高速通訊當道　雙絞線應用歷久彌新

其中，有些文章會探討同軸纜線及印刷電路板線路，雖然這些電路板採用雙絞線，卻很少人討論到雙絞線在不同環境下的使用狀況。根據筆者的觀察發現，原因在於進行雙絞線分析時，很快就會遇到一些非常複雜的數學運算式。

圖1　雙絞線示意圖

在分析同軸纜線與印刷板電路的線路時，可以利用一個二維分析來建構一個纜線特性的完美模型，但雙絞線是一個三維的架構，如果缺乏立體空間的第三維度，將無法分辨出雙絞線與非雙絞線導體間的差異。因此，本文希望針對運用雙絞線進行高速通訊提供更完整的說明，作為設計人員的參考，同時，也將探討從A點到B點間高速資料傳輸所面臨的問題。  

雙絞線最大的吸引力在於其中的訊號是以平衡成對的方式進行傳送，訊號並非以接地為基準點傳送，而是以雙絞線另一端為基準。在平衡成對傳送訊號的過程中，若遇到電場或磁場的干擾，干擾會以成對等量的方式同時影響到雙絞線中的兩條纜線。由於接收器只會注意雙絞線兩條線路的訊號差異程度，因此電場或磁場所造成的干擾只會造成非常輕微的影響，甚至可以忽略。因為雙絞線不易被電磁干擾影響，也就代表有較小訊號振幅的差動訊號能在相似環境下的單端系統中節省能源消耗。

差動電纜線仍有訊號損失

儘管在推導雙絞線衰減特性的數學運算上比同軸纜線複雜很多，但最終的結果卻很類似，它們都具有三種類別的損失：  

‧	阻抗損失(Resistive Loss)
	來自於纜線本身具有的電阻。這項效應與頻率無關而且非常的小。在大多數情況下，阻抗損失並不會造成影響。只有在極低資料傳送率訊號與長距離電力供應時才須考慮到這個效應的影響。

‧	集膚效應損失(Skin Effect Loss)
	其衰減程度的大小與頻率大小的平方根函數成正比。由於在非高頻的狀況中，此效應為衰減的主要因素，因此大多數的雙絞線應用都須考慮這個效應的影響。

‧	介電損失(Dielectric Loss)
	其大小與頻率大小成正比，但初值很小。

如果從資料率的觀點來考慮訊號傳送，非常低速傳輸的衰減主因來自於受到阻抗損失的影響，而高速傳輸最容易受到集膚效應損失的影響。一旦資料傳輸速率高達每秒10億位元(1Gbit/s)甚至每秒20億位元(2Gbit/s)以上時，就會開始產生大量的介電損失。由於介電損失與傳送速率、纜線長度成正比，一旦出現介電損失就會快速地損及資料傳輸的品質，因此介電損失出現的時間點代表纜線在實際應用的最大上限。

各類纜線用途性能殊異

大多數應用於通訊的雙絞線都通稱為「Category Cable」，通常都描述為類似「CAT3」纜線。CAT1和CAT2纜線現在都已非常罕見，而CAT3纜線代表著現代電話網路通訊的最低標準。CAT3、CAT5e和CAT6纜線則符合電子工業協會(EIA)與電信通訊工業協會(TIA)所制訂的編號568B纜線標準的規範(表1)。

表1 EIA與TIA所制訂之568B纜線標準規範
纜線類別	纜線特性	資料傳送速率	纜線結構	一般應用範圍
CAT3	16兆赫	每秒10百萬位元	非遮蔽雙絞線	電話網路
CAT4	20兆赫	每秒16百萬位元	非遮蔽雙絞線	速率每秒10百萬位元的基頻雙絞線，速率每秒16百萬位元的環狀區域網路
CAT5e	100兆赫	每秒 80百萬位元	非遮蔽雙絞線	速率每秒100百萬位元的基頻雙絞線乙太網路，速率每秒155百萬位元的非同步傳輸模式
CAT6	250兆赫	每秒200百萬位元	遮蔽雙絞線	十億位元乙太網路
CAT7	600兆赫	每秒500百萬位元	個別遮蔽	百億位元乙太網路

 

各種類別的纜線都有明確的特性定義。例如根據美國國家標準協會中電子工業協會與電信通訊工業協會所制訂的編號568-B.2纜線標準，CAT5e纜線插入的損失必須小於或等於：

其中頻率(f)的單位是兆赫，而最後損失的單位是每100公尺纜線的分貝值(dB)。 上述方程式中第一項代表的是集膚效應損失，而第二項與介電損失有關，亦即藉由找出前兩項相同時的頻率值，就可以找到被介電損失產生巨大影響的轉折點。 在上述的方程式中，可以發現這個轉折點的頻率值會發生在頻率4兆赫的地方。  

從圖2中可以發現，雖然頻率從4,000兆赫時，介電損失開始產生巨大影響，但頻率在1,000兆赫時，損失已高達約80分貝，這將會限制纜線只能使用在極短距離的訊號傳輸。其中一種延長雙絞線長度的方法是使用類似DS15EA101的適應性電纜等化器，其內建一個類比濾波器，具有與圖2相反的纜線特性，另外也內建伺服器機構來調整類比濾波器的增益大小以補償原本纜線的插入損失。使用類似DS15EA101的電纜等化器將可使CAT5e纜線以每秒10億位元組的速率傳送資料長達75公尺的距離(圖3)。

圖3　使用DS15EA101電纜等化器的CAT5e纜線，其最大資料傳送速率與纜線長度的關係曲線

多數情況下，為了讓雙絞線達成跨越聯結的資料傳輸，往往須要使用序列器(Sequencer)。許多序列器具有預先矯正正在驅動進入纜線訊號的能力，提升訊號中的高頻組成。在傳送訊號預加強(Pre-emphasis)作用下，由於高頻訊號比例的增加，訊號會出現過量與不足的現象。因為傳送訊號預加強作用的確會增加訊號的峰值對峰值訊號振幅(Amplitude)超越正常值，如果使用較短距離的纜線時，必須注意到訊號接收端能夠調節到電壓的大小。另一種可以達到相同效應的做法就是解加強(De-emphasis)作用。

經由解加強還原作用中，單位間隔的第一部分仍然保持相同，但在訊號緣轉態(Edge Transition)後很短的時間內，振幅就降到很低的位置。此時的訊號看起來近似於傳送訊號預加強作用的樣子，只是整體的振幅比傳送訊號預加強作用還要更小一點。因此解加強還原作用很適合使用在雙絞線與差動訊號中，因為通常會有免除雜訊過剩的現象。由美國國家半導體(NS)研發的DS32EL0421序列器提供了可程式化的解加強還原功能。此序列器可以在高達每秒31.25億位元組的速率產生連續的資料串流(Data Streams)。

串音/干擾無法避免

就如同在先前段落中所提到的，雙絞線最大的吸引力在於它能受到電磁場干擾的影響往往可以忽略。儘管雙絞線對於干擾所造成的影響並不敏感，但在某些案例中，干擾仍然會對於雙絞線通訊系統造成明顯負面的影響。雙絞線其中一項實用的特性在於，多條雙絞線同時包覆在一個纜線套內，因此只要設置一條纜線就能同時使用到裡面許多對的導線。  

然而，纜線套內的銀襯會造成串音(Crosstalk)的問題。若在纜線套內放置一對以上的雙絞線，每對雙絞線之間就會產生彼此干擾。有很多方法都可以改善纜線內部串音的問題，只是不同的方法所須要花費的成本以及達到的成效都不盡相同。  

最常見的方法是讓纜線內的每對雙絞線有著不同的纏度(Twist Rate)，纏度的定義是每公尺雙絞線的纏繞程度。當纜線內兩對具備不同的纏度的雙絞線靠在一起時，其中一對雙絞線對於另一對的干擾會因纏度的差異而消失。如果不同纏度仍無法有效阻絕兩條纜線所產生的干擾，另一個可行的辦法是使用遮蔽式雙絞線(Shielded Twisted Pair, STP)。  

在遮蔽式雙絞線中，纜線套內的每一對雙絞線外會包裹一層薄金屬遮蔽。如果能夠正確地安裝，薄金屬遮蔽則會在纜線的端點接地，因此可以提供防止同一條纜線中兩對雙絞線之間電磁場互相干擾的遮蔽作用。  

雖然遮蔽雙絞線比常見的非遮蔽雙絞線更能提供隔絕雙絞線相互干擾的保護，但仍有下列幾項缺點：遮蔽雙絞線比非遮蔽雙絞線更昂貴，遮蔽雙絞線在裝設時比非遮蔽雙絞線更困難，以及遮蔽雙絞線的體積比非遮蔽雙絞線龐大。  

須留意近端串音  

同一纜線中多對雙絞線常常會遇到一個共同的問題，就是每一對雙絞線都可能與其他一對雙絞線反向傳送資料。在此情況下，會使串音現象變得更加嚴重。現假設有一個通訊系統，在A點與B點間使用100公尺長的CAT5e纜線同時雙向傳送300兆赫頻寬的訊號(由A點向B點傳送的訊號與由B點向A點回傳訊號同時發生)。根據圖2，預估將會有40分貝的衰減，因此需要一組纜線等化器來恢復訊號的大小，這都是實際上可行的方案。  

現在來討論A點附近區域纜線會產生的串音現象。A點的訊號係來自B點，且該訊號已經衰減40分貝，但從A點傳送出去的訊號卻還是具備完整的強度，因此它是非常具有侵略性的訊號。即使是微量的串音也會影響到接收的訊號，並使訊號無法恢復。這都來自於近端串音或簡稱NEXT。每一種雙絞線都有各自可以接受近端串音的最大容忍值，因此大多數的纜線製造商都會標示每一組雙絞線的近端串音的容忍值(圖4)。

圖4　同一纜線端點中傳送端對於接收端的干擾稱為近端串音。

根據前文所提到的例子，CAT5e纜線中近端串音的最大容忍值可依下列方程式來計算：

在頻率為300兆赫時，近端串音的最大容忍值只能保證在28分貝以下，但是由於接收端的訊號會衰減40分貝，這將超出近端串音的最大容忍值，因此將面臨難以恢復訊號的困境。  

對於此一困境，有幾個解決方法。其中一種方法是選用更高級的纜線，舉例而言，CAT6纜線有著較小的損失。如果採用CAT6纜線會使近端串音減少10分貝的衰減，將會產生明顯的改善。  

若從成本與品質的曲線來看，選用更昂貴且更高級的CAT7纜線，此纜線在纜線套內的每一對雙絞線都有薄金屬遮蔽保護。使用CAT7纜線可以讓鄰近的兩對雙絞線之間有更佳的遮蔽作用，但必須付出更高額的成本，除此之外，也會使纜線結構更為複雜。  

另一種可以選用的方法，就是藉由限制訊號的高頻內容及能量來降低傳送時可能造成的損失。如果傳送端具備傳送訊號預加強的選擇，除非必要時，否則請不要使用該選項。

小心處理橫生雜訊

當訊號通過受控制阻抗線並且遇到間斷性的阻抗，會在間斷處產生反應。如果傳輸線上有很多小間斷，各間斷處的反應會累積起來，而每個間斷也會造成時間延遲，累積起來就像雜訊一樣。  

在雙絞線中，阻抗的強度與兩組雙絞線的靠近程度有關。如果雙絞線長度中的一小段扭曲了，或強迫扭曲纜線到超過原本可接受的扭曲程度，或者藉由用力拉一條纜線的方式使纜線展延，或是使用其他各種方法，這些微小的阻抗間斷都會在整個纜線的長度上出現。  

當檢驗接收端訊號時，將會發現雜訊的存在。正因為如此，所以在裝設雙絞線纜線時，用溫和的方式來做裝設是很重要的。

考量缺點 進行設計改良

日常生活中，處處可見雙絞線的應用，無論是電話系統或是連接家中電漿電視的高畫質多媒體介面(每秒數十億位元組的傳輸速率)，都須使用到雙絞線。雙絞線之所以會被廣泛應用，是基於幾個特殊的優點，如便宜、容易使用與安裝。除此之外，雙絞線具備多種不同的形態，可以廣泛應用於不同的領域。儘管雙絞線有著上述的優點，但雙絞線本身也有一些問題。舉例來說，雙絞線的衰減大於同軸纜線的衰減，以及串音的問題，特別是近端串音的問題可能是使人捨棄雙絞線的重要考量。  

此外，在接近效能極限時使用雙絞線，往往可能因為粗糙的手法而破壞了應有的效能表現。只要設計人員能夠考量到這些缺點與問題來做設計改良，從A點到B點使用雙絞線高速傳速方式將會是最佳的解決方案。  

(本文作者任職於美國國家半導體)