屏蔽和屏蔽布线

屏蔽和屏蔽双绞铜缆已经存在了很长时间。作为 20 世纪 80 年代的全球标准，屏蔽（F/UTP 和 U/FTP ）和全屏蔽（S/FTP）电缆一直是某些市场的主流，而其他许多市场则转而使用非屏蔽（UTP）电缆。

但最近，2.5/5GBASE-T 和 10GBASE-T 网络设备的日益普及以及 10BASE-T1L 单对以太网 (SPE) 协议的批准，重新确立了屏蔽和屏蔽系统的商业可行性，并推动了这些系统在以前以非屏蔽为中心的市场中的更广泛应用。

在这一竞争激烈的环境中，市场上出现了许多令人困惑且往往相互矛盾的信息，这给布线专家和最终用户都带来了挑战。本白皮书探讨了有关屏蔽和屏蔽布线的最常见问题、议题和误解。

简介和屏蔽的历史

20 世纪 80 年代，局域网布线开始出现，以支持商业建筑领域开始出现的第一批计算机网络。这些首批网络通常由 IBM 令牌环传输支持，1985 年，IEEE 802.5 将其标准化。令牌环网络的布线由 “IBM 1 类 “电缆和独特的两性连接器组成。IBM Type 1 电缆由 2 个松散绞合、箔屏蔽、150 欧姆的线对组成，周围有一个整体编织层。(即 2 对 S/FTP），如
图 1 所示。

图 1：IBM。1 型电缆

这种介质是支持第一代局域网拓扑结构的最佳选择，原因有几个。它的设计利用了双绞线传输协议的能力，使传输距离最大化（令牌环网的传输距离可达 100 米），并利用成本效益高的收发器提高了数据传输速率。此外，金属箔和编织线还将串扰和电磁兼容性（EMC）性能提高到了早期双绞线设计和制造能力无法实现的水平。

到 1990 年，局域网行业专家开始认识到，交换式以太网比令牌环网具有更高的性能和可靠性。与此同时，双绞线的设计和制造能力也取得了进步，在 10BASE-T 和 100BASE-T 工作频段中，不再需要单个箔片来提供内部串扰隔离，也不需要整体屏蔽来提供外部噪声源抗扰度。1990 年发布的 10BASE-T 应用和 1991 年发布的第一版 ANSI/ EIA/TIA-568 通用布线标准，再加上非屏蔽双绞线 (UTP) 布线的低成本，使 UTP 布线成为当时新 LAN 网络设计的首选介质。

随着以太网应用技术不断发展以支持 10 Gb/s、25 Gb/s 和 40 Gb/s 的传输速率，屏蔽和全屏蔽双绞线布线系统的规格明显回升。本白皮书介绍了屏蔽和屏蔽的实际优势，以及它们如何提高旨在支持高带宽传输的传统 UTP 布线设计的性能。它还消除了有关屏蔽和屏蔽层行为的常见神话和误解。

平衡传输

通过研究建筑环境中存在的信号类型，我们可以清楚地看到为数据传输指定平衡双绞线布线的好处。电信号可以以共模或差分（即 “平衡”）模式传播。共模描述的是两个导体之间的信号方案，其中电压以相位传播，并以地为基准。共模传输的例子包括直流电路、建筑电源、有线电视、暖通空调电路和安全设备。电机、变压器、荧光灯和射频源等干扰源产生的电磁噪声也以共模方式传播。建筑环境中的几乎所有信号和干扰源类型都以共模传播，但有一个明显的例外：双绞线电缆经过优化，可用于平衡或差模传输。差模传输是指两个信号的大小相等，但相位相差 180°，并在双绞线的两个导体上传播。在平衡电路中，两个信号相互参考，而不是一个信号参考接地。平衡电路中没有接地连接，因此，这类电路本身不受大多数共模噪声干扰器的干扰。

从理论上讲，共模噪声在完全平衡的双绞线的每个导体上的耦合都是相同的。差分模式收发器通过执行减法操作来检测双绞线上两个信号之间的峰峰值差异。在完全平衡的布线系统中，诱导的共模信号将显示为两个相等的电压，收发器只需将其相减即可，从而实现完美的抗噪效果。

然而，在现实世界中，双绞线电缆并不是完全平衡的，应用开发人员和系统规范人员都必须了解其局限性。TIA 和 ISO/IEC 委员会在其高等级（即 6 类及以上）结构化布线标准中指定 TCL（横向转换损耗）、TCTL（横向转换传输损耗）和 ELTCTL（等电平横向转换传输损耗）等平衡参数时极为谨慎。通过研究这些参数的性能限制，并注意它们何时开始接近各种以太网应用所需的噪声隔离容差，可以清楚地看出，由平衡引起的共模噪声抗扰度可接受水平所定义的实际工作带宽约为 30 MHz。

虽然这为 100BASE-T 和 1000BASE-T 等应用提供了足够的抗噪能力，但香农容量建模表明，这一水平无法满足 10GBASE-T 的最低抗噪要求。幸运的是，屏蔽的使用大大提高了抗噪能力，使可用的香农容量增加了一倍，并大大增加了未来应用的实际工作带宽。

30 MHz 以上双绞线信号平衡性降低的一个影响是模式转换，即差模信号转换为共模信号，反之亦然。这种转换会对环境噪声抗扰度产生不利影响，并造成线对和平衡电缆之间的串扰，因此必须尽可能将其降到最低。屏蔽可限制环境耦合到双绞线上的噪声，从而降低模态转换的可能性。

噪声干扰的基本原理

所有应用都需要正信噪比（SNR）余量，以便在分配的误码率（BER）水平内进行传输。这意味着传输的数据信号必须大于耦合到传输线（即结构化布线）上的所有噪声干扰信号的总和。如图 2 所示，噪声可以通过以下三种方式中的任何一种或全部耦合到双绞线上：

1.差分噪声 (Vd)：来自相邻双绞线或平衡电缆的噪声。

2.环境噪声（Ve）：由外部电磁场引起的噪声。

3.接地回路噪声 (Vg)：导体两端电位差引起的噪声。

不同的应用对这些噪声源干扰的敏感度各不相同，这取决于它们的能力。例如，10GBASE-T 应用通常被认为对外来串扰（差分模式电缆间耦合）极为敏感，因为其数字信号处理 (DSP) 功能可在每个通道内以电子方式消除内部对对串扰。与对对串音不同，外来串音无法通过 DSP 消除。相反，由于外来串扰的幅度与对对串扰的幅度相比非常小，因此外来串扰的存在对其他应用（如 100BASE-T 和 1000BASE-T）的性能影响很小，这些应用采用部分或不采用串扰消除算法。

图 2：局域网噪声源

电磁兼容性 (EMC) 是指系统对外部干扰源的易感性（抗干扰性）和潜在干扰（辐射），是衡量系统与其他电子/电气设备共存能力的重要指标。抗干扰和辐射性能是相互影响的，这意味着布线系统的抗干扰能力与系统的辐射潜力成正比。有趣的是，虽然人们不必要地强调抗扰性，但结构化布线系统不会辐射或干扰电信环境中的其他设备或系统却是不争的事实！

差模噪声干扰器：外来串扰和内部对对串扰是差模噪声干扰源的例子，必须通过正确的布线系统设计将其降到最低。差模干扰源的易感性取决于系统平衡，可通过隔离或分离相互干扰的导体来改善。平衡性更好的布线（即 6 类及以上）具有更好的内部串扰和外部串扰性能。由于没有一种电缆是完全平衡的，因此使用介电材料分隔导体或使用金属箔隔离导体等策略可进一步改善串音性能。例如，6A 类 F/UTP 电缆的整体金属箔结构可将外来串扰耦合降至几乎为零，因此其外来串扰性能大大优于 6A 类 UTP 电缆。7A 类 S/FTP 线缆被证明比任何 6A 类线缆设计都具有更优越的线对间和外来串扰性能，因为其单独的箔双绞线结构可将线对间和外来串扰耦合降低到几乎为零。这些卓越的串扰水平仅靠符合标准的平衡性能是无法实现的。

环境噪声干扰器：环境噪声是电磁噪声，由电感耦合产生的磁场 (H) （以 A/m 表示）和电容耦合产生的电场 (E) （以 V/m 表示）组成。磁场耦合发生在低频（即 50 Hz 或 60 Hz），布线系统的平衡足以确保抗扰性，这意味着可以忽略其对所有类型平衡布线的影响。不过，电场会根据频率在平衡电缆上产生共模电压。可以假设布线系统与环形天线[1]一样容易受到干扰，从而模拟感应电压的大小。为便于分析，等式 (1) 代表一个简化的环形天线模型，适用于评估各种干扰噪声源带宽以及双绞线与地平面的距离关系对所产生电场的影响。需要注意的是，要精确计算实际耦合噪声电压，还需要更详细的模型，其中特别包括电场的入射角。

在哪里？
λ= 干扰噪声源的波长

A= 布线导体受干扰长度 (l) 在地平面上方平均高度 (h) 上悬浮形成的环路面积

E= 干扰源的电场强度

干扰源的波长 λ 从 60 赫兹信号的 5,000 千米到 100 兆赫及以上频段射频信号的 1 米以下不等。电场强度密度因干扰源而异，取决于距离干扰源的远近，通常在距离干扰源 0.3 米处就会减弱为零。等式表明，60 赫兹信号产生的电场干扰只能在千分之一毫伏范围内测量，而在兆赫范围内工作的信号源可产生相当大的电场干扰。作为参考，3V/m 被认为是轻工业/商业环境中存在的平均电场的合理近似值，10V/m 被认为是工业环境中存在的平均电场的合理近似值。

图 3：共模电流

影响电场耦合电压大小的一个变量是环路面积 A，计算方法是将布线的干扰长度（l）乘以从地平面算起的平均高度（h）。图 3 中的截面图描述了电场产生的共模电流。正是这些电流在布线的最外层导电元件（即 UTP 环境中的导体本身或屏蔽/全屏蔽环境中的整体屏蔽/屏蔽层）上产生了不需要的信号。显而易见的是，在 UTP 环境中，由接地平面距离 (h) 决定的共模阻抗并没有得到很好的控制。该阻抗取决于各种因素，如与金属管道的距离、线对周围的金属结构、非金属管道的使用以及终端位置。相反，与 UTP 布线相比，这种共模阻抗能有效防止电场干扰！

重要的是要记住，双绞线对电场干扰的总体敏感性取决于屏蔽/全屏蔽布线环境中的良好定义和控制，因为屏蔽和/或屏蔽层充当了地平面。对于 UTP 布线而言，(h) 的平均近似值范围在 0.1 至 1 米之间，但对于屏蔽和全屏蔽布线而言，其限制要大得多（即小于 0.001 米）。这意味着屏蔽和全屏蔽布线理论上可提供 100 到 1,000 倍的布线平衡性能，而屏蔽或屏蔽的存在则可提供 100 到 1,000 倍的平衡性能。良好的平衡（即 6A 类及以上）电缆应能抵御高达 30 MHz 的电磁干扰。屏蔽或屏蔽层的存在对于避免更高频率的电磁干扰是必要的，这对于下一代应用来说是一个特别重要的考虑因素。例如，使用 DSP 技术的新兴应用要求在 100 MHz 时的最小 SNR 为 20 dB，这是一个合理的模型。由于仅靠平衡产生的最小隔离度在 100 MHz 时也是 20 dB，因此有必要增加屏蔽或屏蔽罩，以确保该应用在运行时有足够的抗噪余量。

接地回路

如图 4 所示，当存在一个以上的接地连接时，接地回路就会产生，而这些接地连接处的共模电压电位差会在布线上引入（产生）噪声。认为接地回路产生的共模噪声只能出现在屏蔽和屏蔽层上是一种误解，这种噪声也经常出现在双绞线上。关于接地环路产生的电压，有一个关键点是其波形与建筑物交流电源的波形直接相关。在美国，主要的噪声频率是 60 赫兹及其相关谐波，通常被称为交流 “嗡嗡声”。在世界其他地区，主要噪声频率为 50 赫兹及其相关谐波。

由于每对双绞线都连接到网卡和网络设备两端的平衡变压器和共模噪声抑制电路，因此匝数比和共模接地阻抗的差异会导致共模噪声。通过在设备中使用共模终端、扼流圈和滤波器，可以降低但无法消除双绞线上的感应噪声。

由于电信接地汇流排 (TGB) 上的接地连接与通过布线工作区端网络设备底盘提供的建筑物接地连接之间存在电位差，通常会在屏蔽/屏蔽层上产生接地环路。请注意，设备制造商并不强制要求从屏蔽 RJ45 插座通过设备底盘提供低阻抗建筑物接地路径。有时，底盘通过保护性 RC 电路与建筑物地线隔离，而在其他情况下，屏蔽 RJ45 插座与底盘地线完全隔离。

图 4：引入接地环路

TIA 和 ISO 标准规定，当电缆工作区端屏蔽处测得的电压与工作站供电电源插座接地线处测得的电压之间的电位差超过 1.0 Vrms 时，即为出现过度接地环路的临界值。这种电位差应在现场进行测量和校正，以确保网络设备正常运行，但在美国等精心设计和规定了建筑和接地系统的国家，很少发现超过 1.0 Vrms 的数值。此外，由于接地回路引起的共模电压频率较低（即 50 赫兹或 60 赫兹及其谐波），因此无论实际电压大小如何，布线设备本身的平衡性能足以确保抗扰性。

屏蔽和防护罩的设计

屏蔽可显著提高线对间串扰性能、外来串扰性能和抗噪能力，这是其他任何布线设计策略都无法比拟的。如图 5 所示，6A 类及更低额定值的 F/UTP 电缆的结构是在四对双绞线周围包覆一层金属箔。如图 6 所示，7 类及更高额定 S/FTP 电缆的结构是在四个单独的箔屏蔽线对周围有一个整体编织层。有时会提供可选的漏极线。

选择屏蔽材料的目的是通过其反射入射波的能力、吸收特性以及提供低阻抗信号路径的能力，最大限度地提高对电场干扰的抗扰度。一般来说，导电性更强的屏蔽材料能产生更大的入射信号反射。实心铝箔是电信布线的首选屏蔽介质，因为它能 100% 屏蔽高频（即大于 100 兆赫）泄漏，并且在正确接地时电阻较低。箔屏蔽的厚度受干扰噪声电流的趋肤效应影响。趋肤效应是指噪声电流的穿透深度随频率增加而减小的现象。典型的箔片厚度为 1.5 密耳（0.038 毫米）至 2.0 密耳（0.051 毫米），以符合 30 MHz 信号的最大穿透深度。这种设计方法可确保较高频率的信号无法穿过箔屏蔽层。由于双绞线具有良好的平衡性能，因此低频信号不会干扰双绞线。编织线和泄放线可增加电缆组件的强度，并在布线系统正确接地的情况下进一步降低屏蔽层的端对端电阻。

图 5：F/UTP 结构

图 6：S/FTP 结构

接地和电缆系统

ANSI/TIA-607-D 对建筑物电信接地和接合基础设施进行了定义，该基础设施从服务设备（电源）接地开始，延伸至整个建筑物。必须认识到，该基础设施适用于 UTP 和屏蔽/全屏蔽布线系统。该标准规定

1.电信主接地汇流排 (PBB) 与楼宇服务设备（电源）接地绑定。电信接地和接地系统中每个组件的实际方法、材料和适当规格因系统和网络规模、容量及当地法规而异。

2.如果使用，电信二次接合母线 (SBB) 通过电信接合主干线 (TBB) 与 PBB 接合。

3.所有机架和金属通道都连接到 PBB。

4.布线设备和电信设备接地至设备机架或相邻的金属通道。除了标准中规定的建筑交流或直流电源接地路径外，还应为 IT 设备提供可验证的补充和特定接地路径。

TIA 和 ISO 标准为屏蔽和屏蔽布线系统的接地提供了一个额外步骤。具体来说，电缆屏蔽应与机架中电缆终端位置的 PBB 或 SBB 结合。此要求旨在支持一个接地连接的最佳配置，以尽量减少接地回路的出现，但也承认布线沿线可能存在多个接地连接。由于在制定 ANSI/ TIA-607-D 中规定的接地和接合建议时，已考虑到通过设备在工作区接地的可能性，因此没有必要特别避免在最终用户的 PC 或设备上将屏蔽/屏蔽系统接地。

必须注意接地连接和屏蔽/屏蔽连接之间的区别。接地连接将屏蔽/屏蔽布线系统与 PBB 或 SBB 连接起来，而屏蔽/屏蔽连接则通过屏蔽/屏蔽电信连接器沿布线全长保持电缆屏蔽/屏蔽的电气连续性。屏蔽或屏蔽层的部分功能是为屏蔽材料上感应的噪声电流提供低阻抗接地路径。电缆和连接硬件传输阻抗和耦合衰减参数符合 TIA 和 ISO 规范，可确保布线系统中的所有屏蔽/屏蔽连接点保持低阻抗路径。为获得最佳的外来串扰和抗噪性能，应在整个端到端布线系统中保持屏蔽的连续性。

建议建筑最终用户进行验证，以确保屏蔽和屏蔽布线系统与 PBB 或 SBB 正确接地。建议的检查计划如下

1.目视检查，确认所有设备机架/机柜/金属通路均使用 6 AWG 导线与 PBB 或 SBB 连接。

2.目视检查，以核实所有屏蔽/屏蔽配线架都已与 PBB 或 SBB 连接（如果制造商说明中没有指定），至少使用 12 AWG 导线。

3.进行直流电阻测试，以确保每个面板和机架/机柜接地连接在面板/机架的接地点和 PBB 或 SBB 之间的直流电阻测量值为<1 Ω。（注：某些地方/区域标准规定该位置的最大直流电阻为<5 Ω）。 4.记录目视检查、直流测试结果以及所有其他适用的铜/纤维测试结果。

天线神话

有一种常见的说法是，屏蔽网和屏蔽罩因为是长条形金属，所以可以起到天线的作用。人们担心屏蔽网和屏蔽罩会 “吸引 “环境中的信号或辐射双绞线上的信号。事实上，屏蔽和屏蔽层以及 UTP 电缆中的铜平衡双绞线都会在一定程度上起到天线的作用。不同之处在于，正如简化环形天线模型所示，耦合到屏蔽或屏蔽层上的噪声实际上比相同环境下耦合到非屏蔽双绞线上的噪声小 100 到 1000 倍。这是由于内部线对与屏蔽层/屏蔽罩提供的接地平面之间的共模阻抗定义明确且受控。以下是对可能影响平衡双绞线抗噪性能的两类信号干扰源的分析：低于 30 MHz 和高于 30 MHz 的干扰源。

图 7：UTP VS.F/UTP 灵敏度

在频率低于 30 MHz 时，来自环境的噪声电流会穿透屏蔽层/屏蔽罩，影响双绞线。然而，简化的环形天线模型显示，这些信号的幅度要小得多（主要是由于铝箔的吸收损耗而衰减），这意味着同一环境中的非屏蔽双绞线实际上受到的电场强度要高得多。好消息是，无论是否存在整体屏蔽/屏蔽层，电缆本身的平衡性能在 30 MHz 以下都足以确保将这些噪声源干扰的敏感性降至最低。

在 30 MHz 以上的频率下，由于集肤效应，来自环境的噪声电流无法穿透屏蔽/屏蔽罩，内部双绞线对干扰完全免疫。遗憾的是，在这些较高频率下，平衡性能已不足以确保UTP 布线具有足够的抗噪能力。这会对布线系统保持采用 DSP 技术的应用所需的 SNR 水平的能力产生不利影响。

将两根平衡电缆串联起来，向其中一根电缆注入信号以模拟扫频范围内的发射天线，然后测量相邻电缆上的干扰以模拟接收天线，就可以通过实验验证电缆作为天线的可能性[2]。经验法则是：噪声源的频率越高，产生干扰的可能性就越大。如图 7 所示，两根 UTP 电缆（黑色）之间的耦合比两根正确接地的 F/UTP 电缆（蓝色）之间的相互作用至少差 40 dB。值得注意的是，40 dB 的余量相当于电压耦合减少 100 倍，从而证实了模型预测。显然，UTP 电缆的辐射和接收（即表现得像天线）要比 F/UTP 电缆大得多！

第二个天线误区与不准确的想法有关，即出现在屏蔽屏或屏蔽罩上的共模信号只能通过低阻抗接地路径来消散。人们担心未接地的屏蔽会辐射 “来回反弹 “和在屏蔽上 “积累 “的信号。事实上，在不接地的情况下，屏蔽网/屏蔽罩仍会大幅衰减较高频率的信号，这是因为其电阻、分布式并联电容和串联电感形成了低通滤波器。使用前面的实验方法也可以验证金属箔双绞线两端不接地的效果。如图 8 所示，两根 UTP 电缆（黑色显示）之间的耦合仍比两根未接地 F/UTP 电缆（蓝色显示）之间的交互作用至少差 20 dB。值得注意的是，20 dB 的余量相当于电压耦合降低 10 倍。即使在最坏的未接地条件下，UTP 电缆也比 F/UTP 电缆更像天线！

图 8：UTP VS.非接地 F/UTP 感应度

模型和实验结果清楚地揭开了天线的神秘面纱。事实是，与无屏蔽结构相比，屏蔽和屏蔽罩在 30 MHz 以上的抗噪能力有显著提高，即使接地不当也是如此。

接地回路神话

屏蔽和屏蔽布线系统中才会出现接地回路，这是一种常见的说法。人们担心屏蔽/屏蔽布线系统接地连接之间的电压电位差导致接地回路，从而引起过大的共模电流，对数据传输造成不利影响。事实上，屏蔽和屏蔽以及 UTP 电缆中的平衡双绞线都会受到通道两端的电压电位差的影响。

网卡和网络设备上的变压器共模终端阻抗不同，自然会在每根双绞线上产生共模噪声电流。屏蔽/屏蔽系统的多处接地也会导致屏蔽罩上产生共模噪声电流。不过，这些共模噪声电流不会影响数据传输，因为无论其电压大小如何，其波形总是与建筑物交流电源的特性（即 50 赫兹或 60 赫兹）相关联。由于布线在低频时具有良好的平衡性，双绞线上的共模电流无论是直接来自设备阻抗差还是来自屏蔽/屏蔽层的耦合，都会被收发器简单地减去，作为差分传输算法的一部分。

为何使用屏蔽/全屏蔽布线

使用屏蔽和全屏蔽系统在性能上有许多好处，其中包括

1.减少全屏蔽设计中的对对串扰

2.减少屏蔽和全屏蔽设计中的外来串扰

3.屏蔽 6A 类电缆的直径通常比 6A UTP 电缆小，因此可实现更高的通道填充/利用率

4.大幅提高所有频率的抗噪能力，尤其是在电缆平衡性开始显著下降的 30 MHz 以上频率

5.出色的散热性能，在支持远程供电（如以太网供电或 PoE）应用和/或在高温环境中运行时，可减少捆绑要求的限制

结论

可实现的信噪比裕度取决于布线平衡的综合特性以及屏蔽和屏蔽层提供的共模和差模噪声抗扰度。应用依赖于正 SNR 余量来确保正确的信号传输和最小误码率。随着 10GBASE-T 的部署，仅靠良好的平衡所提供的噪声隔离显然不足以支持传输目标。F/UTP 和 S/FTP 布线设计所提供的外来串扰和抗噪优势引起了 4 对和单对应用开发人员和系统设计师的注意。人们常说，电信行业在首选介质类型的规范方面已经走过了一个完整的历程。实际上，当今的屏蔽和全屏蔽布线系统融合了上两代局域网布线的最佳电气性能特点：出色的平衡性可防止低频干扰，屏蔽性可防止高频干扰。

修订 F 6/22