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王亞東
1998 年6 月
摘 要：千兆位以太網(wǎng)，可以使用簡單的以太網(wǎng)機(jī)制為網(wǎng)絡(luò)提供超過100Mbps的傳輸速率，具有打破幾乎所有帶寬瓶頸的潛能。但原有的5類及以下各類電纜已難以適應(yīng)傳輸需要，超5類電纜隨之應(yīng)運(yùn)而生，為適應(yīng)千兆位以太網(wǎng)布線的需要，人們對新一代的電纜也越來越關(guān)注。本文首先介紹了網(wǎng)絡(luò)傳輸布線系統(tǒng)、傳輸電纜及標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程；然后闡述了千兆位以太網(wǎng)技術(shù)特點，對傳輸介質(zhì)需求，超5類電纜和5類電纜的性能對比及超5類電纜性能指標(biāo)要求、技術(shù)特性、結(jié)構(gòu)工藝特點等；最后介紹了超5類電纜市場狀況和發(fā)展?jié)摿Α?SPAN lang=EN-US>
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng) 電纜 通信
通信技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展,通信網(wǎng)已經(jīng)由僅僅傳輸語音發(fā)展到需同時傳送大容量高速率的話音、數(shù)據(jù)、圖像。從70年代起在原有的大量室內(nèi)對稱電纜布線系統(tǒng)中開始要求傳送數(shù)字信息，到80年代這個數(shù)字信息的傳輸數(shù)率由原來的數(shù)千比/秒（kb/s）提升到數(shù)兆比/秒（Mb/s），而到了90年代則要求傳輸100Mb/s或更高的傳輸數(shù)字系列信號。
目前常用的園區(qū)網(wǎng)主干網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)有10Mbps以太網(wǎng)（Ethernet），100Mbps 快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet），FDDI和ATM。用FDDI組建主干網(wǎng)已經(jīng)不是很多，主要采用快速以太網(wǎng)和ATM作為主干網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，快速以太網(wǎng)是價格較適中性能較高的組網(wǎng)方式。
目前,對稱的室內(nèi)布線系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于樓宇和樓宇群內(nèi)（校園），它廣泛采用無屏蔽對絞電纜（UTP）與光纜作為傳輸媒體。目前已將5類100歐姆UTP電纜作為LAN（局域網(wǎng)）和商務(wù)大樓中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)電纜。這種對稱布線系統(tǒng)較同軸電纜的布線系統(tǒng)具有可預(yù)埋，改接靈活，可靠性高，成本較低的優(yōu)點。對稱電纜的串音衰減隨速率提高而顯著下降的缺點，已靠超短節(jié)距扭絞與合理的節(jié)距配置得到了彌補(bǔ)。近年來開發(fā)出來的新型對稱數(shù)字電纜從結(jié)構(gòu)來說雖與普通市內(nèi)通信電纜大致相同，但對其性能要求則高的多。因而相應(yīng)的制造工藝要求也要提高許多。經(jīng)過多年的努力研究開發(fā)目前以研究成功并成批生產(chǎn)了3類到5類的各種不同檔次的新型數(shù)字電纜。早在1988年ISO/IEC（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織／國際電工技術(shù)協(xié)會）已開始著手對稱數(shù)字電纜的標(biāo)準(zhǔn)化工作，制定了IEC-1156-1“數(shù)字通信用多芯對絞/星絞對稱電纜總規(guī)范”等標(biāo)準(zhǔn)。世界上最早將對稱數(shù)字電纜列入國家標(biāo)準(zhǔn)的是美國的EIA/TIA(美國通信工業(yè)協(xié)會/美國電子工業(yè)協(xié)會)在1991年制定了EIA/TIA568 “商業(yè)大樓電信布線規(guī)范”。接著加拿大、澳大利亞把這類標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過一些小修改也成為國家標(biāo)準(zhǔn)，他們對于IEC標(biāo)準(zhǔn)制定具有較大影響。我國在1996年也制定了YD/T 838.1等系列通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),其等效采用IEC標(biāo)準(zhǔn)�！�
隨著企業(yè)應(yīng)用程序日益復(fù)雜化（如內(nèi)聯(lián)網(wǎng)（Intranet）技術(shù)、立體影像、多媒體編程、桌面視像、電腦輔助設(shè)計及寬帶視像等），許多網(wǎng)管員正在向用戶所在的網(wǎng)絡(luò)邊緣提供交換式10BASE－T（10Mbps以太網(wǎng)的物理層規(guī)范）和100BASE－T（100Mbps以太網(wǎng)的物理層規(guī)范）連接。但是，在臺式機(jī)和服務(wù)器上采用這些先進(jìn)技術(shù)，以及提高網(wǎng)絡(luò)的訪問速度經(jīng)常會使局域網(wǎng)主干網(wǎng)承受更大的壓力，并產(chǎn)生與那些在傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)局域網(wǎng)上類似的瓶頸。
目前，人們對千兆位以太網(wǎng)（Gigabit Ethernet）寄予了厚望。千兆位以太網(wǎng)這種高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，具有極高的網(wǎng)絡(luò)帶寬，足以應(yīng)付各種應(yīng)用需求：如交換式工作組、公司內(nèi)部INTRANET、實時多媒體等。100Mbps與1000Mbps信息傳輸效果比較見表1
表1 100Mbps與1000Mbps信息傳輸效果一覽表
數(shù)據(jù)存儲量 | 100Mbps速率所需的傳輸速率 | 1000Mbps速率所需的傳輸速率 | |
大型數(shù)據(jù)文件 | 100Mbps | 8秒 | 0.8秒 |
高分辨率圖形（100） | 400Mbps | 32秒 | 3.2秒 |
MPEG2視頻文件（2小時） | 4．2Gbps | 6分鐘 | 36秒 |
千兆以太網(wǎng)可以使用簡單的以太網(wǎng)機(jī)制，為網(wǎng)絡(luò)提供超過100Mbps的傳輸速率，由于使用了與前代相同的CSMA／CD（載波偵聽多路訪問/沖突訪問方式）協(xié)議、相同的幀結(jié)構(gòu)及幀長，對網(wǎng)絡(luò)用戶，這就意味著可以花費(fèi)不大的網(wǎng)絡(luò)投資，也不需要增加網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及重新培訓(xùn)其網(wǎng)絡(luò)用戶，就可以擴(kuò)展至千兆位的速率。千兆位以太網(wǎng)技術(shù)看起來與它的前輩以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)很相似，并且它還具有打破幾乎所有帶寬瓶頸的潛能。
千兆位以太網(wǎng)將提供300至400Mbit/s的傳輸能力，這樣的帶寬提升對于大多數(shù)公司的網(wǎng)絡(luò)來說是足夠了。而并非只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)帶寬達(dá)到千兆位每秒時，才需要千兆以太網(wǎng)的連接。其實，從經(jīng)濟(jì)的角度來說，即使目前網(wǎng)絡(luò)的流量還不到千兆，也能從中獲益。 千兆位以太網(wǎng)將顯著增加純帶寬，以幫助企業(yè)迎接負(fù)擔(dān)過重和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)展所帶來的挑戰(zhàn)。千兆位以太網(wǎng)將極大地緩解局域網(wǎng)主干網(wǎng)所承受的壓力，同時為用戶提供高效運(yùn)行數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序所需的能力。
目前，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織正在積極制定“千兆比”在平衡布線系統(tǒng)上的傳輸規(guī)范，IEEEP802．3z是千兆位任務(wù)組為1000Mb／s以太網(wǎng)開發(fā)的一套標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定了物理層所采用的傳輸介質(zhì)及它們分別支持的距離。1000BASE—T是支持1000Mbps的物理層規(guī)范，它使用5類 UTP(無屏蔽雙絞線)，最大距離達(dá)100m。
許多人認(rèn)為5類電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)1000Mbps。目的就是突破現(xiàn)在普遍4對5類布線系統(tǒng)上全雙工傳輸速率，達(dá)1Gbps。IEEE802．3／1000BASE－T工作組的工作也是在努力開發(fā)相應(yīng)的DSP信令技術(shù)，使得在100米的5類布線上全雙工地傳輸速率達(dá)1000Mbps�！钡壳皝碚f5類纜尚難勝任。IEEE在1994年定義802.3u（100Base-T標(biāo)準(zhǔn)）時，保留了以太網(wǎng)的幀格式并將速度極限提升到100MBit/s。但將時鐘速率增加十倍就意味著傳送一幀所需的時間就減少到原來的十分之一。從而直接影響到網(wǎng)絡(luò)的直徑，從10Base-T的2千米縮短到100Base-T的200米�！∮捎谇д孜灰蕴W(wǎng)的時鐘速度又比快速以太網(wǎng)快了十倍，因而網(wǎng)絡(luò)直徑要相應(yīng)減少十倍。訪問20米的網(wǎng)絡(luò)很明顯沒有什么實用價值，所以802.3z（千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)）工作委員會已提出了一種保留100Base-T的200米沖突域的機(jī)制。
該委員會已重新定義了千兆位以太網(wǎng)的MAC層。這種使千兆位以太網(wǎng)得以保持200米的網(wǎng)絡(luò)直徑的機(jī)制稱為載波擴(kuò)展。
載波擴(kuò)展使千兆位以太網(wǎng)延伸到可實用的距離，但也帶來了弊端。用戶數(shù)據(jù)將不能裝載到短于512字節(jié)的幀的載波擴(kuò)展部分。這樣就不能有效地利用帶寬。按最糟的情形計算，流量完全由64字節(jié)的幀組成，千兆位以太網(wǎng)的有效吞吐率將降到120Mbit/s。這僅僅只有總能力的12%，比100Base-T略高一點。
從歷史經(jīng)驗出發(fā),今天用戶迫切需要一類新的電纜,它應(yīng)該安全適應(yīng)下一代網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速率的需求,它只要使用簡單的電子設(shè)備就能支持1000Mbps的速率,而且它可以成為未來的基礎(chǔ)性電纜。此外,新的一類電纜必須與現(xiàn)有的所有5類電纜向后兼容,而且最重要的是它必須成為公認(rèn)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。
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隨著千兆位以太網(wǎng)的出現(xiàn)，人們對新一代的電纜也越來越關(guān)注，但時至今日，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還沒有問世，ISO／IEC正在領(lǐng)導(dǎo)千兆位電纜的標(biāo)準(zhǔn)，ISO／IEC已經(jīng)聲稱，第6類標(biāo)準(zhǔn)在若干月之后才有望完成。 6類標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的Class E Link要求傳輸速率達(dá)到200MHz并與現(xiàn)有五類接插件兼容，是5類標(biāo)準(zhǔn)的兩倍。同時，6類標(biāo)準(zhǔn)能保證未來的技術(shù)，如超過百米的千兆以太網(wǎng)（Gigabit Ethernet）1000Base-T。七類電纜將支持高達(dá)600 MHz的應(yīng)用。EIA／TIA還正在制訂第5E類標(biāo)準(zhǔn)，它將覆蓋第5類和第6類標(biāo)準(zhǔn)之間的電纜性能。制定中的TIA/EIA超五類標(biāo)準(zhǔn)中將包括更高的信噪比要求和功率總和的要求，
“這兩項標(biāo)準(zhǔn)分別在1998年底和1999年底才會正式頒布，
在北美,TIA TR 41.8分委員會已經(jīng)組建了一個研究小組,負(fù)責(zé)開發(fā)改進(jìn)型雙絞線電纜系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測試方法,在開發(fā)過程中,該研究小組將把下列因素考慮在內(nèi):
·將來電纜應(yīng)用(如1000BASE-T)的需要;
·來自應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)小組提供的數(shù)據(jù);
·目前的5類4線電纜的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);
·各種不同的替代產(chǎn)品如UTP/SCTP/STP;
·屏蔽性能/屏蔽完整性的穩(wěn)定程度;
·在近端串?dāng)_、遠(yuǎn)端串?dāng)_、噪聲、補(bǔ)償?shù)确矫嫘阅芨训碾娎|型號;
·差分端接和普通方式端接的效應(yīng);
·可擴(kuò)展到300MHz以上的準(zhǔn)確測試方法。
該研究小組還將開發(fā)銅質(zhì)主干電纜的現(xiàn)場測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時,該研究小組還將解決改進(jìn)型電纜的性能要求方面的問題。
可以看出，未來標(biāo)準(zhǔn)的需求仍在不斷變化之中，例如對布線參數(shù)回?fù)p、EL FEXT等的需求方面。屆時，布線系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商將面臨為市場提供符合下一代布線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的電纜。
1 5類纜與超5類纜關(guān)鍵性能比較如下：
a，PS－Next衡量一對線對抵銷其余3對線對所產(chǎn)生的干擾的能力，單位是dB。ISO／IEC正在討論，對于第6類通道，包括電纜和連接器，最小可接受的PS－Next值為37.1dB。對于5類是3.1dB（所有6類和5類的值都是在100MHz下給定）。
b，PS－ACR指示某一對線對上數(shù)字信號比其余3對線對的噪聲信號強(qiáng)多少，單位是dB。對于第5類信道，最小值為3.1dB，對于第6類信道，大約為15.6dB。
c，返回?fù)p失衡量電纜對信號反射（這種反射干擾數(shù)據(jù)傳輸）處理能力的好壞，單位是dB。該數(shù)值高，說明只有少量的信號被反射，這正是網(wǎng)絡(luò)管理者所希望的。對于5類信道，返回?fù)p失為10dB；對于6類信道，最小值大約為12dB。
d，傳播延遲指示信號傳過100米所需要的時間。第6類信道的傳播延遲也許為536毫微秒；第5類信道則為538毫微秒。
e，延遲偏差指示最快的線對和最快的線對的傳播延遲的差別。這種偏差是由于制造電纜的方法而造成的，因而是固有的。每對線對必然有不同的扭曲比率，這就意味著有不同的長度。ISO／IEC對第6類信道規(guī)定，50ns為最小可接受的延遲偏差，對第5信道則為45nS。
f，PS－El FEXT這是一種新的測試指標(biāo)，用于6類電纜，它指示遠(yuǎn)端全話衰減的比率，單位為dB，該值越富越好。對于第6類信道，最小可接受的PS－EL FEXT值為20.2dB。
5類纜與6類最大的不同在于串音及回波損耗方面性能的改善。對于新一代全雙工高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言，優(yōu)良回波損耗性能是極其重要的。串?dāng)_性能是掌握最好頻帶寬的因素，因為不可能加大其導(dǎo)體直徑來改善其衰減性能。5類和6類電纜NEXT的比較如圖 1。6類纜不僅頻帶寬高了一倍，其動態(tài)范圍也大大提升了。
阻止了千兆位以太網(wǎng)在UTP（非屏蔽雙絞線）上運(yùn)行（包括5類纜），其中真正的問題就是反射。理論上來說，只要在實際的信號通路中沒有任何物體，千兆位以太網(wǎng)就可運(yùn)行于5類銅線上。一旦在信號通路中接入了任何物體，如RJ-45插座，信號反射就開始出現(xiàn)。這些反射很容易使整個網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，并且?guī)缀醪豢赡軠?zhǔn)確地找出癥結(jié)所在。
電信號反射及伴隨出現(xiàn)的干擾并不僅限于千兆位傳輸。通過導(dǎo)體以10Mbit/s傳輸時，這個問題無關(guān)大局。100Mbit/s時，問題顯得嚴(yán)重些。而在千兆位速率時，由于干擾引入的錯誤的出現(xiàn)概率又再增大了十倍，盡管開發(fā)高性能數(shù)字信號處理器來取消反射的影響是有可
能的，但成本將大大提高。
2, 6類電纜結(jié)構(gòu)及工藝
對于6類要采用特殊的設(shè)計技術(shù)和制造工藝，4線對電纜的生產(chǎn)的規(guī)格及內(nèi)部物理間距絕對一致。使它在100MHz以上有穩(wěn)定的性能, 并改進(jìn)了雙絞線幾乎所有的關(guān)鍵電氣性能。例如其性能可通過將每個線對的各個絕緣導(dǎo)線沿其縱軸緊緊粘合在一起而實現(xiàn),這種工藝提供了一致的導(dǎo)線間距,一致的導(dǎo)線拉力以及一致的絕緣導(dǎo)線絞合力。另外,還可使用獨特的護(hù)套設(shè)計技術(shù)從而消除線對在護(hù)套內(nèi)出現(xiàn)松動的現(xiàn)象,并保障電纜優(yōu)異的電氣性能不會在安裝期間降低或受到損害。此外,通過采用新的平衡方案,控制并最大限度地優(yōu)化衰減和串?dāng)_兩方面性能,從而實現(xiàn)了更好的衰減串?dāng)_比。
6類電纜導(dǎo)體絕緣和電纜護(hù)層材料按不同的使用要求可使用聚烯烴，聚氯乙烯，含氟聚合物及低煙無鹵熱塑性材料。FEP具有很強(qiáng)的防火性，在解體之前它可以耐受高達(dá)800℃的溫度。它也是一種高性能的絕緣體，非常適合數(shù)據(jù)高速傳輸。這兩個特性使FEP成為通風(fēng)空間采用UTP（無屏蔽雙絞線）的關(guān)鍵。在高樓豎井和其他地方，FEP電纜也已大量取代了PVC電纜。聚氯乙烯，含氟聚合物中含有鹵素在燃燒時散發(fā)出有毒霧狀化學(xué)物質(zhì)。它們能引起嚴(yán)重的呼吸損傷甚至危及生命。但鹵素具有很強(qiáng)的抗燃性，加入電纜絕緣層中是為了提高電纜的燃點。如果電纜不著火的話，就根本不會散發(fā)出有毒的煙霧。鹵絕緣層可以防止電纜燃燒，但如果電纜外殼著火，產(chǎn)生的煙霧也會導(dǎo)致死亡。這一矛盾的狀況在鹵素的應(yīng)用中一直是爭論的焦點。認(rèn)識到這一潛在的危險性，相當(dāng)多的國家已將無鹵纜定為標(biāo)準(zhǔn)。但是，這種無鹵纜的防火性能不如含鹵纜，并且一旦金屬氫氧化物消耗完，絕緣層就毫無保護(hù)地燃燒了。無鹵纜適合于一般應(yīng)用和高樓豎井中使用。要達(dá)到通風(fēng)系統(tǒng)級別的要求，不得不加入過多的金屬氫氧化物，以致于不再符合UTP的電氣要求。
用于6類布線的電纜一般使用UTP。UTP加上屏蔽層后,屏蔽層將改變整個電纜的電容及電感分布,增加了衰減,降低了雙絞線的平衡性,平衡性能的下降會導(dǎo)致很強(qiáng)的耦合共模信號進(jìn)入雙絞線,雙絞線與屏蔽層的耦合度很高,因此屏蔽層必須良好接地,而且整個系統(tǒng)必須全部是屏蔽器件,接續(xù)得非常好,否則這種共模信號將導(dǎo)致系統(tǒng)向外輻射,在頻率高時尤為嚴(yán)重。為克服因屏蔽導(dǎo)致的衰減,就只能使用較粗的雙絞線。而屏蔽雙絞線(STP)只能作為跳線使用,支持距離僅為25米。
依據(jù)現(xiàn)有的資料,5類及6類電纜的性能比較列在下面的表2
表2 5類與6類電纜性能摘要
基本性能 | 5類 | 6類 |
依據(jù)TIA-568A4(3/6/98) | 依據(jù)草案2A(4/9/98) | |
最大長度 | 94米 | 94米 |
NEXT | 29.3dB @ 100MHz | 41.9dB @ 100MHz 36.9dB @ 200MHz |
衰減 | 21.6dB @ 100MHz | 20.7dB @ 100MHz 30.4dB @ 200MHz |
回波損耗 | 15dB(1<f<20MHz) 15-7log(f/20)dB(20<f<100MHz) | 15dB(1<f<20MHz) 15-7log(f/20)dB(20<f<100MHz) |
EL FEXT | 17dB @ 100MHz | 25.2dB @ 100MHz 19.2dB @ 200MHz |
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在6類電纜產(chǎn)品的初期，價格與性能在市場上有很大差異。比起優(yōu)良的5類產(chǎn)品來6類產(chǎn)品高出25～100%。標(biāo)準(zhǔn)公布后，價格會下降一些。標(biāo)準(zhǔn)使得產(chǎn)品生產(chǎn)廠更容易地大量打入市場。競爭也促使廠家改變其價格結(jié)構(gòu)。千兆位電纜的價格應(yīng)高于5類電纜15～35％ 。
盡管TIA／EIA超五類標(biāo)準(zhǔn)及ISO／IEC的六類、七類標(biāo)準(zhǔn)分別要在1998年底和1999年底才能正式頒布，現(xiàn)在已經(jīng)有許多廠家發(fā)布了6類方面的電纜。可以確定，在今后的一年里，世界各地的廠家都將把6類產(chǎn)品推向市場，為廠家提供更好的效益，而5類電纜則開始走下破路。
表3 6類電纜部分產(chǎn)品
廠家 | 電纜型號 | 主要性能 |
Alcatel | LANmark 1000 | 500 MHz |
AMP | Quantum | 300 MHz |
Belden | MediaTwist | |
Berk-Tel | Lanmark 1000 | |
Commseope | 7504 | |
Lucent | Gigaspeed | |
NORDX | Series 2400 | 200 MHz |
Siemon | System 6 |
隨著新的千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的推出，以太網(wǎng)在滿足企業(yè)對經(jīng)營關(guān)鍵性網(wǎng)絡(luò)的需求方面將繼續(xù)扮演領(lǐng)導(dǎo)角色。與10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)在80年代和90年代主宰網(wǎng)絡(luò)市場的情況類似，1Gbps以太網(wǎng)可望在進(jìn)入21世紀(jì)后獨領(lǐng)風(fēng)騷。
根據(jù)北美的市場分析，6類產(chǎn)品的市場占有率將從1998年的10%提升到2003年的52%。6類產(chǎn)品會逐漸侵蝕5類的市場，3類產(chǎn)品則會在2001年的早期降到到1%占有率。
1 趙忠厚·第五類電纜的簡介·現(xiàn)代有線傳輸，1997，（4）
2 范載云·向“6”號數(shù)字通信電纜進(jìn)軍·中國通信學(xué)會通信線路專業(yè)第十四次學(xué)術(shù)討論會論文集 1995年10月
3 李新平·千兆以太網(wǎng)—帶刺的玫瑰·中國計算機(jī)用戶，1998，（10）
4 安秋順·1000Base-T LAN的構(gòu)成·計算機(jī)世界，1997，（43）
5 高速網(wǎng)絡(luò)呼喚新型電纜·計算機(jī)世界，1997，（18）
6 中華人民共和國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) YD/T838.1-1996 數(shù)字通信用對絞/星絞對稱通信電纜 第一部分
7 IEC 11561-1:1994 Multicore and symmetrical pair/quad cablrs for digital communications Part 1
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值得學(xué)習(xí)