數(shù)據(jù)電纜的串音問題及其解決措施探討

王存良，王國權(quán)（江蘇亨通線纜科技有限公司）

數(shù)據(jù)電纜的串音問題及其解決措施探討

王存良，王國權(quán)
（江蘇亨通線纜科技有限公司）

近年來，隨著數(shù)據(jù)電纜通信的帶寬及數(shù)據(jù)傳輸頻率不斷增加，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量要求越來越高，數(shù)據(jù)電纜的串音現(xiàn)象分析具有重要意義。論文結(jié)合具體實踐，介紹了數(shù)據(jù)電纜的串音現(xiàn)象，分析了數(shù)據(jù)電纜出現(xiàn)串音問題的原因，并有針對性地分析了數(shù)據(jù)電纜串音問題的解決措施。

數(shù)據(jù)電纜；串音；解決措施

1　引言

隨著全國通信網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸容量、速度、質(zhì)量不斷提高，對通信用數(shù)據(jù)電纜的要求也日益提升，以滿足系統(tǒng)綜合布線的需求。串音指標(biāo)是表征通信電纜抗噪音能力的重要指標(biāo)，并與數(shù)據(jù)傳輸誤碼率、綜合布線長度、系統(tǒng)帶寬息息相關(guān)，因此，進(jìn)行數(shù)據(jù)電纜串音問題的探討具有重要意義。

2　數(shù)據(jù)電纜的串音現(xiàn)象

串音是影響數(shù)據(jù)電纜通信質(zhì)量的重要因素之一。目前，市內(nèi)通信經(jīng)常采用對稱雙線回路，這種通信回路具有開放的電磁場，當(dāng)數(shù)據(jù)電纜內(nèi)部某一線對進(jìn)行通信時，自身產(chǎn)生的電磁場通過電磁感應(yīng)現(xiàn)象，將在同一數(shù)據(jù)電纜的其余線對引起串音，電磁感應(yīng)將形成感應(yīng)電壓和電流，對數(shù)據(jù)通信造成干擾。

3　數(shù)據(jù)電纜串音現(xiàn)象產(chǎn)生原因分析

數(shù)據(jù)電纜串音現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是電磁耦合，電纜串音的大小取決于線對之間電磁耦合的強(qiáng)弱，與各個線對之間的相對位置和結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。電磁耦合根據(jù)原理又可以分為電耦合和磁耦合兩種。

3.1電耦合

電耦合主要是指數(shù)據(jù)電纜的主串和被串回路之間介質(zhì)能量損耗和不平衡電容產(chǎn)生的干擾電流。電耦合的產(chǎn)生原因是多樣的，與電纜的線對結(jié)構(gòu)不對稱、介質(zhì)電氣特征不均勻、絕緣厚度不一致等都有關(guān)系；在低頻情況下，數(shù)據(jù)電纜導(dǎo)線線對間的耦合主要是電耦合。圖1所示為電耦合的耦合機(jī)理示意圖。

圖1　電耦合的耦合機(jī)理

設(shè)噪聲源電壓為 US，其在受感應(yīng)導(dǎo)體Z1回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電流為 I，則通過電耦合，在Z1回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：

UN=jwMI=Mdi/dt

式中，M為互感， di/dt為噪聲源回路的電流 I變化率。

表1所示為不同的電纜線間距離下感應(yīng)到的噪聲電壓值。

表1　不同電纜線間距離的噪聲電壓值

3.2磁耦合

磁耦合主要是指數(shù)據(jù)電纜的主串回路和被串回路之間金屬損耗和電感不平衡產(chǎn)生的干擾電流。磁耦合產(chǎn)生的原因主要與電纜的線徑位置不對稱和導(dǎo)線電氣特性不均勻有關(guān)。隨著電纜線路頻率的升高，數(shù)據(jù)電纜導(dǎo)線線對間的耦合初始以磁耦合為主，而且不再僅限于鄰近的線對間，經(jīng)過第三回路或波反射等途徑而產(chǎn)生的磁耦合不斷增加。

4　數(shù)據(jù)電纜串音現(xiàn)象的解決措施探討

傳統(tǒng)的對數(shù)據(jù)電纜串音現(xiàn)象的解決措施以線對間節(jié)距配合為主，通過交叉效應(yīng)降低串音出現(xiàn)的概率。隨著數(shù)據(jù)傳輸頻率不斷升高，數(shù)據(jù)電纜的傳輸指標(biāo)不斷提升，僅靠線對節(jié)距配合已經(jīng)不再能夠解決問題。有必要進(jìn)一步探討串音現(xiàn)象的以下解決措施。

4.1采用合理的電纜結(jié)構(gòu)改善串音

4.1.1利用線對距離效應(yīng)

線對距離效應(yīng)是分析數(shù)據(jù)電纜串音的重要方法，對于固定的電纜結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩線對間的距離越大串音將越小。因此，通過增加主串線和被串線之間的距離，可以降低二者之間的電磁干擾，從而改善數(shù)據(jù)電纜內(nèi)部的串音現(xiàn)象。目前，利用線對距離效應(yīng)的常見方法是使用非極性材料進(jìn)行隔離。例如：對于六類纜線可以在纜線的線對間加裝“十”字形骨架以增加線對距離；對于超五類纜線可以在線纜纜芯外包裹一層非金屬材料，通過非極性材料的隔離，來改善電纜纜線內(nèi)部各個子單位之間的串音。

4.1.2采用外包屏蔽材料

在電纜的線芯外包屏蔽材料，包覆在絕緣表面的金屬屏蔽與金屬護(hù)套之間等電位，能夠改善電纜絕緣，降低電纜線對之間的電磁耦合。此時，屏蔽效果的好壞由屏蔽材料的厚度和重疊率決定。圖2所示為屏蔽對耦合的影響，在受感應(yīng)導(dǎo)體外包了屏蔽層后，設(shè)屏蔽層的對地電容為CL，則此時外包屏蔽層感受的噪聲電壓Un為：

由于感應(yīng)噪聲電壓作用到了屏蔽層上，因此極大降低了電容耦合，克服了串音問題。

圖2　屏蔽對耦合的影響分析

以7類纜為例，它對包括相對延差、NEXT等在內(nèi)的指標(biāo)要求很高，需要采用線對節(jié)距配合金屬箔線對屏蔽的方法來應(yīng)對串音問題；為了提升屏蔽效果，有時還在纜芯外加編織屏蔽。

同時應(yīng)該注意，在高頻信號傳輸時導(dǎo)體會出現(xiàn)集膚效應(yīng)。此時，應(yīng)該根據(jù)最低使用頻率來設(shè)計和計算外包屏蔽層的厚度；同時要相應(yīng)增加屏蔽中的金屬層數(shù)，以增加信號在線纜傳輸時的反射次數(shù)，降低電磁耦合，解決串音問題。

4 .1 .3采用合理的纜芯絞合方式

除了線對距離和外加屏蔽外，纜芯的絞合方式也與耦合情況下的電場分布情況密切相關(guān)。目前，常用的纜芯耦合方式有同心層絞式、束絞、單位式絞合等，這些絞合方式各有優(yōu)缺點。同心層絞式的線對距離固定，纜芯的結(jié)構(gòu)圓潤整齊，因此電容的分散性較小，尤其適合高頻電纜；束絞方式的線對間相對位置不固定，因此電容分散性相對較大，多適用于中頻和低頻電纜，不宜用于高頻電纜；單位式絞合的單位直徑遠(yuǎn)大于單線直徑，通過增加線對距離來降低串音，具有良好效果，但同時，單位式絞合方式內(nèi)線對間的節(jié)距應(yīng)互不相同。

4.2選擇合理的絞對節(jié)距

一般來說，絞對節(jié)距越小，越有利于降低電纜的串音問題；但隨著絞對節(jié)距的降低，線纜的生產(chǎn)速度隨之降低，傳輸時延隨之上升。因此，絞對節(jié)距的選擇應(yīng)該兼顧性能、速度、時延三者的關(guān)系，盡量使電纜線對間的電磁波矢量相對抵消。在生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制芯線絕緣的放線和收線張力、齒輪精度，并將對絞節(jié)距的波動控制在3%以內(nèi)。

4.3嚴(yán)格控制制造過程中的工藝參數(shù)

4 .3 .1絕緣工序

制造中應(yīng)該確保絕緣外徑的圓整和均勻，良好的均勻性有利于降低電磁波的反射，減少串音；提升絕緣制造工藝，將絕緣偏心控制在合理范圍內(nèi)，降低因絕緣偏心引起的不平衡電容和差模電流；盡可能少使用有色母料，降低因介質(zhì)損耗引起的不平衡。

4 .3 .2絞對工序

芯線絞對時，應(yīng)盡量使用在直徑、絕緣外徑、線對等方面差異較小的芯線，以降低因電容和電阻不平衡引起的串音；經(jīng)常測試絞對線之間的實際節(jié)距，對高頻電纜還應(yīng)測試節(jié)距的波動情況，超五類以上的電纜需要將節(jié)距波動控制在1%以內(nèi)。

4 .3 .3成纜工序

成纜時應(yīng)該注意對節(jié)距波動的控制。使用成纜機(jī)時，可能因為加扭或減扭等作用而產(chǎn)生節(jié)距變化，引起不平衡，因此，應(yīng)該嚴(yán)格控制成纜工序，將因成纜導(dǎo)致的節(jié)距波動控制在±5mm。

5　結(jié)束語

引起數(shù)據(jù)電纜串音的原因是多方面的，與生產(chǎn)、設(shè)計、施工、使用等環(huán)節(jié)均有關(guān)系。因此，為了改善串音問題，有必要進(jìn)一步提升電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，重視電纜制造工藝改進(jìn)，做好電纜工藝控制。

【1】劉子玉，王惠明.電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].西安：西安交通大學(xué)出版社， 1996.

【2】方敏，劉雅.關(guān)于通信用水平對絞電纜串音性能的討論[J].電線電纜，2011，22（03）：20-23.

【3】胡觀華.多用戶 VDSL 系統(tǒng)串音問題研究[D].寧波大學(xué)，2011.

Discussion on Crosstalk and Solutions of the Data Cable

WANG Cun-liang，WANG Guo-quan
（JiangSu Hengtong Wire&Cable Technology Co.,Ltd.）

In recent years, with the increasing bandwidth of data cable, the frequency of the data transmission is increasing, and demanding high quality data transmission as well, it has great significance to analyse the crosstalk phenomenon for data cable.Connecting to specific practice,the article gives an introduction to the crosstalk phenomenon for data cable, analyses the cause of crosstalk problem, and focus on analysing the solution to improve the crosstalk.

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