信道传输特性

第4章信道传输特性4.1信道传输特性的概念

4.2电缆信道性能指标

4.3光纤信道性能指标

4.4提高信道传输质量的措施

4.1信道传输特性的概念

数据通信系统由终端设备系统、数据传输系统和数据处理系统三个部分组成。其中，数据传输系统又由传输信道及两端的数据电路终接设备而构成。由于数据通信质量不但与传送的信号、发／收两端设备的特性有关，而且还要受到传输信道质量及噪声干扰的影响，所以传输信道是影响通信质量的重要因素之一。因此，在设计或评价综合布线系统性能时，经常要用到数据通信中的许多基本概念，如信道、带宽、数据传输速率等，要涉及信道的传输特性，否则就无法衡量其性能的优劣。

4.1.1信道和链路

1．信道和链路的概念

信道（Channel）是通信系统中必不可少的组成部分。通俗地说，信道是指以传输介质为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路；抽象地说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。 在数据通信系统中，对信道可以从下面两种不同的角度进行理解：一种是将传输介质与完成信号变换功能的设备都包含在内，统称为广义信道。另一种是仅指传输介质(如对绞电缆、同轴电缆、光纤、微波、短波等)本身，这类信道称为狭义信道。 对信道分类的方法很多，按照信道所采用传输介质的不同，可将信道分为有线信道和无线信道。 从综合布线系统的角度讲，信道是指连接两个应用设备的端到端的传输通道，它包括了设备电缆、设备光缆和工作区电缆、工作区光缆。2．布线系统信道、永久链路、CP链路构成模型

如图4.1所示是布线系统信道、永久链路、CP链路构成模型。

图4.1布线系统信道、永久链路、CP链路构成模型3．光纤信道构成方式

①光纤信道的第一种构成方式是，由水平光缆和主干光缆至楼层电信间的光纤配线设备经光纤跳线连接构成，如图4.2所示。

图4.2光缆经电信间经光纤跳线连接 ②光纤信道的第二种构成方式是，由水平光缆和主干光缆在楼层电信间做端接(熔接或机械连接)构成，FD只设光纤之间的连接点，如图4.3所示。

图4.3光缆在电信间做端接 ③光纤信道的第三种构成方式是，由水平光缆经过电信间直接连接至大楼设备间光配线设备构成，FD安装于电信间，只作为光缆路径的场合，如图4.4所示。

图4.4光缆经电信间直接连接至设备间

4．信道容量

信息论中的香农(C.E.Shannon)定律给出了有扰模拟信道容量的计算公式。设信道(调制信道)的输入端加入单边功率谱密度为n0(W/Hz)的加性高斯白噪声，信道的带宽为B(Hz)，信号功率为S(W)，则通过这种信道无差错传输的最大信息传输速率C为：令N=n0B，；其中，将S/N称为信噪比，则C是用bit/s表示的信道容量，称为香农容量。信道容量给出了信道所能传输的最大信息传输速率(即能达到的最大传输能力)与信道带宽B和信噪比S/N之间的关系。

由香农公式可得出以下结论：①提高信号和噪声功率之比，能增加信道容量。②当噪声功率N→0时，信道容量C可趋于无穷大。这意味着无干扰信道容量为无穷大。③当信道容量C一定时，可以用不同的带宽和信噪比的组合(或互换)来传输；即信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。 例4.1考虑一个极端的噪声信道，其中信噪比近似于零。换言之，噪声很强使得信号很微弱。对于该信道，计算它的信道容量如下： 这就是说，该信道容量是零，与带宽无关。换言之，在该信道上不能发送任何数据。例4.2计算常规电话线路理论上的最高比特率。电话线通常的带宽是3000Hz(300～3300Hz)；信噪比通常是3162(35dB)。对于该信道，计算信道容量如下：这就是说，电话线上的最高比特率是34860bit/s。如果要想更快地发送数据，则应该增加线路的带宽或改善信噪比。

C=Blog2(1+S/N)=Blog2(1+0)=Blog2(1)=B×O=0C=3000log2(1+S/N)=3000log2(1+3162)=3000log2(3163)=3000×11.62=34860bit/s4.1.2数据传输的主要指标

1.带宽或吞吐率

带宽（Bandwidth）本来是指某个信号具有的频带宽度。由于一个特定的信号往往是由许多不同的频率成份组成的，因此一个信号的带宽是指该信号的各种不同频率成份所占据的频率范围。目前常用对绞电缆带宽等级如表4.1所示。

电缆级别支持带宽范围/MHz5类1～1005e类1～1006类1～2507类1～600表4.1对绞电缆带宽图4.5吞吐率2．传输速率

(1)调制速率

调制速率表示信号在调制过程中，单位时间内调制信号波形的变换次数，即单位时间内所能调制的次数，简称波特率，其单位是波特(Baud)，它是以电报电码的发明者法国人波特(Baud)的名字来命名的。如果一个单位调制信号波的时间长度为T(s)，那么调制速率RB定义为：RB(Baud)=1/T(s)(2)数据信号速率

①数据信号速率。数据信号速率，又称信息速率，通常称之为传输速率。它表示通过信道每秒传输的信息量，单位是比特/秒，用bit/s或bps表示。数据信号速率Rb可定义为： 式中，m表示并行传输的通路数；Ti表示第i路一个单位调制信号波的时间长度(用s表示)；Ni表示第i路调制信号波的状态数。②比特和比特/秒。③调制速率与数据信号速率的关系。Rb=RBlog2M（3）数据传输速率

数据传输速率又称信道速率，是指信源入/出口处单位时间内传送的二进制脉冲的信息量，单位可以是比特、字符、码组等；时间单位可以是秒、分、小时等；通常用字符/分为单位。数据传输速率和数据信号速率之间的关系需要考虑用多少比特来表示一个字符；另外，如果采用起止同步方式传输，还需要考虑在数据以外附加传输的比特数。例如：在使用数据信号速率为1200bit/s的传输电路时，按起止同步方式来传送ASCII码数据时，数据传输速率Rc为：Rc=1200×60/（8＋2）=7200(字符/分)分母括号中的“2”是在一个字符的前后分别附加的一个起始比特和终止比特。3．频带利用率

频带利用率是描述传输速率与带宽之间关系的一个指标，这也是一个与数据传输效率有关的指标。频带利用率定义式如下：

式中，R表示系统的传输速率，B表示系统所占的频带宽度。当传输速率采用调制速率RB时，其频带利用率的单位为Baud/Hz；当传输速率采用数据信号速率Rb时，其频带利用率的单位为bps/Hz。4．时延(1)发送时延

发送时延=数据块长度/信道带宽(2)传播时延

传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率如图4.6所示阐释了传播时延这个概念。图4.6传播时延

(3)排队时延

排队时延是指数据在交换节点的缓存队列中排队等候发送所经历的时间。这种时延的大小主要取决于网络中当时的数据流量。当网络的数据流量很大时，还会发生队列溢出，使数据丢失，这相当于排队时延为无穷大。显然，数据传输经历的总时延是以上三种时延之和，即：总时延=发送时延＋传播时延＋排队时延

5．波长

波长可由已知的传播速度与信号周期来计算：波长=传播速度×周期。由于周期与频率彼此互为倒数，因此可写成：波长=传播速度×(1/频率)=传播速度/频率。如果用λ表示波长，传播速度用c表示，频率用f表示，则得到：λ=c/f。通常波长以µm而不是m作为度量单位。例如，空气中红光的波长是：λ=c/f=(3×108)/(4×1014)=0.75×10-6m=0.75µm由于光在缆线中的传播速度比空气中慢，因而在电缆或光缆中，波长低于0.5µm。4.1.3电磁干扰与电磁兼容性

1．电磁干扰

电磁干扰EMI（ElectroMagneticInterference）也称为噪声，指在铜导线中由电磁场引起的电噪声，是电子系统辐射的寄生电能。2．电磁兼容性 电磁兼容性EMC（ElectroMagneticCompatibility）是指系统发出的最小辐射和系统能承受的最大外部噪声，即设备或者系统在正常情况下运行时，不会产生干扰同一空间中其他设备、系统电信号的能力。4.2电缆信道性能指标

按照国际布线标准ISO/IEC11801-2002、ANSI/TIA/EIA568及国家标准GB50311-2007、YD/T1092-2001，描述平衡电缆信道（BalancedCablingLinks）性能的电气特性参数有直流环路电阻、特征阻抗、回波损耗、衰减、串扰、时延等，其中与信道长度有关的参数，如衰减、直流环路电阻、时延等；与对绞电缆纽距相关的参数有：特征阻抗、衰减、串扰和回波损耗等。按照GB50311-2007关于综合布线电缆系统A、B、C、D、E和F的分级情况，不同布线系统级别的具体性能指标也不相同。4.2.1直流环路电阻

任何导线都存在电阻。直流环路电阻是指一对导线电阻之和，ISO/IEC11801-2002规定不得大于19.2Ω/100m，每对对绞电缆的差异应小于0.1Ω。每对线的直流环路电阻应低于表4.2所列数值。表4.2直流环路电阻限值信道级别ABCDEF最大直流环路电阻/Ω560170402525254.2.2特征阻抗

特征阻抗（CharacteristicImpedance）描述由电缆及相关连接器件组成的传输信道的主要特性。特征阻抗指链路在规定工作频率范围内对通过的信号的阻碍能力，用欧姆（Ω）来度量。综合布线系统要求整条电缆的特征阻抗保持为一个常数（呈电阻状态），如图4.7所示。与电缆的反射系数相似，定义比值r：图4.7特征阻抗计算4.2.3回波损耗和插入损耗

1．回波损耗

回波损耗(ReturnLoss，RL)又称反射衰减，简称回损。回波损耗是由于链路或信道特性阻抗偏离标准值导致功率反射而引起(布线系统中阻抗不匹配产生的反射能量)的。

图4.8回波损耗频率/MHzC级/dBD级/dBE级/dBF级/dB115.017.019.019.01615.017.018.018.0100-10.012.012.0250--8.08.0600---8.0表4.3信道最小回波损耗值2．插入损耗

一般说来，插入损耗是指发射机与接收机之间，插入电缆或元件产生的信号损耗，有时也指衰减。布线系统信道的最大插入损耗值如表4.4所列数值。频率/MHzA级/dBB级/dBC级/dBD级/dBE级/dBF级/dB0.116.05.5----1-5.84.24.04.04.016--14.49.18.38.1100---24.021.720.8250----35.933.8600-----54.6表4.4信道最大插入损耗值4.2.4衰减 信号在信道中传输时，会随着传输距离的增加而逐渐变小。衰减（Attenuation，ATT）是指信号沿传输链路传输后幅度减小的程度，单位为分贝（dB）。衰减是指由于绝缘损耗、阻抗不匹配、连接电阻等因素，信号沿链路传输损失的能量。如图4.9所示是信号衰减的示意图。图4.9信号的衰减当电缆特征阻抗与试验仪器特征阻抗匹配时，可通过以下定义测试电缆的衰减:式中：α表示衰减常数，dB/100m；P1表示负载阻抗等于信号源阻抗时的输入功率；P2表示负载阻抗等于被测电缆特征阻抗时的输出功率；L表示试样长度，单位为m。一般，衰减的具体计算按以下步骤进行：（1）计算每100m对绞电缆在不同频率（f）下的衰减

其中：对于Cat5：k1=1.967，k2=0.023，k3=0.05，f=1～100MHz；对于Cat4：k1=2.050，k2=0.043，k3=0.057，f=1～20MHz；对于Cat3：k1=2.320，k2=0.238，k3=0，f=1～16MHz。（2）连接器件的衰减按照不同频率（f）范围，取如表4.5所列连接器件的衰减值。

类别带宽/MHz/dB1～10MHz>10～31.25MHz>31.25～62.5MHz>62.5MHz51～1000.10.20.30.441～200.10.2表4.5连接器件的衰减（3）计算链路衰减

对于信道：

对于永久链路：

其中，Length是包括转接线在内的链路总长度，以m为单位。衰减测量的频率步长一般为1MHz。

除了电缆会造成链路衰减之外，链路中的插座和连接器、配线盘等都对衰减有影响，在连接过程中不恰当的端接以及阻抗不匹配形成的反射也会造成过量的衰减。表4.6中列出了5类对绞电缆布线系统中基本链路和信道允许的衰减值。

频率/MHz基本链路衰减/dB信道衰减/dB1.002.12.54.004.04.58.005.76.310.006.37.016.008.29.220.009.210.325.0010.311.431.2511.512.862.5016.718.5100.0021.624.0长度（m）94100表4.65类水平链路及信道衰减4.2.5串扰 当电流在一条导线中流通时会产生一定的电磁场，该电磁场会干扰相邻导线上的信号，信号频率越高这种影响就越大。常把这种干扰叫做串扰（Crosstalk）或串音。1．近端串扰（NEXT）和远端串扰（FEXT） 图4.10是近端串扰和远端串扰的示意图。近端串扰和远端串扰的大小分别用近端串扰损耗和远端串扰（损耗）来表示。图4.10近端串扰和远端串扰（1）近端串扰损耗的定义 在一条链路中处于线缆一侧的某发送线对，对于同侧的其他相邻(接收)线对通过电磁感应所造成的信号耦合(由发射机在近端传送信号，在相邻线对近端测出的不良信号耦合)为近端串扰，如图4.11所示。近端串扰值(dB)和导致该串扰的发送信号(参考值定为0)之差值为近端串扰损耗。图4.11线对的信号耦合频率最小近端串扰(dB)(MHz)A级B级C级D级E级F级0.127.040.0----1-25.039.160.065.065.016--19.443.653.265.0100---30.139.962.9250----33.156.9600-----51.2表4.7信道近端串扰值（2）远端串扰(损耗)的定义 从链路或信道近端线缆的一个线对发送信号，经过线路衰减从链路远端干扰相邻接收线对(由发射机在远端传送信号，在相邻线对近端测出的不良信号耦合)为远端串扰(FEXT)。2．近端串扰功率和(PSNEXT) 近端串扰功率和（PowerSumNEXT，PSNEXT）是指：在4对对绞电缆一侧测量3个相邻线对对某线对近端串扰总和(所有近端干扰信号同时工作时，在接收线对上形成的组合串扰)，单位为分贝（dB）。近端串扰功率和定义为：

式中：PSj表示第j对线的近端串扰功率和。如图4.12所示是综合近端串扰的示意图。图4.12综合近端串扰布线系统信道的PSNEXT值应符合表4.8的规定。频率(MHz)最小近端串扰功率和(dB)D级E级F级157.062.062.01640.650.662.010027.137.159.9250-30.253.9600--48.2表4.8信道近端串扰功率和值3．等电平远端串扰ELFEXT 远端串扰FEXT并不是一种很有效的测试指标，电缆长度对测量到的FEXT值的影响很大，这是因为信号强度与它所产生的串扰及信号在发送端的衰减程度有关。因此两条一样的电缆，会因长度不同而有不同的FEXT值，因此须以等电平远端串扰(EqualLevelFEXT，ELFEXT)值的测量来替代FEXT值的测量，并将其定义为：=FEXT-A 式中：P1F表示主串线对远端的输出功率；P2F表示被串线对远端的串扰输出功率。

如图4.13所示是等电平端串扰的示意图。

图4.13等电平远端串扰布线系统信道每一线对的ELFEXT数值应符合表4.9的规定。注：①与测量的近端串扰FEXT值对应的ELFEXT值若大于70.0dB则仅供参考；②ELFEXT计算值大于60.0dB时均按60.0dB考虑；③ELFEXT计算值大于65.0dB时均按65.0dB考虑。表4.9信道等电平远端串扰ELFEXT的值4．等电平综合远端串扰功率和（PSELFEXT）

等电平综合远端串扰功率和（PowerSumELFEXT，PSELFEXT）描述某线对受其他线对的等电平远端串扰的综合影响程度，单位为分贝（dB）。根据《综合布线工程验收规范》（GB50312-2007），布线系统信道每一线对的PSELFEXT数值应参考表4.11所列关键频率的PSELFEXT建议值。

频率(MHz)最小PSELFEXT(dB)D级E级F级154.460.362.01630.336.254.510014.420.341.4250-12.334.8600--28.3表4.11信道PSELFEXT建议值4.2.6传播时延和时延偏差

1．传播时延

传播时延又称链路时延，或称链路延迟，它表征了信号在线对中的传播速度，与额定传输速率NVP（NominalVelocityofPropagation）值成正比，一般用纳秒（ns）或微妙（µs）作为度量单位。表4.13给出了布线系统信道最大传播时延的容限值。频率/MHzA级/µsB级/µsC级/µsD级/µsE级/µsF级/µs0.120.0005.000----1-5.0000.5800.5800.5800.58016--0.5530.5530.5530.553100---0.5480.5480.548250----0.5460.546600-----0.545表4.13信道最大传播时延值2．传播时延偏差

传播时延偏差是指以同一缆线中信号传播时延最小的线对作为参考，其余线对与参考线对时延的差值，即最快线对与最慢线对信号传输时延的差值（DelaySkew），以ns或µs作为单位，范围一般在50ns以内。总结： ①衰减、串扰等决定了电缆传输信道的传输带宽。在确定网络的传输带宽时，不能单一的恒量某一指标，必须进行综合平衡分析。 ②特征阻抗、回波损耗、结构回波损耗反映了电缆传输信道的结构特性以及和系统相匹配的性能。通信电缆与系统的阻抗匹配越好，网络中的误码就越少；回波损耗和衰减引起的噪音越大、信号越弱，接收器不能完全译解真正的数据信号，因此误码的机会就越大。 ③传播时延、时延偏差决定了数据帧的丢失率和完整性。特别是在千兆、万兆位以太网中，电缆信道须具有良好的传播时延特性才可以确保数据帧的完整性。

4.3光纤信道性能指标

光纤信道性能主要指标有光纤的工作波长、光纤信道损耗、光纤信道的通信富裕度、带宽和反射损耗等；其中，影响光纤信道性能的主要参数是光纤信道损耗。

4.3.1光纤的工作波长

在综合布线系统中，光纤的工作波长窗口参数应符合表4.14的规定。

光纤模式标称波长/nm下限/nm上限/nm基准试验波长/nm最大光谱宽度(FWHM)/nm多模光纤85079091085050多模光纤1300128513301300150单模光纤131012881339131010单模光纤155015251575155010表4.14光纤工作波长窗口参数4.3.2光纤信道的损耗

1．光纤自身的衰减 光纤自身的衰减Ac根据光纤类型不同及导入光波长不同而不同。根据光纤传输衰减系数公式:

可知，若在L长光纤的信道始端截面，由光信号发生器在光信道输入的光功率为P1，而从光纤信道的末端，光信号接收器接收到的光功率为P2，则光纤自身衰减的计算公式为：其中，A（λ）的单位为dB。各等级的光纤信道衰减值如表4.15所示。信道多模单模850nm1300nm1310nm1550nmOF-3002.551.951.801.800F-5003.252.252.002.00OF-20008.504.503.503.50表4.15各等级的光纤信道衰减值(dB)2．光纤连接损耗 光纤连接损耗是指节点至配线架之间的连接损耗，如各种连接器；光纤与光纤互连所产生的耦合损耗，如光纤熔接或机械连接部分，以及其他损耗等。

表4.16连接器件的损耗连接器件说明损耗单位多模光纤导入波长：850µm3.5～4.0dB/km多模光纤导入波长：1300µm1.0～1.5dB/km单模光纤导入波长：1300µm1.0～2.0dB/km连接器<1.0dB/个光旁路开关在未加电的情况下2.5dB/个熔接点熔接或机械连接0.5(近似值)dB/个3．光纤耦合损耗

光纤耦合损耗值Am如表4.17所列。

接收光纤发送光纤耦合损耗/dB50µmNA=0.2051µmNA=0.2262.5µmNA=0.27585µmNA=0.26100µmNA=0.2950µm，NA=0.2051µm，NA=0.2262.5µm，NA=0.27585µm，NA=0.26100µm，NA=0.290.00.00.00.00.00.40.00.00.00.02.21.60.00.10.03.83.21.00.00.05.74.92.30.80.0表4.17光纤耦合损耗值Am

4．其他原因造成的损耗 其他原因造成的损耗主要有：光纤色散损耗Pd（厂家说明）；信号源老化损耗Ma，约为1～3dB；热偏差损耗Mt，约为1dB；以及安全性方面的损耗Ms，约为1～3dB等。5．光纤信道的总损耗 综合上述，光纤信道总损耗值A的计算公式如下：

其中，L为光纤信道长度，Nr计划个数，其余的Nx为各种连接个数（x=con，pc，s，m）。4.3.3光纤信道通信富裕度

通常用G表示光信号增益，其计算公式表示为： 其中，Pt代表指定的发送功率，Pr是接收装置灵敏度，则光纤信道的富裕度M为： 只有当M>0时，光纤通信系统才能正常运行。

4.3.4光纤的模式带宽

综合布线系统多模光纤的最小模式带宽应符合表4.18的规定。

光纤类型光纤直径(µm)最小模式带宽(MHz·kin)过量发射带宽有效光发射带宽波长850nm1300nm850nmOml50或62.5200500-0M250或62.5500500-0M35015005002000表4.18多模光纤模式带宽4.3.5反射损耗

在综合布线系统中，光纤信道任一接口处光纤的反射损耗，应大于表4.19中所列数值。

多模单模标称波长/nm850130013101550反射损耗/dB20202626表4.19最小的光纤反射损耗限值光纤的相关技术参数如下：（1）多模光纤 多模光纤标称直径为62.5/125µm或50/125µm。在850nm波长时最大衰减为3.5dB/km；最小模式带宽为160MHz·km(62.5/125µm)、400MHz·km(50/125µm)；在1300nm波长时最大衰减为1.5dB/km，最小模式带宽为500MHz·km(62.5/125µm，50/125µm)。（2）单模光纤 单模光纤应符合IEC793-2、型号BI和ITU-T