以太网线缆测试解决方案

以下文章来源于鼎阳硬件智库，作者鼎阳产品组

引言

工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件及技术。工业以太网会采用TCP/IP协议，和IEEE 802.3标准兼容，但在应用层会加入各自特有的协议。

以太网在工业程序的应用需要有实时的特性，许多以太网的相关技术可以使以太网适用在工业应用中。由于利用标准的以太网，因此提升了工厂内由不同供应商设备的互连性。为了保证竞争力并发展壮大，很多企业越来越倾向于通过先进的工业自动化来最大限度地提高工作效率、经济规模与质量。

日益互联的世界必将连通工厂车间。以太网的市场很大，相关组件的成本也较低、容易获取，因此工业以太网的成本也可以下降，而性能也可以随着以太网技术的进步而提升。人机界面 (HMI)、可编程逻辑控制器 (PLC)、电机控制和传感器需要采用可扩展的高效方式来进行连接。

由于工业以太网应用在工业环境下，其对振动、温度、湿度和电磁干扰的适应要求都可能比一般的IT产业设备工作条件更严苛。因此，对于同轴线缆的传输性能提出了更高的要求。使用鼎阳科技的四端口矢量网络分析仪搭配工业以太网测试夹具，可以完成以太网线束的测试。

测试项目

时域测试：

差分特征阻抗Tdd11，Tdd22

频域测试：

回波损耗：Sdd11，Sdd22

插入损耗：Sdd21

近端串扰(Near-End Crosstalk 简称NEXT)：Sdd21，Sdd12

解决方案

本节将介绍时域和频域测量的TDR设置程序以及测试方案。

校准测试

校准的目的是在测量前校准射频效应，例如射频线缆和测试夹具带来的迹线的延迟、损耗和不匹配。为了消除夹具带来的影响，VNA提供了完整的校准方法（机械校准和去嵌入或TRL校准）。

使用校准件可以对VNA测试端口的射频线缆末端进行4端口全面校准。通过延时补偿(Deskew)或延时损耗补偿（Deskew&Loss），可消除夹具带来的影响。

校准和夹具补偿可以通过TDR软件中的向导来完成，也可以手动测试，由于此处需要使用到矢量网络分析仪的四个端口，为了简化操作，推荐使用电子校准。

1. 选择DUT的拓扑结构，此时我们测试的是网线中的差分对，所以选择差分两端口测试，如图1所示。

图1 选择TDR模式中的DUT Topology

2. 点击ECal，等到电子校准件充分预热后，对矢量网络分析仪的端口进行校准，如图2所示。

图2 使用电子校准件进行校准。

3. VNA固件的自动端口延伸功能可以消除测试夹具的影响。校准平面通过自动端口延伸移至测试夹具的末端，如图3所示。

图3 配置矢量网络分析仪进行端口延伸

在进行端口延伸的时候，需要将夹具和矢量网络分析仪以下图的方式连接，并且DUT不连接在测试夹具上，如图4所示，在端口延伸时，只进行OPEN的测量。

图4 进行自动端口延伸和Deskew的连接方式示意

这一步也可以通过TDR中的Deskew来完成，矢量网络分析仪可以自动补偿线缆和夹具的长度和损耗。Deskew和端口延伸功能的本质是一样的，如图5所示。

图5 使用矢量网络分析仪进行Deskew

4. 连接DUT到测试夹具，测量DUT的长度，并用于设置时域的时间跨度，如图6和图7所示。

图6 测试DUT长度

图7 矢量网络分析仪自动测量DUT长度

测量步骤

根据每个测试项中的连接指南将以太网测试夹具连接到测试线缆，没有使用到的端口需要连接到50欧姆端接，从而减少信号反射对测试带来的影响。

差分特征阻抗

阻抗不匹配带来的反射会在以太网的Rx（接收机）处产生噪声。因此，阻抗曲线可以显示多重反射引起的噪声，该项测试可以确保以太网线缆的信号导体有合适的阻抗（50欧姆）

使用射频线缆将矢量网络分析仪分别连接到测试夹具。测量链路段1时，将矢量网络分析仪的Port1，Port2连接到测试夹具1的DA+和DA-，将Port3和Port4连接到测试夹具2的DA+和DA-。没有使用的端口使用50欧姆端接连接。

设置Trace1为Tdd11，Trace2为Tdd22

Tdd11和Tdd22是同一个差分对中不同方向的差分阻抗曲线。因此，这两个测量得到的迹线在夹具之外的部分应该是对称的，其余测量对也是如此。

用射频电缆将 VNA 端口（端口 1 至 4）连接到测试夹具端口，以测量链路段2的差分特性阻抗。将矢量网络分析仪的Port1，Port2连接到测试夹具1的DB+和DC-，将Port3和Port4连接到测试夹具2的DB+和DC-。没有使用的端口使用50欧姆端接连接。

重复操作2、3

在此项测试中，标准规定的差分特性阻抗为100欧姆。测试结果越接近100欧姆线缆的信号传输质量越好。

使用长度为230mm的以太网线缆测试结果如图8所示。其中使用的DUT速度因子为0.8。

图8 短网线T参数测量结果

由于Tdd11和Tdd22应该是对称的，观察Tdd22我们可以看出在Marker2处出现了和迹线和校准基准线左侧相似的波形，可以判断出此时测量到的为夹具内的差分线。

差分插入损耗

1. 使用射频线缆将矢量网络分析仪分别连接到测试夹具。测量链路段1时，将矢量网络分析仪的Port1，Port2连接到测试夹具1的DA+和DA-，将Port3和Port4连接到测试夹具2的DA+和DA-。没有使用的端口使用50欧姆端接连接。

2. 设置Trace3 为Sdd21

3. 点击Trigger>Single

4. 将测试结果和参考结果比较，测量到的值应该比限制值更小。

参考结果：

极限如图9所示，鼎阳科技支持极限测试，并会在极限点之间自动插值。

图9 使用鼎阳VNA进行极限测试

5. 用射频电缆将 VNA 端口（端口 1 至 4）连接到测试夹具端口，以测量链路段2的插入损耗。将矢量网络分析仪的Port1，Port2连接到测试夹具1的DB+和DC-，将Port3和Port4连接到测试夹具2的DB+和DC-。没有使用的端口使用50欧姆端接连接。

6. 重复操作2、3、4

值得注意的是，在此处参考结果的插入损耗的DUT标准规定的是100米的长网线，如图10所示。

图10 IEEE标准中对于DUT长度的解释

注：在拓扑结构如图11时，Sdd21计算方法为Sdd21=（S31-S32-S41+S42）/2

图11 端口拓扑结构

差分回波损耗

1. 使用射频线缆将矢量网络分析仪分别连接到测试夹具。测量链路段1时，将矢量网络分析仪的Port1，Port2连接到测试夹具1的DA+和DA-，将Port3和Port4连接到测试夹具2的DA+和DA-。没有使用的端口使用50欧姆端接连接。

2. 设置Trace4 为Sdd11

3. 点击Trigger>Single

4. 将测试结果和参考结果比较，测量到的值应该比限制值更小。

参考结果：在1MHz到20MHz的范围内小于-15dB；

在20MHz到100MHz范围内小于-(15-10log10(f/20 MHz)) dB；

5. 用射频电缆将 VNA 端口（端口 1 至 4）连接到测试夹具端口，以测量链路段2的插入损耗。将矢量网络分析仪的Port1，Port2连接到测试夹具1的DB+和DC-，将Port3和Port4连接到测试夹具2的DB+和DC-。没有使用的端口使用50欧姆端接连接。

6. 重复操作2、3、4

图12 差分回波损耗测量结果

测得的结果如图12所示。其中为了更好的判断结果是否符合标准，我们每隔20MHz设置了极限点，用于参考结果函数，这样可以直观的看出在哪些频率范围内，DUT需要进行进一步的优化。

差分近端串扰

IEEE标准中规定了两对链路段之间的差分对近端串扰 (NEXT)

1. 使用射频线缆将矢量网络分析仪分别连接到测试夹具。将矢量网络分析仪的Port1，Port2连接到测试夹具1的DB+和DC-，将Port3和Port4连接到测试夹具1的DA+和DA-。没有使用的端口使用50欧姆端接连接。

2. 设置Trace6为Sdd21

3. 点击Trigger>Single

4. 将测试结果和参考结果比较，测量到的值应该比限制值更小。

参考结果：在1MHz~100MHz的范围内小于27.1-16.8log10（f/100）(dB)

极限测试的方法如图 4‑9所示，鼎阳科技支持极限测试，并会在极限点之间自动插值。

5. 更改测量结果为Sdd12，再将测量结果和参考结果比较。

6. 更改矢量网络分析仪和夹具的连接方法，来测量远端串扰。将矢量网络分析仪的Port1，Port2连接到测试夹具2的DB+和DC-，将Port3和Port4连接到测试夹具2的DA+和DA-。没有使用的端口使用50欧姆端接连接。

7. 重复步骤2，3，4，5。

测试结果物理意义

四端口混合模式S参数是根据网络对共模和差分激励信号的响应来表征四端口网络。其中常用的是Sxyab的表示法，S代表了S参数，x为响应模式（差分/共模），y为激励模式（差分/共模），a为响应端口，b为激励端口。

在绝大多数高速差分互联网络中，我们通常关注四个参数，分别是差分回波损耗（Sdd11）、输入差分插入损耗（Sdd21）、输出差分回波损耗（Sdd22）、输出差分插入损耗（Sdd12），他们表征了被测设备的差分激励和差分响应特性。差分信号处理的好处很多，可以降低电磁干扰的敏感性，减少平衡差分电路的电磁辐射，可以将差分失真转化为共模信号，抑制共模电源和接地噪声。

在其他的一致性测试中（例如100BASE-T1），我们会使用到共模到差分转换Sdcab和差分到共模转换Scdab，他们完全表征了被测器件中发生的模式转换，在尝试优化高速信号传输电路和某些EMI要求较高的设计中，模式转换非常有用。

配置清单

作者丨鼎阳科技 张贺阳

深圳市鼎阳科技股份有限公司（简称“鼎阳科技”，股票代码：688112）是国家重点“小巨人”企业，是全球极少数具有数字示波器、信号发生器、频谱分析仪和矢量网络分析仪四大通用电子测试测量仪器主力产品研发、生产和销售能力的通用电子测试测量仪器企业，同时也是国内极少数同时拥有这四大主力产品并且四大主力产品全线进入高端领域的企业。公司总部位于深圳，在美国克利夫兰、德国奥格斯堡和日本东京成立了子公司，在成都成立了分公司，在北京、上海、西安、武汉、南京设立了办事处，产品及服务远销全球80多个国家及地区。

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