数字交换机接口特性检测研究

吴志抄+谭业双+李召瑞+孙慧贤

摘 要： 针对目前数字交换机检测使用的协议测试技术无法检测物理层参数和故障的问题，提出通过对接口特性检测判断交换机物理层故障的思路。通过研究交换机的接口特性检测内容，分析接口特性对交换机的性能与工作状态特别是对通信可靠性的影响，为提高通信设备的可靠性提供一定的参考。给出了使用通用测试仪器对接口阻抗与信号电平和回波损耗进行检测的方法，在实际使用中操作简单，使用方便。

关键词： 数字交换机； 接口特性； 匹配阻抗； 回波损耗； 检测

中图分类号： TN916?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着数字 “数字用户线”（Digital Subscriber Ling，DSL）技术的发展，数字基带传输系统克服了传输距离短、传输速率低的缺陷，实现了在单对线上实现全双工高速远距离传输，广泛应用于数字交换机的数字中继接口和综合业务用户接入接口[1]。目前对数字交换机测试主要是用专用测试仪器通过协议测试技术来实现对交换的工作状态判定。协议测试技术在数据链路层之上[2]，因而无法对物理层故障进行检测，而物理层故障也是通信设备的多发故障之一。研究通信设备接口特性检测，能够判断设备的物理层状态，为协议测试技术提供了补充。

1 接口特性检测内容

接口特性检测指通过测量通信设备接口电气特性，判断通信设备工作状态与性能，通常以输出阻抗与信号电平、输入阻抗与回波损耗和接口频率容差等指标来衡量[3]。

1.1 输出阻抗与信号电平

对于一个通信设备而言，其信号的标称电平必然是和输出阻抗一同规范的。输出阻抗是指通信接口对输出信号的阻碍。在任何通信系统中，输出必然存在一个内阻，如图1所示，可以把通信设备的输出模型等效为一个电势为U的理想电压源和一个阻值为r的电阻串联。假若连接负载的阻值为R，则此时接口的输出信号电平值为：

[Uo=U×[Rr+R]] （1）

由式（1）可以得出，U和r不变的情况下，Uo的值随R的增大而增大。

同时在负载电阻两端的功率：

[P=U2R-r2R+4r] （2）

在式（2）中，当R=r时，P可以取得最大值[Pmax=U24r]，也就是当负载的阻值和输出阻抗一致时，接口的输出功率最大。此时负载电阻称为该接口的匹配电阻，其阻值即为接口的输出阻抗。而此时负载两端的电平值，即为接口的标称输出电平。

1.2 接口频率容差

频率容差（Frequency Tolerance，FT）指是的通信接口对输入信号的频率偏离参考频率的最大允许偏差，通常用百分比或Hz表示。

图1 信号输出等效模型

1.3 输入阻抗与回波损耗

输入阻抗指的是设备接口对于输入信号的等效阻抗。接口在接收信号时，可以等效为一个负载，与输出阻抗类似，如果输入阻抗与外部信号源的阻抗不匹配，就无法获得最大的功率输入。对于同一接口，其输入阻抗与输出阻抗通常是一致的。回波损耗（Return Loss）是表示信号反射性能的参数，由于阻抗不匹配而造成的信号功率损失，通常在输入和输出都进行规定。由于接口的输出回波损耗与负载有关，故不在此进行分析。输入回波损耗发生的原因是由于输入阻抗的不匹配导致的在信号输入过程中一部分信号功率被反射回信号源。其计算方式为：

[RL=-10lgPRPI] （3）

式中：[RL]为回波损耗，通常用dB表示；[PR]为反射功率；[PI]为入射功率。当接口的输入阻抗为无穷大时，[PR=PI]，回波损耗为0；当接口输入阻抗为0时，[PR=0]，回波损耗为无穷大。

2 接口特性对数据传输的影响

在数据传输过程中，由于接口特性与标称值的偏移，会因误码率的上升导致通信的可靠性下降，而影响正常的数据传输。当接口的阻抗不匹配时，接收端的接收信号功率下降，输入接口信噪比下降导致误码率上升。同时，当输出阻抗过大时，标称负载的信号电平值下降，经过传输后超过接收端的信号电平容差范围，会导致接收误码率上升。同理，当输入阻抗过小时，接收信号电平值过低会影响判决而导致误码率上升。回波损耗反映的是接口对信号功率反射量的大小，回波损耗过小，接口反射信号过大，接收到的信号功率就过低而影响正常接收判断。接口输入频率容差范围小于标称范围值时，就会对因传输过程中产生频率偏移的一部分信号不能正常接收，影响通信设备的可靠性。

3 接口特性的检测方法

对于接口阻抗和回波损耗的检测可以使用通用测试仪器进行间接测量，然后通过简单的计算获得其电气特性和信号特征。对于频率容差的测量则需要使用专用的检测仪器来完成，本文就不再进行介绍。

3.1 输出阻抗与信号电平测量

如图2所示，在设备接口跨接负载电阻，负载准备2个与交换机标称阻抗同一数量、精度为1%的电阻，使用高输入阻抗的电平计测量负载两端电平值。

图2 阻抗与电平测量示意图

测量时，控制接口输出信号，选择负载电阻R1，测得输出电平值U1；更换负载电阻为R2，测得输出电平值U2。

由式（1）可得方程组：

[U1=U×R1R1+rU2=U×R2R2+r] （4）

由方程组可计算接口输出阻抗r和等效模型电动势U。再由U和r的值可算出接口连接标称负载值的输出信号电平值。

3.2 回波损耗测量

回波损耗的测量通常选择反射桥法进行，见图3。

图3 回波损耗测试示意图

选择与接口输入阻抗一致的3个电阻组成反射桥，测量时先不接入交换设备，振荡器频率为接口波特率的5%～60%，输出0 dBm电平，从电平计读取电平值为[P1]，然后将交换机接入交换机只加电，不输出信号，从电平计读取电平值为[P2]，可得回波损耗（单位dB）：[bP=P1-P2]。

4 结 论

本文研究了数字交换机数字中继接口和数字用户口的电气特性和信号特征对通信过程的影响和测量方法，补充了常用的交换机测量方法无法对物理层故障进行检测的不足，对研究和提高通信设备的可靠性具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 李开荣.SHDSL接入技术特点及其发展趋势[J].现代电子技术，2004，27（22）：47?48.

[2] 杭成宝，樊月旺，李华.计算机网络协议测试技术分析[J].内蒙古科技与经济，2008（19）：28?30.

[3] 王新国，邓忠礼，翁元举.数字交换机中继接口参数及接口间传输特性和测试方法[J].电信测试方法，1994（1）：45?47.

[4] 阎峥，郑庆华，鲍家元.数字程控交换机线路自动测试系统的软件设计与实现[J].计算机工程与设计，1998，19（2）：51?55.

[5] 熊德健.网络物理层测试工具应用研究[J].甘肃科技，2008，24（23）：69?71.

[6] 丁薇霞，孟庆林.数字通信电缆回波损耗与结构回波损耗的辨析[J].电线电缆，2004（3）：39?41.

[7] 罗琦.数字程控用户交换机进网检测要求 [EB/OL].[2011?04?20].http：//wenku.baidu.com/view.

[8] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2009.

[RL=-10lgPRPI] （3）

式中：[RL]为回波损耗，通常用dB表示；[PR]为反射功率；[PI]为入射功率。当接口的输入阻抗为无穷大时，[PR=PI]，回波损耗为0；当接口输入阻抗为0时，[PR=0]，回波损耗为无穷大。

2 接口特性对数据传输的影响

在数据传输过程中，由于接口特性与标称值的偏移，会因误码率的上升导致通信的可靠性下降，而影响正常的数据传输。当接口的阻抗不匹配时，接收端的接收信号功率下降，输入接口信噪比下降导致误码率上升。同时，当输出阻抗过大时，标称负载的信号电平值下降，经过传输后超过接收端的信号电平容差范围，会导致接收误码率上升。同理，当输入阻抗过小时，接收信号电平值过低会影响判决而导致误码率上升。回波损耗反映的是接口对信号功率反射量的大小，回波损耗过小，接口反射信号过大，接收到的信号功率就过低而影响正常接收判断。接口输入频率容差范围小于标称范围值时，就会对因传输过程中产生频率偏移的一部分信号不能正常接收，影响通信设备的可靠性。

3 接口特性的检测方法

对于接口阻抗和回波损耗的检测可以使用通用测试仪器进行间接测量，然后通过简单的计算获得其电气特性和信号特征。对于频率容差的测量则需要使用专用的检测仪器来完成，本文就不再进行介绍。

3.1 输出阻抗与信号电平测量

如图2所示，在设备接口跨接负载电阻，负载准备2个与交换机标称阻抗同一数量、精度为1%的电阻，使用高输入阻抗的电平计测量负载两端电平值。

图2 阻抗与电平测量示意图

测量时，控制接口输出信号，选择负载电阻R1，测得输出电平值U1；更换负载电阻为R2，测得输出电平值U2。

由式（1）可得方程组：

[U1=U×R1R1+rU2=U×R2R2+r] （4）

由方程组可计算接口输出阻抗r和等效模型电动势U。再由U和r的值可算出接口连接标称负载值的输出信号电平值。

3.2 回波损耗测量

回波损耗的测量通常选择反射桥法进行，见图3。

图3 回波损耗测试示意图

选择与接口输入阻抗一致的3个电阻组成反射桥，测量时先不接入交换设备，振荡器频率为接口波特率的5%～60%，输出0 dBm电平，从电平计读取电平值为[P1]，然后将交换机接入交换机只加电，不输出信号，从电平计读取电平值为[P2]，可得回波损耗（单位dB）：[bP=P1-P2]。

4 结 论

本文研究了数字交换机数字中继接口和数字用户口的电气特性和信号特征对通信过程的影响和测量方法，补充了常用的交换机测量方法无法对物理层故障进行检测的不足，对研究和提高通信设备的可靠性具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 李开荣.SHDSL接入技术特点及其发展趋势[J].现代电子技术，2004，27（22）：47?48.

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[3] 王新国，邓忠礼，翁元举.数字交换机中继接口参数及接口间传输特性和测试方法[J].电信测试方法，1994（1）：45?47.

[4] 阎峥，郑庆华，鲍家元.数字程控交换机线路自动测试系统的软件设计与实现[J].计算机工程与设计，1998，19（2）：51?55.

[5] 熊德健.网络物理层测试工具应用研究[J].甘肃科技，2008，24（23）：69?71.

[6] 丁薇霞，孟庆林.数字通信电缆回波损耗与结构回波损耗的辨析[J].电线电缆，2004（3）：39?41.

[7] 罗琦.数字程控用户交换机进网检测要求 [EB/OL].[2011?04?20].http：//wenku.baidu.com/view.

[8] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2009.

[RL=-10lgPRPI] （3）

式中：[RL]为回波损耗，通常用dB表示；[PR]为反射功率；[PI]为入射功率。当接口的输入阻抗为无穷大时，[PR=PI]，回波损耗为0；当接口输入阻抗为0时，[PR=0]，回波损耗为无穷大。

2 接口特性对数据传输的影响

在数据传输过程中，由于接口特性与标称值的偏移，会因误码率的上升导致通信的可靠性下降，而影响正常的数据传输。当接口的阻抗不匹配时，接收端的接收信号功率下降，输入接口信噪比下降导致误码率上升。同时，当输出阻抗过大时，标称负载的信号电平值下降，经过传输后超过接收端的信号电平容差范围，会导致接收误码率上升。同理，当输入阻抗过小时，接收信号电平值过低会影响判决而导致误码率上升。回波损耗反映的是接口对信号功率反射量的大小，回波损耗过小，接口反射信号过大，接收到的信号功率就过低而影响正常接收判断。接口输入频率容差范围小于标称范围值时，就会对因传输过程中产生频率偏移的一部分信号不能正常接收，影响通信设备的可靠性。

3 接口特性的检测方法

对于接口阻抗和回波损耗的检测可以使用通用测试仪器进行间接测量，然后通过简单的计算获得其电气特性和信号特征。对于频率容差的测量则需要使用专用的检测仪器来完成，本文就不再进行介绍。

3.1 输出阻抗与信号电平测量

如图2所示，在设备接口跨接负载电阻，负载准备2个与交换机标称阻抗同一数量、精度为1%的电阻，使用高输入阻抗的电平计测量负载两端电平值。

图2 阻抗与电平测量示意图

测量时，控制接口输出信号，选择负载电阻R1，测得输出电平值U1；更换负载电阻为R2，测得输出电平值U2。

由式（1）可得方程组：

[U1=U×R1R1+rU2=U×R2R2+r] （4）

由方程组可计算接口输出阻抗r和等效模型电动势U。再由U和r的值可算出接口连接标称负载值的输出信号电平值。

3.2 回波损耗测量

回波损耗的测量通常选择反射桥法进行，见图3。

图3 回波损耗测试示意图

选择与接口输入阻抗一致的3个电阻组成反射桥，测量时先不接入交换设备，振荡器频率为接口波特率的5%～60%，输出0 dBm电平，从电平计读取电平值为[P1]，然后将交换机接入交换机只加电，不输出信号，从电平计读取电平值为[P2]，可得回波损耗（单位dB）：[bP=P1-P2]。

4 结 论

本文研究了数字交换机数字中继接口和数字用户口的电气特性和信号特征对通信过程的影响和测量方法，补充了常用的交换机测量方法无法对物理层故障进行检测的不足，对研究和提高通信设备的可靠性具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 李开荣.SHDSL接入技术特点及其发展趋势[J].现代电子技术，2004，27（22）：47?48.

[2] 杭成宝，樊月旺，李华.计算机网络协议测试技术分析[J].内蒙古科技与经济，2008（19）：28?30.

[3] 王新国，邓忠礼，翁元举.数字交换机中继接口参数及接口间传输特性和测试方法[J].电信测试方法，1994（1）：45?47.

[4] 阎峥，郑庆华，鲍家元.数字程控交换机线路自动测试系统的软件设计与实现[J].计算机工程与设计，1998，19（2）：51?55.

[5] 熊德健.网络物理层测试工具应用研究[J].甘肃科技，2008，24（23）：69?71.

[6] 丁薇霞，孟庆林.数字通信电缆回波损耗与结构回波损耗的辨析[J].电线电缆，2004（3）：39?41.

[7] 罗琦.数字程控用户交换机进网检测要求 [EB/OL].[2011?04?20].http：//wenku.baidu.com/view.

[8] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2009.