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高清电缆和回波损耗
作者： Stephen H. Lampen ， Martin J. Van Der Burgt ， Carl W. Dol ，
编译：美国百通公司 刘峻 吴烨 周建华
回波损耗是由电缆结构或相关连接部分中的阻抗变化所引起的信号衰减。这些变化导致信号反射 ( 返回 ) 到源端。在低频段回波损耗影响相对较小；在 50 MHz 以上频段，回波损耗会造成显著的影响；在高清视频（ HD ）的频率段，即 1500 MHz 和更高频率，回波损耗成为主要影响，甚至是关键因素。因此，建议在测量和验证 HD 系统性能时需要重点考虑回波损耗的影响。
　　电缆上信号反射涉及到两种类型的测量。一种是回波损耗 RL ，另一种是结构回波损耗 SRL ，类似于回波损耗 RL ，但测量方式不同。在 SRL 测量情况下，测试仪器匹配于平均电缆阻抗来测量所反射的信号。使用 RL 测量时，测试仪器设定为额定电缆阻抗 ( 例如 75 欧姆 ) 来测量所反射的信号。回波损耗 RL 是一种更为准确的测量反射的方法。在实际应用中，人们不能调节设备的输入或输出阻抗。结构化回波损耗 SRL 测量忽视了电缆输入阻抗的不匹配，并非实际的测量。回波损耗 RL 是更为适合的，不管电缆或设备的实际阻抗而设定为指定的阻抗值 ( 此处为 75 欧姆 ) 来测量信号反射情况。
　　本文将集中论述回波损耗 RL ，其反映了在电缆的设计、制造或安装过程中的误差所引起的信号损耗。 RL 数值越高表示信号传输情况越好。
为何关注 RL?　　无压缩的 HD 高清视频信号 ( 带宽超过 1500MHz) 是射频信号而非视频信号。因此，许多射频领域理论适用于 HD 高清视频信号。使用如此高频率，很明显需要性能验证的新方法。
导致 RL 的原因 ?　　信号传输时，电缆阻抗的变化产生 RL ，因此，导致阻抗变化的因素都会影响 RL 。这包括视频电缆的基本结构，即中心导体的尺寸、形状和组成，绝缘或介电材料的选择和制造，屏蔽方式和材料的选择，护套的打印方法也是影响回波损耗的因素。
　　另外连接器和其他无源组件，也很大程度的影响回波损耗，诸如 双通连接器 或连接器、跳线板、跳线以及设备附带的输入和输出用连接器。
　　在安装过程中，电缆的处理过程也影响回波损耗。弯曲半径和拉伸强度通常是布线人员忽略的因素。下面将讨论这些或其他带来回波损耗的因素。
如何确定阻抗？
　　同轴电缆中有三种基本因素来确定阻抗，即中心导体的直径 (AWG) 、屏蔽层的内直径和导体之间材料的介电常数（如图 1 所示）。
　　在较高的频率段，此时波长较短，回波损耗是影响信号衰减的主要因素。而在模拟基带视频中这不是问题 (4.2-MHz 的带宽，在空气中波长为 234 英尺 ) ，但是对于 标清 SD 数字视频 (270Mbps ， 270-MHz 或更大带宽，空气中波长为 7 英尺 ) 则是问题。然而，对于高清视频 HD 则是关键因素（ 1.485Gbps ， 1500 MHz ，在空气中波长为 16 英寸 ) 。周期性不仅影响基本波长，而且影响它的奇数或偶数倍频率，从而导致在整个频谱都产生深远的影响。
　　几乎制造电缆的每一个步骤和过程都可以引入随机缺陷。在制造精良的电缆中，这些缺陷表现为“毛刺”，电缆的整个回波损耗基底。
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　图 1. 对阻抗起关键作用的尺寸和材料的同轴电缆的截面图
　　　　　　　　　　　　　　图 2 制造精良的电缆的回波损耗图
　　在这些测试中所使用的电缆都是 Belden 1505A ，每段长为 100 英尺。从电缆轴上的随机选取并剪下的这些电缆分段，每轴电缆除了做标准测试外，不另外进行预测或预选。全部 100 英尺分段取自相同的电缆轴。这是为了比较图 2 中的“好”电缆和后图中显示的潜在问题。
　　图 2 显示被反射的信号。注意该型号电缆（ 1505A ）基本都低于 -30 dB ，在 -27dB 范围内偶尔有毛刺。显示表明这是一种性能卓越的电缆。此处所讨论的全部负面影响将提高该 “ 基底 ” 。
　　周期性是由周期的间断所导致的影响。这些是小的，有时不可测量的变化，反复出现。大部分是由于制造过程中的缺陷所导致，诸如轮子不圆或不良球轴承。由于每次旋转都出现缺陷，影响就会反复出现在最终生产出的电缆中。
　　与特定波长有关的缺陷反复出现，在高频段，周期性是最经常遇见的问题。
　　这是为何周期性在模拟基带视频 (4.2-MHz 带宽，波长 234 英尺 ) 中很少成为问题的原因，但是对 SD 标清串行数字视频 (270 Mbit/sec ， 135-MHz 带宽，波长 7.3 英尺 ) 是一个影响因素，而对于高清 (1.485Gbit/sec ， 750MHz 带宽，波长 1.3 英尺 ) 是关键决定因素。
　　　　　　　　　　　　　图 3. 具有严重周期问题的电缆
　　图 3 显示了具有显著周期的电缆。在图中，回波损耗的 “ 毛刺 ” 指明电缆在该频率段共振，并因此导致在这些频点上对信号有更大的衰减。这些毛刺相当于指定频点的滤波器，有可能会导致误码率的增加。
　　本例中，使用普通压接钳在电缆上压接 BNC 连接器而引起周期性。在 100 英尺的测试分段上的每隔 10 英尺给电缆进行压接，即在外部护套上做压接。应当注意这种效果非常微妙，以至于需要用带子在每一个压缩点处作标记，从而可以进行计算。如同所见，结果并不微妙。
　　在压接点之间的 10 英尺分段相当于 3 米的波长，对应于 100 MHz 的频率。周期性可以影响对应于周期间断的半波长间距的频率以及该频率的奇数倍频率。
　　如果中心导体尺寸有误差，或尺寸随机变化，将影响阻抗和回波损耗。如果在中心导体以外的位置存在上述情况也将产生同样的影响。由轮子不圆所导致的尺寸变化将如前所述周期性地变化。
　　当挤压中心导体周围的绝缘层时，很多因素都影响到阻抗和回波损耗，诸如对指定阻抗来说不合适的空间和速率变化。
　　可以发泡出具有理想电介质值的发泡材料，但是如果该材料太软，弯曲电缆都有可能导致中心导体穿透发泡材料。电缆将不具有理想的阻抗而且将产生回波损耗。
　　电缆的屏蔽层专为高频而设计，通常使用箔 - 编织组合屏蔽。编织屏蔽从 100kHz 到 10MHz 都有效。箔层屏蔽对于 10MHz 到 GHz 范围有效。然而，如果编织覆盖不足，则可能牵制不住箔。这种效果称为气球效应 并将影响阻抗和回波损耗。编织覆盖维持至少在 90% ，才会将气球效应最小化。此外，电缆厂使用多台编织机，其包括多个轮子和齿轮，因此是周期性间断和随机“毛刺”变化的明显的来源。
　　护套外面印有电缆标识，它沿着电缆标记信息。印刷轮沿电缆一边施加压力，潜在地使内部尺寸变形。在高保真音视频的高端电缆应用中尤为重要，打印标识的质量是关键因素。
　　可以使用喷墨打印来标记电缆，将小墨滴喷射到电缆上。该过程非常迅速，而且印刷设备甚至不接触电缆，喷墨还允许使用相邻数或更改标识信息，但电缆必须通过滚筒和轮子以便准确地测量。相邻数通常是准确的长度测量，诸如每英尺或每米标记。因此，标记的准确性直接与轮子上的压力有关，通过它可以进行测量。
　　电缆一旦购买，就容易带来影响阻抗变化的应力。例如，对于安装人员而言，通常要踩踏电缆或移动设备（诸如工具台或其他轮式物体）而辗压电缆。当在机架上安放设备时，安装人员惯例地将设备放在成捆的电缆上。或许认为在抬起并安装到位之前，这样可以为设备提供一个缓冲垫。对于高清 HD 电缆而言，也许电缆比被保护的设备更容易受到损害。
　　在实际的安装过程中，也会发生损害。 首先是需要符合电缆弯曲半径。行业标准从未超过 “ 电缆直径的十倍 ” 。
　　电缆弯曲时在中心导体上产生压力，导致它穿透绝缘向弯曲的内部运动。这会影响到阻抗和回波损耗。弯曲，尤其严重弯曲时达到或超过额定值，低于电缆直径的 10 倍时，引起在中心导体上的明显压力。中心导体通过垂直下移穿过发泡材料来试图减轻压力。在该处这可能显著地影响阻抗和回波损耗。
　　实心绝缘对于保持中心导体的位置非常理想，但是在高频段的衰减要高于发泡材料。与实心材料相比，发泡材料具有较高的阻抗变化，但是可以显著地提供高频性能。因此，本质上，高频性能 ( 衰减 ) 与阻抗变化和回波损耗进行对换。许多厂商使用低密度发泡材料生产电缆，该电缆在实验室测试良好，但是在安装之后，性能显著地下降。此外，低密度发泡材料通常引起缓慢的导体移动。导体移动是由弯曲造成的内部应力而引起的，导体逐渐通过绝缘材料的运动。这种影响会随着时间而恶化，缓慢地改变电缆的阻抗和回波损耗。这样的电缆可能某天检验良好，但是在日后检验可能性能变差。
　　安装人员还将考虑电缆的拉伸强度，因为大部分厂商不公布该参数，所以有一定难度。过度拉伸可能导致中心导体的延长，这样就会对阻抗和回波损耗产生显著影响。它还可以引起编织屏蔽交织在一起，会挤压和使屏蔽下的绝缘变形。在计算机网络布线系统中，过度的拉伸张力是使网络性能下降的主要因素。
　　因此，强烈建议安装人员咨询电缆厂商以了解最大允许拉伸张力 ( 表 2) 。最大拉伸张力计算为电缆抗段强度的 40% 。
　　应该注意到使用等距分隔的塑料扎线带进行安装可以引入周期性的变化和增加的回波损耗。计算机网络安装人员已经注意到这一问题，而且现在使用随机距离的“软”扎线带进行安装。这些包括基于 Velcro 尼龙搭扣的扎带，仅可将其固定为 Velcro 推荐的捆扎强度，或标准或手工固定超宽塑料线扎带。如果使用线带枪，则建议设定为最小安装应力。此外，可以在扎带下面放置一个一段其他电缆并带短 “ 抽头 ” ，可以在使用线带枪勒紧之后移除。这样将确保扎线疏松，将周期性或阻抗变化减小到最小程度。
　　过去视频安装人员经常以在安装过程中扎带间隔的均匀和电缆紧密而美观的分布而自豪。然而这些整齐而美观的安装可能是导致系统性能变差的原因之一。
　　　　　　　　　　　　　　　图 4. 手工操作较差的电缆
　　图 4 显示了 100 英尺的电缆，已经被碾压、扭结、踩踏和挤压成线球，另外，被粗暴地处理后，其程度远超过最粗暴安装程度。注意，几乎丢失了 10 dB 的 “ 回波损耗余量 ” 。然而，该电缆还通过了 SMPTE 所要求的 15 dB 回波损耗，从而显示这种坚固的高密度发泡结构的牢固性。
　　连接器也是阻抗变化和产生回波损耗的主要因素。广播安装人员现在认识到适合模拟基带的 50 欧姆 BNC 连接器，对于数字而言是不可接受的。过去 75 欧姆 BNC 很重要，现在也很关键，而且连接器必须维持该阻抗达到信号格式所需的最高频率。通常可以从连接器厂商处获得图表，其表明能够到达 GHz 范围的阻抗性能。未来可用能用到 1080p ，这是 Belden 将其全部高清同轴电缆的测试频率提高到 4.5 GHz 的原因之一。
回波损耗是多少 ?
　　SMPTE 292M 推荐时钟频率高达 (1.485 GHz) ，回波损耗超过 15 dB 。这是对于高清系统规范的适当的值吗 ? 请思考 : 转换为电压驻波比 (VSWR) ， 15-dB RL 等于 1.43:1 的 VSWR 。如果这是可接收的值，那么 15 dB 也可以接受。
　　这里提醒来自厂商的 15 dB 的电缆 RL 可能不可接受。这是由于采用 SMPTE 标准所建议的 15 dB 的回波损耗不仅适用于电缆，而且适用于连接器、双通或连接器、跳线板、跳线以及其他无源组件。
　　由于每一组件都对 RL 起作用，所以强烈建议每一组件的 RL 都高于 15 dB 。在选择电缆时，至少 20dB 是一个合适的 RL 值。
　　高清电缆安装人员需要考虑回波损耗测试以确定并验证可接受的电缆和连接器的性能。当前，必须的测试设备包括具有固定的桥式网络分析器，配置为 75 欧姆。应该避免诸如用于测量 SRL 的可变桥。
　　所执行的测试称为 S 11 反射测量，它表明在同一点产生信号并对其测量。当前还没有可携带、更少手持的回波损耗测量仪器。
　　将由制造缺陷所引起的信号衰减降到最小的唯一方法是选择由著名厂商所生产的高品质产品。一旦购买了电缆，建议与工程技术人员或项目集成商一起检查安装指南。
美国百通国际有限公司
地址：北京市朝阳区光华路丙 12 号数码 01 大厦
邮编： 100020
电话： 010-
传真： 010-
上海市漕河泾高科技园区，古美路 1515 号 19 栋， 301 室
电话： 021-
传真： 021-光纤损耗计算请教OTDR中测量得到的 总损耗与回波损耗的关系?另外 总损耗是如何计算所得?
两点法测试得全程衰耗 或者 直接看事件列表.但是OTDR测试得出的全程衰耗是推算估计值,有误差.有条件还是用光功率计和稳定光源量一下实际衰耗.
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　　BW510，是广泛应用于光纤光缆、光无源器件和光纤通信系统的插损和回损测试，是广大生产厂商、科研机构和运营商用于生产检测、研究开发和工程施工维护的基本和理想的测试仪器。
产品特点/回波损耗测试仪
　　1）双屏幕显示，无需切换插损和回损，大大提升测率。
　　2）大屏幕彩色液晶显示
　　3）精度高、量程宽
　　4）光源与功率计模块波长联动，减少操作步骤
　　5）光源接头可拆卸设计，便于清洁
　　6）多种测试接口配置
技术参数/回波损耗测试仪
　　光回波损耗测试工作波长nm测试范围0 ~ 75 dB校准波长nm测试精度0.25dB输出稳定性0.05dB/小时 ( @ 25℃)接口类型FC/APC光插入损耗测试校准波长850/nm测试范围+3 ~ -80 测试精度0.25dB显示分辨率对数：0.001dB；线性：0.001nw/μW/mW测试模式线形和非线性其它参数接口类型活动接口，FC/SC/ST/通用φ2.5mm/通用φ1.25mm适配器电源AC 100-240V工作温度-5℃～+55℃外观尺寸260×265×140mm重 量3kg
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