305m长线缆的回波损耗和近端串扰的测试方法研究

许 伟 陈龙泉 黄 震 缪新育

（工业和信息化部电信研究院，北京 100191）

305m长线缆的回波损耗和近端串扰的测试方法研究

许 伟 陈龙泉 黄 震 缪新育

（工业和信息化部电信研究院，北京 100191）

数字平衡线缆广泛应用于综合布线系统以连通设备、互传信息，是工程建设中最常用的传输介质，其质量是保证信息顺利传递的关键，目前国际上通行的测试标准和方法均是基于90m长度的基线模型，而数字平衡线缆在工厂制造中通常是以1000ft（305m）为基本单位进行绕匝装箱。因此为方便对生产线缆进行性能检测和质量控制，针对整箱线缆的测试方法研究尤为必要。文章提出针对305m长线缆的回波损耗和近端串扰的测试方法，利用网络分析仪和阻抗转换器实现对双绞线所有线对的近端性能测试，并与国际标准进行对比，验证了可以通过测试305m长线缆的回波损耗和近端串扰值来初步判断线缆的传输质量是否合格。

工业长线缆 近端串扰 回波损耗 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

综合布线系统是现代化楼宇的神经网络，它整合建筑物内所有的通信、数据、监控及传感等设备，统一到综合管理系统下，并提供外向的接口。它包括汇集到综合管理系统中枢和设备节点之间的所有电缆及相关联的布线部件。其中，数字平衡线缆的敷设约占布线系统工程量的60%以上，是布线系统最重要的信息载体。

目前，国际上针对数字平衡线缆的主要测试标准是IEC 61935-1，但其测试参数以90m的基线模型为基准。而对生产厂家来说，通常以1 000 ft（305m）为基本单位进行绕匝装箱，因此为方便厂家检验和客户验收，针对305m长线缆的性能检测技术尤为必要。

文章提出应用网络分析仪和阻抗转换器实现对305m长线缆的近端参数测试，用以初步判定数字平衡线缆的传输质量。

数字平衡线缆的近端参数主要包括近端串扰（Near-end cross-talk，NEXT），回波损耗（RL，Return loss）。对于长度达到305m的长线缆，远端串扰、插入损耗等远端参数已经衰落到-80dB以下，此时网络分析仪的测量结果起伏较大，难以作为稳定的判决依据。因此选取近端串扰、回波损耗等近端参数作为初步评判数字平衡线缆传输质量的指标。

2 305m长线缆的近端参数测试

2.1 测试对象及条件

测试对象：AMP NETCONNECT® CAT-6型线缆（长度：304.8m 生产批号：1427213-1）

测试参数：近端串扰 回波损耗

测试仪表：网络分析仪N5242A® Agilent

温度：20℃～25℃，相对湿度：25%～75%，

电源规格：220V AC 50Hz

2.2 测试流程

选取的CAT-6型数字平衡线缆一般由如下结构组成如图1所示，中心是十字骨架，用以分隔四个线对并维持相对稳定的位置；四个方向上存在四对双绞线对，以不同颜色区分，一般为铜包铝导线，外涂PVC（聚氯乙烯）绝缘层，外围是PVC材质的护套；另附有撕裂绳以辅助拉开线缆外皮，避免用刀剪时伤害到里面的线缆。

主要的测试流程如下：

1）将测试线缆的两端分别剪开分为四个线对；

2）将两端共8个线对接入阻抗变换器，转换为8对差分信号输出；建立起8个线对与输出端口的一一对应关系。

由于CAT-6型数字平衡线缆的特征阻抗是100Ω，而测试用网络分析仪的特征阻抗是50/75Ω，需要进行阻抗转换以减小测试误差。一般的阻抗变换器的结构如下：

前端是两两成对的DIP接口，以接收来自数字平衡线缆的传输信号；后端是对应的SMA接口。

3）将对应的测试端口对接入网络分析仪进行测量。

A.回波损耗

如图2所示，以1，2线对为例，将Local端1，2线对对应的阻抗转换输出接至网络分析仪的Port1，2，同时网络分析仪置于平衡模式（Port1，2设定为平衡端口1）。其他7个线对的阻抗转换输出均用50Ω负载匹配。读取S11，即为回波损耗的数值。

B.近端串扰

如图3所示，以1，2-3，6线对的近端串扰为例，将Local端1，2线对对应的阻抗转换输出接至网络分析仪的Port1，2，Local端3，6线对对应的阻抗转换输出接至网络分析仪的Port3，4;

同时网络分析仪置于平衡模式（Port1，2设定为平衡端口1，Port3，4设定为平衡端口2）。其他6个线对的阻抗转换输出均用50Ω负载匹配。

读取S12，即为近端串扰NEXT1，2-3，6的数值。

4）在实际测试过程中，网络分析仪需经过严格的校准才能用于测试，校准采用四端口矢量校准方法，即SOLT（Short-Open-Load-Through，短路-开路-负载-直通校准方式）。包含4个独立端口的短路-开路-负载校准，以及Port1-Port2，Port1-Port3，Port1-Port4的直通校准和隔离度校准。校准是用以消除连接器、转换器、测试跳线等引入的影响，并在实际测试中通过级联运算减小误差。

3 实验结果与数值处理

3.1 回波损耗

分别截取CAT-6型数字平衡线缆的四个线对在100MHz，250MHz频点的回波损耗值进行处理（分别对应CAT-5E，CAT-6的频率上限）。以多次测量的算术平均值作为最佳估计值，并由贝塞尔公式计算实验标准差，作为由测量重复性引入的标准不确定度。

贝塞尔公式：

式中：xi——每次的测量值；xˉ——n次测量的算术平均值；n——取样次数，n=10。

四个线对的回波损耗值均符合≥25dB@100MH及≥19dB@250MHz，各线对由测量重复性引入的标准不确定度最大为0.1dB，在实际给出校准结果时，将该值作为不确定度分量给出，见表1。

表1 回波损耗的测试估计值与标准差

四条线与回波损耗的对比，下部红色虚线所示为TIA-Channel模型的回波损耗下限，可见在线缆长度达305m时，数字平衡线缆依然可以保证回波损耗控制在该容限内，裕量在15dB以上，如图4所示。

长度分别为90m和305m的数字平衡线缆中1，2线对的回波损耗对比，305m长线缆的回波损耗整体优于90m长线缆。因此回波损耗参数依然可以沿用TIA-Channel模型的回波损耗下限作为初步判决的依据，如图5所示。

3.2 近端串扰

分别截取1，2-3，6，1，2-4，5，4，5-7，8，3，6-7，8线对在100MHz、250MHz频点的近端串扰值进行处理。以多次测量的算术平均值作为最佳估计值，并由贝塞尔公式计算实验标准差，作为由测量重复性引入的标准不确定度。

四组近端串扰值均符合≥25dB@100MH及≥19dB@250MHz，可以得到由测量重复性引入的标准不确定度最大为0.1dB，在实际给出校准结果时，我们将这一值作为不确定度分量给出，见表2。

表2 近端串扰的测试估计值与标准差

如图6为四个线对的近端串绕的对比，红色虚线所示为TIA-Channel模型的近端串扰下限，可见在线缆长度达305m时，数字平衡线缆依然可以保证近端串扰控制在容限内，裕量在10dB以上。

如图7，长度分别为90m和305m的数字平衡线缆中1，2-4，5线对的近端串扰对比，在[100MHz，250MHz]的频率区间内，近端串扰值保持在[-70dB，-50dB]内，二者差距不超过10dB，305m长线缆的1，2-4，5线对的近端串扰裕量在30dB以上。因此近端串扰参数依然可以沿用TIA-Channel模型的近端串扰下限作为初步判决的依据。

4 不确定度分析

对305m线缆的近端参数（回波损耗、近端串扰）分别进行分析：

4.1 回波损耗

305m线缆的回波损耗RL通过网络分析仪的示值直接读取，其数学模型为：

式中：RLx——网络分析仪的示值；RLn——待测305m线缆的实际回波损耗。

测量过程中主要的不确定度来源有：测试用网络分析仪的稳定性、测量重复性、阻抗转换器的阻抗失配等。

1）测量重复性

根据第三部分可知uRL-S=0.10dB。

2）网络分析仪的稳定性

对于回波损耗来说，其数值一般在30dB以下，根据网络分析仪对辅助线缆进行定标的最大允许误差（频率在250MHz以下、幅度动态范围在30dB以内优于0.1dB），属于均匀分布，包含因子取k=，则：

3）阻抗转换器的阻抗失配

305m长线缆进行回波损耗测试前，网络分析仪需结合阻抗转换器进行校准，但不能消除所有影响，其引入的不确定度分量也来源于网络分析仪幅度动态准确度最大允许误差（频率在250MHz以下、幅度动态范围在5dB以内优于0.05dB）的指标，属于均匀分布，包含因子取，则：

4）标准不确定度的合成

结合上述对被测305m线缆回波损耗的不确定度来源分析，由于各分量之间没有值得考虑的相关性，则合成标准不确定度为：

5）扩展不确定度

取包含因子k=2，则U（RL）=kuc（RL）=0.3dB

4.2 近端串扰

305m线缆的近端串扰通过网络分析仪的示值直接读取，其数学模型为：

式中：NEXTx——网络分析仪的示值；NEXTn——待测305m线缆的实际近端串扰。

测量过程中主要的不确定度来源有：测试用网络分析仪的稳定性、测量重复性、阻抗转换器的阻抗失配等。

1）测量重复性

根据第三部分可知uNEXT-S=0.10dB。

2）网络分析仪的稳定性

对于近端串扰来说，其数值在（50～60）dB左右，根据网络分析仪对辅助线缆进行定标的最大允许误差（频率在250MHz以下、幅度动态范围在30dB以内优于0.2dB），属于均匀分布，包含因子取，则：

3）阻抗转换器的阻抗失配

305m长线缆进行近端串扰测试前，网络分析仪需结合阻抗转换器进行校准，但不能消除所有影响，其引入的不确定度分量也来源于网络分析仪幅度动态准确度最大允许误差（频率在250MHz以下、幅度动态范围在5dB以内优于0.05dB）的指标，属于均匀分布，包含因子取，则：

4）标准不确定度的合成

结合上述对被测305m线缆近端串扰的不确定度来源分析，由于各分量之间没有值得考虑的相关性，则合成标准不确定度为：

5）扩展不确定度

取包含因子k=2，则：

4 结束语

文章通过网络分析仪和阻抗转换器能实现对305m长线缆的近端性能测试，其中回波损耗测量的扩展不确定度为0.3dB，近端串扰测量的扩展不确定度为0.4dB。同时通过对比实验可以看出，TIAChannel模型的近端参数依然可以沿用作为初步判决的依据。在生产线的性能检测和质量控制中，可以省去切割、分段取样的环节，有利于生产的标准化和统一化。

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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

许伟（1986-），男，工程师，主要研究方向：通信、安规技术。

1000-7202（2017）03-0005-05