數字交換機接口特性檢測研究

吳志抄+譚業雙+李召瑞+孫慧賢

摘 要： 針對目前數字交換機檢測使用的協議測試技術無法檢測物理層參數和故障的問題，提出通過對接口特性檢測判斷交換機物理層故障的思路。通過研究交換機的接口特性檢測內容，分析接口特性對交換機的性能與工作狀態特別是對通信可靠性的影響，為提高通信設備的可靠性提供一定的參考。給出了使用通用測試儀器對接口阻抗與信號電平和回波損耗進行檢測的方法，在實際使用中操作簡單，使用方便。

關鍵詞： 數字交換機； 接口特性； 匹配阻抗； 回波損耗； 檢測

中圖分類號： TN916?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）16?0096?02

Detection of digital exchanger interface characteristics

WU Zhi?chao， TAN Ye?shuang， LI Zhao?rui， SUN Hui?xian

（Ordance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）

Abstract： For the situation that protocol testing technology used in detection of digital exchanger can not detect physical layer parameters and faults， a method to determine the physical layer faults of digital exchanger by detecting the interface characteristics is put forward in this paper. Based on the research of the detection contents of the interface characteristics for digital exchanger， the effect of interface characteristics on the performance and working state， especially the communication reliability， of digital exchanger were analyzed. It provides a reference for improving the reliability of the communication equipments. A method to detect interface impedance， signal level and return loss by a universal testing instrument is proposed， which is simple and easy to operate.

Keywords： digital exchanger； interface characteristic； impedance matching； return loss； detection

隨著數字 “數字用戶線”（Digital Subscriber Ling，DSL）技術的發展，數字基帶傳輸系統克服了傳輸距離短、傳輸速率低的缺陷，實現了在單對線上實現全雙工高速遠距離傳輸，廣泛應用于數字交換機的數字中繼接口和綜合業務用戶接入接口[1]。目前對數字交換機測試主要是用專用測試儀器通過協議測試技術來實現對交換的工作狀態判定。協議測試技術在數據鏈路層之上[2]，因而無法對物理層故障進行檢測，而物理層故障也是通信設備的多發故障之一。研究通信設備接口特性檢測，能夠判斷設備的物理層狀態，為協議測試技術提供了補充。

1 接口特性檢測內容

接口特性檢測指通過測量通信設備接口電氣特性，判斷通信設備工作狀態與性能，通常以輸出阻抗與信號電平、輸入阻抗與回波損耗和接口頻率容差等指標來衡量[3]。

1.1 輸出阻抗與信號電平

對于一個通信設備而言，其信號的標稱電平必然是和輸出阻抗一同規范的。輸出阻抗是指通信接口對輸出信號的阻礙。在任何通信系統中，輸出必然存在一個內阻，如圖1所示，可以把通信設備的輸出模型等效為一個電勢為U的理想電壓源和一個阻值為r的電阻串聯。假若連接負載的阻值為R，則此時接口的輸出信號電平值為：

[Uo=U×[Rr+R]] （1）

由式（1）可以得出，U和r不變的情況下，Uo的值隨R的增大而增大。

同時在負載電阻兩端的功率：

[P=U2R-r2R+4r] （2）

在式（2）中，當R=r時，P可以取得最大值[Pmax=U24r]，也就是當負載的阻值和輸出阻抗一致時，接口的輸出功率最大。此時負載電阻稱為該接口的匹配電阻，其阻值即為接口的輸出阻抗。而此時負載兩端的電平值，即為接口的標稱輸出電平。

1.2 接口頻率容差

頻率容差（Frequency Tolerance，FT）指是的通信接口對輸入信號的頻率偏離參考頻率的最大允許偏差，通常用百分比或Hz表示。

圖1 信號輸出等效模型

1.3 輸入阻抗與回波損耗

輸入阻抗指的是設備接口對于輸入信號的等效阻抗。接口在接收信號時，可以等效為一個負載，與輸出阻抗類似，如果輸入阻抗與外部信號源的阻抗不匹配，就無法獲得最大的功率輸入。對于同一接口，其輸入阻抗與輸出阻抗通常是一致的。回波損耗（Return Loss）是表示信號反射性能的參數，由于阻抗不匹配而造成的信號功率損失，通常在輸入和輸出都進行規定。由于接口的輸出回波損耗與負載有關，故不在此進行分析。輸入回波損耗發生的原因是由于輸入阻抗的不匹配導致的在信號輸入過程中一部分信號功率被反射回信號源。其計算方式為：

[RL=-10lgPRPI] （3）

式中：[RL]為回波損耗，通常用dB表示；[PR]為反射功率；[PI]為入射功率。當接口的輸入阻抗為無窮大時，[PR=PI]，回波損耗為0；當接口輸入阻抗為0時，[PR=0]，回波損耗為無窮大。

2 接口特性對數據傳輸的影響

在數據傳輸過程中，由于接口特性與標稱值的偏移，會因誤碼率的上升導致通信的可靠性下降，而影響正常的數據傳輸。當接口的阻抗不匹配時，接收端的接收信號功率下降，輸入接口信噪比下降導致誤碼率上升。同時，當輸出阻抗過大時，標稱負載的信號電平值下降，經過傳輸后超過接收端的信號電平容差范圍，會導致接收誤碼率上升。同理，當輸入阻抗過小時，接收信號電平值過低會影響判決而導致誤碼率上升。回波損耗反映的是接口對信號功率反射量的大小，回波損耗過小，接口反射信號過大，接收到的信號功率就過低而影響正常接收判斷。接口輸入頻率容差范圍小于標稱范圍值時，就會對因傳輸過程中產生頻率偏移的一部分信號不能正常接收，影響通信設備的可靠性。

3 接口特性的檢測方法

對于接口阻抗和回波損耗的檢測可以使用通用測試儀器進行間接測量，然后通過簡單的計算獲得其電氣特性和信號特征。對于頻率容差的測量則需要使用專用的檢測儀器來完成，本文就不再進行介紹。

3.1 輸出阻抗與信號電平測量

如圖2所示，在設備接口跨接負載電阻，負載準備2個與交換機標稱阻抗同一數量、精度為1%的電阻，使用高輸入阻抗的電平計測量負載兩端電平值。

圖2 阻抗與電平測量示意圖

測量時，控制接口輸出信號，選擇負載電阻R1，測得輸出電平值U1；更換負載電阻為R2，測得輸出電平值U2。

由式（1）可得方程組：

[U1=U×R1R1+rU2=U×R2R2+r] （4）

由方程組可計算接口輸出阻抗r和等效模型電動勢U。再由U和r的值可算出接口連接標稱負載值的輸出信號電平值。

3.2 回波損耗測量

回波損耗的測量通常選擇反射橋法進行，見圖3。

圖3 回波損耗測試示意圖

選擇與接口輸入阻抗一致的3個電阻組成反射橋，測量時先不接入交換設備，振蕩器頻率為接口波特率的5%～60%，輸出0 dBm電平，從電平計讀取電平值為[P1]，然后將交換機接入交換機只加電，不輸出信號，從電平計讀取電平值為[P2]，可得回波損耗（單位dB）：[bP=P1-P2]。

4 結 論

本文研究了數字交換機數字中繼接口和數字用戶口的電氣特性和信號特征對通信過程的影響和測量方法，補充了常用的交換機測量方法無法對物理層故障進行檢測的不足，對研究和提高通信設備的可靠性具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 李開榮.SHDSL接入技術特點及其發展趨勢[J].現代電子技術，2004，27（22）：47?48.

[2] 杭成寶，樊月旺，李華.計算機網絡協議測試技術分析[J].內蒙古科技與經濟，2008（19）：28?30.

[3] 王新國，鄧忠禮，翁元舉.數字交換機中繼接口參數及接口間傳輸特性和測試方法[J].電信測試方法，1994（1）：45?47.

[4] 閻崢，鄭慶華，鮑家元.數字程控交換機線路自動測試系統的軟件設計與實現[J].計算機工程與設計，1998，19（2）：51?55.

[5] 熊德健.網絡物理層測試工具應用研究[J].甘肅科技，2008，24（23）：69?71.

[6] 丁薇霞，孟慶林.數字通信電纜回波損耗與結構回波損耗的辨析[J].電線電纜，2004（3）：39?41.

[7] 羅琦.數字程控用戶交換機進網檢測要求 [EB/OL].[2011?04?20].http：//wenku.baidu.com/view.

[8] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社，2009.

[RL=-10lgPRPI] （3）

式中：[RL]為回波損耗，通常用dB表示；[PR]為反射功率；[PI]為入射功率。當接口的輸入阻抗為無窮大時，[PR=PI]，回波損耗為0；當接口輸入阻抗為0時，[PR=0]，回波損耗為無窮大。

2 接口特性對數據傳輸的影響

在數據傳輸過程中，由于接口特性與標稱值的偏移，會因誤碼率的上升導致通信的可靠性下降，而影響正常的數據傳輸。當接口的阻抗不匹配時，接收端的接收信號功率下降，輸入接口信噪比下降導致誤碼率上升。同時，當輸出阻抗過大時，標稱負載的信號電平值下降，經過傳輸后超過接收端的信號電平容差范圍，會導致接收誤碼率上升。同理，當輸入阻抗過小時，接收信號電平值過低會影響判決而導致誤碼率上升。回波損耗反映的是接口對信號功率反射量的大小，回波損耗過小，接口反射信號過大，接收到的信號功率就過低而影響正常接收判斷。接口輸入頻率容差范圍小于標稱范圍值時，就會對因傳輸過程中產生頻率偏移的一部分信號不能正常接收，影響通信設備的可靠性。

3 接口特性的檢測方法

對于接口阻抗和回波損耗的檢測可以使用通用測試儀器進行間接測量，然后通過簡單的計算獲得其電氣特性和信號特征。對于頻率容差的測量則需要使用專用的檢測儀器來完成，本文就不再進行介紹。

3.1 輸出阻抗與信號電平測量

如圖2所示，在設備接口跨接負載電阻，負載準備2個與交換機標稱阻抗同一數量、精度為1%的電阻，使用高輸入阻抗的電平計測量負載兩端電平值。

圖2 阻抗與電平測量示意圖

測量時，控制接口輸出信號，選擇負載電阻R1，測得輸出電平值U1；更換負載電阻為R2，測得輸出電平值U2。

由式（1）可得方程組：

[U1=U×R1R1+rU2=U×R2R2+r] （4）

由方程組可計算接口輸出阻抗r和等效模型電動勢U。再由U和r的值可算出接口連接標稱負載值的輸出信號電平值。

3.2 回波損耗測量

回波損耗的測量通常選擇反射橋法進行，見圖3。

圖3 回波損耗測試示意圖

選擇與接口輸入阻抗一致的3個電阻組成反射橋，測量時先不接入交換設備，振蕩器頻率為接口波特率的5%～60%，輸出0 dBm電平，從電平計讀取電平值為[P1]，然后將交換機接入交換機只加電，不輸出信號，從電平計讀取電平值為[P2]，可得回波損耗（單位dB）：[bP=P1-P2]。

4 結 論

本文研究了數字交換機數字中繼接口和數字用戶口的電氣特性和信號特征對通信過程的影響和測量方法，補充了常用的交換機測量方法無法對物理層故障進行檢測的不足，對研究和提高通信設備的可靠性具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 李開榮.SHDSL接入技術特點及其發展趨勢[J].現代電子技術，2004，27（22）：47?48.

[2] 杭成寶，樊月旺，李華.計算機網絡協議測試技術分析[J].內蒙古科技與經濟，2008（19）：28?30.

[3] 王新國，鄧忠禮，翁元舉.數字交換機中繼接口參數及接口間傳輸特性和測試方法[J].電信測試方法，1994（1）：45?47.

[4] 閻崢，鄭慶華，鮑家元.數字程控交換機線路自動測試系統的軟件設計與實現[J].計算機工程與設計，1998，19（2）：51?55.

[5] 熊德健.網絡物理層測試工具應用研究[J].甘肅科技，2008，24（23）：69?71.

[6] 丁薇霞，孟慶林.數字通信電纜回波損耗與結構回波損耗的辨析[J].電線電纜，2004（3）：39?41.

[7] 羅琦.數字程控用戶交換機進網檢測要求 [EB/OL].[2011?04?20].http：//wenku.baidu.com/view.

[8] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社，2009.

[RL=-10lgPRPI] （3）

式中：[RL]為回波損耗，通常用dB表示；[PR]為反射功率；[PI]為入射功率。當接口的輸入阻抗為無窮大時，[PR=PI]，回波損耗為0；當接口輸入阻抗為0時，[PR=0]，回波損耗為無窮大。

2 接口特性對數據傳輸的影響

在數據傳輸過程中，由于接口特性與標稱值的偏移，會因誤碼率的上升導致通信的可靠性下降，而影響正常的數據傳輸。當接口的阻抗不匹配時，接收端的接收信號功率下降，輸入接口信噪比下降導致誤碼率上升。同時，當輸出阻抗過大時，標稱負載的信號電平值下降，經過傳輸后超過接收端的信號電平容差范圍，會導致接收誤碼率上升。同理，當輸入阻抗過小時，接收信號電平值過低會影響判決而導致誤碼率上升。回波損耗反映的是接口對信號功率反射量的大小，回波損耗過小，接口反射信號過大，接收到的信號功率就過低而影響正常接收判斷。接口輸入頻率容差范圍小于標稱范圍值時，就會對因傳輸過程中產生頻率偏移的一部分信號不能正常接收，影響通信設備的可靠性。

3 接口特性的檢測方法

對于接口阻抗和回波損耗的檢測可以使用通用測試儀器進行間接測量，然后通過簡單的計算獲得其電氣特性和信號特征。對于頻率容差的測量則需要使用專用的檢測儀器來完成，本文就不再進行介紹。

3.1 輸出阻抗與信號電平測量

如圖2所示，在設備接口跨接負載電阻，負載準備2個與交換機標稱阻抗同一數量、精度為1%的電阻，使用高輸入阻抗的電平計測量負載兩端電平值。

圖2 阻抗與電平測量示意圖

測量時，控制接口輸出信號，選擇負載電阻R1，測得輸出電平值U1；更換負載電阻為R2，測得輸出電平值U2。

由式（1）可得方程組：

[U1=U×R1R1+rU2=U×R2R2+r] （4）

由方程組可計算接口輸出阻抗r和等效模型電動勢U。再由U和r的值可算出接口連接標稱負載值的輸出信號電平值。

3.2 回波損耗測量

回波損耗的測量通常選擇反射橋法進行，見圖3。

圖3 回波損耗測試示意圖

選擇與接口輸入阻抗一致的3個電阻組成反射橋，測量時先不接入交換設備，振蕩器頻率為接口波特率的5%～60%，輸出0 dBm電平，從電平計讀取電平值為[P1]，然后將交換機接入交換機只加電，不輸出信號，從電平計讀取電平值為[P2]，可得回波損耗（單位dB）：[bP=P1-P2]。

4 結 論

本文研究了數字交換機數字中繼接口和數字用戶口的電氣特性和信號特征對通信過程的影響和測量方法，補充了常用的交換機測量方法無法對物理層故障進行檢測的不足，對研究和提高通信設備的可靠性具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 李開榮.SHDSL接入技術特點及其發展趨勢[J].現代電子技術，2004，27（22）：47?48.

[2] 杭成寶，樊月旺，李華.計算機網絡協議測試技術分析[J].內蒙古科技與經濟，2008（19）：28?30.

[3] 王新國，鄧忠禮，翁元舉.數字交換機中繼接口參數及接口間傳輸特性和測試方法[J].電信測試方法，1994（1）：45?47.

[4] 閻崢，鄭慶華，鮑家元.數字程控交換機線路自動測試系統的軟件設計與實現[J].計算機工程與設計，1998，19（2）：51?55.

[5] 熊德健.網絡物理層測試工具應用研究[J].甘肅科技，2008，24（23）：69?71.

[6] 丁薇霞，孟慶林.數字通信電纜回波損耗與結構回波損耗的辨析[J].電線電纜，2004（3）：39?41.

[7] 羅琦.數字程控用戶交換機進網檢測要求 [EB/OL].[2011?04?20].http：//wenku.baidu.com/view.

[8] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社，2009.