专利名称：局域网测试器的接插线长度测量的制作方法
相关专利申请的交叉引用本申请要求2002年12月12日提交的美国临时申请No.60/432，858和2002年12月12日提交的美国申请No.10/317,555的优先权。
背景技术：
局域网(LAN)电缆线路(cabling)被用于连接例如个人计算机、打印机和传真机之类的使用高速数字信号在它们之间传递信息的设备。这种类型的高性能电缆线路有时被称为电信电缆。因为办公室有很多计算机、计算机文件服务器、打印机和传真机，所以LAN电缆线路将所有这些设备互连成通信网络。LAN电缆线路已经被设计来支持网络的所有单个单元之间的电信。
图1以简化图示出了LAN电缆线路的实例。图1示出了LAN电缆线路是如何被用于将位于某人办公桌的个人计算机1连接到电信室中的文件服务器2的，其中LAN电缆线路的大部分都布在建筑物的墙壁内。墙壁内电缆3的最大长度不能超过90米。墙壁插孔连接器4被用于将来自计算机和文件服务器的接线5连接到LAN电缆线路。
电缆线路电缆线路是术语LAN电缆线路中的重要词汇，这是因为电缆线路包括设置在LAN电缆上的连接器4和电缆3本身。因此，LAN电缆线路的性能取决于连接器和电缆。
安装技术人员将LAN电缆线路安装作为新建筑的一部分或者作为现有结构中LAN性能升级的一部分。在任何一种情况下，技术人员将LAN电缆3拉过墙壁，然后将连接插孔4安装到电缆端部。然后，插孔被按扣到墙壁插孔安装板中，安装结束。
但是，技术人员然后需要用校准的测试设备来测试每一个LAN电缆线路走线或链路。这种测试向总承包者证明从信号完整性的角度看电缆线路走线已经被正确安装。手持LAN测试器被用来进行这些测试。测试器用一系列不同信号类型驱动电缆线路，并且根据所接收信号的测量，确定电缆线路是否能够以规定的数据速率支持电信信号。
LAN测试器记录每一次测试的结果，然后在以后的时间打印出说明链路通过或没通过的测试文档。对于通过的链路，技术人员会得到报酬。如果有没通过的链路，技术人员必须再次测试，并且通常替换掉被错误或不恰当安装的连接器。技术人员一直对链路进行测试和修复，直到所有链路都通过。
LAN测试器LAN测试器是相当复杂的手持测试系统，在TIA6类电缆线路的情况下，LAN测试器可以通过覆盖1到250MHz频率范围的一系列测试来测试LAN链路。图2示出了典型的LAN测试器6，测试适配器电路板7连接到LAN测试器。测试适配器电路板包括测试插孔连接器8。该测试适配器的目的是提供LAN测试器与待测试LAN链路之间的连接接口。
测试插孔8允许LAN测试器6通过接插线9连接到LAN链路，如图3和图4所示。接插线的典型长度是2米，或者约6英尺。该长度允许技术人员在测试走线期间方便地将LAN测试器连接到墙壁插孔4。
标准技术人员参照电信行业标准来测试他们安装的链路。在美国，标准由TIA或电信行业协会指定。在欧洲，标准来自ISO，即国际标准组织。当测试链路时，技术人员选择正在测试哪种类型的链路以及相应的一套测量限制，所述限制可以来自TIA或ISO。
对链路进行测试，并且将测量结果与来自指定标准的限制进行比较。如果没有超出限制，那么链路通过。如果超出，那么链路没通过，技术人员必须按规定研究没通过的链路直到它通过。通常这意味着将连接器重新安装到电缆端部。
标准链路定义图5示出了简化形式的标准永久链路，其中90米的LAN电缆，其布在结构墙壁内或者天花板上。附接到电缆线路端部的墙壁插孔被用来将链路与电信室中的设备连接在一起，以及将链路连接到办公室局域网内的单个设备例如计算机或打印机。TIA和ISO制定90米的长度为永久链路的最大长度。
链路测试图6图示了LAN测试器是如何检查链路性能的。当测试链路(行业内公知的“诊断(shooting)”链路的过程)时，需要两个LAN测试器，如所示的。技术人员在链路的一端链接显示端LAN测试器6A，在链路另一端连接远程端LAN测试器6B。因为显示端LAN测试器具有用于显示测量测试结果的显示屏，所以技术人员从显示端诊断链路，从那里控制测试并观看测试结果。
在测试期间，首先一个单元向链路一端施加测试信号，两个单元同时测量结果。然后角色互换，在链路的相反端进行信号施加和信号测量。当测试结束时，远程单元将其数据测量文件发送到显示单元，用于在显示单元内的最终处理和存储。对测量数据集应用由所选标准规定的对每一个测试的限制，来确定链路通过或没通过验证测试。
标准链路TIA和ISO两者都定义了两种类型的LAN链路，信道链路和永久链路。每一种链路在下面示出并讨论。
信道链路信道链路包括LAN链路和接插线，如图7所示，但是不包括到信道测试适配器板7A的连接。信道链路测量通道包括墙壁内的链路3、墙壁处的配对连接器对(mated connector pair)和接插线，并被认为代表最终完成的电信链路的性能，其还使用接插线来将个人计算机和文件服务器彼此连接。因为在该通道中有更长的电缆线路长度，所以对信道链路的测试限制不像对永久链路的那些限制那么严格。
永久链路永久链路包括链路3以及在墙壁插孔处的配对连接器对，但是它不包括接插线，如图8所示。它也不包括到永久链路测试适配器板7B的连接。永久链路测试只评价墙壁内的电缆、墙壁处的连接器插孔、插入到插孔中的插头以及附接到每一个插头的2厘米的电缆。永久链路测试基本上只代表墙壁内的链路电缆线路的性能。因此，永久链路测试限制是最难通过的测量限制。
结果，技术人员经常被告知他们的链路没有通过永久链路测试，要将LAN测试器限制改变为信道链路限制，并重新测试。如果信道测试通过了，那么链路就可以认为在这些条件下通过了。
现在将考虑当技术人员对他们安装的局域网(LAN)电缆线路进行测试以符合适合的TIA或ISO测量限制时，他们所面临的测试问题。技术人员将用永久或信道链路测量限制来验证所安装的链路。假定技术人员已经在LAN验证测试之前对现场的测试设备进行校准的必要步骤，以确保最大的LAN测试器测量精度。
永久链路测试问题1.永久链路适配器构造注意现有技术中的永久链路测试适配器7B，如图8所示。记住，永久链路包括墙壁中的电缆和墙壁插孔处的配对连接器对，但是它不包括大部分接插线。永久链路适配器(PLA)典型地如下制造将接插线切成两半，然后将切断的接插线端部的每一个焊接到永久链路测试适配器外壳内的印刷电路板(PCB)。这些PCB被设计成几乎不引起信号完整性问题，使得他们的影响被忽略。
2.永久链路测试寿命永久链路适配器具有有限的测试寿命，这是由于接插线进入PLA外壳时的机械挠曲(flexing)。当接插线已经挠曲到超过其最大挠度(flexure)时，它就需要被替换掉。当这发生时，整个PLA都必须被替换。此外，为了最大的测试精度，两个PLA，在显示端的一个和在远程端的一个，都应该被替换。
3.专用PLALAN测试器经常使用专用PLA用于每一个被测试的永久链路。这是因为接插线的电路和传输线特性可能是整个PLA测量结果的重要部分。安装技术人员需要知道他或她正在测试什么链路，谁做的电缆线路，以及要使用的优选PLA类型是什么。
4.匹配的PLA组通常，技术人员将使用与由厂商提供的在链路中使用的电缆类型匹配的一组PLA。如果使用来自厂商X的电缆线路，(即，电缆加上连接器)制造链路，那么将使用由厂商X接插线制成的PLA用于验证测试。
5.PLA成本PLA对安装者来说可能是非常贵的项目，一般一组两个要400美元或更多。如果LAN电缆线路安装测试公司有几个安装者，每一个需要几种不同的厂商特定的PLA组，那么该费用项目可能会相当昂贵。成本来自专用印刷电路板，其在塑料外壳内用于形成PLA的结构，并连接到LAN测试器。
6.PLA串扰此外，当LAN验证移到高于250MHz的频率时，作为测量系统一部分的PLA的性能变得更加重要。随着频率的增加，所测量的PLA连接电路板内导体对之间的串扰或隔离缺乏成为一个很严重的问题。当隔离下降到超过一定水平时，LAN测试器不能测量电缆线路对与对之间的隔离，因为它不能越过其自身PLA产生的串扰来“看”。
本发明提供了该问题的解决方法。解决方法是在测试适配器板上使用具有已证明的隔离特性的连接器，然后通过具有连接器的接插线连接到该测试适配器板，该接插线的连接器配合到适配器板上的连接器。
7.PLA基准面校准与永久链路适配器有关的最后一个问题是测量基准面位置。永久链路校准的目的是使所有永久链路测量都相对于沿接插线的已知点。具体而言，永久链路测量基准面被计算为将该点设定在接插线端部，距离墙壁插孔2厘米。通过该校准，来自接插线的所有影响都被从永久链路测量中除去了。用于在该点定义和设定基准面的校准过程可以包括取一组原始的永久链路校准数据，最后使其相对于该期望的基准面。
信道链路测试问题1.信道链路适配器注意在图7中示出的信道链路测试适配器7A。记住，信道链路包括链路(即，墙壁中的电缆和墙壁插孔处的配对连接器对)和接插线，但是它不包括在信道测试适配器板处的插孔或插头。信道链路适配器(CLA)通过在安装于CLA外壳内的印刷电路板上设置具有适当隔离的直角连接器来制造。直角连接器被选择用来在与用于信道链路验证的接插线配合时提供重要的对与对的隔离。
2.CLA测试寿命与永久链路测试适配器相比，信道链路适配器具有长很多的测试寿命，因为低成本可替换接插线的使用解决了接插线的机械挠度问题。随着接触件上覆层的耗损，安装在CLA内部印刷电路板上的连接器最终会坏掉。不过，信道链路适配器的测试寿命比永久链路适配器的测试寿命长很多。
3.专用CLA当测试信道链路时，LAN测试器也使用专用CLA，因为在信道链路适配器印刷电路板上使用了低串扰、高隔离的连接器8。
4.匹配的CLA组由于安装在CLA外壳内的PCB上的高隔离直角印刷电路板，通过定义使用匹配的CLA组。但是，在与PLA相比时，任何类型的接插线都可以与CLA一起使用，只要接插线符合测试中的链路的电缆线路类别。
5.CLA成本CLA比PLA便宜，因为它们可以使用任何符合的接插线来连接到信道链路并对其进行测试。
6.CLA串扰由于在CLA模块外壳内使用的低串扰连接器，信道链路对与对的隔离比永久链路的隔离好。
7.CLA基准面校准信道链路适配器的最后一个问题也是测量基准面位置问题。具体而言，信道链路测量基准面被设定在接插线连接器的端部位于接插线的输入端，如图7所示。通过该校准，来自接插线输入连接器(即，测试器端部的插头)的所有影响都被从信道链路测量中除去了。
LAN链路测量问题总结根据前面的讨论，当与信道链路适配器相比时，永久链路测量需要使用单独的一组永久链路适配器，就如下方面而言这增加了不期望的一组成本1)永久链路适配器本身；2)专用PLA组的数量；以及3)由于接插线挠度故障导致的有限的PLA测试寿命。与信道链路适配器相比，永久链路适配器在最小化对与对的串扰方面还有更多的问题。
发明内容
由于这些原因，在本发明中提出了校准/测量方法，其目的是1.彻底除去永久链路测试适配器；2.减少LAN测量开销支持成本；3.改善信号完整性；4.提高在高于300MHz频率处的LAN链路测量精度；5.提供用于使用信道适配器和低成本接插线测量永久链路的装置；以及6.提供用于测量接插线物理长度的装置。
相位作为对本发明的方法进行描述的准备，需要给出对相位的讨论。相位测量的能力是本发明LAN测试器的关键属性。即，除了幅度之外，本发明的手持LAN测试器还可以测量相位。该能力允许测试器将测量基准面设定在沿着待测量的LAN链路的一个特定的点。初始校准基准面可以被设定在沿链路的一个点，该点易于设定、测量、限定和实现。
相位还允许测试器在LAN链路测试期间的任何时间，容易地将初始校准基准面和其所有相关联的LAN链路测量都移到另一个新的基准面位置。具体地，利用相位信息，显示端和远程端每一个都可以将相位基准面图9移动到所示四个可能位置中的任何一处，即从信道链路适配器印刷电路板内，经过位于CLA输出处配对连接器对以及沿接插线长度的任何地方，直到墙壁插孔处的配对连接器对。相位基准面的移动使得本发明的测试器能够使用信道链路适配器和低成本接插线来进行永久链路测量。
简要来说，该方法包括校准步骤，即测量每一个接插线以及在接插线每一端处的配对连接器对的总的散射参数ST，如图10所示。每一个接插线的散射参数SB可以从接插线的已知特性中获得。这与总散射参数矩阵ST一起允许计算在接插线端部的配对连接器对的散射参数SA和SC。利用已知的配对连接器对的散射矩阵SA和SC以及接插线的散射矩阵SB，基准面可以沿着线从LAN测试器内移到任何地方，以进行永久链路或信道链路测试。
图1是从工作区到电信室的LAN电缆线路连接的示意图。
图2是具有测试器适配器和测试插孔的现有技术LAN测试器的示图。
图3和4图示了具有接插线的现有技术LAN测试器连接。
图5图示了标准50米链路。
图6图示了通过LAN测试器来测试或“诊断”链路的过程。
图7图示了信道链路配置。
图8图示了永久链路配置。
图9图示了如本发明教导的具有相位的测量基准面的移动。
图10图示了本发明的LAN测试器。
图11是驱动信号和由本发明的LAN测试器测量的所得信号的曲线图。
图12是本发明显示单元中的相位测量电路的示意图。
图13是根据本发明，在工厂校准期间设定测量基准面的图示。
图14是通过配对连接器对的基准面的移动的图示。
图15是根据本发明，基准面沿接插线的移动的图示。
图16图示了在图9中点2处的基准面是如何与在图9中点3处的基准面相关的。
图17是本发明LAN测试器显示单元的分解透视图。
图18是测试器单元下部的分解透视图。
图19是本发明LAN测试器单元的数字控制电路板的框图。
图20是本发明模拟电路板的框图。
图21是本发明的详细相位测量框图。
图22是具有短路端子的接插线的电路图。
图23是具有开路端子的接插线的电路图。
图24是被连接在一起用于测量接插线物理长度的LAN测试器显示单元和远程单元的物理配置图。
图25是输入阻抗与频率的关系图。
具体实施例方式
在图9中示出了本发明LAN测试系统的示意表示。测试系统包括手持显示单元10、手持远程单元12以及第一和第二接插线14和16。每一个接插线包括在一端的第一插头14A、16A，实际电缆14B、16B，以及在另一端的第二插头14C、16C。显示单元10具有信道链路适配器板18，其上设置有第一连接器插孔20。插孔暴露于显示单元外部。插孔20可以接收接插线的插头14A或16A，用于形成第一配对连接器对。当诊断链路时，接插线的其它插头14C、16C与墙壁插孔22配对，墙壁插孔22附接到在墙壁内部走线的链路24。远程单元14类似地具有信道链路适配器板26，其上设置有第二连接器插孔28。连接器20和28两者优选地都是具有合适的对与对隔离的直角连接器。RJ-45插孔或用于更高频率的Siemon terra插孔是合适的。插孔28接收第二接插线的插头16A，以形成第二配对连接器对。当诊断链路时，第二接插线16的插头16C连接到在链路24端部上的墙壁插孔30。显示单元和远程单元包含用于测试链路的适当的射频和电子电路。显示单元还具有用于启动和控制测试功能的用户致动开关，以及将任何合适的数据传送给用户的显示器。显示单元还具有用于进行下面描述的计算的计算机处理器，以及用于存储所测量的散射参数和其他数据的存储器。
LAN测试系统的操作如下。首先，必须进行通过显示单元和远程单元以及两个接插线的现场校准。该校准的目的是通过使用如图10所示的具有连接到显示单元和远程单元的一组信道链路适配器的任何两个接插线，设定用于显示单元和远程单元的测量基准面。两个接插线应该由相同的厂商制造，并且在每一端具有相同的插头，但是他们不必具有相同的长度。
散射参数因为显示单元和远程单元可以测量相位，所以由接插线插头和接插线本身组成的整个接插线可以通过测量它们的频率响应利用散射参数或[S]参数来被测量或表征。从工厂校准中，在信道适配器印刷电路板上的测量基准面将位于到信道链路适配器板18、26上的直角连接器插孔20、28的输入处。
测量步骤1.将接插线14连接在两个单元之间。
2.测量这样连接的、包括在每一个信道链路适配器板18、26处的配对连接器对20、14A和28、14C的第一接插线14的所有四个散射参数。
3.保存测量出的第一接插线14的总的散射数据[ST]1。
4.将第二接插线16连接在两个单元之间。
5.测量这样连接的、包括在每一个信道链路印刷电路板18、26处的配对连接器对20、16C和28、16A的第二接插线16的所有四个散射参数。
6.保存测量出的第二接插线16的总的散射数据[ST]2。
计算步骤1.对每一个接插线，散射矩阵的元素是一组简单等式或项，已知的等式如下 假定配对连接器对具有相同的特性 作为两端口的实例，考虑j=-1]]>c＝3.108M/秒假定输入配合的LAN连接器对A矩阵-[SA]的值
接插线矩阵-[SB](假定该线是理想匹配)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输出配对LAN连接器对A矩阵-[SC](注意与[SA]的关系)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]]>用作参考SC=0.04-0.0110.3-0.110.3-0.110.04+0.011]]>det_C＝SC1，1·SC2，2-SC1，2·SC2，12.对于可接受的精度，接插线特征阻抗Zo是已知的，而为了达到非常好的一阶近似，可以认为Zo＝100Ohm。
3.接插线的电学长度是已知的。长度可以由测试器单元的制造商指定，或者其可以由LAN测试器测量。
4.对于可接受的精度，在接插线每一端的配对的插孔和插头的散射矩阵可以假定为是相同的。
5.然后，使用合理的假定、上面的1-4以及[ST]1，可以解出第一接插线14的测量的总散射矩阵以及在接插线每一端处的配对的插孔和插头对的散射矩阵。
6.通过配对连接器对散射矩阵以及接插线14的散射矩阵，可以通过印刷电路板上的配对连接器对移动测量基准面。该基准面位置对于进行信道链路测试是必需的；或者基准面可以被进一步沿着接插线移到墙壁插孔内1或2厘米，以进行永久链路测量。
7.然后使用第二接插线6进行相同一套测量和计算。
8.保存整天的测试的配对连接器对的散射参数，或者直到选择另一组接插线时保存，此时重复现场校准过程。
可以使用线性代数计算来操作散射参数矩阵，以解出配对的LAN信道连接器散射矩阵的元素。在该组计算中，假定配对连接器对的一组散射参数，并根据已确定的公式，通过将配对连接器对的散射矩阵与接插线传输线的散射矩阵组合在一起来计算完整的总散射矩阵[ST]。
然后，通过作为“给定的”最终测量结果的[ST]，以及通过对接插线传输线的假定即上面的假定2和3，加上假定4即假定两个配对连接器对的散射矩阵相同，程序解出配对连接器对散射矩阵[SA]的元素。
程序对[SA]解出并计算出与在对总[ST]矩阵的初始计算中假定的相同的值一样。该计算确认数学模型是正确的。
现在转到考虑本发明的相位测量方面，本发明的LAN测试器在测试LAN电缆线路时测量两个信号之间的关系，以符合公布的LAN电缆线路性能标准。由测试器测量的信号关系是幅度比，并且包括两个信号之间的相位关系。注意，所讨论的相位测量是驱动信号电压与相应的由于该相同驱动信号被耦合或反射的电压之间的相位。这两个信号在由工厂或现场校准过程确定的指定基准面处测量。
可以示出两个正弦信号在相同频率下的相位差。在图11示出的曲线图中，V_驱动迹线(实线)对应于到LAN电路线路中的驱动信号。V_测量迹线(虚线)是将由LAN测试器测量的所得信号。注意，V_测量的幅度是V_驱动幅度的40％。V_测量比V_驱动滞后30度相位。在曲线图中也可以看到V_驱动与V_测量之间的滞后相位关系。
如果计算过V_测量与V_驱动的比，那么然后计算例如与一个LAN电缆对上的驱动信号和出现在另一个LAN导体对上的耦合的串扰信号相关的串扰项。当计算V_R＝V_测量/V_驱动时，|V_R|，即V_R的幅度＝|V_R|＝|V_测量|/|V_驱动|＝0.4/1.0＝0.4。因此，|V_R|＝0.4。
两个信号之间的相位必须使用用于相位基准的信号中的一个来计算。在这种情况下，V_驱动信号被定义为基准信号。V_测量与基准信号V_驱动的相位关系是滞后30度的相位。因为涉及相位角，所以比V_R＝V_测量/V_驱动是复数，其具有相应的幅度|V_R|和相位角φ_R＝-30度。φ_R上的负号表明在相位上V_测量比V_驱动滞后30度。因此，V_R＝0.4∠-30度。
还可以根据两个方形波信号的时间关系，通过计算方形波信号的两个相应对边的之沿间的时间差来计算相位。这在图12中图示，其中，信号从左走到右。注意，在图12中，两个方形波V测量和V驱动，其中，V_测量的前边沿比基准V_驱动方形波的前边沿滞后时间差Δt。通过使Δt与在频率F时钟下运行的精确基准时钟的周期T时钟相关，该时间差Δt可以被用来计算两个信号之间的相位。
T时钟＝1/F时钟这两个方形波之间的相位角度φ_R就为φ_R＝360×(Δt/T时钟)度相位测量电路确定Δt的值，并输出与两个方形波V_测量和V_驱动之间的相位相关的信号。本发明的LAN测试器使用可编程门阵列来测量Δt。
LAN测试器可以测量相位，相位需要参照于测量基准面，如下面讨论的。
1.初始地设定测量基准面——在校准期间，相位测量能力允许LAN测试器在沿着被测量的LAN链路的一个指定点处设定或限定测量基准面。在工厂校准过程期间限定的该基准面，可以设定在沿链路的任何点，以允许简单且便于进行的测量。该校准过程在图13中示出。
基准面位置在初始工厂校准中通过图13所示的程序被限定或设定在显示端和远程端。对信道链路适配器上的插孔顺序应用包括短路、开路和端子的插头。用连接到插孔的每一个插头来进行扫频测量。从所测量的包括相位信息的数据中，显示端或远程端将其基准面设定在CLA印刷电路板上的插孔中用虚线示出的点。通过将该基准面设定在该点，相位信息还允许它从该点沿接插线上下移动。
2.移动测量基准面——在接插线现场校准之后，相位还允许LAN测试器在链路测试期间容易地移动该初始校准基准面。相位允许初始基准面在LAN链路测试期间的任何时间被移动到新的基准面位置。具体地，通过相位信息，显示端和/或远程端每一个都可以将它们的相位基准面移动到从信道链路适配器PCB内，经过位于CLA输出处的配对连接器对以及沿接插线长度的任何地方，直到墙壁插孔处的配对连接器对，即图9所示四个可能位置中的任何一处。
2a.利用接插线现场校准期间对配对连接器对测量和计算的[S21]连接器对数据在信道链路适配器模块上进行基准面通过配对连接器对从1到2的移动，如图14所示。该步骤设定用于信道链路测试的基准面。
2b.利用在现场校准期间对接插线测量和计算的[S]-参数数据进行基准面沿接插线从2到3的移动，如图15所示。
注意，沿接插线从2到3的期望长度L线以物理长度单位英寸表示。单位为英寸的L线需要被转换为单位为度的等效电学相位长度φ线。
在接插线现场校准期间，接插线的NVP(标称传播速度)通过测量被确定。根据该值，使用下式计算从2移到3的对应的电学相位长度φ线β＝(360×f)/(NVP×c)度/英寸其中c＝自由空间中的光速＝1.1811×1010英寸/秒f＝以Hz表示的信号频率然后，使用下式计算单位为度的φ线φ线＝L线×(360×f)/(NVP×c)度使该公式只与从2到3移动的接插线基准面相关，如图16所示。
使用[S21]连接器对数据将所测量的LAN电缆数据通过配对连接器对从1移到2，如图14所示。参照图15，其示出了单位为英寸的接插线长度是如何与单位为度的等效接插线电学长度相关的，图16使这些项按照下面的公式相关 对于被合理良好匹配的接插线来说，该表达式变为 如果接插线具有不等于Z0＝100Ohm的特征阻抗Z0p，那么接插线S11p和S22p就非零，然后用使用标准传输线理论计算出的非零值替换。
最后，通过使用接插线散射矩阵[S]接插线，参照面2测得的LAN电缆数据被相关到面3。
从该矩阵中可以看到，对与良好匹配的接插线来说，通常的情况是对S11和S22配对连接器对项没有影响。对配对连接器对散射矩阵的唯一影响是增加的相位项，e-jφ线。
因此，用通过测量或规定得知的接插线NVP，测量基准面可以通过信道链路适配器板上的配对连接器对移动，并沿着接插线从配对连接器对的输出端处的面2移动指定的英寸数。
现在转到对测试器单元更详细的描述，图17和图18的分解透视图示出了测试器的全部物理配置，并示出了其印刷电路板是被如何容纳的。所示出的测试器是显示单元10。应该理解远程单元是类似的。测试器具有包括前罩32和后罩34的外壳。后罩界定插座或井36，用于接收和安装信道链路适配器印刷电路板37。在外壳内部有数字控制模块38，其驱动和控制模拟激励/测量模块40。两个模块都设置到印刷电缆板中，在这里将被称为数字板和模拟板。模拟板40包括在其下部的连接器42。该连接器通过后罩中位于井36底部的开口43与信道链路适配器上的配合连接器可松开地啮合。时域反射计(TDR)44测量能力由第三分立模块提供。图17中示出的其他组件包括PCMCIA持卡器46、通用串行总线(USB)端口48和串行端口50。它们被安装在数字板38上。彩色显示单元52和键盘54被安装在前罩32上或其中。对外壳物理设置的进一步的细节可以在2001年5月22日提交的题目为“Apparatus with Interchangeable Modules for MeasuringCharacteristics of Cables and Networks”的美国专利申请No.09/863,810中示出和描述，该专利的公开内容通过此引用而包含于此。
数字控制模块38的所有功能在图19的数字控制电路框图中示出。数字板由被安装在测试器内的固件驱动的高速中央处理单元(CPU)56控制。可以提供数个存储器块(未示出)，以及RAM存储器58、小的引导闪存60和更大的引导闪存62。测试器通过使用USB48或者通过到CPU 56的串行接口连接50与外部个人计算机(PC)1通信。闪存或网卡64可以安装在测试器中，闪存或网卡64通过PCMCIA块46连接到CPU。这些卡可以用来存储另外的测试结果，或者用于将新的固件上载到CPU。到CPU或来自CPU的其他连接包括键盘54、彩色显示器52、扬声器话筒66、实时时钟68和在温度升高时用于补偿模拟板性能的温度传感器70。
最重要的是通过I/O总线72与模拟板40的通信。该总线被示为分立的块，因为它将来自数字板38的控制命令接口到模拟板40，并且它返回从模拟板测得的数据用于存储在显示单元存储器中并且显示在彩色显示器52上。
图20的LAN测试器模拟电路框图示出了模拟板40上的主要功能块。为了清晰，已经省略了其它块。模拟板产生一组连续变化的低频(LF)和射频(RF)信号，这些信号通过使用模拟板上的信号交换中继体(relay bank)74被施加给所选的一个LAN电缆线路导体对。相同的中继体将待测量的返回信号从另一个所选的LAN电缆导体对承载回模拟板中。模拟板上的电路块然后调节返回的测试信号，并测量其相对于施加的驱动信号的特性。低频LF测量包括电缆容量、长度、导线DC阻抗、线路映射(wire mapping)和延迟。与这些低频信号相关联的电路块由相关联的标注标识。
注意框图中标注“MUX”的几个地方。MUX是多路复用器的缩写，其为将几个不同信号的输入路由到所选信号路径的交换设备。LAN测试器模拟板使用几个MUX，因为它是4-信道测试仪器，能够测试被测试的LAN电缆中四个可能导体对中的两个。信号路由以及信道与信道间的信号隔离需要MUX。
电路块76、78示为RS-485块，一个用于通信，另一个用于与门阵列和测量IC 80的LAN测试器接口，并用于DC模拟板上的DC电源控制和电源管理。
模拟板40还测量电缆串扰的RF参数、回波损害和衰减。具体地，模拟板测量返回信号的幅度除以RF驱动信号的幅度的比。已经向模拟板的单元中增加了电路，用于测量返回的测试信号相对于在所选导体对上发出的RF驱动信号的相位。
RF驱动器82将来自RF合成器84的信号通过RF信号交换中继器74发送到一对LAN电缆导体上。驱动信号还被发送到回波损耗桥86。
所得到的测试信号通过相同的一组RF中继器74进入测试器，并且通过回波损耗桥86被路由到RF混频器块88。在这里，其与本地振荡器(LO)信号混频，并被转换成测试IF(中频)信号。
如上面提到的，RF驱动信号还被发送到回波损耗桥86。如图20所示，发送到回波损耗桥的驱动信号进入混频器88，并被转换为相位基准lF信号。将与LAN测量相关联的所有IF信号与该相位基准IF信号进行比较，来确定该测量信号的相位。
一旦基准IF和测试IF信号两者都已形成，它们就被传送到相位测试器90以及基准和测试幅度测试器块92和94。相位测试器块90将相位信息发送到门阵列和测量IC 80。来自基准和测试幅度测试器块92和94的输出被发送到模拟-数字(A/D)多路复用器96，然后被发送到A/D转换器98。从这里，幅度比信号被发送到门阵列和测量IC(集成电路)80。
门阵列和测量IC 80完成测试和基准IF信号之间相位以及它们幅度比的计算，来给出对测量的复数表示。来自IC 80的输出被放到模拟I/O总线72上，该总线与数字板38通信。这样，测试单元的相位测量功能从数字板控制，但是在模拟板上测量和计算。然后，测量结果被从模拟板承载到数字板。
图21的LAN测试器相位测量框图示出了在相位测量系统级上的这一功能。该框图还示出了在模拟板上幅度比的计算。I/O总线72将控制信号从数字板承载到模拟板，但是它还将测试信号的相位和幅度承载到数字板上。一旦测试信号已经被传递到显示板，其就可以被存储在存储器中或者在显示屏52上被显示为彩色图形的形式。
关于测量速度，已经以下面的方式设计测试器体系结构，即，LAN电缆导体对可以用来自显示或远程测试单元10或12的RF信号驱动。然后，所有其他非驱动线可以通过每一个单元内模拟板上的MUX电路而被同时连接到测量电路。该设计特征显著减少测试时间，同时仍旧能提供对测试信号幅度和相位的测量。
现在将注意力转到上述方法和装置可以如何被用于测量接插线物理长度的讨论。下面的过程描述了可以被用于精确地确定由LAN现场测试器使用的接插线的物理长度的应用。如上面解释的，当LAN现场测试器被用于验证商用或家用LAN电缆线路安装时，接插线将现场测试器连接到被测试的电缆线路。接插线物理长度以及相关联的电学长度的影响必须包含在这些链路的测量内。在测试任何电缆线路链路之前，现场测试器必须进行校准。一部分校准作为现场测试器制造中必需的步骤在工厂中进行。在测试链路电缆线路之前在现场中完成的第二校准步骤，表征LAN测试器接插线对。在现场校准期间，每一个接插线都进行线损耗或衰减以及回波损耗的表征。
接插线物理长度还可以在现场校准程序期间通过在一定频率范围上对在另一端通过短路负载或开路负载而端接的接插线进行扫频而被容易地确定。在扫频的同时，现场测试器测量在基准面处看入接插线的输入阻抗。根据|Z输入|、看入接插线的输入阻抗幅度的测量，现场测试器可以确定接插线的物理长度。
在图22中示出了通过短路端接的接插线的等效电路。在图23中示出了通过开路端接的接插线的等效电路。在下面用于确定接插线物理长度的理论发展中，这些电路模型将被用于计算结果。
图24示出了在用于测量接插线长度的一部分的现场校准期间被连接在一起的一对LAN现场测试器显示单元和远程单元10和12。为了讨论的目的，假定显示端接插线14被显示为连接在LAN现场测试器显示单元10与远程单元12之间。当接插线物理长度将由显示单元测量时，远程单元通过使用电交换将短路或开路端子放到LAN电缆线路对的每一个上。
在扫频的同时，显示单元10测量在基准面处看入接插线14的输入阻抗。在图25中示出的输入阻抗曲线示了典型的物理长度为2米的接插线的输入阻抗值与频率之间的关系。2米的物理长度是技术人员在现场测试和验证期间进行LAN电缆线路连接验证时使用的接插线的典型长度。应该理解，2米的长度在这里提到只是用于说明的目的。当然，实际长度是不能预先知道的。
不管测量的是开路负载还是短路负载的接插线输入回波损耗，所得到的输入阻抗幅度曲线的最大值都被频率限定得很尖锐，快速上升到最大值并且急剧下降到在两个最大值之间的接近零处。注意，在图25示出的曲线中，看入接插线的输入阻抗的幅度即|Z输入|的幅度对于高达150MHz的频率达到10,000ohm或更大的值。
该过程的关键点在于最大值的距离，即从一个尖锐的最大“峰值”到另一个的距离，正好是半波长。该原理对任何开路或短路的传输线都适用。因为接插线是传输线，所以该原理也适用于它们。此外，该原理适用于具有小的或中等线损耗水平的所有接插线和传输线。
在图25中绘出的相关联的图出现在没有以接插线的特征阻抗Z线端接的任何传输线或接插线中。但是，当接插线以开路或短路负载端接时，阻抗幅度曲线中的最大值被更尖锐地限定。
接插线物理长度的计算如下。接插线物理长度L接插线与输入阻抗幅度曲线中最大值之间的频率差Δf直接相关。在该频率差的测量之后，显示单元如下计算L接插线，L接插线＝λ/2＝(NVP×c)/(Δf×2)米其中NVP是接插线的传播常数。NVP的值在如上所述的更早的现场校准步骤中由显示单元确定。
c是真空中的光速，3×108米/秒。
Δf是输入阻抗幅度曲线中两个最大值之间的频率差。
在该例子中，根据曲线，Δf＝54MHz＝54×106。
根据接插线测量，NVP＝0.72。
L接插线＝(0.72*3*108)/(2*54×106)米L接插线＝(216)/(108)米＝2米然后，在与远程单元相关联的接插线的校准期间，将重复该过程。在这种情况下，远程单元将驱动该接插线，并且显示单元将以开路或短路负载端接导体对。然后，远程单元将通过相同的计算确定该接插线的物理长度。
该过程对于开路或短路的接插线都适用，因为所需的只是两个最大值之间的频率差Δf以及在更早的现场校准程序中确定的值即接插线的NVP。对于该方法来说，为了确定接插线的物理长度，不需要无损的传输线或无损的接插线。该过程还适用于可能具有中等或低等的线损耗的实际接插线。
虽然已经示出和描述了本发明的优选形式，但是将认识到可以对其做出改变和修改，而不脱离权利要求的范围。
权利要求
1.一种LAN电缆线路测试系统，包括第一和第二接插线，每个都端接在第一和第二插头处；手持显示单元和手持远程单元，所述单元的每一个都包括用于通过所述接插线和待测试的LAN链路发送所选频率的波形到另一个所述单元以及从另一个所述单元接收所选频率的波形的装置；所述手持显示单元包括用于接收一个所述接插线的插头的插孔，所述插孔和插头定义第一配对连接器对；所述手持远程单元包括用于接收另一个所述接插线的插头的插孔，所述插孔和插头定义第二配对连接器对；相位测量装置，用于在所述显示单元或所述远程单元之一中测量相位，以及用于在所述接插线的一端处设定基准面；用于在所述基准面处测量看入所述接插线的输入阻抗的装置；用于测量所述输入阻抗值与频率的关系曲线中最大值之间的间隔Δf的装置；以及用于根据关系式L接插线＝(NVP×c)/(Δf×2)米，来计算所述接插线长度的装置。
2.在具有显示单元和远程单元以及长度为未知的L1和L2的第一和第二接插线的类型的LAN电缆线路测试系统中，每个所述接插线都端接在第一和第二插头处，并且显示单元和远程单元的每一个都具有用于接收接插线插头的插孔，插头和插孔在连接时组成配对连接器对，所述显示单元和远程单元的每一个都具有用于通过所述接插线和待测试的LAN链路发送所选频率波形到另一个单元以及从另一个单元接收所选频率的波形的装置，一种测量接插线长度的方法，包括如下步骤将所述接插线连接到所述显示单元和所述远程单元；确定接插线的标称传播速度，NVP；在所述显示单元和远程单元之一处，在所述接插线的每个线对之间依次放置短路或开路端子之一；在一定频率范围内在所述接插线上扫描波形；在所述接插线一端处测量在基准面看入所述接插线的输入阻抗；测量所述输入阻抗与频率的关系曲线中最大值之间的间隔Δf；以及根据关系式L接插线＝(NVP×c)/(Δf×2)米，来计算接插线长度。
3.一种用于确定与LAN现场测试器的显示单元和远程单元一起使用的接插线物理的长度的方法，包括如下步骤将所述接插线连接到所述显示单元和所述远程单元；确定所述接插线的标称传播速度，NVP；在所述显示单元和远程单元之一处，在所述接插线的每个线对之间依次放置短路或开路端子之一；在一定频率范围内在所述接插线上扫描波形；在所述接插线一端处测量在基准面看入所述接插线的输入阻抗；测量所述输入阻抗与频率的关系曲线中最大值之间的间隔Δf；以及根据关系式L接插线＝(NVP×c)/(Δf×2)米，来计算接插线长度。
全文摘要
本发明提供了LAN测试器，其具有显示单元和远程单元，每个单元都具有附接到适配器板的连接器插孔，用于连接到接插线的插头。显示单元和远程单元都具有能够测量驱动信号电源与相应的由于驱动信号产生的被耦合或反射的信号之间的相位的电路。在现场校准期间测量配对连接器对和接插线本身的散射参数。一个或两个测试器单元中的计算机存储所测量的散射参数，并使用散射参数将基准面沿接插线移到任何期望的位置。接插线的长度可以通过使用相位，通过测量输入阻抗与频率的关系曲线中相邻最大值之间的频率差来确定。
文档编号G01R27/28GK1723395SQ200380105719
公开日2006年1月18日 申请日期2003年12月11日 优先权日2002年12月12日
发明者杰拉尔德·W.·伦肯 申请人:理想工业公司