10BASE-T1L單對乙太網路電纜傳輸距離和鏈路性能
10BASE-T1L單對乙太網路電纜傳輸距離和鏈路性能
作者：ADI 系統應用工程師 Hector Arroyo
摘要
隨著10BASE-T1L乙太網路在各個產業興起，更多應用不斷湧現，每個應用都為該技術的成功部署帶來了新的挑戰。一個常見的要求是支援多種類型的電纜。在某些應用中，已經將這些電纜部署到傳統通訊系統，而現有的設施也經常使用相關電纜。10BASE-T1L標準對電纜的定義非常彈性，並可支援重複利用此類電纜，因而比其他技術更具有優勢。
此種彈性也引發了一些常見問題，例如：是否使用任何電纜都能實現1公里的傳輸距離？不同電纜類型的性能是否一致？鏈路性能和傳輸距離取決於電纜的特性，而電纜特性又與電纜構造息息相關。本文總結與該技術相關的電纜特性，描述電纜傳輸距離與這些特性之間的依賴關係，並提供已測試電纜的列表。
簡介
進階實體層和10BASE-T1L
進階實體層(APL)規範和IEEE 802.3cg 10BASE-T1L規範是兩個不同的標準，它們存在關聯，但不能互相取代。IEEE 802.3cg標準定義了透過單根雙絞線進行長距離乙太網路通訊的10BASE-T1L實體層，與應用無關；而APL標準則在IEEE 802.3cg的基礎上，針對本質安全環境中的程序控制應用，進一步擴展了同一實體層的規範和定義。這表示任何APL元件都符合10BASE-T1L標準（資料層，但不是透過資料線進行電力傳輸），但並非每款10BASE-T1L設備都符合APL標準。
APL檔包括資料層規範和系統定義，涵蓋了電磁相容性(EMC)性能、電纜遮罩連接和網路拓撲等層面。例如，參見圖1，APL規範定義了同一網路內的兩類資料連結：支線和幹線。支線鏈路直接連接到現場裝置，長度不能超過200公尺，而且由於現場裝置的本質安全環境，傳輸位準為1.0 V p-p。幹線將現場交換器或上游裝置連接到最近的功率開關，長度可達1000公尺，並以2.4 V p-p傳輸位準運行。
其他10BASE-T1L應用，例如建築自動化技術的應用則不需要符合APL要求。因此，支線和幹線的概念並不適用於這些場景。事實上，該技術的網路拓撲是彈性多樣的，包括星形、線形、環形或其組合形式。可以根據功率限制或抗擾度要求來選擇傳輸位準，而與感測器或網路交換器的位置無關。這讓用戶可以更加彈性使用電纜，因為無論鏈路位於何處，都可以使用2.4 V p-p傳輸位準。電纜的訊號損失容差可以更高，對標稱電纜阻抗的要求也不那麼嚴格。我們將在後續章節中更詳細地討論這些內容。
標準中規定的電纜特性
為了符合IEEE 802.3cg標準，該檔的第146.7子條款規定了電纜必須滿足的鏈路段特性。包括定義了插入損耗、回波損耗、最大鏈路延遲、差模至共模轉換（適用於非遮罩電纜）和耦合衰減（適用於遮罩電纜）的限值。此外，對於涉及本質安全的應用，以及對於爆炸區域（0區，高爆炸危險；1區，可能產生火災或爆炸；2區，可能發生爆炸或火災，但可能性不大）中的設備，APL規範檔針對10BASE-T1L實體層的操作增加了一些規則和定義，包括電纜方面的定義：電纜分類、支線和幹線鏈路的最大電纜長度、遮罩等。
插入損耗
電纜的插入損耗以分貝(dB)為單位，用於衡量訊號沿著傳輸線（電纜）的衰減情況。其等於傳輸訊號的功率與電纜末端接收的訊號功率之比。此種損耗或衰減會隨著電纜長度和訊號頻率的增加而增加。根據IEEE 802.3cg標準，最大允許插入損耗隨傳輸位準而變化：2.4 V p-p的最大允許插入損耗高於1.0 V p-p下的值，以適應不同的訊號強度及對應的要求。
IEEE 802.3cg規範
IEEE 802.3cg第146.7.1.1子條款對兩條限值曲線做了明確規定，具體內容如下：對於1.0 V p-p傳輸位準：
對於2.4 V p-p傳輸位準：
在兩個公式中，f為頻率，單位為MHz，且0.1 MHz≤f≤20 MHz。圖2為1.0 V p-p和2.4 V p-p傳輸位準所對應的插入損耗限值。
APL分類
APL電纜規範根據插入損耗將電纜分為四類，而插入損耗決定了支線或幹線資料連結的最大允許鏈路長度。這些分類也符合IEEE 802.3cg 10BASE-T1L電纜規範。1.0 V p-p和2.4 V p-p的插入損耗限值分別與支線和幹線的運行要求一致。支線必須以1.0 V p-p運行，並遵守相應的插入損耗限值；而幹線需以2.4 V p-p運行，並遵守更高的插入損耗限值。表1為所有APL電纜分類，以及圍繞電纜長度和插入損耗曲線的規定。
| 參數 | APL電纜類別 | |||
| I | II | III | IV | |
| 最大支線長度 | 50 | 100 | 150 | 200 |
| 最大幹線長度 | 250 | 500 | 750 | 1000 |
| 支線電纜插入損耗 |
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| 幹線電纜插入損耗 |
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請注意，公式4與IEEE 802.3cg 10BASE-T1L規範中的公式2相同，而公式3算得的值不到公式1的一半。換句話說，連接到支線的電纜須遵循更嚴格的限制條件。
對表1的正確理解是：特定類型的電纜要達到APL IV類標準，其1000公尺樣本的插入損耗必須低於公式4設定的閾值，如果不符合這個條件，則該電纜不符合IV類標準；要達到APL III類標準，電纜的750公尺樣本的插入損耗必須低於公式4，如果不符合該標準，但其500公尺長的樣本符合要求，則該電纜屬於APL II類；如果500公尺樣本不合格，但250公尺樣本滿足公式4閾值，則該電纜被歸為APL I類；如果電纜不滿足上述任何要求，則它不符合APL標準。
回波損耗
理想情況下，當訊號透過電纜的一端進行傳輸時，其應該被另一端的負載完全吸收。然而，正如先前所討論的，由於電纜存在插入損耗，訊號會減弱，一些能量也會被反射回訊號源。這些反射現象是由發送器和電纜之間的阻抗不匹配或電纜本身引起的，可能發生在任何位置。回波損耗用於量化反射回訊號源的訊號強度，通常以分貝(dB)為單位。回波損耗等於發送的訊號與反射的訊號之比。與插入損耗一樣，回波損耗隨頻率而變化。
假設電纜品質優良，則其阻抗在整個電纜長度上會保持一致，可以大幅減輕阻抗不匹配情況（收發器的連接點除外）。如果某條電纜鏈路因損壞或施工不良而在某些地方出現了故障，情況便會不同。然而，有鑑於本文的宗旨，我們暫不討論這種情況。
與IEEE 802.3cg 10BASE-T1L插入損耗規格不同，回波損耗規格與傳輸位準無關。這是因為，正確端接的電纜的回波損耗與其長度無關。因此，無論電纜長度是200公尺還是500公尺，回波損耗都應該保持一致，除非因製造製程或環境條件（如濕度和溫度）的變化而產生差異。
IEEE 802.3cg規範
IEEE 802.3cg標準規定了電纜必須遵守的最小回波損耗曲線（與頻率相關），如下所示：
其中，f為頻率，單位為MHz。
APL規範
APL規範還規定了符合APL標準的電纜的最小回波損耗。此規範沒有區分收發器的兩個傳輸位準，因而比插入損耗簡單得多。
其中，f為頻率，單位為MHz。
請注意，APL電纜回波損耗規格額外增加了6 dB的餘裕，因此比IEEE 802.3cg規格更嚴格。圖3顯示，任何符合APL回波損耗規格的電纜也符合10BASE-T1L回波損耗規格，但並非所有符合10BASE-T1L回波損耗規格的電纜都符合APL規格。
最大鏈路延遲
鏈路延遲是指訊號從電纜一端傳輸到同一電纜另一端所需的時間。這種延遲是由電纜的構造引起的，並且會隨著溫度的變化而波動。鏈路延遲也可以表示為電纜標稱傳播速度(NVP)的函數，NVP定義為訊號通過電纜的速度與光速之比。電纜NVP始終低於1.0，大多數電纜的NVP介於0.6和0.8之間。在某些情況下，電纜的NVP值可能接近0.5，這表示給定長度電纜的鏈路延遲更長。
IEEE 802.3cg中針對10BASE-T1L規定的最大鏈路延遲是一個固定值，相當於長度為1589 公尺、NVP為0.6的電纜所產生的延遲。據此，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電纜在正常情況下的性能的主要參數。然而，工業應用要求系統能夠承受存在高電磁干擾(EMI)的環境。這些干擾既包括耦合到電纜的恆定頻率訊號音，也有偶爾出現的高頻高能脈衝。無論受到何種干擾，10BASE-T1L或APL通訊鏈路都必須能夠正常運行，避免資料丟失。大多數EMI來自外部源，長單對電纜是主要耦合機制之一。因此，電纜特性對整體電磁抗擾度產生重要作用。
耦合衰減 - 遮罩電纜
對於遮罩電纜，IEEE 802.3cg標準規定了最小耦合衰減。其與差分耦合到資料對的最大訊號量有關。在遮罩電纜中，該最大訊號量取決於遮罩的品質和覆蓋率，以及同一對導線中電線的對稱性。因此，不同的遮罩會有不同的回應。例如，採用箔遮罩加引流線的電纜與覆蓋率90%的編織遮罩電纜相比，二者的性能可能會有所不同。
圖4為IEEE 802.3cg針對電磁環境E1、E2和E3中安裝的系統的規格。E1對應於住宅、商業和輕工業建築等電磁環境中部署的裝置，E2對應於其他工業建築的電磁環境中部署的裝置，E3對應於由車輛電池供電的裝置。
差模至共模轉換 - 非遮罩電纜
假設同一對導線中的兩根電線都是理想且對稱的，則訊號應該以同等方式耦合，產生的共模訊號可以由10BASE-T1L訊號路徑中的MDI電路進行有效濾波。然而，電線之間的不對稱可能導致部分共模訊號在傳輸線上表現為差模訊號。如果該訊號在10BASE-T1L目標頻寬（100 kHz至20 MHz）內且夠大，其可能會破壞自動協商過程或資料傳輸。此外，這種不對稱可能會將10BASE-T1L的部分差模訊號轉換為共模訊號，進而增加電纜損耗並可能降低性能。
為了解決這些問題，IEEE 802.3cg標準根據電纜運行的電磁環境規定了最小差模至共模轉換(TCL)。圖5為針對電磁環境E1和E2的規格。
特性與長度的依賴關係
IEEE802.3cg 10BASE-T1L標準沒有針對具體長度定義電纜特性，這導致許多關於最大傳輸距離和合規性的疑問。例如，長度為1000公尺的Cat5/Cat6電纜通常不符合10BASE-T1L標準，因為其插入損耗超過了公式1和2設定的限值，然而，相同類型的電纜在長度約700公尺時可能完全符合要求。
插入損耗與電纜長度的依賴關係
如前所述，插入損耗反映了訊號衰減情況，通常以頻率為參考進行表示。因此，插入損耗（以dB為單位）與電纜長度成正比。
這表示如果一個鏈路段的長度是另一條同類型電纜長度的k倍，則其總插入損耗也是較短電纜插入損耗的k倍。舉例來說，一條1000公尺長電纜樣本的插入損耗曲線，大約相當於另一條同類型的100公尺長電纜樣本的插入損耗曲線的十倍。
回波損耗與電纜長度的依賴關係
假設電纜總體上的結構均勻（包括線徑一致、電線間距恆定、每公尺絞合數一致等），則電纜的回波損耗不隨長度而變化。
對於10BASE-T1L通訊的頻率範圍而言，這個假設相當合理。然而，如果電纜由多段相同類型的電纜連線而成，由於每個連接點可能存在反射，其回波損耗可能比單條連續電纜更差。為簡單說明，本節假設給定電纜類型的回波損耗保持不變，與長度無關。
鏈路延遲與電纜長度的關係
對於給定電纜，訊號延遲與電纜長度成正比。通過電纜的訊號延遲因電纜類型而異，並且與其構造有關。通常電纜製造商是以NVP為參考提供此資訊。以下的公式8顯示了如何根據電纜的NVP值計算鏈路延遲。
其中，L是所討論電纜的長度，NVP是電纜的標稱傳播速度，c是光速。圖6為兩條電纜的鏈路延遲與電纜長度的關係。一條電纜的NVP = 0.5；另一條電纜的NVP = 0.8。請注意，即使NVP值較低，標準也能支援超過1300公尺的鏈路延遲。標準中留有足夠的餘量，以確保其在溫度變化下的穩固性和穩定性。
最大電纜長度
電纜傳輸距離的主要限制因素通常是插入損耗，APL分類基於該因素的原因正在於此。插入損耗與電纜長度成正比，因此APL分類設定了電纜長度限制。
對於非APL應用，10BASE-T1L技術提供了更大的彈性，支援遮罩和非遮罩電纜、阻抗不匹配程度更高的電纜、電纜的再利用等。除此之外，某些應用還可以使用超出IEEE 802.3cg標準規格的電纜。為了適應這些應用，ADI的10BASE-T1L產品系列預留了充足的餘裕，支援長達1700公尺的通訊距離，並確保在各類電纜上都能穩健運行。
然而，不同電纜的最大傳輸距離各不相同，並非市場上的每一類電纜都能達到1700公尺。有些電纜的訊號損耗可能較高，因而導致傳輸距離較短。
最大傳輸距離和電纜的IEEE 802.3CG合規性
如果設施旨在符合IEEE 802.3cg標準，則電纜和PHY設備都必須符合該標準。本節深入探討插入損耗和回波損耗規格，以及合規性驗證過程。此外，本節概述了用於估算和測試給定類型電纜最大傳輸距離的方法。圖7說明了如何計算電纜的最大傳輸距離。
如圖7所示，該流程圖依賴於對給定電纜樣本的插入損耗和回波損耗的測量。理論上，電纜的長度不會影響這些結果，但在實踐中，測量誤差會隨著電纜長度的縮減而增加。因此，APL規範建議使用500公尺的電纜樣本進行測量。對於非APL應用，為了獲得可接受的結果，本文建議使用至少100公尺長的電纜進行測量。
為了確保合規，初始步驟包括評估電纜在不同頻率下的回波損耗。如果回波損耗低於公式5中列出的閾值，則電纜不符合標準，無需進一步測試。然而，如果電纜的回波損耗高於規定曲線，接下來則需要根據公式1或2中設定的基準來評估電纜的插入損耗。如果插入損耗超過這些曲線，則該電纜被視為不合規。
驗證插入和回波損耗之後，流程圖提出了一種估算符合規格的最大允許長度的方法。具體實現方式如下：將測得的插入損耗乘以因數k，以獲得盡可能接近公式1（針對1.0 V p-p傳輸位準）或公式2（針對2.4 V p-p傳輸位準）所述的曲線。透過外推法，估算相同類型但長度是所測試樣本長度k倍的電纜的插入損耗。目標是確定最大k值，使得外推的插入損耗曲線始終低於所需的規格曲線，並在外推過程中反覆運算調整k值。
示例：
以下示例進一步解釋了此方法。假設插入損耗和回波損耗已測量。
步驟1：回波損耗驗證
圖8為給定類型、長度為100公尺的電纜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，電纜回波損耗測量結果中的每一點都大於APL和IEEE 802.3cg回波損耗規格。這說明，所測量的電纜符合兩種回波損耗標準。
步驟2：插入損耗驗證
插入損耗可以透過繪製電纜插入損耗相對於規格的曲線來驗證，如圖9所示。電纜X的插入損耗測量結果如藍色實線所示。請注意，此曲線遠低於黃色和紅色虛線所表示的1.0 V p-p和2.4 V p-p 10BASE-T1L規格。這表示任何同一類型、長100公尺的電纜X都可以用在1.0 V p-p或2.4 V p-p的10BASE-T1L鏈路中。
步驟3：符合IEEE 802.3cg標準的最大長度的計算
本節重點介紹IEEE 802.3cg標準，而不是APL分類。但可以根據表1進行類似的分析。
對於測得的插入損耗，可以將每個數據點乘以因數k來外推。根據所採用的傳輸幅度（1.0 V p-p或2.4 V p-p標準），外推所得曲線低於相應的標準曲線。
圖10顯示了1.0 V p-p的IEEE 802.3cg插入損耗規格，以及選擇k = 7所獲得的外推曲線（綠線）。綠色曲線是將100公尺電纜樣本的插入損耗的每個數據點乘以k = 7得到的。請注意，獲得的外推值略低於1.0 V p-p規格，表示700公尺（將k = 7乘以電纜長度得出）是符合非APL應用的1.0 V p-p傳輸位準規格的近似最大長度。任何小於700公尺的長度也同樣符合1.0 V p-p傳輸位準規格。
與此類似，圖10還顯示了2.4 V p-p的IEEE 802.3cg插入損耗規格，以及k = 12時所獲得的外推曲線（藍線）。該曲線的獲得方式與上述方式類似，即將100公尺電纜樣本的插入損耗的每個數據點乘以k = 12。請注意，外推曲線也略低於2.4 V p-p規格，表示1200公尺是符合2.4 V p-p傳輸位準規格的近似最大長度（基於其插入損耗）。任何小於1200公尺的長度也同樣符合2.4 V p-p規格。
以上分析表明，基於插入損耗和回波損耗標準，在非APL應用中，對於1.0 V p-p和2.4 V p-p傳輸位準，該特定類型電纜的最大允許鏈路段分別約為700公尺和1200公尺。然而，對於需要完全符合標準的應用，最大鏈路段不得超過1000公尺。
此方法可應用於其他類型的電纜，得到的最大合規鏈路段長度可能小於1000公尺。例如，針對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公尺，不過這會因電纜品牌和型號而異，有些電纜可能會提供額外的餘裕。
透過電纜測試估算ADIN1100、ADIN1110和ADIN2111支援的最大傳輸距離
電纜測試程式涉及使用向量網路分析儀來估計電纜的參數，以及使用ADI的EVAL-ADIN1100EBZ評估套件來執行乙太網路流量測試。該評估套件擁有媒介轉換器功能，並透過評估軟體提供多種診斷功能，例如幀生成器、幀檢查器、均方誤差和環回模式等。
測試步驟
電纜測試包括使用向量網路分析儀測量被測電纜的插入損耗和回波損耗，然後使用這些參數來評估電纜合規性，並估算符合IEEE802.3cg 10BASE-T1L標準的最大電纜長度。最大合規長度是指特定類型電纜符合IEEE 802.3cg所定義的2.4 V p-p或1.0 V p-p插入損耗曲線（如圖2所示）的最大長度。
進一步的測試包括通過被測電纜連線兩個EVAL-ADIN1100EBZ評估板，以建立10BASE-T1L鏈路。後續鏈路性能測試涉及使用晶片內幀生成器以全頻寬傳輸乙太網路流量，並監測每個EVAL-ADIN1100EBZ板上10BASE-T1L鏈路的均方誤差(MSE)，以及錯誤計數和接收到的乙太網路幀數。僅當滿足以下條件時，測試才會被標記為通過：
- 10BASE-T1L已成功建立。
- MSE優於-20.5 dB。
- 測試期間接收的幀沒有錯誤。
對長度不同的同類型電纜重複進行此測試，以確定故障點。但在某些情況下，最大測試長度可能受限於實驗室可提供的最大長度，而不一定能反映電纜的實際最大傳輸距離。同樣，在電纜長度增量超過100公尺的情況下，識別出的故障點可能無法準確反映絕對最大電纜長度。例如，如果只有500公尺的電纜段可用，則可以透過連接兩個500公尺的電纜段來建立1000公尺的連結，但這種辦法對於1500公尺是不可行的。因為真正的最大長度可能是1200公尺，但受限於沒有該長度的電纜可用來進行測試，最後記錄的資料點仍為1000公尺。
表2為在實驗室中測試的各種電纜，得到的符合10BASE-T1L兩種傳輸位準標準的估計最大長度，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標準的電纜定義非常彈性，可支援多種曾用於舊通訊協定的電纜類型，因此維持了長傳輸距離，確保能夠透過乙太網路無縫連接邊緣裝置，而無需閘道器。
| 電纜型號 | 類型/用途 | 電纜規格 | 近似最大合規長度 - 1.0 V p-p規格 | 近似最大合規長度 - 2.4 V p-p規格 | 實驗室最大測試長度 | 備註 |
| Helukabel 828361 | Profibus PA | 18 AWG — 實芯 | 700 m | 1200 m | 1700 m | 註釋1 |
| Belden 74040H | 單對乙太網路 | 18 AWG — 實芯 | 700 m | 1200 m | 1700 m | 註釋1 |
| Helukat SPE L SF/UTP | 單對乙太網路 | 18 AWG | 700 m | 1200 m | 1650 m | |
| Helukabel 11018120 | 基金會現場匯流排 | 18/7 AWG | 未測量 | 未測量 | 1260 m | 註釋3 |
| Cat6 | 10/100/1000BASE-T | 23 AWG | 410 m | 700 m | 930 m | 註釋1 |
| Helukabel J-H(ST)H Bd | 電話佈線、測量和控制 | 0.8 mm | 未測量 | 未測量 | 590 m | 註釋3 |
| Belden 3076F | 現場匯流排 | 18 AWG—絞合 | 235 m | 400 m | 535 m | 註釋1 |
| J-Y(ST)Y...LG | 火災報警電纜 | 0.8 mm導線 | 175 m | 300 m | 400 m | 註釋1 |
| TP/1/1/22/HF/200 | 控制和儀器 | 22 AWG | 210 m | 350 m | 400 m | 註釋2 |
| TP/1/1/24/HF/305 | 控制和儀器，BACnet over MS/TP | 24 AWG | 300 m | 500 m | 350 m | 註釋2 |
註釋1：實驗室中測試的最大長度對應於測試期間鏈路正常運行的最長長度。
註釋2：實驗室中測試的最大長度受限於可用電纜，並且必然受限於收發器的傳輸距離。
註釋3：電纜參數不可用或未測量。
1測試的電纜Helu 82836是Profibus PA，其標準化傳輸速率為31,25 kB，特性阻抗為100±20 Ω，39 kHz時波衰減最大值為3 dB。
ADI的 ADIN1100、ADIN1110和ADIN2111內建了餘裕，既支援符合標準的電纜，還能夠相容非標準電纜。理想情況下，應用應遵守IEEE 802.3cg或APL規範，尤其是在程序控制中。但實際情況是，許多系統需要重複使用現有佈線來降低部署成本。內建餘裕增強了資料連結的穩健性，並有利於各類電纜（包括為了其他通訊協議而安裝的電纜類型）採用10BASE-T1L技術。如此彈性確保了ADI的10BASE-T1L元件能夠在1.0 V p-p和2.4 V p-p傳輸位準下保持一致的電纜傳輸距離。
此外，ADI提供眾多10BASE-T1L診斷工具，例如幀生成器、幀檢查器、透過均方誤差反映鏈路品質的指示器以及具有TDR的電纜故障檢測器等，這些元件均能夠支援在規劃、除錯和運行階段對系統進行診斷。這些工具有助於簡化部署，透過提供診斷洞察有效縮短停機時間，並在發生故障時減少糾正維護工作量。