以太網線纜測試一文讀懂！

引言

工業以太網是指在工業環境的自動化控制及過程控制中應用以太網的相關組件及技術。工業以太網會采用TCP/IP協議，和IEEE 802.3標準兼容，但在應用層會加入各自特有的協議。

以太網在工業程序的應用需要有實時的特性，許多以太網的相關技術可以使以太網適用在工業應用中。由于利用標準的以太網，因此提升了工廠內由不同供應商設備的互連性。為了保證競爭力并發展壯大，很多企業越來越傾向于通過先進的工業自動化來最大限度地提高工作效率、經濟規模與質量。

日益互聯的世界必將連通工廠車間。以太網的市場很大，相關組件的成本也較低、容易獲取，因此工業以太網的成本也可以下降，而性能也可以隨著以太網技術的進步而提升。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進行連接。

由于工業以太網應用在工業環境下，其對振動、溫度、濕度和電磁干擾的適應要求都可能比一般的IT產業設備工作條件更嚴苛。因此，對于同軸線纜的傳輸性能提出了更高的要求。使用鼎陽科技的四端口矢量網絡分析儀搭配工業以太網測試夾具，可以完成以太網線束的測試。

測試項目

時域測試：

●   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 簡稱NEXT)：Sdd21，Sdd12

解決方案

本節將介紹時域和頻域測量的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，例如射頻線纜和測試夾具帶來的跡線的延遲、損耗和不匹配。為了消除夾具帶來的影響，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測試端口的射頻線纜末端進行4端口全面校準。通過延時補償(Deskew)或延時損耗補償（Deskew&Loss），可消除夾具帶來的影響。

校準和夾具補償可以通過TDR軟件中的向導來完成，也可以手動測試，由于此處需要使用到矢量網絡分析儀的四個端口，為了簡化操作，推薦使用電子校準。

1.選擇DUT的拓撲結構，此時我們測試的是網線中的差分對，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.點擊ECal，等到電子校準件充分預熱后，對矢量網絡分析儀的端口進行校準，如圖2所示。

圖2 使用電子校準件進行校準

3. VNA固件的自動端口延伸功能可以消除測試夾具的影響。校準平面通過自動端口延伸移至測試夾具的末端，如圖3所示。

圖3 配置矢量網絡分析儀進行端口延伸

在進行端口延伸的時候，需要將夾具和矢量網絡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，只進行OPEN的測量。

圖4 進行自動端口延伸和Deskew的連接方式示意

這一步也可以通過TDR中的Deskew來完成，矢量網絡分析儀可以自動補償線纜和夾具的長度和損耗。Deskew和端口延伸功能的本質是一樣的，如圖5所示。

圖5 使用矢量網絡分析儀進行Deskew

4.連接DUT到測試夾具，測量DUT的長度，并用于設置時域的時間跨度，如圖6和圖7所示。

圖6 測試DUT長度

圖7 矢量網絡分析儀自動測量DUT長度

測量步驟

根據每個測試項中的連接指南將以太網測試夾具連接到測試線纜，沒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的影響。

差分特征阻抗

阻抗不匹配帶來的反射會在以太網的Rx（接收機）處產生噪聲。因此，阻抗曲線可以顯示多重反射引起的噪聲，該項測試可以確保以太網線纜的信號導體有合適的阻抗（50歐姆）

1.使用射頻線纜將矢量網絡分析儀分別連接到測試夾具。測量鏈路段1時，將矢量網絡分析儀的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-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設置Trace1為Tdd11，Trace2為Tdd22

3.Tdd11和Tdd22是同一個差分對中不同方向的差分阻抗曲線。因此，這兩個測量得到的跡線在夾具之外的部分應該是對稱的，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。將矢量網絡分析儀的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歐姆線纜的信號傳輸質量越好。

使用長度為230mm的以太網線纜測試結果如圖8所示。其中使用的DUT速度因子為0.8。

圖8 短網線T參數測量結果

由于Tdd11和Tdd22應該是對稱的，觀察Tdd22我們可以看出在Marker2處出現了和跡線和校準基準線左側相似的波形，可以判斷出此時測量到的為夾具內的差分線。

差分插入損耗

1.使用射頻線纜將矢量網絡分析儀分別連接到測試夾具。測量鏈路段1時，將矢量網絡分析儀的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-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設置Trace3 為Sdd21

3.點擊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，鼎陽科技支持極限測試，并會在極限點之間自動插值。

圖9 使用鼎陽VNA進行極限測試

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。將矢量網絡分析儀的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米的長網線，如圖10所示。

圖10 IEEE標準中對于DUT長度的解釋

注：在拓撲結構如圖11時，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.使用射頻線纜將矢量網絡分析儀分別連接到測試夾具。測量鏈路段1時，將矢量網絡分析儀的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-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設置Trace4 為Sdd11

3.點擊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。將矢量網絡分析儀的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，用于參考結果函數，這樣可以直觀的看出在哪些頻率范圍內，DUT需要進行進一步的優化。

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.使用射頻線纜將矢量網絡分析儀分別連接到測試夾具。將矢量網絡分析儀的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-。沒有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2.設置Trace6為Sdd21

3.點擊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，鼎陽科技支持極限測試，并會在極限點之間自動插值。

5.更改測量結果為Sdd12，再將測量結果和參考結果比較。

6.更改矢量網絡分析儀和夾具的連接方法，來測量遠端串擾。將矢量網絡分析儀的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參數是根據網絡對共模和差分激勵信號的響應來表征四端口網絡。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網絡中，我們通常關注四個參數，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生的模式轉換，在嘗試優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

作者丨鼎陽科技 張賀陽

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