以太網(wǎng)光電接口基本特性精

1、光、電接口基本特性及波形傳輸硬件開(kāi)發(fā)部劉堅(jiān)以太網(wǎng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了10M、100M、1000M三個(gè)階段（10G未包括在內(nèi)）,其中涉及的一些主要的介質(zhì)規(guī)范列表如下：介質(zhì)規(guī)范支持的電 纜類(lèi)型支持的連最大線纜長(zhǎng)度編碼方式10BASE-T2對(duì)5類(lèi)以上UTPRJ-45100m半或全雙 工曼徹斯特100BASE-T44對(duì)3類(lèi)以上UTPRJ-45100m半雙工8B/6T100BASE-TX2對(duì)5類(lèi)以上UTPRJ-45100m半或全雙 工4B/5B-MLT3100BASE-T22對(duì)3類(lèi)以上UTPRJ-45100m半或全雙工PAM5 X 5100BASE-FX2根多模光 纖SC 或 ST接頭半雙工412m 全雙工

2、2000m半或全雙工4B/5B1000BASE-SX2根多模光 纖SC 或 ST接頭550m半或全雙工8B/10B1000BASE-LX2根單?；?多模光纖SC 或 ST接頭5000m半或全雙工8B/10B物理介質(zhì)OSI模型白第1層包含著介質(zhì)和接口，最底層的通信就是在這里完成的。目前共有四種 基本的介質(zhì)類(lèi)型：同軸電纜、雙絞線、光纖電纜和無(wú)線技術(shù)。各種介質(zhì)都有其各自的特點(diǎn)， 適用于某特定類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)。最常用的是雙絞線電纜；同軸電纜也很常用，但更主要應(yīng)用在原 來(lái)的LAN中；光纖電纜通常用于連接要求高速存取的計(jì)算機(jī)，以及在不同樓層和建筑物間 連接網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線技術(shù)用于使用電纜連接非常困難或非常昂貴的環(huán)境下

3、。通常說(shuō)來(lái)，選擇數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)時(shí)必須考慮5種特性（根據(jù)重要性粗略地列舉）：吞吐量和帶寬、成本、尺寸和可擴(kuò)展性、連接器以及抗噪性。這里我們主要介紹雙絞線及光纖電纜。雙絞線電纜雙絞線（TP）電纜類(lèi)似于電話(huà)線，由絕緣的彩色銅線對(duì)組成，每根銅線的直徑為0.4毫米0.8毫米，兩根銅線互相纏繞在一起。雙絞線對(duì)中的一根電線傳輸信號(hào)信息，另一根被接 地并吸收干擾。將兩根線纏繞在一起有助于減少干擾的影響。雙絞線電纜是目前局域網(wǎng)中最通用的電纜形式，它相對(duì)便宜，靈活且易于安裝，同時(shí)在需要一個(gè)中繼器放大信號(hào)前它能跨越更遠(yuǎn)的距離（雖然不如同軸電纜傳的遠(yuǎn)） 。雙絞線電纜能輕易地應(yīng)用于多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，但更經(jīng)常地是應(yīng)用于

4、星形和星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。所有的雙絞線電纜可以分為兩類(lèi)：屏蔽雙絞線（STP）以及非屏蔽雙絞線（UTP）。1、屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線（STP）電纜中的纏繞電線對(duì)被一種金屬箔制成的屏蔽層所包圍，而且每個(gè) 線對(duì)中的電線也是相互絕緣的。2、非屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線（UTP）電纜包括一對(duì)或多對(duì)由塑料封套包裹的絕緣電線對(duì)。UTP沒(méi)有用來(lái)屏蔽雙絞線的額外的屏蔽層。因此，UTP比STP更便宜，抗噪性也相對(duì)較低。下面是 UTP的標(biāo)準(zhǔn)：1類(lèi)線（CAT 1）: 一種包括兩個(gè)電線對(duì)的 UTP形式。適用于話(huà)音通信，而不適用于數(shù) 據(jù)通信。最大傳輸速率20Kbps o2類(lèi)線（CAT 2）: 一種包括四個(gè)電線對(duì)的 UTP形式。最大

5、傳輸速率 4Mbps。3類(lèi)線（CAT 3）: 一種包括四個(gè)電線對(duì)的 UTP形式。在帶寬為16MHz時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速 度最高可達(dá) 10Mbps。3 類(lèi)一般用于 10Mbps 的 Ethernet 或 4Mbps 的 Token Ring。4類(lèi)線（CAT 4）: 一種包括四個(gè)電線對(duì)的 UTP形式。它能支持高達(dá)20Mbps的吞吐量， CAT 4 可用于 16Mbps 的 Token Ring 或 10Mbps 的 Ethernet網(wǎng)絡(luò)中。并且與 CAT 1、CAT 2 或CAT 3相比，它能提供更多的保護(hù)以防止串?dāng)_和衰減。5類(lèi)線（CAT 5） : CAT 5包括四個(gè)電線對(duì)，支持 100Mbps吞吐量和

6、100Mbps信號(hào)速率。除100Mbps Ethernet之外，CAT 5電纜還支持其他的快速連網(wǎng)技術(shù)，例如異步傳 輸模式（ATM ）。增強(qiáng)CAT 5:即超五類(lèi)UTP, CAT 5電纜的更高級(jí)別的版本。它包括高質(zhì)量的銅線，能 提供一個(gè)高的纏繞率，并使用先進(jìn)的方法以減少串?dāng)_。增強(qiáng)CAT 5能支持高達(dá)200MHz的信號(hào)速率，是常規(guī)CAT 5容量的2倍。6類(lèi)線（CAT 6）:包括四對(duì)電線對(duì)的雙絞線電纜。每對(duì)電線被箔絕緣體包裹，另一層 箔絕緣體包裹在所有電線對(duì)的外面，同時(shí)一層防火塑料封套包裹在第二層箔層外面。箔絕緣體對(duì)串?dāng)_提供了較好白屏蔽，從而使得CAT 6能支持的吞吐量是常規(guī) CAT 5吞吐量的六倍

7、，由于CAT 6是一種新技術(shù)且大部分網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不能利用它的最高容量，CAT 6目前很少用于當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)中。TP電纜的特性：吞吐量：STP和UTP能以10Mbps的速度傳輸數(shù)據(jù)，CAT5 UTP以及在某些環(huán)境下的 CAT3 UTP的數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)100Mbps。高質(zhì)量的CAT5 UTP能以每秒1GB的速度傳輸數(shù)據(jù)。成本：STP和UTP的成本區(qū)別在于所使用的銅線級(jí)別、纏繞率以及增強(qiáng)技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，STP比UTP更昂貴，但高級(jí)UTP也是非常昂貴的。連接器：STP和UTP使用的連接器和數(shù)據(jù)插孔 RJ45連接器?？乖胄裕篠TP具有屏蔽層，因而它比 UTP具有更好的抗噪性。但是，在另一方面， UTP 以使用

8、過(guò)濾和平衡技術(shù)抵消噪聲的影響。尺寸和可擴(kuò)展性：STP和UTP的最大網(wǎng)段長(zhǎng)度都是100米，即328英尺。它們的跨距小于 同軸電纜所提供的跨距， 這是因?yàn)殡p絞線更易受環(huán)境噪聲的影響。 雙絞線的每個(gè)邏輯段最多 僅能容納1024個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大長(zhǎng)度與所使用的網(wǎng)絡(luò)傳輸方法有關(guān)。光纖隨著光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在人們已經(jīng)可以利用光導(dǎo)纖維來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。人們用光脈沖的出現(xiàn)表示“ 1”，不出現(xiàn)表示“ 0”。由于可見(jiàn)光所處的頻段為 108MHz左右，因而光纖 傳輸系統(tǒng)可以使用的帶寬范圍極大。事實(shí)上，目前為止的光纖傳輸技術(shù)使得人們可以獲得超過(guò)50,000GHz的帶寬，而且今后還可能更高。當(dāng)前實(shí)際使用的10Gbp

9、s限制是因?yàn)楣?電以及電 /光信號(hào)轉(zhuǎn)換的速度跟不上。在實(shí)驗(yàn)室里，短距離可以獲得100Gbps的帶寬甚至更高。今后將有可能實(shí)現(xiàn)完全的光交叉和光互連，即構(gòu)成全光網(wǎng)絡(luò)，到那時(shí)網(wǎng)絡(luò)的速度將成千上萬(wàn)倍地增加。光傳輸系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：光纖傳輸介質(zhì)、光源和檢測(cè)器。光纖傳輸介質(zhì)是超細(xì)玻璃 或熔硅纖維。光源是發(fā)光二極管（ Light Emitting Diode , LED）或激光二極管。這兩種二極 管在通電時(shí)都發(fā)出光脈沖。檢測(cè)器是光電二極管，遇光時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)電脈沖。在光纖的一端安裝一個(gè)L E D或激光二極管，另一端安裝一個(gè)光電二極管，我們就有了一個(gè)單向的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。光傳輸利用的是一個(gè)基本的光學(xué)原理，即任

10、何以大于臨界值角度入射的光線，在介質(zhì)邊界都將按全反射的方式在介質(zhì)內(nèi)傳播，而且不同的光線在介質(zhì)內(nèi)部將以不同的反射角傳播， 我們可以認(rèn)為每一束光線都有不同的模式。如果纖芯的直徑較粗，則光纖中可能有許多種沿不同途徑同時(shí)傳播的模式，我們將具有這種特性的光纖稱(chēng)為多模光纖( Multi-mode Fiber);如果將光纖纖芯直徑減小到光波波長(zhǎng)大小的時(shí)候，則光纖如同一個(gè)波導(dǎo)，光在光 纖中的傳播沒(méi)有反射，而沿直線傳播，這樣的光纖稱(chēng)為單模光纖(Single-mode Fiber)。光纖結(jié)構(gòu)是圓柱形，包含有纖芯和包層，如圖 2-3-2所示。纖芯直徑約575m,包層的 外直徑約為100150師，最外層的是塑料，對(duì)纖

11、芯起保護(hù)作用。纖芯材料是二氧化硅摻以 錯(cuò)和磷，包層材料是純二氧化硅。纖芯的折射率比包層的折射率高(這使得光局限在纖芯與包層的界面以?xún)?nèi)向前傳播)川1電凡奸的耦5膜bil事基此牌|小幫才鼎光纖的主要傳播特性為損耗和色散。損耗是光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)單位長(zhǎng)度的衰減，其單位為dB/km。色散是到達(dá)接收端的時(shí)延差，即脈沖寬度，其單位是肉/km。光纖的損耗會(huì)影響傳輸?shù)闹欣^距離，色散會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸率，兩者都很重要。自1976年以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)1.3 m和1.55 m波長(zhǎng)的光纖可以獲得 0.5dB/km至0.2dB/km的衰減率，0.85 m波長(zhǎng)的光纖的衰 減為3dB/km ,多模光纖能使 0.85 m波長(zhǎng)的光纖

12、的色散從 400師/km減至10師/km以下。在 1.3 m的波長(zhǎng)中，單模光纖的色散近于零，所以單模光纖在使用時(shí)，可以同時(shí)兼得低損耗和 低色散兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，無(wú)中繼的距離可達(dá)50100km,數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)2Gbps以上。單模光纖很昂貴，且需要激光光源，但其傳輸距離非常遠(yuǎn)， 且能獲得非常高的數(shù)據(jù)傳輸 率。而多模光纖相對(duì)來(lái)說(shuō)傳播距離要短些，而且數(shù)據(jù)傳輸率要小于單模光纖；但多模光纖的優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格便宜，并且可以用發(fā)光二極管作為光源。光纖支持的十分高的帶寬，因?yàn)樗鼈儍H僅受光的高頻光子特性的限制，而不受電信號(hào)的低頻特性限制。光纖通信的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、傳輸容量大、重量輕、尺寸小、不受電磁干擾和 靜電干擾、無(wú)串音干擾

13、、保密性強(qiáng)、原料豐富、生產(chǎn)成本低。因而，由多條光纖構(gòu)成的光纜 已成為當(dāng)前主要發(fā)展的傳輸介質(zhì)。編碼我們前面提到的曼徹斯特、4B/5B編碼等都屬于基帶信號(hào)。編碼的目的主要出于以下幾點(diǎn)考慮：1、便于同步定時(shí)信息的提取。數(shù)字通信中，為了保證接收端正確接收數(shù)字信號(hào)，接收 端的接收時(shí)鐘必須與發(fā)送端的發(fā)送時(shí)鐘保持同步。接收時(shí)鐘一般是從接收數(shù)據(jù)中恢復(fù)出來(lái) 的，這就要求接收數(shù)據(jù)含有豐富的定時(shí)信息。而實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)有可能包含長(zhǎng)串連續(xù)的0或1碼流，這是不利于同步信息的提取的。因此需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，加入豐富的0、1和1、0跳轉(zhuǎn)。2、使傳輸碼流平均直流電平為零，減小功率消耗。編碼控制使傳輸碼流的0電平個(gè)數(shù)和1電平個(gè)數(shù)基

14、本相等，此時(shí)直流電平為零，直流功率消耗最小。3、利用編碼中的冗余信息（如4B/5B、8B/6T）,可定義出幀起始、終止、控制等標(biāo)志，以 及部分起到錯(cuò)誤檢測(cè)作用。下面介紹幾種常用的編碼方式： 曼徹斯特CLOCKNRZ101100曼徹斯特曼徹斯特編碼較為簡(jiǎn)單，它在非歸零碼Bit的中間發(fā)生跳轉(zhuǎn)，跳變規(guī)律為1電平由1到0的跳變替換，0電平由0到1的跳變替換。4B/5B4B/5B編碼的示意流程如下。 源端將數(shù)據(jù)中的每 4bit以5bit來(lái)進(jìn)行編碼。編碼后的串行 數(shù)據(jù)在信號(hào)線上傳輸?shù)侥康亩撕?，再?jīng)4B/5B解碼恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。SourcePrevious disparity4-hil endDestin

15、ationTrue ar complement decisionE-bil 匕口d白Serial signa I line4B/5B編碼的效率為80%,有效碼元中最多出現(xiàn)三個(gè)連續(xù)的0,累積下來(lái)的直流電平偏移與額定直流電平相比正負(fù)不超過(guò)10%。4B/5B編碼有利于交流耦合及同步時(shí)鐘的提取，般用于FDDI和100M以太網(wǎng)。以下為 4B/5B的編碼表。Tabi 10: 4B博日 CodingCode TypeDATA4日 Code 3210Name5B Code 43210Interpretation000 001門(mén)小Data 0000 I10 L 00 1Data 100 I 0-1o g ooD

16、ata 20QI I110 10Data X0 I 00J0 10 1 0Data 0 fo I50 10 1 1Data 5Olio60 L 1 0Data 60IIL70 L 1 1Data 1I ooog】o。i aData SI 00 Ig1 0C 1 1Data QI 0 I 0A101 10Data AI 0 I LB0 1 1 1Data BI I coCL 0 1 0DiitaCI I 0 ID1 IC 1 1Data DI I I 0E11100Data ELillF1 1 1 01Data FIDLEundefined1 1J 1 1 IJIdle. Used as iii

17、ter-stream fill codeCONIROL0 I 0 I爐L 0 00Sinn-pf-S(Ram delimiter fSSDl, pan 1 of20 I 0 IK31 000 1SiLirt*ji-StrcLim Delimiter (SSD3, pan2 oT2undefinedF0 L 1 D 1En d-of-St res 111 Jeli mite r i FSEl part 1 of 2uiKlenned001 1 1End-aBtnam Delimiter i ESO-. pail 2of 2LNVAUDLinde fin edH400 100Transmit Ei

18、rot Usedl to 斡聞e signaling errorsundefinedInvalid00000InvaliduiKkfiiiedbm lid000 0 1InvalidLinde finedInvalid000 1 QnvulidundefijiedInvalid000 1 1InvalidundefinedInvalid00 0 1InvalidundefinedInvalid00】1 0Invaliduikle rinedInvalid0 I000InvaliduM向屈Invalid0 1100InvalidLinde fijiedInvalid00 DOInvalidund

19、efinedInvalidL 00 1InvalidJ. Thg 1-frnqp u kuciHlinBouvtetwoen taunu.2, Hie J ：LHd Kcndkrirefen|: ii purs;承予.J.W. Ilie 1 aod R 1 iiSU - axle gh ups a re j 1 vuyR sen t in pami； R n川。建3 1 .4. An. /IL (linrari cuade jjuup I* usdd ho lejuuI an sirdf ojiidiUuiL8B/10B8B/10B編碼的示意圖如下所示。 由圖中可看出，8B/10B編碼實(shí)際上是

20、由5B/6B和3B/4B 兩種編碼方式組合而成。8B/10B編碼一般用于1G、10G以太網(wǎng)的光纖通道編碼，具有以下優(yōu)點(diǎn)：8B/10B編解碼器易實(shí)現(xiàn)、性能穩(wěn)定，性?xún)r(jià)比高；直流電平均衡，任意碼流序列中直流電平的偏移度?。缓胸S富跳變信息，便于同步時(shí)鐘的恢復(fù)；含有有效的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。10 Binaiv Lines to Serializei芯片5/12V_GND其它編碼方式不再一煩述，有興趣可參閱相關(guān)資料。變換器信號(hào)變壓器連接器早期的共享式同軸以太網(wǎng)使用的連報(bào)潘為x CJBNC-T型連接器，連接頭安裝在同軸電纜兩 端，連接器連接兩個(gè)網(wǎng)段。T翌施接器賽塘陶筑群：BNCGND使用雙絞線的介質(zhì)規(guī)范使用的連

21、接器為 單示意圖如下：RJ45,這是使用最為普遍的一種連接器，其簡(jiǎn)PHY芯片TX RX網(wǎng)口變壓器11 口 IRJ45插座7IW 雙絞線光纖介質(zhì)所使用的光連接器種類(lèi)就較多了，最常用的為ST和SC連接器。ST連接器采用可快速分離的卡口，接合和分離連接器只需轉(zhuǎn)動(dòng)四分之一周即可。這種連接器還帶有內(nèi)置鎖，以便保持安裝完整狀態(tài)。SC連接器符合IEC61754-4和ISO/IEC11801尺度和接口規(guī)范，是為1000BASE-SX和1000BASE-LX指定的連接器。SC連接器使用了一種推與拉的安裝機(jī) 制且也采用內(nèi)置鎖來(lái)保持安裝完整性，它有單工、雙工之分。目前較常使用的光連接器還有LC、MTRJ、SFF、SFP等，