（测试计量技术及仪器专业论文）网络电缆综合测试仪的研究.pdf

摘要 2 l 世纪是网络信息化技术快速发展的时代，互联网已逐渐走进干家万户，成为人们生 活不可或缺的要素之一，对人类的生产和生活产生了深远的影响。在网络快速发展的同时， 因为网络传输电缆故障导致的网络故障时有发生，严重影响了人们正常的工作和生活，其 造成的经济损失十分巨大。然而传统的网络电缆故障检测方法大都存在使用复杂、测试精 度不高、测试周期长、维护和检修成本高等缺陷。网络电缆特殊的布线特点也给故障检测 和维护带来了困难。因此开展网络电缆故障测试方面的研究具有十分重要的现实意义。 本文针对网络电缆测试中存在的重点和难点问题，以准确检测并及时消除网络电缆故 障为目的，在对网络电缆常见故障类型分析的前提下，对网络电缆故障检测技术和测试方 法展开研究，并在此基础上提出了一种新的故障定位方法一多次回波检测法。该法基于时 域脉冲反射原理，对故障电缆中的多次反射回波进行采集，可以有效的提高测试精度和分 辨率，降低系统对硬件响应速度的过高要求。在对测试方法研究的基础上，本文研制了一 种新型网络电缆综合测试仪。该仪器以f p g a 为核心，采用基于f p g a 的s o p c 技术，实 现在一片f p g a 芯片集成系统全部功能。可以用于检测网络电缆的多种故障类型并能对断 路和短路故障位置精确定位。经测试实验表明，仪器具有良好的测试精度和稳定性，是一 种性能可靠的集成化测试仪器。 关键字：网络电缆、故障检测、测试仪、多次回波、f p g a 、s o p c 技术 a b s t r a c t 21s tc e n t u r yi st h ea g ei nw h i c ht h en e t w o r ki n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p s r a p i d l y i n t e r n e th a sg r a d u a l l ye n t e r e di n t on u m e r o u sh o u s e h o l d sa n db e c a m ea ne s s e n t i a l e l e m e n to fp e o p l e sl i v e s i ti sd e e p l ya f f e c t i n go u rm a n n e ro fl i f ea n dp r o d u c t i o n a tt h e s a m et i m e ，t h en e t w o r kf a u l tc a u s e db yf a u l t so fn e t w o r kt r a n s m i s s i o nc a b l eo c c u r sf r e q u e n t l y i t s e r i o u s l ya f f e c t sp e o p l e sn o r m a lw o r ka n dl i f ea n dc a u s e se n o r m o u se c o n o m i cl o s s h o w e v e r ， t h et r a d i t i o n a lt e s tm e t h o d sf o rf a u l t so fn e t w o r kc a b l eh a v et h ed i s a d v a n t a g eo ff u s s yo p e r a t i o n ， l o wt e s tp r e c i s i o n , l o n gt e s tp e r i o d ，h i g ht e s tc o s ta n de t c i na d d i t i o n ，t h ef e a t u r e so fn e t w o r k c a b l ed i s t r i b u t i o nm a k et h ef a u l td e t e c t i o nm o r ed i f f i c u l t y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hf o rt h ef a u l t t e s to fn e t w o r kc a b l eh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i no r d e rt oa c c u r a t e l yd e t e c ta n de l i m i n a t ef a u l bo fn e t w o r kc a b l ei nt i m e ，t h ea u t h o rc a r r i e s o u tt h er e s e a r c ho fd e t e c t i o nt e c h n i q u e sa n dt e s tm e t h o d sb a s e do nt h ea n a l y s i so fc o m m o nf a u l t t y p e sa n dp r o p o s ean e wm e a s u r i n gm e t h o dc a l l e d m u l t i - r e f l e c t e dp u l s ew a v e ss a m p l i n g a c c o r d i n gt ot h ek e yp r o b l e ma n dd i f f i c u l tp r o b l e mi nt h en e t w o r kc a b l et e s t t h em e t h o db a s e d o nt d rs a m p l e st h em u l t i r e f l e c t e dp u l s eo ff a u l tn e t w o r kc a b l e b yt h i sm e t h o d ，an e wk i n do f m u l t i f u n c t i o n a li n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n gf a u l t e dc a b l e su s e di nn e t w o r ki sd e s i g n e d t h i s i n s t r u m e n tu s e sf p g aa st h eh a r dc o r eo fs y s t e ma n da p p l i e st h es o p ct e c h n o l o g yo nf p g a i t i n t e g r a t e sa l lf u n c t i o n si n as i n g l ec h i po ff p g aa n dc a nd e t e c tm u l t i f o r mf a u l t so fn e t w o r k c a b l e sa n dl o c a t et h ep o s i t i o no ff a u l t se x a c t l y b ye x p e r i m e n t s ，i ts h o w e dt h a tt h ei n s t r u m e n th a s t h ea d v a n t a g e so fg o o dt e s tp r e c i s i o na n da c c u r a c yt h ei n s t r u m e n ti sa l li n t e g r a t e da n dc r e d i b l e m e a s u r i n g i n s t r u m e n t k e yw o r d s ：n e t w o r kc a b l e ；f a u l td e t e c t i o n ；i n s t r u m e n t ；m u l t i 。r e f l e c t e d p u l s ew a v e s ； f p g a ；s o p c l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盎叁日期：兰蹲：墨：2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：绽堑导师签名： 第一章绪论 1 1 研究目的与意义 第一章：绪论 随着我国经济和信息网络技术的不断进步和快速稳定发展，我国网络化已进入高速发 展阶段，网络规模呈现持续快速发展的趋势。截至2 0 0 8 年1 2 月3 1 日，我国网民数量已达 到2 9 8 亿人，跃居世界第一位，互联网普及率达到2 2 6 ，略高于全球平均水平2 1 9 ( 如 图1 1 ，图1 2 所示) 【1 1 。越来越多的居民认识到互联网的便捷作用，网络已经走进千家万 户，影响人们每天的生活和工作，成为人们不可或缺的要素之一。 咎 世 嚣 尊 i 崔 曼量虽冕量冕虽冕 匡垂亟巫巫三固 拶”日 i l，i ；口 li t + 。g 图1 12 0 0 0 2 0 0 8 年中国网民规模与增长率图1 22 0 0 7 2 0 0 8 中国宽带网民规模对比 网络传输电缆作为信息化的中枢神经，为用户提供了诸如：电子商务、娱乐休闲、无 纸化办公、电视电话会议、信息共享、搜索引擎、数据传输和多媒体等多种综合业务，成 为现代生活不可或缺的组成部分。但网络高速发展的同时，因为传输电缆故障造成的网络 故障也频繁发生，据统计，大约5 0 - - 7 0 的网络故障是由于网络传输电缆的损坏或异常 造成的，其造成的经济损失十分巨大。 实际中大多数网络电缆布置在天花板、地下或建筑物墙内，这给网路电缆故障的检测 与检修造成了不便。传统的网络电缆故障测试方法( 如放音法、查漏法等) 需要将发生故 障的电缆全部从地下或建筑物墙内取出。这一过程需要耗费大量的人力、物力和时间来进 行网络电缆维护和故障检修。据统计，解决一个网络电缆缺陷或者故障所需8 0 时间的是 用于故障的查找上，只有大约2 0 的时间是真正用于问题的解决。除此之外，传统检测法 主要依靠工程技术人员的经验，准确性和精度都很难保证。 目前市场上的网络电缆相关测试设备虽然种类和数量很多，但关键技术大都掌握在外 国大公司手里，国内不具有自主知识产权。此外，国外厂商生产的测试仪器，虽然具有产 品性能完善、测试精度较高等优点，但价格通常较为昂贵，仪器使用和维护成本相对较高； 而国内厂商生产的测试仪器则主要集中在中低端市场，且低端产品居多，产品往往功能单 一、体积庞大、精度和性能指标都较差。 因此，研究新的网络电缆故障检测和定位方法，并设计、研制一种新型网络电缆故障 综合测试仪，具有十分重要的现实意义。 1 2 研究对象及其特点 1 2 1 网络电缆相关知识 0 0 0 0 0 o 0 0从哪伽姗姗哪孝|。 -，3 2 2 1 l 姗 嗍 懈 脯 嬲 侧 姗 蹦 啉淼裟勰裟。 东南 学删 。学论文 在众多传输线缆中，虽然艰绞线与其他传输介质相比在传输距离、信道宽度和数据传 输速度等方面有一定的劣势但困其价格低、抗干扰性强、可同时传输多种( 语音、数据、 图像及c a t v ) 多路信号、具有良好的性价比，被广泛使用在局域网和智能建筑布线系统 中，成为局域网络中的酋选传输介质。 烈绞线电缆“( t w i s t e dp a i rw i r e ) 是由两根具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相 绞台缠绕在一起的线缆，是信息通信网络传输彳r 质之一。坝绞线把两根绝缘的铜导线按一 定规格互相绞在一起，可以降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另 一根线上发出的电波抵消。艘绞线一般由两根2 2 2 6 号绝缘铜导线相互缠绕而成。实际使 用的舣绞线电缆是由包在绝缘电缆套管里的多对般绞线组成的，每对州绞线的扭绞k 度在 1 4 c m 罕3 81c m 之间按逆时针方向扭绞相临线对的扭纹长度在1 27 c m 以上，一般扭绞 的密度越大，其抗干扰能力就越强。 烈绞线按照是否有金属网屏蔽层可以分为：屏蔽双绞线( s t p ) 和非屏蔽职绞线( u t p ) 两类。网络用职绞线由4 对线即8 根双绞线组成，四对线分别用橙、绿、蓝、棕等4 种颜 色表示，两端连接有r j 4 5 接口( 水晶头) 。在实际喇络的使用中，1 0 m 、1 0 0 m 网络仅使 用了其中的1 、2 3 、6 一四根线，而在1 0 0 0 m 网络中才使用全部线对，图1 3 为网络用双 绞线电缆示意图。 幽1 - 3 网络用职绞线示意圈 随着网络技术的发展和应用需求的提高般绞线这种传输介质标准也得到了发展与提 高。从最初的一、二类线，发展到今天最高的七类线，而且据悉这一介质标准还有继续发 展的空间。在这些不同的标准中，之们的传输带宽和速率也相应得到了提高，七类线己达 到6 0 0 m h z ，甚至12 g h z 的带宽和l o o b p s 的传输速率，支持千兆位以太网的传输。e i a t i a ( 黄国电子工业协会电信工业协会) 为双绞线电缆定义了不同的类型”j 。主要包括如下类 型 1 类：a n s i e i a t i a - 5 6 8 a 标准中最原始的非屏蔽双绞铜线电缆。主要用于传输语音 ( 一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆) 。 2 粪：a n s i e i a t i a 一5 6 8 a 和i s o2 类，a 级标准中第一个可用于计算机网络数据传输 的非屏蔽坝绞线电缆。传输频率为l m h z ，用于语音传输和最高传输速率4 m b p s 的数 据传输常见于使用4 m b p s 规范令牌传递协议的旧令牌阿。 3 娄：a n s i e i a t i a 5 6 8 a 和i s o3 粪，b 级标准中专用于1 0 8 a s e - t 以太网络的非屏蔽 双绞线电缆。该电缆的传输频率为1 6 m h z ，用于语音传输及最高传输速率为1 0 m b p s 的数据传输， 4 类：a n s i e i a t i a 5 6 8 a 和i s o4 类，c 级标准中用于令牌环网络的非屏蔽裂纹线电 缆。该类电缆的传输频率为2 0 m h z ，用于语音传输和最高传输速率1 6 m b p s 的数据传 输，主要用于基丁令牌的局域网和1 0 b a s e w 1 0 0 b a s e - t 。 层 绳 蓍； 酃 涮 褥 第一章绪论 超5 类：超5 类是a n s i e i a t 1 a 5 6 8 b 1 和i s o5 类d 级标准中用于运行快速以太网 的非屏蔽双绞线电缆。具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值( a c r ) 和信噪l t ( s t r u c t u r a lr e t u r nl o s s ) 、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5 类线主 要用于千兆以太网( 1 0 0 0 m b p s ) 。 6 类：a n s i e i a t i a 5 6 8 b 2 和i s o6 类e 级标准中规定的一种非屏蔽双绞线电缆。该 类电缆的传输频率为1 m h z - - - , 2 5 0 m h z ，六类布线系统在2 0 0 m h z 时综合衰减串扰比 ( p s a c r ) 有较大的余量，它提供2 倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高 于超五类标准，最适用于传输速率高于1 g b p s 的应用。主要应用于百兆位快速以太网 和千兆位以太网中。 超6 类：是a n s u e i a t i a 5 6 8 b 2 和i s o6 类e 级标准中规定的一种非屏蔽双绞线电 缆，主要应用于千兆位网络中。在传输频率方面与六类线一样，也是2 0 0 - - - 2 5 0 m h z ， 最大传输速度也可达到1 0 0 0m b p s ，只是在串扰、衰减和信噪比等方面有较大改善。 7 类：是i s o7 类f 级标准中最新的一种双绞线，它主要为了适应万兆位以太网技术 的应用和发展。但它不再是一种非屏蔽双绞线了，而是一种屏蔽双绞线，所以它的传 输频率至少可达5 0 0 m h z ，是六类线和超六类线的2 倍以上，传输速率可达1 0 g b p s 。 这些标准类型按c a t x 方式标注。如常用的五类线和六类线，在线的外包皮上标注为 c a t5 、c a t6 。而如果是改进版，就按x e 方式标注，如超五类线就标注为5 e ( 字母为小 写) 。目前局域网中常用到的双绞线一般都是非屏蔽的5 类4 对( 即8 根导线) 的电缆线。 表l ：双绞线的标准测试数据【3 1 分布电容 直流电阻直流电阻偏差 类型衰减( d b ) ( 1 k h z ) ( 2 0 。c )( 2 0 。c ) 3 类 叟3 2 0 s q r t ( f ) + o 2 3 8 ( 0_ 3 3 0 p f l0 0 米 9 3 8 列1 0 0 米 5 4 类 叟0 5 0 s q r t ( f ) + 0 1 ( o _ 3 3 0 p f f l0 0 米 夕3 8 q 1 0 0 米 5 5 类 s 1 9 2 6 7 s q r t ( f ) + 0 0 7 5 ( 0 1 0 0 米) 3 类1 0 0 啦1 5 1 2 d b4 3 d b 4 类1 0 0 啦1 5 1 2 d b5 8 d b 5 类l o o 趾1 5 1 2 d b6 4 d b 双绞线电缆的电路模型【4 】【5 1 ： 图1 - 4 均匀电缆的等效电路 3 东南大学硕士学位论文 双绞线电缆是一个分布参数电路系统，其分布参数一般包括：分布电阻、分布电导、 分布电感和分布电容。通常可以将均匀电缆划分个若干个微分段比，将每个微分段抽象成 由电阻j r ，电感三、导线与绝缘层之间的电容c 和导纳g 组成的集总参数电路( 如图1 5 ) ， 均匀电缆的等效电路如图1 4 所示。当电磁波在双绞线电缆传播时，电磁波电压与电流之 比称为特性阻抗汤。通常z d 不随电缆长度的变化而变化。 _ ” 么05 2 j ( 式1 1 ) 特性阻抗呈现的阻抗性质( 感性或容性) ，即特性阻抗的幅角反映的是传输线上信号的相位 瓶一吣= 捂朋雠一麒晌一为捂 的电阻。当信号频率很高时c 脚三，脚。，一一，乙= 吾，即电缆在传输高频 信号时，其特性阻抗表现为阻值为丢的电阻特性。 当电磁波，或导线损耗很小而满足：r o 国厶，g o o ，因此故障点处的电压 u = + = 。搠一u , t ，故电压反射系数：风压= 畿一l 因为乇一毒， 1 0 第二章网络电缆故障检测原理与测试方法 所以故障点处的电流信号：，。嚷+ 名= 乏1 ( 一吒) = 等= 2 k ，电流反射系数： 风流= 乏划。故若不考虑电缆的特征阻抗，当电缆发生短路故僦反射信号电压与发 射信号电压极性相反，幅度相等；反射信号电流与入射信号电流极性相同，幅度相等。 3 、低阻混线故障 低阻混线故障是指电缆发生断线但未发生完全断路；或发生短路故障但其故障点处电 阻不为零的故障状态。在低阻混线故障点处，电磁波会发生反射，但不是全反射，而是部 分反射，其中一部分能量被故障点处的负载阻抗吸收，其等效电路如图2 3 。 图2 3 电缆低阻故障及其等效电路 设失譬点处的电阻为彤贼障点处的阻姚乙= 箍。电缆故障点处的电压 反射系数为：p2 两z l - z c2 币拓。故若不考虑电黼龃抗对信号的矾当电 缆发生低阻混线故障时，反射信号电压和发射信号电压极性相反，且反射信号电压幅值小 于发射信号电压幅度。 4 、感性负载故障 感性负载故障是指故障点处的阻抗可以等效成一电感，其电压反射系数为 f p = 2 e7 - 1 ， 其中仁毒称为时间常数a 当电缆发生感性负载故 障时，其电压反射系数随时间从+ l 到1 变化。其现象是反射信号的极性从与发射信号极性 相同向与发射信号极性相反方向变化。 6。蕊o = p p 。 d ， o 乩= f = 一 “v 东南 学碰十学位论立 5 、容性负载故障 容性负载故障是指故障点处的阻抗可以等效成一电容，其电压反射系数为： p = 1 2 e7 ，其中f = 五c 称为时问常数。当电缆发生容性负载故障时，其电压反射系 数随时问从1 到+ 1 变化。当t = o 时发射信号电压到选故障点，由于电容上的电压不能突 变，此时故障类型相当于短路故障，其反射信号与电缆发生短路故障时相同，反射系数p = - 1 ：而当，一时电容上电压已趋于稳定此时相当于发生了断路开路故障，反射系数 p = 1 。反射信号与电缆发生断路开路故障时相同。当电缆发生容性负载故障时，反射信 号电压的随时间的变化而发生由负到正的变化。 2 2 2 单次回波检测法 单次同渡检 法是对故障电缆的一次反射回波进行采集的方法。由于网络电缆特性阻 抗的存在，向故障电缆发射一个脉冲信号脉冲信号遇到故障点会发生反射，如图2 4 和 图2 1 5 所示。在反射信号中其一次同波的能量和幅值最大，受电缆分布参数的影响最小， 对其进行信号采集以确定故障类型可以较准确的诊断电缆故障，井进行故障定位。 采用单次回波检测法的优点：由于信号能撞和幅值较大，系统易于采集：系统开销小； 采用该法进行故障定位时狈9 试卣区鞍小；单次回波具有良好的线性度和重复性。其缺点： 单次回波检测法若耍达到一定的测试精度要求硬件系统有极高的响麻速度和采集速度，否 则无法有效的捕捉到回波信号，造成测试盲区。然而般的处理器和集成芯片很难满足测 试要求，其造成的后果是测试分辨率低，测试误差大。 1 一 1 一r 萄酽7 ：。 “ 蔷 ；t l 17 i ji ；堋：i 倒 一一、一一、蓄。一一 ： # ：， ： 固 幽 。围e盈缸 图2 4 断路故障单次回渡 图2 - s 短路故障单次回波 2 2 3 回波损耗测试方法 回波损耗( r e t u r nl o s s ) 又称反射损耗，是指信号在电缆中传播过程中由于电缆特性 阻抗不匹配而造成的一部分信号被反射回来的现象。回波损耗定义为：l r - 2 0 l g ( u u , ) ，其 中“为输入信号的电压幅值，为对麻于电缆规范中标称特性阻抗值的反射信号电压幅 值。因此，利用t d r 原理可以进行电缆的回波损耗测试。同波损耗a 4 试时t 向指定长度( 通 常为1 0 0 米) 的无故障电缆的端发射一系列测试脉冲信号，电缆的另一端接标准负载， 在电缆的信号发射端对反射回来信号的电压幅值进行采集和分析，然后计算出指定长度电 第二章网络电缆故障检测原理与测试方法 缆的回波损耗值。 2 2 4 衰减测试方法 衰减是描述传输电缆性能的重要参数指标。由于电缆上分布电容和分布电阻的存在， 信号在电缆传输过程中会发生能量减弱的现象，称为衰减。衰减测试同样可以利用时域脉 冲反射原理。在进行衰减测试时，对标准长度的传输电缆发射一个指定脉宽的测试脉冲信 号，同时对反射回来信号的幅值和脉宽进行采集，用以分析测试电缆的若干分布参数。通 过反射脉冲与发射脉冲的幅值的比较，可以反映出测试电缆的分布电阻。由于分布电容使 反射信号的脉冲宽度变长，通过比较反射信号和发射信号的脉冲宽度，可以得出测试电缆 的分布电容大小。 2 2 5 时域脉冲反射法的消盲技术1 2 7 1 采用时域脉冲反射原理进行网络电缆故障定位时，由于发射信号脉冲宽度的影响，当 测试故障点距离测试端较近时，不可避免的会发生反射信号和发射信号混叠现象，造成无 法正确分辨出发射信号和反射信号，产生测试盲区。由于脉冲宽度不可能为零，若不采用 其他措施，应用时域脉冲反射原理进行测试时盲区不可消除。为了提高测试精度，减小测 试盲区，通常在实际中采用如下的几种方法： 1 、人为的加长被测电缆的长度，即在仪器测试端增加一段与故障电缆相同型号的电缆， 以消除测试盲区。缺点是该法适用性较差，且应用繁琐，在实际中很少使用。 2 、提高测试仪器的技术指标，如提高测试仪器的信号采集速度。但采用此法的缺点是对 硬件系统要求过高，系统成本随采样速度的增长而正比例增加。 3 、减d , n 试仪发射脉冲的脉宽。但受仪器硬件系统的限制，脉冲宽度不能无限减小，且 发射脉冲宽度与系统硬件成本成正比。 4 、电感电容延时电路( 如图2 6 ) 。采用电感、电容延时电路，相当于在测试仪的发射信 号端添加了一段集中参数的l c 延长线，转换成电缆其长度为上钲= ( 1 2 ) v t 证。其中v 为电磁信号在电缆中的传播速度，为l c 电路的延迟时间，延= 瓜。采用电感 电容延时电路消盲法可以有效的减d , n 试盲区，且实施成本低廉。但电感电容延时电 路的缺点是破坏发射信号的高频特性( 如上升时问变长、脉冲宽度变宽等) ，给系统测 试带来了误差。 ll c l 图2 - 6 电感、电容消盲电路 2 3 多次回波检测法的提出与应用 1 3 东南丈学埘学位论女 图2 7 断路故障多次回波固2 - 8 短路故障多次回波 多次回波检测法是在时域脉冲反射原理( t d r ) 的基础上，针对单次同波检测法的不 足和缺陷而提出的一种新的测试检测方法。根据脉冲时域反射原理电磁脉冲信号在故障 电缆中会发生多次反射，产生多次同波效赢，且同种类型故障点处的反射系数相同，只是 由下电缆分布电阻、电容的影响使脉冲幅度逐渐减小，如图2 - 7 和图2 - 8 所示。因此在故 障电缆的发射信号端可以采集到多敬回波信号。通常基于t d r 的单次回波检测法只对发射 信号的一次回渡进行采集，而不聚集其余反射回波信号。由于脉冲信号在电缆中的传播速 度很高( 根据电缆绝缘介质的不同速度略有不同) 这造成了反射回波与发射脉冲之间的 时间间隔非常短。若采用单次回波检雌要想达到很高的测试精度，需要提高测试系统的 采样频率和运行速度( 通常在百兆以上) 。这就对整个系统的硬件速度提出了很高的要求， 一般的微处理器和集成电路芯片由于根难达到如此高的信号响应速度所以无法满足高测 试精度对测试系统的要求，多次同波检测法是为了解决这一难题而提出的，多次回波检测 法摒弃了通常采用脉冲发射法只对一次回波进行采集的机制，而根据测试对象韵不同特点 对多次回波信号进行采集和分析，以确定电缆中存在的故障类型和故障位置。多次回波反 射法实际上实现了将反射回波和发射脉冲之间的问隔时间叠加，从而延长了系统对反射回 波的响应时间，降低了在相吲测试精度要求下对系统采集速度的过高要求。实验表明在系 统计时脉冲频率一定的前提f ，与单次回波检测法相比，多次回波检测法可以有效的提高 测试系统分辨率和测试精度，并有效降低了系统的硬件开销。 必t 一& 目t= 目#! a 目*日& 目t r r 、 自卜一卜一卜一卜卜一卜o 、一一f 3 k 一j r h 黹r 厂广几n 广 ”搿：几几n 几n 几几几n 几n 几几几几n 图2 - 9 多次回波检剽断路故障娘理图 多次回渡检测法主要用于故障检测和赦障定位，包括：断路开路故障检测和短路故障 检测两个部分。测试系统进行断路开路故障检测时，测试系统向待测电缆的一端发射个 脉宽极短的单脉冲信号，并同时启动系统内的标准计时器对标准计时脉冲信号( 脉冲频率 已知) 进行计数，开始计算回波间隔时问。发射脉冲信号遇到电缆断躇，开路故障点会发生 第二章网络电缆故障检测原理与测试方法 多次反射。由于反射系数为l ，反射脉冲与发射脉冲极性相同，同为正向电平信号。系统 对发生多次反射的回波信号的正向电平进行整形、放大和采集，当采集到指定次数的同波 信号后，系统停止标准计时器工作，将系统计时结果即回波间隔时间锁存后送入数据处理 单元，计算出断路开路故障点位置。测试原理如图图2 - 9 所示。 发射脉冲 参考电压 比较嚣 输出 触发器 输出 计数器计 数脉冲 图2 1 0 多次回波检测短路故障原理图 进行短路故障测试时，测试过程与断路开路故障测试基本相同。由于短路故障点处的 反射系数为1 ，所以反射脉冲与发射脉冲极性相反。从回波波形上看，呈现正、负极性脉 冲间隔的现象。在进行短路故障测试时，系统对负极性的反射回波进行采集，并启动标准 计时器对回波间隔时间进行计时，并将计时结果送入数据处理单元，以确定故障点位置。 测试原理如图2 1 0 所示。 采用多次回波检测法测试时，故障点位置计算公式为： s = v 二( 式2 3 ) 2 矿 其中：卜故障点距测试点的距离； 卜脉冲在网络电缆中的传输速度( 约为2 0 0 m 岫) ，可以通过实验标定获得； 一标准计数器的计数脉冲个数； 沪多次回波检测法中采集的回波次数； 广一标准计数器的计数脉冲频率。 2 4 本章小结 本章首先介绍了常见的网络电缆故障测试方法，并对它们的优缺点进行比较和分析。 在此基础上，详尽的研究了在电缆故障测试中常用的时域脉冲反射( t d r ) 原理，并针对 不同类型故障的反射系数和回波特点作了详尽的分析。此外，对采用时域脉冲反射原理的 电缆测试方法进行了阐述，包括单次回波检测法、回波损耗测试法、衰减测试法等，还对 时域脉冲反射原理下的消盲技术进行了讨论。针对单次回波检测法在故障定位测试时系统 分辨率受采样速度和计时信号频率影响较大，且测试精度的提高对硬件系统要求过高的缺 点，提出一种新的故障定位测试方法一多次回波检测法。该法基于时域脉冲反射原理，根 据测试对象的不同特点对故障电缆中的多次反射回波进行采集。采用多次回波检测法可以 有效的提高测试系统故障定位的精度和分辨率，降低了系统硬件成本，是一种十分有效的 测试方法。 1 5 东南大学硕士学位论文 第三章：网络电缆综合测试仪的设计和研制 3 1 测试仪的硬件系统设计 3 1 1 系统硬件构成 图3 1 系统硬件结构框图 整个系统硬件结构如图3 1 所示，由f p g a 及外围电路、发射驱动电路、高速比较器 电路及保护电路、数控电位器电路、多路继电器电路、串行通信接口电路、l c d 显示电路、 l e d 指示灯电路、a d c 转换电路、f l a s h 存储器芯片、s d r a m 存储器芯片、电源电路、 e p c s 配置芯片、按键电路组成。 由于测试方法的特点和信号采集的特殊要求，系统对测试脉冲信号的频率和信号的采 集速度都有较高的要求，若想达到一定的测试精度，必须提高测试系统的测试脉冲频率和 信号采集速度。由于一般的微处理器和集成电路芯片很难满足系统要求的响应速度，故在 系统设计中采用在高速信号采集和并行信号处理上具有较大优势的f p g a 芯片( a l t e r a 公司 c y c l o n e 系列的e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 n ) 作为整个测试仪的核心器件，仪器所有硬件电路围绕其 进行工作。f p g a 在整个测试系统中起着产生测试用高频信号，回波信号的采集和数据处 理运算，以及协调系统其他硬件电路正常工作和控制整台仪器正常运行的作用。f p g a 配 置存储芯片为f p g a 上电后引导逻辑电路程序进行下载：f l a s h 和s d r a m 存储芯片为整 个系统提供扩展的存储单元；发射驱动电路用于将f p g a 产生的高频脉冲信号放大到不同 的幅值以满足不同的测试要求，并将测试信号驱动至待测电缆上；多路继电器电路用于控 制系统对网络传输电缆多对链路之间的测试切换；高速比较器是硬件仪器重要的组成部分， 也是系统信号采集的关键，用于对发射脉冲和反射脉冲进行信号采集；数控电位器为高速 比较器的参考电压端提供可自动调节的参考电平；a d c 电路对数控电位器提供的参考电压 进行模数转化，并将结果送至f p g a ；串行通信电路为测试仪和p c 机之间数据传输提供 接口；l c d 显示屏、l e d 指示灯和按键电路组成仪器人机交互接口，用于显示测试数据、 实现功能选择及参数设置。网络电缆通过r j 4 5 接口或测试接口与测试仪相连。 1 、f p g a 及外围电路 f p g a 是f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列。它是在可编 程阵列逻辑p a l 、门阵列逻辑g a l 和可编程逻辑器件p l d 等可编程器件的基础上发展而 来的，因此f p g a 既有门阵列器件的高集成度和通用性，又有可编程逻辑器件的用户可编 1 6 第三章网络电缆综合测试仪的设计与研制 程性。最初f p g a 是作为专用集成电路a s i c 领域的一种半定制电路而出现的，它的出现 既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件逻辑资源有限的缺点。与定制a s i c 相比，f p g a 具有开发周期短，设计灵活性大，非大批量生产时设计成本低等诸多优势； 与传统的可编程逻辑器件相比，它又具有规模更大，功能更强，速度更快，功耗更低，适 用性更广泛的特点。近年来f p g a 发展迅速，单片的集成度由原来的数千门，发展到数十 万门甚至数百万门，芯片的i o 口也由数十个发展至数千个端口，有的制造商还推出含有 硬核嵌入式系统处理器的i p 。因此，完全可能将一个电子系统集成到一片f p g a 中，即 s o p c 。 测试仪所用的f p g a 芯片是a l t e r a 公司生产的低成本、高性价比的c y c l o n e 系列f p g a e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 n 。该系列f p g a 主要由逻辑阵列块( l a b ) 、嵌入式存储器块、锁相环 ( p l l ) 和i o 单元等模块构成，在各个模块之间存在着丰富的互连线和时钟网络。 c y c l o n ef p g a 具有以下特性瞄州： 新的可编程构架通过设计实现低成本。 嵌入式存储资源支持各种存储器应用和数字信号处理( d s p ) 实施。 专用外部存储接口电路集成了d d rf c r a m 和s d r a m 器件以及s d rs d r a m 存储器 件。 支持串行、总线和网络接口及各种通信协议。 使用片内锁相环p l l 管理片内和片外系统时序。 支持单端i o 标准和差分i o 技术，支持高达3 1 1 m b p s 的l v d s 信号。 处理能力支持n i o si i 系列嵌入式处理器。 采用新的串行配置器件的低成本配置方案。 通过q u a r t u s1 i 软件o p e n c o r e 姘估特性，免费评估i p 功能。 表3 1c y c l o n e 系列f p g a 特点 特性说明 具有多达2 0 0 6 2 个逻辑单元，容量是以往低成本f p g a 的四倍，可用来 成本优化的架构 实现复杂的应用 c y c l o n e 器件中m 4 k 存储块提供2 8 8 k b i t 存储容量，能够被配置来支持多 嵌入式存储器 种操作模式，包括r a m 、r o m 、f i f o 及单口和双口模式。 具有高级外部存储器接口，允许设计者将外部单数据率( s d r ) s d r a m ， 外部存储器接口双数据率( d d r ) 、s d r a m 和d d rf c r a m 器件集成到复杂系统设计中， 而不会降低数据访问的性能。 c y c l o n e 器件具有多达1 2 9 个兼容l v d s 的通道，每个通道数据率高达 支持l v d si o 6 4 0 m b p s 。 c y c l o n e 器件支持各种单端i o 接v i 标准，如3 3 v 、2 5 v 、1 8 v 、l v l v r l 、 支持单端i o l v c m o s 、s s t l 和p c i 标准，满足当前系统需求。 c y c l o n e 器件具有两个可编程锁相环( p l l ) 和八个全局时钟线，提供健 全的时钟管理和频率合成功能，实现最大的系统系能。c y c l o n ep l l 具有 时钟管理电路 多种高级功能，如频率合成、可编程延迟和外部时钟输出。这些功能允 许设计者管理内部和外部系统时序。 支持诸如p c i 等串行、总线和网络接口，可访问外部存储器件和外部通 接口与协议 信协议。 f p g a 需要外围电路的配合下才能正常工作，其外围电路包括：主动配置电路、j t a g 下载接口、有源晶振、l c 滤波电路和复位电路。由于系统所采用的f p g a 是基于s r a m 查找表的编程结构，系统掉审后，s r a m 内的编程信息会丢失，因此在重新上电后，需要 1 7 东南大学硕士学位论文 重新向f p g a 内载入编程信息，这一步骤称为配置。主动配置电路包括f p g a 专用串行f l a s h 配置芯片和a s 下载接口两部分，其中专用配置芯片内存有f p g a 配置数据，为f p g a 上 电重新配置提供正确的时序和编程信息，a s 接口用来将f p g a 的编程信息下载到主动配 置器件中。j t a g 下载接口为f p g a 调试提供系统在线编程；有源晶振为f p g a 提供可靠 的时钟信号源；l c 滤波电路用来去除f p g a 内部锁相环电路对系统其他电路的干扰；复 位电路为f p g a 提供复位电平。 2 、发射驱动电路 由于网络电缆在测试时相当于一个接在测试仪发射端的负载，而f p g a 产生的单脉冲 发射信号幅值只有3 3 v ，且信号脉冲宽度极窄，因此信号所含的能量十分有限，需要对发 射信号进行电压和电流的放大以满足测试系统的要求。发射驱动电路一方面需要对单脉冲 发射信号的电压幅值进行放大，提高发射信号能量；另一方面需要放大发射信号驱动电流， 实现仪器发射端与待测电缆的阻抗匹配，减少反射信号能量损耗。所以发射驱动电路分为 两个部分：电压放大电路一用于把发射信号3 3 v 的电压放大至5 v ：电流驱动放大电路一 放大发射脉冲信号的电流，以提高测试信号的驱动能力。此外，发射脉冲的信号特点决定 了在放大驱动电路设计过程中要充分考虑到响应速度和传输延迟两个方面。在电路器件的 选择上需要采用高频高速元件。电压放大电路部分是由高速运算放大器l t l 8 0 7 组成的同 相比例放大电路，将f p g a 输出的3 3 v 发射信号放大至5 v 。l t l 8 0 7 是高带宽、低噪音、 轨对轨型运算放大器，带宽可3 2 5 m h z 。电流放大电路部分是由高频发射三极管$ 9 0 1 8 组 成的共集放大电路，$ 9 0 1 8 是高增益、高带宽n p n 型晶体管，带宽可达i g h z ，完全可以 满足系统高速的要求。 3 、高速比较器电路及保护电路 高速比较器是系统信号采集的关键部分，用于对发射脉冲和反射回波进行信号采集和 整形，并将采集到的信号送至f p g a 中处理。通过比较器的输出信号和参考电压可以得出 反射回波的极性、幅值和脉冲宽度等信息，是仪器后续进行故障测试和故障定位的基础。 高速比较器选用l i n e a r 公司生产的超高速、低功耗、双极性比较器l t l 3 9 4 ，其最大延时时 间仅为7 n s 。保护电路是有高速电阻和两个稳压管组成的箝位电路，用于保护比较器输入 端，防止因干扰引起的过冲电压对高速比较器的损坏。 4 、数控电位器电路 数控电位器用来给高速比较器的参考电压输入端提供参考电平信号，并能在系统控制 下自动调节输出的电压值。数控电位器相当于在控制端信号作用下，电阻值可以自动改变 的精密电阻。在系统中数控电位器和其他高精度电阻接5 v 电源组成电阻分压电路，在 f p g a 控制下提供可变电平信号。系统选择i n t e r s i l 公司生产的数控电位器x 9 3 1 3 ，该数控 电位器由电阻阵列、转换开关、控制部分、非易失性存储器、3 线接口组成，共由3 1 个电 阻元素组成，电阻精度为2 0 ，电阻大小由c s 、u d 、i n c 三端控制。系统中由数控电 位器组成的电阻分压电路可以为高速比较器提供3 2 个正负变化的参考电压值，输出电压范 围从- 4 1 2 8 v 至3 8 7 v ，电压变化梯度为：0 2 5 8 v 。 5 、多路继电器电路 多路继电器电路用于系统在网络传输电缆测试时，在4 对8 路链路之间进行测试通道 的自动切换。继电器电路由5 个双刀双掷的固态继电器、继电器驱动控制电路和保护电路 组成。固态继电器选用汇港公司( h l 江) 生产的h r s 2 h s d c 6 v 高灵敏性固态信号继电 器，额定功耗为1 5 0 m w ，使用寿命可达l o 万次。继电器驱动控制电路采用t l 公司生产的 大电压、大电流达林顿阵列芯片u l n 2 0 0 3 a ，单端输出电压