前面講解了福祿克網(wǎng)線測試儀中測試長度，串擾的原理，下面介紹最后一項回波損耗的原理。想要了解回波損耗，就先了解特性阻抗，下面給大家一一介紹。

【什么是電纜的特性阻抗？】讀者大都熟知歐姆定律：U=RI，或者 R=U/I，其中的 R 就是電阻或者叫電阻負載，單位為歐姆(Ω)。電阻與材料的電阻率 (又稱導電系數(shù))有關。但在高頻信號的傳輸過程中，我們需要了解傳輸高頻信號的物理介質(比如雙絞線、同軸線、波導)的傳輸特性，它不同于低頻信號，這種傳輸特性與傳輸介質的導電材料(例如銅或銀) 、導電系數(shù)(電阻率)、幾何形狀(最常見為圓柱形)、分布電感(L 0 )、分布電容(C 0 )、絕緣材料(的介電常數(shù))等都有關系，而低頻信號傳輸時則往往不考慮這些分布參數(shù)和絕緣材料的影響。

      這里需要先說說什么是分布參數(shù)。你一定知道，所有的電子線路圖中都用 L 代表電感器(通常是線圈)，C 代表電容器(通常是方形、原片形或圓柱形的器件)。但從微觀上看，絞線其實就是兩根彼此靠近的圓柱形銅導體。截取一段雙絞線(例如一米)來觀察研究，會發(fā)現(xiàn)它就是彼此靠近的一對圓柱形銅導體而已。問：圓柱形銅導體是不是自身就存在電感和電容呢？答案是：存在。一米雙絞線的每根圓柱形銅芯雖然外形上不是電感器，但本身也存在微量的“體電感”；兩根相互靠近的一米銅導體雖然外形上不是電容器，但兩者之間確實存在著微量的電荷感應(感應系數(shù)即為“體電容”)。這些“外形特征”不像，但“身體”中包含著的微量電感、電容我們就叫做分布參數(shù)(分布電感 L 0 、分布電容 C 0 )。

      用來衡量這些分布參數(shù)相關性的是一個算式比較復雜的等效參數(shù)，不過，由于這個參數(shù)等效計算的結果正好是以歐姆(Ω)為單位，所以中文把這個參數(shù)譯做“特性阻抗”，有時簡稱阻抗(圖 19 中的ρ)。請讀者注意，這個特性阻抗參數(shù)和歐姆定律中常舉例的純電阻完全是兩個概念，雖然計量單位都是歐姆，但此“歐姆”非彼“歐姆”–特性阻抗是分布感應參數(shù)的等效值，它被用來衡量導體介質的傳輸特性，且不隨“均勻”傳輸線的長度改變而發(fā)生變化(雖然有時根據(jù)計算的需要會假設長度為無限)，而電阻是與傳輸線的長度密切相關的一個參數(shù)，傳輸線越長，電阻值通常也越大。特性阻抗表達式雖然復雜，但隨著工作頻率的提高(一般大于 2MHz 以后)，其值會趨于穩(wěn)定。近似地，此此穩(wěn)定值只與(L 0 /C 0 )比比值平方根值和絕緣材料的介電常數(shù)有關。所以，材料不變的情況下，只要傳輸線保持結構均勻，其分布參數(shù) L 0 、C 0 就會保持不變，其比值 L 0 /C 0 也會保持不變。那么鏈路每“一點”的特性阻抗也會保持不便(即保持阻抗連續(xù)性)。

     雙絞線常見的特性阻抗規(guī)格是 100Ω和 120Ω。前者通常用于計算機數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，后者較多用于現(xiàn)場總線和工控網(wǎng)。

      雙絞線是一種傳輸線。理論上，“均勻傳輸線”上沿長度方向上每一點的分布參數(shù)的感應等效值(即特性阻抗ρ)是不變的，這就叫“阻抗連續(xù)性”。例如，一段 100 米的“均勻雙絞線”，其 35 米處的特性阻抗值和 53 米處的特性阻抗值理論上應該是一樣的(都是標準的100Ω，即分布電感和分布電容、微電阻、絕緣材料等是保持均勻、一致且對稱的)。而真實條件下的雙絞線都不是真正的均勻雙絞線，傳輸線上每點的特性阻抗值會因為制造誤差、安裝變形等原因可能都是不一樣的，存在著一定的波動(例如存在 10%的波動)。這種現(xiàn)象就叫做阻抗不連續(xù)。這是由于傳輸線的加工過程無法做到完全保持線對的連續(xù)、均勻一致且與周圍金屬導體保持結構均勻對稱而造成的。如果生產(chǎn)過程中銅線的直徑和銅線外絕緣層的厚度隨機地發(fā)生微小的變化，那么電磁感應的分布參數(shù)值 L 0 (體電感)和 C 0 (體電容)就會發(fā)生微小變化，L 0 /C 0 也會變化，經(jīng)等效公式計算出來的特性阻抗值就會發(fā)生變化。例如，52 米處特性阻抗為 103Ω，而 52.1 米處為 98Ω。類似地，同軸線也存在同樣的情況，同軸線中的內導線直徑會沿著長度方向發(fā)生微小變化，外導體的直徑和內外導體之間的絕緣層的厚度也會發(fā)生微小變化，這樣其特性阻抗值也會發(fā)生微小變化，所以感應值的分布沿長度方向是不連續(xù)的，也就是說沿長度方向的特性阻抗值是不連續(xù)的。

      需要提請讀者注意的是，分布參數(shù)只有在傳輸高頻信號時才產(chǎn)生明顯影響( 長線理論)，但在低頻信號傳輸時分布參數(shù)的微小變化對信號傳輸?shù)挠绊懯呛芪⑷醯?可完全忽略)。例如，用同軸線傳輸 4 千赫茲頻率的低頻語音信號(電話)，那么即便是阻抗發(fā)生大幅度突變的同軸線對這種信號的傳輸基本上沒有影響(相當于短線)，但如果傳輸?shù)氖?200MHz 的有線電視信號，則很可能因阻抗不連續(xù)導致的來回多次反射而在屏幕上出現(xiàn)嚴重的圖像重影。

      阻抗突變是阻抗不連續(xù)的一種典型表現(xiàn)，一般發(fā)生在傳輸鏈路上發(fā)生幾何尺寸明顯變化的地方，當然，也發(fā)生在材料突變和絕緣介質突變的地方。例如，雙絞線和水晶頭之間的連接點就是一個阻抗突變點—因為雙絞線的材質、結構和幾何尺寸與水晶頭內金屬片的材質、結構和幾何尺寸均不同，兩者的等效阻抗也不一樣。再如，雙絞線與配架模塊(插座)的內部金屬結構、幾何尺寸都不相同，等效阻抗也不一樣，兩者相連接時就會在打線接觸點出現(xiàn)阻抗突變的現(xiàn)象。同樣地，水晶頭插入模塊后與模塊的連接點也是典型的阻抗不連續(xù)點。

      計算機網(wǎng)絡使用的同軸電纜(特性阻抗為 50 歐姆)和有線電視使用的同軸電纜(75 歐姆)特性阻抗不同，兩者前后“誤接”到一起時也會發(fā)生阻抗突變，突變點就在連接點處。

沿著線對向前傳輸?shù)男盘栐谧杩雇蛔凕c會發(fā)生反射，突變越大反射的能量就越強

     突變越大，反射越強。千兆以太網(wǎng)信號端口上的每個線對被設計成既是發(fā)射端口又是接收端口(同時擔任)。那么反射回來的信號會回到信號的發(fā)送端(同時也是接收端)，與正常傳輸?shù)男盘柉B加在一起被接收，致使信號讀取出錯。這是導致信噪比劣化的又一個重要因素。因此，對回波損耗參數(shù)要給出對應的指標要求。測試儀可以直接報告此參數(shù)是否合格。

      如果傳輸線的末端開路，此時可以認為開路點阻抗值變成無窮大，相對突變值也是無窮大，則信號傳輸?shù)侥┒藭r會幾乎全部反射回來。如果傳輸線的末端短路，此時可以認為短路點的阻抗值為“零”，阻抗突變值也極大，則信號能量傳輸?shù)蕉搪伏c時也會幾乎全部反射回來。由此可知，開路和短路是阻抗突變的兩個極端情形，反射回來的信號能量在此時此處都是最大的。我們可利用這點特性來測量電纜的長度和定位開路/短路位置。那么，開路和短路點誰反射能量更大呢？由于都是阻抗極限突變，反射能量都接近 100%。

      對于特性阻抗為 75 歐姆的同軸線(家用電視機用的就是這種線)，如果在傳輸線的對端接上一個 75 歐姆的純電阻，則信號傳輸?shù)綄Χ藭r會被這個純電阻全部吸收，造成沒有信號能量會被反射回來。對于 100 歐姆 UTP 電纜(非屏蔽雙絞線)，在對端的每對線對上各接上一個 100 歐姆純電阻后，信號能量在對端也會被全部吸收，不會有信號能量反射回來。這種在傳輸線末端接上純電阻的方法是消除信號反射的一個重要技術，我們習慣上也把它稱作“終端阻抗匹配”或簡稱“終端匹配”。匹配電阻的阻值必須與傳輸線的特性阻抗值相等，這樣才能將信號能量全部吸收而不反射回去。類似地，在 120Ω總線的兩端也要各接上一個120Ω的純電阻，防止信號在總線內來回反射(疊加)，避免干擾、破壞正常數(shù)據(jù)幀的傳輸。

      其實，阻抗匹配的概念并不止于此，如果將兩段均勻的同軸電纜連接起來，在連接點處“加工”得很平順，沒有出現(xiàn)微觀意義上的阻抗突變現(xiàn)象，則我們也把這兩段同軸線的連接也稱作匹配。推而廣之，凡是阻抗連續(xù)的點我們都說它們是匹配的。按照這個思路，我們就知道通常在雙絞線和模塊的連接點處，阻抗是有“失配”現(xiàn)象存在的，一條布線鏈路中的接插件和連接件所在的位置經(jīng)常也是阻抗不連續(xù)的位置，或者說是阻抗失配的位置。失配的原因主要是傳輸線的幾何結構(尺寸和形狀)或材質發(fā)生了突變。也凡是阻抗不連續(xù)點也“一定是”一個信號能量的反射點。

下面說說阻抗不連續(xù)會帶來什么不良影響，這才是重點。

      【什么是回波損耗(RL)？】阻抗失配或阻抗不連續(xù)會導致信號能量的反射，這會造成兩個不好的結果：一是造成向前傳輸?shù)男盘柲芰繙p弱。因為根據(jù)能量守恒定律，既然一部分能量被反射回來，那么繼續(xù)往前傳送的能量就會減少—結果就是導致鏈路的總衰減輕微增加；二是在全雙工時某條鏈路上反射回來的信號會與設備端口正常接收的有用信號疊加，致使信號波形畸變，干擾正常信號的接收–這才是重點，下面專門就這個問題做一點介紹。

      在百兆以太網(wǎng)(100Base-T)中，使用兩對線來完成全雙工傳輸數(shù)據(jù)的任務：PC 網(wǎng)卡用 12線對負責向對端發(fā)送數(shù)據(jù)信號，36 線對負責接收對端發(fā)送來的數(shù)據(jù)信號。另外兩個線對 45、78 暫時空置不用。

注：雙工傳輸就是雙向傳輸?shù)囊馑迹p工就是雙向各自獨立傳輸，互不干擾。

      但在千兆以太網(wǎng)(1000Base-T)中，網(wǎng)線中的四對雙絞線都要用來傳數(shù)據(jù)，比較特別的地方在于，“每對”雙絞線既要向前傳輸數(shù)據(jù)又要接受從對端送過來的數(shù)據(jù)，也就是說每對雙絞線都具備實時雙向傳輸能力—即用一個“線對”實現(xiàn)全雙工傳輸。如，12 線對在向對端發(fā)送數(shù)據(jù)信號的同時，也可以同時接收對端交換機從 12 線對上發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信號。這樣就會帶來一個問題：12 線對收到的數(shù)據(jù)信號既有從對端發(fā)送過來的有用信號，也有因阻抗不連續(xù)反射回來的自身回波信號！顯然，回波信號是此接收端口不希望收到的，因為它會疊加在有用信號上，造成干擾。如果回波信號較強，那么接收到的信號其信噪比就會降低，導致誤碼率上升，傳輸成功率下降。誤碼率丟包率/物理參數(shù)測試的關系。所以，需要一個參數(shù)來衡量反射回來的信號的大小(相對值)，反射信號就是回波，這個參數(shù)就是回波損耗。由于阻抗不連續(xù)就會產(chǎn)生回波，且回波越大，則說明阻抗連續(xù)性越差。阻抗突變越大，信號反射就越強。因此，回波損耗的大小可以近似地反映阻抗不連續(xù)的大小(我們稱之為“正相關”關系)?；夭〒p耗波動的相對峰值約為 22.9%。

      電纜芯線使用銅包鋁(CCA)或銅包鐵(CCFe)仿冒全銅雙絞線，此時除了導線的電阻值會明顯增大外，特性阻抗值也會明顯偏離，造成回波損耗值較差。從測試儀上看，就是 HDTDR曲線波動大。鏈路連接點通常也是阻抗不連續(xù)點，因此，從測試結果中你會看到電纜與水晶頭連接處經(jīng)常是回波損耗不合格的地方，同樣的還有電纜與模塊連接點、水晶頭與插座的插接連接點等，都是回波損耗不合格點。這些不合格點在 HDTDR 圖形上可以直觀地呈現(xiàn)出來。

     另外，電纜制造中的瑕疵點(例如“芯線脫膠”)、電纜安裝時的損傷破損點、彎曲過度點、捆扎過緊點、應力(受力)過大點等都可能變成比較明顯的阻抗不連續(xù)點(回波干擾源)。

      在新的電纜標準中一般不再測試特性阻抗而是去測試回波損耗值(Return Loss，RL)。