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数字通信电缆国际标准的进展 - 无图版
绿野仙踪 --- 2007-06-22 14:51:40
1
徐乃英
(信息产业部电信科学技术第一研究所 上海 200233)
摘 要：介绍国际电工委员会(IEC)在数字通信电缆标准工作方面的最新进展。参考这些进展和我国在数字通信电缆方面的现状，对我国数字通信电缆标准的制订与修订工作提出一些意见，供有关方面参考。
关键词： 5类、5e类、6类、7类数字通信电缆 电气特性 传输特性
1 概 述
随着数字通信的发展，从上个世纪的90年代开始应用对称电缆来传输高速数字信号，为了适应数字速率的逐步提高，电缆的传输频带也日益展宽。到90年代中期已提高到100 MHz。各个国家与地区的标准化组织纷纷制订这种电缆的标准。IEC于1995年制订了数字通信电缆的第一个国际标准。表1列出到1995年底为止几个较有权威性的标准。
*笔者注：这些标准都带有空白详细标准，例如61156-2带有空白详细标准61156-2-1。这些空白详细标准只给出标准的格式与项目，没有具体数据。
IEC于2001年又对有关标准进行修订补充，对标准的草案继续进行了修订。而美国的TIA/EIA-568-A在进行了5次修补补充(TIA/EIA-568-A-1～TIA/EIA-568-A-5)后，终于发布了TIA/EIA-568-B，用以取代了TIA/E IA-568-A。由于标准的更新很快，本文主要根据2000年的标准更新及部分2001年的更新内容进行介绍。2001年有关标准更新的主要题目见附录：“参考信息—2001年中7月止IEC61156及TIA/EIA568的主要更新”。
从表2可知，IEC于2000年颁布的新版本只是把原有版本与2000年以前的各个增补融合在一起。人们一直盼望的频率到100 MHz以上的电缆(5e类、6类、7类等)，以及一些传输参数的定义和试验方法，并未包括进去。IEC于2000年4月另行颁布了一个新的标准草案IEC 61156-5，这个标准是关于频率到600 MHz的数字通信对称电缆。2001年4月又颁布了IEC 61156-1的增补2。这个增补修改与补充了一些重要传输参数的定义和试验方法。这个增补澄清了各个2000年Ed-1-1中仍然存在的一些问题。此外，IEC于2001年又颁布了IEC 61156-1-1、IEC 61156-2-2、IEC 61156-3-2、IEC 61156-4-2四个规范，它们都是“能力认证”(Capability Ap proval)，作为制造厂对有关电缆的生产能力的认证之用。
本文将在后面几节中简要介绍IEC 61156-1增补2和IEC 61156-5(草案，下同)中关于电缆结构和电气性能与传输性能方面的内容，并根据这些内容和国内在生产实践中所遇到的一些问题，对我国数字通信对称电缆标准提出参考意见。
2 传输参数定义的增补
IEC 61156-1增补2［1］修改与补充了下列诸定义：
(1)传播速度(相速度)(原2.1.5)
传播速度被定义为信号在电缆中传播的速度。传播速度用km/s来表示。传播速度也可以用速度比来表示 ，也就是在电缆中的传播速度与在自由空间中的电波的传播速度的比值。后面的速度应取作299 788 km/s。传播速度一般是从相角和角频率中决定的。传播速度(相速度)由下式给出：
式中：
f—频率(Hz)；
vp—相速度(m/s)；
β—相移常数(rad/m)；
ω—角频率(rad/s)。
笔者注：在增补2附录A(见本文第4节)的A4中再次提到相速度的含义。
(2)相位延迟(新增2.1.15)
相位延迟被定义为沿长度为L的电缆上的相速度的倒数。相位延迟由下式给出：
式中：
T—相位延迟(s)；
L—电缆长度(m)。
笔者注：在增补2附录A(见本文第4节)的附录A4中再次提到相位延迟的含义。其表达式为：
式中：
τ—电缆的相位延迟(s/m)；
β—相移常数(rad/m)；
ω—角频率(rad/s)。
实际上，τ就是1 m长的电缆上的T。
原2.1.13中的群传播延迟(group propagation delay)与这里的相位延迟差一样的，而在61156的各个部分标准中都未曾出现过群传播延迟，似可删去。
差分相位延迟(歪斜失真)被定义为在电缆内任何2对线之间相位延迟之差。差分相位延迟(
歪斜失真)被定义为：
式中：
下标p1—一对线；
p2—另一对线；
ΔT—差分相位延迟(歪斜失真)。
除了以上几个定义以外，回波损耗(RL)和结构回损(SRL)在试验方法中作了说明(见本文第3节)。
3 传输参数试验方法的增补
IEC 61156-1增补2［1］修改与补充了下列几个传输参数的试验方法：
(1)特性阻抗(原3.3.6)
比较详细地补充说明了特性阻抗的多种试验方法，规定了开路短路法为基准试验方法。下列5种方法为代用试验方法：
a)从传播常数电容测量确定的特性阻抗；
b)终接的电缆阻抗测量；
c)扣除平衡/不平衡变量器(balun)特性的开路短路法；
d)不用平衡/不平衡变量器(balun)开路/短路法测量；
e)用模式分解技术取得的阻抗测量。
以上5种代用试验方法分别详述于增补附录A的A4、A5、A6.1、A6.2和A6.3中。对于基准试验方法作了详细的说明，包括原理、试样制备、试验设备、步骤和要求。对特性阻抗数据的函数拟合作了具体的叙述。阐明了特性阻抗数据的函数拟合是为了把结构回损从特性阻抗中分离出去，或者是为了设计目的而要得到特性阻抗的频率函数关系。函数拟合的具体方法与ASTM D 4566［3］44条的规定基本一致。在美国TIA/EIA568A中也规定采用这种方法。这样，就明文消除了两个标准之间的差别［4］。
(2)回损(RL)和结构回损(SRL)(新增3.3.7)
这里说明了回损和结构回损的试验方法，包括原理、试样制备、试验设备与步骤和要求。在原理中给出了RL和SRL的表达式，这些表达式实质上给出了它们的定义。
式中：
RL—回损，以dB表示；
ZT—实测的复数阻抗，以Ω表示，它是在远端终接了ZR的电缆上测到的；
ZR—基准阻抗，以Ω表示，(即按规定的100，120，或150 Ω)。
式中：
SRL—结构回损，以dB表示；
ZCM—实测的复数阻抗，以Ω表示，它是从开路/短路测量得到的；
ZC—拟合的特性阻抗，以Ω表示，它是从函数拟合得到的。
4 特性阻抗和SRL/RL(增补2附录A)
A.1基本传输线路方程式
A.2由于周期性结构变化引起的出现在结构回损中的传播系数的影响
A.3阻抗幅值与相角的最小二乘函数拟合的确定
A.4用传播系数和电容来确定平均特性阻抗
A.5用终接测量法来确定特性阻抗
A.6从二次传输参数理论用开路/短路法来确定传播系数和特性阻抗
这个附录从基本传输方程式出发，阐明了用开路法测得的特性阻抗(输入阻抗)，以及这个阻抗的函数拟合。区分了回损和结构回损。这些概念对于具体电缆标准是至关重要的。
5 频率到600 MHz的数字电缆的传输特性
5.1 用途
电缆是专门为了在ISO/IEC 11801中所规定的D、E和F级信道中的水平布线中应用。它们包括个别屏蔽的(STP)、公共屏蔽的(FTP)和无屏蔽的(UTP)电缆，对数为4对或4对以下。它们的电气性能被规定得对于在ISO/IEC 11801中所规定的标准信道，ACR功率和不小于0 dB。信道的最长距离为90 m，设计的工作温度和最高基准频率列于表5.1。
5.2 电缆的材料与结构
5.2.1 电缆元件
电缆导体由软铜线组成，其标称直径在0.5～0.8 mm之间。绝缘用适当的塑料组成，例如聚烯烃、含氟聚合物、低烟无卤热塑材料。绝缘可以是实心的或发泡的(带或不带实心皮)。电缆元件应当是对绞或四线组，元件之间可以放置垫片或支架把它们固定。
5.2.2 缆芯与屏蔽
电缆元件(包括垫片或支架)应组合成缆芯，可以包上非吸湿性材料的保护层。按照产品详细规范的规定，应当在缆芯上加上符合IEC 61156-1 2.2.9的屏蔽，并满足转移阻抗、屏蔽衰减或耦合衰减的要求。
5.2.3 电缆护套
护套应由适当的热塑材料组成，例如，聚烯烃、PVC、含氟聚合物、低烟无卤热塑材料。可以放置一根非吸湿性材料做的撕裂绳。
5.3 电气性能
电气性能试验应在100 m长的电缆上进行。以下各表列出IEC 611565对于5类以上电缆的
规定。表中还列有IEC 611562对于5类电缆的规定，以便于比较。
5.3.1直流电气性能和音频电气性能
直流电气性能和音频电气性能见表5.3.1。
5.3.2 传播速度与延迟
传播速度与延迟见表5.3.2。
*笔者注：ISO/IEC 11801表31规定了5类电缆在1，10，100 MHz频率时的标称传播相速度为0.65 c。没有规定其最小值。因而，0.65 c的规定并不意味着5类电缆的传播速度要比5类以上电缆更快。
5.3.3 衰减
任何线对在表5.3.3A中所列的频率范围内的最大衰减应当等于或小于从下面式(7)用表5.3.3A中各常数的相应值所得到之值。
应当注意到，对于5e类和6类电缆，测量衰减时的频率范围已经延伸到表5.1中所列的最高基准频率以上 。这是强制性的。表5.3.3B列出用式(7)计算出来的衰减值，其中除了5类电缆的数值是IEC 61156-2对100 Ω电缆的规范值外，它们只是资料性的。表中方括号中的数值可能略有误差，仅供参考。
IEC 61156-5中规定了由温度引起的衰减增加，对于无屏蔽和屏蔽电缆应分别不大于0.4%/℃和0.2%/℃。
5.3.4 近端串音
任何一个线对在表5.3.4A中所列频率范围内的最坏近端串音功率和PS-NEXT，应当等于或大于从式(8)用表5.3.4A所给出的PSNEXT(1)的相应值得到的数值。
PS-NEXT(f)=PS-NEXT(1)-15·log10(f) (8)
式中：
表5.3.4B列出用式(8)计算出来之值，只是作为资料。当计算出来的数值大于80 dB时即作为80 dB。表5.3.4B中列出的5类电缆的值是任何线对之间的NEXT而不是功率和。
当多根无屏蔽的5e类及以上的电缆成束安装时，以及平行或部分平行敷设时，上述的PS-NEXT之值要加3～5 dB的余度。
5.3.5 远端串音
任何一个线对在表5.3.5A中所列频率范围内的最坏远端串音功率和PS-EL FEXT，应当等于或大于从式(9)用表5.3.5A所给出的PS-EL FEXT(1)的相应值得到的数值。
式中：
表5.3.5B列出用式(9)计算出来之值，只是作为资料。表5.3.5B中列出的5类电缆的值，若电缆为4对，则表中所列之值为任何线对之间的EL FEXT而不是功率和；若电缆为4对以上，则为功率和。
5.3.6 输入阻抗与特性阻抗
当用扫频进行开路/短路法在表5.3.6所列频率范围内测量时，输入阻抗的幅值应符合表5.3.6的规定。
当用不包含沿电缆长度阻抗波动的测量方法，或者对用开路/短路法的结果进行函数拟合后，就得到特性阻抗。5e类及以上的电缆的特性阻抗在从4 MHz到最高频率的范围内应在所要求的标称阻抗的±6%以内。
5.3.7 回损
按照IEC 61156-1 3.3.7(61156-1增补2，参见本文第3节)测得的最小回损，从4.0 MHz到最高频率应当等于或大于表5.3.7所列之值。
5.3.8 不平衡衰减
不平衡衰减被定义为纵向电压与感应在一个线对中的横向电压的比值的对数。它以dB表示。不平衡衰减由下式决定：
式中的传输不平衡T是按照IEC 60096-1附件A［5］的A.6得到的。
对地不平衡衰减au表达了一个装置对电磁场的抗拒能力。au值越大，抗拒能力越高。
按照感应电压的测量地点而定，不平衡衰减分为近端(横向转换损耗，TCL)和等电平远端(等电平横向转换损耗，EL TCTL)。注入共模信号而测量差分模信号。对5类电缆的要求(IEC61156-2)尚在考虑之中，而对于5类以上的电缆，无论是屏蔽的或不屏蔽的，都应符合表5.3.8的要求：
5.3.9 屏蔽性能
电缆屏蔽的性能可由屏蔽体的直流电阻、屏蔽的转移阻抗和屏蔽衰减来保证。
表5.3.9列出对屏蔽的直流电阻和转移阻抗的要求。
5.3.10 屏蔽衰减
屏蔽衰减是耦合衰减的一个组成部分。当分别测量时，用吸收钳法进行。屏蔽衰减有两级不同的性能。包含一个屏蔽的屏蔽衰减，在从30.0 MHz到最高基准频率的范围内应当等于或大于下列数值：
1级电缆：＞55 dB 2级电缆：＞35 dB
对于无屏蔽的电缆没有要求。
5.3.11 耦合衰减
对于耦合衰减有三种类型的性能。当用吸收钳测量时，在从30.0 MHz到最高基准频率的范围内应当等于或大于表5.3.11所列数值：
6 我国数字通信对称电缆标准的现状
我国的数字通信对称电缆的标准制订始于1996年，当时是为数字程控交换机内部的电缆国产化的需要而进行的［6］。后来为了适应大楼通信综合布线系统的需要，发布了一系列的行业标准和国家标准，如表3所列。
7 我国数字通信对称电缆标准的修改意见
笔者根据IEC的这些资料和在一些电缆厂所了解到的情况，提出以下的一些意见供我国有关标准制订机构参考。
7.1 YD/T 1019与YD/T 838.1及YD/T 838.2之间的关系
综上所述，笔者建议在制订或修订YD/T 1019产品标准时，需要仔细核对以前发布的YD/T 838规范。宜同时或者在稍后一些时间内，对YD/T 838作相应的修改，以便更好地互相配合和避免矛盾。在适当的时候再修改国家标准。
7.2 对YD/T 1019(1999)及今后新版本的意见
7.2.1 电缆类别
YD/T 1019(1999，下同)包含3、4、5、6类电缆和150 Ω电缆。其中6类电缆和150 Ω电缆的最高传输频率已超过YD/T 838.2的100 MHz。应当考虑解决相互间的配合问题。5e类电缆在国内已有许多工厂生产，需要加进去。所以似有必要修改YD/T 838.2(1995)，也把5e和6类电缆包括进去。也可以另外制订一个838系列标准，例如YD/T 838.5［对应于IEC 61156.5(草案，下同)］，而把5e和6类电缆放进这个新标准。
7.2.2 电缆结构
(1)绝缘—6类电缆应当允许用泡沫绝缘(包括带内皮、外皮或内外皮)。标准的名称也应作相应的修改。
(2)线对屏蔽—除150 Ω电缆以外，线对外一律不加个别屏蔽。因为每对线都带屏蔽的电缆要达到无屏蔽线对同样的传输性能是困难的。电缆的外径也会超过最大外径。150 Ω电缆应规定必须有线对屏蔽。因为标准中所规定的传输特性大多来自TIA/EIA-568-A，而这个标准中的150 Ω电缆规定是有个别屏蔽的线对。无屏蔽线对的传输性能会有相当大的差异。
(3)线对支架或垫片—为了改善串音性能，应当容许在缆芯内线对之间放置支架和垫片。
7.2.3 电气特性
(1)100 Ω电缆的线对对地电容不平衡，最大值—对于5e及6类电缆应为160 pF/100 m。
(2)转移阻抗—对于5e和6类电缆补列本文表5.3.9中的数值。
(3)工作电容—工作电容只用作参考，不作考核。因为工作电容的作用已经反映在传输特性中，不必重复考核。
7.2.4 传输特性
(1)传播速度(参见本文5.3.2)—IEC 61156.2和YD/T 838.2没有具体规定；ISO/IEC 11801规定了标称传播速度；IEC 611565对5类以上电缆规定了最小传播速度为0.6c；YD/T1019(1999)规定了最小传播速度，对于5类电缆为0.65c。综观以上几个标准，对5类电缆规定0.65c的最小值过于严格，它甚至高于6类电缆。根据有些规模不小的工厂的实测结果说明，其他传输特性都合格的5类电缆，传播速度的平均值在0.65c附近 ，但是最小值大都低于0.65c而高于0.6c。由此看来，11801中所规定的0.65c的标称值是合适的。缺点是11801没有规定与标准值之间的最大容许偏差，难于考核。笔者认为把5类电缆的最小传播速度定为0.6c比较适当 。
根据以上考虑，建议100 Ω电缆的最小传播速度规定见表6。
IEC 61156.5对5类以上电缆增加了差分延迟(歪斜失真)的规定，建议参照本文表5.3.2补充进去。差分延迟(歪斜失真)的定义要补充到YD/T 838.1中去。
(2)衰减—增加对5e类电缆的规定；按照IEC 61156.5修改对6类电缆的衰减公式。说明对于5e和6类电缆衰减的考核频率必须从最高传输频率作一定的延伸。5e类延伸到165 MHz，而6类延伸到250 MHz。详见表7。
YD/T 1019(1999)附录B表B1修改见表8。
因为在1 MHz及更低的频率上的衰减测量容易带来较大的误差，这些数值放在方括号中。
(3)近端串音衰减和近端串音衰减功率和—对于各类电缆和不同对数的电缆的100 Ω电缆的近端串音衰减或近端串音衰减功率和应如下面表9所列。
在数字通信中，规定了每对线的近端串音功率和，就没有必要再规定电缆内各个线对组合间的近端串音衰减。近端串音衰减功率和的要求与电缆的结构(同心式或单位式)无关。
原附录B的参考值也应相应地修改。
(4)远端串音—参照本文5.3.5对5类、5e类和6类电缆的远端串音作出规定。
(5)邻近电缆的串音—对于无屏蔽的电缆，若多根电缆成束安装或者平行或部分平行敷设时，邻近电缆内线对所引起的串音会影响所研究的电缆内各对线的串音功率和，频率越高，影响越严重。所以，对于无屏蔽的5e类和6类电缆的串音功率和指标中考虑3～5 dB的余度，具体数值待定。
(6)特性阻抗—YD/T 1019中5.10.5和YD/T 838.2中5.3.6所规定的特性阻抗，其含义与YD/T 838.1中2.1.11所定义的特性阻抗是不一致的。前者是在真实线对上测得的，而后者是在均匀线对上测得的。因此，必须用适当的方法来区分这两种阻抗，例如，引用“输入阻抗”来指前者，如IEC 61156.5中所采用的。100 Ω电缆的输入阻抗与特性阻抗见表10。
(7)回波损耗(简称回损)与结构回损—YD/T 838.1没有关于回波损耗和结构回损的定义和试验方法。本文的2和3节中已提到了TIA/EIA-568-A和IEC 61156.1增补2中对这两个参数的说明。IEC 61156.5中规定了回波损耗而不是结构回损的指标。RL既包括平均阻抗偏离额定阻抗(例如100 Ω)的影响，又包括线对内部的阻抗不均匀性的影响，在试验中又不必对用最常用的开路/短路法所测得的阻抗值进行函数拟合。再者，大部分情况中，如果指标相同，则用RL要比SRL更为严格。这些可能都是IEC 611565改用RL的原因。所以，笔者认为，在YD/T 1019中和8382中也宜改用RL，而在YD/T 8381中补充有关定义和试验方法。RL的具体指标参照IEC 61156.5规定见表11。
(8)纵向变换损耗与不平衡衰减—IEC 611562中列有纵向变换损耗，原文为Logitudial to diffrere nti al conversion loss(LCL)，指标在考虑中。IEC 611565中改成“不平衡衰减”，分为TCL和EL TCTL两种 ，并提出了指标(参见本文5.3.8)，但是都没有这些特性的定义和试验方法。YD/T 1019中所列的纵向变换损耗似乎不够成熟，不如改为不平衡衰减(在考虑中)。
(9)屏蔽衰减和耦合衰减—IEC 611565中列有屏蔽衰减和耦合衰减，但都没有定义和试验方法。这两个特性是否要加到YD/T 1019中，待进一步研究。
7.2.5 150 Ω电缆的特性
YD/T 1019中所列的150 Ω电缆的传输特性主要是根据TIA/EIA-568-A。后者仅适用于0.64 mm的带个别屏蔽的线对。
(1)频率范围—国内生产和使用的150 Ω电缆较少，除非有确切可靠的依据，各项特性的频率范围最好按照TIA/EIA568A的规定，不作变更，例如3 MHz的最低频率不宜改为1 MHz。
(2)衰减—YD/T 1019表22中420 MHz的衰减公式有误，应改为：
(3)共模衰减—建议按照TIA/EIA568A在YD/T 1019中增加共模衰减(Common mode attenuation)的规定。
7.2.6 制造长度
电缆制造长度宜按国际上通用的以305 m(1 000英尺)为标准长度。
7.2.7 包装
4对电缆包装宜按国际上通用的方法把305 m电缆成圈后放在纸箱内。纸箱上除一般的标记外，还要用箭头表示堆放时的方向。直径较大的电缆也允许成盘包装。
8 结束语
随着对宽带通信日益增长的需求，在接入网中，而特别在各种局域网中，数字通信电缆的用量越来越多 ，而频率越来越高。自从1994年IEC发布第一个数字通信电缆的国际标准以来，经过多次的增补而日趋完善 。2000年与发布了频率到600 MHz的电缆标准。我国从1996年开始也陆续制订了行业标准与国家标准。在时间上有2～3年之差。这种差距往往引起一些问题。IEC和ITUT等国际标准化组织为了适应技术的快速发展，采取了象用增补等方法快速修改已发布的标准，到适当的时候，再发布新版本。另外，为了尽可能收集到更多的意见，新标准常先公布一个草案来取得反馈意见。电缆光缆的标准，所涉及的部门和专业较广，广泛征求意见对于提高标准质量尤为重要。希望我国有关的标准主管部门能多关心标准的质量。在另一方面，国际标准也不总是完善无缺的，宜鼓励向国际标准化组织提出有益的意见，争取能被采纳。
参考文献
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2 46C WG7 IEC NP 301，IE C 611565，symmetrical pair/quad cables withtransmission characteris tyics up to 600 MHz,2000
3 ASTM D 456686. Electrical PerformanceProperties of Insulations and Jackets for Telecommu nications Wire and Cable
4 徐乃英.数字通信电缆的特性阻抗与结构回损.2000年光缆电缆学术年会论文集，中国通信学会通信线路委员会，2000.10
5 International Standard IEC 60096-1,Annex A
6 YD/T 818-1996 聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套数字局用对称电缆
mlship --- 2007-06-22 15:38:10
2
大哥,我昨天上传过了的啊.
数据电缆之父徐乃英的作品
skywish --- 2007-06-22 16:05:56
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