雙絞線電纜高速通信概覽

　　我們從19世紀(jì)下半葉就開(kāi)始安裝和使用雙絞線電纜。進(jìn)入21世紀(jì)，雙絞線電纜仍廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)通信。雙絞線電纜(見(jiàn)圖1)通常被作為電話線來(lái)使用，包括為數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的家庭提供高速互聯(lián)網(wǎng)連接的DSL服務(wù)。雙絞線電纜還用于以太網(wǎng)連接以及電視機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器等設(shè)備的HDMI和DVI連接。雖然雙絞線電纜在日常生活中隨處可見(jiàn)，但是對(duì)這種電纜的屬性進(jìn)行深入分析的文章卻寥寥無(wú)幾。

　　我們可以看到有大量資料在討論同軸電纜、PCB跡線。雖然雙絞線得以廣泛運(yùn)用，但闡述雙絞線在各種情況中應(yīng)用的資料卻不多見(jiàn)。筆者在研究中發(fā)現(xiàn)缺乏雙絞線電纜分析的原因是這種分析將很快陷入復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題。在分析同軸電纜或PCB布局時(shí)，可以使用二維分析獲得良好的電纜行為模型，但雙絞線電纜本質(zhì)上是三維結(jié)構(gòu)—如果沒(méi)有這第三維，那么雙絞線和非雙絞線就沒(méi)有什么區(qū)別了。因此，本文旨在為設(shè)計(jì)人員提供雙絞線電纜高速通信的概覽，并識(shí)別從A點(diǎn)到B點(diǎn)獲得高速數(shù)據(jù)可能遇到的問(wèn)題。

　　雙絞線電纜的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是它允許信號(hào)在對(duì)稱線對(duì)中發(fā)送，信號(hào)不是接地，而是接入雙絞線電纜的對(duì)側(cè)。在對(duì)稱線對(duì)中，如果有干擾磁場(chǎng)或電場(chǎng)，它們將均勻接入雙絞線對(duì)的兩根線。由于接收器能識(shí)別雙絞線對(duì)中兩根線間的差異，因此干擾的影響被降低。由于對(duì)干擾的相對(duì)不敏感性，可以使用較小信號(hào)擺幅的差分信號(hào)，在相似環(huán)境中比單端系統(tǒng)省電。

　　差分電纜中的信號(hào)損耗

　　雖然在確定雙絞線衰減特征中涉及的數(shù)學(xué)問(wèn)題比同軸電纜復(fù)雜得多，但最終結(jié)果卻是相似的—有三種損耗機(jī)制：

　　● 電阻性損耗：由電纜的電阻引起。這種影響與頻率無(wú)關(guān)，而且非常小。在大多數(shù)情況下，這稱不上影響因素。發(fā)送超低速數(shù)據(jù)信號(hào)或通過(guò)長(zhǎng)距離電纜傳送電力時(shí)，需要考慮這個(gè)因素。

　　● 趨膚效應(yīng)損耗：其中，衰減根據(jù)頻率平方根的函數(shù)增加。這種效應(yīng)變?yōu)橹饕乃p形式并不需要很高的頻率，因此對(duì)大多數(shù)有用的雙絞線電纜應(yīng)用，這是主要的損耗來(lái)源。關(guān)于趨膚效應(yīng)損耗的更詳細(xì)描述，請(qǐng)參閱www.en-genius.net/includes/files/iot_011209.pdf《優(yōu)異的電纜均衡器對(duì)工程師大有益處》。

　　● 介電損耗：隨頻率線性增加，但起初影響很低。

　　如果從數(shù)據(jù)傳輸速率角度考慮信號(hào)，在超低速率時(shí)，主要的衰減形式是電阻性損耗，但速率稍有增加，集膚效應(yīng)損耗將起主導(dǎo)作用。一旦數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到1Gbps或2Gbps，介電損耗開(kāi)始發(fā)揮作用，并迅速占據(jù)主導(dǎo)地位。由于介電損耗與數(shù)據(jù)傳輸速率和電纜長(zhǎng)度成正比，一旦發(fā)生介電損耗，情況將迅速變?cè)?，這就是可以使用電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率的上限。