以太網(wǎng)線纜測試解決方案

以下文章來源于鼎陽硬件智庫，作者鼎陽產(chǎn)品組

引言

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

以太網(wǎng)在工業(yè)程序的應用需要有實時的特性，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)應用中。由于利用標準的以太網(wǎng)，因此提升了工廠內(nèi)由不同供應商設(shè)備的互連性。為了保證競爭力并發(fā)展壯大，很多企業(yè)越來越傾向于通過先進的工業(yè)自動化來最大限度地提高工作效率、經(jīng)濟規(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)的進步而提升。人機界面 (HMI)、可編程邏輯控制器 (PLC)、電機控制和傳感器需要采用可擴展的高效方式來進行連接。

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

測試項目

時域測試：

差分特征阻抗Tdd11，Tdd22

頻域測試：

回波損耗：Sdd11，Sdd22

插入損耗：Sdd21

近端串擾(Near-End Crosstalk 簡稱NEXT)：Sdd21，Sdd12

解決方案

本節(jié)將介紹時域和頻域測量的TDR設(shè)置程序以及測試方案。

校準測試

校準的目的是在測量前校準射頻效應，例如射頻線纜和測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提供了完整的校準方法（機械校準和去嵌入或TRL校準）。

使用校準件可以對VNA測試端口的射頻線纜末端進行4端口全面校準。通過延時補償(Deskew)或延時損耗補償（Deskew&Loss），可消除夾具帶來的影響。

校準和夾具補償可以通過TDR軟件中的向?qū)硗瓿?，也可以手動測試，由于此處需要使用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的四個端口，為了簡化操作，推薦使用電子校準。

1. 選擇DUT的拓撲結(jié)構(gòu)，此時我們測試的是網(wǎng)線中的差分對，所以選擇差分兩端口測試，如圖1所示。

圖1 選擇TDR模式中的DUT Topology

2. 點擊ECal，等到電子校準件充分預熱后，對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口進行校準，如圖2所示。

圖2 使用電子校準件進行校準。

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

圖3 配置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行端口延伸

在進行端口延伸的時候，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不連接在測試夾具上，如圖4所示，在端口延伸時，只進行OPEN的測量。

圖4 進行自動端口延伸和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)分析儀可以自動補償線纜和夾具的長度和損耗。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)分析儀進行Deskew

4. 連接DUT到測試夾具，測量DUT的長度，并用于設(shè)置時域的時間跨度，如圖6和圖7所示。

圖6 測試DUT長度

圖7 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自動測量DUT長度

測量步驟

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

差分特征阻抗

阻抗不匹配帶來的反射會在以太網(wǎng)的Rx（接收機）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，該項測試可以確保以太網(wǎng)線纜的信號導體有合適的阻抗（50歐姆）

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

設(shè)置Trace1為Tdd11，Trace2為Tdd22

Tdd11和Tdd22是同一個差分對中不同方向的差分阻抗曲線。因此，這兩個測量得到的跡線在夾具之外的部分應該是對稱的，其余測量對也是如此。

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

重復操作2、3

在此項測試中，標準規(guī)定的差分特性阻抗為100歐姆。測試結(jié)果越接近100歐姆線纜的信號傳輸質(zhì)量越好。

使用長度為230mm的以太網(wǎng)線纜測試結(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)測量結(jié)果

由于Tdd11和Tdd22應該是對稱的，觀察Tdd22我們可以看出在Marker2處出現(xiàn)了和跡線和校準基準線左側(cè)相似的波形，可以判斷出此時測量到的為夾具內(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試夾具。測量鏈路段1時，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測試夾具1的DA+和DA-，將Port3和Port4連接到測試夾具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. 點擊Trigger>Single

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

參考結(jié)果：

極限如圖9所示，鼎陽科技支持極限測試，并會在極限點之間自動插值。

圖9 使用鼎陽VNA進行極限測試

5. 用射頻電纜將 VNA 端口（端口 1 至 4）連接到測試夾具端口，以測量鏈路段2的插入損耗。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測試夾具1的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測試夾具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標準規(guī)定的是100米的長網(wǎng)線，如圖10所示。

圖10 IEEE標準中對于DUT長度的解釋

注：在拓撲結(jié)構(gòu)如圖11時，Sdd21計算方法為Sdd21=（S31-S32-S41+S42）/2

圖11 端口拓撲結(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試夾具。測量鏈路段1時，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測試夾具1的DA+和DA-，將Port3和Port4連接到測試夾具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. 點擊Trigger>Single

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

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

6. 重復操作2、3、4

圖12 差分回波損耗測量結(jié)果

測得的結(jié)果如圖12所示。其中為了更好的判斷結(jié)果是否符合標準，我們每隔20MHz設(shè)置了極限點，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需要進行進一步的優(yōu)化。

差分近端串擾

IEEE標準中規(guī)定了兩對鏈路段之間的差分對近端串擾 (NEXT)

1. 使用射頻線纜將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別連接到測試夾具。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測試夾具1的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測試夾具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. 點擊Trigger>Single

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

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

極限測試的方法如圖 4?9所示，鼎陽科技支持極限測試，并會在極限點之間自動插值。

5. 更改測量結(jié)果為Sdd12，再將測量結(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，來測量遠端串擾。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測試夾具2的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測試夾具2的DA+和DA-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

7. 重復步驟2，3，4，5。

測試結(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)對共模和差分激勵信號的響應來表征四端口網(wǎng)絡(luò)。其中常用的是Sxyab的表示法，S代表了S參數(shù)，x為響應模式（差分/共模），y為激勵模式（差分/共模），a為響應端口，b為激勵端口。

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），他們表征了被測設(shè)備的差分激勵和差分響應特性。差分信號處理的好處很多，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，抑制共模電源和接地噪聲。

在其他的一致性測試中（例如100BASE-T1），我們會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器件中發(fā)生的模式轉(zhuǎn)換，在嘗試優(yōu)化高速信號傳輸電路和某些EMI要求較高的設(shè)計中，模式轉(zhuǎn)換非常有用。

配置清單

作者丨鼎陽科技 張賀陽

深圳市鼎陽科技股份有限公司（簡稱“鼎陽科技”，股票代碼：688112）是國家重點“小巨人”企業(yè)，是全球極少數(shù)具有數(shù)字示波器、信號發(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試測量儀器主力產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷售能力的通用電子測試測量儀器企業(yè)，同時也是國內(nèi)極少數(shù)同時擁有這四大主力產(chǎn)品并且四大主力產(chǎn)品全線進入高端領(lǐng)域的企業(yè)。公司總部位于深圳，在美國克利夫蘭、德國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)品及服務遠銷全球80多個國家及地區(qū)。

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