工業(yè)以太網(wǎng)線束的TDR測(cè)試方案

       工業(yè)以太網(wǎng)是指在工業(yè)環(huán)境的自動(dòng)化控制及過(guò)程控制中應(yīng)用以太網(wǎng)的相關(guān)組件及技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)會(huì)采用TCP/IP協(xié)議，和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容，但在應(yīng)用層會(huì)加入各自協(xié)議。

       以太網(wǎng)在工業(yè)程序的應(yīng)用需要有實(shí)時(shí)的特性，許多以太網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)可以使以太網(wǎng)適用在工業(yè)應(yīng)用中。由于利用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，因此提升了工廠內(nèi)由不同供應(yīng)商設(shè)備的互連性。為了保證競(jìng)爭(zhēng)力并發(fā)展壯大，很多企業(yè)越來(lái)越傾向于通過(guò)先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化來(lái)MAX限度地提高工作效率、經(jīng)濟(jì)規(guī)模與質(zhì)量。

       日益互聯(lián)的世界必將連通工廠車(chē)間。以太網(wǎng)的市場(chǎng)很大，相關(guān)組件的成本也較低、容易獲取，因此工業(yè)以太網(wǎng)的成本也可以下降，而性能也可以隨著以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步而提升。人機(jī)界面 (HMI)、可編程邏輯控制器 (PLC)、電機(jī)控制和傳感器需要采用可擴(kuò)展的高效方式來(lái)進(jìn)行連接。

       由于工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境下，其對(duì)振動(dòng)、溫度、濕度和電磁干擾的適應(yīng)要求都可能比一般的IT產(chǎn)業(yè)設(shè)備工作條件更嚴(yán)苛。因此，對(duì)于同軸線纜的傳輸性能提出了更高的要求。使用鼎陽(yáng)科技的四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭配工業(yè)以太網(wǎng)測(cè)試夾具，可以完成以太網(wǎng)線束的測(cè)試。

一、測(cè)試項(xiàng)目

1、時(shí)域測(cè)試：差分特征阻抗Tdd11，Tdd22

2、頻域測(cè)試：

（1）回波損耗：Sdd11，Sdd22

（2）插入損耗：Sdd21

（3）近端串?dāng)_(Near-End Crosstalk 簡(jiǎn)稱NEXT)：Sdd21，Sdd12

二、工業(yè)以太網(wǎng)線束的測(cè)試方案

       本節(jié)將介紹時(shí)域和頻域測(cè)量的TDR設(shè)置程序以及測(cè)試方案。

（一）校準(zhǔn)測(cè)試

          校準(zhǔn)的目的是在測(cè)量前校準(zhǔn)射頻效應(yīng)，例如射頻線纜和測(cè)試夾具帶來(lái)的跡線的延遲、損耗和不匹配。為了消除夾具帶來(lái)的影響，VNA提供了完整的校準(zhǔn)方法（機(jī)械校準(zhǔn)和去嵌入或TRL校準(zhǔn)）。

         使用校準(zhǔn)件可以對(duì)VNA測(cè)試端口的射頻線纜末端進(jìn)行4端口全面校準(zhǔn)。通過(guò)延時(shí)補(bǔ)償(Deskew)或延時(shí)損耗補(bǔ)償（Deskew&Loss），可消除夾具帶來(lái)的影響。

         校準(zhǔn)和夾具補(bǔ)償可以通過(guò)TDR軟件中的向?qū)?lái)完成，也可以手動(dòng)測(cè)試，由于此處需要使用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的四個(gè)端口，為了簡(jiǎn)化操作，推薦使用電子校準(zhǔn)。

（1）選擇DUT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時(shí)我們測(cè)試的是網(wǎng)線中的差分對(duì)，所以選擇差分兩端口測(cè)試，如圖1所示。

圖1 選擇TDR模式中的DUT Topology

（2）點(diǎn)擊ECal，等到電子校準(zhǔn)件充分預(yù)熱后，對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖2所示。

圖2 使用電子校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)。

（3）VNA固件的自動(dòng)端口延伸功能可以消除測(cè)試夾具的影響。校準(zhǔn)平面通過(guò)自動(dòng)端口延伸移至測(cè)試夾具的末端，如圖3所示。

圖3 配置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行端口延伸

       在進(jìn)行端口延伸的時(shí)候，需要將夾具和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以下圖的方式連接，并且DUT不連接在測(cè)試夾具上，如圖4所示，在端口延伸時(shí)，只進(jìn)行OPEN的測(cè)量。

圖4 進(jìn)行自動(dòng)端口延伸和Deskew的連接方式示意

       這一步也可以通過(guò)TDR中的Deskew來(lái)完成，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以自動(dòng)補(bǔ)償線纜和夾具的長(zhǎng)度和損耗。Deskew和端口延伸功能的本質(zhì)是一樣的，如圖5所示。

圖5 使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行Deskew

（4）連接DUT到測(cè)試夾具，測(cè)量DUT的長(zhǎng)度，并用于設(shè)置時(shí)域的時(shí)間跨度，如圖6和圖7所示。

圖6 測(cè)試DUT長(zhǎng)度

圖7 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自動(dòng)測(cè)量DUT長(zhǎng)度

（二）測(cè)量步驟

          根據(jù)每個(gè)測(cè)試項(xiàng)中的連接指南將以太網(wǎng)測(cè)試夾具連接到測(cè)試線纜，沒(méi)有使用到的端口需要連接到50歐姆端接，從而減少信號(hào)反射對(duì)測(cè)試帶來(lái)的影響。

（1）差分特征阻抗

        阻抗不匹配帶來(lái)的反射會(huì)在以太網(wǎng)的Rx（接收機(jī)）處產(chǎn)生噪聲。因此，阻抗曲線可以顯示多重反射引起的噪聲，該項(xiàng)測(cè)試可以確保以太網(wǎng)線纜的信號(hào)導(dǎo)體有合適的阻抗（50歐姆）

1、使用射頻線纜將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別連接到測(cè)試夾具。測(cè)量鏈路段1時(shí)，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DA+和DA-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DA+和DA-。沒(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2、設(shè)置Trace1為T(mén)dd11，Trace2為T(mén)dd22

3、Tdd11和Tdd22是同一個(gè)差分對(duì)中不同方向的差分阻抗曲線。因此，這兩個(gè)測(cè)量得到的跡線在夾具之外的部分應(yīng)該是對(duì)稱的，其余測(cè)量對(duì)也是如此。

4、用射頻電纜將 VNA 端口（端口 1 至 4）連接到測(cè)試夾具端口，以測(cè)量鏈路段2的差分特性阻抗。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DB+和DC-。沒(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

5、重復(fù)操作2、3

     在此項(xiàng)測(cè)試中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的差分特性阻抗為100歐姆。測(cè)試結(jié)果越接近100歐姆線纜的信號(hào)傳輸質(zhì)量越好。

     使用長(zhǎng)度為230mm的以太網(wǎng)線纜測(cè)試結(jié)果如圖8所示。其中使用的DUT速度因子為0.8。

圖8 短網(wǎng)線T參數(shù)測(cè)量結(jié)果

      由于Tdd11和Tdd22應(yīng)該是對(duì)稱的，觀察Tdd22我們可以看出在Marker2處出現(xiàn)了和跡線和校準(zhǔn)基準(zhǔn)線左側(cè)相似的波形，可以判斷出此時(shí)測(cè)量到的為夾具內(nèi)的差分線。

（2）差分插入損耗

1、使用射頻線纜將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別連接到測(cè)試夾具。測(cè)量鏈路段1時(shí)，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DA+和DA-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DA+和DA-。沒(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2、設(shè)置Trace3 為Sdd21

3、點(diǎn)擊Trigger>Single

4、將測(cè)試結(jié)果和參考結(jié)果比較，測(cè)量到的值應(yīng)該比限制值更小。

     參考結(jié)果：

     極限如圖9所示，鼎陽(yáng)科技支持極限測(cè)試，并會(huì)在極限點(diǎn)之間自動(dòng)插值。

圖9 使用鼎陽(yáng)VNA進(jìn)行極限測(cè)試

5、用射頻電纜將 VNA 端口（端口 1 至 4）連接到測(cè)試夾具端口，以測(cè)量鏈路段2的插入損耗。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DB+和DC-。沒(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

6、重復(fù)操作2、3、4

     值得注意的是，在此處參考結(jié)果的插入損耗的DUT標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是100米的長(zhǎng)網(wǎng)線，如圖10所示。

圖10 IEEE標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于DUT長(zhǎng)度的解釋

注：在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11時(shí)，Sdd21計(jì)算方法為Sdd21=（S31-S32-S41+S42）/2

圖11 端口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（3）差分回波損耗

1、使用射頻線纜將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別連接到測(cè)試夾具。測(cè)量鏈路段1時(shí)，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DA+和DA-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DA+和DA-。沒(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2、設(shè)置Trace4 為Sdd11

3、點(diǎn)擊Trigger>Single

4、將測(cè)試結(jié)果和參考結(jié)果比較，測(cè)量到的值應(yīng)該比限制值更小。

     參考結(jié)果：在1MHz到20MHz的范圍內(nèi)小于-15dB；

     在20MHz到100MHz范圍內(nèi)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(cè)試夾具端口，以測(cè)量鏈路段2的插入損耗。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DB+和DC-。沒(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

6、重復(fù)操作2、3、4

圖12 差分回波損耗測(cè)量結(jié)果

       測(cè)得的結(jié)果如圖12所示。其中為了更好的判斷結(jié)果是否符合標(biāo)準(zhǔn)，我們每隔20MHz設(shè)置了極限點(diǎn)，用于參考結(jié)果函數(shù)，這樣可以直觀的看出在哪些頻率范圍內(nèi)，DUT需要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

（4）差分近端串?dāng)_

1、使用射頻線纜將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別連接到測(cè)試夾具。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具1的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具1的DA+和DA-。沒(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

2、設(shè)置Trace6為Sdd21

3、點(diǎn)擊Trigger>Single

4、將測(cè)試結(jié)果和參考結(jié)果比較，測(cè)量到的值應(yīng)該比限制值更小。

     參考結(jié)果：在1MHz~100MHz的范圍內(nèi)小于27.1-16.8log10（f/100）(dB)

     極限測(cè)試的方法如圖 4?9所示，鼎陽(yáng)科技支持極限測(cè)試，并會(huì)在極限點(diǎn)之間自動(dòng)插值。

5、更改測(cè)量結(jié)果為Sdd12，再將測(cè)量結(jié)果和參考結(jié)果比較。

6、更改矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和夾具的連接方法，來(lái)測(cè)量遠(yuǎn)端串?dāng)_。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1，Port2連接到測(cè)試夾具2的DB+和DC-，將Port3和Port4連接到測(cè)試夾具2的DA+和DA-。沒(méi)有使用的端口使用50歐姆端接連接。

7、重復(fù)步驟2，3，4，5。

三、測(cè)試結(jié)果物理意義

      四端口混合模式S參數(shù)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)共模和差分激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表征四端口網(wǎng)絡(luò)。其中常用的是Sxyab的表示法，S代表了S參數(shù)，x為響應(yīng)模式（差分/共模），y為激勵(lì)模式（差分/共模），a為響應(yīng)端口，b為激勵(lì)端口。

       在絕大多數(shù)高速差分互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，我們通常關(guān)注四個(gè)參數(shù)，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(cè)設(shè)備的差分激勵(lì)和差分響應(yīng)特性。差分信號(hào)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(zhuǎn)化為共模信號(hào)，抑制共模電源和接地噪聲。

       在其他的一致性測(cè)試中（例如100BASE-T1），我們會(huì)使用到共模到差分轉(zhuǎn)換Sdcab和差分到共模轉(zhuǎn)換Scdab，他們表征了被測(cè)器件中發(fā)生的模式轉(zhuǎn)換，在嘗試優(yōu)化高速信號(hào)傳輸電路和某些EMI要求較高的設(shè)計(jì)中，模式轉(zhuǎn)換非常有用。

四、配套設(shè)備

（1）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：4端口測(cè)試儀器，頻率范圍至少為4.5GHz

（2）TDR選件：增強(qiáng)時(shí)域分析選件

（3）校準(zhǔn)件：四端口電子校準(zhǔn)件

（4）測(cè)試夾具：以太網(wǎng)一致性測(cè)試夾具

（5）射頻線纜