專利名稱：局域網(wǎng)測試器的接插線長度測量的制作方法
相關(guān)專利申請的交叉引用本申請要求2002年12月12日提交的美國臨時申請No.60/432，858和2002年12月12日提交的美國申請No.10/317,555的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
局域網(wǎng)(LAN)電纜線路(cabling)被用于連接例如個人計算機、打印機和傳真機之類的使用高速數(shù)字信號在它們之間傳遞信息的設(shè)備。這種類型的高性能電纜線路有時被稱為電信電纜。因為辦公室有很多計算機、計算機文件服務(wù)器、打印機和傳真機，所以LAN電纜線路將所有這些設(shè)備互連成通信網(wǎng)絡(luò)。LAN電纜線路已經(jīng)被設(shè)計來支持網(wǎng)絡(luò)的所有單個單元之間的電信。
圖1以簡化圖示出了LAN電纜線路的實例。圖1示出了LAN電纜線路是如何被用于將位于某人辦公桌的個人計算機1連接到電信室中的文件服務(wù)器2的，其中LAN電纜線路的大部分都布在建筑物的墻壁內(nèi)。墻壁內(nèi)電纜3的最大長度不能超過90米。墻壁插孔連接器4被用于將來自計算機和文件服務(wù)器的接線5連接到LAN電纜線路。
電纜線路電纜線路是術(shù)語LAN電纜線路中的重要詞匯，這是因為電纜線路包括設(shè)置在LAN電纜上的連接器4和電纜3本身。因此，LAN電纜線路的性能取決于連接器和電纜。
安裝技術(shù)人員將LAN電纜線路安裝作為新建筑的一部分或者作為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中LAN性能升級的一部分。在任何一種情況下，技術(shù)人員將LAN電纜3拉過墻壁，然后將連接插孔4安裝到電纜端部。然后，插孔被按扣到墻壁插孔安裝板中，安裝結(jié)束。
但是，技術(shù)人員然后需要用校準的測試設(shè)備來測試每一個LAN電纜線路走線或鏈路。這種測試向總承包者證明從信號完整性的角度看電纜線路走線已經(jīng)被正確安裝。手持LAN測試器被用來進行這些測試。測試器用一系列不同信號類型驅(qū)動電纜線路，并且根據(jù)所接收信號的測量，確定電纜線路是否能夠以規(guī)定的數(shù)據(jù)速率支持電信信號。
LAN測試器記錄每一次測試的結(jié)果，然后在以后的時間打印出說明鏈路通過或沒通過的測試文檔。對于通過的鏈路，技術(shù)人員會得到報酬。如果有沒通過的鏈路，技術(shù)人員必須再次測試，并且通常替換掉被錯誤或不恰當(dāng)安裝的連接器。技術(shù)人員一直對鏈路進行測試和修復(fù)，直到所有鏈路都通過。
LAN測試器LAN測試器是相當(dāng)復(fù)雜的手持測試系統(tǒng)，在TIA6類電纜線路的情況下，LAN測試器可以通過覆蓋1到250MHz頻率范圍的一系列測試來測試LAN鏈路。圖2示出了典型的LAN測試器6，測試適配器電路板7連接到LAN測試器。測試適配器電路板包括測試插孔連接器8。該測試適配器的目的是提供LAN測試器與待測試LAN鏈路之間的連接接口。
測試插孔8允許LAN測試器6通過接插線9連接到LAN鏈路，如圖3和圖4所示。接插線的典型長度是2米，或者約6英尺。該長度允許技術(shù)人員在測試走線期間方便地將LAN測試器連接到墻壁插孔4。
標(biāo)準技術(shù)人員參照電信行業(yè)標(biāo)準來測試他們安裝的鏈路。在美國，標(biāo)準由TIA或電信行業(yè)協(xié)會指定。在歐洲，標(biāo)準來自ISO，即國際標(biāo)準組織。當(dāng)測試鏈路時，技術(shù)人員選擇正在測試哪種類型的鏈路以及相應(yīng)的一套測量限制，所述限制可以來自TIA或ISO。
對鏈路進行測試，并且將測量結(jié)果與來自指定標(biāo)準的限制進行比較。如果沒有超出限制，那么鏈路通過。如果超出，那么鏈路沒通過，技術(shù)人員必須按規(guī)定研究沒通過的鏈路直到它通過。通常這意味著將連接器重新安裝到電纜端部。
標(biāo)準鏈路定義圖5示出了簡化形式的標(biāo)準永久鏈路，其中90米的LAN電纜，其布在結(jié)構(gòu)墻壁內(nèi)或者天花板上。附接到電纜線路端部的墻壁插孔被用來將鏈路與電信室中的設(shè)備連接在一起，以及將鏈路連接到辦公室局域網(wǎng)內(nèi)的單個設(shè)備例如計算機或打印機。TIA和ISO制定90米的長度為永久鏈路的最大長度。
鏈路測試圖6圖示了LAN測試器是如何檢查鏈路性能的。當(dāng)測試鏈路(行業(yè)內(nèi)公知的“診斷(shooting)”鏈路的過程)時，需要兩個LAN測試器，如所示的。技術(shù)人員在鏈路的一端鏈接顯示端LAN測試器6A，在鏈路另一端連接遠程端LAN測試器6B。因為顯示端LAN測試器具有用于顯示測量測試結(jié)果的顯示屏，所以技術(shù)人員從顯示端診斷鏈路，從那里控制測試并觀看測試結(jié)果。
在測試期間，首先一個單元向鏈路一端施加測試信號，兩個單元同時測量結(jié)果。然后角色互換，在鏈路的相反端進行信號施加和信號測量。當(dāng)測試結(jié)束時，遠程單元將其數(shù)據(jù)測量文件發(fā)送到顯示單元，用于在顯示單元內(nèi)的最終處理和存儲。對測量數(shù)據(jù)集應(yīng)用由所選標(biāo)準規(guī)定的對每一個測試的限制，來確定鏈路通過或沒通過驗證測試。
標(biāo)準鏈路TIA和ISO兩者都定義了兩種類型的LAN鏈路，信道鏈路和永久鏈路。每一種鏈路在下面示出并討論。
信道鏈路信道鏈路包括LAN鏈路和接插線，如圖7所示，但是不包括到信道測試適配器板7A的連接。信道鏈路測量通道包括墻壁內(nèi)的鏈路3、墻壁處的配對連接器對(mated connector pair)和接插線，并被認為代表最終完成的電信鏈路的性能，其還使用接插線來將個人計算機和文件服務(wù)器彼此連接。因為在該通道中有更長的電纜線路長度，所以對信道鏈路的測試限制不像對永久鏈路的那些限制那么嚴格。
永久鏈路永久鏈路包括鏈路3以及在墻壁插孔處的配對連接器對，但是它不包括接插線，如圖8所示。它也不包括到永久鏈路測試適配器板7B的連接。永久鏈路測試只評價墻壁內(nèi)的電纜、墻壁處的連接器插孔、插入到插孔中的插頭以及附接到每一個插頭的2厘米的電纜。永久鏈路測試基本上只代表墻壁內(nèi)的鏈路電纜線路的性能。因此，永久鏈路測試限制是最難通過的測量限制。
結(jié)果，技術(shù)人員經(jīng)常被告知他們的鏈路沒有通過永久鏈路測試，要將LAN測試器限制改變?yōu)樾诺梨溌废拗?，并重新測試。如果信道測試通過了，那么鏈路就可以認為在這些條件下通過了。
現(xiàn)在將考慮當(dāng)技術(shù)人員對他們安裝的局域網(wǎng)(LAN)電纜線路進行測試以符合適合的TIA或ISO測量限制時，他們所面臨的測試問題。技術(shù)人員將用永久或信道鏈路測量限制來驗證所安裝的鏈路。假定技術(shù)人員已經(jīng)在LAN驗證測試之前對現(xiàn)場的測試設(shè)備進行校準的必要步驟，以確保最大的LAN測試器測量精度。
永久鏈路測試問題1.永久鏈路適配器構(gòu)造注意現(xiàn)有技術(shù)中的永久鏈路測試適配器7B，如圖8所示。記住，永久鏈路包括墻壁中的電纜和墻壁插孔處的配對連接器對，但是它不包括大部分接插線。永久鏈路適配器(PLA)典型地如下制造將接插線切成兩半，然后將切斷的接插線端部的每一個焊接到永久鏈路測試適配器外殼內(nèi)的印刷電路板(PCB)。這些PCB被設(shè)計成幾乎不引起信號完整性問題，使得他們的影響被忽略。
2.永久鏈路測試壽命永久鏈路適配器具有有限的測試壽命，這是由于接插線進入PLA外殼時的機械撓曲(flexing)。當(dāng)接插線已經(jīng)撓曲到超過其最大撓度(flexure)時，它就需要被替換掉。當(dāng)這發(fā)生時，整個PLA都必須被替換。此外，為了最大的測試精度，兩個PLA，在顯示端的一個和在遠程端的一個，都應(yīng)該被替換。
3.專用PLALAN測試器經(jīng)常使用專用PLA用于每一個被測試的永久鏈路。這是因為接插線的電路和傳輸線特性可能是整個PLA測量結(jié)果的重要部分。安裝技術(shù)人員需要知道他或她正在測試什么鏈路，誰做的電纜線路，以及要使用的優(yōu)選PLA類型是什么。
4.匹配的PLA組通常，技術(shù)人員將使用與由廠商提供的在鏈路中使用的電纜類型匹配的一組PLA。如果使用來自廠商X的電纜線路，(即，電纜加上連接器)制造鏈路，那么將使用由廠商X接插線制成的PLA用于驗證測試。
5.PLA成本PLA對安裝者來說可能是非常貴的項目，一般一組兩個要400美元或更多。如果LAN電纜線路安裝測試公司有幾個安裝者，每一個需要幾種不同的廠商特定的PLA組，那么該費用項目可能會相當(dāng)昂貴。成本來自專用印刷電路板，其在塑料外殼內(nèi)用于形成PLA的結(jié)構(gòu)，并連接到LAN測試器。
6.PLA串?dāng)_此外，當(dāng)LAN驗證移到高于250MHz的頻率時，作為測量系統(tǒng)一部分的PLA的性能變得更加重要。隨著頻率的增加，所測量的PLA連接電路板內(nèi)導(dǎo)體對之間的串?dāng)_或隔離缺乏成為一個很嚴重的問題。當(dāng)隔離下降到超過一定水平時，LAN測試器不能測量電纜線路對與對之間的隔離，因為它不能越過其自身PLA產(chǎn)生的串?dāng)_來“看”。
本發(fā)明提供了該問題的解決方法。解決方法是在測試適配器板上使用具有已證明的隔離特性的連接器，然后通過具有連接器的接插線連接到該測試適配器板，該接插線的連接器配合到適配器板上的連接器。
7.PLA基準面校準與永久鏈路適配器有關(guān)的最后一個問題是測量基準面位置。永久鏈路校準的目的是使所有永久鏈路測量都相對于沿接插線的已知點。具體而言，永久鏈路測量基準面被計算為將該點設(shè)定在接插線端部，距離墻壁插孔2厘米。通過該校準，來自接插線的所有影響都被從永久鏈路測量中除去了。用于在該點定義和設(shè)定基準面的校準過程可以包括取一組原始的永久鏈路校準數(shù)據(jù)，最后使其相對于該期望的基準面。
信道鏈路測試問題1.信道鏈路適配器注意在圖7中示出的信道鏈路測試適配器7A。記住，信道鏈路包括鏈路(即，墻壁中的電纜和墻壁插孔處的配對連接器對)和接插線，但是它不包括在信道測試適配器板處的插孔或插頭。信道鏈路適配器(CLA)通過在安裝于CLA外殼內(nèi)的印刷電路板上設(shè)置具有適當(dāng)隔離的直角連接器來制造。直角連接器被選擇用來在與用于信道鏈路驗證的接插線配合時提供重要的對與對的隔離。
2.CLA測試壽命與永久鏈路測試適配器相比，信道鏈路適配器具有長很多的測試壽命，因為低成本可替換接插線的使用解決了接插線的機械撓度問題。隨著接觸件上覆層的耗損，安裝在CLA內(nèi)部印刷電路板上的連接器最終會壞掉。不過，信道鏈路適配器的測試壽命比永久鏈路適配器的測試壽命長很多。
3.專用CLA當(dāng)測試信道鏈路時，LAN測試器也使用專用CLA，因為在信道鏈路適配器印刷電路板上使用了低串?dāng)_、高隔離的連接器8。
4.匹配的CLA組由于安裝在CLA外殼內(nèi)的PCB上的高隔離直角印刷電路板，通過定義使用匹配的CLA組。但是，在與PLA相比時，任何類型的接插線都可以與CLA一起使用，只要接插線符合測試中的鏈路的電纜線路類別。
5.CLA成本CLA比PLA便宜，因為它們可以使用任何符合的接插線來連接到信道鏈路并對其進行測試。
6.CLA串?dāng)_由于在CLA模塊外殼內(nèi)使用的低串?dāng)_連接器，信道鏈路對與對的隔離比永久鏈路的隔離好。
7.CLA基準面校準信道鏈路適配器的最后一個問題也是測量基準面位置問題。具體而言，信道鏈路測量基準面被設(shè)定在接插線連接器的端部位于接插線的輸入端，如圖7所示。通過該校準，來自接插線輸入連接器(即，測試器端部的插頭)的所有影響都被從信道鏈路測量中除去了。
LAN鏈路測量問題總結(jié)根據(jù)前面的討論，當(dāng)與信道鏈路適配器相比時，永久鏈路測量需要使用單獨的一組永久鏈路適配器，就如下方面而言這增加了不期望的一組成本1)永久鏈路適配器本身；2)專用PLA組的數(shù)量；以及3)由于接插線撓度故障導(dǎo)致的有限的PLA測試壽命。與信道鏈路適配器相比，永久鏈路適配器在最小化對與對的串?dāng)_方面還有更多的問題。

發(fā)明內(nèi)容
由于這些原因，在本發(fā)明中提出了校準/測量方法，其目的是1.徹底除去永久鏈路測試適配器；2.減少LAN測量開銷支持成本；3.改善信號完整性；4.提高在高于300MHz頻率處的LAN鏈路測量精度；5.提供用于使用信道適配器和低成本接插線測量永久鏈路的裝置；以及6.提供用于測量接插線物理長度的裝置。
相位作為對本發(fā)明的方法進行描述的準備，需要給出對相位的討論。相位測量的能力是本發(fā)明LAN測試器的關(guān)鍵屬性。即，除了幅度之外，本發(fā)明的手持LAN測試器還可以測量相位。該能力允許測試器將測量基準面設(shè)定在沿著待測量的LAN鏈路的一個特定的點。初始校準基準面可以被設(shè)定在沿鏈路的一個點，該點易于設(shè)定、測量、限定和實現(xiàn)。
相位還允許測試器在LAN鏈路測試期間的任何時間，容易地將初始校準基準面和其所有相關(guān)聯(lián)的LAN鏈路測量都移到另一個新的基準面位置。具體地，利用相位信息，顯示端和遠程端每一個都可以將相位基準面圖9移動到所示四個可能位置中的任何一處，即從信道鏈路適配器印刷電路板內(nèi)，經(jīng)過位于CLA輸出處配對連接器對以及沿接插線長度的任何地方，直到墻壁插孔處的配對連接器對。相位基準面的移動使得本發(fā)明的測試器能夠使用信道鏈路適配器和低成本接插線來進行永久鏈路測量。
簡要來說，該方法包括校準步驟，即測量每一個接插線以及在接插線每一端處的配對連接器對的總的散射參數(shù)ST，如圖10所示。每一個接插線的散射參數(shù)SB可以從接插線的已知特性中獲得。這與總散射參數(shù)矩陣ST一起允許計算在接插線端部的配對連接器對的散射參數(shù)SA和SC。利用已知的配對連接器對的散射矩陣SA和SC以及接插線的散射矩陣SB，基準面可以沿著線從LAN測試器內(nèi)移到任何地方，以進行永久鏈路或信道鏈路測試。


圖1是從工作區(qū)到電信室的LAN電纜線路連接的示意圖。
圖2是具有測試器適配器和測試插孔的現(xiàn)有技術(shù)LAN測試器的示圖。
圖3和4圖示了具有接插線的現(xiàn)有技術(shù)LAN測試器連接。
圖5圖示了標(biāo)準50米鏈路。
圖6圖示了通過LAN測試器來測試或“診斷”鏈路的過程。
圖7圖示了信道鏈路配置。
圖8圖示了永久鏈路配置。
圖9圖示了如本發(fā)明教導(dǎo)的具有相位的測量基準面的移動。
圖10圖示了本發(fā)明的LAN測試器。
圖11是驅(qū)動信號和由本發(fā)明的LAN測試器測量的所得信號的曲線圖。
圖12是本發(fā)明顯示單元中的相位測量電路的示意圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明，在工廠校準期間設(shè)定測量基準面的圖示。
圖14是通過配對連接器對的基準面的移動的圖示。
圖15是根據(jù)本發(fā)明，基準面沿接插線的移動的圖示。
圖16圖示了在圖9中點2處的基準面是如何與在圖9中點3處的基準面相關(guān)的。
圖17是本發(fā)明LAN測試器顯示單元的分解透視圖。
圖18是測試器單元下部的分解透視圖。
圖19是本發(fā)明LAN測試器單元的數(shù)字控制電路板的框圖。
圖20是本發(fā)明模擬電路板的框圖。
圖21是本發(fā)明的詳細相位測量框圖。
圖22是具有短路端子的接插線的電路圖。
圖23是具有開路端子的接插線的電路圖。
圖24是被連接在一起用于測量接插線物理長度的LAN測試器顯示單元和遠程單元的物理配置圖。
圖25是輸入阻抗與頻率的關(guān)系圖。
具體實施例方式
在圖9中示出了本發(fā)明LAN測試系統(tǒng)的示意表示。測試系統(tǒng)包括手持顯示單元10、手持遠程單元12以及第一和第二接插線14和16。每一個接插線包括在一端的第一插頭14A、16A，實際電纜14B、16B，以及在另一端的第二插頭14C、16C。顯示單元10具有信道鏈路適配器板18，其上設(shè)置有第一連接器插孔20。插孔暴露于顯示單元外部。插孔20可以接收接插線的插頭14A或16A，用于形成第一配對連接器對。當(dāng)診斷鏈路時，接插線的其它插頭14C、16C與墻壁插孔22配對，墻壁插孔22附接到在墻壁內(nèi)部走線的鏈路24。遠程單元14類似地具有信道鏈路適配器板26，其上設(shè)置有第二連接器插孔28。連接器20和28兩者優(yōu)選地都是具有合適的對與對隔離的直角連接器。RJ-45插孔或用于更高頻率的Siemon terra插孔是合適的。插孔28接收第二接插線的插頭16A，以形成第二配對連接器對。當(dāng)診斷鏈路時，第二接插線16的插頭16C連接到在鏈路24端部上的墻壁插孔30。顯示單元和遠程單元包含用于測試鏈路的適當(dāng)?shù)纳漕l和電子電路。顯示單元還具有用于啟動和控制測試功能的用戶致動開關(guān)，以及將任何合適的數(shù)據(jù)傳送給用戶的顯示器。顯示單元還具有用于進行下面描述的計算的計算機處理器，以及用于存儲所測量的散射參數(shù)和其他數(shù)據(jù)的存儲器。
LAN測試系統(tǒng)的操作如下。首先，必須進行通過顯示單元和遠程單元以及兩個接插線的現(xiàn)場校準。該校準的目的是通過使用如圖10所示的具有連接到顯示單元和遠程單元的一組信道鏈路適配器的任何兩個接插線，設(shè)定用于顯示單元和遠程單元的測量基準面。兩個接插線應(yīng)該由相同的廠商制造，并且在每一端具有相同的插頭，但是他們不必具有相同的長度。
散射參數(shù)因為顯示單元和遠程單元可以測量相位，所以由接插線插頭和接插線本身組成的整個接插線可以通過測量它們的頻率響應(yīng)利用散射參數(shù)或[S]參數(shù)來被測量或表征。從工廠校準中，在信道適配器印刷電路板上的測量基準面將位于到信道鏈路適配器板18、26上的直角連接器插孔20、28的輸入處。
測量步驟1.將接插線14連接在兩個單元之間。
2.測量這樣連接的、包括在每一個信道鏈路適配器板18、26處的配對連接器對20、14A和28、14C的第一接插線14的所有四個散射參數(shù)。
3.保存測量出的第一接插線14的總的散射數(shù)據(jù)[ST]1。
4.將第二接插線16連接在兩個單元之間。
5.測量這樣連接的、包括在每一個信道鏈路印刷電路板18、26處的配對連接器對20、16C和28、16A的第二接插線16的所有四個散射參數(shù)。
6.保存測量出的第二接插線16的總的散射數(shù)據(jù)[ST]2。
計算步驟1.對每一個接插線，散射矩陣的元素是一組簡單等式或項，已知的等式如下 假定配對連接器對具有相同的特性 作為兩端口的實例，考慮j=-1]]>c＝3.108M/秒假定輸入配合的LAN連接器對A矩陣-[SA]的值
接插線矩陣-[SB](假定該線是理想匹配)L＝2米假定F＝600MHz，NVP＝0.75 α＝0.002F＝600·106NVP＝0.75β=2·π·Fc·NVP]]>γ＝α+β·J φ＝γ·L φ＝4×10-3+33.511SB11＝0 SB12＝e-φSB21＝e-φSB22＝0SB=SB11SB12SB21SB22SB=0-0.498-0.8631-0.498-0.86310]]>det_B＝SB1，1·SB2，2-SB1，2·SB2，1輸出配對LAN連接器對A矩陣-[SC](注意與[SA]的關(guān)系)SC1，1＝SA2，2SC1，2＝SA2，1SC2，1＝SA1，2SC2，2＝SA1，1SC=SC1,1SC1,2SC2,1SC2,2SA=0.04+0.0110.3-0.110.3-0.110.04-0.011]]>用作參考SC=0.04-0.0110.3-0.110.3-0.110.04+0.011]]>det_C＝SC1，1·SC2，2-SC1，2·SC2，12.對于可接受的精度，接插線特征阻抗Zo是已知的，而為了達到非常好的一階近似，可以認為Zo＝100Ohm。
3.接插線的電學(xué)長度是已知的。長度可以由測試器單元的制造商指定，或者其可以由LAN測試器測量。
4.對于可接受的精度，在接插線每一端的配對的插孔和插頭的散射矩陣可以假定為是相同的。
5.然后，使用合理的假定、上面的1-4以及[ST]1，可以解出第一接插線14的測量的總散射矩陣以及在接插線每一端處的配對的插孔和插頭對的散射矩陣。
6.通過配對連接器對散射矩陣以及接插線14的散射矩陣，可以通過印刷電路板上的配對連接器對移動測量基準面。該基準面位置對于進行信道鏈路測試是必需的；或者基準面可以被進一步沿著接插線移到墻壁插孔內(nèi)1或2厘米，以進行永久鏈路測量。
7.然后使用第二接插線6進行相同一套測量和計算。
8.保存整天的測試的配對連接器對的散射參數(shù)，或者直到選擇另一組接插線時保存，此時重復(fù)現(xiàn)場校準過程。
可以使用線性代數(shù)計算來操作散射參數(shù)矩陣，以解出配對的LAN信道連接器散射矩陣的元素。在該組計算中，假定配對連接器對的一組散射參數(shù)，并根據(jù)已確定的公式，通過將配對連接器對的散射矩陣與接插線傳輸線的散射矩陣組合在一起來計算完整的總散射矩陣[ST]。
然后，通過作為“給定的”最終測量結(jié)果的[ST]，以及通過對接插線傳輸線的假定即上面的假定2和3，加上假定4即假定兩個配對連接器對的散射矩陣相同，程序解出配對連接器對散射矩陣[SA]的元素。
程序?qū)SA]解出并計算出與在對總[ST]矩陣的初始計算中假定的相同的值一樣。該計算確認數(shù)學(xué)模型是正確的。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到考慮本發(fā)明的相位測量方面，本發(fā)明的LAN測試器在測試LAN電纜線路時測量兩個信號之間的關(guān)系，以符合公布的LAN電纜線路性能標(biāo)準。由測試器測量的信號關(guān)系是幅度比，并且包括兩個信號之間的相位關(guān)系。注意，所討論的相位測量是驅(qū)動信號電壓與相應(yīng)的由于該相同驅(qū)動信號被耦合或反射的電壓之間的相位。這兩個信號在由工廠或現(xiàn)場校準過程確定的指定基準面處測量。
可以示出兩個正弦信號在相同頻率下的相位差。在圖11示出的曲線圖中，V_驅(qū)動跡線(實線)對應(yīng)于到LAN電路線路中的驅(qū)動信號。V_測量跡線(虛線)是將由LAN測試器測量的所得信號。注意，V_測量的幅度是V_驅(qū)動幅度的40％。V_測量比V_驅(qū)動滯后30度相位。在曲線圖中也可以看到V_驅(qū)動與V_測量之間的滯后相位關(guān)系。
如果計算過V_測量與V_驅(qū)動的比，那么然后計算例如與一個LAN電纜對上的驅(qū)動信號和出現(xiàn)在另一個LAN導(dǎo)體對上的耦合的串?dāng)_信號相關(guān)的串?dāng)_項。當(dāng)計算V_R＝V_測量/V_驅(qū)動時，|V_R|，即V_R的幅度＝|V_R|＝|V_測量|/|V_驅(qū)動|＝0.4/1.0＝0.4。因此，|V_R|＝0.4。
兩個信號之間的相位必須使用用于相位基準的信號中的一個來計算。在這種情況下，V_驅(qū)動信號被定義為基準信號。V_測量與基準信號V_驅(qū)動的相位關(guān)系是滯后30度的相位。因為涉及相位角，所以比V_R＝V_測量/V_驅(qū)動是復(fù)數(shù)，其具有相應(yīng)的幅度|V_R|和相位角φ_R＝-30度。φ_R上的負號表明在相位上V_測量比V_驅(qū)動滯后30度。因此，V_R＝0.4∠-30度。
還可以根據(jù)兩個方形波信號的時間關(guān)系，通過計算方形波信號的兩個相應(yīng)對邊的之沿間的時間差來計算相位。這在圖12中圖示，其中，信號從左走到右。注意，在圖12中，兩個方形波V測量和V驅(qū)動，其中，V_測量的前邊沿比基準V_驅(qū)動方形波的前邊沿滯后時間差Δt。通過使Δt與在頻率F時鐘下運行的精確基準時鐘的周期T時鐘相關(guān)，該時間差Δt可以被用來計算兩個信號之間的相位。
T時鐘＝1/F時鐘這兩個方形波之間的相位角度φ_R就為φ_R＝360×(Δt/T時鐘)度相位測量電路確定Δt的值，并輸出與兩個方形波V_測量和V_驅(qū)動之間的相位相關(guān)的信號。本發(fā)明的LAN測試器使用可編程門陣列來測量Δt。
LAN測試器可以測量相位，相位需要參照于測量基準面，如下面討論的。
1.初始地設(shè)定測量基準面——在校準期間，相位測量能力允許LAN測試器在沿著被測量的LAN鏈路的一個指定點處設(shè)定或限定測量基準面。在工廠校準過程期間限定的該基準面，可以設(shè)定在沿鏈路的任何點，以允許簡單且便于進行的測量。該校準過程在圖13中示出。
基準面位置在初始工廠校準中通過圖13所示的程序被限定或設(shè)定在顯示端和遠程端。對信道鏈路適配器上的插孔順序應(yīng)用包括短路、開路和端子的插頭。用連接到插孔的每一個插頭來進行掃頻測量。從所測量的包括相位信息的數(shù)據(jù)中，顯示端或遠程端將其基準面設(shè)定在CLA印刷電路板上的插孔中用虛線示出的點。通過將該基準面設(shè)定在該點，相位信息還允許它從該點沿接插線上下移動。
2.移動測量基準面——在接插線現(xiàn)場校準之后，相位還允許LAN測試器在鏈路測試期間容易地移動該初始校準基準面。相位允許初始基準面在LAN鏈路測試期間的任何時間被移動到新的基準面位置。具體地，通過相位信息，顯示端和/或遠程端每一個都可以將它們的相位基準面移動到從信道鏈路適配器PCB內(nèi)，經(jīng)過位于CLA輸出處的配對連接器對以及沿接插線長度的任何地方，直到墻壁插孔處的配對連接器對，即圖9所示四個可能位置中的任何一處。
2a.利用接插線現(xiàn)場校準期間對配對連接器對測量和計算的[S21]連接器對數(shù)據(jù)在信道鏈路適配器模塊上進行基準面通過配對連接器對從1到2的移動，如圖14所示。該步驟設(shè)定用于信道鏈路測試的基準面。
2b.利用在現(xiàn)場校準期間對接插線測量和計算的[S]-參數(shù)數(shù)據(jù)進行基準面沿接插線從2到3的移動，如圖15所示。
注意，沿接插線從2到3的期望長度L線以物理長度單位英寸表示。單位為英寸的L線需要被轉(zhuǎn)換為單位為度的等效電學(xué)相位長度φ線。
在接插線現(xiàn)場校準期間，接插線的NVP(標(biāo)稱傳播速度)通過測量被確定。根據(jù)該值，使用下式計算從2移到3的對應(yīng)的電學(xué)相位長度φ線β＝(360×f)/(NVP×c)度/英寸其中c＝自由空間中的光速＝1.1811×1010英寸/秒f＝以Hz表示的信號頻率然后，使用下式計算單位為度的φ線φ線＝L線×(360×f)/(NVP×c)度使該公式只與從2到3移動的接插線基準面相關(guān)，如圖16所示。
使用[S21]連接器對數(shù)據(jù)將所測量的LAN電纜數(shù)據(jù)通過配對連接器對從1移到2，如圖14所示。參照圖15，其示出了單位為英寸的接插線長度是如何與單位為度的等效接插線電學(xué)長度相關(guān)的，圖16使這些項按照下面的公式相關(guān) 對于被合理良好匹配的接插線來說，該表達式變?yōu)?如果接插線具有不等于Z0＝100Ohm的特征阻抗Z0p，那么接插線S11p和S22p就非零，然后用使用標(biāo)準傳輸線理論計算出的非零值替換。
最后，通過使用接插線散射矩陣[S]接插線，參照面2測得的LAN電纜數(shù)據(jù)被相關(guān)到面3。
從該矩陣中可以看到，對與良好匹配的接插線來說，通常的情況是對S11和S22配對連接器對項沒有影響。對配對連接器對散射矩陣的唯一影響是增加的相位項，e-jφ線。
因此，用通過測量或規(guī)定得知的接插線NVP，測量基準面可以通過信道鏈路適配器板上的配對連接器對移動，并沿著接插線從配對連接器對的輸出端處的面2移動指定的英寸數(shù)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到對測試器單元更詳細的描述，圖17和圖18的分解透視圖示出了測試器的全部物理配置，并示出了其印刷電路板是被如何容納的。所示出的測試器是顯示單元10。應(yīng)該理解遠程單元是類似的。測試器具有包括前罩32和后罩34的外殼。后罩界定插座或井36，用于接收和安裝信道鏈路適配器印刷電路板37。在外殼內(nèi)部有數(shù)字控制模塊38，其驅(qū)動和控制模擬激勵/測量模塊40。兩個模塊都設(shè)置到印刷電纜板中，在這里將被稱為數(shù)字板和模擬板。模擬板40包括在其下部的連接器42。該連接器通過后罩中位于井36底部的開口43與信道鏈路適配器上的配合連接器可松開地嚙合。時域反射計(TDR)44測量能力由第三分立模塊提供。圖17中示出的其他組件包括PCMCIA持卡器46、通用串行總線(USB)端口48和串行端口50。它們被安裝在數(shù)字板38上。彩色顯示單元52和鍵盤54被安裝在前罩32上或其中。對外殼物理設(shè)置的進一步的細節(jié)可以在2001年5月22日提交的題目為“Apparatus with Interchangeable Modules for MeasuringCharacteristics of Cables and Networks”的美國專利申請No.09/863,810中示出和描述，該專利的公開內(nèi)容通過此引用而包含于此。
數(shù)字控制模塊38的所有功能在圖19的數(shù)字控制電路框圖中示出。數(shù)字板由被安裝在測試器內(nèi)的固件驅(qū)動的高速中央處理單元(CPU)56控制。可以提供數(shù)個存儲器塊(未示出)，以及RAM存儲器58、小的引導(dǎo)閃存60和更大的引導(dǎo)閃存62。測試器通過使用USB48或者通過到CPU 56的串行接口連接50與外部個人計算機(PC)1通信。閃存或網(wǎng)卡64可以安裝在測試器中，閃存或網(wǎng)卡64通過PCMCIA塊46連接到CPU。這些卡可以用來存儲另外的測試結(jié)果，或者用于將新的固件上載到CPU。到CPU或來自CPU的其他連接包括鍵盤54、彩色顯示器52、揚聲器話筒66、實時時鐘68和在溫度升高時用于補償模擬板性能的溫度傳感器70。
最重要的是通過I/O總線72與模擬板40的通信。該總線被示為分立的塊，因為它將來自數(shù)字板38的控制命令接口到模擬板40，并且它返回從模擬板測得的數(shù)據(jù)用于存儲在顯示單元存儲器中并且顯示在彩色顯示器52上。
圖20的LAN測試器模擬電路框圖示出了模擬板40上的主要功能塊。為了清晰，已經(jīng)省略了其它塊。模擬板產(chǎn)生一組連續(xù)變化的低頻(LF)和射頻(RF)信號，這些信號通過使用模擬板上的信號交換中繼體(relay bank)74被施加給所選的一個LAN電纜線路導(dǎo)體對。相同的中繼體將待測量的返回信號從另一個所選的LAN電纜導(dǎo)體對承載回模擬板中。模擬板上的電路塊然后調(diào)節(jié)返回的測試信號，并測量其相對于施加的驅(qū)動信號的特性。低頻LF測量包括電纜容量、長度、導(dǎo)線DC阻抗、線路映射(wire mapping)和延遲。與這些低頻信號相關(guān)聯(lián)的電路塊由相關(guān)聯(lián)的標(biāo)注標(biāo)識。
注意框圖中標(biāo)注“MUX”的幾個地方。MUX是多路復(fù)用器的縮寫，其為將幾個不同信號的輸入路由到所選信號路徑的交換設(shè)備。LAN測試器模擬板使用幾個MUX，因為它是4-信道測試儀器，能夠測試被測試的LAN電纜中四個可能導(dǎo)體對中的兩個。信號路由以及信道與信道間的信號隔離需要MUX。
電路塊76、78示為RS-485塊，一個用于通信，另一個用于與門陣列和測量IC 80的LAN測試器接口，并用于DC模擬板上的DC電源控制和電源管理。
模擬板40還測量電纜串?dāng)_的RF參數(shù)、回波損害和衰減。具體地，模擬板測量返回信號的幅度除以RF驅(qū)動信號的幅度的比。已經(jīng)向模擬板的單元中增加了電路，用于測量返回的測試信號相對于在所選導(dǎo)體對上發(fā)出的RF驅(qū)動信號的相位。
RF驅(qū)動器82將來自RF合成器84的信號通過RF信號交換中繼器74發(fā)送到一對LAN電纜導(dǎo)體上。驅(qū)動信號還被發(fā)送到回波損耗橋86。
所得到的測試信號通過相同的一組RF中繼器74進入測試器，并且通過回波損耗橋86被路由到RF混頻器塊88。在這里，其與本地振蕩器(LO)信號混頻，并被轉(zhuǎn)換成測試IF(中頻)信號。
如上面提到的，RF驅(qū)動信號還被發(fā)送到回波損耗橋86。如圖20所示，發(fā)送到回波損耗橋的驅(qū)動信號進入混頻器88，并被轉(zhuǎn)換為相位基準lF信號。將與LAN測量相關(guān)聯(lián)的所有IF信號與該相位基準IF信號進行比較，來確定該測量信號的相位。
一旦基準IF和測試IF信號兩者都已形成，它們就被傳送到相位測試器90以及基準和測試幅度測試器塊92和94。相位測試器塊90將相位信息發(fā)送到門陣列和測量IC 80。來自基準和測試幅度測試器塊92和94的輸出被發(fā)送到模擬-數(shù)字(A/D)多路復(fù)用器96，然后被發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器98。從這里，幅度比信號被發(fā)送到門陣列和測量IC(集成電路)80。
門陣列和測量IC 80完成測試和基準IF信號之間相位以及它們幅度比的計算，來給出對測量的復(fù)數(shù)表示。來自IC 80的輸出被放到模擬I/O總線72上，該總線與數(shù)字板38通信。這樣，測試單元的相位測量功能從數(shù)字板控制，但是在模擬板上測量和計算。然后，測量結(jié)果被從模擬板承載到數(shù)字板。
圖21的LAN測試器相位測量框圖示出了在相位測量系統(tǒng)級上的這一功能。該框圖還示出了在模擬板上幅度比的計算。I/O總線72將控制信號從數(shù)字板承載到模擬板，但是它還將測試信號的相位和幅度承載到數(shù)字板上。一旦測試信號已經(jīng)被傳遞到顯示板，其就可以被存儲在存儲器中或者在顯示屏52上被顯示為彩色圖形的形式。
關(guān)于測量速度，已經(jīng)以下面的方式設(shè)計測試器體系結(jié)構(gòu)，即，LAN電纜導(dǎo)體對可以用來自顯示或遠程測試單元10或12的RF信號驅(qū)動。然后，所有其他非驅(qū)動線可以通過每一個單元內(nèi)模擬板上的MUX電路而被同時連接到測量電路。該設(shè)計特征顯著減少測試時間，同時仍舊能提供對測試信號幅度和相位的測量。
現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)到上述方法和裝置可以如何被用于測量接插線物理長度的討論。下面的過程描述了可以被用于精確地確定由LAN現(xiàn)場測試器使用的接插線的物理長度的應(yīng)用。如上面解釋的，當(dāng)LAN現(xiàn)場測試器被用于驗證商用或家用LAN電纜線路安裝時，接插線將現(xiàn)場測試器連接到被測試的電纜線路。接插線物理長度以及相關(guān)聯(lián)的電學(xué)長度的影響必須包含在這些鏈路的測量內(nèi)。在測試任何電纜線路鏈路之前，現(xiàn)場測試器必須進行校準。一部分校準作為現(xiàn)場測試器制造中必需的步驟在工廠中進行。在測試鏈路電纜線路之前在現(xiàn)場中完成的第二校準步驟，表征LAN測試器接插線對。在現(xiàn)場校準期間，每一個接插線都進行線損耗或衰減以及回波損耗的表征。
接插線物理長度還可以在現(xiàn)場校準程序期間通過在一定頻率范圍上對在另一端通過短路負載或開路負載而端接的接插線進行掃頻而被容易地確定。在掃頻的同時，現(xiàn)場測試器測量在基準面處看入接插線的輸入阻抗。根據(jù)|Z輸入|、看入接插線的輸入阻抗幅度的測量，現(xiàn)場測試器可以確定接插線的物理長度。
在圖22中示出了通過短路端接的接插線的等效電路。在圖23中示出了通過開路端接的接插線的等效電路。在下面用于確定接插線物理長度的理論發(fā)展中，這些電路模型將被用于計算結(jié)果。
圖24示出了在用于測量接插線長度的一部分的現(xiàn)場校準期間被連接在一起的一對LAN現(xiàn)場測試器顯示單元和遠程單元10和12。為了討論的目的，假定顯示端接插線14被顯示為連接在LAN現(xiàn)場測試器顯示單元10與遠程單元12之間。當(dāng)接插線物理長度將由顯示單元測量時，遠程單元通過使用電交換將短路或開路端子放到LAN電纜線路對的每一個上。
在掃頻的同時，顯示單元10測量在基準面處看入接插線14的輸入阻抗。在圖25中示出的輸入阻抗曲線示了典型的物理長度為2米的接插線的輸入阻抗值與頻率之間的關(guān)系。2米的物理長度是技術(shù)人員在現(xiàn)場測試和驗證期間進行LAN電纜線路連接驗證時使用的接插線的典型長度。應(yīng)該理解，2米的長度在這里提到只是用于說明的目的。當(dāng)然，實際長度是不能預(yù)先知道的。
不管測量的是開路負載還是短路負載的接插線輸入回波損耗，所得到的輸入阻抗幅度曲線的最大值都被頻率限定得很尖銳，快速上升到最大值并且急劇下降到在兩個最大值之間的接近零處。注意，在圖25示出的曲線中，看入接插線的輸入阻抗的幅度即|Z輸入|的幅度對于高達150MHz的頻率達到10,000ohm或更大的值。
該過程的關(guān)鍵點在于最大值的距離，即從一個尖銳的最大“峰值”到另一個的距離，正好是半波長。該原理對任何開路或短路的傳輸線都適用。因為接插線是傳輸線，所以該原理也適用于它們。此外，該原理適用于具有小的或中等線損耗水平的所有接插線和傳輸線。
在圖25中繪出的相關(guān)聯(lián)的圖出現(xiàn)在沒有以接插線的特征阻抗Z線端接的任何傳輸線或接插線中。但是，當(dāng)接插線以開路或短路負載端接時，阻抗幅度曲線中的最大值被更尖銳地限定。
接插線物理長度的計算如下。接插線物理長度L接插線與輸入阻抗幅度曲線中最大值之間的頻率差Δf直接相關(guān)。在該頻率差的測量之后，顯示單元如下計算L接插線，L接插線＝λ/2＝(NVP×c)/(Δf×2)米其中NVP是接插線的傳播常數(shù)。NVP的值在如上所述的更早的現(xiàn)場校準步驟中由顯示單元確定。
c是真空中的光速，3×108米/秒。
Δf是輸入阻抗幅度曲線中兩個最大值之間的頻率差。
在該例子中，根據(jù)曲線，Δf＝54MHz＝54×106。
根據(jù)接插線測量，NVP＝0.72。
L接插線＝(0.72*3*108)/(2*54×106)米L接插線＝(216)/(108)米＝2米然后，在與遠程單元相關(guān)聯(lián)的接插線的校準期間，將重復(fù)該過程。在這種情況下，遠程單元將驅(qū)動該接插線，并且顯示單元將以開路或短路負載端接導(dǎo)體對。然后，遠程單元將通過相同的計算確定該接插線的物理長度。
該過程對于開路或短路的接插線都適用，因為所需的只是兩個最大值之間的頻率差Δf以及在更早的現(xiàn)場校準程序中確定的值即接插線的NVP。對于該方法來說，為了確定接插線的物理長度，不需要無損的傳輸線或無損的接插線。該過程還適用于可能具有中等或低等的線損耗的實際接插線。
雖然已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選形式，但是將認識到可以對其做出改變和修改，而不脫離權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種LAN電纜線路測試系統(tǒng)，包括第一和第二接插線，每個都端接在第一和第二插頭處；手持顯示單元和手持遠程單元，所述單元的每一個都包括用于通過所述接插線和待測試的LAN鏈路發(fā)送所選頻率的波形到另一個所述單元以及從另一個所述單元接收所選頻率的波形的裝置；所述手持顯示單元包括用于接收一個所述接插線的插頭的插孔，所述插孔和插頭定義第一配對連接器對；所述手持遠程單元包括用于接收另一個所述接插線的插頭的插孔，所述插孔和插頭定義第二配對連接器對；相位測量裝置，用于在所述顯示單元或所述遠程單元之一中測量相位，以及用于在所述接插線的一端處設(shè)定基準面；用于在所述基準面處測量看入所述接插線的輸入阻抗的裝置；用于測量所述輸入阻抗值與頻率的關(guān)系曲線中最大值之間的間隔Δf的裝置；以及用于根據(jù)關(guān)系式L接插線＝(NVP×c)/(Δf×2)米，來計算所述接插線長度的裝置。
2.在具有顯示單元和遠程單元以及長度為未知的L1和L2的第一和第二接插線的類型的LAN電纜線路測試系統(tǒng)中，每個所述接插線都端接在第一和第二插頭處，并且顯示單元和遠程單元的每一個都具有用于接收接插線插頭的插孔，插頭和插孔在連接時組成配對連接器對，所述顯示單元和遠程單元的每一個都具有用于通過所述接插線和待測試的LAN鏈路發(fā)送所選頻率波形到另一個單元以及從另一個單元接收所選頻率的波形的裝置，一種測量接插線長度的方法，包括如下步驟將所述接插線連接到所述顯示單元和所述遠程單元；確定接插線的標(biāo)稱傳播速度，NVP；在所述顯示單元和遠程單元之一處，在所述接插線的每個線對之間依次放置短路或開路端子之一；在一定頻率范圍內(nèi)在所述接插線上掃描波形；在所述接插線一端處測量在基準面看入所述接插線的輸入阻抗；測量所述輸入阻抗與頻率的關(guān)系曲線中最大值之間的間隔Δf；以及根據(jù)關(guān)系式L接插線＝(NVP×c)/(Δf×2)米，來計算接插線長度。
3.一種用于確定與LAN現(xiàn)場測試器的顯示單元和遠程單元一起使用的接插線物理的長度的方法，包括如下步驟將所述接插線連接到所述顯示單元和所述遠程單元；確定所述接插線的標(biāo)稱傳播速度，NVP；在所述顯示單元和遠程單元之一處，在所述接插線的每個線對之間依次放置短路或開路端子之一；在一定頻率范圍內(nèi)在所述接插線上掃描波形；在所述接插線一端處測量在基準面看入所述接插線的輸入阻抗；測量所述輸入阻抗與頻率的關(guān)系曲線中最大值之間的間隔Δf；以及根據(jù)關(guān)系式L接插線＝(NVP×c)/(Δf×2)米，來計算接插線長度。
全文摘要
本發(fā)明提供了LAN測試器，其具有顯示單元和遠程單元，每個單元都具有附接到適配器板的連接器插孔，用于連接到接插線的插頭。顯示單元和遠程單元都具有能夠測量驅(qū)動信號電源與相應(yīng)的由于驅(qū)動信號產(chǎn)生的被耦合或反射的信號之間的相位的電路。在現(xiàn)場校準期間測量配對連接器對和接插線本身的散射參數(shù)。一個或兩個測試器單元中的計算機存儲所測量的散射參數(shù)，并使用散射參數(shù)將基準面沿接插線移到任何期望的位置。接插線的長度可以通過使用相位，通過測量輸入阻抗與頻率的關(guān)系曲線中相鄰最大值之間的頻率差來確定。
文檔編號G01R27/28GK1723395SQ200380105719
公開日2006年1月18日 申請日期2003年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月12日
發(fā)明者杰拉爾德·W.·倫肯 申請人:理想工業(yè)公司