硬件网络接口规范

一、RJ45接口规范： 

1.基本物理接口：

a) RJ45接口作为最基本的网络接口之一有两种形式，对于千兆网口有4条线，两对差分线；对于千兆网口有4对差分线，RJ45水晶头是有8个凹槽和8个触点（8p8c）的接头，RJ45接口分为集成网络变压器和非集成网络变压器两种，具体参见下一小节；

b) RJ11水晶头一般都是4芯的，常用来连接电话和调制解调器。需要注意的是，RJ11通常指的是6个位置（6针）模块化的插孔或插头，但是只有4针被用到，RJ11通常只有6个凹槽和4个触点（6p4c）的接头；

   

         RJ45 4对差分线                                        RJ11 2对差分线

c) RJ45水晶头接线时有两种线序标准：T-568A和T-568B。通过采用不同的标准，最后制作成的网线有直通型和交叉型两种。现在所有的网线制作都采用的是568B，线序如下(橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕)：

2.网络变压器与RJ45接口

a) 在以太网设备中，通过PHY芯片(物理层的网络转换芯片)接RJ45时，中间都会加一个网络变压器。有的变压器中心抽头接到地。而且接电源时，电源值又可以不一样，3.3V，2.5V，1.8V都有。这个变压器的作用分析如下：

• 中间抽头为什么有些接电源？有些接地？这个主要是与使用的PHY芯片UTP口驱动类型决定的，这种驱动类型有两种，电压驱动和电流驱动。电压驱动的就要接电源；电流驱动的就直接接个电容到地即可！所以对于不同的芯片，中心抽头的接法，与PHY是有密切关系的，具体还要参看芯片的datasheet和参考设计了。
• 为什么接电源时，又接不同的电压呢？这个也是所使用的PHY芯片资料里规定的UTP端口电平决定的。决定的什么电平，就得接相应的电压了。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，因此网络变压器具有适配不同电压的功能。
• 这个变压器到底是什么作用呢，可不可以不接呢。从理论上来说，是可以不需要接变压器，直接接到RJ45上，也是能正常工作的。但是呢，传输距离就很受限制，而且当接到不同电平网口时，也会有影响。而且外部对芯片的干扰也很大。当接了网络变压器后，它主要用于信号电平耦合。其一，可以增强信号，使其传输距离更远；其二，使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用（如雷击）；其三，当接到不同电平（如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V）的网口时，不会对彼此设备造成影响。

b)  网络变压器也被称作“数据汞”，也可称为网络隔离变压器。它在一块网络接口上所起的作用主要有两个，一是传输数据，它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端；一是隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备。除此而外，数据汞还能对设备起到一定的防雷保护作用。它主要用在网络交换机、路由器、网卡、集线器里面，起到信号耦合、高压隔离、阻抗匹配、电磁干扰抑制等作用。

 基本的共轭互感线圈

    如上图中左边所示为共模扼流圈(CMC:Common Mode Choke)，也叫共模扼制电感，是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。理想的共模扼流圈对L(或N）与E之间的共模干扰具有抑制作用，而对L与N之间存在的差模干扰无电感抑制作用。但实际线圈绕制的不完全对称会导致差模漏电感的产生。信号电流或电源电流在两个绕组中流过时方向相反，产生的磁通量相互抵消，扼流圈呈现低阻抗。共模噪声电流（包括地环路引起的骚扰电流，也处称作纵向电流）流经两个绕组时方向相同，产生的磁通量同向相加，扼流圈呈现高阻抗，从而起到抑制共模噪声的作用。共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。

 c) 网络变压器PCB设计要点：

• 营造一个无噪音，电源稳定的环境；
• 减少EMI、EMC对芯片的影响；
• 简单的信号布线，减小走线长度；
• 网络变压器靠近以太网口，以太网芯片PHY靠近变压器；
• 网络变压器的中心抽头电容放置在引脚的背面；
• 集成变压器的以太网口需要将除差分信号引脚外的区域挖空，非集成网络变压器的以太网口需要挖空整个以太网口和网络变压器；
• 非集成网络变压器以太网口，初级差分线可以忽略阻抗要求，线宽根据实际情况加宽，并保持走线最短，次级差分按照100欧姆阻抗的差分线要求处理；
• 机壳地线走线加粗，一般采用1mm，机壳地与板的边缘间距要大于等于1mm；
• 变压器中心抽头线需要加粗；
• 等长要求，TX与TX做等长，RX与RX等长，组内控制到2.5mil以内，组间控制在10mil以内；
• 对于以太网芯片，TX和RX最好分不同的层走线，如果同层，线间距为4W，以太网芯片发热量高，需要增加散热孔并在背面开窗；
• 沿单板PCB网口的边缘，每隔250mil打一个接地过孔，这些过孔排可以切断单板噪声向外辐射的途径，减小对PGND静地的影响；
• 注意网口变压器芯片侧中心抽头对地的滤波电容要尽量靠近变压器管脚，保证引线最短分布电感最小；
• 要保证电源平面相邻信号线回流路径的完整性，否则要改变平面形状，使信号线处在平面层内，回流路径的不完整会带来严重的EMC问题；

d) 网络变压器实际生产中常测试的基本参数：

1. 开路电感(OCL)：Open Circuit Inductance 　　
2. 漏电感：Leakage Inductance，与变压器耦合系数有关，(取决于绕线技术和磁芯)
3. 互绕电容：Interwinding Capacitance。小的话对于变压器信号没有影响，过大则为共模电流提供低阻抗路径，由此会产生不利效果 　　
4. 直流阻抗：DC Resistance RL1、RL2 　　
5. 变压器变压比：Turn Ratio，初级和次级线圈匝数比 　　
6. 插入损耗dB：Insertion Loss=20Xlog(V1/V2)，其中V1为插入变压器后输出端的电平，V2是未插变压器时输出端电平。此参量用以衡量插入变压器后对传输信号的影响，越小越好。一般指网络变压器对信号衰减程度与信号频率之间的关系曲线 　　
7. 回波损耗dB：Return Loss，衡量插入网络变压器后系统阻抗失配程度与信号频率之间的关系曲线Return Loss=20Xlog(Vr/Vi)，其中Vr为反射信号幅度，Vi为入射信号幅度
8. 交越干扰dB：Cross Talk，两个单元电路中的一个单元电路中的信号V1与感应到另一个单元电路中的信号V2之比值Cross Talk =20Xlog(V2/V1) 　　
9. 共模抑制比dB：CMRR=20Xlog(Vout/Vin)，网络变压器输入端的共模干扰信号幅度Vin与输出端的共模干扰信号幅度Vout之比值
10. 隔离电平：Isolation HOT-POT 以上十项都是华强盛在实际生产过程中常常测试的参数，其不同的测试参数分别需要不同的测试仪器进行测试。

3.数据在网线上传输的方式(参看REF2)：

1.简化的数据线传输模型：

    a.六类双绞线实现千兆以太网时的工作频率是 250MHz，即每根铜线中的电流一秒钟都会改变250 000 000 次，每一次都会携带一个电压：我们假设为 -5V 和 0V，代表 0 和 1，那么只需要四根铜线就能够实现 1Gbps 的单向带宽，另外四根用于实现反向 1Gbps 的带宽；当然对于具有POE输出功能的情况下，其输出的电压幅度为标准的48V。

    b.超五类双绞线实现千兆以太网时只有 125MHz 的频率，它采用一个电压表示两个位的方法来实现千兆网络：即一个电压代表 00 或 01 或 10 或 11。我们假设这四个电压分别是： -5V -3.5V -2V 0V。这样每两根铜线合在一起恰好可以实现 250Mbps 的双向传输（还需要两端设备支持串扰消除技术），八根铜线恰好实现 1Gbps 双向带宽。

2.超五类双绞线和六类双绞线比较：

超五类双绞线和六类双绞线虽然都能实现千兆网络，但是我们可以看出两者是截然不同的两种技术：六类双绞线由于本身电气性能有很大优势，所以需要的设备更简单，抗干扰能力更强，而超五类可以说是“勉强”实现了千兆网络，抗干扰能力差；如果电压因为电路问题或者受到外部干扰而产生了一些变化，很可能导致数据传输错误导致校验失败而引发重新传输，结果就是实测带宽无法达到千兆。有案例遇到过超五类双绞线因为线材受损导致网络连接速度在 1G 和 100M 之间跳跃，最终导致网卡自动关闭的事情。

二、POE网络电源基础

1.POE电源基本概念

    POE(Power Over Ethernet)也被称为基于局域网的供电系统(POL，Power Over LAN)或有源以太网，也可以称为以太网供电，这是利用现存标准以太网传输电缆的同时数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。

    标准的POE电源供电端输出端口在非屏蔽的双绞线上输出44~57V的直流电压，标准电压为48V，以及350mA~400mA的直流电，电源由网口差分线载流进来，从网络变压器前端输出到POE电源转换电路，从而提供单板上使用的12V的直流电。

　功率等级划分标准：802.af标准PSE端口输出功率为15.4W，PD接受功率为12.95W，802.3at PSE输出功率为30W，PD接受功率为25.5W

 2.基本原理如下

    由于进入到RJ45接口的差分电压标准也是按照标准的POE电源输出标准输出的，因此在4对差分信号线中，差分电压都是48V，由于差分数据线上的传输速率非常高，因此相当于高频差分信号，通过在网络变压器中心抽头中获得一对差分信号，这样便能够得到+48V到-48V变化的方波交流电，通过整流桥即可得到48V的DC直流电，通过后端的AS1138芯片对电源进行变压、纹波滤除等，最终输出5V或者12V的POE电源。(POE电源受电端PD<Powered Device>选择的差分线对需要根据电源提供端PSE<Power Sourcing Equipment>输出端的电源分配情况)，网络变压器的输出耦合端将低电压的高速数据信号传输至PHY物理层网络芯片端完成数据的传输。

3.POE供电方案：

PoE标准为使用以太网的传输电缆输送直流电到POE兼容的设备定义了两种方法：

1.中间跨接法(Mid-Span)

    使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对来传输直流电，应用于普通交换机与网络终端设备之间，可以通过网线给网络终端设备供电，Midspan PSE（中跨供电设备）是一个专门的电源管理设备，通常和交换机放在一起。它对应每个端口有两个RJ45插孔，一个用短线连接至交换机，另一个连接远端设备。

2.末端跨接法(End-Span)

    是在传输数据所用的芯线上同时传输直流电,其输电采用与以太网数据信号不同的频率。相应的Endpoint PSE（末端供电设备）有支持POE功能的以太网交换机、路由器、集线器或其他网络交换设备。可以预见End-Span会迅速得到推广，这是由于以太网数据与输电采用公用线对，因而省去了需要设置独立输电的专用线，这对于仅有8芯的电缆和相配套的标准RJ-45插座意义特别重大。

3.TPlink的POE供电设备PSE端：

    拆除TPliink的TL-SG1005P的POE设备，基本分为如下若干设备：53.5V-DC直流电源输入、WAN口数据Data数据转换中心、POE电压输出隔离变压器(共轭线圈)、POE网络接口RJ45-W03(不自带网络变压器)，其中接口的线序如右图所示：

  

通过万用表短接测试，通电和非通电状态下的电压分配情况：

• 1&2为一组差分线，中间存在连接的电感线圈，因此电阻为零，这也是POE供电线的选择之一(负极)；
• 3&6作为一组差分线，中间存在电感，是POE供电线之一(正极)；
• 4&5为短接状态，这是千兆网传输差分线之一；
• 7&8为短接状态，也是千兆网传输的数据差分线之一；

该TPlink设备使用了TI的TPS23861型号的IEEE 802.3at标准POE-PSE控制器，通过检测供电端口电流情况，确定是否对设备进行供电，具体典型电路如下：

其中GATE、DRAIN、SEN三个引脚用来控制电路的通断情况，SEN引脚用来检测电流情况，GATE用来控制外部大功率MOS管的通断特性，DRAIN用来提供基础的漏极电压。在未接入PD设备时，GATE通过通断MOS管来实现外部设备的通断供电，在负载未满足要求时，则SEN探测到的基础电流很小，此时GATE将不会处于常开状态，而当有负载存在是，回流到SEN中的电流就会很大，此时芯片检测到满足要求的电流将GATE门处于长开的状态，这样就实现了POE设备供电的检测电路。

4. PD设备端的电路设计：

根据前述POE供电方案存在中间跨接法以及末端跨接法两种方式，对于PD设备应该尽量设计成同时兼容两种模式的电源电路：

    如上图所示，是中间跨接法的电路图，其中POE的供电方式采用的是直接使用网线双绞线编号4&5-7&8两组线来进行供电，供电的方式可以是交流电也可以是直流电，通过两组网线直接向PD设备进行48V的供电，整流桥的作用就是在于无论是直流电还是交流电都能保证电路的正常工作，两组整流桥及DC-DC电路的作用在于两种供电方式的兼容。压敏电阻相关电路用来防止供电电压过大或者雷击对后端电路造成影响。

下面是末端跨接法POE供电系统图：

    对于千兆网络，由于每一个引脚都需要用来进行数据的传输，因此可以采用末端跨接法来传输电源功率，在网络变压器端，通过共轭线圈的方式耦合高频数据信号，而低频电压电流功率提供则可以直接在中心抽头上直接获取，在经过后端的电压电平转换电路即可完成电压的提供。

勘误001：上图中要注意变压器的共模抑制一侧应该接在RJ45接口一侧，去除双绞线上高频共模电压噪声，而直流POE供电，共模抑制电路不影响其传输。

Notice001：市面上的某些PSE供电设备，使用的是中间跨接的供电方式，因此只有100M网口的网速！需要引起注意！

4. PoE供电协商流程

PSE设备上电，PD设备通过网络连接到PSE设备后，PSE与PD就开始进行供电协商：

1. 检测PD：PSE在端口周期性输出电流受限的小电压，用以检测PD设备的存在。如果检测到特定阻值的电阻，说明线缆终端连接着支持IEEE 802.3af标准或IEEE 802.3at标准的受电端设备（电阻值在19kΩ～26.5kΩ的特定电阻，通常的小电压为2.7V～10.1V，检测周期为2秒）。
2. 供电能力协商即PD设备分类过程：PSE对PD进行分类，并协商供电功率。供电能力协商不仅可以通过解析PSE与PD发送的电阻实现的，还可以通过链路层发现协议LLDP（Link Layer Discovery Protocol）协议发现和通告供电能力进行协商。
3. 开始供电：在启动期内(一般小于15μs)，PSE设备开始从低电压向PD设备供电，直至提供48V的直流电压。
4. 正常供电：电压达到48V之后，PSE为PD设备提供稳定可靠48V的直流电，PD设备功率消耗不超过PSE最大输出功率。
5. 断电：供电过程中，PSE会不断监测PD电流输入，当PD电流消耗下降到最低值以下，或电流激增，例如拔下设备或遇到PD设备功率消耗过载、短路、超过PSE的供电负荷等，PSE会断开电源，并重复检测过程。

5. PoE供电标准

一般将IEEE 802.3af标准对应的供电技术称为PoE供电，将IEEE 802.3at标准对应的供电技术称为PoE+供电，将IEEE 802.3bt标准对应的供电技术称为PoE++供电，也称为4PPoE。三种供电技术对应的参数如下图所示。

Reference：

REF1-网络变压器的介绍分类及工作原理：https://blog.csdn.net/qq_43038015/article/details/81946146

REF2-从铜线到HTTP：https://lvwenhan.com/%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F/486.html

REF3-相关参考Datasheet：点击此下载

REF4-Huawei相关参考：https://info.support.huawei.com/info-finder/encyclopedia/zh/PoE.html

未完待续~   有用的话记得点赞评论哦！