硬件网络接口规范
一、RJ45接口規(guī)范：
1.基本物理接口：
a) RJ45接口作為最基本的網(wǎng)絡(luò)接口之一有兩種形式，對(duì)于千兆網(wǎng)口有4條線，兩對(duì)差分線；對(duì)于千兆網(wǎng)口有4對(duì)差分線，RJ45水晶頭是有8個(gè)凹槽和8個(gè)觸點(diǎn)（8p8c）的接頭，RJ45接口分為集成網(wǎng)絡(luò)變壓器和非集成網(wǎng)絡(luò)變壓器兩種，具體參見下一小節(jié)；
b) RJ11水晶頭一般都是4芯的，常用來連接電話和調(diào)制解調(diào)器。需要注意的是，RJ11通常指的是6個(gè)位置（6針）模塊化的插孔或插頭，但是只有4針被用到，RJ11通常只有6個(gè)凹槽和4個(gè)觸點(diǎn)（6p4c）的接頭；
RJ45 4對(duì)差分線 RJ11 2對(duì)差分線
c) RJ45水晶頭接線時(shí)有兩種線序標(biāo)準(zhǔn)：T-568A和T-568B。通過采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，最后制作成的網(wǎng)線有直通型和交叉型兩種。現(xiàn)在所有的網(wǎng)線制作都采用的是568B，線序如下(橙白 橙 綠白 藍(lán) 藍(lán)白 綠 棕白 棕)：
2.網(wǎng)絡(luò)變壓器與RJ45接口
a) 在以太網(wǎng)設(shè)備中，通過PHY芯片(物理層的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換芯片)接RJ45時(shí)，中間都會(huì)加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器。有的變壓器中心抽頭接到地。而且接電源時(shí)，電源值又可以不一樣，3.3V，2.5V，1.8V都有。這個(gè)變壓器的作用分析如下：
中間抽頭為什么有些接電源？有些接地？這個(gè)主要是與使用的PHY芯片UTP口驅(qū)動(dòng)類型決定的，這種驅(qū)動(dòng)類型有兩種，電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)。電壓驅(qū)動(dòng)的就要接電源；電流驅(qū)動(dòng)的就直接接個(gè)電容到地即可！所以對(duì)于不同的芯片，中心抽頭的接法，與PHY是有密切關(guān)系的，具體還要參看芯片的datasheet和參考設(shè)計(jì)了。
為什么接電源時(shí)，又接不同的電壓呢？這個(gè)也是所使用的PHY芯片資料里規(guī)定的UTP端口電平?jīng)Q定的。決定的什么電平，就得接相應(yīng)的電壓了。即如果是2.5v的就上拉到2.5v，如果是3.3v的就上拉到3.3v，因此網(wǎng)絡(luò)變壓器具有適配不同電壓的功能。
這個(gè)變壓器到底是什么作用呢，可不可以不接呢。從理論上來說，是可以不需要接變壓器，直接接到RJ45上，也是能正常工作的。但是呢，傳輸距離就很受限制，而且當(dāng)接到不同電平網(wǎng)口時(shí)，也會(huì)有影響。而且外部對(duì)芯片的干擾也很大。當(dāng)接了網(wǎng)絡(luò)變壓器后，它主要用于信號(hào)電平耦合。其一，可以增強(qiáng)信號(hào)，使其傳輸距離更遠(yuǎn)；其二，使芯片端與外部隔離，抗干擾能力大大增強(qiáng)，而且對(duì)芯片增加了很大的保護(hù)作用（如雷擊）；其三，當(dāng)接到不同電平（如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V）的網(wǎng)口時(shí)，不會(huì)對(duì)彼此設(shè)備造成影響。
b) 網(wǎng)絡(luò)變壓器也被稱作“數(shù)據(jù)汞”，也可稱為網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。它在一塊網(wǎng)絡(luò)接口上所起的作用主要有兩個(gè)，一是傳輸數(shù)據(jù)，它把PHY送出來的差分信號(hào)用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號(hào)，并且通過電磁場的轉(zhuǎn)換耦合到不同電平的連接網(wǎng)線的另外一端；一是隔離網(wǎng)線連接的不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的不同電平，以防止不同電壓通過網(wǎng)線傳輸損壞設(shè)備。除此而外，數(shù)據(jù)汞還能對(duì)設(shè)備起到一定的防雷保護(hù)作用。它主要用在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器、網(wǎng)卡、集線器里面，起到信號(hào)耦合、高壓隔離、阻抗匹配、電磁干擾抑制等作用。
基本的共軛互感線圈
如上圖中左邊所示為共模扼流圈(CMC:Common Mode Choke)，也叫共模扼制電感，是在一個(gè)閉合磁環(huán)上對(duì)稱繞制方向相反、匝數(shù)相同的線圈。理想的共模扼流圈對(duì)L(或N）與E之間的共模干擾具有抑制作用，而對(duì)L與N之間存在的差模干擾無電感抑制作用。但實(shí)際線圈繞制的不完全對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致差模漏電感的產(chǎn)生。信號(hào)電流或電源電流在兩個(gè)繞組中流過時(shí)方向相反，產(chǎn)生的磁通量相互抵消，扼流圈呈現(xiàn)低阻抗。共模噪聲電流（包括地環(huán)路引起的騷擾電流，也處稱作縱向電流）流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)方向相同，產(chǎn)生的磁通量同向相加，扼流圈呈現(xiàn)高阻抗，從而起到抑制共模噪聲的作用。共模電感實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向?yàn)V波器：一方面要濾除信號(hào)線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。
c) 網(wǎng)絡(luò)變壓器PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
營造一個(gè)無噪音，電源穩(wěn)定的環(huán)境；
減少EMI、EMC對(duì)芯片的影響；
簡單的信號(hào)布線，減小走線長度；
網(wǎng)絡(luò)變壓器靠近以太網(wǎng)口，以太網(wǎng)芯片PHY靠近變壓器；
網(wǎng)絡(luò)變壓器的中心抽頭電容放置在引腳的背面；
集成變壓器的以太網(wǎng)口需要將除差分信號(hào)引腳外的區(qū)域挖空，非集成網(wǎng)絡(luò)變壓器的以太網(wǎng)口需要挖空整個(gè)以太網(wǎng)口和網(wǎng)絡(luò)變壓器；
非集成網(wǎng)絡(luò)變壓器以太網(wǎng)口，初級(jí)差分線可以忽略阻抗要求，線寬根據(jù)實(shí)際情況加寬，并保持走線最短，次級(jí)差分按照100歐姆阻抗的差分線要求處理；
機(jī)殼地線走線加粗，一般采用1mm，機(jī)殼地與板的邊緣間距要大于等于1mm；
變壓器中心抽頭線需要加粗；
等長要求，TX與TX做等長，RX與RX等長，組內(nèi)控制到2.5mil以內(nèi)，組間控制在10mil以內(nèi)；
對(duì)于以太網(wǎng)芯片，TX和RX最好分不同的層走線，如果同層，線間距為4W，以太網(wǎng)芯片發(fā)熱量高，需要增加散熱孔并在背面開窗；
沿單板PCB網(wǎng)口的邊緣，每隔250mil打一個(gè)接地過孔，這些過孔排可以切斷單板噪聲向外輻射的途徑，減小對(duì)PGND靜地的影響；
注意網(wǎng)口變壓器芯片側(cè)中心抽頭對(duì)地的濾波電容要盡量靠近變壓器管腳，保證引線最短分布電感最小；
要保證電源平面相鄰信號(hào)線回流路徑的完整性，否則要改變平面形狀，使信號(hào)線處在平面層內(nèi)，回流路徑的不完整會(huì)帶來嚴(yán)重的EMC問題；
d) 網(wǎng)絡(luò)變壓器實(shí)際生產(chǎn)中常測試的基本參數(shù)：
開路電感(OCL)：Open Circuit Inductance
漏電感：Leakage Inductance，與變壓器耦合系數(shù)有關(guān)，(取決于繞線技術(shù)和磁芯)
互繞電容：Interwinding Capacitance。小的話對(duì)于變壓器信號(hào)沒有影響，過大則為共模電流提供低阻抗路徑，由此會(huì)產(chǎn)生不利效果
直流阻抗：DC Resistance RL1、RL2
變壓器變壓比：Turn Ratio，初級(jí)和次級(jí)線圈匝數(shù)比
插入損耗dB：Insertion Loss=20Xlog(V1/V2)，其中V1為插入變壓器后輸出端的電平，V2是未插變壓器時(shí)輸出端電平。此參量用以衡量插入變壓器后對(duì)傳輸信號(hào)的影響，越小越好。一般指網(wǎng)絡(luò)變壓器對(duì)信號(hào)衰減程度與信號(hào)頻率之間的關(guān)系曲線
回波損耗dB：Return Loss，衡量插入網(wǎng)絡(luò)變壓器后系統(tǒng)阻抗失配程度與信號(hào)頻率之間的關(guān)系曲線Return Loss=20Xlog(Vr/Vi)，其中Vr為反射信號(hào)幅度，Vi為入射信號(hào)幅度
交越干擾dB：Cross Talk，兩個(gè)單元電路中的一個(gè)單元電路中的信號(hào)V1與感應(yīng)到另一個(gè)單元電路中的信號(hào)V2之比值Cross Talk =20Xlog(V2/V1)
共模抑制比dB：CMRR=20Xlog(Vout/Vin)，網(wǎng)絡(luò)變壓器輸入端的共模干擾信號(hào)幅度Vin與輸出端的共模干擾信號(hào)幅度Vout之比值
隔離電平：Isolation HOT-POT 以上十項(xiàng)都是華強(qiáng)盛在實(shí)際生產(chǎn)過程中常常測試的參數(shù)，其不同的測試參數(shù)分別需要不同的測試儀器進(jìn)行測試。
3.數(shù)據(jù)在網(wǎng)線上傳輸?shù)姆绞?參看REF2)：
1.簡化的數(shù)據(jù)線傳輸模型：
a.六類雙絞線實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)時(shí)的工作頻率是 250MHz，即每根銅線中的電流一秒鐘都會(huì)改變250 000 000 次，每一次都會(huì)攜帶一個(gè)電壓：我們假設(shè)為 -5V 和 0V，代表 0 和 1，那么只需要四根銅線就能夠?qū)崿F(xiàn) 1Gbps 的單向帶寬，另外四根用于實(shí)現(xiàn)反向 1Gbps 的帶寬；當(dāng)然對(duì)于具有POE輸出功能的情況下，其輸出的電壓幅度為標(biāo)準(zhǔn)的48V。
b.超五類雙絞線實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)時(shí)只有 125MHz 的頻率，它采用一個(gè)電壓表示兩個(gè)位的方法來實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)絡(luò)：即一個(gè)電壓代表 00 或 01 或 10 或 11。我們假設(shè)這四個(gè)電壓分別是： -5V -3.5V -2V 0V。這樣每兩根銅線合在一起恰好可以實(shí)現(xiàn) 250Mbps 的雙向傳輸（還需要兩端設(shè)備支持串?dāng)_消除技術(shù)），八根銅線恰好實(shí)現(xiàn) 1Gbps 雙向帶寬。
2.超五類雙絞線和六類雙絞線比較：
超五類雙絞線和六類雙絞線雖然都能實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)絡(luò)，但是我們可以看出兩者是截然不同的兩種技術(shù)：六類雙絞線由于本身電氣性能有很大優(yōu)勢，所以需要的設(shè)備更簡單，抗干擾能力更強(qiáng)，而超五類可以說是“勉強(qiáng)”實(shí)現(xiàn)了千兆網(wǎng)絡(luò)，抗干擾能力差；如果電壓因?yàn)殡娐穯栴}或者受到外部干擾而產(chǎn)生了一些變化，很可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤導(dǎo)致校驗(yàn)失敗而引發(fā)重新傳輸，結(jié)果就是實(shí)測帶寬無法達(dá)到千兆。有案例遇到過超五類雙絞線因?yàn)榫€材受損導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接速度在 1G 和 100M 之間跳躍，最終導(dǎo)致網(wǎng)卡自動(dòng)關(guān)閉的事情。
二、POE網(wǎng)絡(luò)電源基礎(chǔ)
1.POE電源基本概念
POE(Power Over Ethernet)也被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)(POL，Power Over LAN)或有源以太網(wǎng)，也可以稱為以太網(wǎng)供電，這是利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜的同時(shí)數(shù)據(jù)和電功率的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。
標(biāo)準(zhǔn)的POE電源供電端輸出端口在非屏蔽的雙絞線上輸出44~57V的直流電壓，標(biāo)準(zhǔn)電壓為48V，以及350mA~400mA的直流電，電源由網(wǎng)口差分線載流進(jìn)來，從網(wǎng)絡(luò)變壓器前端輸出到POE電源轉(zhuǎn)換電路，從而提供單板上使用的12V的直流電。
2.基本原理如下
由于進(jìn)入到RJ45接口的差分電壓標(biāo)準(zhǔn)也是按照標(biāo)準(zhǔn)的POE電源輸出標(biāo)準(zhǔn)輸出的，因此在4對(duì)差分信號(hào)線中，差分電壓都是48V，由于差分?jǐn)?shù)據(jù)線上的傳輸速率非常高，因此相當(dāng)于高頻差分信號(hào)，通過在網(wǎng)絡(luò)變壓器中心抽頭中獲得一對(duì)差分信號(hào)，這樣便能夠得到+48V到-48V變化的方波交流電，通過整流橋即可得到48V的DC直流電，通過后端的AS1138芯片對(duì)電源進(jìn)行變壓、紋波濾除等，最終輸出5V或者12V的POE電源。(POE電源受電端PD<Powered Device>選擇的差分線對(duì)需要根據(jù)電源提供端PSE<Power Sourcing Equipment>輸出端的電源分配情況)，網(wǎng)絡(luò)變壓器的輸出耦合端將低電壓的高速數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至PHY物理層網(wǎng)絡(luò)芯片端完成數(shù)據(jù)的傳輸。
3.POE供電方案：
PoE標(biāo)準(zhǔn)為使用以太網(wǎng)的傳輸電纜輸送直流電到POE兼容的設(shè)備定義了兩種方法：
1.中間跨接法(Mid-Span)
使用以太網(wǎng)電纜中沒有被使用的空閑線對(duì)來傳輸直流電，應(yīng)用于普通交換機(jī)與網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備之間，可以通過網(wǎng)線給網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備供電，Midspan PSE（中跨供電設(shè)備）是一個(gè)專門的電源管理設(shè)備，通常和交換機(jī)放在一起。它對(duì)應(yīng)每個(gè)端口有兩個(gè)RJ45插孔，一個(gè)用短線連接至交換機(jī)，另一個(gè)連接遠(yuǎn)端設(shè)備。
2.末端跨接法(End-Span)
是在傳輸數(shù)據(jù)所用的芯線上同時(shí)傳輸直流電,其輸電采用與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)不同的頻率。相應(yīng)的Endpoint PSE（末端供電設(shè)備）有支持POE功能的以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器、集線器或其他網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。可以預(yù)見End-Span會(huì)迅速得到推廣，這是由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與輸電采用公用線對(duì)，因而省去了需要設(shè)置獨(dú)立輸電的專用線，這對(duì)于僅有8芯的電纜和相配套的標(biāo)準(zhǔn)RJ-45插座意義特別重大。
3.TPlink的POE供電設(shè)備PSE端：
拆除TPliink的TL-SG1005P的POE設(shè)備，基本分為如下若干設(shè)備：53.5V-DC直流電源輸入、WAN口數(shù)據(jù)Data數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心、POE電壓輸出隔離變壓器(共軛線圈)、POE網(wǎng)絡(luò)接口RJ45-W03(不自帶網(wǎng)絡(luò)變壓器)，其中接口的線序如右圖所示：
通過萬用表短接測試，通電和非通電狀態(tài)下的電壓分配情況：
1&2為一組差分線，中間存在連接的電感線圈，因此電阻為零，這也是POE供電線的選擇之一(負(fù)極)；
3&6作為一組差分線，中間存在電感，是POE供電線之一(正極)；
4&5為短接狀態(tài)，這是千兆網(wǎng)傳輸差分線之一；
7&8為短接狀態(tài)，也是千兆網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)差分線之一；
該TPlink設(shè)備使用了TI的TPS23861型號(hào)的IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)POE-PSE控制器，通過檢測供電端口電流情況，確定是否對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電，具體典型電路如下：
其中GATE、DRAIN、SEN三個(gè)引腳用來控制電路的通斷情況，SEN引腳用來檢測電流情況，GATE用來控制外部大功率MOS管的通斷特性，DRAIN用來提供基礎(chǔ)的漏極電壓。在未接入PD設(shè)備時(shí)，GATE通過通斷MOS管來實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的通斷供電，在負(fù)載未滿足要求時(shí)，則SEN探測到的基礎(chǔ)電流很小，此時(shí)GATE將不會(huì)處于常開狀態(tài)，而當(dāng)有負(fù)載存在是，回流到SEN中的電流就會(huì)很大，此時(shí)芯片檢測到滿足要求的電流將GATE門處于長開的狀態(tài)，這樣就實(shí)現(xiàn)了POE設(shè)備供電的檢測電路。
4. PD設(shè)備端的電路設(shè)計(jì)：
根據(jù)前述POE供電方案存在中間跨接法以及末端跨接法兩種方式，對(duì)于PD設(shè)備應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)成同時(shí)兼容兩種模式的電源電路：
如上圖所示，是中間跨接法的電路圖，其中POE的供電方式采用的是直接使用網(wǎng)線雙絞線編號(hào)4&5-7&8兩組線來進(jìn)行供電，供電的方式可以是交流電也可以是直流電，通過兩組網(wǎng)線直接向PD設(shè)備進(jìn)行48V的供電，整流橋的作用就是在于無論是直流電還是交流電都能保證電路的正常工作，兩組整流橋及DC-DC電路的作用在于兩種供電方式的兼容。壓敏電阻相關(guān)電路用來防止供電電壓過大或者雷擊對(duì)后端電路造成影響。
下面是末端跨接法POE供電系統(tǒng)圖：
對(duì)于千兆網(wǎng)絡(luò)，由于每一個(gè)引腳都需要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，因此可以采用末端跨接法來傳輸電源功率，在網(wǎng)絡(luò)變壓器端，通過共軛線圈的方式耦合高頻數(shù)據(jù)信號(hào)，而低頻電壓電流功率提供則可以直接在中心抽頭上直接獲取，在經(jīng)過后端的電壓電平轉(zhuǎn)換電路即可完成電壓的提供。
勘誤001：上圖中要注意變壓器的共模抑制一側(cè)應(yīng)該接在RJ45接口一側(cè)，去除雙絞線上高頻共模電壓噪聲，而直流POE供電，共模抑制電路不影響其傳輸。
Reference：
REF1-網(wǎng)絡(luò)變壓器的介紹分類及工作原理：https://blog.csdn.net/qq_43038015/article/details/81946146
REF2-從銅線到HTTP：https://lvwenhan.com/%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F/486.html
REF3-相關(guān)參考Datasheet：點(diǎn)擊此下載
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總結(jié)
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