CN100588273C

CN100588273C - 用于网络线缆故障测试的方法及其装置

Info

Publication number: CN100588273C
Application number: CN200710121607A
Authority: CN
Inventors: 王厚军; 田书林; 肖寅东; 刘科; 李飞雄
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: CN101127928A

Abstract

本发明提供了一种网络线缆故障测试方法，在测试端发出较宽的差分探测脉冲，当探测脉冲遇到线缆上的断点后发生反射，反射脉冲沿着线缆传回到发送端，发射信号和反射信号相互叠加，通过测量叠加部分的时间宽度计算出发射信号和反射信号间的时间间隔，进而分析得到故障的位置和原因。本发明还提供了相应的网络线缆测试仪，只需连接待测网络线缆的任何一端就可以检测网络线缆的4对双绞线，操作简单，并且测试分辨率高，受环境影响小。本发明除了可用于网络线缆的故障测试外，还可用于同轴线缆的故障测试。

Description

用于网络线缆故障测试的方法及其装置

技术领域

本发明涉及网络线缆测试领域，特别涉及一种能够有效的测试网络线缆长度的技术方法及其装置。

背景技术

随着计算机网络的发展和普及，网络安全对于各个行业显得尤其重要。但是一些网络因为设计原因或者维护不当而产生故障，往往会带来经济上的巨大损失和灾难性的后果。在这中间，由于网络线缆引起的故障占了很大一部分。网络线缆的损坏或错接将会导致数据传输混乱，网络不通，从而严重影响了计算机通信网络的使用和安全。

网络线缆测试仪可以对双绞线进行验证，它能够测量双绞线长度，发现断点存在的位置及原因，测试网络线缆的接线图(短路、开路)，帮助使用者能够快速、方便、准确的检测出故障点的位置和故障的性质，从而及时地排除故障。因此，在当今的网络布线、线缆故障定位中，网络线缆测试仪得到了广泛的应用。

目前，电缆障碍查找的方法主要有：电桥法、放音法、查漏法、脉冲反射法(TDR)等。其中脉冲反射法分辨率高，测量速度快，不会对传输线造成损伤，只需在电缆的一头进行操作，可以测量到人力接触不到的地方，受地理条件的影响小，可以根据不同的测试电缆灵活的调整测试参数，成为测试通信线缆不连续性的主要方法。

脉冲反射法使用窄脉冲作为发射的测试信号。该信号在电缆中传播，当遇到阻抗不连续点时脉冲信号被反射回发送端。在信号发送端测量出信号发射和被反射回来的时间差，再配合脉冲在电缆中的传播速度，就可以计算出故障点的位置。虽然这种方法操作简单，但其对脉冲波形的质量要求较高，并且存在着测量盲区，即由于待测线缆太短，导致探测脉冲尚没有完全发出时就已接收到反射脉冲，发射脉冲和反射脉冲互相叠加，从而无法精确的测量出时间间隔。但是为了尽量减小测试盲区，此方法要求***能够产生足够窄的脉冲，并需要高速开关电路、高速采样电路来测试发射脉冲和反射回波之间的时间差，电路复杂，所需要的功耗较大。从另一方面看，探测脉冲的宽度越窄，频带也就越宽。然而，网络线缆直径较细，其频带也限制了探测脉冲的宽度。因此，一味减小发射脉冲的宽度，并不是消除“测量盲区”的一个好的解决方法。同时现在的网络线缆多采用5类或超5类线缆，传输信号为无地差分信号。而脉冲反射法采用的发射脉冲是参考为地的窄脉冲信号，因此使用基于窄脉冲的脉冲反射法进行网络线缆长度测试并不适合。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够有效测量线缆长度并查出网络线缆故障类型的方法。

本发明采用的是一种宽脉冲差分测试法，其原理如图1所示，就是在测试端发出较宽的差分探测脉冲，当探测脉冲遇到线缆上的断点后，会发生反射，反射脉冲沿着网络线缆传回到发送端，发射信号和反射信号相互叠加，通过测量叠加部分的时间宽度来计算发射信号和反射信号间的时间间隔。

当发生断路故障时，反射脉冲信号如图1(b)所示，将比图1(a)所示的发射脉冲滞后Δt时刻，且极性相同。发射脉冲和反射脉冲叠加后形成的回波信号如图1(c)。通过与设定的比较电平做比较，可产生包含故障信息的宽度脉冲信号，如图1(d)所示。假设探测脉冲宽度为T，线缆故障点与测试点之间的距离为S，电信号在待测线缆中的传输速度为V，则比较器输出的脉冲信号的宽度为T-Δt，且具有如下关系：

S＝Δt×V/2＝(T-(T-Δt))×V/2 (1)

当发生短路故障时，反射脉冲信号如图1(f)所示，将比图1(e)所示的发射脉冲滞后Δt时刻，且极性相反。发射脉冲和反射脉冲叠加后形成的回波信号如图1(g)。通过与设定的比较电平做比较，可产生包含故障信息的宽度脉冲信号，如图1(h)所示。短路线缆的长度可由如下关系式计算得到：

S＝Δt×V/2 (2)

宽脉冲信号的占空比为50％，为了方便的区分线缆究竟是短路还是断路故障，所发送的探测脉冲宽度应有一定的要求。若测试线缆的最大长度为S_max，则探测脉冲宽度T应满足：

T＞4S_max/V (3)

此时，如图1(d)、(h)所示，可根据经过比较器的宽度脉冲来判断线缆的故障类型：

●如果测得的脉冲宽度Tp＞T/2时，则为断路故障，此时Δt＝T-Tp，所以

S＝V×(T-Tp)/2；

●如果Tp＜T/2时，则为短路故障，此时Δt＝Tp，所以S＝V×Tp/2。

根据上述原理，本发明进行网络线缆故障测试的方法称为差分宽脉冲时域反射法，具体步骤如下：

1)产生单端探测脉冲信号。根据网络线缆测试装置的最大线缆测试长度要求，利用公式(3)进行计算，可获得所要产生的探测脉冲的最小宽度值，选取满足要求的脉冲宽度值，根据所选择的脉冲宽度值利用CPU设置高速率定时器的计数值，使用高速率定时器产生探测脉冲信号。

2)使用高速单端-差分转换器将单端探测脉冲转换为差分探测脉冲。

3)差分探测脉冲通过高速缓冲驱动、阻抗匹配后发送到待测线缆。这一步骤增强差分探测脉冲的驱动能力，并有效的降低探测脉冲的过冲和振铃，使脉冲信号的波形变得更平稳。

4)差分探测脉冲到达线缆的阻抗不连续点(短路或断路)，产生反射脉冲。

5)从反射回波中提取包含故障信息的门控脉冲信号。将发射脉冲和反射脉冲叠加后形成的回波信号送入高速比较器的同相输入端，与高速比较器反相输入端的比较电平进行比较，产生包含故障信息的门控脉冲。如果同相输入端电平高于反相输入端电平，产生高电平输出；如果同相输入端电平低于反相输入端电平，则产生低电平输出。比较电平应高于发射的探测脉冲电平，但低于回波信号的脉冲电平。

6)对该门控脉冲的宽度Tp进行检测，并保存测试结果。利用高速脉冲宽度检测电路对该门控脉冲的宽度Tp进行检测，测试结果由锁存电路保存。

7)由门控脉冲信号判断故障的位置和原因。线缆断点分析模块根据高速脉冲宽度检测电路测试的结果判定线缆的断点位置以及发生断点故障的原因：当Tp＞T/2时，则为断路故障，S＝V×(T-Tp)/2；当Tp＜T/2时，则为短路故障，S＝V×Tp/2。

本发明的另一个目的是提供一种利用上述方法进行网络线缆故障测试的网络线缆测试仪。如图2所示，本发明的网络线缆测试仪是在以太网控制器与网络RJ45连接器之间设置可编程差分探测脉冲形成模块、探测脉冲发射模块、回波接收与处理模块、中央处理模块四大部分及相应的处理软件，其中：

1)可编程差分探测脉冲形成模块一般由高速率定时器、高速单端-差分转换器连接组成，负责完成可变宽度的高精度差分探测脉冲信号的形成，高速率定时器产生单端探测脉冲信号，经高速单端-差分转换器转换为差分探测脉冲。

2)探测脉冲发射模块主要由高速缓冲驱动电路、阻抗匹配电路组成，负责增强差分探测脉冲的驱动能力，并有效的降低探测脉冲的过冲和振铃，使脉冲信号的波形变得更平稳。高速缓冲驱动电路可以由74ACT125缓冲器构成，阻抗匹配电路由阻容网络组成，参见图3，差分探测脉冲是由相位相差180度的脉冲A和脉冲B组成，分别发射到待测线缆中一对双绞线的两根线中，其中脉冲A经过74ACT125缓冲后发送到一个50～1000欧姆的电阻，该电阻与一个电阻和电容组成的并联网络相串联，该并联网络中的电阻阻值为200～10K欧姆，电容值为1000～2000pF，并联网络的另一端接到待测线缆，并通过一个100～1000欧姆的电阻送到比较器的同相输入端。差分探测脉冲中的另一路脉冲B经过74ACT125缓冲后发送到一个50～1000欧姆的电阻，该电阻与一个电阻和电容组成的并联网络相串联，该并联网络中的电阻阻值为200～10K欧姆，电容值为1000～2000pF，并联网络的另一端接到待测线缆。

3)回波接收与处理模块是本发明的核心。它包括高速比较器、门限设定电路、高速脉冲宽度检测电路、锁存电路以及线缆断点分析模块。待测线缆的回波信号送入高速比较器的同相输入端，中央处理器模块控制门限设定电路输出比较电平送入高速比较器的反相输入端，产生包含故障信息的门控脉冲。高速脉冲宽度检测电路对该门控脉冲的宽度Tp进行检测，测试结果由锁存电路保存。线缆断点分析模块根据高速脉冲宽度检测电路测试的结果判定线缆的断点位置以及发生断点故障的原因：当Tp＞T/2时，为断路故障，线缆故障点与测试点之间的距离S＝V×(T-Tp)/2；当Tp＜T/2时，则为短路故障，S＝V×Tp/2。

4)中央处理模块主要由一片高性能的DSP处理器组成。它主要负责差分探测脉冲宽度的设定、通道选择、数值计算以及结果显示等工作，所述差分探测脉冲宽度T＞4S_max/V，其中S_max为所测试线缆的最大长度，V是电信号在待测线缆中的传输速度。

本发明除了可以用于网络线缆的断点位置与断点故障原因的测试外，还可以用于同轴线缆的断点位置与断点故障原因测试，而且实现成本低廉，性价比很高。用户只需设置待测线缆的NVP值，即可获得准确的线缆断点位置及故障原因。该发明只需连接待测网络线缆的任何一端，即可检测网络线缆的4对双绞线，操作简单，并且具有测试分辨率高，受环境影响小的特点。

附图说明

图1是本发明进行线缆测试的发射脉冲、反射脉冲、回波信号以及经过比较器之后反映故障位置与原因的脉冲信号波形原理图。

图2是本发明的网络线缆测试仪的整体原理框图。

图3是本发明实施例的阻抗匹配电路示意图。

图4是本发明实施例进行线缆测试的回波波形图，其中(a)、(b)、(c)分别对应不同长度的双绞线。

具体实施方式

下面通过实施例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

探测脉冲产生与发送可以根据所需的测试范围来选择探测脉冲宽度，如果探测脉冲宽度选择不合理，将造成发射脉冲与反射回波不会形成叠加，增加检测的难度，且无法分清究竟是短路故障还是短路故障。探测脉冲的形成(由高速定时器完成)推荐使用高性能的可编程逻辑器件(FPGA)，保证探测脉冲的陡峭上升沿特性。使用高速单端-差分转换器将单端探测脉冲转换为差分探测脉冲，再通过高速缓冲驱动、阻抗匹配后发送到待测线缆。高速缓冲驱动电路由74ACT125缓冲器构成，阻抗匹配电路由阻容网络组成，如图3所示。

回波信号的接收与处理分为比较器与脉冲宽度检测与故障分析。高速比较器采用MAXIM公司的MAX964，它具有4个比较器，分别用于检测网络线缆中的四对双绞线，刚好满足本发明的要求；高速脉冲宽度检测电路、锁存电路与线缆断点分析模块集成在FPGA内部。根据脉冲宽度的值判定究竟是短路还是断路故障，并给出故障点与测试点之间的距离。

由于本发明需要的I/O接口数目与存储单元较多，并需要对测试数据进行相应的补偿算法，中央处理器的性能较为重要，因此建议选用高速、高性能的嵌入式处理器。

在本实施例中，高速定时器、高速脉冲宽度检测电路、锁存电路和线缆断点分析模块均可集成在一款高性能的可编程逻辑器件(FPGA)中。

在实验中，使用上述装置分别对长度为1.41m、4.86m与262.6m的双绞线发射差分脉冲进行测试，同时使用TDS3052示波器在待测线缆与本实施例装置的连接端进行观察，可得发射脉冲与反射脉冲间的时间间隔分别为14ns、48ns与2.7μs。由公式S＝ΔT×V/2(本试验所用双绞线，电信号在其中的传播速度为200m/μs)，计算测得的长度分别为1.4m、4.8m与270m，测试线缆时回波波形图如图4(a)、(b)、(c)所示。可见本发明的宽脉冲时域反射法测试分辨率高、结果准确，能很好的解决窄脉冲线缆测试中的测试盲区问题。

Claims

1.一种网络线缆故障测试方法，包括如下步骤：

1)产生单端探测脉冲信号，探测脉冲宽度T＞4S_max/V，其中S_max为所测试线缆的最大长度，V是电信号在待测线缆中的传输速度；

2)将单端探测脉冲转换为差分探测脉冲；

3)差分探测脉冲通过高速缓冲驱动、阻抗匹配后发射到待测线缆；

4)差分探测脉冲到达线缆的阻抗不连续点，产生反射脉冲；

5)将差分探测脉冲和反射脉冲叠加后形成的回波信号送入高速比较器的同相输入端，与高速比较器反相输入端的比较电平进行比较，产生包含故障信息的门控脉冲信号，其中所述比较电平高于发射的差分探测脉冲电平，但低于回波信号的脉冲电平；

6)对该门控脉冲的宽度Tp进行检测，并保存测试结果；

7)判断故障的位置和原因：当Tp＞T/2时，为断路故障，线缆故障点与测试点之间的距离S＝V×(T-Tp)/2；当Tp＜T/2时，则为短路故障，S＝V×Tp/2。

2.如权利要求1所述的网络线缆故障测试方法，其特征在于：所述差分探测脉冲是由一对相位相差180度的脉冲A和B组成，分别发射到待测线缆中一对双绞线的两根线中，在步骤5)只将其中的一个脉冲A或B与其反射脉冲叠加后形成的回波信号送入高速比较器的同相输入端。

3.如权利要求1所述的网络线缆故障测试方法，其特征在于：所述步骤6)利用一高速脉冲宽度检测电路对所述门控脉冲的宽度Tp进行检测，测试结果由一锁存电路保存。

4.一种网络线缆故障测试仪，在该测试仪的以太网控制器与网络RJ45连接器之间设置可编程差分探测脉冲形成模块、探测脉冲发射模块、回波接收与处理模块及中央处理模块，其中：中央处理模块负责差分探测脉冲宽度的设定、通道选择、数值计算以及结果显示，所述差分探测脉冲宽度T＞4S_max/V，其中S_max为所测试线缆的最大长度，V是电信号在待测线缆中的传输速度；可编程差分探测脉冲形成模块根据中央处理模块的设定产生差分探测脉冲信号；该差分探测脉冲信号经探测脉冲发射模块发送到待测线缆中；回波接收与处理模块又包括高速比较器、门限设定电路、高速脉冲宽度检测电路、锁存电路以及线缆断点分析模块，待测线缆的回波信号送入高速比较器的同相输入端，中央处理模块控制门限设定电路输出比较电平送入高速比较器的反相输入端，产生包含故障信息的门控脉冲，高速脉冲宽度检测电路对该门控脉冲的宽度Tp进行检测，测试结果由锁存电路保存，最后由线缆断点分析模块根据测试结果判定线缆的断点位置以及发生断点故障的原因：当Tp＞T/2时，为断路故障，线缆故障点与测试点之间的距离S＝V×(T-Tp)/2；当Tp＜T/2时，则为短路故障，S＝V×Tp/2。

5.如权利要求4所述的网络线缆故障测试仪，其特征在于：所述可编程差分探测脉冲形成模块由高速率定时器、高速单端-差分转换器连接组成，其中高速率定时器产生单端探测脉冲信号，经高速单端-差分转换器转换为相位相差180度的差分探测脉冲对。

6.如权利要求5所述的网络线缆故障测试仪，其特征在于：所述探测脉冲发射模块由高速缓冲驱动电路、阻抗匹配电路连接组成。

7.如权利要求6所述的网络线缆故障测试仪，其特征在于：所述高速缓冲驱动电路由74ACT125缓冲器构成，所述阻抗匹配电路分为两个并行电路，分别发送组成所述差分探测脉冲对的两路脉冲，其中一路脉冲经74ACT125缓冲器缓冲后首先通过一个50～1000欧姆的电阻，再经过一个200～10K欧姆的电阻和1000～2000pF的电容组成的并联电路发送到待测线缆，同时又通过一个100～1000欧姆的电阻送到高速比较器的同相输入端；另一路脉冲经74ACT125缓冲器缓冲后首先通过一个50～1000欧姆的电阻，再经过一个200～10K欧姆的电阻和1000～2000pF的电容组成的并联电路发送到待测线缆。

8.如权利要求5所述的网络线缆故障测试仪，其特征在于：所述高速率定时器、高速脉冲宽度检测电路、锁存电路和线缆断点分析模块集成在一款可编程逻辑器件中。

9.如权利要求4所述的网络线缆故障测试仪，其特征在于：所述中央处理模块为嵌入式处理器。

10.如权利要求4所述的网络线缆故障测试仪，其特征在于：所述高速比较器采用MAXIM公司的MAX964。