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双绞线电缆高速通信概览

—— An Overview of High-Speed Communications over Twisted Pair Cables
作者:Mark Sauerwald 美国国家半导体MTS应用工程师时间:2010-03-02来源:电子产品世界

  我们从19世纪下半叶就开始安装和使用电缆。进入21世纪,电缆仍广泛应用于高速电缆(见图1)通常被作为电话线来使用,包括为数以百万计的家庭提供高速互联网连接的DSL服务。双绞线电缆还用于以太网连接以及电视机、计算机显示器等设备的HDMI和DVI连接。虽然双绞线电缆在日常生活中随处可见,但是对这种电缆的属性进行深入分析的文章却寥寥无几。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/106444.htm

  我们可以看到有大量资料在讨论同轴电缆、PCB迹线。虽然双绞线得以广泛运用,但阐述双绞线在各种情况中应用的资料却不多见。笔者在研究中发现缺乏双绞线电缆分析的原因是这种分析将很快陷入复杂的数学问题。在分析同轴电缆或PCB布局时,可以使用二维分析获得良好的电缆行为模型,但双绞线电缆本质上是三维结构—如果没有这第三维,那么双绞线和非双绞线就没有什么区别了。因此,本文旨在为设计人员提供双绞线电缆高速通信的概览,并识别从A点到B点获得高速数据可能遇到的问题。

  双绞线电缆的一个最大优点是它允许在对称线对中发送,不是接地,而是接入双绞线电缆的对侧。在对称线对中,如果有干扰磁场或电场,它们将均匀接入双绞线对的两根线。由于接收器能识别双绞线对中两根线间的差异,因此干扰的影响被降低。由于对干扰的相对不敏感性,可以使用较小摆幅的差分信号,在相似环境中比单端系统省电。

  差分电缆中的信号损耗

  虽然在确定双绞线衰减特征中涉及的数学问题比同轴电缆复杂得多,但最终结果却是相似的—有三种损耗机制:

  ● 电阻性损耗:由电缆的电阻引起。这种影响与频率无关,而且非常小。在大多数情况下,这称不上影响因素。发送超低速数据信号或通过长距离电缆传送电力时,需要考虑这个因素。

  ● 趋肤效应损耗:其中,衰减根据频率平方根的函数增加。这种效应变为主要的衰减形式并不需要很高的频率,因此对大多数有用的双绞线电缆应用,这是主要的损耗来源。关于趋肤效应损耗的更详细描述,请参阅www.en-genius.net/includes/files/iot_011209.pdf《优异的电缆均衡器对工程师大有益处》。

  ● 介电损耗:随频率线性增加,但起初影响很低。

  如果从数据传输速率角度考虑信号,在超低速率时,主要的衰减形式是电阻性损耗,但速率稍有增加,集肤效应损耗将起主导作用。一旦数据传输速率达到1Gbps或2Gbps,介电损耗开始发挥作用,并迅速占据主导地位。由于介电损耗与数据传输速率和电缆长度成正比,一旦发生介电损耗,情况将迅速变糟,这就是可以使用电缆的数据传输速率的上限。


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