无处不在的双绞线

如题所说，双绞线在我们的生产生活中绝对是已经无处不在的了，因为各种设备间的信号传输都会用到它，例如：网线、通讯线、编码器线、电机反馈线...等等。尤其是随着各种设备的数字化，越来愈多的应用场合会需要用到双绞线。

可是大家有没有想过，为什么在进行信号传输时一定要使用双绞线呢？

本期，我们就一起来聊一聊，这些双绞线是怎样工作的呢？

干扰的来源

信号（无论是模拟量信号，还是数字信号）和动力传输的基本形式是电流。这种电流会在电缆周围产生一个引起干扰的电磁场，由此对周围的线路产生噪声影响。

这种电缆间的串扰会随着线路长度的增加而递增。而双绞线的诞生，正是为了消除这种干扰。

什么是双绞线

双绞线（Twisted Pair），是一对相互绝缘的导线，按照一定的规律（一般顺时针方向）互相缠绕绞合在一起的一种布线形式。

这种布线形式的最大特点是有利于消除信号传输过程中的外部电磁干扰（EMI），例如：来自其它非屏蔽电缆的干扰，或者来自周围邻近导线的串扰。双绞线既可以用于传输模拟量信号，也可以用于传输数字信号。

它的发明者是出生于 1847 年的 Alexander Graham Bell。没错，就是大家熟悉的那位发明电话的伟大科学家。

双绞线如何消除干扰

在一对双绞线中，两芯导线分别传输幅值相等、但相位（极性）相反的信号，并且在接收端通过差分放大器检测两者之间的差异，这也就是我们常说的差分信号传输。

噪声源通过电场或磁场的耦合将噪声引入到导线中，并倾向于均等地同时耦合到两条彼此扭曲的导线上。 这样一来，噪声就会在双绞线上产生一组共模的信号。由一条导线产生的干扰/噪声将会与另一根导线产生的干扰/噪声相互抵消，因为它们本质上是大小相等且方向相反的，当差分信号被接收时，在接收器处就会被消除掉，最终得到纯净的没有干扰的信号。

为什么不是同轴线

有人可能会说，同轴电缆的抗干扰性能更加优异。是的没错，十年之前（甚至现在还有）每家每户的有线电视信号都是采用同轴电缆进行传输的。

然而，为了有效阻止来自外界的干扰，同轴电缆的结构非常复杂，包括被多层厚实的绝缘层包裹在中央的一根圆形铜导体和外部编织网屏蔽层，这就导致同轴电缆比较难以实现大规模的安装及布线。

双绞线的特点：

优点：

• 防止外部的干扰噪声进入电缆；

• 防止电缆本身对外产生干扰噪声；

• 使得串扰最小化；

• 成本较低；

• 易于安装和使用；

不足：

双绞线对电磁干扰的效果很大程度上取决于电缆绞合的方式，需要确保电缆在安装使用的过程中保持完好。因此，双绞线电缆通常会在最大牵引力和最小弯曲半径...等方面有着严格的要求。

屏蔽与非屏蔽

双绞线通常可以分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。

为了达到更好的防止电磁干扰的效果，双绞线通常会使用屏蔽层。

屏蔽层的作用是导电屏障，用以削减从外部进入的电磁波，并为感应电流提供传导路径。通过该传导路径，感应电流可以借由接地参考连接循环并返回到源。这种屏蔽既可以应用于一对导线，也可以应用于成对导线的集合。 有时候每一对导线被金属箔单独屏蔽，而整体电缆可以再另外使用金属箔与编织网屏蔽。

屏蔽的几种类型

单独屏蔽

电缆中每对双绞线都采用铝箔单独屏蔽。

这种类型的屏蔽不仅能够保护导线免受来自外部的电磁干扰，同时可以防止导线对周围线路的电磁干扰，并保护相邻的线路免受串扰影响。

整体屏蔽

用金属箔或编织网对电缆中所有的成对导线进行整体包裹。

这种屏蔽有助于防止电磁干扰进入或逃离电缆。

单独屏蔽+整体屏蔽

每对双绞线使用金属箔进行单独屏蔽，并且在整个外层还使用金属箔或编织网屏蔽。

这种屏蔽有助于防止电磁干扰进入或逃离电缆。并保护相邻的线路免受串扰影响。

因为屏蔽是由金属制成的，所以也可以作为接地。 有时候，屏蔽双绞线电缆会包含一芯特殊的接地线，这芯线也被称为排扰线，其电气上与屏蔽层相连，有助于简化连接器与地之间的连接。

双绞线的分类

讲完了几种不同的屏蔽，我们再来看看常见双绞线的分类。

无论工业、商业还是生活中，对称分布的四对双绞线都是最常见的基础网络通信电缆形式。屏蔽 Cat 5e，Cat 6/6a 电缆通常采用 F / UTP 结构，而屏蔽 Cat 7/7 A 电缆则采用 S / FTP结构。

由 TIA/EIA-568-A 所界定及承认、并提供 100MHz 的带宽 的 CAT-5 和 TIA/EIA-568-B 所界定及承认、并提供 125MHz 的带宽的 CAT-5e 电缆常见于传统的局域网电缆，采用非屏蔽双绞线布线（UTP）， 仅适用于 100 Mbps 级别的以太网应用，最长传输距离不超过 100m。由于不支持新兴的应用和信令技术，CAT-5 及 CAT-5e 使用量正在大幅下降，已经处于其产品生命周期的尾声。

CAT-6 目前为 TIA/EIA-568-B 所界定及承认。提供 250MHz 的带宽，比 CAT-5 与 CAT-5e 高出一倍半。CAT-6 250 MHz UTP 电缆仅支持 35-55 m 的 10 Gbps 短距离应用，具体取决于串扰环境。

符合 CAT-6a 500 MHz 非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）已经成为最流行的类型，因为它们通过了 10 Gbps 和长达 100 m 的认证测试 ，而目前 10Gbps 以太网端口的出货量也已经成为工业市场的主流。因此 CAT-6a 将来会使用在万兆以太网（10 Gbit/s）中。

与此同时，欧洲市场领导者和标准设立者正为 10 Gbps 100 米以太网局域网应用推崇带有双重屏蔽（每对双绞线单独屏蔽和电缆整体屏蔽）的 CAT-7 600MHz 标准。CAT-7 为 ISO/IEC 11801 Class F 缆线标准的非正式名称。此标准定义 4 对各别屏蔽的双绞线包覆在一个屏蔽内。其设计将以 600MHz 频率传输信号，串扰控制性能优于 CAT-6a。然而目前北美标准组 TIA 和 EIA-568 还没有对此认账。

文：三太子

校：麥總