10GBase-T合規(guī)性和惡劣環(huán)境的影響

在軍事、航空航天和高質(zhì)量的工業(yè)和通信系統(tǒng)中，高速以太網(wǎng)連接器和電纜組合在調(diào)制解調(diào)器、路由器、計(jì)算機(jī)和其他有線互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的惡劣環(huán)境中傳輸寬帶信號(hào)。在這些惡劣的環(huán)境中，高速、高質(zhì)量的以太網(wǎng)連接器必須能夠保持傳輸完整性和承受沖擊和振動(dòng)環(huán)境。本文探討了所需的以太網(wǎng)10GBase-T電氣和沖擊與振動(dòng)測試，然后提出了適用于此環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)RJ45解決方案以及未來可能的替代方案。

什么是 6a 類布線？

6a 類或 Cat 6a 是千兆以太網(wǎng)布線的最新版本。Cat 6a 將數(shù)據(jù)傳輸帶寬從 250 兆赫茲增加到 500 兆赫茲 （MHz），減少了串?dāng)_干擾機(jī)會(huì)，并通過更長的電纜提供了卓越的可靠性和傳輸速度。Cat 6a 10-Gb 以太網(wǎng)是 6 類（Cat 6）的增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，向后兼容較舊的 5/5e 類電纜標(biāo)準(zhǔn)。

表 1：5/5e 類和 6/6a 類電纜帶寬與電纜長度達(dá) 100m 時(shí)最大數(shù)據(jù)速率的比較

以太網(wǎng)電氣測試認(rèn)證

10G 以太網(wǎng)的傳輸速率不是每個(gè)周期 10 比特或每秒 10 千兆位 （Gbps）。以這些速度每周期發(fā)送一位會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題，需要昂貴的高速連接器，并限制傳輸路徑的長度。為了在避免這些問題的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高比特率，《》G 以太網(wǎng)采用調(diào)制技術(shù)，以較低頻率每周期傳輸多位信息（波特）。波特是通信介質(zhì)運(yùn)行的符號(hào)速率。

波特符號(hào)可以包含多個(gè)位。多位符號(hào)允許在較低頻率下實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。10G 以太網(wǎng)采用 16 級(jí)脈沖幅度調(diào)制 （PAM16） 雙平方 （DSQ） 編碼，每個(gè)符號(hào) 3 位。符號(hào)通過四對雙絞線以 833Mbaud 傳輸，總比特率為 10 Gbps。

公式 1 顯示比特率轉(zhuǎn)換。比特率 = 833.3 Mbaud * 3 位/波特 * 4（對）= 10 Gbps。

以太網(wǎng)電氣測試環(huán)境是通過輸入和輸出連接器以及連接電纜（見圖1）。

圖 1：帶 RJ6 端部連接器的 Cat 45a 非屏蔽雙絞線 （UTP） 以太網(wǎng)電纜

10GBase-T 電纜一致性測試配置根據(jù)電纜的 6a 類電纜合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn) （ANSI/TIA/EIA-568-B.2） 評估性能。測試結(jié)果確定現(xiàn)有的屏蔽 （STP） 和非屏蔽 （UTP） 雙絞線電纜和連接器配置是否符合電氣標(biāo)準(zhǔn)。

電氣以太網(wǎng)測試

兩種布線版本是 STP（屏蔽雙絞線）和 UTP（非屏蔽雙絞線），其中 STP 電纜中的雙絞線都是屏蔽的（圖 2）。

圖 2：屏蔽 （STP） 和非屏蔽 （UTP） 電纜的橫截面

十二個(gè)測試參數(shù)中的兩類是串?dāng)_和信號(hào)。電纜上雙絞線對之間耦合的串?dāng)_參數(shù)測試和信號(hào)參數(shù)測試每根電纜線的電氣完整性。如果測試的參數(shù)不符合 10GBase–T Cat 6a 要求，您的系統(tǒng)將危及網(wǎng)絡(luò)。這些測試及其縮寫列于表2中。

標(biāo)準(zhǔn)測試儀可用于評估是否符合以太網(wǎng) 10GBase-T 電纜要求，包括福祿克網(wǎng)絡(luò) DSX-500 和 DSX-8000 電纜分析儀。

串?dāng)_測試

在傳輸系統(tǒng)中，串?dāng)_是指一個(gè)電路或通道的傳輸信號(hào)在另一個(gè)電路或通道中產(chǎn)生不良影響。串?dāng)_通常是從一個(gè)電路或通道到另一個(gè)電路或通道的不需要的電容、電感或?qū)щ婑詈系慕Y(jié)果。

最關(guān)鍵的 10GBase-T 以太網(wǎng)電纜/連接器串?dāng)_測試參數(shù)是 NEXT 或近端串?dāng)_。NEXT 是最重要的電纜測量之一，因?yàn)樗鼫y量連接器的一對電線到電纜末端最近（近端）上相鄰一對的耦合信號(hào)干擾（圖 3）。

以太網(wǎng)的雙絞線電纜有四對電線。這些導(dǎo)線相互扭曲，以減少串?dāng)_和外部干擾。當(dāng)前的 LAN 通常使用這種類型的電纜。

圖3.10GBase-T 互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，帶有連接器近端 （NEXT）、遠(yuǎn)端 （FEXT） 和外來串?dāng)_ （AXT） 干擾源的圖示

NEXT測試測量干擾對和受害對之間的信號(hào)強(qiáng)度差異。更顯著的數(shù)字（較少的串?dāng)_）比較小的數(shù)字（更多的串?dāng)_）更可取。由于NEXT隨頻率變化很大，因此必須在適用的頻率范圍內(nèi)對其進(jìn)行測量。Cat 6a 的特性高達(dá) 500 MHz。

FEXT、PS NEXT、ACRN、ACRF、PSACRN 和 PSACRF 是次要串?dāng)_參數(shù)。遠(yuǎn)端串?dāng)_（FEXT）的測量也在通道內(nèi)進(jìn)行。它類似于 NEXT，但測量點(diǎn)位于通道的遠(yuǎn)端。然而，F(xiàn)EXT并不是完整的故事，因?yàn)榫嚯x會(huì)衰減信號(hào)。更重要的結(jié)果從FEXT結(jié)果中消除衰減（插入損耗），以創(chuàng)建衰減串?dāng)_比參數(shù)（ACRF）。

最后，外來串?dāng)_（AXT）成為以太網(wǎng)類別6A 10GBASE-T應(yīng)用中的一個(gè)問題。一旦應(yīng)用轉(zhuǎn)移到更高的頻率（這在以太網(wǎng)類別 6A 10GBASE-T 應(yīng)用中有效），就會(huì)擔(dān)心電纜到電纜串?dāng)_。

外來串?dāng)_是將噪聲從一根電纜耦合到另一根電纜的術(shù)語。當(dāng)一束多根電纜包圍或干擾單根電纜時(shí)，會(huì)發(fā)生此串?dāng)_錯(cuò)誤。圍繞束中單個(gè)電纜的電纜是干擾器。受到干擾器噪音影響的電纜是受害電纜。

隨著更快的應(yīng)用增加電纜的帶寬要求，這種干擾變得更加嚴(yán)重，因?yàn)楦蓴_器會(huì)影響受害者傳輸數(shù)據(jù)的能力。用戶可能會(huì)認(rèn)為屏蔽電纜，內(nèi)部或外部電纜屏蔽，可以減輕外來的串?dāng)_。屏蔽系統(tǒng)中屏蔽端接不良會(huì)引入外來串?dāng)_。

信號(hào)測試

四個(gè)信號(hào)測試參數(shù)如表3所示：

表 3：信號(hào)測試和說明

最關(guān)鍵的10GBase-T電纜信號(hào)參數(shù)是滿足軍事和高質(zhì)量工業(yè)應(yīng)用時(shí)的回波損耗（RL）和插入損耗（IL）?；夭〒p耗是局域網(wǎng)（LAN）的重要測試測量，尤其是那些遷移到更高速協(xié)議的局域網(wǎng)。

以太網(wǎng)沖擊和振動(dòng)鑒定

軍事和工業(yè)工具和設(shè)備必須在一些最惡劣的環(huán)境中可靠地運(yùn)行，從海洋深處到最炎熱的沙漠。除了惡劣的自然條件和設(shè)備密集型生產(chǎn)車間外，軍事和工業(yè)環(huán)境還必須承受炮火沖擊、運(yùn)輸振動(dòng)以及爆炸性和酸性環(huán)境。在這些環(huán)境中，沖擊和振動(dòng)的面貌似乎是不確定的。

廣泛使用的 MIL-STD-810 規(guī)范包括 《》 項(xiàng)環(huán)境測試的綜合集合，涉及振動(dòng)、沖擊、聲學(xué)噪聲、溫度、濕度、太陽輻射、沙子和灰塵。

振動(dòng)描述了機(jī)械系統(tǒng)的振蕩。振動(dòng)規(guī)格測量是頻率、每秒周期數(shù)以及振幅或幅度。在實(shí)踐中，振動(dòng)通常沒有規(guī)則的模式。振動(dòng)信號(hào)可以組合幾個(gè)正弦量，每個(gè)正弦量具有不同的頻率和振幅。

振動(dòng)的高級(jí)類別是“自由”或“強(qiáng)制”。在自由振動(dòng)中，結(jié)構(gòu)根據(jù)初始干擾而變化，并且不會(huì)向系統(tǒng)添加能量。強(qiáng)制振動(dòng)在“穩(wěn)態(tài)”條件下繼續(xù)振蕩。

沖擊的定義大致是振動(dòng)的一個(gè)方面。沖擊能量可以是非周期性脈沖、階躍或瞬態(tài)振動(dòng)，沖擊表明突發(fā)性和嚴(yán)重程度。其本質(zhì)特征是，在沖擊之后，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)包括沖擊激勵(lì)的頻率和系統(tǒng)的固有頻率。通過短暫的激勵(lì)，系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)是其固有頻率的自由振動(dòng)質(zhì)量。

雖然 RJ45 連接器可以符合所有 10GBase-T 電纜電氣一致性測試，但 MIL-STD-810 沖擊和振動(dòng)測試合規(guī)性超出了此連接器的能力。

以太網(wǎng)連接器技術(shù)

軍用和工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)將通信通道編織在一起。電纜和連接器的完整性決定了 10GBase-T 系統(tǒng)的可用性。

這些系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是連接器和電纜。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接器是 RJ45（圖 4）。

圖 4：RJ45 連接器無法承受沖擊和振動(dòng)環(huán)境，但 Micro-D 連接器使用耐用的扭針觸點(diǎn)來克服嚴(yán)格的 MIL-STD-810 沖擊和振動(dòng)測試合規(guī)性。

低成本、小型 RJ45 連接器成功滿足 10GBase-T 以太網(wǎng)連接的電氣要求，但不符合軍用 MIL-STD-810 沖擊和振動(dòng)測試合規(guī)性。38999 連接器通過將 RJ45 連接器封裝在堅(jiān)固的外殼中，有效地解決了沖擊和振動(dòng)問題。然而，由于這種沖擊和振動(dòng)解決方案既大又昂貴，因此正在研究更小、更具成本效益的解決方案。連接器，如Cinch的micro-D，已經(jīng)可以滿足沖擊和振動(dòng)要求，正在評估它們是否可以設(shè)計(jì)為滿足Cat 10電纜的6GBase-T要求（圖4）。

10GBase-T 的惡劣環(huán)境注意事項(xiàng)

軍事和高質(zhì)量的工業(yè)和通信系統(tǒng)正在使用高速以太網(wǎng)10GBase-T連接器和電纜組合，在惡劣的環(huán)境中傳輸寬帶信號(hào)。高速以太網(wǎng)連接器必須能夠保持傳輸完整性，并能夠根據(jù)MIL-STD-810標(biāo)準(zhǔn)承受沖擊和振動(dòng)環(huán)境。電氣合規(guī)性挑戰(zhàn)很容易通過現(xiàn)有技術(shù)解決。然而，沖擊和振動(dòng)一致性測試需要設(shè)計(jì)師的額外關(guān)注，因?yàn)樗铝τ跍p小連接器尺寸和成本。如今，RJ45 連接器的可行替代方案是采用大尺寸、成本更高的 38999 連接器。

審核編輯：郭婷