陳龍泉， 許 偉， 黃 震， 張穎艷(工業(yè)和信息化部電信研究院， 北京 100191)

1 引 言

數(shù)字平衡線纜廣泛應用于綜合布線系統(tǒng)以連通設備、互傳信息，是工程建設中最常用的傳輸介質(zhì)。遠端衰減串音比是數(shù)字平衡線纜的主要參數(shù)，也是線纜分析儀的必備測試項目。綜合布線系統(tǒng)是遍布于建筑物內(nèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡，包括建筑物的廣域網(wǎng)節(jié)點直至工作區(qū)之間的話音、數(shù)據(jù)、傳感終端之間所有電纜及相關聯(lián)的布線部件。其中數(shù)字平衡線纜的敷設約占布線系統(tǒng)工程量的60%以上，是布線系統(tǒng)最重要的信息載體[1]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務的爆炸式增長，用戶的帶寬需求急劇膨脹，要求布線系統(tǒng)的帶寬也隨之不斷攀升。目前應用最廣泛的數(shù)字平衡線纜已逐漸由5類、超5類(CAT 5，CAT 5E)過渡到6類、7類(CAT 6，CAT 7)，帶寬高達2 GHz的CAT-8也即將實現(xiàn)標準化。但隨著帶寬的不斷突破，數(shù)字平衡線纜在鋪設過程中更易受到應力、溫度、扭曲、破損等因素的影響，導致帶寬不達標、串擾嚴重、衰減過大等,使得布線系統(tǒng)難以達到預期的傳輸效果,因此，數(shù)字線纜的傳輸性能檢測是建筑施工、工程驗收的重要步驟。目前,一般使用線纜分析儀來確定布線系統(tǒng)的連通及傳輸性能指標是否達到地方、國家或者國際標準的要求，以避免不規(guī)范布線，及時發(fā)現(xiàn)問題[2]。線纜分析儀必須經(jīng)過法定計量機構的校準以保證布線系統(tǒng)檢驗的準確、可靠。

線纜分析儀的插入損耗、回波損耗、近端串擾等項目的校準可通過模擬器、參考線纜等方法實現(xiàn)，而遠端衰減串音比的校準涉及較少，本文選取CAT-6型線纜作為參考線纜，通過網(wǎng)絡分析儀和阻抗轉換器實現(xiàn)對參考線纜的遠端衰減串音比(far-end attenuation-to-cross-talk ratio, ACR-F)的測量，再與線纜分析儀的測量結果直接比對來完成對線纜分析儀的遠端衰減串音比校準。

2 遠端衰減串音比

遠端衰減串音比表示的是傳輸鏈路中有效信號與噪聲的比值，測量的是來自遠端其他線對、經(jīng)過衰減后的串擾噪聲與信號間的比值。

如圖1所示，為1,2線對(上方)與3,6線對(下方)之間的串擾示意圖。處于遠端的圓形鏈表示1,2線對上的遠端信號R12(鏈的長短代表信號強度)；遠端三角形鏈表示耦合到3,6線對上的串音信號R36；1,2線對上近端的圓形短鏈表示經(jīng)過傳輸鏈路衰減后的信號L12；3,6線對上近端的三角形短鏈表示經(jīng)過傳輸鏈路衰減后的串音信號L36。1,2線對對3,6線對的遠端衰減串音比一般用遠端的三角形鏈R36與遠端的圓形鏈R12之間的比值來表示，即

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

(1)

圖1 1,2-3,6線對之間的串擾示意圖

1,2線對對3,6線對的遠端串擾一般用近端的三角形鏈L36與遠端的圓形鏈R12之間的比值來表示，即

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

(2)

同時,3,6線對的插入損耗用線對兩端的信號比值表示，即

IL3,6=L3,6/R3,6

(3)

可見1,2線對對3,6線對的遠端衰減串音比也可以表示為：

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

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

(4)

實際使用中，更多以dB形式表示為：

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

(5)

在IEC 61935-1 Part 1: Installed Cabling中，對遠端衰減串音比的定義為[3]：

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

(6)

式中：i為施擾線對標識；k為受擾線對標識。

因此，對于遠端衰減串音比來說，并不能從網(wǎng)絡分析儀上直接讀數(shù)，而需要分別計算插入損耗和遠端串擾兩項，然后根據(jù)式(6)推導出遠端衰減串音比的數(shù)值[4]。

3 校準方法

3.1 校準方案

對線纜分析儀的遠端衰減串音比的測量參數(shù)校準采用直接比較法(圖2)：選取同一參考線纜(頻率上限需覆蓋線纜分析儀的頻率測量范圍)，首先由線纜分析儀測量該段線纜的遠端衰減串音比ACRFx，然后通過網(wǎng)絡分析儀和阻抗轉換器分別測量該段線纜的遠端串擾FEXT0和插入損耗IL0，推導得出遠端衰減串音比ACRF0=(FEXT0-IL0)；最后在關鍵頻點對比結果[5,6]。

圖2 遠端衰減串音比校準方案

3.2 校準對象及環(huán)境

測試對象：AMP NETCONNECT?CAT-6型線纜,長度：96.2 m,生產(chǎn)批號：1427213-1;

測試參數(shù)：遠端衰減串音比ACR-F;

測試儀表：Agilent N5242A;

溫度： 20～25℃;相對濕度： 25%～75%;

電源規(guī)格：220 V AC 50 Hz

3.3 校準流程

(1)CAT-6型數(shù)字平衡線纜一般由4對雙絞線對組成，用不同顏色區(qū)分，將測試線纜的兩端分別剪開分為4個線對，并使內(nèi)部的銅包鋁導體露出；

(2)由于CAT-6型數(shù)字線纜的特征阻抗一般是100 Ω，而測試用網(wǎng)絡分析儀的特征阻抗是50 Ω，需要進行阻抗轉換以減小測試誤差。將Local和Remote兩端共8個線對分別接入阻抗變換器，轉換為8對差分信號輸出[7]；

(3)將對應的測試端口對接入網(wǎng)絡分析儀進行測量。下面以ACRF1,2-3,6的測量(需首先進行FEXT1,2-3,6和IL3,6的測量)流程進行說明：

①插入損耗

將Local端3,6線對對應的阻抗轉換輸出接至網(wǎng)絡分析儀的Port1,2，同時將Remote端1,2線對對應的阻抗轉換輸出接至網(wǎng)絡分析儀的Port3,4，其他6個線對的阻抗轉換輸出均用50 Ω負載匹配。讀取S11，即為插入損耗IL3,6的數(shù)值。

②遠端串擾

將Local端3,6線對對應的阻抗轉換輸出接至網(wǎng)絡分析儀的Port1,2;Remote端1,2線對對應的阻抗轉換輸出接至網(wǎng)絡分析儀的Port3,4;其他6個線對的阻抗轉換輸出均用50 Ω負載匹配。讀取S12，即為遠端串擾FEXT1,2-3,6的數(shù)值。

(4)由于網(wǎng)絡分析儀一般以dB形式給出數(shù)值，故可直接按式(6)進行計算。

在實際測試過程中，網(wǎng)絡分析儀需經(jīng)過嚴密的校準才能用于測試，校準采用4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，以及各端口間的直通校準和隔離度校準。通過校準可消除如連接器、轉換器、測試跳線等引入的影響，減小誤差[8]。

4 實驗數(shù)值處理與結果比對

4.1 實驗數(shù)值處理

由于遠端衰減串音比是由遠端串擾和插入損耗兩部分推導得出，故其計算需要分別從遠端串擾和插入損耗兩方面展開：

(1)插入損耗

對參考線纜的3,6線對的插入損耗進行20次測試，截取其在250 MHz頻點(CAT-6的頻率上限)的測量結果(見表1)，并以多次測量的算術平均值作為最佳估計值，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。

表1 3,6線對插入損耗的測量結果

如表1所示，3,6線對插入損耗的估計值為24.9 dB，由測量重復性引入的標準不確定度為 0.1 dB， 在實際給出校準結果時，將這一值作為不確定度分量給出，uIL=0.10 dB。

(2)遠端串擾

對參考線纜的1,2-3,6線對的遠端串擾進行20次測試，截取其在250 MHz頻點(見表2)，并以多次測量的算術平均值作為最佳估計值，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。

如表2所示，1,2-3,6線對的遠端串擾估計值為71.28 dB，由測量重復性引入的標準不確定度為 0.10 dB， 在實際給出校準結果時，將這一值作為不確定度分量給出uFEXT-S=0.10 dB。

4.2 結果比對

(1)ACRF1,2-3,6

如圖3為經(jīng)推導后的10～250 MHz范圍內(nèi)1,2-3,6線對的遠端衰減串音比，ACRF-1236-NA是網(wǎng)絡分析儀的計算結果，ACRF-1236-FT是線纜分析儀Psiber?Wirepert系列BairWire模塊的測試結果，虛線為TIA-Channel的遠端衰減串音比下限。網(wǎng)絡分析儀推導結果與BairWire模塊的結果基本一致，并且裕量均在20 dB左右。

表2 1,2-3,6線對遠端串擾的測量結果

圖3 1,2-3,6線對網(wǎng)絡分析儀與線纜分析儀的結果比對

(2)ACRF7,8-1,2

如圖4為7,8-1,2線對的遠端衰減串音比，ACRF-7812-NA是根據(jù)網(wǎng)絡分析儀獲取的插入損耗和遠端串擾的計算結果，ACRF-7812-FT是線纜分析儀Wirepert?BairWire模塊的測試結果。網(wǎng)絡分析儀推導結果與BairWire模塊的結果基本一致，并且裕量均在15 dB以上。

圖4 7,8-1,2線對網(wǎng)絡分析儀與線纜分析儀的結果比對

(3)ACRF1,2-4,5

如圖5為1,2-4,5線對的遠端衰減串音比，ACRF-1245-NA是根據(jù)網(wǎng)絡分析儀獲取的插入損耗和遠端串擾的計算結果，ACRF-1245-FT是線纜分析儀Wirepert?BairWire模塊的測試結果。網(wǎng)絡分析儀推導結果與BairWire模塊的結果基本一致，并且裕量均在20 dB左右。

圖5 1,2-4,5線對網(wǎng)絡分析儀與線纜分析儀的結果比對

由上述實驗結果可知，網(wǎng)絡分析儀推導結果與線纜分析儀直接測量得到的結果基本一致，以網(wǎng)絡分析儀和阻抗轉換器為基礎直接比對的校準方案是可行的。

5 不確定度分析

5.1 數(shù)學模型

采用間接測試法對線纜分析儀某一頻點處的遠端衰減串音比示值進行校準，以網(wǎng)絡分析儀測量和推導結果作為參考值，即測量模型為:

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

式中：ACRFx為被校線纜分析儀的示值；FEXTr, ILr為由網(wǎng)絡分析儀上測量的遠端衰減和插入損耗示值。FEXTr, ILr的測量是相對獨立的過程，二者的相關性可以忽略，同時考慮到被校線纜分析儀的分辨力(d)和測量重復性(s)等影響量。上述各影響量相互獨立，數(shù)學模型可進一步修正為：

ACRFx=FEXTr-ILr+s+d

(10)

5.2 不確定度來源分析

測量過程中主要的不確定度來源有：網(wǎng)絡分析儀的穩(wěn)定性、阻抗轉換器的阻抗失配、網(wǎng)絡分析儀的測量重復性、線纜分析儀的分辨力、線纜分析儀的測量重復性等。

(1)由遠端串擾測量引入的不確定度分量uFEXT

①根據(jù)第4節(jié)可知，由測量重復性引入的不確定度分量uFEXT-S=0.10 dB。

④合成標準不確定度為：

(2)由插入損耗測量引入的不確定度分量uIL

與由遠端串擾引入的不確定度分量uFEXT的分析過程類似，uIL=0.12 dB。

(3)由被校線纜分析儀分辨力引入的不確定度分量ud

(4)由被校線纜分析儀測量重復性引入的不確定度分量us

在同等條件下對參考線纜重復測量10次，通過貝塞爾公式推導由被校儀表測量重復性引入的不確定度分量為us=0.05 dB。

5.3 合成標準不確定度

綜合以上各項不確定度分量，可得表3。

表3 不確定度來源及分布

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：

5.4 擴展不確定度

U=k×uc=2×0.22 dB≈0.5 dB (k=2)

6 結 論

本文通過網(wǎng)絡分析儀和阻抗轉換器能實現(xiàn)對參考線纜的遠端衰減串音比的測量，并與線纜分析儀的測試結果進行直接比對，從而完成對線纜分析儀的校準。通過與Psiber?的Wirexpert型線纜分析儀的測試結果進行對比，二者在[10 MHz，250 MHz]頻帶范圍內(nèi)的幅頻曲線基本一致，表明以網(wǎng)絡分析儀和阻抗轉換器為基礎的直接比對的校準方案是可行的。根據(jù)測試結果，最終的擴展不確定度為：UACRF=0.5 dB(k=2)。

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