10GBase-T合规性和恶劣环境的影响

在军事、航空航天和高质量的工业和通信系统中，高速以太网连接器和电缆组合在调制解调器、路由器、计算机和其他有线互联网设备之间的恶劣环境中传输宽带信号。在这些恶劣的环境中，高速、高质量的以太网连接器必须能够保持传输完整性和承受冲击和振动环境。本文探讨了所需的以太网10GBase-T电气和冲击与振动测试，然后提出了适用于此环境的标准RJ45解决方案以及未来可能的替代方案。

什么是 6a 类布线？

6a 类或 Cat 6a 是千兆以太网布线的最新版本。Cat 6a 将数据传输带宽从 250 兆赫兹增加到 500 兆赫兹 （MHz），减少了串扰干扰机会，并通过更长的电缆提供了卓越的可靠性和传输速度。Cat 6a 10-Gb 以太网是 6 类（Cat 6）的增强标准，向后兼容较旧的 5/5e 类电缆标准。

 

电缆类型	带宽	100米处最大速度
第5类	100兆赫	1兆字节
第5类	100兆赫	2.5兆升频
第6类	250兆赫	5兆字节
第6a类	500兆赫	10兆字节

 

表 1：5/5e 类和 6/6a 类电缆带宽与电缆长度达 100m 时最大数据速率的比较

以太网电气测试认证

10G 以太网的传输速率不是每个周期 10 比特或每秒 10 千兆位 （Gbps）。以这些速度每周期发送一位会产生信号完整性问题，需要昂贵的高速连接器，并限制传输路径的长度。为了在避免这些问题的同时实现高比特率，《》G 以太网采用调制技术，以较低频率每周期传输多位信息（波特）。波特是通信介质运行的符号速率。

波特符号可以包含多个位。多位符号允许在较低频率下实现更高的吞吐量。10G 以太网采用 16 级脉冲幅度调制 （PAM16） 双平方 （DSQ） 编码，每个符号 3 位。符号通过四对双绞线以 833Mbaud 传输，总比特率为 10 Gbps。

公式 1 显示比特率转换。比特率 = 833.3 Mbaud * 3 位/波特 * 4（对）= 10 Gbps。

以太网电气测试环境是通过输入和输出连接器以及连接电缆（见图1）。

图 1：带 RJ6 端部连接器的 Cat 45a 非屏蔽双绞线 （UTP） 以太网电缆

10GBase-T 电缆一致性测试配置根据电缆的 6a 类电缆合规性标准 （ANSI/TIA/EIA-568-B.2） 评估性能。测试结果确定现有的屏蔽 （STP） 和非屏蔽 （UTP） 双绞线电缆和连接器配置是否符合电气标准。

电气以太网测试

两种布线版本是 STP（屏蔽双绞线）和 UTP（非屏蔽双绞线），其中 STP 电缆中的双绞线都是屏蔽的（图 2）。

图 2：屏蔽 （STP） 和非屏蔽 （UTP） 电缆的横截面

十二个测试参数中的两类是串扰和信号。电缆上双绞线对之间耦合的串扰参数测试和信号参数测试每根电缆线的电气完整性。如果测试的参数不符合 10GBase–T Cat 6a 要求，您的系统将危及网络。这些测试及其缩写列于表2中。

 

类别	测试	缩写
串音	近端串扰	下一个
	远端串扰	FEXT
	近端串扰的功率总和	PS 下一页
	衰减与串扰比 - 接近末端	ACR-N
	衰减与串扰比 - 远端	ACR-F
	功率总和衰减与串扰比 - 接近末端	PS ACR-N
	功率总和衰减与串扰比 - 远端	PS ACR-F
信号	回波损耗	RL
	插入损耗	伊利诺伊州
	传播延迟	帕金森
	传播延迟偏差	PDS

 

标准测试仪可用于评估是否符合以太网 10GBase-T 电缆要求，包括福禄克网络 DSX-500 和 DSX-8000 电缆分析仪。

串扰测试

在传输系统中，串扰是指一个电路或通道的传输信号在另一个电路或通道中产生不良影响。串扰通常是从一个电路或通道到另一个电路或通道的不需要的电容、电感或导电耦合的结果。

最关键的 10GBase-T 以太网电缆/连接器串扰测试参数是 NEXT 或近端串扰。NEXT 是最重要的电缆测量之一，因为它测量连接器的一对电线到电缆末端最近（近端）上相邻一对的耦合信号干扰（图 3）。

以太网的双绞线电缆有四对电线。这些导线相互扭曲，以减少串扰和外部干扰。当前的 LAN 通常使用这种类型的电缆。

图3.10GBase-T 互联网系统，带有连接器近端 （NEXT）、远端 （FEXT） 和外来串扰 （AXT） 干扰源的图示

NEXT测试测量干扰对和受害对之间的信号强度差异。更显著的数字（较少的串扰）比较小的数字（更多的串扰）更可取。由于NEXT随频率变化很大，因此必须在适用的频率范围内对其进行测量。Cat 6a 的特性高达 500 MHz。

FEXT、PS NEXT、ACRN、ACRF、PSACRN 和 PSACRF 是次要串扰参数。远端串扰（FEXT）的测量也在通道内进行。它类似于 NEXT，但测量点位于通道的远端。然而，FEXT并不是完整的故事，因为距离会衰减信号。更重要的结果从FEXT结果中消除衰减（插入损耗），以创建衰减串扰比参数（ACRF）。

最后，外来串扰（AXT）成为以太网类别6A 10GBASE-T应用中的一个问题。一旦应用转移到更高的频率（这在以太网类别 6A 10GBASE-T 应用中有效），就会担心电缆到电缆串扰。

外来串扰是将噪声从一根电缆耦合到另一根电缆的术语。当一束多根电缆包围或干扰单根电缆时，会发生此串扰错误。围绕束中单个电缆的电缆是干扰器。受到干扰器噪音影响的电缆是受害电缆。

随着更快的应用增加电缆的带宽要求，这种干扰变得更加严重，因为干扰器会影响受害者传输数据的能力。用户可能会认为屏蔽电缆，内部或外部电缆屏蔽，可以减轻外来的串扰。屏蔽系统中屏蔽端接不良会引入外来串扰。

信号测试

四个信号测试参数如表3所示：

 

测试	名字	描述
RL	回波损耗	以分贝 （dB） 表示的测量值，用于测量所有位置以及链路上的所有阻抗失配反射。
IL	插入损耗	信号到达接收端时损失的能量损失量（以分贝 （dB） 为单位）量化了布线链路电阻效应。
PD	传播延迟	信号从电路的一端传播到另一端所需的时间。
PDS	传播延迟偏差	非屏蔽双绞线 （UTP） 电缆中最快和最慢对上的传播延迟之间的差异

 

表 3：信号测试和说明

最关键的10GBase-T电缆信号参数是满足军事和高质量工业应用时的回波损耗（RL）和插入损耗（IL）。回波损耗是局域网（LAN）的重要测试测量，尤其是那些迁移到更高速协议的局域网。

以太网冲击和振动鉴定

军事和工业工具和设备必须在一些最恶劣的环境中可靠地运行，从海洋深处到最炎热的沙漠。除了恶劣的自然条件和设备密集型生产车间外，军事和工业环境还必须承受炮火冲击、运输振动以及爆炸性和酸性环境。在这些环境中，冲击和振动的面貌似乎是不确定的。

广泛使用的 MIL-STD-810 规范包括 《》 项环境测试的综合集合，涉及振动、冲击、声学噪声、温度、湿度、太阳辐射、沙子和灰尘。

振动描述了机械系统的振荡。振动规格测量是频率、每秒周期数以及振幅或幅度。在实践中，振动通常没有规则的模式。振动信号可以组合几个正弦量，每个正弦量具有不同的频率和振幅。

振动的高级类别是“自由”或“强制”。在自由振动中，结构根据初始干扰而变化，并且不会向系统添加能量。强制振动在“稳态”条件下继续振荡。

冲击的定义大致是振动的一个方面。冲击能量可以是非周期性脉冲、阶跃或瞬态振动，冲击表明突发性和严重程度。其本质特征是，在冲击之后，系统的运动包括冲击激励的频率和系统的固有频率。通过短暂的激励，系统的连续运动是其固有频率的自由振动质量。

虽然 RJ45 连接器可以符合所有 10GBase-T 电缆电气一致性测试，但 MIL-STD-810 冲击和振动测试合规性超出了此连接器的能力。

以太网连接器技术

军用和工业以太网系统将通信通道编织在一起。电缆和连接器的完整性决定了 10GBase-T 系统的可用性。

这些系统中的关键环节是连接器和电缆。标准以太网连接器是 RJ45（图 4）。

图 4：RJ45 连接器无法承受冲击和振动环境，但 Micro-D 连接器使用耐用的扭针触点来克服严格的 MIL-STD-810 冲击和振动测试合规性。

低成本、小型 RJ45 连接器成功满足 10GBase-T 以太网连接的电气要求，但不符合军用 MIL-STD-810 冲击和振动测试合规性。38999 连接器通过将 RJ45 连接器封装在坚固的外壳中，有效地解决了冲击和振动问题。然而，由于这种冲击和振动解决方案既大又昂贵，因此正在研究更小、更具成本效益的解决方案。连接器，如Cinch的micro-D，已经可以满足冲击和振动要求，正在评估它们是否可以设计为满足Cat 10电缆的6GBase-T要求（图4）。

10GBase-T 的恶劣环境注意事项

军事和高质量的工业和通信系统正在使用高速以太网10GBase-T连接器和电缆组合，在恶劣的环境中传输宽带信号。高速以太网连接器必须能够保持传输完整性，并能够根据MIL-STD-810标准承受冲击和振动环境。电气合规性挑战很容易通过现有技术解决。然而，冲击和振动一致性测试需要设计师的额外关注，因为他致力于减小连接器尺寸和成本。如今，RJ45 连接器的可行替代方案是采用大尺寸、成本更高的 38999 连接器。

审核编辑：郭婷