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综合布线与网络设备第一章物理层1.1 物理层概述物理层的功能有两个:发送和接收比特流。比特流的值只能是1或0带数值的莫尔斯代码(Morse code)。物理层直接与各种类型的实际通信介质进行通信。不同种类的介质用不同的方式来表示这些比特值。其中一些使用音调,而另一些则采用状态过渡-电压从高到低和从低到高改变。对于每种类型的介质来说,需要用特定的协议来描述所使用的正确的比特模式,数据怎样编码为在介质上传送的信号,以及各种类型的物理介质的连接接口。物理层指定了在端系统之间,用于激活、维护及断开物理链路所需的电气、机械、规程和功能的要求。这一层也用来在数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间实现接口。一些老电话公司的雇员仍然称DCE为数据电路端接设各。DCE通常位于服务提供者这一端,而DTE则是连接设备。DTE可获得的服务通常是通过接入调制解调器(modem)或信道服务单元/数据服务单元(CSU/IEU)而得到的。OSI定义了物理层的连接器和不同物理拓扑的有关标准,从而允许各种不同的系统进行通信。1.2 信号根据信号方式的不同，通信可分为模拟通信和数字通信。模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。 数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。目前，ASCII美国信息交换标准码(American Standard Code for Information Interchange)已为ISO国际标准化组织和CCITT国际电报电话咨询委员会所采纳，成为国际通用的信息交换标准代码，使用7位二进制数来表示一个英文字母、数字、标点或控制符号；图形、音频与视频数据则可分别采用多种编码格式。 数字信号与模拟信号的不同数字信号是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信息的信号。电报信号就属于数字信号。现在最常见的数字信号是幅度取值只有两种(用0和1代表)的波形，称为“二进制信号”。“数字通信”是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。数字通信与模拟通信相比具有明显的优点：首先是抗干扰能力强。模拟信号在传输过程中和叠加的噪声很难分离，噪声会随着信号被传输、放大、严重影响通信质量。数字通信中的信息是包含在脉冲的有无之中的，只要噪声绝对值不超过某一门限值，接收端便可判别脉冲的有无，以保证通信的可靠性。其次是远距离传输仍能保证质量。因为数字通信是采用再生中继方式，能够消除噪音，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去，这样通信质量便不受距离的影响，可高质量地进行远距离通信。此外，它还具有适应各种通信业务要求(如电话、电报、图像、数据等)，便于实现统一的综合业务数字网，便于采用大规模集成电路，便于实现加密处理，便于实现通信网的计算机管理等优点。模拟信号与数字信号之间的相互转换 模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为28=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。 计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数字信号。 实现数字通信，必须使发送端发出的模拟信号变为数字信号，这个过程称为“模数变换”。模拟信号数字化最基本的方法有三个过程，第一步是“抽样”，就是对连续的模拟信号进行离散化处理，通常是以相等的时间间隔来抽取模拟信号的样值。第二步是“量化”，将模拟信号样值变换到最接近的数字值。因抽样后的样值在时间上虽是离散的，但在幅度上仍是连续的，量化过程就是把幅度上连续的抽样也变为离散的。第三步是“编码”，就是把量化后的样值信号用一组二进制数字代码来表示，最终完成模拟信号的数字化。数字信号送入数字网进行传输。接收端则是一个还原过程，把收到的数字信号变为模拟信号，即“数据摸变换”，从而再现声音或图像。如果发送端发出的信号本来就是数字信号，则用不着进行模数变换过程，数字信号可直接进入数字网进行传输。由于人们对各种通信业务的需求迅速增加，数字通信正向着小型化、智能化、高速大容量的方向迅速发展，最终必将取代模拟通信。 1.3 接口串行接口 串行接口，简称串口，也就是COM接口，是采用串行通信协议的扩展接口。串口的出现是在1980年前后，数据传输率是115kbps230kbps，串口一般用来连接鼠标和外置Modem以及老式摄像头和写字板等设备，目前部分新主板已开始取消该接口。并行接口 并行接口，简称并口，也就是LPT接口，是采用并行通信协议的扩展接口。并口的数据传输率比串口快8倍，标准并口的数据传输率为1Mbps，一般用来连接打印机、扫描仪等。所以并口又被称为打印口。 双绞线布线标准双绞线（Twisted Pairwire，TP）是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根2226号绝缘铜导线相互缠绕而成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波也会被另一根线上发出的电波抵消。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆，如在局域网中常用的五类、六类、七类双绞线就是由4对双绞线组成的。在双绞线内，不同线对具有不同的扭绞长度，一般地说，扭绞长度在13 mm以内，按逆时针方向扭绞，相邻线对的扭绞长度在12.7 cm以上。虽然双绞线与其他传输介质相比，在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定的限制，但价格较为低廉，且其不良限制在一般快速以太网中影响甚微，所以目前双绞线仍是企业局域网中首选的传输介质。双绞线可分为非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）两种。屏蔽双绞线在线径上要明显精过非屏蔽双绞线，而且由于它具有较好的屏蔽性能，所以也具有较好的电气性能。但由于屏蔽双绞线的价格较非屏蔽双绞线贵，且非屏蔽双绞线的性能对于普通的企业局域网来说影响不大，甚至说很难察觉，所以在企业局域网组建中所采用的通常是非屏蔽双绞线。不过七类双绞线除外，因为它要实现全双工10 Gbps速率传输，所以只能采用屏蔽双绞线，而没有非屏蔽的七类双绞线。六类双绞线通常也建议采用屏蔽双绞线。一 双绞线布线标准概述随着网络技术的发展和应用需求的提高，双绞线这种传输介质标准也得到了一步步的发展与提高。从最初的一、二类线，发展到今天最高的七类线，而且据悉这一介质标准还有继续发展的空间。在这些不同的标准中，它们的传输带宽和速率也相应得到了提高，七类线已达到600 MHz，甚至1.2 GHz的带宽和10 Gbps的传输速率，支持千兆位以太网的传输。这些不同类型的双绞线标注方法是这样规定的，如果是标准类型则按CATx方式标注，如常用的五类线和六类线，则在线的外包皮上标注为CAT 5、CAT 6。而如果是改进版，就按xe方式标注，如超五类线就标注为5e（字母是小写，而不是大写）。在北美，也是在国际上最有影响力的3家综合布线组织如下。ANSI（American National Standards Institute，美国国家标准协会）TIA（Telecommunication Industry Association，美国通信工业协会）EIA（Electronic Industries Alliance，美国电子工业协会）由于TIA和ISO两组织经常进行标准制定方面的协调，所以TIA和ISO颁布的标准的差别不是很大。目前，在北美，乃至全球，在双绞线标准中应用最广的是ANSI/EIA/ TIA-568A和ANSI/EIA/TIA-568B（实际上应为ANSI/EIA/TIA-568B.1，简称为T568B）。这两个标准最主要的不同就是芯线序列的不同，如图1所示。图1 EIA/TIA-568A与EIA/TIA-568B标准的芯线排列顺序下面是对这个标准中规定的各双绞线类型的一些简单说明。一类线是ANSI/EIA/TIA-568A标准中最原始的非屏蔽双绞铜线电缆，但它开发之初的目的不是用于计算机网络数据通信，而是用于电话语音通信。二类线是ANSI/EIA/TIA-568A和ISO 2类/A级标准中第一个可用于计算机网络数据传输的非屏蔽双绞线电缆，传输频率为1 MHz，传输速率达4 Mbps。主要用于旧的令牌网。三类线是ANSI/EIA/TIA-568A和ISO 3类/B级标准中专用于l0Base-T以太网络的非屏蔽双绞线电缆，传输频率为16 MHz，传输速度可达10 Mbps。四类线是ANSI/EIA/TIA-568A和ISO 4类/C级标准中用于令牌环网络的非屏蔽双绞线电缆，传输频率为20 MHz，传输速度达16 Mbps。主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。五类线是ANSI/EIA/TIA-568A和ISO 5类/D级标准中用于运行CDDI（CDDI是基于双绞铜线的FDDI网络）和快速以太网的非屏蔽双绞线电缆，传输频率为100 MHz，传输速度达100 Mbps。超五类线是ANSI/EIA/TIA-568B.1和ISO 5类/D级标准中用于运行快速以太网的非屏蔽双绞线电缆，传输频率也为100 MHz，传输速度也可达到100 Mbps。与五类线缆相比，超五类在近端串扰、串扰总和、衰减和信噪比4个主要指标上都有较大的改进。六类线是ANSI/EIA/TIA-568B.2和ISO 6类/E级标准中规定的一种非屏蔽双绞线电缆，它也主要应用于百兆位快速以太网和千兆位以太网中。因为它的传输频率可达200250 MHz，是超五类线带宽的2倍，最大速度可达到1 000 Mbps，能满足千兆位以太网需求。超六类线是六类线的改进版，同样是ANSI/EIA/TIA-568B.2和ISO 6类/E级标准中规定的一种非屏蔽双绞线电缆，主要应用于千兆位网络中。在传输频率方面与六类线一样，也是200250 MHz，最大传输速度也可达到1 000 Mbps，只是在串扰、衰减和信噪比等方面有较大改善。七类线是ISO 7类/F级标准中最新的一种双绞线，它主要为了适应万兆位以太网技术的应用和发展。但它不再是一种非屏蔽双绞线了，而是一种屏蔽双绞线，所以它的传输频率至少可达500 MHz，是六类线和超六类线的2倍以上，传输速率可达10 Gbps。二 双绞线的主要测试指标 在双绞线布线标准中，对一些用户最关心的双绞线性能指标做了明确的说明。这些指标包括衰减（ATTENUATION）、近端串扰（NEXT）、直流电阻、阻抗特性、衰减串扰比（ACR）和电缆特性（SNR）等。 在测试的前期工作中，测试的连接图表示出每条线缆的8条布线与接线端口的连接实际状态。正确的线对为：1/2，3/6，4/5，7/8，参见图1。 1衰减（ATTENUATION） 衰减是沿链路的信号损失度量。由于集肤效应、绝缘损耗、阻抗不匹配、连接电阻等因素，信号沿链路传输损失的能量称为衰减，表示为测试传输信号在每个线对两端间的传输损耗值及同一条电缆内所有线对中最差线对的衰减量相对于所允许的最大衰减值的差值。衰减与线缆的长度有关系，随着长度的增加信号衰减也相应增加。衰减用DB（分贝）做单位，表示源传送端信号到接收端信号强度的比率。由于衰减随频率的变化而变化，因此，应测量在应用范围内的全部频率上的衰减。 2近端串扰（NEXT） 串扰分近端串扰（NEXT）和远端串扰（FEXT）两种。由于存在线路损耗，因此FEXT的量值的影响较小，测试仪主要测量NEXT。NEXT损耗是测量一条UTP链路中从一对线到另一对线的信号耦合。对于UTP链路，NEXT是一个关键的性能指标，也是最难精确测量的一个指标，且随着信号频率的增加，其测量难度将加大。 NEXT并不表示在近端点所产生的串扰值，它只是表示在近端点所测量到的串扰值。这个量值会随电缆长度的不同而变化，电缆越长，其值变得越小。同时发送端的信号也会衰减，对其他线对的串扰也相对变小。实验证明，只有在40 M内测量得到的NEXT才是较真实的。如果另一端是远于40 M的信息插座，虽然它会产生一定程度的串扰，但测试仪可能无法测量到这个串扰值。因此最好在两个端点都进行NEXT测量。现在的测试仪都配有相应功能，可以在链路一端就能测量出两端的NEXT值。 以上两个指标是TSB67测试标准中的主要内容，但某些型号的测试仪还可以给出直流电阻、特性阻抗、衰减串扰比等指标。 3直流电阻 TSB67标准中无此参数。直流环路电阻会消耗一部分信号，并将其转变成热量。三类链路不超过170 ，三类以上链路不超过30 。在ISO/IEC 11801标准中规定双绞线的直流电阻不得大于19.2 。每对双绞线间的直流电阻的差异应小于0.1 ，否则表示接触不良，必须检查连接点。 4特性阻抗 特性阻抗是指链路在规定工作频率范围内呈现的电阻。与环路直流电阻不同，特性阻抗包括电阻及频率为1100 MHZ的电感阻抗及电容阻抗，它与一对电缆之间的距离及绝缘体的电气性能有关。各种电缆有不同的特性阻抗，而双绞线电缆则有100 、120 及150 几种类型，通常采用100 的。但无论三类、四类、五类或六类线缆，其每对芯线的特性阻抗在整个工作带宽范围内应保证恒定和均匀。链路上任何点的阻抗不连续性将导致该链路信号反射和信号畸变。链路特征阻抗与标准值之差不大于20 。 5衰减串扰比（ACR） 衰减串扰比的定义为：在受相邻发信线对串扰的线对上其串扰损耗（NEXT）与本线对传输信号衰减值（A）的差值（单位为DB），即ACR（DB）=NEXT（DB） A（DB）。对于五类及高于五类线缆和同类接插件构成的链路，由于高频效应及各种干扰因素，ACR的标准参数不单纯从串扰损耗值NEXT与衰减值A在各相应频率上的直接的代数差值导出，通常可通过提高链路串扰损耗NEXT或降低衰减A以改善链路ACR。对于六类布线链路在200 MHZ时ACR要求为正值，六类布线链路要求测量到250 MHZ。在某些频率范围内，串扰与衰减量的比例关系是反映电缆性能的另一个重要参数。ACR有时也以信噪比（Signal-Noice Ratio，SNR）表示，由最差的衰减量与NEXT量值的差值计算。ACR值较大，表示抗干扰的能力更强。一般系统要求至少大于10 dB（分贝）。 6电缆特性（SNR） 通信信道的品质是由它的电缆特性（SNR）描述的。SNR是在考虑到干扰信号的情况下，对数据信号强度的一个度量。如果SNR过低，将导致数据信号在被接收时接收器不能分辨数据信号和噪声信号，最终引起数据错误。因此为了将数据错误限制在一定范围内，必须定义一个最小的可接收的SNR。 7传播时延（T） 在通道连接方式或基本连接方式或永久连接方式下，对五类及五类以下链路传输1030 MHz频率的信号时，要求线缆中任一线对的传输时延满足T1 000 ns（纳秒）；对于超五类、六类链路则要求T548 ns。 8线对间传播时延差 以同一缆线中信号传播时延最小的线对的时延值做参考，其余线对与参考线对时延差值不得超过45 ns。若线对间时延差超过该值，则在链路高速传输数据下4个线对同时并行传输数据信号时，将造成数据帧结构严重破坏。9回波损耗（RL） 回波损耗由线缆特性阻抗和链路接插件偏离标准值导致功率反射引起。RL为输入信号幅度和由链路反射回来的信号幅度的差值。 10链路脉冲噪声电平 它指由大功率设备间断性启动对布线链路带来的电冲击干扰。布线链路在不连接有源器械和设备的情况下，高于200 mV的脉冲噪声发生个数的统计，测试2分钟捕捉脉冲噪声个数不大于10。 主要的双绞线品牌 对于作为以太局域网最基本的连接、传输介质的双绞网线，人们的重视程度很不够，总认为它无足轻重，其实做过网络的人都知道绝对不是这样的，相反它在一定程度上决定了整个网络的性能。双绞线作为网络连接的传输介质，网络上的所有信息都需要在这样一个信道中传输，因此不能说它不重要。如果双绞线本身质量不好，传输速率受到限制，即使其他网络设备的性能再好，传输速度再高也没什么用，因为双绞线已成为制约整个网络传输速度的瓶颈。双绞线作为一种价格低廉、性能优良的传输介质，在综合布线系统中被广泛应用于水平布线。目前在千兆位以太网技术中，也有采用双绞线作为传输介质的（六类线以上），它提供的传输速度可高达1 000 Mbps，不仅可用于数据传输，还可以用于语音和多媒体传输。下面介绍目前主流的一些双绞网线品牌，以方便用户选择。 1安普（AMP） AMP这一品牌是我们见得最多，也是最常用的一个，几乎在每一个网线经营商店都可见到。该网线的最大特点是质量好、价格便宜。正因为受欢迎，所以它的假货也最多，并且很难区分真假。 AMP的六类双绞线系统由Quantum UTP线缆、Quantum模块化信息插座系统、Quantum模块化配线架系统和Quantum跳线等连接件组成。Quantum六类系统提供了200 MHz的带宽，其UTP线缆模块化的连接由传统110系统或无须工具的模块化连接硬件组成，整个系统将轻易超越由ISO/IEC规定的目前六类布线应达到的性能标准。 2西蒙（Siemon） 西蒙产品在综合布线系统中经常可以见到，它与安普品牌相比，档次要高许多，质量、技术特性也都高出一个档次，当然其价格也高许多，所以在DIY市场中很难见到它的应用。不仅如此，它在综合布线系统中还提供了一整套的方案，包括后面要介绍的网线制作和布线工具。西蒙SYSTEM 6系统的频率带宽超过250 MHz，同时可以保证在250 MHz以内所有的性能参数都满足和超过六类标准草案的要求，西蒙公司可提供所有六类产品（连接硬件、线缆）和系统（基本链路和信道）的测试报告及第三方认证实验室（如DELTA、ETL）的测试认证。 3朗讯（Lucent） 朗讯这一品牌虽然听得较多，但是在双绞线行业还是较少见到，特别是在中、小型企业中。但这并不是说它就缺乏技术实力，相反它在高端网络组建中经常可见到。朗讯以贝尔实验室为后盾，所设计开发的端到端六类布线系统SYSTIMAX GigaSPEED Solution，对网络中连接主机及计算机的布线系统的每一元件都进行了革新，更加优化了布线系统的端到端性能。 GigaSPEED解决方案是一个性能超前的产品，其性能完全达到及超过目前最新的六类标准草案的指标。GigaSPEED系统拥有14项世界专利，典型的GigaSPEED配置是水平系统UTP铜缆与垂直主干及建筑群子系统SYSTIMAX光纤的组合。这种解决方案可为用户提供目前所需的网络性能，同时也能为将来的网络应用和技术发展提供充足的带宽。 4丽特（NORDX/CDT） 丽特的千兆位六类2400系统采用IBDN PS5增强型连接和IBDN 2400系列非屏蔽电缆，能够提供2.4 Gbps的数据传输率，其电缆提供了较高的频带宽度和余量，以保证更广泛的应用。丽特新的六类产品IBDN System 4800LX将达到4.8 Gbps的数据传输率，由新型的IBDN 4800LX电缆、PS6连接硬件和PS6标准线缆组成，能提供300 MHz的带宽性能。与当前的六类建议标准草案相比，IBDN System 4800LX 在各项性能参数上都有了显著提高。 5IBM IBM 的ACS银系列产品符合ISO/IEC 11801六类/E级标准草案、EN 50173 六类E级标准草案和TIA/EIA 568六类标准草案。ACS银系列带宽达200 MHz，可以更好地支持千兆位以太网及其他使用4对线缆传输的网络。 IBM ACS银系列系统向下兼容五类或超五类，银系列和铜系列适用同类型的配线架，易升级且保护投资。同时，IBM ACS银系列产品是一个100 铜缆系统，它可与IBM ACS水晶系列产品进行整合，以实现不同楼层之间、集线器和楼宇之间光缆的连接，这时水晶系列产品可以为水平系统上低速的银系列产品提供高速的连接。1光纤标准和技术指标经过了几十年的发展，人们已经可以生产出各种各样的光纤。不同种类的光纤，由于其传输特性不同，会有不 同的适用范围。按光在光纤中的传输模式划分，可分为多模和单模光纤两种。常用多模光纤的直径为125m，其中芯径一般在 50100m之间。在多模光纤中，可以有数百个光波模在传播。多模光纤一般工作于短波长（0.8m）区，损耗 与色散都比较大，带宽较小，适用于低速短距离光通信系统中。多模光纤的优点在于其具有较大的纤芯直径，可以用较高的耦合效率将光功率注入到多模光 纤中。常用单模光纤的直径也为125m，芯径为812m。在单模光纤中，因只有一个模式传播，不存在模间色散， 具有较大的传输带宽，并且在1 550 nm波长区的损耗非常低（约为0.20.25 dB/km），因而被广泛应用于高速长 距离的光纤通信系统中。使用单模光纤时，色度色散是影响信号传输的主要因素，这样单模光纤对光源的谱宽和 稳定性都有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。单模光纤一般必须使用半导体激光器激励。按最佳传输频率窗口划分，可分为常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。常规型单模光纤的最佳传输频率在1 310 nm附近，而色散位移光纤的最佳传输频率在1550nm附近。按折射率分布的情况化分，可分为阶跃折射率（SI）光纤和渐变折射率（GI）光纤。阶跃折射率光纤从芯层到 包层的折射率是突变的。多模