10GBase-T 合规性和 恶劣环境影响

在军事、航空航天和优质工业和通信系统等恶劣环境中，高速以太网连接器和电缆组合在调制解调器、路由器、计算机和其他有线互联网设备之间传输宽带信号。在此恶劣环境中，高速、优质的以太网连接器必须能够保持传输完整性，并耐持久冲击和振动环境。本文探讨了必要的以太网 10GBase-T 电气和冲击与振动测试，然后介绍了适用于该环境的标准 RJ45 解决方案以及未来可能的替代方案。

电缆类型	带宽	100 米时的最大速度
Cat 5	100MHz	1Gbps
Cat 5e	100MHz	2.5Gbps
6 类	250MHz	5Gbps
Cat 6a	500MHz	10Gbps

表 1：Cat 5/5e 和 Cat 6/6a 电缆带宽和最大数据速率的比较，电缆长度可达 100 米

以太网电气测试鉴定

10G 以太网的传输速率不是每周期一位或 10 吉比特 (Gbps) 每秒。以上述速度在每周期发送一比特，会产生信号完整性问题，需要昂贵的高速连接器，并限制传输路径长度。为了在避免这些问题的同时实现高比特率，10G 以太网采用了调制技术，可以较低的频率在每个周期（波特）传输一比特以上的信息。波特是通信介质运行的符号速率。

一个波特符号可包含一比特以上。多位符号允许在较低频率下实现更高吞吐量。10G 以太网采用 16 级脉冲幅度调制 (PAM16) 双矩形 (DSQ) 编码，每个符号 3 位。符号通过四对双绞线以 833Mbaud 的速率传输，总比特率为 10 Gbps。

以太网电气测试环境通过输入和输出连接器，以及连接电缆（见图 1）。

10GBase-T 电缆合规性测试配置根据 6a 类电缆合规性标准 (ANSI/TIA/EIA-568-B.2) 评估性能。测试结果确定是否现有屏蔽（STP) 和非屏蔽 (UTP) 双绞线电缆和连接器是否配置符合电气标准。

电气以太网测试

两种布线版本是 STP（屏蔽双绞线）和 UTP（非屏蔽双绞线），其中STP中的双绞线均经过屏蔽处理（图 2）。

将十二项参数分为两类，即串扰和信号。串扰参数测试电缆双绞线之间的耦合，信号参数测试每根电缆的电气完整性。如果测试的参数不符合 10GBase–T Cat 6a 要求，您的系统将危及网络。这些测试及其缩写见表 2。

类别	测试	缩写
串扰	近端串扰	NEXT
	远端串扰	FEXT
	综合近端串扰	PS NEXT
	衰减串扰比 - 近端	ACR-N
	衰减串扰比 - 远端	ACR-F
	综合衰减串扰比 - 近端	PS ACR-N
	功率总和衰减与串扰比 - 远端	PS ACR-F
信号	回波损耗	RL
	插入损耗	IL
	传播延迟	PD
	传播延迟偏差	PDS

表 2：串扰和信号测试与缩写列表

现有标准测试仪用于评估是否符合以太网 10GBase-T 电缆要求，包括 Fluke Networks DSX-500 和 DSX-8000 电缆分析仪。

串扰测试

在传输系统中，串扰是指当电路或信道的传输信号在另一个电路或信道中产生不良影响。串扰的原因通常是电路或信道之间的不必要电容、电感或传导耦合。

最关键的 10GBase-T 以太网电缆/连接器串扰测试参数是 NEXT 或近端串扰。NEXT 是最重要的电缆测量方法之一，原因是它测量从连接器接线对到电缆端最近的接线对（近端），再到测试设备（图 3）的耦合信号干扰。

以太网的双绞线电缆包含四对接线。这些接线相互缠绕，以减少串扰和外部干扰。当前的 LAN 通常使用此类布线。

NEXT 测试测量干扰对与受害对之间的信号强度差异。大数值（串扰越少）较小数值（串扰越多）更可取。由于 NEXT 随频率变化较大，因此必须在适用的频率范围内对其进行测量。Cat 6a 配备高达 500 MHz。

FEXT、PS NEXT、ACRN、ACRF、PSACRN、以及 PSACRF 为次级串扰参数。远端串扰 (FEXT) 测量也在信道内进行。它类似于 NEXT，但测量点在信道远端。然而，FEXT 并不能完全说明情况，因为距离会衰减信号。若要获得最重要的结果，要从 FEXT 结果中减去衰减（插入损耗），得到衰减串扰比参数 (ACRF)。

最后，以太网 6A 类 10GBASE-T 应用中要注意外部串扰 (AXT)。如果应用转向更高的频率，这对以太网 6A 类 10GBASE-T 应用有效，就会让人担心出现电缆间的串扰。

术语“外来串扰”是指将噪声从一根电缆耦合到另一根电缆。当一束多根电缆包围或干扰单根电缆时，就会发生这种串扰错误。包围该单根电缆的线束电缆就是干扰要素。受干扰要素噪声影响的电缆为“受害”电缆。

随着更快速的用途需要增加带宽，干扰要素可能影响受害电缆的数据传输能力，这种干扰会变得更加严重。用户可能会考虑屏蔽电缆、内部或外部电缆屏蔽层减轻外来串扰。如屏蔽系统中的屏蔽端接不良，则会引入外来串扰。

信号测试

表 3 中描述了四项信号测试参数：

测试	姓名	描述
RL	回波损耗	测量值，以分贝 (dB) 为单位，表示链路上所有位置的所有阻抗失配反射。
IL	插入损耗	能量损失情况，以分贝 (dB) 为单位，以信号到达接收端时的布线链路电阻效应量化损失值。
PD	传播延迟	信号从电路的一端传播至另一端所需的时间。
PDS	传播延迟偏差	非屏蔽双绞线 (UTP) 电缆中最快和最慢线对的传播延迟差异

表 3：信号测试和描述

当用于军事和高质量工业用途时，最关键的 10GBase-T 电缆信号参数是回波损耗 (RL) 和插入损耗 (IL)。回波损耗是局域网 (LAN) 的一项重要测试测量值，特别是那些迁移至更高速协议的局域网。

以太网冲击和振动鉴定

军用和工业工具和设备必须在某些 最恶劣的环境中操作，从海洋深处到最热的沙漠。除了恶劣的自然条件和设备密集型生产车间外，军事和工业环境还必须能够承受炮火冲击、运输振动以及爆炸性和酸性环境。在这些环境中，冲击和振动的影响似乎是不确定的。

广泛使用的 MIL-STD-810 规范包括三十项全面的环境测试，涉及振动、冲击、噪声、温度、湿度、太阳辐射、沙子和灰尘。

振动描述了机械系统的振荡情况。振动规范测量指标是频率、每秒周期数以及幅度或幅度。实际情况下的振动通常没有规律的模式。振动信号可能组合多个正弦量，每个量具有不同的频率和幅度。

振动的高级类别是“自由”或“强制”。如为自由振动，结构随着初始扰动而变化，并且没有能量添加至系统中。在“稳态”条件下，强制振动会继续维持振荡。

冲击是不太精确的振动。冲击能量可能是非周期性脉冲、阶跃或瞬态振动，冲击表明突然性与严重性。其本质特征是：冲击后，系统的运动包括冲击激振的频率和系统的自然频率。经过短暂激振后，系统的持续运动以其固有频率的自由振动质量表示。

虽然 RJ45 连接器 可以满足所有 10GBase-T Cable 电气合规性测试要求，但是无法满足MIL-STD-810 冲击和振动合规性测试要求。

以太网连接器技术

军事和工业以太网系统将通信信道结合在一起。电缆和连接器的完整性决定了 10GBase-T 系统的可用性。

这些系统中的关键环节是连接器与电缆。标准以太网连接器是 RJ45（图 4）。

低成本、小型 RJ45 连接器成功满足 10GBase-T 以太网连接的电气要求，但不符合军用的 MIL-STD-810 冲击和振动合规性测试要求。38999 连接器 通过将 RJ45 连接器 封装在坚固的外壳中（图 5），有效地解决冲击和振动问题。然而，由于此类冲击和振动解决方案庞大且昂贵，因此正在研究更小、更具成本效益的解决方案。Cinch 的 micro-D 等连接器产品已经可以满足冲击和振动要求，目前本品正在评估是否能够满足超 Cat 6 电缆（图 4）的 10GBase-T 要求。

Harsh Environment Considerations for 10GBase-T

军用和高质量工业和通信系统正在使用高速以太网 10GBase-T 连接器和电缆组合，以在恶劣环境中传输宽带信号。根据MIL-STD-810标准，高速以太网连接器必须能够保持传输完整性，以及耐持久的冲击和振动环境。现有技术可以轻松解决电气合规性问题。但是设计师若要减少连接器的尺寸和成本，需要额外关注冲击和振动合规性测试问题。如今，可行的替代方案 RJ45 连接器 被安置在大尺寸、更高成本的 38999 连接器内。