关键 水电容 FFT在线预测 回波损耗摘要 结构回波损耗是通信电缆的重要指标之一，而电缆水电容可综合反应生产线上的周期性缺陷。本文讨论了在线预测结构回波损耗的意义，以及利用水电容的FFT预测结构回波损耗的原理，提出不仅把参数控制在偏差以内，还要监测其波动情况。为查找周期性故障源提供有用信息，得出电缆适应的载波带宽。李 敏1 ，赵 洪 2 ，姜 华3 （1．哈尔滨理工大学，黑龙江 哈尔滨 150040） 1 引言随着数字通信业务的增长，"信息高速公路"已在全世界迅速发展，5类和6类数字通信电缆作为信息高速公路最后100米的理想媒介而得到了广泛的应用。计算机通信网络的出现使共享昂贵的硬件资源和中心数据库资料成为现实。分散在大楼里或大学校园里的各个计算机联成短程通信网，形成了计算机局域网络布线（简称LAN布线）。数字电缆用于智能大楼的综合布线结构中，传输数字信息。为了满足数据通信网络的高速率、大容量和多媒体综合业务迅速发展的要求，电缆的传输性能需进一步提高，以传输数百兆甚至数千兆赫兹频率的通讯信号。本文分析了结构回波损耗(SRL)作为通信电缆重要指标之一，对通信质量的影响，通过对水中电容进行FFT在线预测SRL，来查找周期性故障源，控制电缆质量，从而满足通信事业发展的需求。 2 结构回波损耗为了获得良好的电性能，通信电缆一般采用泡沫绝缘的结构。所以电缆的传输性能与绝缘线芯的电容和绝缘直径有很大关系，而通信电缆的工作电容，主要取决于单线电容，因此单线电容和绝缘直径的生产控制显得非常重要。目前的生产工艺对电容和直径的偏差控制得相当严格。一般非填充式电缆单线水中电容控制值为230±10pF，填充式电缆的单线水电容控制值为165±10pF。绝缘直径偏差控制在30μm以内。但是对于高频信号传输的要求来说，把结构控制在偏差以内，并不等于电缆质量就合格了。由于制造工艺本身有缺陷，造成了单线电容和绝缘直径沿电缆长度有均匀分布的小量值的周期不均匀性，而且各个周期几乎相等。这一类周期不均匀性所引起的反射在某些相应的谐振频率上按同相位相加，造成数十兆以上个别谐振频率内（该频率下波长的一半与周期性变化的间隔相等）的传输衰减剧变，影响接受端的信噪比，导致误码率的增加，从而也限制了传输速率。对于这一类按周期性变化的小量值不均匀性，用终端匹配连接时的"结构回波损耗"（SRL）的频率特性来衡量。结构回波损耗是数字电缆产品的一项重要指标。YD/T 1019-1999标准规定5类缆的SRL在20MHz以下不低于23dB，在20～100MHz不低于23-10lg(f/20) dB。通常，结构回波损耗仅在同轴电缆制造完毕后才测量。如果回波损耗的测量值超过了规定的值，则成品电缆不是作废品就是没有使用价值。本文讨论了利用电缆水中电容的周期性变化来在线预测SRL的原理。虽然生产线上的周期性变化有时可能表现在外径上，但是收集电容的数据可获得更为肯定的结论。这是因为电容反映了影响外径、绝缘同心度和椭圆度以及像发泡度、泡沫均匀性及粘附性之类的结构参数的所有参数。

3 水电容与结构回波损耗在线检测水电容的原理如下： 单线水电容的理论计算公式为 （1）其中， --介质综合介电常数 D--绝缘外径 d--导体直径当水电容信号提取出后，对其进行处理。设电缆水电容的标称值为C#39;，某点的测量值为C，则 （2） ΔC--该点的变化量因为该点的实际测量值可能会大于 ，"负电容"的概念不符常规，所以这仅用于数学推导，并不影响结构回波损耗的计算及分析。然后对水电容测量值进行FFT，得出水电容的幅频特性C～f。在生产线上，真正造成电缆产品品质参数不合格的因素决不会很多，但是使指标超出允许范围的因素并不是一眼就能看出，品质参数的变化是由复合型因素引起的。对信号进行FFT的目的就是把信号所含的信息分离，把其中每个信息的频率及其幅值、相位提取出来。为以后的计算和分析原因提供依据。进行FFT以后，得出了水电容的幅频特性C～f。设某一类不均匀点的频率为fi，其幅值为ΔCi，则此类相邻不均匀点的距离为： （3） -电缆的生产线速由SRL的定义 （4） R-反射系数可知谐振时的SRL最小。如果此时的SRL值满足要求，则此类不均匀点对其他频率波影响一定满足要求。在周期性不均匀点处，当信号波长满足谐振条件时，即信号波长为波阻抗变化（即不均匀点距离）的二倍时，此信号将发生谐振。谐振的条件为： （5） -谐振频率下的波长 -为该类相邻不均匀点的距离谐振频率为： （6） c--为真空光速设对称电缆的标称阻抗为Zn，不均匀点处的阻抗ZL相当于Zn和ΔC的并联，即 （7）这一不均匀点的反射系数可表示成下式 （8）将（7）代入（8）中，得 （9）由于水电容的数量级是10－10数量级，而ΔC也在10－12数量级上，所以（8）式可简化成 （10） -信号传输的频率 -特性阻抗设ri为某一不均匀点处的反射系数，则 （11） 、ΔCi--分别为该类不均匀点引起的谐振频率和电容变化量。该点的反射波到信号初始端的反射系数为： L=n·li n--不均匀点的个数 L--该点到初始端的距离 γ--电缆的传输常数 β--相移常数 α--衰减常数衰减常数与频率的关系： 该类不均匀点到初始端的总反射系数为Ri: （12）这里假定Li>>li 。相移常数β表示电磁波传输单位长度上的相移，而交流信号每经过一个波长λ，其相移为2π，由此 ，所以（12）式为 （13）将（13）式代入（4）式中，得 （14）可以看出，只要知道沿电缆长度的电容值，就可以得出（13）式中所需的数据，求出结构回波损耗S。我们用Matlab模拟水电容和SRL的关系，得出了S～f的曲线，从图中可直观的看出SRL指标的变化。我们考虑了几种情况，分析不均匀点的周期、幅值和多种不均匀点对SRL的影响。假设水电容数据为 (1) 220＋2sin500t； (2) 220+2sin1000t； (3) 220+4sin500t; (4) 220+0.8sin500t+1.5sin1000t +2sin1500t+sin2000t; S～f曲线如下： (1)220＋2sin500t (2)220+2sin1000t (3)220+4sin500t (4)220+0.8sin500t+1.5sin1000t+2sin1500t+sin2000t 由以上的输出结果可以看出SRL和电容波动的频率、幅值是有关系的。当不均匀点的频率变大时，S～f曲线向高频移动，SRL幅值变小。如果这个频率超出对称电缆的信号传输频带的话，则此类缺陷可不予考虑。当电容偏差的幅值越大SRL"峰值"就越小，不均匀点的幅值与SRL"峰值"处的频率无关。不均匀点频谱与SRL出现的"峰值"是对应的。如果低于标准的SRL的发生频率在传输频带内，根据（3）式和（6）式可推算出不均匀点的频率和谐振频率的关系为 （15）由谐振频率推出不均匀点的频率，继而找出生产线上的缺陷。因此，利用SRL的预测值对生产状况进行控制是可行的。 4 结束语本文讨论了利用水中电容的FFT在线预测SRL的原理，模拟了不同情况下的S～f曲线。监测电容指数及结构回波损耗可以及早的发现工艺问题及时反馈给操作者以消除缺陷，为查找周期性故障源提供有用信息。通过SRL的预测，能够立刻得出电缆适应的载波频带宽。目前在德国的SIKORA公司和瑞士的ZUMBACH公司已经研制了用水电容的波动情况进行频谱分析来预测结构回波损耗。相信在传输信号频率越来越高，传输质量越来越高的情况下，通信电缆能够满足时代发展的要