自 20 世纪 90 年代双绞线铜缆开始支持数据传输以来，其本身及其内部组件的设计和制造始终致力于确保已安装的电路能够支持信号传输，从而达到规定的数据速率。尽管过去三十年发生了许多变化——包括安装实践的改进、测试已安装系统性能特征的能力，以及除了数据传输之外还考虑支持电力传输——但双绞线电缆设计和制造工艺的优化始终未变。
如今，要确保铜缆布线系统能够稳定支持预期的应用需求，安装人员与布线系统所有者必须综合关注多个关键因素：包括产品的设计与制造质量、规范的安装实践，以及已安装系统电气性能的准确评估与测试。本文将系统回顾铜缆布线系统在应用保障方面的发展历程，并探讨其当前趋势与技术重点。
10 Mbit/秒的10Base-T以太网是最早与双绞线“联姻”的网络应用之一。这种关联很可能就是双绞线获得“以太网电缆”绰号的原因，这个名称在30多年后依然沿用。3类电缆支持10Base-T以太网。当以太网速度提升十倍至100Base-T，同时工作波长也从最大约16 MHz增加到接近100 MHz时，人们发现3类电缆不足以支持更高的数据速率。
将 100 MHz 以上的以太网信号传输到最远 100 米的距离，会给支撑双绞线电缆带来前所未有的压力。解决方案是将电缆内的线对绞合得更紧密，以便导体能够成功传输高频信号。导体对绞合的平衡使得该线对能够传输 100 MHz 信号，同时最大程度地减少衰减或串扰造成的信号衰减。在 4 对电缆中，每对线的绞合率略有不同，以减少线对之间的串扰。
此外，用作 5 类电缆导体材料的铜通常比 3 类导体中使用的铜质量更高。
20世纪90年代中期，随着100Base-T标准的推出以及五类布线在市场上的显著份额，布线行业开始重视验证已安装布线系统的性能，以确保其能够支持预期应用。经过多年的技术研究和实验，最终促成了美国电信行业协会（TIA）《电信系统公告TSB-67：非屏蔽双绞线布线系统现场测试的传输性能规范》的发布。TSB-67是已安装布线系统现场认证/验证/鉴定重要流程的开创性文件。
速度提升
当以太网实现其下一个十倍速度提升（从 100 Mbits/秒到 1000 Mbits/秒或 1 Gbit/秒）时，IEEE 成功实现了在不增加频率范围的情况下实现这一目标。1000Base-T 的最高工作频率为 100 MHz。这一成就背后的工程原理超出了本文的讨论范围，但简而言之，1000Base-T 通过四对全双工传输运行，这意味着每对线同时发送和接收数据。简而言之，1000Base-T 全双工收发器内置的复杂调制技术给 5 类布线系统带来了前所未有的压力。
尽管 IEEE 打算开发 1000Base-T 在已安装的 5 类电缆上运行，但现场测试表明并非所有 5 类系统都能胜任这项任务。TIA 文件再次解决了这个问题。TSB-95《4 对 100 欧姆 5 类电缆附加传输性能指南》确定了电气性能特性以及这些特性的可接受限值，以确定 5 类电路是否能够支持 1000Base-T。
对于 100Base-T 性能，5 类链路必须达到某些电气特性，而这些特性在开发原始 5 类测试参数时并未考虑在内。5 类测试套件包括线路图、长度、衰减（损耗）和近端串扰，而 TSB-95 则规定了延迟偏差、回波损耗、等电平远端串扰 (ELFEXT) 和功率总和等电平远端串扰 (PSELFEXT)。
在IEEE制定1000Base-T标准期间，该标准制定组织与TIA保持着密切的联络关系，不仅参与了TSB-95内容的制定，还帮助TIA建立了全新的双绞线类别——5e类。“e”代表“增强型”，因为5e类布线比5类布线具有更优异的电气性能特性，并包含5类规范中未包含的参数。
聚焦工艺
在对已安装的 5 类线进行 1000Base-T 支持适用性测试时，我们发现一个现实情况是，安装工艺对链路性能影响很大，而工艺水平并非总是一流的。其中一个问题就是端接点处的线对解扭。由于紧密、均衡的导线绞合能够实现更高的性能，因此安装人员在端接点处解扭每对线对的程度对于维持或降低性能起着重要作用。解扭程度越小，性能越好。5e 类标准要求安装人员在电缆护套和端接点之间解扭的导线对长度不得超过 0.5 英寸。
在 5e 类标准中，业界不仅获得了一套布线系统的性能规范，而且还获得了一些安装要求（例如 0.5 英寸线对解扭），以及一组密切相关的测试参数，以确保安装的系统符合规定的规格。
5e类是第三种与以太网应用紧密相关的双绞线性能类型（继用于10Base-T的3类和用于100Base-T的5类之后）。自5e类和1000Base-T最终确定以来，布线性能类别和网络应用的双重路径就不再像以前那样紧密相关。它们各自的路径时而分道扬镳，时而交叉。
尽管如此，在最终发展至1000Base-T的过程中，还是确立了三重奏。这三重奏是：1) 为实现某些性能特征而进行优化设计和制造的电缆；2) 与电缆安装相关的工艺问题；3) 评估已安装布线系统支持预期应用能力的测试参数。
让我们看几个例子，看看这三重奏在过去的几十年里是如何保持下去的。
2002年，TIA发布了六类布线标准。六类布线的最大频率为250MHz，其开发并非与以太网或任何其他数据传输应用的特定速度同步。它作为超五类的升级版进入市场，在电气性能参数方面比超五类提供了更大的空间（更佳的性能），并将正衰减串扰比 (ACR) 提高到接近250MHz，这使得六类布线能够支持该频率范围内尚未开发的应用。
TIA发布六类布线标准的同一年，IEEE最终确定了光纤10Gb以太网标准(IEEE 802.3ae)。虽然2002年时，10Gb铜缆传输在IEEE工程师眼中还只是昙花一现，但如果六类布线的工作频率被定义为高达250MHz，它最终将能够支持该应用。
6 类和 5e 类之间一个显著的区别是，6 类的铜导体通常为 23 AWG，比 5e 类导体的 24 AWG 更大。从电气角度来看，导体越粗，电阻就越小。对于 6 类线缆而言，导体越粗，抗噪能力就越强，信号损耗越小，数据速率就越高，带宽（工作频率）也就越宽。6 类线缆的 23 AWG 导体是其带宽达到 250 MHz 的重要原因。
PoE
2003年，IEEE最终确定了以太网供电 (PoE) 标准，即IEEE 802.3af。尽管这项技术通常被称为“以太网供电”，但实际上，直流 (DC) 电源并非通过以太网数据包或帧传输，而是通过同时支持直流电源和数据传输的双绞线电缆传输。由于现场部署了大量 5e 类线缆和一些 6 类线缆，PoE 的早期采用者能够获得支持该应用的强大布线基础设施。
PoE 的后续版本增加了供电设备 (PSE) 的传输功率和受电设备 (PD) 的接收功率。最初的 802.3af 规范规定，PSE 的功率最高可达 15.4 瓦，PD 的功率最高可达 13 瓦。在 2009 年发布的 802.3at 规范中，PoE 技术规定 PSE 的功率最高可达 30 瓦，PD 的功率最高可达 25.5 瓦。而 2018 年发布的 802.3bt 规范则规定 PSE 的功率最高可达 90 瓦，PD 的功率最高可达 73.3 瓦。
第二代和第三代 PoE 对双绞线电缆的电气性能提出了更高的要求，而数据传输，甚至第一代 PoE 都未提出这样的要求。随着 PoE 的发展，某些版本的技术将电流传输到电缆的所有四对线对，而不仅仅是两对线对。此外，PoE 采用共模电压，而数据信号则以差分模式工作。这意味着，部署 PoE 时，一对线对中的两根导线要么接收正电压，要么接收负电压。相比之下，部署数据时，一对线对中的一根导线接收正电压，另一根导线接收负电压。
线缆缺陷（例如设计或制造缺陷）或端接工艺缺陷都可能导致线缆出现直流电阻不平衡。铜导体尺寸较大的线缆比导体尺寸较小的线缆具有更好的直流电阻不平衡性能，因此通常情况下，导体尺寸越大，线缆支持 PoE 的能力就越强。当 PoE 应用于直流电阻不平衡性能较差的线缆时，电流在导体之间分配不均，导致线缆、PSE 和 PD 过热。
可以采取多种措施来避免直流电阻不平衡或减轻其影响。安装人员可以使用性能更好的电缆，并正确端接这些电缆作为预防措施。他们还可以限制线束中的电缆数量，以避免产生过热的可能性。
甚至在 IEEE 802.3bt 标准（通常称为“PoE Plus Plus”）发布之前，实验室对电缆束内发热情况的检测最终促成了 2017 年美国国家电气规范 (NEC) 中关于根据电缆铜导体尺寸限制每束电缆数量的规定。这些要求适用于任何未达到“LP”等级的双绞线电缆。LP 代表“有限功率”，表示电缆能够支持 PoE 供电，且不会出现过高温升（即温升极小且无关紧要）。多家双绞线铜缆制造商均提供 LP 等级的电缆。
专用电缆
虽然 LP 级线缆是安装人员和最终用户的选择，但许多双绞线线缆制造商也提供非 LP 级线缆，但其设计和制造也支持 PoE 应用。通常，这些线缆的导体直径更大（最大可达 22 AWG），导体可以是实心铜线而非绞合铜线，以获得更好的电阻性能，并且线缆的耐热等级更高，这意味着它们可以在高温环境下正常工作。其中一些线缆采用屏蔽而非非屏蔽设计，以最大限度地减少干扰。
直流电阻不平衡性能会影响电缆对 PoE 的充分支持能力，这一发现催生了对在已安装链路中验证该性能的方法的需求。这一需求促使多家测试设备制造商致力于开发新的功能或工具，或向用户介绍其现有产品的功能，以便测试与 PoE 支持相关的链路参数。
如今，多家测试设备制造商提供验证工具，用于测试布线链路与 PoE 相关的性能参数。其中一些测试仪的名称中带有“PoE”字样。其中一些测试仪还可用作 PoE PSE 模拟器，不仅可以帮助用户了解布线对 PoE 传输的响应，还可以了解 PD 接收 PoE 直流电的准备情况。
在PoE从引入到第三代标准的十五年时间里，双绞线类别和以太网速度发展也经历了双重演变。6A类（TIA标准，发布于2009年）和10GBase-T（IEEE标准，发布于2006年）的匹配方式与5e类和1000Base-T的匹配方式大致相同。
按照IEEE的惯例，以太网标准开发小组竭尽全力定义10GBase-T，以便它能够在现有的双绞线铜缆上运行。在10GBase-T开发之初，6类是市场上性能最高的双绞线。6类支持10GBase-T的能力让人想起5类支持1000Base-T的能力。这一次，工艺问题不再是主要问题，而是电缆本身的物理限制，以及电缆的设计和制造工艺。
测试流程与安装实践的转变
10GBase-T 采用全双工四对线传输，最高频率可达 500 MHz。这种传输方案除了会强调一系列内部电气性能特征外，还会引起称为外部串扰的现象，即一条电缆产生的噪声会对相邻的电缆产生不利影响。
测试表明，设计、制造和安装精良的六类线缆可以支持 10GBase-T，传输距离可达 37 至 55 米。TIA 制定并发布了 TSB-155 标准，其中描述了测试六类线缆支持 10GBase-T 能力的程序。功率和外部串扰 (PS-AXT) 测试要求测试技术人员识别受干扰或“受干扰”的线缆，并在链路远端使用模拟干扰源的设备对其进行测试。这些干扰源模拟器插入远端的多个端口，以模拟多条线缆的外部串扰对被测线缆的综合影响。
此测试流程与技术人员在测试双绞线电缆时习惯的“只需按下按钮即可自动测试”程序截然不同，这与前几代规范相比也发生了显著变化。除了测试流程中这些额外的步骤外，随着10GBase-T和外部串扰的出现，电缆安装实践也发生了变化。电缆捆绑受到了特别的严格审查，安装人员被要求将电缆松散地铺设在托盘等支撑设备中。多年来，紧密捆绑的程序为专业安装的布线系统提供了直观的视觉呈现，但现在却大大增加了电缆间外部串扰的风险。
6A类线缆额定频率为500 MHz，通常包含23 AWG导体，性能优于6类线缆，并且其结构设计最大程度地降低了外部串扰的可能性。6A类线缆除了是10GBase-T的优化支持技术外，还因支持PoE而广受欢迎。较大线径的导体是6A类线缆支持高功率PoE的主要优势，但其能够支持10GBase-T至100米的完整信道，使其成为未来网络中升级到更高速度、更大PoE功率输出或两者兼具的介质。
速度放慢，能力提升
2016年，IEEE发布了802.3bz规范，定义了2.5 Gbit/秒和5 Gbit/秒的数据传输。与传统的十倍速度提升（10 Mbit/秒到100 Mbit，到1 Gbit，到10 Gbit）不同，2.5GBase-T和5GBase-T的开发至少在一定程度上是为了为高速无线局域网传输提供一种“回程”支持。
到2016年这些标准发布时，5e类和6类线缆的安装基础已经非常庞大，传统观点认为2.5G可以在5e类或6类上运行，而5G可以在6类上运行。虽然这可能是真的，但历史再次重演，对安装基础的审查显示，有些线缆能够胜任这项任务，而有些则不能。
在这项技术推出之际，测试设备制造商提供了各种仪器来进行“速度测试”，以确定布线系统支持特定传输速度的能力。这些类型的测试，结合关键电气性能特征的参数测量，可以为布线系统所有者提供一定程度的保障。尤其对于 2.5G 和 5GBase-T，外部有限信噪比 (ALSNR) 这一性能指标尤为重要。大量的现场和实验室测试表明，5e 类和 6 类布线在某些情况下可以分别支持 2.5G 和 5GBase-T，但 6A 类布线可提供最高的应用保障，同时将故障风险降至最低。
传输更远
如今，双绞线铜缆的性能提升，与其说是因为新的更高传输速度或更高直流功率的出现，不如说是因为更长的传输距离。几十年来，网络设计师的最佳实践是，任何超过 100 米的链路长度都应采用光纤电缆，而不是双绞线铜缆。实际上，100 米是双绞线的最大传输距离。
100米的限制是由TIA布线标准中的定义和规范规定的，不一定是由电缆或连接的物理或电气限制决定的。过去几年中，一些双绞线电缆制造商推出了支持超过100米数据传输和/或PoE传输的产品。由于TIA标准规定的100米距离限制，这些电缆从定义上来说属于非标准产品。但作为全球用户在实际应用中面临的现场连接挑战的实用解决方案，这些电缆是可行的产品，与部署其他介质类型或PoE扩展器等产品相比，可以显著节省经济成本。
再次强调，电缆内部的组件（尤其是导体）至关重要。一些最新推出的传输距离超过 100 米的电缆采用了 21-AWG 导体，这进一步提高了电缆的直流电阻性能，从而提高了其远距离传输能力。
测试设备供应商已与多家此类电缆供应商合作，导入制造商各自产品的专有规格。导入这些规格后，测试设备用户可以选择电缆品牌并运行测试，以验证已安装电缆在指定距离下的性能指标。
在许多情况下，除了在端接过程中使用大于典型值的导体外，这些电缆的安装也是其他双绞线电缆类型的典型特征。
自双绞线电缆成为 10 Mbit/秒以太网传输的赋能技术以来，数十年来，此类电缆的供应商不断推动其发展，如今，这些电缆能够同时传输数据和直流电，跨越曾经被认为无法企及的距离。在整个过程中，电缆设计和制造、安装技术以及性能验证能力这三项要素，对于为网络所有者提供保障和安心至关重要。
本文作者：Patrick McLaughlin
来源：cablinginstall
免责声明：本网站内容主要来自原创、合作伙伴供稿和第三方自媒体作者投稿，凡在本网站出现的信息，均仅供参考。本网站将尽力确保所提供信息的准确性及可靠性，但不保证有关资料的准确性及可靠性，读者在使用前请进一步核实，并对任何自主决定的行为负责。本网站对有关资料所引致的错误、不确或遗漏，概不负任何法律责任。任何单位或个人认为本网站中的网页或链接内容可能涉嫌侵犯其知识产权或存在不实内容时，应及时向本网站提出书面权利通知或不实情况说明，并提供身份证明、权属证明及详细侵权或不实情况证明。本网站在收到上述法律文件后，将会依法尽快联系相关文章源头核实，沟通删除相关内容或断开相关链接。
