串扰附加的10dB富余量，很大程度地改善了6类信道数据传输性能。额外的裕量改善了信噪比，另外，当信道产生的串扰减小时，还可以传输更多的信号。

　　最终论证还指出，目前有一些像270Mb/s串行数字视频的应用远远超出了5e类信道的性能。标准明确指出5e类信道性能最高到100MHz，这就出现了明显的不足，因为SDV应用所要求的信道性能要达到250 MHz，这是 6类信道GigaSPEED才能提供的。像文件传送之类的应用程序可以允许数据包偶尔丢失，并可以花费时间来等待数据包重新发送。然而，诸如视频流和270 Mb/s SDV的应用根本不允许任何延迟。视频流程序每次只传输和处理一个数据包。

　　结构化布线信道内的传输损失是无法弥补的。由于影像祯和像素的丢失，原始传输影像的质量明显下降了。因此，信道损失很大程度上制约着传输性能。随着高速应用程序以及未来带宽需求的不断增长，这种影响将越来越明显。结构化布线系统信道需要提供充分的裕量来抵制信道损失，以支持超出当前水平的下一代数据速率，达到良好的传输性能。

　　1）其他厂家CAT5e类缆线信道结果：由于位误码产生许多白斑

　　2）美国康普GigaSPEED6类缆线信道的结果：没有位误码导致的像素损耗