线缆分析仪远端衰减串音比参数的校准方法研究

陈龙泉， 许 伟， 黄 震， 张颖艳(工业和信息化部电信研究院， 北京 100191)

1 引 言

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。远端衰减串音比是数字平衡线缆的主要参数，也是线缆分析仪的必备测试项目。综合布线系统是遍布于建筑物内的神经网络，包括建筑物的广域网节点直至工作区之间的话音、数据、传感终端之间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[1]。

随着互联网宽带业务的爆炸式增长，用户的带宽需求急剧膨胀，要求布线系统的带宽也随之不断攀升。目前应用最广泛的数字平衡线缆已逐渐由5类、超5类(CAT 5，CAT 5E)过渡到6类、7类(CAT 6，CAT 7)，带宽高达2 GHz的CAT-8也即将实现标准化。但随着带宽的不断突破，数字平衡线缆在铺设过程中更易受到应力、温度、扭曲、破损等因素的影响，导致带宽不达标、串扰严重、衰减过大等,使得布线系统难以达到预期的传输效果,因此，数字线缆的传输性能检测是建筑施工、工程验收的重要步骤。目前,一般使用线缆分析仪来确定布线系统的连通及传输性能指标是否达到地方、国家或者国际标准的要求，以避免不规范布线，及时发现问题[2]。线缆分析仪必须经过法定计量机构的校准以保证布线系统检验的准确、可靠。

线缆分析仪的插入损耗、回波损耗、近端串扰等项目的校准可通过模拟器、参考线缆等方法实现，而远端衰减串音比的校准涉及较少，本文选取CAT-6型线缆作为参考线缆，通过网络分析仪和阻抗转换器实现对参考线缆的远端衰减串音比(far-end attenuation-to-cross-talk ratio, ACR-F)的测量，再与线缆分析仪的测量结果直接比对来完成对线缆分析仪的远端衰减串音比校准。

2 远端衰减串音比

远端衰减串音比表示的是传输链路中有效信号与噪声的比值，测量的是来自远端其他线对、经过衰减后的串扰噪声与信号间的比值。

如图1所示，为1,2线对(上方)与3,6线对(下方)之间的串扰示意图。处于远端的圆形链表示1,2线对上的远端信号R12(链的长短代表信号强度)；远端三角形链表示耦合到3,6线对上的串音信号R36；1,2线对上近端的圆形短链表示经过传输链路衰减后的信号L12；3,6线对上近端的三角形短链表示经过传输链路衰减后的串音信号L36。1,2线对对3,6线对的远端衰减串音比一般用远端的三角形链R36与远端的圆形链R12之间的比值来表示，即

ACRF1,2-3,6=R3,6/R1,2

(1)

图1 1,2-3,6线对之间的串扰示意图

1,2线对对3,6线对的远端串扰一般用近端的三角形链L36与远端的圆形链R12之间的比值来表示，即

FEXT1,2-3,6=L3,6/R1,2

(2)

同时,3,6线对的插入损耗用线对两端的信号比值表示，即

IL3,6=L3,6/R3,6

(3)

可见1,2线对对3,6线对的远端衰减串音比也可以表示为：

ACRF1,2-3,6=R3,6/R1,2=(L3,6/R1,2)/(L3,6/R3,6)

=FEXT1,2-3,6/IL3,6

(4)

实际使用中，更多以dB形式表示为：

ACRF1,2-3,6(dB)=FEXT1,2-3,6(dB)-IL3,6(dB)

(5)

在IEC 61935-1 Part 1: Installed Cabling中，对远端衰减串音比的定义为[3]：

ACRF(i,k)=FEXT(i,k)-IL(i,k)

(6)

式中：i为施扰线对标识；k为受扰线对标识。

因此，对于远端衰减串音比来说，并不能从网络分析仪上直接读数，而需要分别计算插入损耗和远端串扰两项，然后根据式(6)推导出远端衰减串音比的数值[4]。

3 校准方法

3.1 校准方案

对线缆分析仪的远端衰减串音比的测量参数校准采用直接比较法(图2)：选取同一参考线缆(频率上限需覆盖线缆分析仪的频率测量范围)，首先由线缆分析仪测量该段线缆的远端衰减串音比ACRFx，然后通过网络分析仪和阻抗转换器分别测量该段线缆的远端串扰FEXT0和插入损耗IL0，推导得出远端衰减串音比ACRF0=(FEXT0-IL0)；最后在关键频点对比结果[5,6]。

图2 远端衰减串音比校准方案

3.2 校准对象及环境

测试对象：AMP NETCONNECT®CAT-6型线缆,长度：96.2 m,生产批号：1427213-1;

测试参数：远端衰减串音比ACR-F;

测试仪表：Agilent N5242A;

温度： 20～25℃;相对湿度： 25%～75%;

电源规格：220 V AC 50 Hz

3.3 校准流程

(1)CAT-6型数字平衡线缆一般由4对双绞线对组成，用不同颜色区分，将测试线缆的两端分别剪开分为4个线对，并使内部的铜包铝导体露出；

(2)由于CAT-6型数字线缆的特征阻抗一般是100 Ω，而测试用网络分析仪的特征阻抗是50 Ω，需要进行阻抗转换以减小测试误差。将Local和Remote两端共8个线对分别接入阻抗变换器，转换为8对差分信号输出[7]；

(3)将对应的测试端口对接入网络分析仪进行测量。下面以ACRF1,2-3,6的测量(需首先进行FEXT1,2-3,6和IL3,6的测量)流程进行说明：

①插入损耗

将Local端3,6线对对应的阻抗转换输出接至网络分析仪的Port1,2，同时将Remote端1,2线对对应的阻抗转换输出接至网络分析仪的Port3,4，其他6个线对的阻抗转换输出均用50 Ω负载匹配。读取S11，即为插入损耗IL3,6的数值。

②远端串扰

将Local端3,6线对对应的阻抗转换输出接至网络分析仪的Port1,2;Remote端1,2线对对应的阻抗转换输出接至网络分析仪的Port3,4;其他6个线对的阻抗转换输出均用50 Ω负载匹配。读取S12，即为远端串扰FEXT1,2-3,6的数值。

(4)由于网络分析仪一般以dB形式给出数值，故可直接按式(6)进行计算。

在实际测试过程中，网络分析仪需经过严密的校准才能用于测试，校准采用4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，以及各端口间的直通校准和隔离度校准。通过校准可消除如连接器、转换器、测试跳线等引入的影响，减小误差[8]。

4 实验数值处理与结果比对

4.1 实验数值处理

由于远端衰减串音比是由远端串扰和插入损耗两部分推导得出，故其计算需要分别从远端串扰和插入损耗两方面展开：

(1)插入损耗

对参考线缆的3,6线对的插入损耗进行20次测试，截取其在250 MHz频点(CAT-6的频率上限)的测量结果(见表1)，并以多次测量的算术平均值作为最佳估计值，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。

表1 3,6线对插入损耗的测量结果

如表1所示，3,6线对插入损耗的估计值为24.9 dB，由测量重复性引入的标准不确定度为 0.1 dB， 在实际给出校准结果时，将这一值作为不确定度分量给出，uIL=0.10 dB。

(2)远端串扰

对参考线缆的1,2-3,6线对的远端串扰进行20次测试，截取其在250 MHz频点(见表2)，并以多次测量的算术平均值作为最佳估计值，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。

如表2所示，1,2-3,6线对的远端串扰估计值为71.28 dB，由测量重复性引入的标准不确定度为 0.10 dB， 在实际给出校准结果时，将这一值作为不确定度分量给出uFEXT-S=0.10 dB。

4.2 结果比对

(1)ACRF1,2-3,6

如图3为经推导后的10～250 MHz范围内1,2-3,6线对的远端衰减串音比，ACRF-1236-NA是网络分析仪的计算结果，ACRF-1236-FT是线缆分析仪Psiber®Wirepert系列BairWire模块的测试结果，虚线为TIA-Channel的远端衰减串音比下限。网络分析仪推导结果与BairWire模块的结果基本一致，并且裕量均在20 dB左右。

表2 1,2-3,6线对远端串扰的测量结果

图3 1,2-3,6线对网络分析仪与线缆分析仪的结果比对

(2)ACRF7,8-1,2

如图4为7,8-1,2线对的远端衰减串音比，ACRF-7812-NA是根据网络分析仪获取的插入损耗和远端串扰的计算结果，ACRF-7812-FT是线缆分析仪Wirepert®BairWire模块的测试结果。网络分析仪推导结果与BairWire模块的结果基本一致，并且裕量均在15 dB以上。

图4 7,8-1,2线对网络分析仪与线缆分析仪的结果比对

(3)ACRF1,2-4,5

如图5为1,2-4,5线对的远端衰减串音比，ACRF-1245-NA是根据网络分析仪获取的插入损耗和远端串扰的计算结果，ACRF-1245-FT是线缆分析仪Wirepert®BairWire模块的测试结果。网络分析仪推导结果与BairWire模块的结果基本一致，并且裕量均在20 dB左右。

图5 1,2-4,5线对网络分析仪与线缆分析仪的结果比对

由上述实验结果可知，网络分析仪推导结果与线缆分析仪直接测量得到的结果基本一致，以网络分析仪和阻抗转换器为基础直接比对的校准方案是可行的。

5 不确定度分析

5.1 数学模型

采用间接测试法对线缆分析仪某一频点处的远端衰减串音比示值进行校准，以网络分析仪测量和推导结果作为参考值，即测量模型为:

ACRFx(i,k)=FEXTr(i,k)-ILr(i,k)

式中：ACRFx为被校线缆分析仪的示值；FEXTr, ILr为由网络分析仪上测量的远端衰减和插入损耗示值。FEXTr, ILr的测量是相对独立的过程，二者的相关性可以忽略，同时考虑到被校线缆分析仪的分辨力(d)和测量重复性(s)等影响量。上述各影响量相互独立，数学模型可进一步修正为：

ACRFx=FEXTr-ILr+s+d

(10)

5.2 不确定度来源分析

测量过程中主要的不确定度来源有：网络分析仪的稳定性、阻抗转换器的阻抗失配、网络分析仪的测量重复性、线缆分析仪的分辨力、线缆分析仪的测量重复性等。

(1)由远端串扰测量引入的不确定度分量uFEXT

①根据第4节可知，由测量重复性引入的不确定度分量uFEXT-S=0.10 dB。

④合成标准不确定度为：

(2)由插入损耗测量引入的不确定度分量uIL

与由远端串扰引入的不确定度分量uFEXT的分析过程类似，uIL=0.12 dB。

(3)由被校线缆分析仪分辨力引入的不确定度分量ud

(4)由被校线缆分析仪测量重复性引入的不确定度分量us

在同等条件下对参考线缆重复测量10次，通过贝塞尔公式推导由被校仪表测量重复性引入的不确定度分量为us=0.05 dB。

5.3 合成标准不确定度

综合以上各项不确定度分量，可得表3。

表3 不确定度来源及分布

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：

5.4 扩展不确定度

U=k×uc=2×0.22 dB≈0.5 dB (k=2)

6 结 论

本文通过网络分析仪和阻抗转换器能实现对参考线缆的远端衰减串音比的测量，并与线缆分析仪的测试结果进行直接比对，从而完成对线缆分析仪的校准。通过与Psiber®的Wirexpert型线缆分析仪的测试结果进行对比，二者在[10 MHz，250 MHz]频带范围内的幅频曲线基本一致，表明以网络分析仪和阻抗转换器为基础的直接比对的校准方案是可行的。根据测试结果，最终的扩展不确定度为：UACRF=0.5 dB(k=2)。

[参考文献]

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[2] YD/T 926.3—2009 大楼通信综合布线系统 第3部分：连接硬件和接插软线技术要求[S]. 2009.

[3] IEC 61935-1 Specification for the Testing of Balanced and Coaxial Information Technology Cabling—Part 1: Installed Balanced Cabling as Specified in ISO/IEC 11801 and Related Standards, Edition 3[S].2009.

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[5] 李胜海, 杨桥新. 网络线缆分析仪近端串扰的校准研究[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2011, 29(5): 54-57.

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