以太網(wǎng)線(xiàn)纜測試一文讀懂！

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(guò)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(huì )采用TCP/IP協(xié)議，和IEEE 802.3標準兼容，但在應用層會(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)應用中。由于利用標準的以太網(wǎng)，因此提升了工廠(chǎng)內由不同供應商設備的互連性。為了保證競爭力并發(fā)展壯大，很多企業(yè)越來(lái)越傾向于通過(guò)先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化來(lái)最大限度地提高工作效率、經(jīng)濟規模與質(zhì)量。

日益互聯(lián)的世界必將連通工廠(chǎng)車(chē)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(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)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(lái)進(jìn)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(dòng)、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)設備工作條件更嚴苛。因此，對于同軸線(xiàn)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)測試夾具，可以完成以太網(wǎng)線(xiàn)束的測試。

測試項目

時(shí)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(jiǎn)稱(chēng)NEXT)：Sdd21，Sdd12

解決方案

本節將介紹時(shí)域和頻域測量的TDR設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(xiàn)纜和測試夾具帶來(lái)的跡線(xiàn)的延遲、損耗和不匹配。為了消除夾具帶來(lái)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(xiàn)纜末端進(jìn)行4端口全面校準。通過(guò)延時(shí)補償(Deskew)或延時(shí)損耗補償（Deskew&Loss），可消除夾具帶來(lái)的影響。

校準和夾具補償可以通過(guò)TDR軟件中的向導來(lái)完成，也可以手動(dòng)測試，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。

1.選擇DUT的拓撲結構，此時(shí)我們測試的是網(wǎng)線(xiàn)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(diǎn)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(jìn)行校準，如圖2所示。

圖2 使用電子校準件進(jìn)行校準

3. VNA固件的自動(dòng)端口延伸功能可以消除測試夾具的影響。校準平面通過(guò)自動(dòng)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(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不連接在測試夾具上，如圖4所示，在端口延伸時(shí)，只進(jìn)行OPEN的測量。

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(guò)TDR中的Deskew來(lái)完成，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀可以自動(dòng)補償線(xiàn)纜和夾具的長(cháng)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到測試夾具，測量DUT的長(cháng)度，并用于設置時(shí)域的時(shí)間跨度，如圖6和圖7所示。

圖6 測試DUT長(cháng)度

圖7 矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀自動(dòng)測量DUT長(cháng)度

測量步驟

根據每個(gè)測試項中的連接指南將以太網(wǎng)測試夾具連接到測試線(xiàn)纜，沒(méi)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(lái)的影響。

差分特征阻抗

阻抗不匹配帶來(lái)的反射會(huì )在以太網(wǎng)的Rx（接收機）處產(chǎn)生噪聲。因此，阻抗曲線(xiàn)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(xiàn)纜的信號導體有合適的阻抗（50歐姆）

1.使用射頻線(xiàn)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(shí)，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(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設置Trace1為T(mén)dd11，Trace2為T(mén)dd22

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

4.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(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

5.重復操作2、3

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

使用長(cháng)度為230mm的以太網(wǎng)線(xiàn)纜測試結果如圖8所示。其中使用的DUT速度因子為0.8。

圖8 短網(wǎng)線(xiàn)T參數測量結果

由于Tdd11和Tdd22應該是對稱(chēng)的，觀(guān)察Tdd22我們可以看出在Marker2處出現了和跡線(xiàn)和校準基準線(xiàn)左側相似的波形，可以判斷出此時(shí)測量到的為夾具內的差分線(xiàn)。

差分插入損耗

1.使用射頻線(xiàn)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(shí)，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(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設置Trace3 為Sdd21

3.點(diǎn)擊Trigger>Single

4.將測試結果和參考結果比較，測量到的值應該比限制值更小。

參考結果：

極限如圖9所示，鼎陽(yáng)科技支持極限測試，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(méi)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，在此處參考結果的插入損耗的DUT標準規定的是100米的長(cháng)網(wǎng)線(xiàn)，如圖10所示。

圖10 IEEE標準中對于DUT長(cháng)度的解釋

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

圖11 端口拓撲結構

差分回波損耗

1.使用射頻線(xiàn)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(shí)，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(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設置Trace4 為Sdd11

3.點(diǎn)擊Trigger>Single

4.將測試結果和參考結果比較，測量到的值應該比限制值更小。

參考結果：在1MHz到20MHz的范圍內小于-15dB；

在20MHz到100MHz范圍內小于-(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(méi)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果

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

差分近端串擾

IEEE標準中規定了兩對鏈路段之間的差分對近端串擾 (NEXT)

1.使用射頻線(xiàn)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(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設置Trace6為Sdd21

3.點(diǎn)擊Trigger>Single

4.將測試結果和參考結果比較，測量到的值應該比限制值更小。

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

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

5.更改測量結果為Sdd12，再將測量結果和參考結果比較。

6.更改矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀和夾具的連接方法，來(lái)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(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

7.重復步驟2，3，4，5。

測試結果物理意義

四端口混合模式S參數是根據網(wǎng)絡(luò )對共模和差分激勵信號的響應來(lái)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，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。

在絕大多數高速差分互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )中，我們通常關(guān)注四個(gè)參數，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(huì )使用到共模到差分轉換Sdcab和差分到共模轉換Scdab，他們完全表征了被測器件中發(fā)生的模式轉換，在嘗試優(yōu)化高速信號傳輸電路和某些EMI要求較高的設計中，模式轉換非常有用。

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(chēng)“鼎陽(yáng)科技”，股票代碼：688112）是國家重點(diǎn)“小巨人”企業(yè)，是全球極少數具有數字示波器、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?jì)x器主力產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售能力的通用電子測試測量?jì)x器企業(yè)，同時(shí)也是國內極少數同時(shí)擁有這四大主力產(chǎn)品并且四大主力產(chǎn)品全線(xiàn)進(jìn)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、南京設立了辦事處，產(chǎn)品及服務(wù)遠銷(xiāo)全球80多個(gè)國家及地區。

鼎陽(yáng)硬件智庫

鼎陽(yáng)硬件設計與測試智庫（簡(jiǎn)稱(chēng)鼎陽(yáng)硬件智庫）由深圳市鼎陽(yáng)科技股份有限公司領(lǐng)銜創(chuàng )辦，是中國第一家“智力眾籌”模式的硬件智庫。

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