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兆龙6类布线系统创新及研究成果

发布者:兆龙管理员 发布时间:2021-08-13
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近30年来,在中国智能楼宇市场上,约有60%的用户选择了6类千兆布线系统做为物理层媒介。在推出更高端线缆,如:万兆6A类,7类,7A类,甚至支持25GBASE-T,40GBASE-T的8类铜缆之后,千兆6类布线系统依然具有生命力。

兆龙千兆6类布线系统持续研发迭代,于近期成功研发出了第二代高性能6类非屏蔽模块新模块及其包含的6类布线系统具有以下4个创新点:


1. 6类模块传输性能单体合规。

2. 6类永久链路和信道通过多节点、短距离验证。
3. 6类信道支持2.5GBASE-T和5GBASE-T。

4. 6类布线系统支持PoE Type 4(PoE++,90瓦)。

兆龙6类新模块通过单体测试(原件级别的性能测试),其传输性能满足IEC 60603-7-4(包括 ISO/IEC 11801-1 和 TIA-568.2-D)对于6类连接器的所有传输参数要求。
近端串音(NEXT)按照 IEC 60512-27-100 的测试方法验证了针对跳线水晶头的适配性分析(技术名词:“测试插头的矢量响应分析”),正反向一共 28 个参数都符合6类连接器的近端串音的性能要求。

兆龙新开发的 6 类模块的可靠性验证有以下亮点:


◈ 遵循实验室测试方法验证传输性能满足 IEC 国际标准要求。
◈ 插拔次数达到 PL2 等级(2500 次)。
◈ 按照 IEC 国际标准要求测试 PoE Type 4 带电插拔耐受性。
◈ 测试电流-温度曲线验证 PoE 条件下的电流承载能力。

下面展开说明各个亮点的细节:

◈ 新模块按照 IEC 60603-7 的 6 个测试组进行完整的连接器可靠性验证。除了传输参数,其它的可靠性测试完成了6个测试组总共31个测试项目。
◈ 在插拔次数测试中,兆龙实验室完成了 2500次插拔测试。(模块的插拔次数有两个等级:PL1=750 次,PL2=2500 次。)
◈ 模块的“静态”电流承载能力也是需要验证的一个参数。兆龙开发的6类模块按照 IEC 60603-7 的 current-temperature de-rating要求测试验证了不同温度条件下的承载电流能力。下图是在兆龙实验室测试6类非屏蔽连接器的current-temperature de-rating的结果。

新6类模块匹配兆龙 6 类水平线缆和 6 类跳线组成的 6 类永久链路和信道,按照 TIA-568.2-D Annex L 验证了标准所有建议的多节点配置(包括 3 节点链路和 4 节点信道)。

在6 类布线系统的永久链路和信道性能验证中,标准推荐的永久链路和信道的最坏情况的模型有如下几个:

1. 永久链路:90米(2节点);信道:5+90+5米(2节点)。
2. 永久链路:5+85米(3节点);信道:5+5+85+2+3米(4节点)。 
3. 永久链路:5+15米(3节点);信道:1+5+15+1+2米和2+5+15+1+2米(4节点)。
4. 永久链路:15米(2节点);信道:1+15+1+2米(3节点)。
5. 永久链路:10米(2节点);信道:1+10+1米(2节点)。
 
原则一:节点越多,各节点之间距离越短,则近端参数能通过标准要求的难度越高。3节点的永久链路的通过难度高于2节点链路;4节点信道的通过难度高于2节点信道。所以,在TIA-568.2-D Annex L建议的链路和信道配置中,难度最大的永久链路是5+15米三节点链路,难度最大的信道是1+5+15+1+2米四节点信道。表 01是使用6类非屏蔽连接器的6类非屏蔽永久链路的传输性能测试结果。表 02是使用6类非屏蔽连接器的6类非屏蔽信道的传输性能测试结果。

△ 表 01 – 永久链路最小余量总结(dB)

△ 表 02 – 信道最小余量总结(dB)
原则二:节点越多难度越大,非标准的 6 节点信道的难度又高于 4 节点信道。兆龙完成了验证6 类布线系统的 6 节点 100 米信道和 40 米信道,体现了兆龙 6 类系统的性能非常高。下图所示为兆龙实验室测试的100米和40米6节点信道的配置。

测试得到的传输参数如下:

兆龙6类布线系统(信道)按照ISO/IEC TR 11801-9903和TIA-TSB-5021验证了支持2.5GBASE-T和5GBASE-T的能力。尤其按照标准要求验证了外部串扰性能(ALSNR),给出了5GBASE-T的成束安装建议。

用于证明一个6类(E级)信道具有支持5GBASE-T能力的2个步骤:

(1) 信道(单通道)满足6类(E 级)信道的传输参数要求。
(2) 线缆捆扎后信道满足外部串音(ALSNR)的要求,即:测试1 MHz至200 MHz的外部串音并验证5GBASE-T的ALSNR有正余量。

上述要求 (1) 比较容易操作,常见的工程仪表都可以做到。而要求 (2) 比较困难,因为现有工程仪表(例如Fluke、Ideal等测试仪)还没有集成ALSNR的验证功能。兆龙实验室通过实验室测试方法,按照标准步骤计算 ALSNR的余量。

要证明一个信道能支持2.5GBASE-T也有2个步骤:
(1)信道满足5类(D级)信道的传输参数要求;

(2)测试1 MHz至100 MHz的外部串音并验证2.5GBASE-T的ALSNR有正余量。


通过计算得到的兆龙6类信道的2.5GBASE-T的ALSNR在任何长度下,即使完全捆绑条件下,也有正余量。因此使用兆龙新模块的6类信道可以无条件地支持2.5GBASE-T。

关于5GBASE-T的ALSNR,兆龙实验的研究成果如下:

◈ 信道线缆捆扎长度越长,缆间耦合的外部干扰越多,外部干扰的噪声功率越 高。而且信道长度越长,线缆的插入损耗越大,接收端收到的信号功率越低。此消彼长,长度越长的信道,接收端的有用信号的功率与外部串音的噪声功 率的比值就越小(这个就是 ALSNR)。信噪比越小,误码率就会升高,导致 信道无法支持指定的传输速率。
◈ 要提高 ALSNR,一个途径是提高信号功率,可执行的方案是减小信道长度, 即减小插入损耗,使接收端收到更大的信号功率;另一个途径是降低缆间耦 合,可执行的方案是捆扎线束解绑,增大线缆之间的间距,从而使接收端收 到的噪声功率降低。
◈ 根据兆龙实验室的计算结果,50米以下的6类信道,即使线束完全捆扎, ALSNR也能满足5GBASE-T的要求。而对于超过 50 米的信道,由于插入损耗增大,因此需要解绑线缆降低缆间耦合。信道长度越长,需要解绑的长度也会增加。
◈ 100米的信道,需要两端各解绑35米,即解绑总长70米,只在中间捆绑 30米才能支持5GBASE-T的ALSNR。因此兆龙建议超过50米的信道完全解绑以确保支持5GBASE-T;或者选用更高等级的铜缆,如:6A系统,以更好的支持50米以上的5GBASE-T应用。
兆龙新6类模块在设计之初已经按照IEC 60512-99-002标准验证了带电插拔能力,同时验证了6类线缆的PoE升温性能。因此兆龙6类非屏蔽系统已经能够支持PoE Type 4应用(最高90 W)。
下图为兆龙实验室验证6类连接器带电插拔性能后金属结构表面的电弧烧蚀情况。

下图为兆龙实验室测试6类非屏蔽水平线缆在直流供电条件下的升温值。

模块的平衡参数(TCL和TCTL)得到大幅改善之后有哪些好处?


1. 非屏蔽系统有更强的抗电磁干扰能力。
2. 布线系统在PoE应用环境中一对双绞线内承载电流的差异更小。 
3. 非屏蔽系统能够更好地支持5GBASE-T。
4. 4节点信道短链路(1+5+15+1+2米)也能满足所有传输参数要求。

几点有益的说明:

◈ 平衡参数(如TCL和TCTL)描述传输系统将差模信号转变为共模信号的能力。它们等效于传输系统将外来共模噪声转变为可测量的差模噪声的能力。平衡参数性能越好,系统会更少地将共模噪声转为差模噪声。
◈ 非屏蔽系统没有屏蔽层,因此任何外来电磁干扰都会辐射至对绞线上。绝大多数情况下,外部辐射的电磁干扰信号是共模信号。因此,一个平衡性非常好的非屏蔽系统,即使接收到了共模噪声,系统也只会转变出非常少的一部分差模噪声,相当于将共模噪声“过滤”或“抑制”。因此平衡参数是衡量非屏蔽系统抵抗电磁干扰能力的指标。
◈ 对绞电缆在直流供电时,一对双绞线的两根导体以并联的形式承载电流。如果两根导体的电阻相同,则电流平均分流在两根导体上传输。如果两根导体的电阻不同,则按照电阻并联的性质,小电阻的导体承载更多电流。而导体电阻消耗的功率按照P=I2 ∙R 计算,电流差距越大,小电阻导体消耗的功率按照电流的平方律增大,会导致一对双绞线内的一根导体的发热量大大高于另一根导体。为此,PoE相关的标准ISO/IEC TS 29125(信息技术,终端设备远程供电的电信布线要求)以及TIA TSB-184-A(Guidelines for Supporting Power Delivery Over Balanced Twisted-Pair Cabling)规定了一对双绞线的对内电阻不平衡的要求。对绞线的两根导体电阻差距越大,相当于两根导体越“不平衡”,会反映到平衡参数测量当中。如果布线系统要支持以太网供电,那么布线系统必须要有较高的平衡性。

 小结:开发一个合规的6类非屏蔽模块是决定一个优异性能的6类综合布线信道/链路的重中之重。兆龙最新研发的6类非屏蔽模块及其在研发过程中所做的创新及研究成果给用户持续带来价值。

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