网络RJ45接口详解

RJ45 简介

图 1 RJ45模块
RJ45模块用于实现PHY它们之间的互连，包括PHY芯片通过信号变压器和RJ45接口相连，如图所示 1所示。
RJ45连接器由插头和插座组成，RJ45插头又称水晶头，如图所示 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连接器是连接器中最重要的插座。RJ45插座分为屏蔽型和非屏蔽型。
RJ是Registered Jack缩写是指注册插座。FCC(美国联邦通信委员会的标准和规定)的定义是，RJ描述公共电信网络的接口是常用的RJ-11和RJ-45.计算机网络RJ-45通常被称为标准8位模块化接口。

图 2 RJ45插座与插头
RJ45接口支持10M/100M/1000M有收发三种速率&自动协商功能的极性自动翻转(不可靠)、速率/双工模式。每种速率模式都有不同的实现方法(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10000BASE-T、1000BASE-F。常用的是10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T三种。
10BASE-T采用Manchester编码，两个电平信号，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%，三电平信号如图所示 3-11显示。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维是指4条差分线对，5电平是指每条差分线对上传输5进制数据，因此每个符号可以表示54=625个状态对应于二进制数，29=512每个符号可以表示9bit二进制数，于控制二进制数，另外八个用于有效数据。因为符号率也是125MT/s，工作时4对差分线同时收发，端口Rx使用混合电路（Hybrid）滤掉同一端口的Tx信号(原理相似ADSL使用混合电路Tx倒转相位后，叠加消除接收到的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
最早的以太网是10M所以需要半双工CSMA/CD保证系统稳定性的一系列机制。随着技术的发展，出现了全双工，然后出现了1000M、1000M，以太网的性能有了很大的提高。但问题是：如何确保原以太网与新以太网的兼容性？因此，自动协商技术应运而生。
802.3标准第28条定义了自动协商功能：允许设备通知链路远端设备的工作模式，并检测远端通知的相应操作模式。自动协商的目的是为共享一个链接的两个设备提供交换信息的方法，并在最佳能力下自动配置它们。因此，自动协商是在两台设备之间达到可能最大传输速率的一种方式。允许设备以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。它们被称为快速链路脉冲FLP交换各自传输能力的通知。FLP对端可以知道源端的传输能力。
例如，A与B自动协商，A有10/100/1000全半双工的能力，但B只有10/100全半双工的能力，所以双方共有的最高链路能力是100，全双工。一旦双方自动协商，链路将在双方能够支持的最佳能力下运行。
为确保在对端不支持自协商的情况下也能连接，引入了称为并行检测的（Parallel Detection）的机制。在一端打开自协商，另一端关闭自协商时，通过并行检测功能建立连接。对于关闭自协商的一端，端口将继续发送信号，10M、100M、1000M支持自动协商的一端在接收到对端信号后，可以知道对端在哪种模式下工作。如果也支持这种模式，它将与对端建立连接。但这种连接只能是半双工，因为平行检测不能检测到对端的双工模式，所以默认采用半双工连接。
因此，在自动协商中，如果两端都支持自动谈判，则建立两端同时支持的最大速度和双工模式；如果一端强制谈判，则只能建立半双工连接，连接速率为强制模式；如果两端在强制模式下工作，只有当两种强制模式完全相同时才能建立有效的连接。如图所示 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TX-/TX 、RX-/RX 信号与RJ45连接时必须满足RJ45接口规范，如图所示 3-14、图 如3-15所示。具体要求如下：
1)极性应该是正确的，不能反转。虽然有些芯片支持极性反转，但有时在不同方案的芯片之间合作时会出现问题。
2)收发应正确，不得逆转。虽然目前的芯片设计正在稀释收发线的正确位置，但为了避免风险，除非接线无法实现，否则不得按规定逆转接线。

图 6 10BASE-T/100BASE-TX线序
具体极性及收发连接规定如下：
100M卡类终端(对应一般路由器)WAN口）RJ45接口：1-TX 、2-TX-；3-RX 、6-RX-；
100M交换机(对应一般路由器)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信号变压器之间的差分线需要100欧元的阻抗控制。布线要求差分尽可能长，差分线等间距，尽可能完整。
RJ45 网络连接线
国际公认的网络电缆标准分为五类、超五类和六类双绞线，如图所示 3-19所示。三者都由四对双绞线组成。不同之处在于，超五类网线比五类网线增加了绕线密度，使串扰更小，传输距离更远，传输带宽更大。六种网线在超五种网线上增加了电缆的直径，并在网线中间增加了绝缘交叉骨架，将四对双绞线放置在交叉骨架的四个槽上，以进一步提高信噪比。
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。

网线生产标准主要包括T568-A和T568-B两种，T568-A 绿白、绿、橙、蓝、蓝、橙、棕、棕。T-568B白橙、橙、白 如图所示 7所示。
目前广泛使用T568-B标准线序。

图 7 RJ插头及插座线序
网线连接有直通和交叉两种类型，即网线两端的线序相同，相同T568A 标准或T568B 直通线用于连接两个不同性质的接口，如标准PCto 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。