（检测技术与自动化装置专业论文）信息模块的设计研究及计算机仿真.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 信息模块的设计研究及计算机仿真 摘要 现今互联网用户对于视频和音频信息需求的提高客观上促进了 以太网的传输速率迅速提高，高频效应( 回波损耗，串扰等) 在整个 传输链路上已经体现的非常明显。信息模块作为以太网中使用的连接 器，极大地影响整个链路的性能。 本文着重对以太网传输频率最高的六类和七类信息模块进行设 计研究，主要从阻抗匹配、串扰消除、接触区设计等方面分析和阐述 其技术要点和设计方法。在阻抗匹配方面，着重进行差分走线的设计 和布局；在串扰消除方面，分别对信息模块处容性串扰、感性串扰、 外部串扰的产生和消除方法进行研究；在接触区设计方面，优化和改 进普遍应用的结构，增大接触压力；同时对不同种类水晶头的兼容性 进行考虑，最后融合几个方面的要点完成设计。 在设计过程中选择计算机电磁仿真软件，并建立仿真模型辅助设 计和进行验证：按照国际标准的规定选择测试仪器，并按照其实验测 试方法对样品信息模块进行测试，验证设计方法的可行性。 关键词：以太网连接器信息模块计算机辅助设计 北京邮电大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dco m p u t e rs i m u l a t i o n f o rm o d u l a rj a c k a b s t r a c t n o w a d a y st h ei m p r o v i n gn e e d so fi n t e r n e tu s e r sf o rt h ev i d e oa n d a u d i oi n f o r m a t i o np r o m o t et h ee t h e r n e tt r a n s m i s s i o nr a t er a p i d l yr i s i n g ， h i g h f r e q u e n c ye f f e c t ( r e t u r nl o s s ，c r o s s t a l k ，e t c ) t h r o u g h o u t t h e t r a n s m i s s i o nl i n kh a sb e e nr e f l e c t e do b v i o u s l y a st h ec o n n e c t o ru s i n gi n e t h e m e t ，m o d u l a rj a c kg r e a t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r el i n k t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ed e s i g no fc a t - 6a n dc a t - 7m o d u l a rj a c k w h i c hi su s e di nt h e h i g h e s tf r e q u e n c y t r a n s m i s s i o no fe t h e m e t ， a n a l y z i n ga n de l a b o r a t i n gt h et e c h n i c a le l e m e n t sa n dd e s i g nm e t h o d s ， m a i n l yf r o mt h ei m p e d a n c em a t c h i n g ，c r o s s t a l ke l i m i n a t i o na n dt h e c o n t a c ta r e ad e s i g n i ti si nt h er e s p e c to fi m p e d a n c em a t c h i n gt h a t f o c u s e do nt h ed e s i g na n dl a y o u to fd i f f e r e n t i a la l i g n m e n t ；i ti si nt h e r e s p e c to fc r o s s t a l ke l i m i n a t i o nt h a tr e s e a r c h e di n t ot h eg e n e r a t i o na n d e l i m i n a t i o no fc a p a c i t i v ec r o s s t a l k ，i n d u c t i v ec r o s s t a l k ，a l i e nc r o s s t a l ki n m o d u l a rj a c k ；i ti si nt h er e s p e c to ft h ec o n t a c ta r e ad e s i g nt h a to p t i m i z e d a n di m p r o v e dt h es t r u c t u r eo fg e n e r a la p p l i c a t i o nt oi n c r e a s et h ec o n t a c t p r e s s u r e ；a tt h es a m et i m e ，t h ec o m p a t i b i l i t yo fd i f f e r e n tt y p e so fp l u g si s c o n s i d e r e d ，t h e ni n t e g r a t i n gt h em a i np o i n t so fs e v e r a la s p e c t st o c o m p l e t et h ed e s i g n d u r i n g t h e d e s i g np r o c e s s ，i t i s c h o o s i n g t h e c o m p u t e r e l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea n ds e t t i n gu ps i m u l a t i o nm o d e lt o v e r i f yt h ec o n c l u s i o n ；i na c c o r d a n c ew i t hi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ，i ti s c h o o s i n gt h et e s ta p p a r a t u sa n dt e s t i n go fs a m p l em o d u l a rj a c kt ov e r i f y t 北京邮电人学硕士学位论文 t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g ni ni t se x p e r i m e n t a lt e s t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：e t h e r n e tc o n n e c t o rm o d u l a rj a c k c o m p u t e r a i d e d d e s i g n n 北京邮电人学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：倒是切睬 日期：瑚明弓j 弓 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 磔猕 姥铒 广d 弓 ? 支 听 邸 观 训 期 期 日 日 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电接触理论与连接器概述 电接触是- i 7 研究电子可靠性连接的科学【。“电接触简单地说，就是通 过机械接触或其它连接方式以达到顺利的电气连通，是用来描述两个组件因带电 接触而产生的一种状态。电接触理论是与电连接器、开关、继电器等产品有关的 - i i 基础研究理论，在电子、通信、计算机、自动控制、汽车、电力系统方面有 广泛应用。电接触的形式多种多样，包括静止连接( 如压接、焊接、栓接、绕接) ； 滑动连接( 如高速火车上的连接、发电机、电动机、滑动开关、电位器中的连接) ； 开关连接( 如继电器、断路器中的连接) 。这些连接部分安装在元件中，完成一 定的机械动作及电气连接，就成为机电元件，通常包括连接器、继电器、键盘、 电位器、开关、接线端子、以及电刷集流环系统等，每一个接触点都是维系电 子元件之间、电路之间、设备或系统之间的大、小枢纽。由于连接器数量浩大， 保证可靠的电子连接便成为一个极其困难的课题【2 1 1 3 1 。 连接器作为典型的电接触应用，使电路内被阻断处或孤立不通的电路建立了 沟通，从而使电流流通，使电路实现预定的功能。在通信及电子系统中，存在大 量的连接器，任何一个出现故障都会影响系统的可靠运行。研究表明，连接器故 障是数字通信系统中高误码率的主要原因，实际上连接器发生故障相当于在电路 系统中加入一个多边的网络，从而造成误码，这种误码大多无法用电路方法来消 除【4 l 。 连接器的出现简化电子产品的装配过程，使其能批量生产；连接器可使电子 元部件失效时便于拆卸更换，技术进步时便于更新；连接器使系统在设计时有更 大的灵活性。随着通信和电子技术的快速发展，对连接器的要求会越来越高，对 电接触理论及连接器的设计技术将越来越重视。 北京邮电大学硕上学位论文 1 2 铜缆布线发展现状及课题研究意义 连接器是信号传输的桥梁，而信息模块是在综合布线系统中大量使用的连接 器，本节将介绍综合布线系统的发展和组成，以及信息模块在系统中的作用及课 题的研究意义。 1 3 1 综合布线技术概述 综合布线技术的兴起与发展，以计算机技术和通信技术发展为基础。理想的 布线系统表现为：支持语音应用、数据传输、影像影视，而且最终能支持综合型 的应用【5 l 。由于综合型的语音和数据传输的网络布线系统选用的线材、传输介质 是多样的( 屏蔽、非屏蔽双绞线、光缆等) ，可根据实际需要选择布线结构和线 材。 布线系统依照传输特性可由数据传输速率和频率带宽来表征，数据传输速率 单位m b p s ，衡量单位时间内线路传输的二进制位的数量；频率带宽单位m h z ， 衡量单位时问内线路中电信号的震荡次数。据此可将布线系统划分为以下几类： 一类c a t - 1 ：频率带宽是7 5 0 k h z ，用于报警系统，或只适用于语音系统。 二类c a t - 2 ：频率带宽是1 m h z ，主要用于语音系统。 三类c a t - 3 ：频率带宽1 6 m h z ，最高传输速率为1 0 m b p s ，在a n s i 和 e i a t i a 5 6 8 标准中指定的，主要应用于语音、1 0 m b p s 的以太网和4 m b p 令牌环，最大网段长为1 0 0 m ，采用r j 4 5 形式的连接器，目前已淡出市场。 四类c a t - 4 ：频率带宽为2 0 m h z ，最高数据传输速率为2 0 m b p s ，主要应 用于语音、1 0 m b p s 的以太网和1 6 m b p s 令牌环，最大网段长为1 0 0 m ，采 用r j 形式的连接器，未被广泛采用。 五类c a t - 5 ：频率带宽为1 0 0 m h z ，最高传输速率为1 0 0 m b p s ，主要应用 于语音、1 0 0 m b p s 的快速以太网，最大网段长为1 0 0 m ，采用r j 4 5 形式的 连接器。 超五类c a t - 5 e ：为五类增强产品，频率带宽为1 5 5 m h z ，4 x q 双绞线全用 时最高传输速率可达1 0 0 0 m b p s 。 六类a 珏6 ：频率带宽为2 5 0 m h z ，目i j 正逐步进入市场取代超五类成 为千兆以太网的主流产品。六类改善了在串扰以及回波损耗方面的性能， 2 北京邮电大学硕士学位论文 取消了基本链路模型，布线标准采用星形的拓扑结构，要求的布线距离 为：永久链路的长度不能超过9 0 m ，信道长度不能超过1 0 0 m 。 七类c a t - 7 ：频率带宽为6 0 0 m h z ，目前未被大规模使用，应用于万兆以 太网，代表了布线系统的发展方向。 目前市场主流产品为五类，超五类。 1 3 2 铜缆布线硬件组成 综合布线是一种模块化的、灵活性极高的建筑物内或建筑群之间的信息传输 通道，由不同系统和规格的部件组成，包括传输介质、相关连接硬件( 如配线架、 连接器) 以及电气保护设备等。这些部件可用来构件各种子系统，都有各自的具 体用途，不仅易于实施，而且能随需求的变化而平稳升级。 在计算机之间连网时，首先遇到的是传输介质问题。目前，计算机通信分为 有线通信和无线通信两种。有线通信是利用电缆或光缆或电话线来充当传输导体 的，主要有铜缆和光纤两大类，铜缆又可分为同轴电缆和双绞电缆两种。网络通 信线路的选择必须考虑网络的性能、价格、使用规则、安装难易性、可扩展性及 其他一些因素。目前，在通信线路上使用的主要传输介质为双绞线。 双绞线( t w i s t e dp a i r ，t p ) 是一种综合布线工程中最常用的传输介质。双绞 线是由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相 绞在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另 一根线上发出的电波抵消。双绞线一般由两根为2 2 号或2 4 号或2 6 号绝缘铜导线相 互缠绕而成。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。 与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受 一定限制，但价格较为低廉。 目前，双绞线可分为非屏蔽双绞线( u n s h i e l d e d t w i s t e dp a i r ，u t p ，也称无 屏蔽双绞线) 和屏蔽双绞线( s h i e l d e d t w i s t e dp a i r ，s t p ) ，屏蔽双绞线电缆的外 层由铝泊包裹，价格相对要高一些。 配线架也是布线系统中重要的部件之一，配线架是电缆或光缆进行端接和连 接的装置，在配线架上可进行互连或交接操作。建筑群配线架是端接建筑群干线 电缆、光缆的连接装置。建筑物配线架是端接建筑物干线电缆、干线光缆并可连 接建筑群干线电缆、干线光缆的连接装置。楼层配线架、水平电缆、水平光缆与 3 北京邮电大学硕士学位论文 其他布线子系统或设备相连接的装置。 一些厂家的产品中，模块与配线架进行了更科学的配置，这些配线架实际上 由一个可装配各类模块的空板和模块组成，用户可以根据实际应用和模块类型和 数量来安装相应模块，在这种情况下，模块也成为配线架的一个组成部分。这里 总结一下模块的应用场合：端接到不同的面板、安装到表面安装盒和其他组件、 安装到模块化配线架中1 6 i 。 布线系统连接器是由插头和插座组成。这两种元件组成的连接器连接于导线 之间，以实现导线的电气连续性。i u 4 5 模块就是连接器中的最重要的一种插座。 l u 是r e g i s t e r e dj a c k 的缩写，在f c c ( 美国联邦通信委员会标准和规章) 中 的定义，其来源于贝尔系统的u s o c ( u n i v e r s a ls e r v i c eo r d e r i n gc o d e s ，通用服 务分类代码) 代码。u s o c 是一系列已注册的插孔及其接线方式，是由贝尔系统 开发的，用于将用户的设备连接到公共网络。l u 是描述公用电信网络的接口， 常用的有r j l l 和l u 4 5 ，计算机网络的l u 4 5 是标准8 位模块化接口的俗称。在 以往的四类、五类、超五类，包括刚刚出台的六类布线中，采用的都是i u 型接 口。在七类布线系统中，将允许“非r j 型的接口。 网络通信领域常见的有4 种基本砌模块插座，每一种基本的插座可以连接 不同构造的r j 。例如，一个6 芯插座可以连接r i l l ( 1 对) 、r j l 4 ( 2 对) 或r 1 2 5 c ( 3 对) ；一个8 芯插座可以连接r 1 6 1 c ( 4 对) 和r 1 4 8 c 。8 芯( k e y e d ) 可连 接r 1 4 5 s 、r j 4 6 s 和r j 4 7 s 。l u 4 5 插座与4 5 连接头( 水晶头) 是综合布线系 统中的基本连接器。 r 1 4 5 模块的核心是模块化插孔。镀金的导线或插座孔可维持与模块化插头弹 片间稳定而可靠的电连接。由于弹片与插孔间的磨擦作用，电接触随插头的插入 而得到进一步加强。插孔主体设计采用了整体锁定机制，这样当模块化插头( 如 r j 4 5 插头) 插入时，插头和插孔的界面处可产生最大的拉拨强度。r j 4 5 模块上 的接线块通过线槽来连接双绞线，锁定弹片可以在面板等信息出口装置上固定 i u 4 5 模块i 7 1 。 常见的非屏蔽模块高2 c m 、宽2 c m 、厚3 c m ，塑料抗高压、阻燃、u l 额定 热熔9 4 v - 0 ，可卡接到任何m 系列模式化面板、支架或表面安装盒中，并可在标 准面板上以9 0 。( 垂直) 或4 5 。斜角安装，特殊的工艺设计提供至少7 5 0 次重 复插拨，模块使用了t 5 8 6 a 和t 5 8 6 b 布线通用标签，它还带有一个白色的扁平 线插入盖。这类模块通常需要打线工具，即带有1 1 0 型刀片的9 1 4 工具打接线缆。 4 北京邮电大学硕士学位论文 这种非屏蔽模块也是国内综合布线系统中应用得最多的一种模块，无论从三类、 五类还是超五类、六类，它的外形都保持了相当的一致。 在一些新型的设计中，多媒体应用的模块接口与标准的数据语音模块接口没 有太大的区别，这种趋于统一模块化的设计方向带来的好处是各模块使用同样大 小的空间及安装配件。 不同厂家的r j 4 5 模块均有独到的设计。对于连接器的物理结构，6 类和超5 类有内在的差别，而外观上是很难分辨的。和5 类、超5 类相似，典型的6 类 连接器为8 个引脚的结构，但这是为了设计上和5 类、超5 类系统的向前兼容 性而考虑的。 1 3 3 信息模块的重要性及课题意义 信息数据模块的作用是在布线系统和跳线之间提供可靠连接，并在2 0 年内 ( 或更长) 内保证电气特性的稳定。 尽管连接器很重要，但布线行业对于模块、连接头等连接器产品的重视程度 不如线缆。可以说在整个布线系统元件中，连接器虽小却是结构最复杂的硬件。 应用者普遍对系统的性能余量、线缆的性能余量标准比较了解，却很少知道模块 等连接器也必须达到相应的标准，对于信息模块的设计方法更知之甚少。 而实际上，以太网采用8 条似对线进行差动传输，即一对双绞线传输相位相 差1 8 0 度的信号。双绞线中双绞形式使得线对之间和对外界电磁场的抗干扰性能 有了很大的提高，而在信息模块处，线对的双绞被打开，8 条线成平行状态，使 得抗干扰性能大大降低，不仅4 个线对相互之问发生串扰，外部干扰也很容易进 入链路；而且连接器改变了链路本身的传输特性，造成信号衰减等一系列问题。 由此易见，信息模块成为了整个链路最薄弱的环节，其性能是整个链路性能的瓶 颈。从设计角度来说，厂商应给予足够的重视。 5 北京邮电大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作及内容安排 为解决信息模块在高频信号传输下所产生的一系列问题，本课题将通过对实 际应用中的信息模块的设计和系统分析，提出改善其性能的方法，并通过计算机 仿真验证其可行性，综合分析设计的方法设计信息模块，最后按照要求最严格的 七类标准使用测试仪器对其进行测试，验证其设计思路和方法能成功应用于厂家 的研发过程，从而推动信息模块设计技术的进一步改进。 本课题以目前市场上性能最优越的六类信息模块作为入手点，从阻抗匹配和 串扰抑制两个方面入手进行六类模块设计，并给出了具体的分析和设计过程，应 用计算机仿真及实验对设计方法进行验证；然后在此基础上设计尚未大规模投放 市场的七类信息模块，在阻抗匹配与串扰抑制两方面进行进一步的优化，同时对 接触区、兼容性等方面进行改进，给出了具体的分析和设计方法，应用计算机仿 真及实验对设计方法进行验证，最后按照七类标准进行测试验证。 论文结构如下： 第一章为绪论，介绍电接触理论与电连接器研究现状、综合布线系统的发展 状况及分类、铜缆稚线系统的硬件组成等。 第二章为基础分析，选择本课题研究的计算机电磁仿真工具，分析与以太网 链路性能相关参数并总结了对信息模块有关部分的测试方法，同时选择实验测试 仪器。 第三章为阶段设计与验证，对六类模块进行设计分析，并给出了具体的分析 和设计过程，应用计算机仿真及实验对设计方法进行验证。 第四章为综合设计与验证，对七类模块进行设计分析，给出了具体的分析和 设计方法，应用计算机仿真及实验对设计方法进行验证。 第五章为总结和展望，总结课题研究成果，给出信息模块进一步研究和改进 的方向，提出了二项式定理在信息模块设计中的应用方法并进行论证。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第二章信息模块设计及测试方法 为节约成本，高速以太网信息模块的设计过程中使用电磁仿真软件来进行方 案设计，并在确定方案之后进行实际样品制作，以及进行实验验证。本章将对电 磁仿真软件以及实验方法和测试参数进行介绍。 2 1 高频连接器开发方法 五类以上信息模块属于高频连接器，而高频连接器整体开发技术包括机械设 计、高频特性分析与高频特性测量三大部分。机械设计时需进一步考虑连接器结 构电磁干扰问题、连接器端子设计与机械性能相关测试：高频分析时需了解电子 基本元件如电阻、电容、电感等相关高频电气特性与相应阻抗匹配、串扰的生成 和消除、电磁干扰消除的基本理论，再利用相关高频分析软件进行连接器电气特 性的模拟与确保分析结果的准确度；高频特性测量必须先了解基本的测量理论如 测量误差的来源与抑制、测量仪器的特性与选用，以及测量莳仪器的校准与相关 基本原理。 连接器开发流程包括连接器各元件的设计、元件间的整合、建立连接器的原 型进而测试原型连接器以确定连接器是否能满足标准规范，如果通过测试则可开 始生产制造；若连接器无法通过测试，则必须详加探讨连接器失效的原因，并重 新设计连接器，再次制造连接器原型的制造与测试。通过计算机辅助设计软件进 行连接器产品开发，将花费较多时间在设计与模拟分析之上，但相较于传统开发 流程，可缩短开发时间，更可节省开发成本，故近来开始被国内外知名公司所采 用。综合归纳利用计算机辅助设计软件开发产品的优点如下： 1 ) 可虚拟产品原型 2 ) 降低实体原型的制作成本与时间 3 ) 缩短设计时间和上市时间 4 ) 易于变更设计与验证 5 ) 可进行非破坏测试 6 ) 可有较佳的设计与产品 7 北京邮电大学硕士学位论文 7 ) 可让非专家更易参与设计与分析 2 2 电磁仿真软件的选用和简介 电磁波以频率段进行划分可分为高频( 3 - 3 0 m h z ) 、甚高频( 3 0 - 3 0 0 m h z ) 、 超高频( 3 3 0 g h z ) 【8 】，其中甚高频与超高频属微波，信息模块的工作带宽从五 类的1 0 0 m h z 、六类的2 5 0 m h z 到目前七类的6 0 0 m h z ，已进入微波频段；在其 实际设计过程中，国外知名公司已开始使用微波e d a 软件进行辅助设计。目前， 国外各种商业化的微波e d a 软件工具不断涌现，如a g i l e n t 公司的a d s 软件、 a n s o f t 公司的h f s s 、d e s i g n e r 软件等等，其所应用的数值算法都建立在m a x w e l l 方程组之上。在频域，数值算法有有限元法、矩量法、差分法、边界元法、传输 线法；在时域，数值算法有时域有限差分法、有限积分法1 9 1 。本课题根据需要选 取了德国c s t 公司的高频三维电磁场仿真软件套装c s t s t u d i os u i t e2 0 0 6 ，其广 泛应用于移动通信、信号集成和电磁兼容等领域。 该软件包包含了高频仿真器c s tm w s ( 即c s t 微波工作室) ，图形工具模 块c s td e s i g ns t u d i ot m ( c s td s ) ，低频仿真器c s te ms t u d i ot m ( c s t e m s ) ，以及最新的c s tp a r t i c l es t u d i ot m ( c s tp s ) ，用于电磁场中带电粒 子的稳定的3 d 运动仿真l l o l 。 其中作为主体的c s tm w s 专用于微波无源器件及天线设计与分析，特别适 合于用来快速有效地设计和分析以下器件：天线、滤波器、传输线、耦合器、连 接器( 单芯和多芯) 、印刷电路板、谐振器等等。其实体建模前端基于著名的a c i s 建模内核，结构输入过程简便，拥有完善的图形化反馈，简化了对各种器件的定 义，所有器件建模完成后会自动进行一个基于专家系统的全自动网格刨分，然后 可正式仿真。由于c s tm w s 基于一种通用的三维算法，即有限积分法，所以它 事实上能够处理几乎所有的电磁场仿真阀题。其仿真器自带理想边界拟合技术和 薄片技术，与其他系统得仿真器相比，在精度上有很大的提高。目前尚无一种算 法能在所有的应用领域中都能做到最好，所以该软件内涵四种不同的求解器( 瞬 态求解器、频域求解器、本征模求解器、模式分析求解器) ，可根据应用场合在 各自最适合的应用领域内使用。 在本课题的研究中主要应用在r j 4 5 连接器仿真方面有独到建树的c s t m w s 进行信息模块以及r j 4 5 水晶头的三维建模，其自动优化器可根据输入参 数和优化目标对信息模块结构参数进行改进；应用c s td s 与c s tm w s 的接口 8 n 京m 自 学硬# * 文 梅三维模型放到c s td s 中进行二维仿真对p c b 上的微波集总元件进行设计。 实践证明该方法大大提高了信息模块的设计效率。 23 以太网链路的性能参数分析 以太网链路性能是所有综合布线产品性能的综合，包括信息模块在内的所有 产品所发挥的作用都在链路中体现出来。在布线工程中作为最后测试和验收的对 象，链路决定一个工程的成败；作为了解信息模块设计在链路中的作用，本节将 对以太网链路性能及测试参数加以介绍。 1 接线图( w i r em a p ) 接线图测试是用来检验在每个末端的线对进行安装连通性错误检查，包括端 端连通性开路、短路、反接、跨接、线芯交叉串绕等1 1 ”由于水晶头处与连接器 处的线序成镜面对称关系，故选用在水晶头处的插针号如图2 - 1 所示。 图2 1 水晶击插针号 由水晶头插针号可以唯一确定各线在连接器处的位置。目前在信息模块中有 两种线序标准可供选择分别为t 5 6 8 a 和t 5 6 8 b 。般柬说，同一个综台布线 系统_ 能选择其中一个标准作为整个系统的统一标准否则在同一个系统中混和 两种标准会使每条线对的传输阻抗茇生变化而导致信号传输衰减加大，本课题中 文字描述上采用相对应用比较广的t 5 6 8 b 标准。表2 - 1 给出了这两种线序标准 1 1 4 。 ：| 萨 j 匕嘲电学硕十学位论立 表2 - 1 ”6 8 a 与t 5 6 8 b 线序标准 t 5 6 队线序t 5 6 8 b 线序 l 插针号 线对号 颜色 抽针呼线对号颜色 q ! = r 棒 a - #a 函播 q ! ! ! = ? 自腺 a 监a - 监 蹙型自胜q ! ! n 蓝 s 嚆固瞳橙 母绿 l ， q ! ! ! ! j 白褐田! ! ! 自褐 s a 褐a 揭 2 长度( l e n 舢j 长度有物理长度与电气长度二种。所定义基本链路通道的物理长度足两个 端点之口j 的电缆物理长度总和。通过测量电缆物理长确定。电气长度出信号传输 延迟导出并依绞合的螺旋线( 结构) 和介质材料而定。基本链路的物理长度是 9 4 m 。通道的最大物理长度是1 0 0 m ( 含快速边线与快速连线) 。 一般以太网的数据传输h 使用取绞线的线1 、2 和线3 、6 ，测量取绞线长度 时，通常采用t d r ( 时域反射计) 测试技术：测试仪从电缆一端发出一个脉冲 波，在脉冲波行进时，如果碰到阻抗的变化直u 开路、短路或不正常接线时，就 会将部分或全部的脉冲能量反射回测试仪。依据来回脉冲波的延迟时间及已知的 信号在电缆传播的n v p ( 额定传播速率) ，测试仪就町以计算出脉冲波接收端到 该脉冲返回点的长度。 n v p ( 额定传播速率) ：n v p 足指电信号在该电缆中传输的速率与光在真空 中的传输速率的比值。 n v p = 2 0 岍oc )式( 21 ) 其中：l 为电缆k 度，t 为信号在传送端l j 接收端时问羊，c 为光在真空中传播速度 该值随不同线缆类型而异。通常n v p 范围为6 0 9 0 ，即n v p = r o6 09 1 c 。测量长度的准确性就取决于n v i 值，因此在正式测量前用一个已知长度 ( 必须在1 5 m 以上) 的电缆来校正测试仪的n v p 值，测试样线愈长，测试结果 愈精确。由于每条电缆的线对之间的绞距不同，所以在测试时，采用延迟时间最 短的线对作为参考标准来校正电缆测试仪。典型的非屏蔽双绞线的n v p 值从 北京邮电大学硕士学位论文 6 2 7 2 之间。 3 衰减( a t t e n u a t i o n ) 传输所造成的信号损耗( 以d b 表示) ，当信号在电缆中传输时，由于其所遇 到的电阻而导致传输信号的减小，信号沿电缆传输损失的能量称为衰减。衰减是 一种插入损耗，当考虑一条通信链路的总插入损耗时，布线链路中所有的布线部 件都对链路的总衰减值有贡献。一条链路的总插入损耗是电缆和布线部件的衰减 的总和。衰减量由下述各部分构成( 1 5 j 。 1 ) 布线电缆对信号的衰减； 2 ) 构成通道链路方式的1 0 m 跳线或构成基本链路方式的4 m 设备接线对信 号的衰减量； 3 l 每个连接器对信号的衰减量； 造成信号衰减的主要原因有电缆材料的电气特性和结构，不恰当的端接，阻 抗不匹配的反射等。过量衰减会造成电缆链路传输数据不可靠。 i i 嚣譬褥 接竣罐 i 图2 - 2 信号衰减示意图 4 近端串扰( n e x t ) 与综合近端串扰( p s 旧) 当信号在一条通道中某线对传输时，由于平衡电缆互容和互感的存在，同时 会在相邻线对中感应一部分信号，这种现象称为串扰。串扰分为近端串扰( n e a r e n dc r o s s t a l k ，麟) 和远端串扰( f a re n dc r o s s t a l k ，f e x t ) 两种。 近端串扰是指处于线缆一侧的某发送线对的信号对同侧的其他相邻( 接收) 线对通过电磁感应所造成的信号耦合。近端串扰与线缆类别、端接工艺和频率有 关，双绞线的两条导线绞合在一起后，因为相位相差1 8 0 。而抵消相互间的信号干 扰，绞距越紧抵消效果越好，也就越能支持较高的数据传输速率。在端接施工时， 为减少串扰，打开绞接的长度不能超过1 3 m m 。 近端串扰是用近端串扰损耗值( d b ) 来度量的，近端串扰损耗定义为导致 该串扰的发送信号值与被测线对上发送信号的近端串扰值之差值。被测线对的被 串扰的程度越小越好，某线对受到越小的串扰意味着该线对外界串扰具有越大的 损耗能力，也就是导致该串扰的发送线对的信号在被测线对上的测量值越小( 表 n “电 学碰i j 学位m 女 示串扰损耗越大1 ，因而不直接定义串扰，而定义成串扰损耗的原因所在。故测 量的近端串扰值越大，表示受到的串扰越小，测量的近端串扰值越小，表示受到 的串扰越大。 近端串扰损耗的测量应包括每个线缆通道两端的设备接插软线和工作区 电缆在内，近端串扰并不表示在近端点所产生的串扰只表示在近端所测量到的 值，测量值会随电缆的长度不同而变化，电缆越眭，近端串扰值越小实践证明 在4 0 r e 内测得的近端串扰值是真实的，并且近端串扰损耗应分别从通道的两端 进行测量，现在的测试仪都有能在一端同时进行两端的近端串扰的测量功能。 近端串扰类似噪声干扰，引入的信号可能足够大从而破坏原来的信号或错误 地被识别为信号，造成站点间歇地锁死或者网络的连接完全失败。 近端远端 图2 - 3 近端串扰示意图 综合近端串扰( p o w e r s a n n e x t ，p s n e x t ) 是- - 对发送信号的线对对被测线 对在近端的串扰，实际上，在4 对型般绞线电缆中若其它三对线对都发送信号 时都会对被测线对产生的串扰。因此4 对型电缆中3 个发送信号的线对向另一 相邻接收线对产生的总串扰就称为综合近端串扰。 综合近端串扰值是双绞线布线系统中的一个新的测试指标，只有c a t - 5 e 类 和c a t - 6 类电缆中才要求测试p s n e x t ，这种测试在用多个线对传送信号的 1 0 0 b a s e - t 4 和1 0 0 0 b a s e t 等高速以太网中非常重要。因为电缆中多个传送信 号的线对把更多的能量耦台到接收线对，在测量中综合近端串扰值要低r 同种电 缆线对日j 的近端串扰值，比如1 0 0 m h z 时，5 c 类通道模型下的综合近端串扰最 小极限值为2 7l d b ，而近端串扰最小极限值为3 0 1 d b 。 ， 呻：。 卜。 几儿 几 | 匕京邮电大学顿= l _ 学位论文 工作站通讯出口电缆配线架h u b 霾芰 o 3 3 o - _ 一 囤2 - 4 综合近端串扼示意图 5 衰减串扰比( a c r ) 通信链路在信号传输时，衰减和串扰都会存在，串扰反映电缆系统内的噪声， 衰减反映线对本身的传输质量，这两种性能参数的混合效应( 信噪比) 可以反映 出电缆链路的实际传输质量，用衰减与串扰比柬表示这种混合效应，衰减与串扰 比定义为：被测线对受相邻发送线对串扰的近端串扰损耗值与本线对传输信号衰 减值的差值( 单位为d b ) ，即：衰减串扰比a c r = 近端串扰衰减q b ) 。 6远端串扰( f e x t ) 与等效远端串扰( e l f e x t ) 与n e x t 定义相类似，远端串扰是信号从近端发出，而在链路的另一侧( 远 端) ，发送信号的线对向其同侧其他相邻f 接收线对通过电磁感应耦台而造成的 串扰。与n e x t 一样定义为串扰损耗。因为信号的强度与它所产生的串扰及信 号的衰减有关，所以电缆长度对测量到的f e x t 值影响很大，f e x t 并不是一种 根有效的测试指标在测量中是用e l f e x t 值的铡量代替f e x t 值的测量。 等效远端串扰是指某线对上远端串扰损耗与该线路传输信号的衰减差。也称 为远端a c r 。减去衰减后的f e x t 也称作同电位远端串扰，它比较真实地反映 在远端的串扰值。定义为：e l f e x t ( d b ) = f e x r o b ) - a ( d b x a 为受串扰接收线对 的传输衰减1 。 7 传输时延( p r o p a g a t i o n d e l a y ) 与延迟偏离( d e l a y s k e w ) 传输延迟是信号在电缆线对中传输时所需要的时删。传输延迟随着电缆长度 的增加而增加，测量标准是指信号在1 0 0 m 电缆上的传输时间，单位是纳秒( n s ) ， 它是衡量信号在电缆中传输快慢的物理量。 延迟偏离是指同一u t p 电缆中传输速度最快的线对和传输速度最慢线对的 传输延迟差值它以同一缆线中信号传播延迟最小的线对的时延值作为参考，其 余线对与参考线对都有时延差值。屉大的时延差值即是电缆的延迟偏离。 北京邮电大学硕：t 学位论文 8 回波损耗( r e t u r nl o s s ) 回波损耗是线缆与接插件构成布线链路阻抗不匹配导致的一部分能量反射。 当端接阻抗( 部件阻抗) 与电缆的特性阻抗不一致偏离标准值时，在通信链路上 就会导致阻抗不匹配。阻抗的不连续性引起链路偏移，电信号到达链路偏移区时， 必须消耗掉一部分来克服链路偏移，这样会导致两个后果，一个是信号损耗，另 一个是少部分能量会被反射回发送端。被反射到发送端的能量会形成噪声，导致 信号失真，降低了通信链路的传输性能 图2 - 5 回波损耗示意图 9 平衡传输特性( t c l 与l c n ，) 众所周知，双绞线是使其信号能平衡传输。平衡传输即是双绞线上产生能量 相同而极性相反的电磁场，从而使双绞线不产生辐射。平衡传输使两条导线的噪 声相当极性相反，使接入接收器端口的噪声信号相互抵消，系统的平衡特性越好， 辐射越小，抗干扰能力越强，因此平衡法通常被视为改善e m c 性能的一种节省 成本的办法可见使用双绞方式和减小绞距能提高双绞线传输信号的频率。 横向转换损耗( t c l ) 与纵向转换传输损耗( i ，叩) 是有关双绞线平衡的 两个基本点参数。横向转换损耗描述横向( 差模) 输入信号由于布线失衡而向纵 向( 共模) 信号转换，例如：如果差模信号为+ - 5 0 0 m v ( 峰一峰电压为1 v ) 并 且有1 0 m v 转换为共模信号，那么t c l 为2 0 l o g ( 1 0 ( 5 0 0 + 5 0 0 ) ) = 4 0 d b 。t c l 说明设备的电磁辐射特性。纵向转换传输损耗描述纵向( 共模) 输入信号向横向 ( 差模) 输出信号的转换。例如：如果电缆线对感应l o o m y 共模噪声信号，并 且在双绞线输出测量到1 0 0 m v ( “5 m v ) 差模噪声信号，那么，l c t l 为2 0 l o g ( 1 0 1 0 0 0 ) = 4 0 d b 。l c t l 说明布线系统对外部干扰的相对抵抗能力。 1 0 直流电阻( d cr e s i s t a n c e ) 与传输阻抗( t r a n s f e ri m p e d a n c e ) 直流电阻是指一对双绞线电阻的和，它会消耗一部分信号能量，并将其转变 1 4 北京邮电大学硬学位论文 成热量。i s o f l e c1 1 8 0 1 规格的双绞线的直流电阻不得太于1 92 0 。每对间的差 异小于01 0 咀保证信号的可靠传输。 与环路的直流电阻不同，传输阻抗包括电阻及频率为1 1 0 0 m p , z 的感抗及容 抗，它与一对电线之间的距离及绝缘体的电气性能有关。每种电缆都有不同的特 性阻抗，双绞线电缆有1 d 0 0 、1 2 0 0 投1 5 0 0 几种。 1 1 外部串扰( a i i e nc r o s s l a 皿) 同一管道或线槽中的不同线缆之间的串扰称为外部串扰，在u 1 甲中尤为明 显。七类链路中加入了对外部串扰的测试的要求，但是在现场中并不进行外部串 扰测试。无论是永久链路还是通道，都只是测试一根线缆4 组线对间的传输参 数。图2 1 0 左图表示一根线缆被另外6 根线缆包围时相互的串扰影响，箭头指 向的中心线缆的蓝色线对受到的其他线缆的蓝色线对对其的串扰影响，右图表示 受到外部串扰影响的线缆中棕色线对受到的干扰。 图2 - 6 外部串扰形成示意凰 帽邻线缆中绞结率相同的线对问的耦台是晶大的。相邻线缆中绞结率不同的 线对问的耦台要小得多如图2 - 6 左图所示一根线缆的_ 。组线对受到的环绕其的 其他线缆的串扰影响；然而在一捆线缆中，其他线缆包围某嘏线缆的位簧在其全 长度范田内不是固定不变的。当一根线缆不是被相同的几根线缆包围时，线缆间 的串扰会小很多。 2 4 信息模块的测试参数及仪器 为保证以太网链路的整体性能使得部分参数对信息模块也提出了要求，本节 将根据i e c6 0 6 0 3 - 7 - 5 f f l ( c a t - 6 ) 以及i e c6 0 6 0 3 7 7 ( 1 2 l ( c a t - 7 ) 标准对信息模 块性能参数及测试方法加以介绍，以指导随后实验验证本课题样品信息模块性 能。 1 衰减与回波损耗测试 衰减与回波串扰测试框图如图2 7 所示，被测设备为同类r j 4 5 水晶头与信 息模块1 1 3 1 。 图2 7 信息模块衰减与回波串扰测试框图 网络分析仪将同一线对组成的双端口网络的4 个s 参数计算出来，并通过连 接的绘图仪或打印机将结果输出。 实验设备选择a g i l e n th p8 7 5 3 e 矢量网络分析仪，其带有固态转换的集成化 s 参数测试装置，测量频段为3 0 k h z 至6 g h z ，动态范围l l o d b ，充分覆盖以太 网硬件测试范围。附件选择m c o m 混合接头，可将路信号分割为两路相 位相差1 8 0 度的信号，用于差动传输测试。 2 近端串扰测试 近端串扰测试框图如图2 8 所示，被测设备为同类l u 4 5 水晶头与信息模块。 1 6 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 8 信息模块近端串扰测试框图 网络分析仪将对所有线对的差模和共模的近端串扰进行测试，并通过连接的 绘图仪或打印机将结果输出。p sn e x t 的测试结果可从n e x t 的测试结果中计 算出来。 实验设备选择同1 。 3 远端串扰测试 远端串扰测试