許 偉 陳龍泉 黃 震 繆新育

（工業(yè)和信息化部電信研究院，北京 100191）

305m長(zhǎng)線纜的回波損耗和近端串?dāng)_的測(cè)試方法研究

許 偉 陳龍泉 黃 震 繆新育

（工業(yè)和信息化部電信研究院，北京 100191）

數(shù)字平衡線纜廣泛應(yīng)用于綜合布線系統(tǒng)以連通設(shè)備、互傳信息，是工程建設(shè)中最常用的傳輸介質(zhì)，其質(zhì)量是保證信息順利傳遞的關(guān)鍵，目前國(guó)際上通行的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和方法均是基于90m長(zhǎng)度的基線模型，而數(shù)字平衡線纜在工廠制造中通常是以1000ft（305m）為基本單位進(jìn)行繞匝裝箱。因此為方便對(duì)生產(chǎn)線纜進(jìn)行性能檢測(cè)和質(zhì)量控制，針對(duì)整箱線纜的測(cè)試方法研究尤為必要。文章提出針對(duì)305m長(zhǎng)線纜的回波損耗和近端串?dāng)_的測(cè)試方法，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀和阻抗轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)雙絞線所有線對(duì)的近端性能測(cè)試，并與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了可以通過(guò)測(cè)試305m長(zhǎng)線纜的回波損耗和近端串?dāng)_值來(lái)初步判斷線纜的傳輸質(zhì)量是否合格。

工業(yè)長(zhǎng)線纜 近端串?dāng)_ 回波損耗 305m 1000英尺

AbstractDigital balanced cable，which is widely utilized in Generic Cabling System(GCS)，is the primary transmission medium.However，the universal standards and test methods are based on 90 m baseline model，and in factory the digital balanced cable is generally produced in 1 000 ft(305 m)per case，for the convenience of performance monitor and quality control on cable products，test method on 305 m long cables is an urgent need.This paper has proposed a test method of return-loss and near-end cross-talk on 305 m long cables，it mainly utilizes vector network analyzer(VNA)and impedance converter to cover the measurements of all-pairs on near-end performance testing.We also make comparison and analysis according to 90 m Channel model in TIA IEC.It proves that we can preliminarily estimate the transmission quality of the communication cables through test results of return-loss and near-end cross-talk in 305 m long cables.

Key wordsIndustrial long cables Near-end cross-talk Return-loss 305 m 1000 ft

1 引言

綜合布線系統(tǒng)是現(xiàn)代化樓宇的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它整合建筑物內(nèi)所有的通信、數(shù)據(jù)、監(jiān)控及傳感等設(shè)備，統(tǒng)一到綜合管理系統(tǒng)下，并提供外向的接口。它包括匯集到綜合管理系統(tǒng)中樞和設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的所有電纜及相關(guān)聯(lián)的布線部件。其中，數(shù)字平衡線纜的敷設(shè)約占布線系統(tǒng)工程量的60%以上，是布線系統(tǒng)最重要的信息載體。

目前，國(guó)際上針對(duì)數(shù)字平衡線纜的主要測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是IEC 61935-1，但其測(cè)試參數(shù)以90m的基線模型為基準(zhǔn)。而對(duì)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，通常以1 000 ft（305m）為基本單位進(jìn)行繞匝裝箱，因此為方便廠家檢驗(yàn)和客戶驗(yàn)收，針對(duì)305m長(zhǎng)線纜的性能檢測(cè)技術(shù)尤為必要。

文章提出應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀和阻抗轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)305m長(zhǎng)線纜的近端參數(shù)測(cè)試，用以初步判定數(shù)字平衡線纜的傳輸質(zhì)量。

數(shù)字平衡線纜的近端參數(shù)主要包括近端串?dāng)_（Near-end cross-talk，NEXT），回波損耗（RL，Return loss）。對(duì)于長(zhǎng)度達(dá)到305m的長(zhǎng)線纜，遠(yuǎn)端串?dāng)_、插入損耗等遠(yuǎn)端參數(shù)已經(jīng)衰落到-80dB以下，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量結(jié)果起伏較大，難以作為穩(wěn)定的判決依據(jù)。因此選取近端串?dāng)_、回波損耗等近端參數(shù)作為初步評(píng)判數(shù)字平衡線纜傳輸質(zhì)量的指標(biāo)。

2 305m長(zhǎng)線纜的近端參數(shù)測(cè)試

2.1 測(cè)試對(duì)象及條件

測(cè)試對(duì)象：AMP NETCONNECT? CAT-6型線纜（長(zhǎng)度：304.8m 生產(chǎn)批號(hào)：1427213-1）

測(cè)試參數(shù)：近端串?dāng)_ 回波損耗

測(cè)試儀表：網(wǎng)絡(luò)分析儀N5242A? Agilent

溫度：20℃～25℃，相對(duì)濕度：25%～75%，

電源規(guī)格：220V AC 50Hz

2.2 測(cè)試流程

選取的CAT-6型數(shù)字平衡線纜一般由如下結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，中心是十字骨架，用以分隔四個(gè)線對(duì)并維持相對(duì)穩(wěn)定的位置；四個(gè)方向上存在四對(duì)雙絞線對(duì)，以不同顏色區(qū)分，一般為銅包鋁導(dǎo)線，外涂PVC（聚氯乙烯）絕緣層，外圍是PVC材質(zhì)的護(hù)套；另附有撕裂繩以輔助拉開線纜外皮，避免用刀剪時(shí)傷害到里面的線纜。

主要的測(cè)試流程如下：

1）將測(cè)試線纜的兩端分別剪開分為四個(gè)線對(duì)；

2）將兩端共8個(gè)線對(duì)接入阻抗變換器，轉(zhuǎn)換為8對(duì)差分信號(hào)輸出；建立起8個(gè)線對(duì)與輸出端口的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由于CAT-6型數(shù)字平衡線纜的特征阻抗是100Ω，而測(cè)試用網(wǎng)絡(luò)分析儀的特征阻抗是50/75Ω，需要進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換以減小測(cè)試誤差。一般的阻抗變換器的結(jié)構(gòu)如下：

前端是兩兩成對(duì)的DIP接口，以接收來(lái)自數(shù)字平衡線纜的傳輸信號(hào)；后端是對(duì)應(yīng)的SMA接口。

3）將對(duì)應(yīng)的測(cè)試端口對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量。

A.回波損耗

如圖2所示，以1，2線對(duì)為例，將Local端1，2線對(duì)對(duì)應(yīng)的阻抗轉(zhuǎn)換輸出接至網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，2，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀置于平衡模式（Port1，2設(shè)定為平衡端口1）。其他7個(gè)線對(duì)的阻抗轉(zhuǎn)換輸出均用50Ω負(fù)載匹配。讀取S11，即為回波損耗的數(shù)值。

B.近端串?dāng)_

如圖3所示，以1，2-3，6線對(duì)的近端串?dāng)_為例，將Local端1，2線對(duì)對(duì)應(yīng)的阻抗轉(zhuǎn)換輸出接至網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，2，Local端3，6線對(duì)對(duì)應(yīng)的阻抗轉(zhuǎn)換輸出接至網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port3，4;

同時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀置于平衡模式（Port1，2設(shè)定為平衡端口1，Port3，4設(shè)定為平衡端口2）。其他6個(gè)線對(duì)的阻抗轉(zhuǎn)換輸出均用50Ω負(fù)載匹配。

讀取S12，即為近端串?dāng)_NEXT1，2-3，6的數(shù)值。

4）在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)分析儀需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的校準(zhǔn)才能用于測(cè)試，校準(zhǔn)采用四端口矢量校準(zhǔn)方法，即SOLT（Short-Open-Load-Through，短路-開路-負(fù)載-直通校準(zhǔn)方式）。包含4個(gè)獨(dú)立端口的短路-開路-負(fù)載校準(zhǔn)，以及Port1-Port2，Port1-Port3，Port1-Port4的直通校準(zhǔn)和隔離度校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是用以消除連接器、轉(zhuǎn)換器、測(cè)試跳線等引入的影響，并在實(shí)際測(cè)試中通過(guò)級(jí)聯(lián)運(yùn)算減小誤差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值處理

3.1 回波損耗

分別截取CAT-6型數(shù)字平衡線纜的四個(gè)線對(duì)在100MHz，250MHz頻點(diǎn)的回波損耗值進(jìn)行處理（分別對(duì)應(yīng)CAT-5E，CAT-6的頻率上限）。以多次測(cè)量的算術(shù)平均值作為最佳估計(jì)值，并由貝塞爾公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，作為由測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

貝塞爾公式：

式中：xi——每次的測(cè)量值；xˉ——n次測(cè)量的算術(shù)平均值；n——取樣次數(shù)，n=10。

四個(gè)線對(duì)的回波損耗值均符合≥25dB@100MH及≥19dB@250MHz，各線對(duì)由測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度最大為0.1dB，在實(shí)際給出校準(zhǔn)結(jié)果時(shí)，將該值作為不確定度分量給出，見表1。

表1 回波損耗的測(cè)試估計(jì)值與標(biāo)準(zhǔn)差

四條線與回波損耗的對(duì)比，下部紅色虛線所示為TIA-Channel模型的回波損耗下限，可見在線纜長(zhǎng)度達(dá)305m時(shí)，數(shù)字平衡線纜依然可以保證回波損耗控制在該容限內(nèi)，裕量在15dB以上，如圖4所示。

長(zhǎng)度分別為90m和305m的數(shù)字平衡線纜中1，2線對(duì)的回波損耗對(duì)比，305m長(zhǎng)線纜的回波損耗整體優(yōu)于90m長(zhǎng)線纜。因此回波損耗參數(shù)依然可以沿用TIA-Channel模型的回波損耗下限作為初步判決的依據(jù)，如圖5所示。

3.2 近端串?dāng)_

分別截取1，2-3，6，1，2-4，5，4，5-7，8，3，6-7，8線對(duì)在100MHz、250MHz頻點(diǎn)的近端串?dāng)_值進(jìn)行處理。以多次測(cè)量的算術(shù)平均值作為最佳估計(jì)值，并由貝塞爾公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，作為由測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

四組近端串?dāng)_值均符合≥25dB@100MH及≥19dB@250MHz，可以得到由測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度最大為0.1dB，在實(shí)際給出校準(zhǔn)結(jié)果時(shí)，我們將這一值作為不確定度分量給出，見表2。

表2 近端串?dāng)_的測(cè)試估計(jì)值與標(biāo)準(zhǔn)差

如圖6為四個(gè)線對(duì)的近端串繞的對(duì)比，紅色虛線所示為TIA-Channel模型的近端串?dāng)_下限，可見在線纜長(zhǎng)度達(dá)305m時(shí)，數(shù)字平衡線纜依然可以保證近端串?dāng)_控制在容限內(nèi)，裕量在10dB以上。

如圖7，長(zhǎng)度分別為90m和305m的數(shù)字平衡線纜中1，2-4，5線對(duì)的近端串?dāng)_對(duì)比，在[100MHz，250MHz]的頻率區(qū)間內(nèi)，近端串?dāng)_值保持在[-70dB，-50dB]內(nèi)，二者差距不超過(guò)10dB，305m長(zhǎng)線纜的1，2-4，5線對(duì)的近端串?dāng)_裕量在30dB以上。因此近端串?dāng)_參數(shù)依然可以沿用TIA-Channel模型的近端串?dāng)_下限作為初步判決的依據(jù)。

4 不確定度分析

對(duì)305m線纜的近端參數(shù)（回波損耗、近端串?dāng)_）分別進(jìn)行分析：

4.1 回波損耗

305m線纜的回波損耗RL通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀的示值直接讀取，其數(shù)學(xué)模型為：

式中：RLx——網(wǎng)絡(luò)分析儀的示值；RLn——待測(cè)305m線纜的實(shí)際回波損耗。

測(cè)量過(guò)程中主要的不確定度來(lái)源有：測(cè)試用網(wǎng)絡(luò)分析儀的穩(wěn)定性、測(cè)量重復(fù)性、阻抗轉(zhuǎn)換器的阻抗失配等。

1）測(cè)量重復(fù)性

根據(jù)第三部分可知uRL-S=0.10dB。

2）網(wǎng)絡(luò)分析儀的穩(wěn)定性

對(duì)于回波損耗來(lái)說(shuō)，其數(shù)值一般在30dB以下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)輔助線纜進(jìn)行定標(biāo)的最大允許誤差（頻率在250MHz以下、幅度動(dòng)態(tài)范圍在30dB以內(nèi)優(yōu)于0.1dB），屬于均勻分布，包含因子取k=，則：

3）阻抗轉(zhuǎn)換器的阻抗失配

305m長(zhǎng)線纜進(jìn)行回波損耗測(cè)試前，網(wǎng)絡(luò)分析儀需結(jié)合阻抗轉(zhuǎn)換器進(jìn)行校準(zhǔn)，但不能消除所有影響，其引入的不確定度分量也來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)分析儀幅度動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度最大允許誤差（頻率在250MHz以下、幅度動(dòng)態(tài)范圍在5dB以內(nèi)優(yōu)于0.05dB）的指標(biāo)，屬于均勻分布，包含因子取，則：

4）標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成

結(jié)合上述對(duì)被測(cè)305m線纜回波損耗的不確定度來(lái)源分析，由于各分量之間沒有值得考慮的相關(guān)性，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

5）擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則U（RL）=kuc（RL）=0.3dB

4.2 近端串?dāng)_

305m線纜的近端串?dāng)_通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀的示值直接讀取，其數(shù)學(xué)模型為：

式中：NEXTx——網(wǎng)絡(luò)分析儀的示值；NEXTn——待測(cè)305m線纜的實(shí)際近端串?dāng)_。

測(cè)量過(guò)程中主要的不確定度來(lái)源有：測(cè)試用網(wǎng)絡(luò)分析儀的穩(wěn)定性、測(cè)量重復(fù)性、阻抗轉(zhuǎn)換器的阻抗失配等。

1）測(cè)量重復(fù)性

根據(jù)第三部分可知uNEXT-S=0.10dB。

2）網(wǎng)絡(luò)分析儀的穩(wěn)定性

對(duì)于近端串?dāng)_來(lái)說(shuō)，其數(shù)值在（50～60）dB左右，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)輔助線纜進(jìn)行定標(biāo)的最大允許誤差（頻率在250MHz以下、幅度動(dòng)態(tài)范圍在30dB以內(nèi)優(yōu)于0.2dB），屬于均勻分布，包含因子取，則：

3）阻抗轉(zhuǎn)換器的阻抗失配

305m長(zhǎng)線纜進(jìn)行近端串?dāng)_測(cè)試前，網(wǎng)絡(luò)分析儀需結(jié)合阻抗轉(zhuǎn)換器進(jìn)行校準(zhǔn)，但不能消除所有影響，其引入的不確定度分量也來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)分析儀幅度動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度最大允許誤差（頻率在250MHz以下、幅度動(dòng)態(tài)范圍在5dB以內(nèi)優(yōu)于0.05dB）的指標(biāo)，屬于均勻分布，包含因子取，則：

4）標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成

結(jié)合上述對(duì)被測(cè)305m線纜近端串?dāng)_的不確定度來(lái)源分析，由于各分量之間沒有值得考慮的相關(guān)性，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

5）擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則：

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀和阻抗轉(zhuǎn)換器能實(shí)現(xiàn)對(duì)305m長(zhǎng)線纜的近端性能測(cè)試，其中回波損耗測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為0.3dB，近端串?dāng)_測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為0.4dB。同時(shí)通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，TIAChannel模型的近端參數(shù)依然可以沿用作為初步判決的依據(jù)。在生產(chǎn)線的性能檢測(cè)和質(zhì)量控制中，可以省去切割、分段取樣的環(huán)節(jié)，有利于生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化。

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Research on Test Method of Return Loss and Near-end Crosstalk in 305m Long Cables

XU WeiCHEN Long-quan HUANG Zhen MIAO Xin-yu
（China Academy of Telecommunication Research，MIIT，Beijing 100191，China.）

TB92

A

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.03.02

2017-03-13，

2017-06-26

許偉（1986-），男，工程師，主要研究方向：通信、安規(guī)技術(shù)。

1000-7202（2017）03-0005-05