网络RJ45接口详解

RJ45 简介

图 1 RJ45模块
RJ45模块用于实现PHY之间的互连，包括PHY芯片经信号变压器与RJ45接口相连，如图 1所示。
RJ45连接器由插头和插座组成，RJ45插头又称水晶头，如图 3-10所示。这两种元件组成的连接器连接于导线之间，以实现导线的电气连续性。RJ45连接器就是连接器中的最重要的一种插座。RJ45插座分屏蔽型和非屏蔽型两种。
RJ是Registered Jack的缩写，意思是“注册的插座”。在FCC（美国联邦通信委员会标准和规章）中的定义是，RJ是描述公用电信网络的接口，常用的有RJ-11和RJ-45，计算机网络的RJ-45是标准8位模块化接口的俗称。

图 2 RJ45插座与插头
RJ45接口支持10M/100M/1000M三种速率，具有收发&极性自动翻转（不可靠）、速率/双工模式的自动协商功能。各速率模式又有不同的实现方法（对应不同的协议），10M模式包括10BASE-T、10BASE2、10BASE5；100M模式包括100BASE-TX、100BASE-F；1000M速率模式包括1000BASE-T、1000BASE-F。常用的是10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T三种。
10BASE-T采用Manchester编码，两电平信号，工作时两对差分线一收一发，传输速率10Mbps。
100BASE-TX模式采用4B/5B编码，效率80%，三电平信号，如图 3-11所示。工作时两对差分线一收一发，传输速率125 MT/s，因为采用4B/5B编码，实际传输速率为125MT/s×80% = 100Mbps。

图 3 100M模式RJ45信号眼图
1000M模式采用4D-PAM5编码，五电平信号，如图 3-12所示。所谓4D-PAM5是指4维5电平编码技术，4维即指4个差分线对，5电平是指每个差分线对上传输一个5进制的数据，因此每一个符号可表示54=625个状态，对应于二进制数，29=512，每个符号可以表示一个9bit的二进制数，其中一位用于控制，另外8位为有效数据。由于符号率同样是125MT/s，工作时4对差分线同时收发，端口Rx采用混合电路（Hybrid）滤掉同端口的Tx信号（原理类似ADSL混合电路，采用Tx倒转相位后再叠加的方式消除接收到的Tx），因此实际传输速率为125 MT/s×8bit = 1000Mbps。

图 4 1000M模式RJ45信号眼图
自协商技术
最早的以太网都是10M半双工的，所以需要CSMA/CD等一系列机制保证系统的稳定性。随着技术的发展，出现了全双工，接着又相继出现了100M、1000M，以太网的性能大大改善。但是随之而来的问题是：如何保证原有以太网络和新以太网的兼容？于是，自动协商技术应运而生。
802．3标准中的第28条是这样定义自动协商功能的：它允许一个设备向链路远端的设备通告自己所运行的工作方式，并且侦测远端通告的相应的运行方式。自动协商的目的是给共享一条链路的两台设备提供一种交换信息的方法，并自动配置它们工作在最优能力下。因此，自动协商就是一种在两台设备间达到可能的最大传输速率的方式。它允许设备用一种方式“讨论”可能的传输速率，然后选择双方可接受的最佳速率。它们使用叫做快速链路脉冲的FLP交换各自传输能力的通告。FLP可以让对端知道源端的传输能力是怎样的。
例如，A和B正在自动协商，并且A具有10/100/1000全半双工的能力，但是B只有10/100全半双工的能力，这样双方共有的最高链路能力为100，全双工。一旦双方进行自动协商，链路就会运行在双方能够支持的最佳能力下。
为了保证在对端不能支持自协商的情况下也能连接，引入了被称为并行检测（Parallel Detection）的机制。在一端打开自协商，另一端关闭自协商的情况下，连接的建立就依靠并行检测功能实现。对于关闭自协商的一端，端口会不断发送信号出来，10M、100M、1000M所发的信号各不相同，支持自动协商的一端在接收到对端信号后，可以知道对端是工作在什么模式，如果自己也同时支持这个模式，那么它将与对端建立连接。但是这个连接只能是半双工的，因为平行检测不能检测到对端的双工模式，因此都默认采用半双工方式连接。
因此，在自动协商中，如果两端都支持自动协商，协商的结果建立一个两端同时支持的最大速率和双工模式；如果一端强制一端自协商，那么只能建立一个半双工连接，连接速率为强制模式的速率；如果两端都工作在强制模式，只有两个强制模式的双工方式完全相同的时候，才能建立有效连接。如图 5所示。

图 5 三种自动协商结果
RJ45 电路设计
1、RJ45接口的线序
以太网口的信号变压器出来的TX-/TX+、RX-/RX+信号与RJ45相连时必须符合RJ45接口规范，如图 3-14、图 3-15所示。具体要求如下：
1）极性要正确，一定不能接反，虽然有些芯片支持极性反转，但是在不同方案芯片间配合时，有时还是会出问题。
2）收发要正确，一定不能反转，虽然现在的芯片设计在淡化收发线对的位置，但是为了不冒风险，除非布线无法实现，还是要按照规定不能反转接线。

图 6 10BASE-T/100BASE-TX线序
详细的极性及收发连接规定如下：
100M卡类终端（对应一般路由器的WAN口）RJ45接口：1-TX+、2-TX-；3-RX+、6-RX-；
100M交换机（对应一般路由器的LAN口）RJ45接口：1-RX+、2-RX-；3-TX+、6-TX-；
1000M RJ45接口：1-DA+、2-DA-；3-DB+、6-DB-；4-DC+、5-DC-；7-DD+、8-DD-；或：1-DB+、2-DB-；3-DB+、6-DB-；4-DD+、5-DD-；7-DC+、8-DC-；

图 6 1000BASE-T线序
2、PCB Layout注意事项
PHY到信号变压器之间为差分走线，需要做差分100欧阻抗控制。走线要求差分对两线尽量等长，差分线等间距，尽量做到包地完整。
RJ45 网络连接线
国际公认的网络线缆标准划分为七个类别，目前常用的是五类、超五类和六类双绞线，如图 3-19所示。三者都由四对双绞线组成，区别在于，超五类网线比五类网线增加了绕线密度，从而使得串扰更小，传输距离更远，传输带宽更大。而六类网线在超五类网线上增加了线缆的直径，并在网线的中间增加了绝缘十字骨架，将四对双绞线分别置于十字骨架的四个凹槽上，进一步提高信噪比。
五类网线适用于百兆以太网，超五类和六类网线适用于千兆以太网。当然在短距离传输上，将五类网线用于千兆以太网连接也不会有什么问题。

网线制作标准主要有T568-A和T568-B两种，T568-A 的线序是：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕。T-568B的线序是：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕，如图 7所示。
目前大量使用的是T568-B标准的线序。

图 7 RJ45插头和插座线序
网线连接类型有直通和交叉两种，直通线即网线两端的线序相同，同为T568A 标准或T568B 标准，直通线用来连接两个不同性质的接口,如PC to Switch/Hub，Router to Switch/Hub等；交叉线即网线两端的线序不同，一端为T568A标准，另一端为T568B标准，交叉线用来连接两个性质相同的端口如Switch to Switch，Switch to Hub， Hub to Hub， Host to Host，Host to Router等。一般可以这么理解：同种类型设备之间使用交叉线连接，不同类型设备之间使用直通线连接，路由器和PC属于DTE（数据终端设备）类型设备，交换机和HUB属于DCE（数据通信设备）类型设备。

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