305m長線纜的回波損耗和近端串擾的測試方法研究

許 偉 陳龍泉 黃 震 繆新育

（工業和信息化部電信研究院，北京 100191）

305m長線纜的回波損耗和近端串擾的測試方法研究

許 偉 陳龍泉 黃 震 繆新育

（工業和信息化部電信研究院，北京 100191）

數字平衡線纜廣泛應用于綜合布線系統以連通設備、互傳信息，是工程建設中最常用的傳輸介質，其質量是保證信息順利傳遞的關鍵，目前國際上通行的測試標準和方法均是基于90m長度的基線模型，而數字平衡線纜在工廠制造中通常是以1000ft（305m）為基本單位進行繞匝裝箱。因此為方便對生產線纜進行性能檢測和質量控制，針對整箱線纜的測試方法研究尤為必要。文章提出針對305m長線纜的回波損耗和近端串擾的測試方法，利用網絡分析儀和阻抗轉換器實現對雙絞線所有線對的近端性能測試，并與國際標準進行對比，驗證了可以通過測試305m長線纜的回波損耗和近端串擾值來初步判斷線纜的傳輸質量是否合格。

工業長線纜 近端串擾 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

綜合布線系統是現代化樓宇的神經網絡，它整合建筑物內所有的通信、數據、監控及傳感等設備，統一到綜合管理系統下，并提供外向的接口。它包括匯集到綜合管理系統中樞和設備節點之間的所有電纜及相關聯的布線部件。其中，數字平衡線纜的敷設約占布線系統工程量的60%以上，是布線系統最重要的信息載體。

目前，國際上針對數字平衡線纜的主要測試標準是IEC 61935-1，但其測試參數以90m的基線模型為基準。而對生產廠家來說，通常以1 000 ft（305m）為基本單位進行繞匝裝箱，因此為方便廠家檢驗和客戶驗收，針對305m長線纜的性能檢測技術尤為必要。

文章提出應用網絡分析儀和阻抗轉換器實現對305m長線纜的近端參數測試，用以初步判定數字平衡線纜的傳輸質量。

數字平衡線纜的近端參數主要包括近端串擾（Near-end cross-talk，NEXT），回波損耗（RL，Return loss）。對于長度達到305m的長線纜，遠端串擾、插入損耗等遠端參數已經衰落到-80dB以下，此時網絡分析儀的測量結果起伏較大，難以作為穩定的判決依據。因此選取近端串擾、回波損耗等近端參數作為初步評判數字平衡線纜傳輸質量的指標。

2 305m長線纜的近端參數測試

2.1 測試對象及條件

測試對象：AMP NETCONNECT? CAT-6型線纜（長度：304.8m 生產批號：1427213-1）

測試參數：近端串擾 回波損耗

測試儀表：網絡分析儀N5242A? Agilent

溫度：20℃～25℃，相對濕度：25%～75%，

電源規格：220V AC 50Hz

2.2 測試流程

選取的CAT-6型數字平衡線纜一般由如下結構組成如圖1所示，中心是十字骨架，用以分隔四個線對并維持相對穩定的位置；四個方向上存在四對雙絞線對，以不同顏色區分，一般為銅包鋁導線，外涂PVC（聚氯乙烯）絕緣層，外圍是PVC材質的護套；另附有撕裂繩以輔助拉開線纜外皮，避免用刀剪時傷害到里面的線纜。

主要的測試流程如下：

1）將測試線纜的兩端分別剪開分為四個線對；

2）將兩端共8個線對接入阻抗變換器，轉換為8對差分信號輸出；建立起8個線對與輸出端口的一一對應關系。

由于CAT-6型數字平衡線纜的特征阻抗是100Ω，而測試用網絡分析儀的特征阻抗是50/75Ω，需要進行阻抗轉換以減小測試誤差。一般的阻抗變換器的結構如下：

前端是兩兩成對的DIP接口，以接收來自數字平衡線纜的傳輸信號；后端是對應的SMA接口。

3）將對應的測試端口對接入網絡分析儀進行測量。

A.回波損耗

如圖2所示，以1，2線對為例，將Local端1，2線對對應的阻抗轉換輸出接至網絡分析儀的Port1，2，同時網絡分析儀置于平衡模式（Port1，2設定為平衡端口1）。其他7個線對的阻抗轉換輸出均用50Ω負載匹配。讀取S11，即為回波損耗的數值。

B.近端串擾

如圖3所示，以1，2-3，6線對的近端串擾為例，將Local端1，2線對對應的阻抗轉換輸出接至網絡分析儀的Port1，2，Local端3，6線對對應的阻抗轉換輸出接至網絡分析儀的Port3，4;

同時網絡分析儀置于平衡模式（Port1，2設定為平衡端口1，Port3，4設定為平衡端口2）。其他6個線對的阻抗轉換輸出均用50Ω負載匹配。

讀取S12，即為近端串擾NEXT1，2-3，6的數值。

4）在實際測試過程中，網絡分析儀需經過嚴格的校準才能用于測試，校準采用四端口矢量校準方法，即SOLT（Short-Open-Load-Through，短路-開路-負載-直通校準方式）。包含4個獨立端口的短路-開路-負載校準，以及Port1-Port2，Port1-Port3，Port1-Port4的直通校準和隔離度校準。校準是用以消除連接器、轉換器、測試跳線等引入的影響，并在實際測試中通過級聯運算減小誤差。

3 實驗結果與數值處理

3.1 回波損耗

分別截取CAT-6型數字平衡線纜的四個線對在100MHz，250MHz頻點的回波損耗值進行處理（分別對應CAT-5E，CAT-6的頻率上限）。以多次測量的算術平均值作為最佳估計值，并由貝塞爾公式計算實驗標準差，作為由測量重復性引入的標準不確定度。

貝塞爾公式：

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

四個線對的回波損耗值均符合≥25dB@100MH及≥19dB@250MHz，各線對由測量重復性引入的標準不確定度最大為0.1dB，在實際給出校準結果時，將該值作為不確定度分量給出，見表1。

表1 回波損耗的測試估計值與標準差

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

長度分別為90m和305m的數字平衡線纜中1，2線對的回波損耗對比，305m長線纜的回波損耗整體優于90m長線纜。因此回波損耗參數依然可以沿用TIA-Channel模型的回波損耗下限作為初步判決的依據，如圖5所示。

3.2 近端串擾

分別截取1，2-3，6，1，2-4，5，4，5-7，8，3，6-7，8線對在100MHz、250MHz頻點的近端串擾值進行處理。以多次測量的算術平均值作為最佳估計值，并由貝塞爾公式計算實驗標準差，作為由測量重復性引入的標準不確定度。

四組近端串擾值均符合≥25dB@100MH及≥19dB@250MHz，可以得到由測量重復性引入的標準不確定度最大為0.1dB，在實際給出校準結果時，我們將這一值作為不確定度分量給出，見表2。

表2 近端串擾的測試估計值與標準差

如圖6為四個線對的近端串繞的對比，紅色虛線所示為TIA-Channel模型的近端串擾下限，可見在線纜長度達305m時，數字平衡線纜依然可以保證近端串擾控制在容限內，裕量在10dB以上。

如圖7，長度分別為90m和305m的數字平衡線纜中1，2-4，5線對的近端串擾對比，在[100MHz，250MHz]的頻率區間內，近端串擾值保持在[-70dB，-50dB]內，二者差距不超過10dB，305m長線纜的1，2-4，5線對的近端串擾裕量在30dB以上。因此近端串擾參數依然可以沿用TIA-Channel模型的近端串擾下限作為初步判決的依據。

4 不確定度分析

對305m線纜的近端參數（回波損耗、近端串擾）分別進行分析：

4.1 回波損耗

305m線纜的回波損耗RL通過網絡分析儀的示值直接讀取，其數學模型為：

式中：RLx——網絡分析儀的示值；RLn——待測305m線纜的實際回波損耗。

測量過程中主要的不確定度來源有：測試用網絡分析儀的穩定性、測量重復性、阻抗轉換器的阻抗失配等。

1）測量重復性

根據第三部分可知uRL-S=0.10dB。

2）網絡分析儀的穩定性

對于回波損耗來說，其數值一般在30dB以下，根據網絡分析儀對輔助線纜進行定標的最大允許誤差（頻率在250MHz以下、幅度動態范圍在30dB以內優于0.1dB），屬于均勻分布，包含因子取k=，則：

3）阻抗轉換器的阻抗失配

305m長線纜進行回波損耗測試前，網絡分析儀需結合阻抗轉換器進行校準，但不能消除所有影響，其引入的不確定度分量也來源于網絡分析儀幅度動態準確度最大允許誤差（頻率在250MHz以下、幅度動態范圍在5dB以內優于0.05dB）的指標，屬于均勻分布，包含因子取，則：

4）標準不確定度的合成

結合上述對被測305m線纜回波損耗的不確定度來源分析，由于各分量之間沒有值得考慮的相關性，則合成標準不確定度為：

5）擴展不確定度

取包含因子k=2，則U（RL）=kuc（RL）=0.3dB

4.2 近端串擾

305m線纜的近端串擾通過網絡分析儀的示值直接讀取，其數學模型為：

式中：NEXTx——網絡分析儀的示值；NEXTn——待測305m線纜的實際近端串擾。

測量過程中主要的不確定度來源有：測試用網絡分析儀的穩定性、測量重復性、阻抗轉換器的阻抗失配等。

1）測量重復性

根據第三部分可知uNEXT-S=0.10dB。

2）網絡分析儀的穩定性

對于近端串擾來說，其數值在（50～60）dB左右，根據網絡分析儀對輔助線纜進行定標的最大允許誤差（頻率在250MHz以下、幅度動態范圍在30dB以內優于0.2dB），屬于均勻分布，包含因子取，則：

3）阻抗轉換器的阻抗失配

305m長線纜進行近端串擾測試前，網絡分析儀需結合阻抗轉換器進行校準，但不能消除所有影響，其引入的不確定度分量也來源于網絡分析儀幅度動態準確度最大允許誤差（頻率在250MHz以下、幅度動態范圍在5dB以內優于0.05dB）的指標，屬于均勻分布，包含因子取，則：

4）標準不確定度的合成

結合上述對被測305m線纜近端串擾的不確定度來源分析，由于各分量之間沒有值得考慮的相關性，則合成標準不確定度為：

5）擴展不確定度

取包含因子k=2，則：

4 結束語

文章通過網絡分析儀和阻抗轉換器能實現對305m長線纜的近端性能測試，其中回波損耗測量的擴展不確定度為0.3dB，近端串擾測量的擴展不確定度為0.4dB。同時通過對比實驗可以看出，TIAChannel模型的近端參數依然可以沿用作為初步判決的依據。在生產線的性能檢測和質量控制中，可以省去切割、分段取樣的環節，有利于生產的標準化和統一化。

[1]IEC 61935—1，Specification for the Testing of Balanced and CoaxialInformation Technology Cabling-Part1：Installed Balanced CablingasSpecified in ISO/IEC 11801 and Related Standards（Edition 3）[S].2009.

[2]M.Sellone，L.Oberto，Y.Shan，et al.Comparison of S-Parameter measurements at millimeter wavelengths between INRIM and NMC[J].IEEE Trans.Instrum.Meas.，Early Access，2014.

[3]YD/T 926.3—2009，中華人民共和國通信行業標準：大樓通信綜合布線系統[S].2009.

[4]Stelcner M.Structured cabling for intelligent buildings[C]//Conf.Proc.Intelligent Buildings：Realising the Benefits.BRE，1998.

[5]李勝海，楊橋新.網絡線纜分析儀近端串擾的校準研究[J].電子產品可靠性與環境試驗，2011，29（5）：54～57.

[6]Meng，Yu Song，et al.Performance evaluation of a handheld network analyzer for testing of balanced twistedpair copper cabling.Precision Electromagnetic Measurements（CPEM 2014）[C].2014 Conference on IEEE，2014.

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、安規技術。

1000-7202（2017）03-0005-05