屏蔽布线的必备知识

屏蔽布线的必备知识

1  屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线的不同特点

　　屏蔽与非屏蔽布线系统孰优孰劣，一直是综合布线领域的热点话题。由于消费历史的不同，在10G应用出现之前，欧洲用户更多使用屏蔽布线系统，而北美用户更多使用非屏蔽布线系统。随着10G应用的出现，情况出现了很大的变化。根据BSRIA发布的新闻稿，“在所有的被访问者中，计划在数据中心采用6类、6A类、7类的比例差不多的，但在选择10G铜揽链路的用户中，有75%都计划采用屏蔽的布线解决方案。”下面让我们来分析一下屏蔽和非屏蔽的一些特点。

1.1  技术差别（如表1所示）
表1

　　由于不可能生产完全理想结构的UTP双绞线，并且UTP线缆的双绞结构在施工过程中经过拖拉拽放后，必然会发生微小的变化，这种变化带来的电磁干扰影响随着传输数率增加而越来越敏感。

　　虽然FTP屏蔽双绞线铝箔内的线对也是精密的双绞结构，但它们已经不承担抵抗干扰的主要作用，接地的铝箔对电磁信号具有非常优异反射、吸收、隔离的性能，它使传输数据的双绞导线与外界的电磁环境完全隔离。

1.2  性能特点

　　一般可以采用耦合衰减来衡量线缆抵抗干扰的能力。屏蔽系统一般比非屏蔽系统至少高20dB左右。

　　获得SNR（信噪比）的余量是依赖于线缆的平衡性以及屏蔽层的共模和差模抗干扰能力。网络应用需要大于零的SNR余量来保证正确的信号传输和最小的误码率。随着10GBASE-T的出现，由良好的线缆平衡性来保证的噪音隔离已经几乎不足以支持传输对象。而屏蔽系统与生俱来的抗外来串扰和噪音能力被证明能够将香农容量加倍，引起了系统和应用开发者的重视。实际上，现在的屏蔽系统综合了2代局域网布线的优点：其与非屏蔽一样的双绞结构带来的平衡性保证抵抗低频的干扰，在30MHz以上线缆的平衡性开始显著下降的情况下，其屏蔽结构足以抵御高频的干扰。

1.3  应用领域（如表2所示）

表2

　　非屏蔽系统可以在普通的商务楼宇环境下稳定的工作，但不适合在对信息安全有高度要求，或者有电磁干扰的环境中。不能满足特殊行业的要求：如政府、军队等行业用户。

　　屏蔽系统在干扰严重的环境下，不仅可以安全的运行各种高速网络，还可以安全地传输监控信号，以避免干扰带来的监控系统假信息、误动作等。比如当前正在蓬勃发展的中国电子政务建设，它包括内网和公网二方面。公网建设包括法律法规建设、政府网上办公等；内网建设则非常特殊，包括了政府办公自动化以及各级各地政府机构的信息共享、资源整合等涉及到国家安全的重要信息。屏蔽系统能防止电磁辐射泄露，保证机密信息的安全传输正好适用于内网建设。

1.4  万兆网络应用

　　6类布线系统实现万兆应用的主要因素包括：带宽频率范围延伸到500MHz、必须减少线缆与线缆之间的相互串扰，即ANEXT。

　　屏蔽系统具有比非屏蔽系统更大的可用带宽，一般传输万兆以太网的最低要求布线系统至少具有18G的物理层信道传输能力，非屏蔽的万兆布线系统物理层的传输能力为18~20GBps,刚刚达到底限，屏蔽的万兆布线系统则可以达到35GBps以上的传输能力。

　　非屏蔽的布线系统虽然可以抵御一定的外界干扰，但工程中同一线槽内的双绞线一般均为同厂家产品，这些线缆完全一样，在传输高速网络信号时，相邻的线缆间会产生信号的相互耦合，尤其是相同颜色的线对由于绞距与方向完全一样，耦合的干扰无法依靠平衡结构抵消。现在主要是依靠增加线缆外径扩大线与线之间的距离、减少绑扎、改变线缆的形状、限制不同类别的线缆在一个线槽等方法来弥补。但屏蔽布线的屏蔽结构使得它对降低线缆间的相互干扰有先天的优势。屏蔽系统不仅可以屏蔽外界的电磁信号，铝箔也同时阻断了线缆本身的电磁泄露，不会发射干扰信号影响其它线缆的工作。紧密线槽内部的各个线缆同时运行万兆以太网，相互间没有影响。

1.5  工程实施

　　非屏蔽布线系统由于在中国的工程项目中应用广泛，在10G应用出现以前，其施工工艺也相对简单。但同时需要特别注意绞距的保持，剥线的长度，弯曲半径，以及与干扰源的隔离距离。

　　屏蔽布线产品技术的发展，使系统施工也越来越简单，屏蔽效果越来越可靠。现在的屏蔽产品施工，不需要复杂的屏蔽层接地程序，模块、配线架端接也简单方便可靠。同时，由于近年国内政府、安全、军事部门广泛使用屏蔽布线系统，国内的中、大型布线系统集成公司均具有丰富的屏蔽布线施工经验。

　　在10G应用出现以后，由于10GBASE-T 应用对外来串扰很敏感。相关产品需要谨慎设计以应对复杂的外来串扰环境。10G的非屏蔽布线系统实施要求严格地执行特殊要求的安装工艺来帮助减少外来串扰，而屏蔽线缆结构有效抵御变形，对安装工艺要求相对较低。

1.6  关于标准

　　屏蔽布线标准已经非常完善成熟，2001年发布的TIA/EIA-568-B2的附录K详细的描述了对屏蔽布线系统的要求。并详细说明的线缆及连接硬件的阻抗转换的测量与计算方法。ISO11801标准中也同样描述关于屏蔽布线系统的具体要求。在现场测试方面，屏蔽布线系统都是等同于相同级别的非屏蔽布线系统。

1.7  关于测试

　　屏蔽布线系统的传输性能与非屏蔽布线系统一样依据国际标准进行测试。但屏蔽性能方面的技术参数除屏蔽层的连续性外，其它如耦合衰减等确实无法现场测试，这必须通过产品本来的质量来保障。

　　目前屏蔽布线产品技术经过10余年的发展，已经非常成熟，甚至市场系统已经有了7类屏蔽产品。屏蔽线缆与接触件产品的设计可以完全保障系统施工后屏蔽层的连续与360度的全程屏蔽。屏蔽布线系统按施工要求完好接地后，就可以实现预期的屏蔽效果。

　　事实上，包括非屏蔽系统，布线产品很多性能都是必须通过产品本身质量提供保证而在工程现场是无法验证的。比如非屏蔽线缆也无法测试双绞结构的精确度是否均匀来检验对电磁干扰信号的相互抵消情况。布线系统的兼容性能、防火性能、抗老化性能、对温度的敏感性、光纤系统的色散指标等等方面的保障，都是需要通过厂家的ISO质量保证体系、产品第三方测试等手段来实现。

　　屏蔽系统由于其与生俱来的屏蔽特性拥有得天独厚的抗外界干扰能力，使得外部ANEXT的串扰被消除，从而无需进行现场ANEXT测试。而对6A UTP系统来说，Alien外部串扰的现场测试却是不可缺少的。

2  屏蔽双绞线的分类

　　屏蔽双绞线按性能分类：FA级/7类、EA级/6A类、E级/6类、D级/5E类。

　　屏蔽双绞线按结构分类：平衡元素、每个单元线对的屏蔽层、总体的屏蔽层、非屏蔽、铝箔屏蔽、铝箔屏蔽、编织网屏蔽、编织网和铝箔双层屏蔽。

3  屏蔽布线产品的特点

3.1  标准中对屏蔽系统的描述

　　2001年公布的TIA/EIA-568-B标准增加了对屏蔽（ScTP）布线系统的支持，特别是TIA/EIA-568-B.2中新增的附录K用了12页的篇幅来描述屏蔽（ScTP）布线系统的要求，并详细说明了线缆和连接硬件转换阻抗的测量及计算方法。

　　“当屏蔽结构被采用时，可以改善对信号载体电磁辐射的控制以及对外界电磁干扰源的抗扰能力。”由此可见，相对UTP系统而言，ScTP系统的优势在于增加了对内对外的双重EMI保护。而目前国内屏蔽用户看重的主要还是对于外界电磁干扰的防护。

　　“然而，提供这些好处的屏蔽能力基于多种因素。包括布线系统部件（线缆和连接器）的特性，安装的方法和保护，以及相连有源设备的设计。”可见，光靠简单的选用屏蔽线缆和接插件，是不能够满足所希望的传输和屏蔽效果的。

　　“它（ScTP布线系统）包括屏蔽水平线缆，屏蔽主干线缆，屏蔽工作区连接硬件，屏蔽电信间连接硬件，屏蔽跳接线。”屏蔽跳线是整个系统中最容易被忽视的环节，所以说，跳线是应用的基础，需要采用工厂检验的屏蔽跳线把屏蔽链路真正地延伸到“端到端”的网络应用。

　　“它（标准）定义了屏蔽匹配性和屏蔽接地要求，使优化电磁兼容（EMC）性能。”匹配性是指模块化插头插座的性能匹配，关系到产品间的兼容性，而接地则是屏蔽布线系统的重要必备步骤。

　　转换阻抗：“衡量屏蔽性能的参数，由被屏蔽层包围的导体上的电压与屏蔽层外表面电流之比来表示。”

　　“转换阻抗直接影响屏蔽线缆和屏蔽连接硬件的屏蔽功效（受电磁场影响的屏蔽质量）。”

　　“符合转换阻抗标准的线缆和连接硬件并不足以保证链路和信道的正确转换阻抗。线缆屏蔽层必须完全按照制造商操作手册端接到连接硬件的屏蔽层上。不同厂商的相关屏蔽层结构设计是相对独立的。”

3.2  屏蔽布线产品的特点

　　使用屏蔽布线系统，尤其是屏蔽6A系统的优势很多，包括：

　　（1）更好的性能

　　◆相对于UTP只能提供18Gbps的香农信道容量而言，FTP可以提供超过23Gbps；
　　◆更好的10G性能余量意味着支持更多未来的网络应用，从而进一步降低系统的全寿命周期费用；
　　◆优异的外部串扰性能，比UTP的串扰性能好上20dB；
　　◆屏蔽的天然特性使得外部ANEXT的串扰被消除，从而无需进行现场测试，而对6A UTP系统来说，Alien外部串扰的现场测试却是不可缺少的。

（2）更好的安全性

　　◆在外界噪声干扰严重的环境中，屏蔽系统对噪声的免疫性可以为高速率信号传输提供更好的保证，更能胜任噪音环境下的无故障运行；
　　◆屏蔽系统可以排除外界辐射，从而提高信号的安全性。

（3）更好的空间利用率和易安装性

　　◆ 比6A UTP更细的线缆可以提高管槽的容积利用率；
　　◆ 6A UTP有诸多的严格安装限制如弯曲半径，不可过紧的线缆绑扎带，因为不同速率的信号传输将产生ANEXT并干扰到6A UTP性能，所以6A UTP不可与5e类或6类混合在一个线槽或桥架里等，而屏蔽系统无此限制；
　　◆ 新的产品端接设计使得接地更加简单，而且步骤清晰明了。

（4）更好的散热功能，更节能

　　◆ 屏蔽系统拥有更好的散热功能。根据最近来自TIA和ISO/IEC标准委员会的理论和实验数据显示：在同样的直流电穿过线对时，UTP非屏蔽系统会比F/UTP屏蔽系统升高两倍的温度。原因是因为金属的屏蔽层的导电性和散热能力比起护套材料高很多；

　　◆ 比6A UTP更细的外径提高了空气流通性和制冷效果，更加节能。

　　基于10G 6A F/UTP的绿色节能的屏蔽数据中心解决方案

　　针对数据中心，用户最关心的，或者说布线系统最该考虑的可以归纳为以下几点：外来串扰最小化、防止线缆外皮变形、优化线槽/管道填充率、支持高密度安装的能力、便于安装。

（5）屏蔽的误区一

　　误解：屏蔽层是一长段金属,就象天线一样。

　　担心：屏蔽会从外界吸收信号,并向外界辐射双绞线对上传输的信号。

　　事实：从某种意义上讲，屏蔽层和双绞平衡铜缆都像天线一样，由于平衡传输的结构，低于30MHz的信号不会影响非屏蔽/屏蔽布线，高于30MHz的信号无法穿透屏蔽层。

测试模型的验证数据（如图1所示）

图1

　　 F/UTP布线比UTP系统提供40dB的抗噪音余量空间，40dB等效于耦合信号强度降低100倍。

（6）屏蔽的误区二

　　误解：出现在屏蔽层上的噪音信号只能经由接地连接消除。

　　担心：未接地的屏蔽层会辐射和放大吸收信号。

　　事实：尽管未接地, 屏蔽层仍能因其电阻、分布电抗和串联电感而形成的低通过滤作用，极大地衰减高频信号。

　　测试模型的验证数据（如图2所示）。

图2

　　未接地的F/UTP布线比UTP系统提供20dB的抗噪音余量空间，20dB等效于耦合信号强度降低10倍。

4  接地设计

　　“接地系统是电信布线系统的整体组成部分之一。除了保护个人和设备受电压危害，一个正确的接地系统能减少对于和来自电信布线系统的电磁干扰（EMI）。不恰当的接地系统会引入电压干扰电信线路。”

　　“端接ScTP线缆时，接地漏极线必须按照制造商的要求连接至连接硬件。在跳接空间的连接硬件必须连接至ANSI/TIA/EIA-607接地系统。”

　　“ScTP线缆的屏蔽层必须在电信间用导线连接至电信接地总线。工作区的接地通过设备电源连接。工作区的屏蔽连接一般由ScTP跳线完成。在水平布线的工作区端，在屏蔽层和为设备供电的电插座接地线之间测得的电压不能超过1.0Vrms。在使用这条线路前，任何造成高电压的因素都要被排除。”

　　一般和其他系统联合接地时，接地电阻不得超过1  。如果单独接地，接地电阻不得超过4。

　　美国国家电气规范NEC条款250和EIA/TIA 607还指出，实心铜制接地母线孤立绝缘地安装在入口设施处和设备间，每个电信间也如此。每根母线按照国家电气制造协会NEMA标准钻孔，经常用以附接压缩闩装置、电信设备、机架、机柜和电压保护器等。所有房间的母线由主干绝缘实心铜线连接。这个主干连接电信入口处的主接地总线，连至电气入口处的大地接地，连至每层楼的钢筋结构。接地导体布线必须用绿/黄色或正确标注。

　　如今大部分新大楼的建筑部门已经在弱电间或电信间、设备间、入口设施之间提供了低压接地总线。

　　安装布线系统的安装商，应该在每个TR使用1根接地线连接机架/柜至上述低压接地总线，这些接地线可以是AWG 6或更粗绝缘铜线，颜色是绿/黄。

　　如果是没有接地系统的旧楼，安装商必须和建筑部门协调，按照607或地方法规自行安装主干接地系统。不可以连接至水管。

　　对于UTP或ScTP，上述步骤和要求是一致的。

　　对于ScTP布线系统，安装商需要在TR另外使用绝缘接地线连接ScTP配线架接地片和机架/柜的接地片。

　　西蒙的HD-S或TERA系列屏蔽配线架在左右两侧都有接地片。可以使用AWG6（4.115mm）或更粗接地线把多个快接配线架连在一起连接接地系统。

　　如果使用CT屏蔽配线架，需要使用接地背架连接每个CT屏蔽模块至机架屏蔽系统。工作区不需要接地，只要求插座、线缆和配线架的屏蔽层端接连通。