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1.1铜缆测试相关知识
本章节内容可参见《网络测试和故障诊断 第二版》 3.1.1 潘凯恩 主编 电子工业出版社 图片和内容版权所有。
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双绞线测试相关知识
双绞线（Twisted Pair）是网络综合布线中最常用的介质。如图3.1所示为非屏蔽6类双绞线。双绞线本质上讲就是由经过缠绕的两根导线（称为线对）组成的传输线路。如果采用平行设计，如图3.2所示，导线间的绝缘部分就相当于一个介电板，它和导线形成的电容对高频信号起旁路衰减作用，这会使传输信号的相位被滞后。所以，以平行方式传输网络信号是不太可能的。而采用绞接缠绕方式则可增大导线中的电感，电感会使信号相位超前，这刚好与电容产生的作用相抵消。调整线对的绕度，可使线对形成的电感与电容很好地相互抵消。
同时，采用线对互相缠绕的方式，相当于两个电流方向相反的电感线圈互相靠近，一个电感线圈的磁场变化和另一个电感线圈的磁场变化可以很好地相互抵消，使电磁互感现象的影响最小，而且双绞线把导线的平行路径分割成一系列短线路，使双绞线的天线效应及导线对干扰辐射信号和杂散电磁场的敏感性降到最低，使高频传输性能得到不断提高。
随着技术发展，双绞线的绝缘材料和结构使介电常数大幅度减小，减少了干扰，同时提高了双绞线传输信号的能力。除此之外，其他技术如控制导线长度、平衡传输的信号、保持导线和相邻线对之间的隔离度都使双绞线的可用带宽不断提升。在过去的十几年中，双绞线传输速率已从几兆发展到万兆级别，目前最高双绞线应用速率为40Gb/s，采用介质需要达到CAT8的要求。
虽然从表面上看，双绞线都差不多，但不同品牌双绞线的材质、结构及绞率都不同，如图3.3所示。双绞线测试不仅涉及连通性的问题，同时也包含线缆材质测试和性能测试，涉及相当多的测试参数和标准。
除了双绞的特点，双绞线在实际设计中还采用了多种技术，将干扰控制在最低程度。因此在工业设计上，良好的双绞线布局是网线性能好的一个体现。如图3.4所示是双绞线的几种结构示意图。
为了实现抗干扰，双绞线引入了屏蔽层，双绞线按屏蔽结构分为UTP（非屏蔽双绞线）、STP(FTP)（线对屏蔽双绞线）、S/UTP(F/UTP)（外层屏蔽内层非屏蔽双绞线）、S/STP(S/FTP)（外层屏蔽内层屏蔽双绞线），如图3.5所示。
与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速率等方面均受到一定限制，但其价格较为低廉，因此得到了广泛使用。
双绞线一般由4对线规在22～26之间的绝缘铜线相互缠绕而成，在双绞线上经常可以看到AWG（American Wire Gauge）的标识（俗称线规），如AWG23。2018年，AWG28跳线也在ANSI/TIA 568.2-D标准中被批准，使得机柜内布线获得了更高的空间灵活性和可管理性。线规数值越大，导线的直径就越小。粗导线具有更好的物理强度和更低的电阻。但导线越粗，制作双绞线需要的铜就越多，这导致双绞线变重、安装困难以及价格变贵。双绞线的生产设计难度在于，用尽可能少的铜材制造出传输距离更长、性能更稳定的线缆，要尽可能减少线对间的相互干扰及信号的衰减，同时也要兼顾安装时的复杂程度和损耗程度。
AWG36对应的直径为0.005in（英寸，1in=2.54cm），AWG0000对应的直径为0.46in。从AWG36至AWG0000进行等比划分，共计40个值。常用双绞线标准直径见表3.1。也可以根据公式计算出每个AWG值对应的实际直径：
表3.1 常用双绞线标准直径
| AWG | 直 径 | 面 积 | 电 阻 | |
|---|---|---|---|---|
| /in | /mm | /mm² | /(Ω/km) | |
| 22 | 0.0253 | 0.644 | 0.326 | 52.96 |
| 23 | 0.0226 | 0.573 | 0.258 | 66.79 |
| 24 | 0.0201 | 0.511 | 0.205 | 84.22 |
| 25 | 0.0179 | 0.455 | 0.162 | 106.2 |
| 26 | 0.0159 | 0.405 | 0.129 | 133.9 |
在工业和商业上，一般根据双绞线的带宽进行划分，通常以CAT（Category）进行区分。双绞线类型见表3.2。
表3.2 双绞线类型
| 类 型 | 最 高 带 宽 | 用途和特点描述 |
|---|---|---|
| 1类（CAT1） | 750kHz | 报警系统或语音传输 |
| 2类（CAT2） | 1MHz | 语音传输和最高4Mb/s的数据传输速率 |
| 3类（CAT3） | 16MHz | 语音传输、十兆以太网（10Base-T）和4Mb/s的令牌环数据传输速率 |
| 4类（CAT4） | 20MHz | 语音传输和最高16Mb/s的令牌环数据传输速率 |
| 5类（CAT5） | 100MHz | 语音传输和最高100Mb/s的数据传输速率（100Base-T和1000Base-T网络）；最大网段长度为100m，采用RJ45形式的连接器 |
| 超5类（CAT5e） | 100MHz | 超5类线比5类线抗干扰能力强，衰减小，主要用于千兆以太网 |
| 6类（CAT6） | 250MHz | 数据传输速率高于1Gb/s的应用，比超5类线在串音和回波损耗方面改善了性能 |
| 超6类（CAT6a） | 500MHz | 数据传输速率高于10Gb/s的应用，长度为100m |
| 7类（CAT7） | 600MHz | 非RJ45接口，定义于ISO/IEC 60603-7-71和ISO/IEC 61076-3-104（ANSI/TIA 568.2-D标准没有定义7类线）中，可用于稳定性要求较高的万兆以太网，长度为100m |
| 7A类（CAT7a） | 1GHz | 非RJ45接口，定义于ISO/IEC 60603-7-71和ISO/IEC 61076-3-104（ANSI/TIA 568.2-D标准没有定义7A类线）中，可用于稳定性要求较高的万兆以太网，长度为100m |
| 8类（CAT8.1） | 2GHz | RJ45接口，可用于将来的25GBase-T或40GBase-T以太网，长度为30m |
| 8类（CAT8.2） | 2GHz | 非RJ45接口，ANSI/TIA 568.2-D标准没有定义CAT8.2接口，可用于将来的25GBase-T或40GBase-T以太网，长度为30m |
布线测试中强调的是介质性能测试。连通性测试一般以Ping为测试工具，通过指定远端地址和封包大小进行测试。对于百兆和千兆网络来说，Ping产生的流量太小，无论封包如何加大，实际产生的流量不会超过端口流量的1%，即便测试时不丢包并且延时很小，也不能证明在高速率时不会丢包。吞吐量测试作为补充可以将测试速率提升到百兆或千兆级别，但它不能区分实际使用的是哪类介质。
介质性能测试本质上是按线缆的设计带宽进行频谱分析的。当信号噪声在可接受的一定范围内时，测试介质的可用带宽。
5类以上的介质一般都可以支持100Base-T的网络应用，但是为什么5类线可以支持百兆甚至千兆级别的传输呢？它们的实际带宽和占用带宽又是什么样的关系呢？下面以100Base-T网络为例进行讲解，它的编码方式为三级电平MLT-3编码，如图3.6所示。
如果网卡数据输出4bit，并且都为1，则正好完成一个周期，在双绞线中占用1Hz的带宽。如果其中有0，那么一个周期可以传输更多信号。网卡按100Mb/s的速率进行编码时，可以计算得出实际占用双绞线的带宽最大为100/4=25MHz。考虑到同步问题，在网卡传输数据时每隔4bit会引入1bit的同步位，因此速率100Mb/s就变为了125Mb/s（编码方式称为4B5B），而双绞线被占用的带宽最大为125/4=31.25MHz，所以设计带宽为100MHz的5类线、超5类线用于传输100Base-T应用显然没有问题。而1000Base-T应用的带宽最大为62.5MHz，用5类线和超5类线传输也是可以的。当然，前提是各参数信噪比达到设计要求。
用线缆测试仪通过频谱分析测试去衡量双绞线的品质无疑是最好的办法，通过元器件的标准后，只要应用的标准小于这些双绞线的设计带宽，那么都是可以确保性能的。这样做额外的好处就是，可以知道以后升级网络时，哪些双绞线可以运行到更高的应用标准而无须替换。