综合布线的规划设计及工程实施


2017-03-05
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        阐述了结构化布线系统的规划设计及施工图设计的程序,重点论述了结构化布线系统的抗干扰设计

1.规划与设计

      当项目立项后,该项目主体规模、建筑等级和使用功能等要求基本确定后,结构化布线系统进入初步设计阶段,其中包括系统组网方案和投资控制。

1.1 初步设计

      根据项目意见书进行必要的调研工作,其包括:
      地区广域网(Wan)的现状和发展概况(如ISDN、INTERNET、ATM、WBB“宽带网”和CATV)等,结构化布线系统应与之同步考虑,可以一次规划分期实施。对于改、扩建项目要考虑原有设施可以依托的能力,节约投资。自然环境条件,如温湿度、干扰源,是否有盐雾、腐蚀等影响,是否地震带或雷击区。设备及主缆材的选型调查,了解类似工程的运行业绩,以便提出选型建议;明确与主体专业和有关专业的协调工作和设计分工;确定采用的规范标准(包括地方行业标准)和地区概算定额。

      优化系统方案,初步选定缆线路由和敷设方式,完成设计文件包括设计说明书、系统图和主要设备缆材表、概算等。

1.2 方案设计

      网络布线:

      目前,国内外在设计建筑物内的计算机网络系统时, 在网络规划建设中采用网络结构化布线系统,可以方便网络互联的变化及网络的管理,以使所规划的信息网络具有以下特点:

      兼容性;综合布线系统是一套全开放的布线系统,具有一整套全系列的适配器,可将不同厂商设备的不同传输介质全部转换成相同的非屏蔽双绞线。

      灵活性;所有设备的开通及更改均不需要改变系统布线,只需增加相应的网络设备及做必要的条线管理即可。改变跳线方式可组成不同的网络拓扑结构。

      可靠性;系统布线全部采用物理星型拓扑,点到点端接,任何一条线路故障均不影响其它线路的运行,由于各系统采用相同传输介质,因而可互为备用,减少了备用冗余。

      先进性;综合布线系统采用光纤、双绞线混布方式,极为合理地构成一套完整的布线系统。

      网络协议及操作系统的选择


      TCP/IP协议:由于TCP/IP协议具有较强的异种机互连的功能,它是一个高效的、易于扩充的协议。主要特点是,能够连接广域网中被空间距离和低速连接隔开的不同或相似的网络系统。它是当前最受支持、设计最好的互联网协议。根据国内具有多种机型和多种操作系统的状况,应选用TCP/IP作为其整个网络的一种通讯协议。

      NetBEUI协议;NetBEUI协议可以看成是NT的“母语”协议。它是局域网的首选协议,在局域网中是各种协议中最快的,并且它可以支持点对点的网络。

      Windows NT网络操作系统;Microsoft公司的Windows NT网络操作系统是近几年发展较快的网络操作系统,它与目前微机的操作系统Windows95/98,Windows2000的使用方法十分相似。对于一般的用户来说,容易掌握且操作方便,很受广大计算机用户的青睐。Windows NT网络操作系统支持我们所选择的两种网络协议TCP/IP、NetBEUI,并且作为数据库应用方面优于Netware。因此,应优选用其作为数据库服务器的网络操作系统。

      网络结构设计应遵循以下设计原则:

      采用统一的网络协议和接口标准。

      设计的网络系统,要统一规划,分布实施,方便扩充。第一期建成主干网和局域网,使一些重要设备实现共享,主要用户通过DDN专线可以访问Internet;


      
能够集中管理和监视网络上的各种设备,为网络的正常运行提供可靠的保障;

      充分考虑系统的科学性、先进性、实用性和经济性。

      以合理的投资建设高性能价格比的、具有代表当今先进水平的网络系统,并保证若干年内不被淘汰,使计算机网络系统能够真正发挥作用。

2.施工图设计


      
根据确定的初步设计方案,制定设计工作流程图。按照可用面积和业主的功能要求,对各个子系统进行具体配置,确定工作区子系统信息点的位置和数量,当无法确定时,宜选择适当位置便于密集点的延伸和扩充,要留有余地。选定配线子系统的路由和敷设方式,对于隐蔽工程(如楼板内、天棚内或墙内)宜将管线一次到位,管内应留足备用余地;选择干线子系统的路由和敷设方式,要考虑线路的安全性和方便维修。管理(接线间)子系统尽量避开电梯间、空调机房、配电间和有电磁干扰的影响,接线间的大小和位置应根据缆线I/O数量加以计算和选定。对于建筑群子系统,则应根据地理条件和信息点疏密分布情况,确定网络拓扑结构、干线路由和敷设方式。在整个设计过程中常常采取平行或交叉作业方式,与土建和公用工程专业进行协调,提出预留孔洞,预埋安装件和电源等设计条件,以书面形式确认记录。按施工图设计内容和深度的要求完成各项图纸、图表和概(预)算。

2.1 工程设计中问题分析


      
"跟着市场感觉走",有的单位或承包商没有真正掌握综合布线系统的设计原理,更没有吃透它的传输理论,简单地认为综合布线系统同传统的电话布线没有什么区别,施工起来更是马马虎虎,不管系统建成后性能如何,给日后埋下了巨大隐患。

      做综合布线系统必须严把设计关,要明确综合布线的内容和要求,要进行统一布局,用尽量少的投入换取较大的收入。综合布线系统是一项技术含量较高的工作,有时甚至可以称之为一门艺术,必须通过认真的学习、大胆的实践才能使综合布线系统系统发挥出应有的作用。

      用经验代替学习。有很多技术人员做综合布线系统布线时并没有系统地学习有关知识,只是通过一些报刊、书籍的介绍摸索着干,或是跟别人一起做过,这样就认为可以去做所有的综合布线系统工程了。这样在简单的、小规模的工程中还可以应付,但如果面对一个大型的、综合的综合布线系统工程就可能束手无策了。因为一个真正的综合布线系统工程不但需要比较全面的计算机网络和通信技术,还要有厂家的强有力的支持。如果在有一定经验的前提下参加一些如美国AMP公司的网络综合布线工程师的认证,取得认证后再用于实践,那一定会使你更加胜任综合布线系统工程。

3.传输频率与传输速率。

      传输频率和传输速率是结构化布线系统设计中接触最多的两个基本概念。线缆的频带带宽(MHZ)和线缆上传输的数据速率(Mbps)是两个截然不同的概念。MHZ表示的是单位时间内线路中的信号振荡的次数,是一个表征频率的物理量,而Mbps表示的是单位时间内线路中传输的二进制位的数量,是一个表征速率的物理量。传输频率表示传输介质提供的信息传输的基本带宽,带宽取决于所用导线的质量、每一根导线的精确长度及传输技术。而传输速率则在特定的带宽下对信息进行传输的能力,衡量器件传输性能的指标包括衰减和近端串音,整体链路性能的指标则用衰减/串音比ACR来衡量。带宽越宽传输越流畅,容许传输速率越高。网络系统中的编码方式建立了MHZ和Mbps之间的联系,某些特殊的网络编码方案能够在有限的频率带宽度上高速的传输数据。一般情况下设计者关心的是特定传输介质在满足系统传输性能下的最高传输速率。

        3类UTP 4类UTP 5类UTP 超5类
传输频率 16     20    100    200   600MHXZ
传输速率 10 16 155 100 *Mbps


4. 屏蔽与非屏蔽双绞线的选择。

      在结构化布线系统中,使用最多的传输介质是各种各样的线缆。常用的线缆包括铜缆和光缆,而铜缆以其性价比高而成为布线系统的主力,且结构化布线中所使用的铜缆均为双绞线。双绞线是由两根具有绝缘保护的铜导线组成的。把两根绝缘导线按一定的密度互相绞在一起,可降低信号干扰的影响 。每根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消。双绞线一般由两根22~26号绝缘铜导线相互缠绕而成。双绞线可分非屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)和屏蔽双绞线STP(Shileded Twisted Pair)。而屏蔽双绞线又可分为铝箔屏蔽双绞线(FTP)、铝箔/铜网双层屏蔽双绞线(S-FTP)、独立屏蔽双绞线(STP)。双绞线结构差异决定了其性能、价格差异,为用户提供了各种选择机会。但怎样选择系统传输介质,往往是设计人员面临的一个首要问题。下面我们用表二对以上几种双绞线作一个综合比较。

      当然系统中保密技术不仅可在链路上实行,而且可在信元上实行,非屏蔽系统采用钢管布线,抗干扰能力有较大提高。随着技术的发展,解决问题的方法和手段也在不断的变化和提高。

      除了以上这些定性的分析外,《建筑与建筑群综合布线系统设计规范修订本》(以下简称《规范》),还定量作了以下规定:

     (1)各种缆线和配线设备的抗干扰能力,采用屏蔽后的综合布线系统平均可减少噪声 20dB。

     (2)各种缆线配线设备的选用原则宜符合下列要求:

      (a)当周围环境的干扰场强度或综合布线的噪声电平低于规范12.2.1条3款规定(具体规范细则请看规范)。干扰源信号或计算机网络信号频率小于30MHZ,又能符合规范表12.2.2各项规定时,可采用UTP缆线系统和非屏蔽配线设备。

      (b)当周围环境的干扰程度或综合布线的噪声电平高于12.21条3款规定,干扰源信号或计算机网络信号频率大于等于30MHZ,应根据其超过标准的量级大小,分别选用FTP、SFTP、STP等不同的屏蔽缆线系统和屏蔽配线设备。另外,规范表12.2.2要求的间距不能保证时,应采取适当的保护措施。
      (c)当用户对系统有保密要求,不允许信号往外发射时,或系统发射指标不能满足规范12.2.1条4款规定时,应采用屏蔽缆线和屏蔽配线设备或光缆系统。

      综上所述,究竟使用屏蔽系统还是非屏蔽系统,要根据业主的应用场所、应用需求、对未来的预期及投资状况等方面综合考虑,选择适合的系统。

      UTP和FTP缆线的选择关键取决于外部EMC的干扰的影响,干扰场强低于3V/m时,一般不考虑防护措施,根据对缆线性能测试表明;在30MHz频段内,UTP与FTP的传输效果和抗EMC能力相近,超过时,则FTP较之UTP的隔离度明显要高出20~30dB,根据干扰信号超过标准的量级大小可分别选择FTP、SFTP或STP等不同的屏蔽缆线和屏蔽配线设备,对于FTP的接地要求严格,且应为360°的完全屏蔽,否则屏蔽层反而成为辐射干扰源。此外,注意FTP的屏蔽结构改变了整条电缆的电容耦合,衰减也会较之同级的UTP稍有增加。FTP的综合造价约为:FTP=1.2~1.6UTP。因此,FTP适用于EMC严重区域和保密性强的场所,如党政专网、机场、军事部门和工业企业。

5.选型应根据系统的技术性能、投资概算、产品工程业绩以及售后服务质量等加综合考虑。

      Cat5+和Cat6的选择:对于Cat5+所测试的参数极限与实验的数据已经相近,超五类系统可以支持千兆以太网的运行,而且不同厂商的Cat5+系统之间可以互用。Cat6价格较之Cat5+昂贵,但其带宽却扩大25%,显示了传输速率的增强,Cat6系统是专用的,即意谓着各个厂商的元件都有其独特的设计和性能指标,不同厂商的元件互通性的可能性很小,元件的指标仍在研究之中。Cat6已经在少数工程中超前采用,值得注意的两个问题是:使用CAT6线缆应选择相同等级和商家生产的接插件器件,因为CAT6是专用件,各厂家的产品尚不能互通;CAT6对固定链路和通道其测试内容,除按EIA/TIA 568-67标准各项内容外,还需增加:等效远端串扰(ELFEXT)、综合等效远端串扰(PS ELFEXT)、回波损耗(RETURN LOSS)、综合近端串扰(PS NEXT)、综合衰减串扰比(PS ACR)等内容。目前Cat6只有商家的企业标准,一般来看,企标的各项测试指标往往高于规格标准,但是否可以作为验收确认仍然是一个待定的问题。

6.抗干扰设计

      结构化布线本身是无源的,但它与各种高频网络设备联成系统后,就成为有源设备的重要组成部分,其受到的干扰种类较多,在实际工作中可能同时或交叉发生,所以需要抑制措施也较复杂。一般采取抑制噪声源、切断噪声途径、提高受扰设备对噪声免疫能力等方法。因此采用屏蔽(抑制噪声源,减少耦合电容与互感)、滤波(抑制噪声源)、合理布线(减少耦合电容与电感)和合理接地。而对于传输线上的反射波通过阻抗匹配解决,对导体还要采取特殊的生产工艺(双绞线)。

3.1双绞线抗干扰

      为了消除线对间的串扰,结构化布线系统中使用双绞线作为传输媒介,它把电流方向相反流量相等的两根导线互相拧合。由于电流的方向相反,感应磁通引起的噪声电流互相抵消,不影响传输信号,其抑制线队间的串扰效果与绞距有关,见表三所示:
表三 双绞线绞距对抑制串扰的影响
绞距 10     7.5      5    2.5
噪声衰减率/dB 23     37      41     43
两根线绞合在一起,除了可减小或消除串扰外,还可降低两导线间的非平衡性互电容,有利于平衡传输,还可以降低衰减,并保持恒定的特性阻抗。

3.2 非屏蔽与屏蔽线缆的选择

根据有无屏蔽层,双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP)与屏蔽双绞线(STP)。UTP除了采用合理的绞距消除线对之间的串扰外(可认为是内部干扰),还利用平衡传输特性消除外界的电磁干扰,即外界干扰在一个线对的两根导线上的影响相同而互相抵消,接受器只对信号敏感而不受这种共模噪声的影响,其抗干扰能力≥40dB。在一般电磁环境中使用UTP已能满足性能要求。

3.2.1超过6类标准的高速数据传输中,因TUP的极限是6类标准,而实现7类标准必须采用屏蔽系统。
3.2.2有信息安全要求的场合,不允许电磁信息往外发射,若屏蔽系统尚不能达到要求,应采用光缆系统。

3.3 屏蔽系统

      屏蔽电缆的芯线外由于有一层屏蔽网,因此其屏蔽效果是很明显的,但它的做法要严格遵守下列规定:

      要求全程屏蔽。包括线缆、终端、信息插座、跳接线、配线架、集线器等在内的整个系统都需要完全连续屏蔽,不允许有一丝的间断或破损。

      要求有良好、正确的接地。对系统的接地方式、接地电阻有较高的要求,确保把干扰引入大地,并不把新的干扰引入系统。

      以上两点在实际工程中均很难完全做到,若不能做到,则其性能可能反而不如UTP,而且屏蔽系统成本较高。目前,对综合布线是采用屏蔽与非屏蔽是工程界争论的焦点。

      屏蔽系统除了传输部分屏蔽外,设备间(如机房)也需屏蔽。在高频时屏蔽物宜用铜或铝,其厚度可很小,而低频时宜用铁磁材料作屏蔽层。

      传输线路的反射抑制;传输线在接有阻抗值不同于其特性阻抗Zc处,其传输的信号会在该处发生反射,并叠加在传输信号上,造成信号波形畸变,可能会使传送信息产生错误,或使电压超过电路极限值,破坏电路的正常工作。

      反射包括信号源的内阻抗与传输线路的特性阻抗不匹配,以及传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配,或两种不同的电缆相互连接。综合布线线缆特性阻抗我国标准规定为100Ω与150Ω(新国标只规定为100欧姆),其偏差为±15Ω,设计时要注意阻抗匹配,以消除发射的形成。

3.4 滤波

      滤波是抗干扰的一项重要手段。滤波器件分为模拟滤波器和数字滤波器,它们应用于信号电路时,都应无失真地让需要的信号通过,即在通频带内,其幅频特性应为一常数,而相频特性应为线性,设计时应以此为原则。

      模拟滤波器既可用于电源线路,也可用于信号输入、输出电路,能衰减脉冲噪声、尖峰噪声、谐波与其他杂波信号。对于共模噪声,滤波器在电源线(信号线)和地线间构成通路,把噪声电流引入大地;对于常模噪声,滤波器在线间构成通路,把噪声电流在线间短路。

      在高速数字传输系统中,例如千兆位以太网中,近端串扰严重,而且阻抗匹配也难以作到。在系统中除常见措施外,还需要采用数字滤波技术消除串扰与回波损耗。因为与模拟滤波相比,数字滤波具有精度高、稳定性好、改变系统特性容易(通过软件)、易集成等优点,随着高速DSP的发展,数字滤波较易实现。

3.5 接地

      目前在我国结构化布线系统中工作的各种微电子装置的接地种类繁多,归纳起可分为以下几类:

      供电电源中性点的工作地,是指稳定的供电系统中性点电位的接地。

      防雷保护接地,是指在雷雨季节为防止雷电过电压的保护接地。

      安全保护地,是指为防止接触电压及跨步电压危害人身和设备安全,而设置的微电子装置的金属外壳的接地。

      直流系统地(又称为逻辑地、工作地),它为微电子装置各个部分、各个环节提供稳定的基准电位(一般是零点位)。这个地可以接大地,也可以仅仅是一个公共点。系统地如果与大地不相连,即系统地处于悬浮工作状态,称之为浮空地。

      屏蔽地,屏蔽地是为抑制各种干扰信号而设置的,屏蔽的种类很多,但都需要可靠的接地,屏蔽地就是屏蔽网络的接地。

      在系统中各种微电子装置的接地种类及接地的技术指标要求,因生产厂及设备功能不同而不同,下面以常规微电子装置为例,阐述其接地的设计原则:

     (1)系统地应为一点地,所有微电子设备的系统地均应连接到一点后,再进行接地。

     (2)为作到等电位,应当在微电子设备较为集中处,如操作室、控制室、计算机室等区域建立接地网络。

     (3)在一个区域内,每台设备到区域接地点应呈放射式接线,距离不应大于20米。

     (4)接地电阻应小于微电子设备的要求值,微电子设备不应与非微电子设备共地,也不能利用钢结构及建筑物的基础接地。

     (5)结构化布线系统的接地种类分为:数字电源地(DG),模拟电源地(AG),模拟信号地(SG),同轴电缆地(CXG),机柜地(CG)。

      尽管系统中各公司生产的微电子装置,对接地的种类规定及接地电阻的阻值要求不尽相同,但设备的系统地要求比其它几种接地要求要严格得多,并有越来越高的趋势。为了避免诸“地”间相互干扰,上述几种地都应设置各自独立的接地网络。其接地线必须采用绝缘铜导线,连接到统一的接地点,以形成一个共同的电位点。为了研究上述各种接地系统间的关系,分析接地网体系的诸多因素及降低接地电阻的有效途径和具体方法,近年来“计算机接地工程学”作为一门崭新的学科,受到信息传输领域、自动化控制领域的重视,也为微电子装置的接地系统的研究和实践奠定了理论基础。




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