数字电缆测试技术及自动测试设备研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 3.83MB 60 页 15积分

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摘要

计算机技术、网络技术的发展，对数字电缆的性能提出愈来愈高的要求。原

有的市话电缆测试方法、技术及测试设备已无法满足数字电缆测试的要求。本文

将针对这种现状，对数字电缆测试方法及自动测试实现等展开研究。

本文根据现有的相关标准中对数字电缆的性能参数的规定及工厂成品检测的

要求，使用矢量网络分析仪作为核心测量部件、平衡不平衡变换器（balun）作为

平衡器件研究了基于频域扫描法的数字电缆高频电性能的测试方法，并根据频域

扫描法原理实现了数字电缆的自动测试。

简述了多对数字电缆自动测试中各单元模块的设计方法，包括：四线制直流

电阻测试；电流检测法电容测试电路；具有高串音防卫度的高频扩展通道及测试

接线平台。同时，介绍了为自动测试系统编制的较完善的软件功能。

本文根据矢量网络分析仪的误差模型及校准方法，建立自动测试系统的误差

模型，并给出适合数字电缆测试系统的校正的方法，包括：单端口校正及双端口

校正。同时，给出了多线对测试系统的快速自动校准的方法。

最后，提出用非平衡标准器件构成平衡标准器件来计量平衡测试系统的方法，

给出了该方法的量值溯源详细推导及系统性能评定方法，并使用这种新颖的评定

方法对系统各项指标进行计量。

本文中所阐述的对称数字通信电缆测试系统已通过上海市科委鉴定，并成功

推向市场。

关键词：对称数字通信电缆频域扫描法自动测试

ABSTRACT

Along with the technological development for Computer and Network, the stricter

and stricter requirements are being raised on properties of Symmetrical Data Cable. As

the previous testing method 、technology and testing instrument for communication

cable haven’t met the testing requirements for Symmetrical Data Cable, in view of this

situation, an investigation on testing method and automatic testing for Symmetrical

Data Cable is then conducted in this paper.

In accordance with the Specifications in relevant current Standards on Characteristics

of Symmetrical Data Cable, the testing method for Electric Properties under high

frequency basing upon the frequency field scanning method with the Vector Network

Analyzer as key measuring part and Balun converter as balance part for Symmetrical

Data Cable is researched in this paper.

The designing mentality for each unit block in automatic testing for multi pairs of

Symmetrical Data Cable is also introduced in this paper, which includes four-wire

system of AC Resistance Measurement and Capacitance Testing Circuit by the way of

Electric Current Measuring; with the expending access of High Frequency which is

under best capacity of anti-crosstalk and connection terrace for testing. At the same

time, the perfect soft-ware functions edited for automatic testing system is also

introduced.

The deviation model and it’s calibration method in automatic testing system are

researched with reference to that of Vector Network Analyzer. At the same time, it is

also introduced on a rapid automatic calibration method for multi-pair testing system.

At last, a proposal is raised on countering the Balance Testing System of which

the Balance Standard Part is constituted by Imbalance Standard Part, and offer the

judging method for figure tracing and system property.

The Testing System as introduced in this paper has been approved by Shanghai Science

Committee, and this product has be promoted to market successfully.

Key Word: Symmetrical Data cable , Scanning method of frequency Field ,

Automatic testing.

III

摘要

第一章绪论 ...................................................... 1

1.1 背景 ............................................................1

1.2 国际数字电缆测试设备现状 ........................................1

1.3 课题来源 ........................................................2

1.4 本课题的主要研究内容及关键技术 ..................................2

第二章数字电缆及其衡量性能的参数 ................................ 3

2.1 对称数字通信电缆及其发展 ........................................3

2.2 衡量数字电缆电性能的参数 ........................................3

2.2.1 低频电性能参数 ............................................ 3

2.2.2 高频电性能参数 ............................................4

第三章低频参数测试 .............................................. 8

3.1 低频参数测试原理 ............................................... 8

3.2 直流电阻测试 ................................................... 9

3.3 电容测试 ...................................................... 10

3.4 低频参数测试试验结果 .......................................... 13

第四章高频参数自动测试的实现 .................................. 14

4.1 测试方案的选取 ................................................ 14

4.1.1 数字电缆高频性能 TDR 法测试 ...............................14

4.1.2 数字电缆高频性能频域扫描法测试 ...........................14

4.2 频域扫描法测试原理 ............................................ 15

4.2.1 传输参数测试原理 .........................................15

4.2.2 反射参数测试 .............................................17

4.2.3 数字电缆串音及测试 ......................................19

4.2.4 不平衡衰减的测试 .........................................21

4.3 数字电缆自动测试的实现 ........................................ 24

4.3.1 高频扩展通道的设计 .......................................25

4.3.2 测试接线平台设计 .........................................26

第五章软件的设计 ............................................... 28

5.1 设备驱动 ...................................................... 28

5.2 测试 .......................................................... 28

5.3 测试记录管理 .................................................. 30

5.4 测试标准管理 .................................................. 32

5.5 系统设置、维护管理软件 ........................................ 33

第六章系统的校准 ................................................ 35

6.1 矢量网络分析仪的系统测量误差 .................................. 35

6.2 数字电缆测试系统的系统测量误差 ................................ 36

6.3 系统校准误差模型及校准方法 .................................... 36

6.3.1 一端口校准（one-port calibration） .......................36

6.3.2 二端口校准（full two-port calibration） ..................38

6.4 系统自动校准的实现 ............................................ 41

第七章量值溯源及系统性能评定 .................................... 43

7.1 量值溯源 ...................................................... 43

7.2 系统性能计量 .................................................. 46

7.2.1 仪器的噪声本底 ...........................................47

7.2.2 衰减测试的准确度 .........................................47

7.2.3 阻抗测试的准确度 .........................................49

7.2.4 重复性测试 ...............................................49

第八章：总结 ...................................................... 53

参考文献

在校期间发表论文及科研项目获奖一览表

致谢

第一章绪论

1.1 背景

由于计算机技术和网络技术的飞速发展,数据传输的高速性、安全可靠性愈来

愈受到人们的重视。市场的需求推动了数据传输主要载体——光电缆的迅速发展。

其中对称数字通信电缆（以下简称数字电缆）的发展尤其令人瞩目。

1990 年初期的 EIA/TIA568《商用建筑物通信布线系统》[1]只规定了 16Mb/ｓ

的电缆性能要求，而当时的市话电缆仅要求最高为 1Mb/ｓ，更高频率的数字信号

传输都使用制造成本、运营成本都相对较高的同轴电缆来完成。具有 16Mb/ｓ传

输速率的数字电缆被用于美国的第一幢智能大楼。

在随后的十几年中，随着光电子技术、计算机技术、通信技术的发展，极大

地促进了具有管理自动化、通信自动化、办公自动化等智能化功能的（包括智能

化大厦、智能化小区等）建设向着数字化、网络化、信息化的方向发展。而宽带

智能化的建设成为人们这十多年来普遍关注的焦点。宽带智能化现代建筑中使用

的数字电缆是信息交换的通道。随着人们愈来愈高的对网络数据传输速率及可靠

性愈来愈高的要求，对数字电缆也提出了全新的要求。

1994 年，上海电缆研究所率先研制成功国内第一根 CAT5 铜缆双绞线数据电

缆。标志着国内数字电缆的发展进入了全新的阶段。CAT5 广泛用于 10M 网络。在

随后的几年中，以 CAT5、CAT6、CAT7 为代表的数字电缆已广泛地应用在局域网布

线中。而最近问世的 CAT8 电缆[2]的传输性能达到 1200MHz。

数字电缆良好的市场前景促使全球电缆生产厂家都纷纷投到数字电缆的研

制、生产中。众多电缆生产厂家或改进原有生产设备或购进先进的生产设备，以

期能够生产出高品质的数字电缆。

对数字电缆品质的评定需要科学的测试技术及先进的测试设备来完成。

1.2 国际数字电缆测试设备的现状

在数字电缆出现前，市话电缆的测试技术及测试设备已经相当成熟。市话电

缆使用频率较低，性能的测试更关注的是集参数及少量的传输性能。而数字电缆

的测试频率最高要求达到 1200MHz，已经属于微波段。因此，早期的市话电缆测

试技术及测试设备已无法满足现代数字电缆的测试要求。

国际上许多原来生产市话电缆检测设备的厂家在数字电缆出现后，纷纷开始

研制适用于数字电缆测试的设备。但到目前为止，只有少数几个厂家，如：美国

的 DCM、瑞士的 AESA、德国的 MEA 及上海电缆研究所研制出适合电缆生产厂家的

成品检测要求的检测设备。在上海电缆研究所研制出数字电缆检测设备之前，该

类测试设备主要依靠进口。全套测试设备售价在 240 万人民币左右。昂贵的价格

使国内众多生产厂家无法承受。而只能采用替代法等不规范的方法进行电缆的测

试。这无疑在很大程度上影响了所生产电缆的质量，也对国内电缆行业的技术进

步产生了不良的影响。国产的数字电缆测试设备推出后，结束了国外产品一统国

内市场的局面。

数字电缆测试技术及自动测试设备研究

1.3 课题来源

基于国际数字电缆测试设备的状况，作为国内最大的电缆行业归口所－上海

电缆研究所，2001 年承担了上海市经委（编号：03-012）“对称数字通信电缆测

试设备的开发”项目的研究任务。

1.4 本课题的主要研究内容及关键技术

根据经委项目合同及实际运用的要求，本课题的主要研究内容是：研究符合

标准的测试技术（包括校准、计量技术），并实现数字电缆的自动测试。

由于数字电缆的种类繁多，结构各异，且测试频率高，对其进行自动检测有

相当的难度。其主要要解决的技术关键如下：

a）高频切换开关的隔离度及多通道平衡切换；

b）高频单元的联线及排布；

c）保证高、低频参数测量精度；

d）测试设备的软件、硬件的实现；

e）设备的校准及计量技术。

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摘要：

I摘要计算机技术、网络技术的发展，对数字电缆的性能提出愈来愈高的要求。原有的市话电缆测试方法、技术及测试设备已无法满足数字电缆测试的要求。本文将针对这种现状，对数字电缆测试方法及自动测试实现等展开研究。本文根据现有的相关标准中对数字电缆的性能参数的规定及工厂成品检测的要求，使用矢量网络分析仪作为核心测量部件、平衡不平衡变换器（balun）作为平衡器件研究了基于频域扫描法的数字电缆高频电性能的测试方法，并根据频域扫描法原理实现了数字电缆的自动测试。简述了多对数字电缆自动测试中各单元模块的设计方法，包括：四线制直流电阻测试；电流检测法电容测试电路；具有高串音防卫度的高频扩展通道及测试接线平台。同时...

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