由于CAT5电缆能处理更高带宽，新的工具能就其性能进行有效的建模。每对双绞线的特性由这一区域内复杂的三维电磁场所决定。
5类(CAT 5)是一种主要用于数据传输的由双绞线导线组成的多对(通常四对)电缆。基本的5类电缆被设计为具有高达100MHz的特性，并且通常用于运行速度为10或100Mbps的以太网。从电话级电线到很高速的电缆，非屏蔽双绞线(UTP)的质量会有所不同。每一对是以每英寸不同的扭曲数而捻合为一股的，这样有助于消除来自邻近双绞线对及其它电器的干扰。 如图1所示:
图1: 5类电缆由多条双绞线组成
电子工业协会/电信工业协会已经建立了针对不同种类导线的UTP标准。
表1比较了三类电缆性能，它在DVI/HDMI链路中具有10-9的BER(误码率)和可能用于视频电缆线路的相应的SNR点。
表 1: 5、5e和6类电缆的损耗和串扰
随着有线视频传输链路的改进，有一种简单的建模技术，有助于确认完整的DVI/HDMI收发器链路。
5类传输线建模
每条双绞线的性能由电缆内和电缆周围区域内的复杂三维电磁场所决定。为了验证通信链路，我们需要一个把所有重要方面包括在内的简化的电缆示意图，这在计算上是可行的，并且能被包含在一个电路验证环境中。这一模型也需要正确地表示像延迟、近端和远端串扰及电缆损耗。
图2所示为一个单条传输线对，代表着5类电缆内的单线对。
图 2:传输线对的基本模型
电缆内的线对被扭曲以便于维持不同导线段彼此之间的相对位置，从而使EMI/幅射最小化。在像CppSim(参考1)或Matlab这样的行为建模环境内，很容易表示一条传输线，5类UTP包括具有不同的扭曲及彼此之间相对放置的4个绞线对。
我们的研究表明：虽然像CppSim这样的典型的建模环境完全能够表示复杂的模拟和混合信号电路及功能，它们却不能能表达像电缆链路这样的一套复杂导线。令我惊讶的是，我们发现Hspice(参考2)的集成场解算器的优势在于能够实现对电缆的建模。
Hspice 'W' 模型的应用
图 3 所示为简化的5类电缆截面图。
图 3: 5类电缆截面图模型
两组极坐标确定了沿长电缆在固定位置的每条导线的相对位置。这些坐标决定了沿电缆扭曲的各个点上由场解算器计算出的电磁耦合。场解算器计算是Hspice“W”传输线建模的一个部分，并且电路仿真也会协同进行。
在这一模型中，每根铜线直径为0.5 mm，绝缘层厚度为0.2mm 。假定绝缘层相对介电常数为4。在由15米导线占据的整个空间内，采用εr = 4 (最坏情况下)进行仿真。图4所示为采用不同端接电阻值时回到源端的脉冲。
图 4: 脉冲回到源端接的电阻值分别为40、 50、 60、 70和80欧姆
这些结果表明：不同的电缆阻抗大约都为70 Ω，在超过30米的距离上有200ns的传输延迟。实际的5类电缆具有Zo≈100Ω，这种长度的电缆的延迟约为140 ns。
这表明该电缆的有效介电常数比绝缘体层的εr要小。图3表明：由电磁场所占据的空间绝大部分是空气。采用εr =1.8(比绝缘层更接近空气)会产生具有约4.6ns/m的延迟,其阻抗Zo≈100 Ω。具有这种εr值, 400ps脉冲传输100米以上的的衰减约为29dB，如图5所示。
图5: 在100米电缆末端上测得的400ps(蓝色)和5ns(红色)的脉冲衰减
5ns脉冲损耗在100米处是10dB。要注意的是：这是针对沿电缆的固定的一组定向角。
图6所示为从内部线对到图3所示的外部三线对的电缆的大约20dB远端串扰，电缆长度为100米长，采用1.25GHz的基准频率测量。
图6：400ps脉冲远端串扰(100米电缆)
图7所示为采用1.25GHz基准频率测得的从内部线对到外部三线对的大约22dB近端串扰。
图7: 400ps脉冲近端串扰(100米电缆)
这些数值与图1所示表中的建模的不精确度相匹配。
结论
场解算器与Hspice中的多导体W模型相结合，可被用来模拟所有重要的信号衰减特性，这些特性包括频率相关的损耗、延迟以及近端和远端耦合。
关于已出版的一个8条导线的电缆模型(参考3)的测量结果已经得到了验证。该模型为串扰和线对之间的耦合提供了悲观的观点。在模型内捕获的关键互联变量方面包括：线对内部和线对之间的耦合及相应的阻抗、串扰、导线和电介质的阻抗损耗效应。
采用场解算器来对多导体传输线建模，这种计算上简单的模型使整个DVI/HDMI和其它通信收发器链路的仿真能在单一基于Spice的验证环境下进行。由于扭曲的不一致以及沿着电缆或在连接器上由线队内部的分离导致的渐进的阻抗不连续性，要建模和捕获像线对内部偏移和线对之间偏移这样的因素是极其复杂的。
参考文献：
1. M.H. Perrott, "CppSim, a Behavioral Simulation package," www-mtl.mit.edu/researchgroups/perrottgroup/tools.html.
2. HSpice, an industry-standard Spice simulation tool from Synopsys Inc. (www.synopsys.com).
3. Donald Bennett, "Simple 8-wire cable model for DVI/HDMI applications," ComLSI Inc. (www.comlsi.com).
关于作者
Rajendran (Raj) Nair是ComLSI公司的创始人、总裁兼首席执行官，该公司是一家专注于与电源相关的EDA开发、高速通信链接和模拟及混合信号设计的模拟知识产权公司。Nair拥有35项美国和国际专利，并在IEEE期刊和会议文集中发表了大量文章。
Donald Bennett拥有苏格兰格拉斯哥大学半导体工艺建模的博士学位。Bennett在ComLSI从事与电源相关的EDA软件开发和高速I/O工作。
