2.4 常用线缆及其传输特性

综合布线工程常用的线缆有铜缆和光缆两类。铜缆包括同轴电缆和双绞线电缆两类。双绞线电缆又分为非屏蔽双绞线电缆（UTP）和屏蔽双绞线电缆（STP）两种。常用光纤有62.5/125μm多模光缆和8.3/125μm单模光缆。

各种线缆按用途又可分为室内和室外两个基本类别，它们功能相同，但结构有所不同。室内用的线缆是阻燃型的，阻燃型电缆内部有一个空气芯，外面有一层阻燃护套，可在有害气体环境中使用。室外电缆主要是非阻燃型的，常用于建筑群之间，可满足防水、防晒等抗特殊环境条件要求。

2.4.1 双绞线电缆的性能指标

双绞线（Twisted Pair）即把两根互相绝缘的导线用一定的规则绞合在一起构成双绞线对，如图2-21所示。绞合可减少相邻导线对之间的电磁干扰。长期以来，双绞线一直用于电话系统，几乎所有的用户电话机到交换机之间的这段传输线（称为用户线）都使用双绞线。它的最大特点是成本低廉、使用方便灵活、具有良好的互连性能，使它获得了广泛应用。

ANSI/EIA-586-A规定了用于室内传输数据的非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）从Cat.1一类线到Cat.5五类线的标准，现在又公布了Cat.6六类线和Cat.7七类线标准，数据传输的速率越来越高。由于与Cat.6和Cat.7配套的高性能设备滞后的原因，因此，当今最常用的还是Cat.3、Cat.5和超5类双绞线缆。

一对双绞线可用作一条通信链路。多对双绞线包封在一个护套内组成多芯双绞线缆，各线对之间的电磁干扰可达到最小。双绞线对的导体直径为0.38～1.42mm。Cat.3的绞合节距长度为7.5～10cm，Cat.5的绞合节距长度为0.6～0.85cm。绞合节距的长度与抵消电磁干扰直接相关，因此必须严格控制。

双绞线既可用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号。传输模拟音频信号时，每5～6km需用一台放大器。传输低码率数字信号时，每2～3km使用一台中继器。Cat.5双绞线的最高可用带宽为268kHz。双绞线传输基带数字信号的最高速率不仅与传输距离有关，还与数字信号的编码方法有很大关系。例如，Cat.5使用T1线路的数据传输速率可达1.544Mbit/s；使用E1线路的数据传输速率可达2.048Mbit/s。

无论哪一类双绞线，信号衰减都随频率的升高而增加。在设计布线时，要考虑接收端应保持有足够大的信号振幅。

在低频（或低速码流）传输时，双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆的抗干扰性。但是超过10～100kHz时，同轴电缆的抗干扰性明显比双绞线高。各类双绞线的最高可用传输速率（与距离有关）和主要用途可参阅表2-5。

双绞线10Base-T和100Base-TX最大可支持的传输距离（中间没有中继器）为100m。数据通信最常用UTP五类线（Cat.5）的结构：采用高电导率的直径为0.511mm（美国线规AWG24号）或直径为0.643mm（AWG26号）的导线。线芯一般为单芯导体，对于要求移动使用的双绞线，有多股芯线的双绞线。导线的伸长率应小于15%，伸长率偏差应小于2%。

采用聚乙烯或聚丙烯绝缘，外径不超过1.4mm，绝缘体的同心度应达到90%以上，外径尺寸的公差不大于3μm。

扭绞节距的精度公差应小于1mm。4对UTP双绞线缆的扭绞节距有：10-12-14-16mm、16-18-20-22mm或17-20-25-30mm等数种。这种不等扭绞节距可更有效地减少线对之间的电磁干扰。电缆护套采用阻燃聚氯乙烯、低烟阻燃护套或氟聚丙乙烯护套等。

1.无屏蔽5类（Cat.5）UTP的主要电气性能

1）最大直流电阻（20℃）：AWG24线芯为9.38Ω/100m；AWG26线芯为5.91Ω/100m。

2）直流电阻的最大不平衡度：ANSI/EIA-568A为5%；ISO/IEC 11801为3%。

3）线对最大工作电容（1kHz）：55.8pF/100m。

4）线对与地之间电容的最大不平衡度：330pF/100m。

5）绝缘电阻（最小值）：不低于150MΩ/km。

6）介质耐压：直流1kV（1min）或2.5kV（2s）。

7）特性阻抗：在77.2kHz时应为102Ω±15%（87～117Ω），在1～100MHz时应为100Ω±15%（85～115Ω）。

8）结构回波损耗（SRL）：在1～20MHz时，SRL>23dB；在20～100MHz时，SRL>20-10log（ f /20）dB，式中 f 为测试频率（MHz）。

表2-12是Cat.5 4对UTP双绞线缆的电气特性。

2.超5类和6类/E非屏蔽双绞线电缆

超5类和6类/E非屏蔽双绞线电缆相比5类UPT在衰减、近端串扰和结构回波损耗等性能指标方面都有较大提高。表2-13是6类/E双绞线传输通道与5类双绞线传输通道主要性能指标比较。

3.屏蔽双绞线电缆

屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP），采用铝塑薄膜制成扭绞线对的屏蔽层，进一步提高了双绞线缆的抗干扰能力，适用于更高传输速率的数据传输，但成本也相应地会提高。

STP屏蔽双绞线缆有两种结构形式：FTP（Foil Twisted Pair）和S-UTP（Shielded-UTP）。

FTP采用0.05～0.07mm的铝塑薄膜对UTP双绞线对进行总屏蔽，达到提高抗干扰能力的目的，它是一种最便宜的STP屏蔽双绞线缆，在欧洲较流行。

另一种S-UTP电缆采用同类铝塑薄膜屏蔽，但它不仅对每根扭绞线屏蔽，而且还对两根屏蔽的扭绞线再进行总屏蔽，因此它具有更高的抗干扰性能，适用于更高的传输速率。

设计综合布线时，应考虑由多条链路组成一条信息传输通道。GB 50311—2016《综合布线系统工程设计规范》中规定的平衡电缆传输通道（Balanced Cabling Links）的参数，适应于屏蔽或非屏蔽平衡电缆传输通道。

平衡电缆传输通道的电气特性参数有：直流环路电阻、特性阻抗、衰减、近端串扰损耗、结构回波损耗、衰减与串扰比和传输延迟等。

（1）特性阻抗。特性阻抗与环路电阻不同，它取决于线对铜线的直径、绞距及绝缘材料的介电常数，即与双绞线的电感特性、分布电容相关，与传输线缆的长度无关。

不同类型的电缆有不同的特性阻抗，在频率为1MHz到指定的最高传输频率之间，平衡电缆通道的特性阻抗有100Ω、120Ω和150Ω三种，最大偏差不超过15%。

传输通道中任何一个连接点阻抗不匹配，都会引起信号反射，造成信号失真。传输通道特性阻抗的不一致性可用结构回波损耗来描述。

（2）结构回波损耗。结构回波损耗（Structural Return Loss，SRL）是衡量通道特性阻抗一致性的一个参数。如果线缆和连接硬件的阻抗不匹配，就会造成信号反射。反射到发送端的能量会给入射信号形成干扰，导致信号失真，降低综合布线的传输性能。因此，通道链路的阻抗匹配越完善，结构回波损耗也越大，反射能量就越少。结构回波损耗与传输信号频率有关。当传输信号频率 f 在1MHz到最高参考频率的范围内，传输距离为100m或更长时，SRL的值应不小于表2-14所列的数值。

（3）衰减。信号在通道中传输时，由于导线的直流电阻和电抗对信号的衰减，使信号随着传输距离的增加而越来越小。衰减不仅与传输线路的长度有关，还与传输信号频率有关。用单位长度的衰减dB数来度量（dB/m）。综合布线平衡电缆通道的最大传输衰减应不超过表2-15中给出的值。

（4）近端串扰损耗。当信号在1根平衡电缆中传输时，同时会在相邻线对中感应一部分信号。例如在4对双绞线电缆中，当1对线缆发送信号时，在相邻的另一线对中也会产生信号，这种现象称为串扰。

串扰可分为近端串扰（Near End Cross Talk，NEXT）和远端串扰（Far End Cross Talk，FEXT）两种。近端串扰出现在发送端，远端串扰出现在接收端。远端串扰的影响较小，综合布线系统主要测量近端串扰。近端串扰以串扰损耗的dB数来度量，近端串扰损耗值越大，说明近端串扰越小。表2-16是不同应用通道等级的最小近端串扰损耗要求。

近端串扰损耗与信号频率和通道长度有关。频率越高，近端串扰越大，串扰损耗dB越小。水平布线通道常用混合电缆、多单元电缆，此时应考虑不同单元之间的近端串扰衰减，要求比表2-13的对应值提高一个 Δ _NEXT 。

式中 Δ _NEXT ——混合电缆或多单元电缆附加的近端串扰损耗，单位为dB；

n ——电缆内的相邻单元数。

（5）衰减/串扰比。为提高数据通信质量，我们希望通道的衰减越小越好，近端串扰损耗越大越好（即近端串扰越小越好），衰减/串扰比（Attenuation to Cross Talk Ratio，ACR）类似于通信系统中衡量信号质量的信号/噪声比（S/N），希望衰减/串扰比（ACR）越大越好。ACR可用下述公式计算：

式中ACR——衰减/串扰比，单位为dB；

α _N ——链路中任何两对线之间测得的近端串扰损耗，单位为dB；

α ——通道信号衰减，单位为dB。

从表2-12和表2-13可算出各类应用通道的衰减/串扰比。

（6）直流环路电阻。导线的直流环路电阻对传输信号起衰减作用。直流环路电阻与导线的直径成反比，与导线长度成正比。表2-17是各类应用通道允许的最大直流环路电阻。测量直流环路电阻时，把线对远端短路，在近端用欧姆表测量环路电阻。

（7）传输延迟。传输延迟是指接收端需经多长时间才能收到发送端的信号。水平子系统的最大传输延迟，一般规定不应超过1μs。

2.4.2 光缆传输的性能指标

光缆（Fiber Cable）是光导纤维电缆的简称。光纤通信就是利用光纤传递光脉冲来进行通信。光载波的调制通常采用ASK振幅键控的形式，也称为亮度调制（Intensity Modulation）。以光的出现和消失来表示两个二进制数字。有光脉冲时，相当于1；没有光脉冲时，相当于0。由于可见光的频率非常高，约为10 ⁸ MHz的数量级。因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其他各种传输介质通信系统的传输带宽。

光缆传输具有传输损耗低、传输速率高、频带宽、无电磁干扰、保密性高、尺寸小和重量轻等显著特点，因此是近年来发展最快的传输介质之一。综合布线系统的“光进铜退”是大势所趋。

石英玻璃是光传输损耗最低的材料，由透明度非常高的石英玻璃拉成直径为8～62.5μm的柔软细丝，用这种纤维细丝传导光线，可以得到最低的传播损耗。

仅有这根玻璃纤芯是无法传播光线的，因为从不同角度入射的光线会直接穿透纤芯，而不是沿着光纤轴向传播，就像一块透明玻璃不会使光线改变传播方向那样。为使光线改变方向并能沿着光纤轴向传播，就必须在光纤芯的外表面涂一层折射率比光纤纤芯的折射率更低的涂层，这个涂层称为“包层”。这样，当入射光射入光纤纤芯后，会在纤芯与包层的交界处发生全反射，经过这样若干次全反射后，入射光线以极少的损耗到达光纤的另一端（接收端），如图2-22所示。包层所起的作用如同在玻璃背后涂的水银反光层那样，涂了水银的透明玻璃就变成了镜子。

如果在光纤纤芯外面只涂一层包层，那么从不同角度入射的光线会形成不同的行程，入射角大的光线（高次模光线）比入射角小的光线（低次模光线）的反射次数多，从而增加了行程。也就是说，在同一端、同时发出的一个光束，由于光束中各光线的入射角不同而不能同时到达另一端，在接收端造成光脉冲波形失真（脉冲波形展宽压平，见图2-22），这种现象称为“模态散射”。

改善光纤传输中的“模态散射”，可在光纤纤芯外面涂以多层包层，这些包层的折射率一层比一层低，形成一个折射率梯度的包层，使不同入射角的光线大致可以同时到达端点。这就是多模渐变折射率光纤的设计原理。

人们通常谈到的62.5/125μm多模光纤，指的是纤芯外径为62.5μm，加上包层后的外径为125μm。单模光纤的纤芯是4～10μm，外径依然是125μm。光纤的光学传输特性是由纤芯和包层决定的，它们是不可分离的。

按光纤的传输模式可分为多模光纤和单模光纤两类。“模”实际上就是光线的入射角，入射角大的称为“高次模（High Order Modes）”；入射角小的称为“低次模（Low Order Modes）”。

多模光纤的纤芯直径是62.5μm，光线可从多个角度入射，因此称为多模。单模光纤的纤芯直径只有数μm，用激光束（Laser）射入，进入纤芯的光线大多是与纤芯轴线平行的，只有一种射入角度，所以称为单模。

模1、模2、模3就像形状和速度各异的汽车，如图2-23所示。

单模光纤只能传输一种模式，不存在模色散问题。多模光纤的各光模由于反射次数的不同，使多模光线不能同时到达终端。

图2-24表示了多模光纤与单模光纤传输的区别。由于多模光纤中的模色散，在接收总模的光强时，会造成信号波形展宽。图2-25是多模光纤和单模光纤传输波形的比较。

光波在不同介质中传播的速度是不同的，在真空中的传播速度最快（光速 c =3×10 ⁸ m/s）。光波在光纤中的传播速度 v =真空光速 c /光纤的折射率 n ₁ ，玻璃的折射率 n ₁ ≈33%，也就是说，仅为真空中光速 c 的1/ n ₁ ，所以比真空光速慢33%。

光纤传输损耗较小的激光波段位于0.85μm（850nm），比0.85μm波段损耗更小的波段是1.31μm（1310nm），传输损耗最小的波段是1.55μm（1550nm）。这三个波段称为“光纤之窗”。1.30μm波段的最低传输损耗可达0.5dB/km；1.55μm波段的最低传输损耗可达0.2dB/km（即每千米损耗4.6%）。

脉冲调制的激光波束在光纤中的传输速度称为群速度（Group Velocity）， v _g = c ×cos θ/n ， θ 为光束的入射角。

由于光纤非常细，其直径不到0.2mm，通常一根光缆中可包括数十根至数百根光纤，再加上加强芯和填充物，就可大大提高其机械强度。有的光缆中还加入远距离供电线缆。光缆的最外层是包带层和外护套，它的抗拉强度可达数公斤，完全可以满足工程施工的强度要求。

光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合近距离（几公里）传输。如果把光纤的直径减小到只有一个光波波长，那么光纤就像一根波导管那样，可使光线一直向前传播下去，而不会产生光线反射。这样的光纤称为单模光纤。单模光纤的纤芯很细，直径只有几个微米，制造起来成本较高。但单模光纤的传播衰减很小，在2.5Gbit/s的高速率下，可传输数十公里而不必采用中继器。图2-26是光缆的基本结构。

光纤系统使用两种不同类型的光源：发光二极管（Light Emitting Diode，LED）和注入型激光二极管（Injection Laser Diode，ILD）。LED价格较低，可在较大温度范围内工作并可持续较长的工作周期，用于多模光纤通信。ILD的光电转换效率高，有很高的数据传输率，但价格较高，主要用于单模光纤通信。

接收端的光波检测器是一个光电二极管，它把光波转换为电信号输出，也有两种类型：一种是PIN（Positive-Intrinsic-Negative）光电二极管，它是在二极管的P层（+）和N层（-）之间增加了一个I层（本征层），PIN光电二极管价格便宜，但灵敏度较低；另一种是APD（Avalanche Photo Diode）雪崩光电二极管，它的灵敏度较高。这两种光电二极管都属于光电计数器。

低价可靠的发送器为850nm（0.85μm）波长的LED发光二极管，可支持40Mbit/s的速率和1.5～2km范围的局域网。低价接收器为850nm（0.85μm）波长的PIN光电二极管检测器。APD雪崩光电二极管检测器的信号增益比PIN光电二极管检测器高，但需用20～50V的电源。如果要达到更高的传输速率和更长的传输距离，可采用衰减很小的1310nm（1.31μm）或1550nm（1.55μm）波长的单模光纤系统，该系统价格要比850nm系统贵5～10倍。

由于声音、数据和视频这三种信号的通信格式差别很大，串联方式的数字复用系统是无效的。但是如果采用WDM波分复用技术，可以在一条光纤中同时发送三种完全分开的信号，三个不同波长组成三个子系统，可分别满足不同的要求。这种声音、数据和视频信号综合服务的共享传输系统是很有前景的。

光纤通信与一般电缆传输介质相比有很多优点，对于高性能、高吞吐率的局域网和综合布线的干线子系统，十分适合采用光纤传输介质。在WDM波分复用技术中，可以在一条光纤上并行传输许多路中、低速率的码流，这种宽带光纤链路是一种新的数据传输系统。

常用光缆特性如下：

（1）建筑物光缆由2、4、6、12、24或36根光纤构成。光缆外层具有UL防火标志的PVC外护套，可直接放在干线通道中。多模光纤纤芯的直径为62.5μm，单模光纤纤芯的直径为8μm，光纤包层的直径均为125μm。

（2）光纤的传输损耗和传输带宽不仅与传输光模式有关，还与工作波长区有关：

①1310nm（1.31μm）光波区的多模光纤传输衰减为1.0dB/km，最小带宽为500MHz·km；单模光纤的最低传输损耗可达0.5dB/km，最小带宽为33000MHz·km。

②850nm（0.85μm）光波区的多模光纤传输衰减为3.75dB/km，最小带宽为200MHz·km。

（3）建筑物综合布线采用850nm和1310nm两个波长区的光缆。其中850nm波长区采用突变型（Step Index）包层的单模光纤；1310nm波长区采用突变型包层的多模和单模两种光纤。

62.5/125μm大纤芯直径的多模光纤有以下优点：

①光耦合效率高。

②光纤对准要求不太严格。

③需要较少的管理点和接头盒。

（4）光缆的使用寿命为40年。

（5）光缆在各种环境下可承受的温度范围如下：储存/运输时为-50～+70℃，施工敷设时为-30～+70℃，维护运行时为-40～+70℃。

（6）光缆的防雷击性能。雷击对光缆的破坏作用主要有两个方面：一是雷电击中具有金属保护层的光缆时，强大的雷电峰值电流通过金属保护层转换为热能，产生的高温足以使金属熔融或穿孔，从而影响光纤传输性能；二是雷电峰值电流在附近大地中流过时，土壤中产生巨大的热能使周围的水分迅速变成蒸汽而产生类似气锤的冲击力，这种冲击力会使光缆变形。为了提高防雷击性能，光缆护套层中应不含金属加强构件。表2-18是多模光纤与单模光纤主要特性对比。

水平子系统常用的光缆标准是62.5/125μm多模光缆（62.5μm为光芯直径，125μm为光纤包层）。主干子系统除以62.5/125μm多模光缆为主的光缆外还增加了一定数量的8/125μm单模光缆。单模光缆系统的通信带宽和通信距离都大大超过62.5/125μm多模光缆。光缆传输通道的性能指标包括光缆的传输衰减、带宽、截止波长和反射损耗等。

（1）传输衰减（Attenuation）。光纤通道允许的最大衰减应不超出表2-19中列出的数值。

（2）反射损耗（Return Loss）。反射损耗是指注入光纤的光功率被反射回源头有多少，光纤传输系统的反射主要由光纤连接器和光纤拼接质量等因素引起。反射损耗越大，说明反射回源头的光功率越小。对所有光纤通信来讲，不管工作波长或光纤纤芯大小，光的反射损耗都是一个重要指标。综合布线光纤通道任一接口的反射损耗应大于表2-20中列出的要求值。

（3）截止波长（Cut-Off Wavelength）。截止波长是指单模光纤截止不同波长信号高次谐波的能力。只有截止通信波长信号的高次谐波频率，才能够实现单模光纤通信的性能。单模光纤的截止波长要求小于1270nm。

2.4.3 同轴电缆

同轴电缆（Coaxial Cable）由铜质芯线内导体（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织外导体屏蔽层及塑料护套外层组成，如图2-27所示。

同轴电缆具有优异的高频特性和极强的抗干扰能力，广泛用于闭路电视（CCTV）、有线电视（CATV）、微波通信、计算机局域网（LAN）和其他数字通信系统。由于性能价格比的优势，可替代光缆作为干线网络，用于较高速率的数据传输。

同轴电缆通常根据特性阻抗的不同分为两类：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。

1.基带同轴电缆

基带同轴电缆的特性阻抗为50Ω，主要用于数据通信，传输基带数字信号。用这种同轴电缆以10Mbit/s的速率将基带数字信号传输1km是完全可行的。因此基带同轴电缆广泛用于局域网传输系统。一般来说，传输速率越高，传输的距离就越短。

基带同轴电缆分为粗缆（如RG-8、RG-11）和细缆（如RG-58）两种。粗缆比细缆的传输损耗小，适用于较大型的计算机局域网，但造价较高、安装较复杂。细缆安装简单，造价低，但传输距离较短。

无论是粗缆还是细缆，综合布线均采用总线型拓扑结构，即在一根同轴电缆上连接多台终端设备。

图2-28是计算机RJ-45接口转接至同轴电缆非平衡接口的转换器。解决了在E1 G.703（2.048Mbit/s）速率线路上，从75/50Ω双同轴到100～120Ω双绞线间进行双向转换的问题，可用于内部网双绞线连接T1/E1/CPE设备等多种网络传输应用。

基带同轴电缆的双工通信系统由于需有数据发送和数据接收两条分开的数据通路，因此都要用双电缆传输系统。

如果把最简单的基带数字信号（例如PCM信号）直接进行数据传输，最大问题是当连续出现一长串的“1”或“0”时，接收端无法从比特流（或称码流）中提取位同步信号，因此在计算机网络和基带数字信号传输中通常采用曼彻斯特（Manchester）编码和差分曼彻斯特编码，如图2-29所示。

曼彻斯特编码方法是将基带数字信号的每个码元再分成两个相等的间隔。当基带信号为高电平时，曼彻斯特码将由高电平转换到低电平；基带信号为低电平时，则曼彻斯特码的转换相反。这种编码的好处是可以保证在每个基带数字信号码元的正中间时刻出现一次电平转换，便于接收端提取同步信号；缺点是它需占有的频带宽度比原来的基带数字信号增加了一倍。

差分曼彻斯特码是曼彻斯特码的一个变种，它的编码规则是：若基带信号的码元为1，则差分码的前半个码元的电平与上一个码元的电平相同（见图2-29中的实心箭头）；但如果基带信号的码元为0，则差分码的前半个码元的电平与上一个码元的电平相反（见图2-29中的空心箭头）。不论基带数字信号的码元是1或0，在基带信号每个码元的中间时刻，一定要有一次电平转换。差分曼彻斯特编码需有较复杂的技术和需增加一倍的带宽，但可获得更好的抗干扰性。

2.宽带同轴电缆

宽带同轴电缆的特性阻抗为75Ω。传送模拟信号时，最高传输频率可达到500MHz以上。宽带同轴电缆通常划分为若干个独立信道，每个信道的带宽为6MHz或更大。6MHz信道可传送一路模拟电视信号。如果用来传送数字信号时，数据率可达3Mbit/s。

用宽带同轴电缆可组成800MHz频段的双向闭路电视系统，其中5～54MHz低频段用于上行信道，作为用户向播放中心点播电视节目（VOD点播）的通信通道；60～860MHz高频段用于播放中心向用户传送的电视节目信号，因此，一条通路可设置很多个电视播放信道。表2-20给出了75Ω宽带同轴电缆的特性。