电线电缆是硬件电路和电子系统中再平常不过的东西，很多人甚至不习惯把它称为元件，很多人只是将电线电缆片面的理解成将别的电路元件连接起来的东西，就像安装电灯一样，连接通了，电灯一定会亮。可是电线电缆真的这么简单吗？

如果你做硬件设计久了，才能其正理解，其实电线电缆其实也是很麻烦的东西，因为会有很多设计方面、使用方面的故障和毛病来自于这里。

1 为什么线缆是故障高发元件

（1）、折弯

因为折弯而导致的电线电缆故障大部分来源于一种叫做“金属疲劳＂的物理效应。那什么是“金属疲劳”呢？

人们所见到的金属，看起来烟光闪闪、铮铮筋骨，被广泛用来制作机器、兵刃、舰船和飞机等等。其实，金属也有它的短处。在各种外力的反复作用下，可以产生疲劳状态，而且，一旦产生疲劳就会因不能得到恢复而造成十分严重的后果。实践证明，金属疲劳已经是十分普遍的现象。据150多年来的统计，金属部件中有80%以上的损坏是由于疲劳而引起的。在人们的日常生活中，也同样会发生由金属疲劳带来的危害。一辆正在马路上骑行的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。炒菜时铝铲折断、挖地时铁掀断裂、刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。

所谓金属疲劳，就是一个机械零部件或结构件，如飞机、汽车、拖拉机以至桥梁的某一金属构件，只要反复承受一定变动的力，就会给金属表面特别是尖角、 孔洞等应力集中点首先产生一个微小裂纹；由于承受力的继续反复作用，微小的裂纹逐渐扩展，由小变大，到一定程度就突然断裂。 通俗地说，人们大概都有这样的经验：当一下子折不断一根铁丝时，只要反复折几次，铁丝就断了．这就是铁丝已疲劳的缘故。

为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力的部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏、断裂和折断。

1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竞然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起的。从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。

电线和电缆的金屈疲劳产生的故障是相同的：电线的金属芯折断。产生这种故障通常有2个原因：过度折弯和反复折弯。

先说说过度折弯，电线的金属芯可以看作是一个金属条，通过施加外力可以改变它的形状，也可以通过外力将变形后的金属条再回到原先的形状。这样的反复，就是一个反复折弯的过程。折弯后，在折弯处都会形成－个或大或小的圆弧，这个圆弧的半径就是折弯半径。 折弯的半径越小，电缆越容易折断。

（2）、 电流流量超过载流量

普通的电缆都不是超导体，所以它们都有或大或小的电阻。一些应用中由于忽视了电缆的电阻，而恰好电路的电流又比较大，这样在线路上白白耗费掉了一些能量。更有甚者，电流的流量严重超过电线的最大标称容量，导致电线烧毁。不过好在电线一般对高温的耐受力还比较好，而且大电流的场合也不多，所以这一类的电缆故障总体较少。

（3）、特性阻抗导致信号畸变

这个问题在低频率的信号传输电缆上，不会体现出来，信号起码也要500 Hz以上才容易体现出这个问题。如果设计不良的话，那频率越高，这个问题会越严重。

特性阻抗是指当电缆无限长时该电缆所具有的阻抗。阻抗是阻止交流电流通的一种电阻。一条电缆的特性阻抗是由电缆的电导率、电容以及阻值组合后的综合特性。这些参数是由诸如导体尺寸、导体间的距离以及电缆绝缘材料特性等物理参数决定的。

很多电路，近距离传送信号一点问题都没有，一连上长电缆，马上问题一大堆，这些问题大部分是特性阻抗导致信号畸变和电缆间信号串扰引起的。比如，要传送一个1V/1 MHz的方波信号到电路板的另外一端，是相当容易的。但是要经过1~2m的电缆，信号就会开始振铃，而要把这个信号传递到1km外去，那麻烦就大多了。1V/1 MHz的信号到1km之外后，能够有100mV就谢天谢地了。而且会由于电缆的分布电容和分布电感，将方波的上升沿和下降沿全部吃掉，只能得到一个接近于正弦波的波形。这还不算最要命的，最要命的可能是在 1 km外，会窜入许多杂波，而这些杂波都是电缆作为一个天线，把天空中的垃圾信号给接收下来了。而这些都是只有用电缆传输信号才有可能发生的问题，短距离传输根本不会发生。

（4）、电缆间信号串扰

大家都知道，电话线都有2根芯线。可是有一个问题不知道大家想过没有，从电路的角度上讲，传送一个音频信号只要一根铜线就可以了。剩下的一根接地球的大地，一样可以形成环路，为什么都要用2根呢？这个问题是我刚刚学电子的时候反复思考的问题，曾经问过很多工程师，都没有得到满意的回答。最有道理的一个回答颇具哲学色彩：“存在的就是合理的！“但是为什么要这样存在呢？

图中的“语音信号”就是电话局交换机出来的信号， 但是电话局和您家里的电话可能还有1-5 km 的距离，中间就只能用电话电缆来连接了。

现在的电话机和交换局之间的连接线都采用上图的形式，在交换局一侧，语音信号不直接接电源的正极或者负极。而是分别经过一个恒流源和一个电感才连接到十24 V或者+48 V电源。这样做的好处是让电源中的直流经过电话机形成一个回路，而同时不会因为供电而衰减掉语音信号。之后就是通过电话电缆中的一对一对的双绞线来将语音送到用户家中。为什么要用一对一对的双绞线来传送呢？关于双绞线，请看后文中关于双绞线的描述。

2 电缆的特性阻抗

电缆的特性阻抗是指当电缆无限长时该电缆所具有的阻抗。阻抗是阻止交流电流通的一种电阻。一条电缆的特性阻抗是由电缆的电导率、电容以及阻值组合后的综合特性。 这些参数是由诸如导体尺寸、导体间的距离以及电缆绝缘材料特性等物理参数决定的。特性阻抗是一个对于交流电而言的参数，所以用万用表不可能直接测员出一个电缆的特性阻抗。

正常的物理运行依靠整个系统电缆与连接器具有恒定的特性阻抗。特性阻抗的突变叫做特性阻抗不连续或特性阻抗异常，会造成信号反射，从而引起网络电缆中的传输信号畸变并导致网络出错。特性阻抗通常可以由电缆的连接和端结而造成轻微的改变。电缆的硬转弯或纽结也会改变电缆的特性阻抗。在不连续较轻的情况下，由于反射的信号微弱而且又经过电缆的衰减，所以对网络来说仍然能运行。大的阻抗不连续将会干扰数据传输。这类的不连续是由不良的电气连接、不正确的电缆端结、不匹配的电缆和不匹配的连接器的使用以及电缆中双绞电缆对的绞结方式错误而造成的。

不过对于电源线、电话线和音频线等线材来说，由于频率很低，一般不用考虑这个因素。但是视频线和射频线就要注意了。由于信号频率足够高，这些信号对特性阻抗非常敏感，对信号反射也非常敏感。比如如果视频线超过100m, 再 不注意传输阻抗的话补很容易造成重影等问题。

3 电缆与电缆的连接

电线焊接在一起盂要包覆绝缘层。这个道理大家都知道。但是我在长期的设计工作中，就发现不少电工和一些工程师（尤其是新手），随意处理电线接头，造成电线的连接不可靠。

以下是几种常见的处理电缆接头的方式：

•焊接的时候，同样的电缆，不同颜色的芯线随意焊接在一起，虽不能说这个电缆不能用，但是这样的电缆在使用的时候．麻烦多多，因为焊接后的电缆两头的颜色都不一样，很容易因为看错线色而造成人为差错。（这样的事情，学校刚出来的年轻学生经常会干。他们通常会简单地认为：电线嘛，只要接通了就好了。）

•电线焊接好了之后，不对连接的线头做绝缘处理。就拿这样的电缆做实验和其他用途。这样使用虽然绝大多数都是临时性的，但是裸露的焊点在做实验的时候很容易碰到电路板上，运气不好的话， 轻则电路板罢工，重则烧坏电路板上的芯片。

如果这样把电线折回一下，或者和一根没有断点的完整的电缆用线目扣紧在－起。虽然难看一些，但是抗拉扯的强度会有大幅度的提高，不至于因为强力的拉扯而将电线从焊点处再次断开。

4 整机的线缆走线

•电缆的颜色要符合业界的成文和不成文的规矩。比如电源正极一般用红色，电源负极一般用黑色等。如果乱配线缆的颜色，会给机器的维护和使用造成极大的麻烦。甚至有可能造成一些人为故障。

•电缆的各个芯线如果有顺序编号，一般第一号芯线要有明显标识。比如IDE硬盘的扁平电缆，第一pin就会有明显标识。

•电缆要按规定的极性和标识连接，最经常犯的错误就是将电灯或一般电器插头、插座里面的火线和零线随意乱接，这样通常怕况下小会有问题。但是比如一些日光灯关闭后，在非常暗的环境中，还会有一点微弱的光线。这种情况通常就是火线和零线乱接，导致开关虽是断开了零线，而火线依然连接着所致。这种情况虽然不影响使用，可是要有人去换灯管就会有发生危险的可能。因为这个时候即使电灯关闭了，整个日光灯和火线也是一直连通的。还有一种常见的情况就是在AV立体声设备中，L-R声道的电缆不按照规定的颜色和标示连接，导致声音左右颠倒，结果明明飞机从电视屏幕的左边飞往右边，但是还原出来的声音确是感觉飞机从右边飞往左边。

•同样的信号回路，千万不要混用特性阻抗不同的电缆（使用特殊的阻抗匹配电路除外）。

•在对同轴电缆和双绞线差分传输时，在电缆的终端节点一般要使用与电缆特性阻抗相同的端结器或者阻抗匹配电阻。端结电阻通过吸收信号能址以防止信号的反射。在视频电路中，这个电阻就能有效防止重影。

•在打开双绞电缆对安装连接器时或在配线架做连接时，非双绞的部分越短越好。

•不要将电缆转小半径硬弯或打结。电缆的转弯半径应大一些。

•在安装过程中要小心对待电缆。不要践踏电缆或过紧地捆绑电缆线

•强干扰线和信号线要隔开一定的距离，强干扰线包括电源线、CPU的IO线、CPU的总线、电动机和电铃的引线等，这些信号线由千可能包含频谱很宽的噪声信号，很容易辐射到附近的电缆。还有一些幅度很大的信号，比如HI-Fl系统从音频功率放大器出来的音箱线，由于其电流和电压巨大，即使有很少的百分比辐射到小信号的电缆上，也会造成不小的干扰。实际经验表明，这两类的线材最好互相垂直走线，其影响就能做到最小。实在要平行走线，也要尽从拉开距离。

5 双绞线

在上述电话的例子中，可能有人会说，用一对一对的双绞线来传送信号、是因为比较好管理，线序不会乱、颜色也好认。这样的回答虽正确．但却不全面。使用双绞线更大的理由是抗于扰。不仅可以防止别人干扰，也可以防止自己干扰别人。

双绞线是由一对带有绝缘层的铜线、以螺旋的方式缠绕在一起所构成的，通常的双绞线电缆是由一对或多对这样的双绞线对组成的。

绝缘材料使两根线中的金属导体不会因为互碰而导致电路短路。双绞线通常用千传输平衡信号。也就是说，在两条导线同时传输信号，但它们分别携带信号的相位相差180度。外界的电磁干扰给两条导线带来的影响将相互抵消，从 而使信号不至于迅速衰退。螺旋状的结构也有助于抵消的不利因素而如果是两根平行的导线就会形成一幅天线，不存在这种抵消效应，只有把它绞合起来才能发挥足够的抗干扰特性。

多对双绞线通常被捆扎起来，并外敷保护层。这样，成捆的电缆就可以被掩埋起来。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信追宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。很长一段时间以来，双绞线一直被广泛用于电话通信以及局域网建设中，是综合布线工程中最常用的一种传输介质。

虽然双绞线上要用来传输模拟声音信息，但同样适用于数字信号的传输，特别适用于较短距离的信息传输。 在传输期间，双绞线比较容易克服信号的衰减和波形的畸变。 现在的以太网电缆就是采用双绞线技术的最好例子。

（1）、双绞线的分类

双绞线传输模拟信号带宽可以达到几个乃至十几个MHz,而传输数字信号的数据速率随距离而不同。EIA/TlA为双绞线电缆定义了不同的规格型号，根据双绞线所支持的传输速率。主要可以分为以下几类：

•一类线：由两对双绞线组成的非屏蔽双绞线。频谱范围窄，主要用于传输语音，而较少用于数据传输。最高只能支持20kbit/s的数据速率。

•二类线：由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。主要用于语音传输和最高可达4Mbit/s的数据传输。

•三类线：由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。主要用于语音传输和最高可达10Mbit/s的数据传输，10base-T的以太网，即是采用三类线。

•四类线：由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。用千语音传输和最高达 16 Mbit/s的数据传输。

•五类线：由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。用于语音传输和高千100 Mbit/s的数据传输主要用于百兆以太网。如用在100base -T的以太网中。

•超五类线：由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。与五类线相比，超五类线所使用的铜导线质址更高、单位长度绕数也更多，因而哀减更小、信号串扰更小、具有更小的时延误差，在使用4对双绞线同时用于传输的情况下，可以用于1000base-T的千兆以太网。

（2）、双绞线的优点和缺点

双绞线具有以下优点：

•低成本，易于安装。相对于各种同轴电缆，双绞线比较容易制作，它的材料成本与安装成本也都比较低，这使得双绞线得到了广泛的应用。

•应用广泛。目前在世界范围内已经安装了大量的双绞线，绝大多数以太网线和用户电话线都是双绞线。

同时双绞线还有很多缺点：

•带宽有限。由于材料与本身结构的特点，双绞线的频带宽度有限。

•信号传输距离短。双绞线的传输距离只能达到1000 m左右，这对于很多应用场合的布线存在抒较大的限制。而且传输距离的增长还会伴随着传输性能的下降：如果要比这个距离更长，还要保持一定带宽的话，一般使用光纤。

•抗干扰恶劣环境能力不强。 双绞线对于外部F扰很敏感，特别是外来的强电磁干扰和宙击。而且湿气、腐蚀以及相邻的其他电缆这些环境因索都会对双绞线产生影响。在实际的布线中双绞线一般不应与电源线平行布置。否则距离长了就会引入干扰；而且对千需要埋人建筑物的双绞线还应套入其他防腐防潮的管材中，以消除湿气的影响。

（3）、双绞线的应用

•ISDN: 窄带ISDN中的基本速率接口(BRI)和基群速率接口（PRO）常使用双绞线作为传输介质。

•xDSL: 基于数字用户线路技术(DSL)存在若多种接入网络的解决方案， 如 ADSL、SDSL和 VDSL等，它们的共同特点是通过使用调制和编码技 术在双绞线上实现［数字传输，达到了较高的接人速率。但这些 DSL技术又在通信距离、是否对称传输、最高速率和使用双绞线对数等很多方面存在若不同。根据本地网络状况、带宽需求和用户使用习惯等不同，它们有着不同的应用场合。目前在我国，非对称数字用户线路(ADSL)技术被大规模的用千接入网络建设中。在我国的电话网络中，特别是公共电话网络用户线路的布线中还存在着大屉的平行线，在电话通信中使用平行线代替双绞线的影响不大，但当利用这样的接入线路作AD­SL接入时，就会产牛较大的影响。ADSL下行的最大速率可以达到 8 M bit/s, 而采用平行线替代双绞线一般只能达数百K bit/s的下行速率。

•以太网：目前十兆／百兆／千兆以太网的主要传输介质都是双绞线，这其中千兆／百兆以太网使用2对双绞线．千兆以太网使用4对双绞线。一般的以太网线都包含4对双绞线。部分以太网线也采用平行线或同轴电缆作为传输介质。

6 同轴电缆

同轴电缆由中心的铜质或铝质的导体、中间的绝缘塑料层、金属屏蔽层以及主要起保护作用的外套层组成。这其中，同轴电缆的铜导体要比双绞线中的铜导体更粗．而接地的金屈屏蔽层则可以有效的提高抗干扰性能。 因此，同轴电缆具有比双绞线更高的传输带宽。

同轴电缆中的屏蔽层既可以是铜质网状的、也可以是铝质薄膜状的 ， 它的另外一个作用是防止寻找食物的饥饿咽齿类动物破坏裸线。 绝缘塑料层和外套层均可以有不同的形状、结构和强度，这一般取决千电缆使用时的安装条件和使用环境等因素。 例如，应用于室外环境的架空电缆由于会工作于强风以及雨雪等 恶劣环境、因此需要强度较高的外套层。

同轴电缆的传输特性优千双绞线，这主要是缘于同轴电缆使用更粗的铜导体和更好的屏蔽层。 更粗的铜导体可以提供更宽的频谱，一般可达数百MHz。另外信号传输时的哀减更小，也可以提供更长的传输距离。

常见的同轴电缆有两种： 一种是 50 欧姆阻抗的同轴电缆，用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；另一种是75欧姆阻抗的同轴电缆、用子模拟传输，也被称为宽带同轴电缆。宽带同轴电缆在使用中其带宽可以被划分为儿个范围。通常每一个频率范围都携带右各自的编码信息。这样就可以在一根电缆上同时复用地传输多个数据流。

（1）、同轴电缆的特点

•可用频带宽：同轴电缆可供传输的频谱宽度最高可达到GHz、比双绞线更适于提供视频或是宽带接入业务。也可以采用调制和复用技术来支持多信道传输。

•抗干扰能力强，误码率低，但这会受到屏蔽层接地质员的影响。

•性价比高：虽然同轴电缆的成本要高十双绞线，但是它也有看明显优千双绞线的传输性能，而且绝对成本并不很高，因此其性价比还是比较合适的。

•安装较复杂：双绞线和问轴电缆一样，线缆都是制作好的，使用时需要截取相应的长度并与相应的连接件相连。 在这一环节中，由于同轴电缆的铜导体较粗．因此一般需要通过焊接与连接件相连。 其安装比双绞线更为复杂。

（2）、同轴电缆的应用

同轴电缆以共良好的性能在很多方面得到了应用：

•早期的局域网：早期的以太网人多采用同轴电缆作为传输介质，当用于十兆以太网时，传输距离可以到1000m。很多生产年份较早的网卡均同时提供连接同轴电缆和双绞线的两种接口，不过由于其成本高过5类线，所以这儿年在局域网中的应用少多了。

•局间中继线路：同轴电缆也被广泛地用于电话通信网中局端设备之间的连接，特别是作为PCM/ El链路的传输介质。

•有线电视(CATV)系统的信号线：直接与用户电视机相连的电视电缆多采用同轴电缆。这一电缆一般既可以用于模拟传输，也可以用十数字传输。在传输电视信号时一般是利用调制和频分复用技术将声齐和视频信号在不同的信道上分别传送。这是同轴电缆在民用中用的最多的地方。

•射频信号线：同轴电缆也经常在通信设备中被用作射频信号线，例如基站设备中功率放大器与天线之间的连接线。

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