（电路与系统专业论文）宽带局域网用双绞线特性参数仿真与测试系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着我国信息产业的迅速发展以及计算机网络的普及，将会有更多的智能 化大厦、小区不断兴建。双绞线电缆因其可同时传输话音、数据、图像及c a t v 模拟信号等，被广泛的使用在宽带网最后1 0 0 米局域布线中。由于双绞线电缆 的特性和工作可靠性将直接关系到布线的施工质量和多媒体信息的传输。一旦 线路发生故障，网络的工作效率会下降，严重的甚至导致网络的瘫痪，影响生 产、生活的正常进行。因此，对双绞线的传输特性参数进行分析、仿真，并对 阻抗不连续部位进行及时、准确的定位、诊断，就显得至关重要 本文在深入研究传输线基本理论、s i l i u l i n k 仿真技术、时域测量技术和智 能仪器相关理论的基础上，对双绞线的电压、电流、阻抗分布、线上的波传播 及分析传输线常用的史密斯圆图进行了比较详尽的仿真，并提出了可测试双绞 线重要特性参数( 诸如衰减、近端串扰等) 和阻抗不连续点性质和位置的系统 方案。 本文对传输线所作的仿真具有交互式的图形用户界面和直观清晰的输出波 形，是分析和解决传输线问题的有力工具本文提出的双绞线测试系统方案， 摒弃了低层次上的通断测试，引入数字化、时域测量技术，不但能测试关系到 双绞线能否正常工作的特性参数，还能指出阻抗不连续点的性质和位置，而且 随着不同类型的双绞线及相关测试标准的涌现，只需作软件上的更新，就依然 能完成测试任务，具有广阔的应用前景。 关键词：宽带局域网双绞线时域测量故障定位传输线理论 a b s t r a c t w i t it h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y si n f o r m a t i o ni n d u s t r ya n di n t e r a c tm o r e a n dm o r ei n t e l l i g e n c em a n s i o na n dc o m m u n i t ya r es e tu p t h et w i s t e d - p a i rc a b l e sa r e a p p l i e dw i d e l yi nt h el a s t 1 0 0m e t e r so ft h el a nb e c a u s ev o i c e ，d a t a ，i m a g e ，a n d c a t va n a l o g u es i g n a lc a nb et r a n s m i t t e da l o n gt h ec a b l e s t h ep e r f o r m a n c ea n d w o r k i n gr e l i a b i l i t y o ft h e t w i s t e d - p a i r c a b l e sw i l la f f e c tt h et r a n s m i s s i o no ft h e i n f o r m a t i o n o n c et h e r ea r es o m ef a u l t si nt h ec a b l e s ，t h ee f f i c i e n c yo ft h el a nw i l l d e c r e a s e t h em o s te x t r e m ec a s ee v e np a r a l y s e st h ew h o l en e t s oi ti si m p e r a t i v et o a n a l y z et h ef e a t u r e so f t h et w i s t e d p a i rc a b l ea n dt r o u b l e s h o o tt h el o c a t i o no ft h e d i s c o n t i n u o u si m p e d a n c e t h ep a p e rd i v e di n t ot h ef u n d a m e n t a l so ft h et r a n s m i s f i o nl i n e ，s i m u l i n k s i m u l 砒i o nt h e o r y , t i m e - d o m a i nm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ea n di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t t h e o r yd e e p ly _ a n d b a s e do nt h e s et h e o d e s ，w es i m u l a t e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h e v o l t a g e ，c u r r e n t ，i m p e d a n c ea n d w a v e p r o p a g a t i o na l o n g t h ec a b l e s t h es m i t hc h a r t g e n e r a l l yu s e di nt h ef i e l do f t r a n s m i s s i o nl i n ea n a l y s e sw a sa l s om o d e l e d a f i e rt h e s i m u l a t i o n , w ep r o p o s e dat e s t i n gs y s t e ms c h e m ew h i c hc a n m e a s u r es o m e i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ss u c ha sa t t e n u a t i o n ，n e a rc n c lc r o s s t a l ka n dg i v et h en a t u r e a n dl o c a t i o no f t h ei m p e d a n c e d i s c o n t i n u i t yp o i n t t h es i m u l a t i o no ft h et r a n s m i s s i o nl i n eh a sa ni n t e r a c t i v eg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e a n dc l e a ro u t p u tw a v e sa n di sap o w e r f u lt o o lt oc o m p r e h e n dt h ei s s u e sa b o u tt h e t r a n s m i s s i o nl i n e a n dt h et w i s t e d - p a i rc a b l et e s t i n gs y s t e ms c h e m ed i s c a r d e dt h e i x a d i f i o n a lm e a s u r e m e n ti nl o wl e v e lt h a t no n l yt e s tj ft h ec a b l ej sc o n n e c t i v e c o m b i n e dw i t hd i g i t a la n dt i m e - d o m a i nt e s t i n gt e c h n i q u e s ，t h i ss c h e m ec a r ln o to n l y t e s tt h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sc o n c e m i n gw i t hn o r m a lw o r k i n gs t a t e o ft h e t w i s t e d - p a i r c a b l eb u ta l s op o i n to u tt h en a t u r ea n dl o c a t i o no ft h e i m p e d a n c e c l i s c o n t i n u i t yp o i n t m e a n w h i l e ，w i t ht h es p r o u t i n go ft h ed i f f e r e n tk i n do ft h e t w i s t e d - p a i r c a b l e sa n dr e l a t i v et e s t i n gs t a n d a r d , t h i st e s t i n gs y s t e mw i l ls t i l lc o m p l e t e t h em e a s u r e m e n to n l yw i t ht h eu p d a t e ds o f t w a r ea n dh a v ep r o m i s i n ga p p l i c a t i o n v a l u e k e y w o r d s ：w i d e b a n dl a n t r o u b l e s h o o t i n g t w i s t e d - p a i r c a b l et i m e - d o m a i nm e a s u r e m e n t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 双绞线特性及其测试系统研究的意义 随着我国城市建设现代化速度的加快，城市建筑、商业枢纽、办公大楼和 居民小区，正在向全面智能化、网络化的方向迈进【l 】。信息网络作为智能大厦、 小区的中枢神经，使用户可以开展广播、可视电话、会议电视、图像传输、数 据传输、和多媒体等多种综合业务。在光纤到路边、光纤到小区，骨干网络已 光纤化的今天，双绞线电缆因其低廉的价格且可同时传输话音、数据、图像及 c a t v 模拟信号等优点，被广泛的使用在宽带网最后1 0 0 米局域布线中。双绞线 关系到局域网内部计算机的互联互通，也关系到与国内、外公用数据网的连接。 双绞线电缆的传输特性和工作可靠性直接影响着宽带局域网中各种信息的传输 质量。 由于市场上各类双绞线真假难辨、鱼龙混杂，而双绞线质量的优劣是决定 局域网带宽的关键因素之一。同时，由于对布线施工质量的轻视和粗暴施工， 局域网线经常会出现短路、断路或接触不良等状况翻网。一旦线路发生故障，网 络的工作效率会下降，严重的甚至导致网络的瘫痪，影响工作、生活的正常进 行。因此，分析、测试双绞线的特性参数并对阻抗不连续点进行及时、准确的 定位、诊断，具有重要的现实意义。 1 2 本论文的研究任务 双绞线属于传输线的一种，本文首先对传输线基本理论进行了深入细致的 研究，对与双绞线传输特性密切相关的传输线理论部分进行了仿真。 本文基于实际需要，完成了如下几方面的研究： 1 对双绞线的电压、电流、阻抗分布、线上的波传播进行了仿真； 2 对传输线的史密斯圆图进行了仿真； 第一章绪论 3 探析了时域反射测试技术； 4 提出了时域双绞线测试系统方案。 本文尚待解决的问题： 1 如何减小阶跃脉冲的上升时间，及在微控制器时钟频率和a d 采样频率允许 的条件下提高测试精度； 2 如何提取设计思想，以便从p c b 级设计过渡到s o c 设计，优化系统设计， 进一步缩小系统尺寸。 1 3 本论文的内容及结构 本文所述宽带局域网用双绞线测试系统。以传输线理论和时域反射测试技 术为理论基础，同时结合了单片机应用技术、数字信号处理等技术。由于双绞 线是传输线的一种，不深入理解传输线理论，就谈不上对双绞线传输特性及特 性参数的研究。故本文首先对传输线理论作了深入的分析，继而对与双绞线传 输特性密切相关的传输线电压、电流、阻抗分布，及各种阻抗不连续形态下双 绞线上的波传播进行了仿真，最后提出了一种实用的时域测试系统方案。 本文的大致结构如下： 第一章绪论，简要介绍了双绞线特性及其测试系统的研究意义、论文的研 究任务和论文的内容及结构。 第二章宽带局域网用双绞线及时域测量概述，简要介绍了双绞线分类、标 准、技术要求，双绞线的传输特性参数及双绞线测试系统国、内外科研情况。 第三章传输线特性分析，详细介绍了与分析、理解双绞线问题密切相关的 传输线理论部分。 第四章基于传输线理论的双绞线计算机仿真，首先简要介绍了m a t l a b 的 s i m u l i n k 工具箱和图形用户界面g u i ，继而详细介绍了应用s i 删l i n k 所作的双 绞线上波传播仿真和用g u i 所作的线上电压、电流、阻抗分布及史密斯圆图仿 真，在每个仿真后给出了仿真结果及分析。 第五章时域双绞线测试系统，先探析了时域反射测试技术，在此基础上提 出了整个测试系统方案，并给出了芯片选用方案和设计说明。 最后是结论和展望。 第二章宽带局域网用双绞线及其测试系统概述 第二章宽带局域网用双绞线及其测试系统概述 2 1 双绞线分类及技术标准 计算机网络是基于网络的传输介质，目前最流行的局域网就是以太网，其 基础( 介质) 就是双绞线( 无线网除外) 。随着我国信息产业的迅速发展以及计 算机网络的普及，将会有更多的智能化大厦、小区不断兴建。双绞线电缆因其 可同时传输话音、数据、图像及c a t v 模拟信号等，被广泛的使用在宽带网最 后1 0 0 米局域布线中。 有人将局域网用数据传输电缆按频率分为下列7 类： 1 类电缆供1 0 4 姗z 网络用 2 类电缆供5 m h z 网络用 3 类电缆供1 6 m h z 网络用 4 类电缆供2 0 z 网络用 5 类电缆供1 0 0 姗z 网络用 6 类电缆供2 0 0 4 0 0 m i - i z 网络用 7 类电缆供5 0 0 6 0 0 m h z 网络用 双绞线适用于短距离的数据传输，因此特别适用于局域网应用。传输介质 采用双绞线的局域网的带宽取决于所用导线的质量、长度及传输技术。在采用 高速以太网络f a s t e t h e r n e t 的计算机网络中，一般采用五类及五类以上的双绞线 电缆【5 】。一般来说，超高速以太网络g b e t h e r n e t 的传输速度，是高速以太网络 f a s t e t h e m e t 的十倍现在一种称作c a t - 5 e ( e n h a n c e dc a t5 增强型五类双绞线、 超五类双绞线) 由四对双绞线组成的u t p 线缆可以用来运行超高速以太网络 g b e t h e m e t 。就距离而言，有效的超高速以太网络g b e t h e m e t 其通信距离通常 要大于6 0 米，现在多数厂商的产品都只能达到2 0 米，而c a t - 5 e 的距离可以达 到甚至超过1 2 0 米。 最近一个时期，很多综合布线的供应商都相继推出一些新的电缆系统，除 了上面提到的增强型五类双绞线，还有6 类电缆系统( c a t6 ) 、7 类电缆系统嗍( c a t 第二章宽带局域网用双绞线及其测试系统概述 7 ) 。6 类电缆系统是一个新级别的电缆，除了各项性能参数有较大提高之外，其 带宽扩展至2 0 0 m h z 以上。六类布线的正式测试标准已于2 0 0 2 年6 月2 0 日 正式发布，标准号为a n s i t i a e i a 5 6 8 b 。不论是超五类还是6 类双绞线其连接的 结构仍和现在广泛使用的插接模块( i u 4 5 ) 相兼容。7 类电缆系统是欧洲提出的 一种电缆标准，其计划的带宽为6 0 0 m h z ，但是其连接的结构和目前的r j 4 5 的形 式完全不兼容，它是一种屏蔽的电缆系统。 局域网电缆的技术规范至今还缺少完整的国际标准，美国电子工业协会从 1 9 8 5 年起即起草一项有关商用建筑物和工业建筑物内局域网布线的规范。1 9 9 1 年7 月公布了“e i a t i a - - 5 6 8t s b 3 6 ”商用大楼通信布线标准。表2 - l 列出了 双绞电缆不同类别和用途，表2 - 2 列出了“e i a t i a - - 5 6 8t s b 3 6 ”标准中u t p 电缆的电气特性。 表2 1 双绞电缆的不同类别和用途 相应标准 类另e i a 厂r i a 5 6 8n 眦 u l 典型用途 t s b 3 6w 0 6 3 li 类模拟或数字电话 1 4 4 m b s i s d n l _ 5 4 m b s 数字电话 2类 m m 3 2 7 0 网，i b m a s4 0 0 0 网 m ms y s t e m 3 x 网 1 a s e t 以太网 1 0 0 - 2 4 s t d4 m b s 令牌环网 33 类类 ( 标准) i b m 3 2 7 0 3 x a s 4 0 0 0 网 i s d n 1 0 0 - 2 4 - l l1 0 b a s e - t 以太网 44 类类 ( 低损)1 6 m b s 令牌环网 1 0 0 - 2 4 一烀 1 0 b a s e - t 以太网 55 类v 类1 6 m b s 令牌环网 ( 扩展频率) 1 0 0 1 v l b s 分布式数据接口 最近几年内研究开发的所谓5 类电缆( c a t e g o r y 5c a b l e ) ，最早是在美国电 子工业，谴 信工业协会( e i a h i a ) 于1 9 9 1 年1 1 月发布的补充文件t s b 一3 6 中， 对同年2 月发布的“商用建筑物通信布线标准”认可的1 0 0 0 无屏蔽双绞( u t p ) 电缆进行了分类和定义后，专指高速数据传输用u t p 电缆的一种非正式称呼【”。 由于5 类电缆常用于局域网( i a n ) 布线，所以在许多文献中以及国际市场上也 4 表2 吨e i a t i a - - 5 6 8t s b 3 6 技术器求 邀摸粪嬲 电气慨能3 类4 类5 类 2 a w g 2 2 a w 珏2 4 a w g2 2 a w g2 4 a w 毽2 刍裂稻 赢流龟黼q ( 3 0 5 m ) 2 8 6t 8 02 8 61 8 o2 8 61 8 o 巍流电腿不乎糖o o s5s55 5 凌黠工作电褰埕露嵇0 0 强蓼 2 02 01 7 1 71 71 7 线对鬻地电容不平衡 1 0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 0 1 0 0 0 垴f c o ，3 0 5 m y t 频翠 特性阻抗l 1 6 m h z q 2 蚤h 柱毪1 0 0 1 5 1 0 0 1 5 l 1 0 0 m h z 1 0 0 1 5 襄藏e 刀2 葑珏乜 5 。5 d b ( 3 0 s i n ) + 1 0 m h z 6 3 4 ，渊z & 霉 5 1 7 1 3 8 o m h z 7 8 6 5 1 8 1 0 0 m h z 1 7 1 3 2 0 l 毛掰难乜 2 6 1 92 5 2 0 o m h z 3 0 2 22 8 2 5 弹球k 4 0 2 7 3 2 3 2 5 m h 2 3 13 6 6 2 。5 0 m h 2 5 2 l 粼h z 6 7 避端串扰0 1 5 0m h z 7 4 茫b ( 3 0 5 m ) 7 嬲z 矗瘁 1 o m h z 5 4 6 86 2 4 。0 m h z 4 3 5 8 5 3 s 奄 4 l 5 6 4 8 1 0 0 m h z 3 2 4 7 4 7 1 6 删嚣z 2 3 4 24 4 2 0 o m h z 2 6 4 1 4 2 2 5 0 m h z 2 3 3 8 4 l 3 1 2 5 m 鞋z3 6 4 0 6 2 5 m h z 3 s i 秘囊鹾融 3 2 称之为局域网电缆。 t 9 9 5 攀2 是笈鑫静瓣耩疆e t a t i a - - 5 6 8 - - a 敬栈了翠先翡e i a f f i a - - 5 6 8 、 t s b - - 3 6 、t s b - - 4 0 积t s b - - 5 3 。凝橼瞧取消了第1 类、第2 类电缆，只认碟 第3 癸、第4 袭帮第5 类1 0 0 q u t p 电缆，最高鬻作颓率分剐为1 6 、2 0 和1 0 0 m h z ， 毽5 炎毫缆龅称呼熹l l 沿袭下来7 。嚣嚣在嚣舔枣堰上炙手瑟熬懿纛类u t p 电缆 第二章宽带黼域弼用双绞绞及箕测试系统概述 主要被一般办公楼字肉综合布线系统所采用，作为连接电信配线闯劐办公躐域 通债接线鑫的水乎森线。根据殿a 俄a 一5 6 8 一a 娥定，水平布线一般楚4 对1 0 0 u t p 电缆。 尽管爽正在1 0 0 m h z 频搴下运锫鳇是域溺势不多，瞧麦予诗雾樵遥售技本 日新月异，网络设计者们为了保护投搽人的测益，不得不摒弃第3 类、第4 类 宅缆，径盏采雳籀5 类遣缆，戳遥森新一代的1 0 0 m b s 戳太两、铜缆分布式数 据接口( c d d i ) 和迎接1 5 5 6 2 2 m b s 异步传输模式( 她m ) 时代。霄人预测5 类电缆将匈光缆长期共存，携手2 1 世纪。 由于双绞线魄缆毂特性鄹正作霹靠性将直接美蓉到瓣终枣线黪熬正质鳖霉曩 多媒体信息的传输。一凰线路发生故障，测络的工作效率会下降，严熏的甚至 导致鼹终瓣瘫痪，影穗燕产、囊活戆歪譬遴行。嚣毙，努据、测量双绞线静特 性参数并对阻抗不连续部位进行及时、准确的定位、诊断，就显得至关重要。文 献【8 】键出了基于二赣蜀散射模逡静一蕴简化了鑫勺等式。遮组等斌推导、简纯自 级联的散射参数矩阵，不仅糖确的描述了局域网环境中逃行惠遮数据通信鲍4 对8 根双绞线的特性，还揭示了每缀中散射参数澍串扰、回波损耗和介入损耗 的贡献。文麸 9 】建立了波捷攒模型， 三 提取裹毙特率数援爝户粳绞线瓣传攒参 数。该模型亦推爵自传输线的散射参数，同时考虑了频率的影响和趋肤效应。 淤下营走分携l qv 弹毫缆靛毫气校藐，辩予5 蹙毫鬓，最重簧静电气参数是 衰减和近端串扰。 第二章宽带局域网用双绞线及其测试系统概述 2 2 双绞线特性参数 2 2 1 特性阻抗 可把长度为，的u t p 电缆视为一个无源线性对称的四端网络 7 1 ( 图2 2 ) ， 并有 刚荔，蕊糊 ， 式中，传播常数，表示电磁波沿电缆传输时幅值衰减和相位变化的情形，并有 y = ( r + ，国l ) ( g + j o x t ) ( 2 - 2 ) 特性阻抗五为电缆回路上任意点电压波和电流波之比，并有 乙= 揖差 ( 2 _ 。) 式( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 中的服l 、反c 分别为回路的电阻、电感、电导、电容。可以 看出传播常数r 和特性阻抗z 均与电缆的一次参数爪l 、& c 有关。e i a t i a - - 5 6 8 - - a 规定5 类u t p 电缆的特性阻抗为1 0 0 + 1 5o 对于局域网布线系统来 说，传输媒介具有稳定的阻抗值是很重要的，否则连接器硬件就会和电缆失配， 从而引起信号反射，导致传输效率下降，甚至网络无法- f 作。 对于高频对称电缆，有近似表达式 乙= 挣署g 竽 浯t ， 式中，占。为等效介电常数，口为绝缘线芯外径，d 为导体直径。 图2 2 无源线性对称的四端网络 7 第二章宽带局域网用双绞线及其测试系统概述 事实上电缆的特性阻抗与导体的类型和直径，与绝缘的类型和厚度均有关 系。在某种程度上也与线对的绞合性能有关。 2 2 2 衰减 电缆的衰减常数是前面所述传播常数的实部，表示电磁能在单位长度回路上 传输时电压、电流减小的情形。可以采取增加发射信号功率的办法来增强接收信 号。但在1 0 0 m h z 的高频下，一味的提高信号发射功率，会使u t p 电缆产生电磁 辐射，干扰周围环境中的电子、电器设备的正常使用。所以为在一定长度u t p 电 缆上准确无误的发送信号，e 认m a 一5 6 8 一a 标准对衰减性能作出了严格的规 定，即有 a c f ) s2 0 5 4 f + o 0 4 3 ( f ) + o o s t 4 f( 2 - 6 ) 导体和绝缘的类型以及几何尺寸是影响u t p 电缆衰减的主要因素、护套的作用可 说是微乎其微的。对高频对称电缆有下列近似表达式： 口= 詈、兰+ 譬兰( 2 - 6 )口2 i 、z + i 、z 令c = c 0 6 ，g = 蝙占，t 9 8 带入式( 2 - 6 ) 得 d 7 v 阡- 7 、s , + 华留6 7 ) 式中岛为空气介质电容e 为相对介电常数，为角频率，t 9 8 为介质损耗因数。 由式( 2 - 7 ) 可以看出u t p 电缆的衰减与频率、介电常数、介质损耗因数成正比关 系。 2 2 3 近端串扰 u t p 电缆的串扰起因于主串对和被串对之间的电磁耦合。它与双绞线节距、 线对间距和各线对的节距比有关。同一分组( 单位) 中的线对节距应各不相同。 对s 类4 对u t p 电缆而言，各线对节距比通常为1 7 2 0 一2 5 3 0 ，或1 6 一1 8 2 0 一2 4 ，或1 0 一1 2 - - 1 4 一1 6 。 e i 刖t i a 一5 6 8 一a 标准规定对水平布线近端串扰( n e x t ) 测试采用最差线 第二章宽带局域网用敢绞线及其测试系统概述 对组合法。标准不考核5 类电缆的远端串扰( f e x t ) 性能。近端串扰( n e x t ) 的 定义为： 一钏，g = 加g ( d e ) ( 2 - s ) 式中丑。为主串对输入功率，足。为被串线缆近端输出功率，k 。为主串对输入 电压，k 。为被串线缆近端输出电压 在电缆带宽范围内对所有线对进行两两组合，以测定最差线对组合的近端 串扰( 4 对u t p 电缆总共为6 个组合) 。采用这一方法的前提是假定被串线对的 串音均来自主串线对的能量激励，而不存在其它线对的激励影响。近端串扰也 与频率有关，它会随频率的增大而减小，因此在整个频率范围内对1 0 0 m 及以上 长度的水平u t p 布线规定，任何线对组合的近端串扰不小于由下式确定的值： n e , r r ( f ) n f 3 r f ( 0 7 7 2 ) 一1 5 1 9 ( f 0 7 7 2 )( 2 - 9 ) 2 3 双绞线测试系统 为了满足实际需求，双绞线测试系统除了要能测量特性参数之外，还要能对 双绞线的阻抗不连续点进行测量。后者由于其在实际应用中的重大意义，往往是 研究的重点。文献【l o 】深入的阐述了传输线频域测量与时域测量的关系，论述了 传输线和有关器件、设备的频率测量、时域测量原理，介绍了f d r ( 频域反射仪) 、 a n a ( 自动网络分析仪) 、t d r ( 时域反射仪) 、t d a n a ( 时域自动网络分析仪) 、 o t d r ( 光时域反射仪) 、c c o t d r ( 互补相关光时域反射仪) 技术的发展源流 和近况。 在对线缆故障定位的研究中，文献 1 1 用单色正弦信号激励，采用复量分析 来获取电缆故障信息，其原理类似相位式激光测距双频系统，测试过程较复杂。 文献 1 2 将故障点电容定位法与单片机测试技术相结合，通过增加一个非电量转 换成电测量的电路。可测量出故障点的位置这个非电量。文献 1 3 针对文献 1 2 中误差产生的原因，推荐了较精确、简便的测量和计算方法。文献 1 4 以8 0 5 1 单片机组成的最小系统为核心，配以多选一开关阵列，由8 0 5 1 控制开关阵列输 入电信号，扫描其它线路，根据读取的信号确定故障性质。确定存在开路或短路 故障后，将录音机的放音磁头沿线缆移动，通过录音机接收信号来判断短路、断 9 第二章宽带局域网用双绞线及其测试系统概述 文献 1 5 中的专利给出一种能检测出多芯电缆( 包括两端有插头或无插头) 有无故障即有无短路、断路或线与线间交错现象的多芯电缆测试仪。利用普通二 极管和发光二极管的正向导通特性，以不同颜色的发光二极管发光的组合状态来 表明电缆是否良好并指示引起故障的原因。文献 1 6 中的专利电缆测试仪，包括 发送器和接收器，其特点在于发送器由六重反相器组成的二个音频振荡器发送出 方波音频信号，通过接收器两级选频放大及功放电路进行多芯电缆对线的检测， 还可以通过发送器的附加电路直接检查线对的短路、断路及极性。文献 1 7 中的 专利无屏蔽双绞线测试仪，也包括发送器和接收器两部分，发送器采用n 个单刀 双掷开关，接收器采用光电耦合器和二极管组成的8 路整流桥，突破传统通讯电 缆测试仪对电缆屏蔽层的依赖，实现了无屏蔽双绞线内部八线的任意线数( 至少 为2 线) 的任意连接方式的测试和显示。文献 1 8 中的专利电缆测试仪。包括一 个c p u ，一个显示器，一个键盘，一个测试夹具板，夹具板上安装有转接插座， 转接插座上可连接多组接插座供测试芯数不同的电缆选用。由c p u 控制，向被 测电缆一端发送电平，在另一端可接收到相应数据。比较从被测电缆读出的数据 和正确连接的电缆的数据，以得出检测结果。 此外，美国专门研究开发便携测试工具的福禄克( f l u k e ) 公司 ( w w w f l u k c c o m c n ) 针对线路测试有一系列产品，如d s p 4 0 0 0 系列能对5 类， 超5 类和6 类线缆进行认证测试和故障诊断，具有频率可达3 5 0 m h z 的高带宽测 试能力、高级的诊断功能及详尽的测试报告，d s p - 4 0 0 0 系列数字式电缆分析仪 可提供一套完整的测试、验证电缆和光缆并进行文档备案的方案。本文在综合借 鉴上述测试系统、技术、专利的基础上，提出了一个时域双绞线测试系统方案， 该系统采用数字化、时域测试技术，能够测试双绞线的衰减，近端串扰等重要参 数。同时，对存在故障的双绞线，能快捷、准确的测试出故障发生的性质和位置。 由于采用时域测量技术，使得测试设备实现小型便携化。而且，时域反射测试技 术也使单端测试成为可能。 旃三章佟晌线特性分努亍 3 传输线溉述 第三章传输线特性分析 电路中的传输线部分提出了分布参数的概念。分布参数概念是伴随着通讯 技零豹发菇纛建鼗蘧来靛。簧输线褒高速稼狰蓿譬下，纂有分布参数熬桎袋， 尽管这一概念已有百余年的历史，但人们对传输线分布参数问题的研究却从未 间断。 传输线主要用予芯片与芯片之间、电路与电蹑以及系统与系统之闽进褥能 量与信息的传递，常见的有同轴线、双绞线、微带线、带状线等。它能够有效 避将绩惠绒戆量扶一城传递劐是一蟪。健竣线静魄气性艟童援影响簧镶惠戴裴 量传递的质量，影响着离速电子信息系统的工作状况，同时也对高速集成电路 豹分轿与浚计，魄力系统懿辩态分耩鞋及电磁躲冲研究等多个领域郝兼有熏要 的惑义。 传输线在电路中的作用主臻是避行能纛与信患的传递。在囊流或者低频情 况下，传输线可 ；土看作邈篾单的金属导体，仅仅起藿电气连避瓣终雳。但是， 在现代高遮电子倍息系统中，正作信号脉冲的上升时间和宽度融达彬量级，对 应懿频谱憋廷 拳楚微波、甚至素米波波段，蹇簇谐波熬波长窝传输线戆尺寸e 处予同一摄级，脉冲信母通过电子系统时具有电磁波传输的性质，将受到一定 程凌静运赣：和交漩，严鬟辩会影晌嵩速电路系统的正常置作。貌对静连接线簸 不蒜是简单的电连通，丽应作为分布参数信号传输线处理。 电路中的信蟹所出现的延时、畸变、回波、串扰及敝射等消极现霖，称之 为传簸线效应，夯称互涟效应 1 9 1 。铡如，固3 一l 痰添熬由r l 撮乎蟹导傣瘊组成熬 多导体耦合传输线系统中，由于传输线本身的损耗，当电磁波以速度v “通常小 予纛速) 在簿线串传撵对，不仪使褥彀磁渡睡僮减，l 、，同时还会孳| 起耄磁渡鞠使 的变化，即会产擞幅值岛相位的畸变，其畸变的襁度不仅与传输线本身有关， 而鼠还与传输信麓的频率有关。电磁波在传输线中的传播时间，即输出滞霜于 输入信号的时间称为延迟时间。传输线之阆的信号具有混合( 主娶表现为f 擐感与 第三章传输线特性分析 i 卜，叫 始 终 端端 网网 络络 图3 - 1 传输线系统 电容耦合) 的作用，传输线上的信号还会受到邻近传输线的影响，这种影响称为 串扰。 除此以外，传输线的输出信号，还与传输线两端的端接负载有关。当电磁 波通过两个不同介质的晃面时会发生散射。这样，当一个非正弦的高速脉冲信 号通过传输线时，传输线的输出信号，是一畸变了的信号，它不仅在时间上产 生了延迟，而且在波形上也产生了畸变，特别在高速数字电路中，当信号的频 率大于电路开关时间的倒数时，或者当串扰及衰减过于严重时，往往会引起错 误的动作，甚至引起严重的逻辑混乱。 由于导致产生传输线效应的因素很多，且各因素之间又相互关联，相互影 响，使得分析变得非常困难。如为了减小传输线之间的串扰和传输线的延迟时 间，可采取缩短传输线长度的方法。但当传输的信号速度提高后，传输线之间 的串扰又可能加重。 目前精确地分析传输线效应非常困难，除了少数几种理想的传输线( 如无损 均匀传输线及无损均匀无畸变线) 具有解析解外，其它绝大多数传输线只有数值 解。数值解的方法归纳起来通常有两种，频域法和时域法。时域法就是直接在 时域内求解传输线电报方程；而频域法则是通过求解频域内的传输线方程，再 通过快速博立叶逆变换，或数值拉氏逆变换而获得传输线效应的时域解。这两 种方法也不是相互独立的，它们之间既有联系，又有各自的特点。如具有频变 参数和谐振元件负载的有损传输线，在频域分析较为方便，而对于非线性负载， 只能在时域内分析。因此，尽管传输线的分析方法较多，但它们大多数只是针 对某些特殊情况的特殊分析方法。目前，尚无一个通用的、能适用于任何情况 的分析方法。所以，对传输线时域响应的分析研究，仍是世界性的热点研究课 题之一。 1 2 第嚣章传输线特往分祈 3 2 传输线基本理论 绩辏线方程燕搀竣线理逢静基本方程，楚描述德羲绞上魏媳莲、滚滚豹嶷 化舰棒及其相互关系的微分方程。它可以从场的角度以某种t e m 传输线导出， 迄蜀激姨鼹麓螽襄，交分蠢参数褥弱瓣传翰线邀瓣模墅导寤。本牵采躅嚣一种 方法姆出。 3 。2 ，1 传输线的电路模型 擒簸线楚疆t e m 导模薛蠢筑簧送邀磁波麓耋蠛嫠每豹幕嚣蒙绫，獒睡熹是 其横向尺寸远小予其上的正作波长。传输线的结构形式取决于上作频率和用途， 主要露平孬鼹导线、弱鞫绫、带状线、双绞绫及王谗予港t e m 横秘徽带线等。 馋输线是几倪长度z 姆工作波长 可相比拟的长线，髓甩分豫参数电踌接 述。集总参数电路和分布参数电路酌分羿线通常以扩 来界定。当a 多口0 5 甜， 蔻分东参数系统；逛童簿窭0 5 对，必集慧参数蓉统。 人们熟憋的电路理论和传输线之间的关键不同之处就在于电尺寸。电路分 挺鬏浚一令网缮魏实际足寸远枣予王佟渡长，嚣转辍线煞长度剩霹予互俸渡彀 相比拟或为数个波长。在基础电路理论中，我们假设对施加电源的响成是瞬间 宠藏辩，蔽有考虑毫黠静实繇足寸对鹅应酌影晌。现馁设将一个灯泡塌火箭笈 射进3 0 万乎米的太空。灯泡与健于地球的电源和瑟荚之阕思无攮瓣线缆连接， 闭合搿关，灯泡不会立即发光。因为至今没有任何物质传输速度比光速快，电 蓰壤麓大致一移锋戮这灯泡，热嚣誊灯逡方耳簸菱必。在嚣关趣舍的溪惩，毫黯 中的电流大小无法确定，这个初始电流取决予连接乎灯泡和电源也间的线缆的 将瞧。霆藏，毫丞觚溺l 鞴弼送终端黎对籍( 传疆靖瀚) 是翔势簧输线懿依据。 在数学电路巾。当传播时阅大予溅等乎脉冲的过渡对阃时，导线隳被当佧传辘 线来对待。辩子逶常在遥倍系统中作为载波羽正弦淑，着传播时侗大予芷弦波 瘸瓤瓣十分乏一对，导线也要拔生捧转辕线来鬟| 待。一段传竣线楚一个分蛮参 数网络，其上的龟妪和电流的掇幅和相位都w 能变化。 繁三章传输线特性分析 慝3 - 2 传输线的电路模型 以微波王终懿簧蟪线，其妖度霹每工穆波长樱毙熬载更长，援撵邀磁场壤 论。此时传输线的导体上存在损耗电阻r 、电感厶导体也问存在着电密c 和漏 电导g 。这蓬参数虽然餐不琵，毽警颓率离时倭会呈嚣密黯戆蕊或信号传输 的影响，它们是沿线分布着的，其影响分布在传输线的每一点，故称之为分稚 参数器”。露，三，c 和g 分剐称为传输线单位长度的分布电阻、分布电感、分布电 t 阻口 o c = 苎= = = = = = = = = = = = = = = = = = + v 阻口 三i - = = = = = = = = = = = = = = = 翔啼 k 一4 暑刊岳 k 一4 z 叫 图3 - 3 线元叠：豹集总参数等效电路 4 五 容帮分布耄导。冀+ 三e 籁g 沿线筠匀分布，帮与躐离无关的抟输线称为均匀俦 输线，反之，称为非均匀传输线。本紫主要碘究前者。 在均匀传输线上取一无最小线元d = ( 4z 远小于 ) ，则此线元可视为集总 参数电路，其上有电阻震d 三、魄感三z l z 、嗽容c 4 z 、羁潺电导g 丑z ，于是褥 1 4 第三章传输线特性分析 蜀其等效电路如髑3 - 3 所示，纰即传输线的电路模型。线元等效为由集总元件 构成的，型或，裂飚终，实际的传输线剐表示戈各线元等效鼹终匏级联，热嚣 3 - 2 ( b ) 有耗线模型、( c ) 光耗线模型所示。 3 2 2 传输线方程 如图3 - 3 所搿线兀d z 的集总参数等效电路t 按照泰勒级数展开，忽略离次 项，整理稀，运掰基尔檬夫定律，可得到： 一生字纽= 骂缸- f ( 垮) 厶越垒笋 一掣垃：g ；缸v ( 掣) + q z 堡警 令z l z 一防便得到方程。 掣= 础i f f ) - - l it o i ( z , t )癌讲 掣一即_ c l ? a v ( z , t ) o t 海1 ) 化 踅馨一般传输线方程，又称魏魄攘方稷拉。l 。途对镰徽分方程串翡v 秘t 既是空闯 ( 距离z ) 的函数。又是时间，的函数，不可能求得其严格解析解，一般只能作 数鬣汁算。在散繇各种假定后，可求褥解析解。 对于分布参数震j ，o 和g l 不隧位置变化的均匀传输线常熙敷稳态情况， 式( 3 - 1 ) 可以简化。此时电压v 和电流i 可幽角频率。的复数形式表永为： 五玲；r e 妒嵇弦，“； t ( z ，t ) = r e i ( z ) d “ ( 3 - 2 ) 代入戏( 3 1 ) 可得传输方程： i d v ( z ) = 一( 墨+ _ ，屿) ，( z ) 一一z j l ( z ) 警一( g 1 + 隅) 脚) = 一职力 3 ) 式孛 z l = r l + j o 口l i ( 3 堪) k = g i + 歹& 心 ( 3 5 ) 第三章传输线特经分耩 分潮称为健输线荦位长度的串联阻抗和并联导纳。 求解( 3 - 3 ) 式，褥电压鳃： 式中 v ( z ) = a i g 一”十a 2 p ” m ) 。去( 即”刊：扩) ，= 扛耳= 扣再面丽丽丽 z o = ( 3 - 6 a ) ( 3 - 6 b ) ( 3 7 ) ( 3 _ 8 ) 式( 3 6 ) 中的常数a i 和a 2 可由传输线的端接条件确定。若已知始端的电压v o 袭惫漉l o ，解必： y ( z ) = ! 量_ = 笋# 一+ 1 7 0 - 2 l o z _ _ _ _ _ 盟o 。z ( 3 。9 搿) 地，= 警一警矿 c 3 螂， 式( 3 9 ) 说明，通常情况下，传输线上的电压和电流是由从信母源向负载传播 的入射波裁从负载自信号滚铸攘鲍反射波叠趣嚣成憋，璧蠢驻波混合分蠢。 3 。2 。3 传羧线的特性参数 在上 甄求解僚输线方程静过程牢褥捌韵面和r ，鲞按与传输线的分布参数 有关，称为传输线的特性参数路o 】。 3 2 3 1 特性阻抗磊 传输线上行波的电腿和电流之比定义为传输线的特性阻抗， 燃数为健辕线静糁性罢纳，鼹弱表示。 由通解( 3 6 ) ，得至0 特性阻抗的一般表达式为： z o = 厩器 6 用面表示；蕻 ( 3 - l o ) 第三章镩输线特性分祈 可觅特性黻抗通常是个复数，与工律频率裔关。如下两种特殊情况 与频率无关，仅由传输线本身的分东参数决定，羹为纯电阻。 a 无耗线 我辩霆j = g ，一旌裂褥： k 溉 b 。微波低耗线 此时r ， 式中口为衰减常数，夕为相位常数。r 一般是频率的复杂函数，对于无耗线u 狃 徽波低耗线情况，其表达式十分简单： 8 秃耗线 此时r i = g i = 0 , ，= - ，掰丽，因此得到： 口0 爹= o , 4 l q ( 3 。l 霹) b 微波低耗线 此时矗， 甜工，g ， 。 通常采用便于测量