RJ45電路基礎知識

一、網線介紹

    雙絞線由兩根絕緣銅導線相互纏繞而成。兩根絕緣的銅導線按一定密度互相絞在一起，可降低信號干擾的程度，每一根導線在傳輸中輻射的電波也會被另一根線上發出的電波抵消。把一對或多對雙絞線放在一個絕緣套管中便成了雙絞線電纜，在局域網中常用4對雙絞線組成的。

1.1、UTP與STP

1.1.1、UTP（非屏蔽雙絞線）：

非屏蔽雙絞線抗干擾能力較差、誤碼率高，但由于價格便宜、安裝方便、故廣泛應用于電話系統和計算機網絡中，成為最普遍的傳輸媒體。

1.1.2、STP（屏蔽雙絞線）：

屏蔽雙絞線的外面有一個金屬構成的屏蔽層，其內部結構與非屏蔽雙絞線相同。屏蔽雙絞線的誤碼率明顯低于非屏蔽雙絞線，還可以比非屏蔽雙絞線支持更遠的距離，更高的傳輸率和連接更多的網點，但價格相對也就貴很多。    

1.1.3、雙絞線標準：

技術指標參數

1.2、CAT3、CAT5、CAT6什么意思

1.2.1、三類線（CAT3）應用范圍：

指在ANSI和EIA/TIA568標準中指定的電纜，該電纜的傳輸頻率16MHz，最高傳輸速率為10Mbps（10Mbit/s），主要應用于語音、10Mbit/s（10BASE-T)和4Mbit/s，最大網段長度為100m，采用RJ形式的連接器，目前已淡出市場。

1.2.2、五類線（CAT5）應用范圍：

該類電纜增加了繞線密度，外套一種高質量的絕緣材料，線纜最高頻率帶寬為100MHz,最高傳輸速率為100Mbps（100Mbit/s），用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的數據傳輸，主要應用于100BASE-T和1000BASE-T網絡，最大網段長度為100m，采用RJ形式的連接器，這是最常用的以太網電纜。

  超五類線（CAT5e）：具有衰減小、串擾小，具有更高的衰減與串擾比值（ACR）和信噪比（SNR）、更小時延誤差，性能得到很大提高，超五類線主要應用于1000Mbps以太網。     

1.2.3、六類線（CAT6）應用范圍：

該類電纜的傳輸頻率1MHz-250MHz之間，六類布線系統在200MHz時綜合衰減串擾比(PS_ACR)應該有較大余量，它提供2倍于超五類線的帶寬。六類布線的傳輸性能遠遠高于超五類線標準，最適用于傳輸速率高于1Gbps的應用。改善了串擾與回波損耗方面的性能，對于新一代全雙工的高速網絡應用而言，優良的回波損耗性能是極其重要的。

六類線標準中取消了基本鏈路模型，布線標準采用星形的拓撲結構，要求的布線距離為：永久鏈路的長度不能超標90m，信道長度不能超過100m。超六類線（CAT6e）：此類線傳輸帶寬介于六類線與七類線之間，傳輸頻率為500MHz，傳輸速率10Gbps，標準外徑為6mm。

二、以太網電路構成

以太網電路主要包含：CPU、MAC控制器、PHY芯片、網絡變壓器和RJ45接頭組成，有的系統會有DMA控制。一般的系統中CPU和MAC以及DMA控制器都是集成在一塊芯片上的，為了節省空間簡化設計，很多時候網口的變壓器和RJ45的接頭集成在一起。

        終端系統以太網電路設計    

2.1、RJ45端口

RJ是Registered Jack的縮寫，意思是“注冊的插座”。在FCC（美國聯邦通信委員會標準和規章）中RJ是描述公用電信網絡的接口，計算機網絡的RJ45是標準8位模塊化接口的俗稱。連接器由插頭（8P8C接頭，水晶頭）和插座組成。如下圖所示：

關于接頭引腳定義，目前存在兩種標準：T568A和T568B（最通用）。這兩者的主要區別是橙色和綠色雙絞線進行了交換，如下圖所示：

設計這兩種標準只是在線纜顏色上有所區別，目的是在線纜側實現交叉互連。網絡直通線常用于異種網絡之間的互連（比如計算機交換機之間），交叉線常用于同種網絡之間的互聯（比如計算機與之間）。不過現在PHY芯片大部分具有自動交叉（auto MDIX）的能力,只需要直連即可。不同網絡速率及網絡介質下引腳作用也不相同，如下圖示意：

2.2、網絡變壓器的組成與作用

2.2.1、什么是網絡變壓器：

網絡變壓器也稱網絡隔離變壓器，或稱數據泵，主要應用于路由器、網卡、集線器、網絡交換機。其主要作用如下：信號耦合、阻抗匹配、電氣隔離、共模干擾抑制

電氣隔離：

  網線長距離傳輸會有很大直流分量損失；如果外部網線與PHY芯片直接相連的話，電磁感應（打雷）和靜電，很容易造成芯片的損壞。其次設備接地點不同、電網環境不同會導致發射端與接收端0V電平不一致，可能會導致很大的電流從電位高的設備流向電位低的設備。網絡變壓器將PHY送出的差分信號用差模線圈耦合濾波以增強信號，并通過電磁場轉換耦合到接收端。網絡變壓器本身耐壓設計就2KV~3KV,也起到防雷作用。

共模抑制：

網絡隔離變壓器具有電氣隔離，也可以隔離低頻差模干擾、共模干擾，但由于變壓器初次級之間寄生電容的存在，較高頻率的噪聲同樣被耦合到接收端，造成電信端傳導騷擾測試、電信端輻射測試不達標。

2.2.2、網絡變壓器的主要參數：

網絡變壓器的主要參數：開路電感、漏電感、直流電阻、變壓器變壓比、雜散電容、插入損耗、反射損耗、串擾、共模抑制比、隔離電平等。

開路電感（Open Circuit Inductance）：

當變壓器二次側開路，測量到一次側的電感。

漏感（Leakage Inductance）：

當變壓器二次側短路，測量到一次側的電感。

雜散電容（Inter-winding Capacitance):

當變壓器一次側與二次側之間的分布電容。

變壓器變壓比（Turns Ratio）:

當變壓器一次側與二次側的圈數比。

插入損耗（Insertion Loss）:    

是指經過網絡變壓器的信號能量衰減。

反射損耗（Return Loss）:

反射損耗是用來描述實測阻抗與標準阻抗不匹配的程度，即包括幅值不同又包括相位的不同，反射損耗的表達式如下：

串擾（Crosstalk)

是指一個信號通道的無用信號耦合到另一個信號通道的大小。

具體參數如下圖所示：

2.2.3、網絡變壓器電路組成：

中心抽頭、網絡變壓器、共模電感。（可選）、自耦變壓器（可選）

                                                 網絡變壓器電路組成

中心抽頭作用：

  網絡變壓器中心抽頭主要有兩個作用：通過提供差分信號線上共模噪聲的低阻抗回流路徑，降低線纜上共模電流和共模電壓。對于某些收發器提供一個直流偏置電壓或功率源。

網絡變壓器中心抽頭電路原理

所以對于不同的問題頻率點，我們可以選擇不同的電容值提供低阻抗返回路徑，對于不同芯片、不同PCB板，容值的最佳選擇需實際嘗試。    

共模電感的應用：

網絡變壓器集成的共模電感可以有效抑制共模電流引起的EMI問題，但需要特別注意共模電感的放置，如果放在芯片側則不適用于電流驅動型的芯片，如下圖所示，當有用的信號電流流過共模電感一個線圈，或在兩個線圈中電流方向相同的時候，共模電感磁芯中的磁力線不能互相抵消，此電感會對有用信號產生，從而影響有用信號。

    為解決電流驅動型芯片共模電感放置芯片側影響有用信號傳輸的問題，三線共模電感應運而生。流過中心抽頭線圈中的電流與有用信號線圈中的電流磁場互相抵消，減小線圈阻抗，保證有用信號的質量，3線共模電感如下圖所示：

對于電流驅動型PHY芯片，共模電感要放于線纜側，如下圖應用。自耦變壓器用于混合模式的端接。    

2.3、Bob Smith電路

  Bob Smith電路主要有兩個作用：提供網口任意兩對差分信號間150ohm的阻抗匹配；可以為共模信號提供低阻抗回流路徑。

基于第一種功能作用，可以清楚地看到共模電感放在電纜側時是不能滿足Bob Smith電路的阻抗匹配要求，如下圖所示：

此時Bob Smith匹配電阻不是150ohm，而變成Z=75ohm*2+ZCMC*2，不能滿足阻抗匹配要求，所以共模電感不能放在電纜側，如果要放在電纜側，則需要額外增加自耦變壓器，如下圖所示：    

基于第二種功能作用，要想在較寬頻率范圍內獲得低阻抗，需要控制連線阻抗，保證Bob Smith電路低阻抗連接。針對不同的問題頻率點還可以適當Bob Smith電路電容的容值。其作用與中心抽頭電容類似，但因為其串聯75ohm電阻，并且其是高壓電容，容值能選擇的范圍有限，但也可以成為調整解決網絡EMC問題的一個方面。

2.4、MAC&PHY芯片電路

2.4.1、MAC：

MAC即Media Access Control,即媒體訪問控制子層協議。該協議位于OSI七層協議中數據鏈路層的下半部分,主要負責控制與連接物理層的物理介質。在發送數據的時候，MAC協議可以事先判斷是否可以發送數據，如果可以發送將給數據加上一些控制信息，最終將數據以及控制信息以規定的格式發送到物理層;在接收數據的時候，MAC協議首先判斷輸入的信息并是否發生傳輸錯誤,如果沒有錯誤,則去掉控制信息發送至LLC層。該層協議是以太網MAC由IEEE-802.3以太網標準定義。

2.4.2、PHY芯片：

PHY是物理接口收發器，它實現物理層，IEEE-802.3標準定義了以太網PHY。包括MII/GMII(介質獨立接口)子層，PCS(物理編碼子層)，PMA(物理介質附加)子層，PMD(物理介質相關)子層，MDI子層。它符合IEEE-802.3k中用于10BaseT(第14條)和100BaseTX(第24條和第25條)的規范。PHY在發送數據的時候，收到MAC過來的數據(對PHY來說，沒有幀的概念，對它來說，都是數據而不管什么地址,數據還是CRC。對于100BaseTX因為使用4B/5B編碼,每4bit就增加1bit的檢錯碼)，然后把并行數據轉化為串行流數據，再按照物理層的編碼規則把數據編碼，再變為模擬信號把數據送出去,收數據時的流程反之。    

RGMII PHY芯片內部原理框圖    

2.4.3、MII、RMII、GMII、RGMII：

MII接口簡介:

MII即“媒體獨立接口”，也叫“獨立于介質的接口”。它是IEEE-802.3定義的以太網行業標準。它包括一個數據接口，以及一個MAC和PHY之間的管理接口。RMII全稱為“簡化的媒體獨立接口”，是IEEE-802.3u標準中除MII接口之外的另一種實現。

MII接口信號定義:    

MAC 通過MIIM 接口讀取PHY 狀態寄存器以得知目前PHY 的狀態。連接速度、雙工的能力等。也可以通過 MIIM設置PHY的寄存器達到控制的目的。流控的打開關閉、自協商模式還是強制模式等。MII以4位半字節方式傳送數據雙向傳輸，時鐘速率25MHz。其工作速率可達100Mb/s。當時鐘頻率為2.5MHz時，對應速率為10Mb/s。MII接口雖然很靈活但由于信號線太多限制多接口網口的發展，后續又衍生出RMII，SMII等。

RMII接口簡介：

RMII(Reduced Media Independant Interface),精簡MII接口，節省了一半的數據線。RMII收發使用2位數據進行傳輸，收發時鐘均采用50MHz時鐘源。信號定義如下：    

 GMII接口簡介：

GMII(Gigabit Media Independant Interface)千兆MII接口，GMII采用8位接口數據，工作時鐘125MHz，傳輸速率可達1000Mbps。同時兼容MII所規定的10/100 Mbps工作方式。GMII接口數據結構符合IEEE以太網標準，該接口定義見IEEE 802.3-2000。信號定義如下：

SMII接口簡介：    

SMII(Serial Media Independant Interface),串行MII接口，它包括TXD,RXD,SYNC三個信號線，共用一個時鐘信號，時鐘信號是125MHz,信號線與此時鐘同步,信號定義如下：

RGMII接口簡介：

RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精簡GMII接口。相對于GMII相比，RGMII具有如下特征：

?發送/接收數據線由8條改為4條

?TX_ER和TX_EN復用，通過TX_CTL傳送

?RX_ER與RX_DV復用，通過RX_CTL傳送

?1 Gbit/s速率下，時鐘頻率為125MHz

?100 Mbit/s速率下，時鐘頻率為25MHz

?10 Mbit/s速率下，時鐘頻率為2.5MHz

信號定義如下：