以太網(wǎng)線纜測(cè)試一文讀懂！

引言

工業(yè)以太網(wǎng)是指在工業(yè)環(huán)境的自動(dòng)化控制及過程控制中應(yīng)用以太網(wǎng)的相關(guān)組件及技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)會(huì)采用TCP/IP協(xié)議，和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容，但在應(yīng)用層會(huì)加入各自特有的協(xié)議。

以太網(wǎng)在工業(yè)程序的應(yīng)用需要有實(shí)時(shí)的特性，許多以太網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)可以使以太網(wǎng)適用在工業(yè)應(yīng)用中。由于利用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，因此提升了工廠內(nèi)由不同供應(yīng)商設(shè)備的互連性。為了保證競(jìng)爭(zhēng)力并發(fā)展壯大，很多企業(yè)越來越傾向于通過先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化來最大限度地提高工作效率、經(jīng)濟(jì)規(guī)模與質(zhì)量。

日益互聯(lián)的世界必將連通工廠車間。以太網(wǎng)的市場(chǎng)很大，相關(guān)組件的成本也較低、容易獲取，因此工業(yè)以太網(wǎng)的成本也可以下降，而性能也可以隨著以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步而提升。人機(jī)界面 (HMI)、可編程邏輯控制器 (PLC)、電機(jī)控制和傳感器需要采用可擴(kuò)展的高效方式來進(jìn)行連接。

由于工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境下，其對(duì)振動(dòng)、溫度、濕度和電磁干擾的適應(yīng)要求都可能比一般的IT產(chǎn)業(yè)設(shè)備工作條件更嚴(yán)苛。因此，對(duì)于同軸線纜的傳輸性能提出了更高的要求。使用鼎陽(yáng)科技的四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭配工業(yè)以太網(wǎng)測(cè)試夾具，可以完成以太網(wǎng)線束的測(cè)試。

測(cè)試項(xiàng)目

時(shí)域測(cè)試：

●   差分特征阻抗Tdd11，Tdd22

頻域測(cè)試：

●   回波損耗：Sdd11，Sdd22

●   插入損耗：Sdd21

●   近端串?dāng)_(Near-End Crosstalk 簡(jiǎn)稱NEXT)：Sdd21，Sdd12

解決方案

本節(jié)將介紹時(shí)域和頻域測(cè)量的TDR設(shè)置程序以及測(cè)試方案。

校準(zhǔn)測(cè)試

校準(zhǔn)的目的是在測(cè)量前校準(zhǔn)射頻效應(yīng)，例如射頻線纜和測(cè)試夾具帶來的跡線的延遲、損耗和不匹配。為了消除夾具帶來的影響，VNA提供了完整的校準(zhǔn)方法（機(jī)械校準(zhǔn)和去嵌入或TRL校準(zhǔn)）。

使用校準(zhǔn)件可以對(duì)VNA測(cè)試端口的射頻線纜末端進(jìn)行4端口全面校準(zhǔn)。通過延時(shí)補(bǔ)償(Deskew)或延時(shí)損耗補(bǔ)償（Deskew&Loss），可消除夾具帶來的影響。

校準(zhǔn)和夾具補(bǔ)償可以通過TDR軟件中的向?qū)硗瓿桑部梢允謩?dòng)測(cè)試，由于此處需要使用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的四個(gè)端口，為了簡(jiǎn)化操作，推薦使用電子校準(zhǔn)。

1.選擇DUT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時(shí)我們測(cè)試的是網(wǎng)線中的差分對(duì)，所以選擇差分兩端口測(cè)試，如圖1所示。

圖1 選擇TDR模式中的DUT Topology

2.點(diǎn)擊ECal，等到電子校準(zhǔn)件充分預(yù)熱后，對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖2所示。

圖2 使用電子校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)

3. VNA固件的自動(dòng)端口延伸功能可以消除測(cè)試夾具的影響。校準(zhǔn)平面通過自動(dòng)端口延伸移至測(cè)試夾具的末端，如圖3所示。

圖3 配置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行端口延伸

在進(jìn)行端口延伸的時(shí)候，需要將夾具和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以下圖的方式連接，并且DUT不連接在測(cè)試夾具上，如圖4所示，在端口延伸時(shí)，只進(jìn)行OPEN的測(cè)量。

圖4 進(jìn)行自動(dòng)端口延伸和Deskew的連接方式示意

這一步也可以通過TDR中的Deskew來完成，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以自動(dòng)補(bǔ)償線纜和夾具的長(zhǎng)度和損耗。Deskew和端口延伸功能的本質(zhì)是一樣的，如圖5所示。

圖5 使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行Deskew

4.連接DUT到測(cè)試夾具，測(cè)量DUT的長(zhǎng)度，并用于設(shè)置時(shí)域的時(shí)間跨度，如圖6和圖7所示。

圖6 測(cè)試DUT長(zhǎng)度

圖7 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自動(dòng)測(cè)量DUT長(zhǎng)度

測(cè)量步驟

根據(jù)每個(gè)測(cè)試項(xiàng)中的連接指南將以太網(wǎng)測(cè)試夾具連接到測(cè)試線纜，沒有使用到的端口需要連接到50歐姆端接，從而減少信號(hào)反射對(duì)測(cè)試帶來的影響。

差分特征阻抗

阻抗不匹配帶來的反射會(huì)在以太網(wǎng)的Rx（接收機(jī)）處產(chǎn)生噪聲。因此，阻抗曲線可以顯示多重反射引起的噪聲，該項(xiàng)測(cè)試可以確保以太網(wǎng)線纜的信號(hào)導(dǎo)體有合適的阻抗（50歐姆）

1.使用射頻線纜將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別連接到測(cè)試夾具。測(cè)量鏈路段1時(shí)，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DA+和DA-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DA+和DA-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設(shè)置Trace1為Tdd11，Trace2為Tdd22

3.Tdd11和Tdd22是同一個(gè)差分對(duì)中不同方向的差分阻抗曲線。因此，這兩個(gè)測(cè)量得到的跡線在夾具之外的部分應(yīng)該是對(duì)稱的，其余測(cè)量對(duì)也是如此。

4.用射頻電纜將 VNA 端口（端口 1 至 4）連接到測(cè)試夾具端口，以測(cè)量鏈路段2的差分特性阻抗。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DB+和DC-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

5.重復(fù)操作2、3

在此項(xiàng)測(cè)試中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的差分特性阻抗為100歐姆。測(cè)試結(jié)果越接近100歐姆線纜的信號(hào)傳輸質(zhì)量越好。

使用長(zhǎng)度為230mm的以太網(wǎng)線纜測(cè)試結(jié)果如圖8所示。其中使用的DUT速度因子為0.8。

圖8 短網(wǎng)線T參數(shù)測(cè)量結(jié)果

由于Tdd11和Tdd22應(yīng)該是對(duì)稱的，觀察Tdd22我們可以看出在Marker2處出現(xiàn)了和跡線和校準(zhǔn)基準(zhǔn)線左側(cè)相似的波形，可以判斷出此時(shí)測(cè)量到的為夾具內(nèi)的差分線。

差分插入損耗

1.使用射頻線纜將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別連接到測(cè)試夾具。測(cè)量鏈路段1時(shí)，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DA+和DA-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DA+和DA-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設(shè)置Trace3 為Sdd21

3.點(diǎn)擊Trigger>Single

4.將測(cè)試結(jié)果和參考結(jié)果比較，測(cè)量到的值應(yīng)該比限制值更小。

參考結(jié)果：

極限如圖9所示，鼎陽(yáng)科技支持極限測(cè)試，并會(huì)在極限點(diǎn)之間自動(dòng)插值。

圖9 使用鼎陽(yáng)VNA進(jìn)行極限測(cè)試

5.用射頻電纜將 VNA 端口（端口 1 至 4）連接到測(cè)試夾具端口，以測(cè)量鏈路段2的插入損耗。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DB+和DC-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

6.重復(fù)操作2、3、4

值得注意的是，在此處參考結(jié)果的插入損耗的DUT標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是100米的長(zhǎng)網(wǎng)線，如圖10所示。

圖10 IEEE標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于DUT長(zhǎng)度的解釋

注：在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11時(shí)，Sdd21計(jì)算方法為Sdd21=（S31-S32-S41+S42）/2

圖11 端口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

差分回波損耗

1.使用射頻線纜將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別連接到測(cè)試夾具。測(cè)量鏈路段1時(shí)，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DA+和DA-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DA+和DA-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設(shè)置Trace4 為Sdd11

3.點(diǎn)擊Trigger>Single

4.將測(cè)試結(jié)果和參考結(jié)果比較，測(cè)量到的值應(yīng)該比限制值更小。

參考結(jié)果：在1MHz到20MHz的范圍內(nèi)小于-15dB；

在20MHz到100MHz范圍內(nèi)小于-(15-10log10(f/20 MHz)) dB；

5. 用射頻電纜將 VNA 端口（端口 1 至 4）連接到測(cè)試夾具端口，以測(cè)量鏈路段2的插入損耗。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DB+和DC-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

6. 重復(fù)操作2、3、4

圖12 差分回波損耗測(cè)量結(jié)果

測(cè)得的結(jié)果如圖12所示。其中為了更好的判斷結(jié)果是否符合標(biāo)準(zhǔn)，我們每隔20MHz設(shè)置了極限點(diǎn)，用于參考結(jié)果函數(shù)，這樣可以直觀的看出在哪些頻率范圍內(nèi)，DUT需要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

差分近端串?dāng)_

IEEE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了兩對(duì)鏈路段之間的差分對(duì)近端串?dāng)_ (NEXT)

1.使用射頻線纜將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別連接到測(cè)試夾具。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具1的DA+和DA-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設(shè)置Trace6為Sdd21

3.點(diǎn)擊Trigger>Single

4.將測(cè)試結(jié)果和參考結(jié)果比較，測(cè)量到的值應(yīng)該比限制值更小。

參考結(jié)果：在1MHz~100MHz的范圍內(nèi)小于27.1-16.8log10（f/100）(dB)

極限測(cè)試的方法如圖 4?9所示，鼎陽(yáng)科技支持極限測(cè)試，并會(huì)在極限點(diǎn)之間自動(dòng)插值。

5.更改測(cè)量結(jié)果為Sdd12，再將測(cè)量結(jié)果和參考結(jié)果比較。

6.更改矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和夾具的連接方法，來測(cè)量遠(yuǎn)端串?dāng)_。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具2的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DA+和DA-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

7.重復(fù)步驟2，3，4，5。

測(cè)試結(jié)果物理意義

四端口混合模式S參數(shù)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)共模和差分激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)來表征四端口網(wǎng)絡(luò)。其中常用的是Sxyab的表示法，S代表了S參數(shù)，x為響應(yīng)模式（差分/共模），y為激勵(lì)模式（差分/共模），a為響應(yīng)端口，b為激勵(lì)端口。

在絕大多數(shù)高速差分互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，我們通常關(guān)注四個(gè)參數(shù)，分別是差分回波損耗（Sdd11）、輸入差分插入損耗（Sdd21）、輸出差分回波損耗（Sdd22）、輸出差分插入損耗（Sdd12），他們表征了被測(cè)設(shè)備的差分激勵(lì)和差分響應(yīng)特性。差分信號(hào)處理的好處很多，可以降低電磁干擾的敏感性，減少平衡差分電路的電磁輻射，可以將差分失真轉(zhuǎn)化為共模信號(hào)，抑制共模電源和接地噪聲。

在其他的一致性測(cè)試中（例如100BASE-T1），我們會(huì)使用到共模到差分轉(zhuǎn)換Sdcab和差分到共模轉(zhuǎn)換Scdab，他們完全表征了被測(cè)器件中發(fā)生的模式轉(zhuǎn)換，在嘗試優(yōu)化高速信號(hào)傳輸電路和某些EMI要求較高的設(shè)計(jì)中，模式轉(zhuǎn)換非常有用。

配置清單

作者丨鼎陽(yáng)科技 張賀陽(yáng)

深圳市鼎陽(yáng)科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱“鼎陽(yáng)科技”，股票代碼：688112）是國(guó)家重點(diǎn)“小巨人”企業(yè)，是全球極少數(shù)具有數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀四大通用電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器主力產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷售能力的通用電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器企業(yè)，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)極少數(shù)同時(shí)擁有這四大主力產(chǎn)品并且四大主力產(chǎn)品全線進(jìn)入高端領(lǐng)域的企業(yè)。公司總部位于深圳，在美國(guó)克利夫蘭、德國(guó)奧格斯堡和日本東京成立了子公司，在成都成立了分公司，在北京、上海、西安、武漢、南京設(shè)立了辦事處，產(chǎn)品及服務(wù)遠(yuǎn)銷全球80多個(gè)國(guó)家及地區(qū)。

鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)

鼎陽(yáng)硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫(kù)（簡(jiǎn)稱鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)）由深圳市鼎陽(yáng)科技股份有限公司領(lǐng)銜創(chuàng)辦，是中國(guó)第一家“智力眾籌”模式的硬件智庫(kù)。

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鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)選擇硬件領(lǐng)域最普遍的七類問題：電源，時(shí)鐘，DDR，低速總線，高速總線，EMC，測(cè)試測(cè)量進(jìn)行聚焦。尋找“最針尖”的問題進(jìn)行研討，針對(duì)“最針尖”的問題組織專家答疑，將硬件大師積累的寶貴知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)變成公眾財(cái)富，惠及更多硬件人。

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