生产网络的串扰分析

生产网络中经常遇到工作站无故下线,网络传输出现误码,特别在自动化系统网络中,一旦出现一次错误,导致系统下线,将会带来极大的安全飞行事故症候。导致这种问题不仅仅是通信部件的故障,还有可能是网络本身的设计和安装布局不合理造成,通过分析串扰的原理,规范布线、卡接、做头等方法,最大限度降低串扰的发生,显著提高网络运行质量,大大减少网络系统运行安全隐患的发生。

生产网络的串扰分析

张昱

摘要：生产网络中经常遇到工作站无故下线，网络传输出现误码，特别在自动化系统网络中，一旦出现一次错误，导致系统下线，将会带来极大的安全飞行事故症候。导致这种问题不仅仅是通信部件的故障，还有可能是网络本身的设计和安装布局不合理造成，通过分析串扰的原理，规范布线、卡接、做头等方法，最大限度降低串扰的发生，显著提高网络运行质量，大大减少网络系统运行安全隐患的发生。该文章为同仁们在生产网络质量控制方面提供一个参考，如有不妥之处，恳请批评指正。 关键字：网络 串扰 分析

前言：

生产系统的基础网络是安全生产重要影响因素，如果在建立网络时，没有细致地做好网络基础性工作，将对今后安全生产运行埋下隐患，造成网络信号不稳定，出现错误，严重可能造成系统下线。因此基础网络的质量情况分析是解决生产系统故障隐患的一个重要方面。

1、 串扰的分析

串扰是影响网络信号质量的重要因素，信号在传输通道上传输时，因电磁耦合而对相邻传输线产生影响，使信号能量由一条信号线耦合到另一条信号线上，双绞线内四对线缆之间互相干扰造成串扰。过大的串扰可能引起电路的误触发，导致系统无法正常工作。因此要解决网络信号的质量，首先要进行串扰的控制。串扰分为近端串扰NEXT （后向）、远端串扰FEXT （前向），综合近端串扰PSNEXT 、综合远端串扰PSFEXT 。近端串扰是一对双绞线受到其他三对双绞线的电磁干扰后，干扰信号返回发射端（近端）。远端串扰是指从链路的近端信号线发射的信号经过衰减，在远端(接收端)干扰相邻其他线对的串扰信号。综合近端串扰和综合远端串扰用于大对数电缆的串扰性能测试，主要考虑所有其他双绞线对对本线路间的综合值。

那具体串扰是怎样产生的呢，我们下面将用线路模拟等效的方法进行讲解（如图一）。

图一：传输线的耦合模型

图二：信号波形图

这是按照离散式等效来看两个相邻传输线的串扰模型。AB 和CD 使两根传输线，假定它

们的特性阻抗和终端阻抗匹配都是Z 0，我们先考虑由L M 引起的感性耦合信号。线路中互感相当于一串变压器分布在AB 和CD 线路上。位于A 点的驱动信号为干扰源出现正向的跳变信号，经过传输会被L M 感应到CD 线路上，依次感应一个干扰尖脉冲并叠加，大小跟AB 上驱动电流的变化成正比。噪声公式为t

driver m noiseLm dI L V ，由此产生的噪声在C 端表现出来（见

图二的波形图C ），但是由于L M 每段极性不同，感应到CD 上的能量依序向前和向后，但极性相反。其中CD 的前向干扰和输入电压成正比，所有干扰能量几乎同时抵达C 点，因此传输线越远，互感的总量就越大，会产生一个尖脉冲。D 点的后向干扰能量与C 点不同，虽然

生产网络中经常遇到工作站无故下线,网络传输出现误码,特别在自动化系统网络中,一旦出现一次错误,导致系统下线,将会带来极大的安全飞行事故症候。导致这种问题不仅仅是通信部件的故障,还有可能是网络本身的设计和安装布局不合理造成,通过分析串扰的原理,规范布线、卡接、做头等方法,最大限度降低串扰的发生,显著提高网络运行质量,大大减少网络系统运行安全隐患的发生。

耦合区域相同，但是相应分量是从后往前依序到达D 点，有效时间长达2T P ,但是幅度变化不大（如波形图D ）。传输线上除了有互感外，还有互容耦合，其噪声计算公式为t driver

m noiseCm d dV C I ，当A 处出现一个上跳脉冲，D 点会出现一个负极性的串扰尖峰，相反

则是正极性的，说明串扰的主要原因不是由电容耦合引起的，主要还是电感耦合造成的 方法可以信赖，没通过则需要找到出现问题的焦点所在。图四是仪表显示NEXT 值。

图四：NEXT 分析值 图五：HDTDX 分析值 为了说明问题，图四中仅保留了12-45线对串扰的曲线值，横坐标是频率，纵坐标是DB 值，虚线是极限值，实线是测量值，在NEXT 测试中，高的测试值（dB ）优于低的测试值。高的测试值意味着有较低的噪音被传输到临近的线对上，同时当频率增加时，串扰值变得更低，即有更多的噪音被传输。所以要通过CAT6的检测，测量值都必须在极限值以上，且正余量越大越好，图四中看到测量值在极限值以下，且余量在-6dB 到-7dB 变化，说明在12-45线对中，整个频段都有较强的串扰发生，因此图三链路没有通过6类测试。可问题出在哪里，如何定位呢？就需要高精度的时域串扰分析技术(HDTDX)来解决，该技术针对各种导致串扰的故障进行精确的定位。他是通过在一个线对上发送测试信号，同时在时域上对相邻线对测试串扰信号，根据串扰发生的时间以及信号的传输速度可以精确的定位串扰发生的物理位置，这也是目前唯一能够对近端串扰进行精确定位并且不存在测试死区的技术。图五是HDTDX 分析曲线图，横坐标是距离，纵坐标是百分比，测量值越接近“0”越好，图五中看到在115ft 处有一个大的跳变，达到50%以上，说明在这个距离的链路出现了很大的串扰，这个位置就是CA T6卡接模块的位置，说明该模块不符合6类标准。

3、影响因素

生产网络中经常遇到工作站无故下线,网络传输出现误码,特别在自动化系统网络中,一旦出现一次错误,导致系统下线,将会带来极大的安全飞行事故症候。导致这种问题不仅仅是通信部件的故障,还有可能是网络本身的设计和安装布局不合理造成,通过分析串扰的原理,规范布线、卡接、做头等方法,最大限度降低串扰的发生,显著提高网络运行质量,大大减少网络系统运行安全隐患的发生。

串扰影响网络质量的有几个方面，线缆质量，铺设质量，连接头的质量等等。线缆质量好坏可以在采购环节得以控制。线缆的铺设和连接头，就需要做细致认真的工作来进行质量控制了。线缆安装不要过分受力，弯曲半径符合制造商的指标。由于串扰的大小可以通过增加线对的间距离，和增加每一个线对绞合密度来减少，因此在使用卡接模块或做头时，线缆拨开后要尽量缩短非双绞距离，最好不超过13mm,线对间配列整齐，不要有交叉。其次是布线需要注意的，综合布线的线对连接要按照TIA568B标准进行，否则将带来严重串扰，使本来质量合格的线缆由于串扰连接造成性能很差。如图三中的链接，笔者重新按照上述方法卡线后，顺利通过六类的检测。对于超五类或六类UTP系统的设计，不仅要考虑线缆的性能，还需要考虑整个信道组成设备的性能指标。

结束语：

信息化的发展正在循序渐进的进行，在市场的推动下，技术不断推陈出新，网络速度也越来越快，从几年前的十兆、百兆已经发展到千兆以太网，几年之内千兆、万兆到桌面将逐渐成为主流。在万兆以太网中，由于工作频率的增高，噪音除了双绞线内部的串扰外，周边的其他电缆对这根双绞线的串扰是影响信道容量的主要因素。如何最大限度的避免和减少网络串扰将是一个新有待解决的问题，而STP布线系统应该有一定的优势，因此要保证网络将来能够可靠传输10G带宽，STP系统将是首选。总的来说充分了解网络的运行质量和效率是保障生产系统安全运行的基础。

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