10BASE-T1L單對以太網電纜長度和鏈路性能
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隨著 10BASE-T1L 以太網在各個行業的出現，越來越多的應用出現，每個應用都帶來了成功部署該技術需要解決的新挑戰。一個常見的要求是支持多種電纜類型。在某些情況下，這些電纜已用于傳統通信系統，并且經常出現在現有安裝中。10BASE-T1L 標準中電纜定義的靈活性允許此類電纜的再利用，從而創造了優于其他技術的優勢。
本文引用地址：http://www.j9360.com/article/202504/469551.htm這種靈活性引發了常見問題，例如是否可以使用任何電纜實現 1 公里，或者性能是否與電纜類型無關。鏈路性能和覆蓋范圍取決于電纜的特性，而電纜的特性又取決于電纜的結構。本文總結了與該技術相關的電纜特性，描述了電纜長度的依賴性作為這些特性的函數，并提供了已測試的電纜列表。
高級物理層和 10BASE-T1L
高級物理層 （APL） 規范和 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 規范（圖 1）是兩個相互關聯的不同標準，但它們不應互換使用。IEEE 802.3cg 標準定義了 10BASE-T1L 物理層，用于通過獨立于應用的單根雙絞線進行長距離以太網通信。
圖1. 用于過程自動化應用的 APL 網絡拓撲（左）。用于樓宇自動化技術的線形和環形拓撲（右）。APL 標準在 IEEE 802.3cg 的基礎上增加了額外的規范和定義，以便在本質安全環境中的過程控制應用中可以使用相同的物理層。這意味著任何 APL 器件都符合 10BASE-T1L 標準（數據層，但不是數據線的供電），但并非每個 10BASE-T1L 器件都符合 APL 標準。
APL 文檔包括數據層和系統定義的規范，涵蓋電磁兼容性 （EMC） 性能、電纜屏蔽連接和網絡拓撲等方面。
例如，如圖 1 所示，APL 規范定義了同一網絡中兩種類型的數據鏈路：支線和中繼。支線鏈路直接連接到現場設備，長度不能超過 200 m，由于現場設備的本質安全環境，在 1.0 V p-p 傳輸電平下運行。連接現場開關或將上游連接到最近的電源開關的干線可延伸至 1,000 m，并以 2.4 V p-p 傳輸電平運行。
在其他 10BASE-T1L 應用程序中，例如樓宇自動化技術中的應用程序，不需要 APL 合規性。因此，支線和樹干的概念并不相關。事實上，這項技術中的網絡拓撲可能因星形到線形或環形或這些的組合而異。
傳輸電平可以根據功率限制或抗噪性進行選擇，而與傳感器或網絡交換機的放置位置無關。這允許更靈活地使用電纜，因為 2.4 V p-p 傳輸電平可以獨立于鏈路所在的位置使用，從而對電纜中的信號損失具有更高的容忍度，并且電纜的標稱阻抗不那么嚴格。以下部分將更詳細地探討這一點。
標準中規定的電纜特性
電纜必須滿足的鏈路段特性符合 IEEE 802.3cg 標準，在同一文檔的第 146.7 小節中指定。本小節規定了插入損耗、回波損耗、最大鏈路延遲、差分到共模轉換（用于非屏蔽電纜）和耦合衰減（用于屏蔽電纜）的限值。
此外，對于涉及本質安全的應用，例如安裝在爆炸性區域（0 區，高爆炸性;1 區，可能產生火災或爆炸;2 區，可能會發生爆炸或火災，但可能性不大），APL 規范文檔為 10BASE-T1L 物理層的作添加了額外的規則和定義。它包括布線的定義：電纜分類、支線和干線鏈路的最大電纜長度、屏蔽等。
Insertion Loss
電纜中的插入損耗以分貝 （dB） 為單位，反映了沿傳輸線（電纜）的信號減少。它計算為傳輸信號的功率與電纜末端接收信號的功率之比。這種損失或衰減會隨著電纜的長度和信號的頻率而增加。
根據 IEEE 802.3cg 標準，最大允許插入損耗隨傳輸電平而變化：2.4 V p-p 高于 1.0 V p-p，以適應不同的信號強度及其各自的要求。
IEEE 802.3cg 規范
IEEE 802.3cg 子條款 146.7.1.1 中規定了兩條極限曲線，如下所示：對于 1.0 V p-p 傳輸電平：
對于 2.4 V p-p 傳輸電平：
在這兩個公式中，f 是以 MHz 為單位給出的頻率，0.1 MHz ≤ f ≤ 20 MHz。圖 2 顯示了對應于 1.0 V p-p 和 2.4 V p-p 傳輸電平的插入損耗限制。
APL 分類
APL 電纜規范根據電纜的插入損耗將電纜分為四類，這決定了支線或干線數據鏈路的最大允許鏈路長度。這些類別還符合 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 電纜規范。
1.0 V p-p 和 2.4 V p-p 的插入損耗限值分別與雜散和主干的工作要求一致。雜散必須在 1.0 V p-p 下工作，遵守相應的插入損耗限制，而主干在 2.4 V p-p 下工作，遵循更高的插入損耗限制。表 1 顯示了所有 APL 電纜類別及其圍繞電纜長度和插入損耗曲線的定義。
請注意，公式 4 與 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 規范中的公式 2 相同，而公式 3 不到公式 1 的一半，因此為連接到雜散的電纜指定了更保守的限制。
對表 1 的正確理解是，要使給定類型的電纜成為 APL IV 類，該電纜的 1,000 米樣品的插入損耗必須低于公式 4 設定的閾值。如果不是這種情況，則電纜不符合 IV 類標準。
對于被歸類為 APL III 類的電纜，其 750 m 樣品的插入損耗必須低于公式 4。如果它不符合此標準，但 500 米長的電纜樣本確實符合要求，則該電纜符合 APL II 類的條件。如果 500 m 樣品失敗，但 250 m 樣品成功滿足公式 4 閾值，則電纜被歸類為 APL I 類。如果電纜不符合這些標準中的任何一個，則它不符合 APL 標準。
回波損耗
在理想情況下，當信號通過電纜的一端傳輸時，它應該被另一端的負載完全吸收。然而，如前所述，由于電纜的插入損耗，信號會減弱，并且一些能量也會反射回源。這些反射是由發射器和電纜之間或沿電纜本身的阻抗失配引起的，可能發生在任何點。
給定電纜的回波損耗量化了反射回源的信號量，通常以分貝為單位進行測量。回波損耗計算為發射信號與反射信號的比率，與插入損耗一樣，回波損耗隨頻率而變化。
假設電纜質量高，其阻抗將始終保持一致，從而最大限度地減少除與收發器的連接點外的阻抗失配。如果給定的電纜鏈路由于損壞或結構不良而在其長度上出現故障，則情況并非如此。但是，就本文的目標而言，此方案將被忽略。
與 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 插入損耗規格不同，回波損耗規格與傳輸電平無關。這是正確端接電纜的回波損耗不取決于其長度的直接結果。因此，無論電纜長度是 200 m 還是 500 m，回波損耗都應保持一致，除非由于制造工藝或濕度和溫度等環境條件而發生變化。
IEEE 802.3cg 標準規定了電纜必須遵守的最小回波損耗曲線（與頻率），如下所示：
其中 f 是以 MHz 為單位的頻率。
APL 規范
APL 規范還定義了電纜符合 APL 的最小回波損耗。此規范比插入損耗簡單得多，因為它不會對收發器的兩個傳輸電平進行任何區分：
其中 f 是以 MHz 為單位的頻率。
請注意，APL 電纜回波損耗規范比 IEEE 802.3cg 規范更嚴格，因為它增加了 6 dB 的額外裕量。圖 3 顯示，任何具有回波損耗的電纜都符合 APL 規范和 10BASE-T1L 回波損耗規范。但是，并非每根符合 10BASE-T1L 回波損耗規范的電纜都符合 APL 規范。
最大鏈路延遲
鏈路延遲是指信號從電纜的一端傳播到同一電纜的另一端所需的時間。這是電纜結構的結果，可以顯示溫度變化。鏈路延遲也可以表示為電纜標稱傳播速度 （NVP） 的函數，NVP 定義為信號通過電纜的速度與光速之間的比率。
電纜 NVP 始終低于 1.0，對于大多數電纜，介于 0.6 和 0.8 之間。在某些情況下，電纜的 NVP 值可能更接近 0.5，這意味著對于給定的電纜長度，電纜的鏈路延遲會更長。
IEEE 802.3cg 中為 10BASE-T1L 指定的最大鏈路延遲是一個固定數字，對應于 NVP 為 0.6 的 1,589 米電纜。這導致最大鏈路延遲為 8834 ns：
模式轉換和耦合衰減
電纜的插入損耗和回波損耗是決定正常條件下電纜性能的主要參數。但是，工業應用要求系統能夠承受高電磁干擾 （EMI） 環境。這些脈沖的范圍從耦合到電纜的恒定頻率音調到僅偶爾發生的高頻、高能量脈沖。
無論受到何種干擾，10BASE-T1L 或 APL 通信鏈路都必須能夠生存并避免數據丟失。由于大部分 EMI 來自外部來源，因此主要耦合機制之一是長單對電纜。因此，電纜特性在整體電磁抗擾度中起著重要作用。
耦合衰減 - 屏蔽電纜
對于屏蔽電纜，IEEE 802.3cg 標準定義了最小耦合衰減。這與以差分方式耦合到數據對的最大信號量有關。在屏蔽電纜中，這是屏蔽層的質量和覆蓋率以及同一對內電線對稱性的結果。因此，不同的盾牌會有不同的反應。例如，與具有 90% 覆蓋率的編織屏蔽層的電纜相比，帶有鋁箔屏蔽層和排擾線的電纜可能會表現出不同的性能。
圖 4 顯示了安裝在電磁環境 E1、E2 和 E3 中的系統的 IEEE 802.3cg 規范。E1 對應于部署在電磁環境中的設備，例如住宅、商業和輕工業建筑中的設備。E2 對應于部署在其他工業建筑的電磁環境中的設備。E3 對應于由車輛電池供電的設備。
差模至共模轉換—非屏蔽電纜
假設同一對中的兩根導線都是理想且對稱的，則信號應相等耦合，從而產生共模信號，10BASE-T1L 信號路徑中的 MDI 電路可以更有效地過濾該信號。然而，導線之間的不對稱可能會導致一些共模信號表現為傳輸線上的差分信號。
如果此信號落在感興趣的 10BASE-T1L 帶寬（100 kHz 至 20 MHz）范圍內并且足夠大，則可能會中斷自動協商過程或數據傳輸。此外，這種不對稱性可能會將 10BASE-T1L 的部分差分信號轉換為共模信號，從而增加電纜損耗并可能降低性能。
為了緩解這些問題，IEEE 802.3cg 標準根據電纜運行的電磁環境規定了最小差分到共模轉換 （TCL）。圖 5 顯示了電磁環境 E1 和 E2 的規格。
特征 對長度的依賴性
在 IEEE802.3cg 10BASE-T1L 標準中，電纜特性沒有針對特定長度定義，導致經常詢問最大覆蓋范圍和合規性。例如，1,000 m 長的 Cat5/Cat6 通常不符合 10BASE-T1L 標準，因為它的插入損耗超過了公式 1 和 2 設定的限制，而大約 700 m 的同一電纜可能符合標準。
插入損耗對電纜長度的依賴性
如前所述，插入損耗表示信號衰減，通常相對于頻率表示。因此，以分貝為單位的插入損耗與電纜長度成正比。
這意味著長度為另一根相同類型電纜長度 k 的鏈路段的總插入損耗為 k 乘以較短電纜的插入損耗。例如，一個 1,000 m 的電纜樣本的插入損耗曲線近似等于 100 m 相同類型電纜樣本的插入損耗曲線的 10 倍。
回波損耗與電纜長度的關系
假設整個長度的結構均勻（一致的線徑、線之間的恒定間距、每米均勻的扭曲等），電纜的回波損耗不會隨長度而變化。
這個假設對于 10BASE-T1L 通信的頻率范圍相當適用。但是，由于每個連接處都可能發生反射，因此由相同類型的互連段組成的電纜可能比單個連續段表現出更嚴重的回波損耗。為簡單起見，本節假設給定電纜類型的回波損耗保持不變，而不管長度如何。
鏈路延遲與電纜長度
對于給定的電纜，信號延遲與電纜長度成正比。通過電纜的信號延遲因電纜類型而異，并且是其結構的函數。通常，電纜制造商將此信息作為 NVP 的函數提供。公式 8 顯示了如何根據電纜的 NVP 值計算鏈路延遲。
其中 L 是所討論的電纜的長度，NVP 是電纜的標稱傳播速度，c 是光速。
圖 6 顯示了兩根電纜的鏈路延遲與電纜長度的關系，一根電纜的 NVP = 0.5，另一根電纜的 NVP = 0.8。請注意，即使 NVP 值較低，該標準也可以容納對應于超過 1,300 m 的鏈路延遲。標準中內置了足夠的裕量，以提供穩健性和隨溫度變化。
最大電纜范圍
電纜長度的主要限制通常是插入損耗，這就是 APL 類別基于此因素的原因。插入損耗與電纜長度成正比，因此將電纜長度限制設置在 APL 類別中。
對于非 APL 應用，10BASE-T1L 技術具有更大的靈活性，支持屏蔽和非屏蔽電纜、阻抗不匹配較多的電纜、電纜的再利用等。此外，某些應用程序可能使用超出 IEEE 802.3cg 標準規范的電纜。為了適應這些應用，ADI 公司的 10BASE-T1L 產品組合具有顯著的內置裕量，可實現長達 1,700 m 的通信距離，并確保各種電纜類型的穩健性能。
但是，最大傳輸距離因電纜而異，市場上并非每種類型的電纜都能達到 1,700 m。某些電纜可能會表現出更高的信號損失，從而導致距離更短。
最大覆蓋范圍和電纜符合 IEEE 802.3cg 標準
如果安裝旨在符合 IEEE 802.3cg，則布線和 PHY 設備都必須符合該標準。本節深入探討了 insertion 和 return loss 的規范，以及一致性驗證過程。此外，它還概述了一種估計和測試給定類型電纜的最大覆蓋范圍的方法。
圖 7 顯示了如何計算電纜的最大范圍。該流程圖依賴于給定電纜樣本的插入損耗和回波損耗的測量。
理論上，電纜的長度不應影響這些結果;然而，在實踐中，測量誤差會隨著電纜長度的減小而增加。因此，APL 規范建議使用 500 m 樣品測量電纜。對于非 APL 應用程序，本文檔建議使用至少 100 m 的電纜以獲得可接受的結果。
為了確保合規性，第一步涉及評估電纜在各種頻率下的回波損耗。如果回波損耗低于公式 5 中概述的閾值，則電纜不符合標準，無需進一步測試。
但是，如果電纜的回波損耗高于指定曲線，下一步是根據公式 1 或 2 中設置的基準評估電纜的插入損耗。如果插入損耗超過這些曲線，則認為該電纜不合規。
在驗證了插入損耗和回波損耗后，該圖提出了一種估計滿足規格的最大允許長度的方法。這是通過將測得的插入損耗乘以系數 k 來獲得盡可能接近公式 1 中描述的 1.0 V p-p 或公式 2 中描述的 2.4 V p-p 傳輸電平的曲線來實現的。
通過乘以因子 k，外推估計相同類型但擴展到測試樣品長度的 k 乘以的電纜的插入損耗。目標是確定外推插入損耗曲線保持在所需規格曲線以下的最大 k，并在外推過程中迭代調整 k。
以下示例可用于說明此方法，并假設已測量插入損耗和回波損耗。
第 1 步：回波損耗驗證
圖 8 顯示了給定類型、長度為 100 m 的電纜 X 的回波損耗驗證，以及 IEEE 802.3cg 和 APL 的回波損耗規格。請注意，電纜測得的回波損耗中的每個點都大于 APL 和 IEEE 802.3cg 回波損耗規格。這意味著被測電纜符合兩種回波損耗標準。
第 2 步：插入損耗驗證
插入損耗可以通過繪制電纜的插入損耗與規格的關系圖來驗證（圖 9）。測量了電纜 X 的插入損耗，并以穩定的藍色顯示。請注意，該曲線遠低于紅虛線和虛線中繪制的 1.0 V p-p 和 2.4 V p-p 10BASE-T1L 規格。
這意味著這種相同類型電纜 X 的任何 100 米鏈路都可以在 1.0 V p-p 或 2.4 V p-p 的 10BASE-T1L 鏈路中使用。
第 3 步：計算符合 IEEE 802.3cg 標準的最大長度
本節重點介紹 IEEE 802.3cg 標準，而不是 APL 分類。但是，可以根據表 1 進行類似的分析。
測得的插入損耗可以通過將每個數據點乘以系數 k 來推斷，因此，當根據 1.0 V p-p 或 2.4 V p-p 標準繪制時，所得曲線低于兩條曲線中的任何一條，具體取決于要使用的傳輸幅度。
圖 10 顯示了 1.0 V p-p 的 IEEE 802.3cg 插入損耗規格，以及通過選擇 k = 7（綠線）獲得的外推曲線。綠色曲線是通過將 100 m 電纜樣本的插入損耗的每個數據點乘以 k = 7 獲得的。請注意，獲得的外推略略低于 1.0 V p-p 規格，這意味著 700 m（乘以 k = 7 倍電纜長度得出）是符合非 APL 應用中 1.0 V p-p 傳輸電平的近似最大長度。任何低于 700 m 的長度也符合 1.0 V p-p 傳輸電平規范。
同樣，圖 10 顯示了 2.4 V p-p 的 IEEE 802.3cg 插入損耗規格，以及通過選擇 k = 12（藍線）獲得的外推曲線。該曲線的獲取方式與上述類似，即將 100 m 電纜樣本的插入損耗的每個數據點乘以 k = 12。
請注意，外推曲線也略低于 2.4 V p-p 規格，這意味著 1,200 m 是符合 2.4 V p-p 傳輸電平（基于其插入損耗）的近似最大長度。任何低于 1,200 m 的長度也將符合 2.4 V p-p 規范。
分析得出的結論是，根據插入損耗和回波損耗標準，在非 APL 應用中，這種特定電纜類型的最大允許鏈路段約為 700 m（對于 1.0 V p-p）和 1,200 m（對于 2.4 V p-p 傳輸電平）。但是，對于需要完全符合標準的應用，最大鏈路段不得超過 1,000 m。
此方法可應用于其他電纜類型，可能導致最大合規鏈路段小于 1,000 m。例如，當對 Cat5/Cat6 電纜進行類似評估時，符合 10BASE-T1L 標準的典型最大長度通常不超過 700 m，盡管這可能因特定電纜品牌和型號而異，因為有些電纜可能會提供額外的余量。
電纜測試以估計最大范圍
電纜測試程序包括使用矢量網絡分析儀 （VNA） 估計電纜的參數，并使用 ADI 的 EVAL-ADIN1100EBZ 評估套件執行以太網流量測試。該評估套件具有媒體轉換器功能，并通過其評估軟件提供對診斷功能（如幀生成器、幀檢查器、均方誤差和環回模式）的訪問。
測試程序
電纜測試包括使用 VNA 測量被測電纜的插入損耗和回波損耗。然后應用這些參數來評估電纜合規性并估計符合 IEEE802.3cg 10BASE-T1L 標準的最大電纜長度。最大兼容長度對應于特定類型電纜的最大長度，該電纜仍符合 IEEE 802.3cg 中定義的 2.4 V p-p 或 1.0 V p-p 插入損耗曲線（再次圖 2）。
進一步的測試包括通過被測電纜連接兩個 EVAL-ADIN1100EBZ 評估板，以建立 10BASE-T1L 鏈路。后續的鏈路性能測試包括使用片上幀生成器以全帶寬傳輸以太網流量。在每個 EVAL-ADIN1100EBZ 板上監控 10BASE-T1L 鏈路的均方誤差 （MSE），以及錯誤計數和接收的以太網幀數量。只有在以下情況下，測試才會標記為通過：
10BASE-T1L 建立成功。
MSE 優于 –20.5 dB。
在執行測試期間，接收的幀中沒有錯誤。
對相同電纜類型的不同長度重復進行此測試，以確定故障點。但是，在某些情況下，最大測試長度對應于實驗室中可用的最大長度，而不一定是電纜的最大范圍。
同樣，在電纜長度增量超過 100 m 的情況下，識別的故障點可能無法準確表示絕對最大電纜長度。例如，如果只有 500 米的線段可用，則可能會使用 1,000 米（連接了兩個 500 米的線段）成功建立鏈接，但在 1,500 米處失敗。雖然真正的最大長度可能是 1,200 米，但此特定長度不可用于測試，因此最后記錄的數據點仍為 1,000 米。
表 2 顯示了在實驗室中測試的各種電纜，在兩種傳輸水平下估計的最大長度均符合 10BASE-T1L 標準，以及使用 EVAL-ADIN1100EBZ 評估板在 2.4 V p-p 和 1.0 V p-p 下測試的長度。
結論
IEEE 802.3cg-2019 標準的靈活電纜定義支持以前在舊通信協議中使用的各種電纜類型，保持廣泛的覆蓋范圍，通過以太網連接無縫連接邊緣設備，而無需網關。
Analog Devices 的 ADIN1100、ADIN1110 和 ADIN2111 包括內置裕量，以支持符合標準和不符合標準的電纜。雖然應用最好遵守 IEEE 802.3cg 或 APL 規范，尤其是在過程控制方面，但現實情況是，許多系統需要重復使用現有布線以降低部署成本。
這種內置裕量增強了數據鏈路的穩健性，并有助于將 10BASE-T1L 技術用于各種電纜類型，包括已經為其他通信協議安裝的電纜。這種靈活性有助于確保 ADI 的 10BASE-T1L 器件能夠在 1.0 V p-p 和 2.4 V p-p 傳輸電平下保持一致的電纜范圍。
此外，ADI 公司的 10BASE-T1L 診斷工具（如幀生成器、幀檢查器、通過均方誤差的鏈路質量指示器以及帶 TDR 的電纜故障檢測器）支持規劃、調試和運行階段的系統診斷。這些工具有助于簡化部署，通過提供診斷見解來最大限度地減少停機時間，并減少故障發生時的糾正性維護。
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