Testery okablowania

Wszystkie parametry wybranych elementów okablowania strukturalnego muszą być wstępnie mierzone (sprawdzane) w warunkach laboratoryjnych. Podstawowe urządzenia pomiarowe to skalarne i wektorowe analizatory sieci analogowych (Network Analyzer), analizatory widma, oscyloskopy cyfrowe, mostki RLC, generatory przebiegów sinusoidalnych i prostokątnych, anteny, cęgi absorpcyjne, układy symetryzujące. Laboratorium powinno być wyposażone w ekranowane pomieszczenia, stanowiska do pomiaru zakłóceń oraz odpowiednią liczbę wysokiej jakości akcesoriów pomiarowych, takich jak kable, złącza, sondy pomiarowe, wzorce używane w procesie kalibracji przyrządów. Koszt wyposażenia takiego laboratorium sięga setek tysięcy, a nawet milionów dolarów. W takich warunkach realizowane są pomiary typu homologacyjnego i badawczo-rozwojowego.

Pomiar przesłuchów dla systemów wykorzystujących transmisję wieloparową

W sieciach już zainstalowanych pomiary zazwyczaj są ograniczone do wybranych parametrów okablowania. Wykorzystuje się do tego celu testery okablowania. Testery są urządzeniami zawierającymi wiele specjalizowanych przyrządów pomiarowych. Najczęściej są połączeniem prostego analizatora sieci, reflektometru, miernika zakłóceń i przyrządu uniwersalnego. Dzięki daleko idącej specjalizacji testery okablowania są przyrządami o niewielkich gabarytach, doskonale nadającymi się do pomiarów w warunkach polowych. Pomiary w warunkach laboratoryjnych pozwalają na wszechstronną analizę właściwości badanych elementów.

Testery realizują pomiary dla wybranych wartości w zakresie wystarczającym do podjęcia decyzji dobry/zły. Dzięki temu uzyskujemy możliwość szybkiej weryfikacji podstawowych parametrów sieci. Specjalizowane testery są wyposażone w odpowiednie układy dopasowujące, przełączniki i oprogramowanie realizujące procedurę testową. Koszt testerów okablowania strukturalnego waha się od kilkuset dolarów do kilkunastu tysięcy. Cena jest zależna od możliwości przyrządu. Najdroższe umożliwiają pomiary z dokładnością zbliżoną do przyrządów laboratoryjnych, najtańsze pozwalają sprawdzić poprawność połączenia dla prostych technik transmisyjnych.

Większość systemów okablowania ma certyfikaty wydane na podstawie odpowiednich pomiarów. Problem pojawia się, gdy trzeba wykorzystać wyniki tych pomiarów do stwierdzenia, czy w konkretnym (naszym) okablowaniu można uruchomić łącza np. z gigabitowym Ethernetem. Wymagania na parametry transmisyjne kanału dla 1000Base-T mieszczą się w rozszerzonych wymaganiach kanału klasy D. Niestety nie oznacza to, że w certyfikowanym okablowaniu, zgodnym z wymaganiami ISO 11801 dla klasy D, jest możliwa realizacja transmisji z prędkością 1 Gb/s. Większość systemów było klasyfikowane na podstawie normy z 1995 r., w której nie zdefiniowano wymagań na straty odbiciowe i ELFEXT.

Pozostałe parametry też nie zawsze mogą być wiarygodne, ponieważ normy dopuszczały użycie przyrządów o mniejszej dokładności. Oznacza to, że przedział niepewności pomiarów jest zbyt duży. Zazwyczaj protokoły testów są podane w formie tabel, w których zawarto wyniki dla najgorszego przypadku. Po zmianie standardów protokoły te zawierają zbyt mało danych, aby powtórnie je przeanalizować i sprawdzić, czy okablowanie spełnia podwyższone wymagania.

Jak mierzymy?

Testery okablowania są przyrządami zapewniającymi prawie całkowitą automatyzację procesu pomiarowego, obejmującego dowolne połączenie w sieci okablowania strukturalnego. Na tester składają się dwa urządzenia – lokalne i zdalne. Jednostka lokalna sterująca procesem pomiarowym jest wyposażona w ekran, klawiaturę i dodatkową pamięć służącą do przechowywania wyników pomiaru. Obydwa urządzania realizują te same funkcje pomiarowe. Przyrządy komunikują się przez mierzony kabel. Za pomocą testerów sprawdzamy parametry okablowania.

Praktycznie wszystkie dostępne na rynku testery realizują sekwencje pomiarowe wymagane do sprawdzenia zgodności z obowiązującymi normami. Na testy składają się pomiary następujących parametrów:

Łącze odniesienia dla wyznaczenia dokładności portów pomiarowych testera

• mapa połączeń,
• długość torów,
• opóźnienie w torze,
• różnice opóźnień,
• pojemność torów,
• rezystancja w pętli,
• tłumienie torów,
• NEXT,
• ACR,
• tłumienie strat odbicia.

Wszystkie nowe urządzenia mierzą ponadto FEXT, ELFEXT, PSNEXT, PSACR. Po wyborze odpowiedniego programu tester dobiera sekwencję pomiarową i interpretuje wyniki pomiarów. Testery zapamiętują wyniki pomiarów lub testów. Pojemność pamięci wystarcza (w zależności od modelu) na zapamiętanie od 500 do 1500 wyników testów. Niektóre z przyrządów mają wymienne moduły pamięci, pozwalające na zwiększenie liczby zapamiętanych wyników. Większość urządzeń pozwala na definiowanie własnych testów i ustalenie reguł oceny wyników pomiaru. Na stronach WWW producentów dostępne są nowe wersje oprogramowania zawierające bazy danych testów i parametrów kabli.

Testowanie z dokładnością poziomu trzeciego

W metrologii używamy przyrządów o określonej klasie dokładności, która jest związana z maksymalną wartością błędu pomiarowego. Testery okablowania, będące połączeniem wielu urządzeń pomiarowych, są klasyfikowane zgodnie z amerykańskimi dokumentami TIA TSB-67, TSB-95 (Technical Service Bulletin), propozycjami standardu TIA dla kategorii 6 okablowania i standardu IEC 61935-1. Dokumenty te określają, jakie parametry i z jaką dokładnością należy mierzyć przy użyciu testerów okablowania.

Pomiar łącza stałego

Testery okablowania są klasyfikowane na trzech poziomach. Wcześniej wykorzystywane były przyrządy poziomu I i II. Dla nowych urządzeń producenci deklarują zgodność z wymaganiami poziomu III. Wymagania na testery okablowania ewoluowały wraz z pojawianiem się nowych technik transmisyjnych. Pierwotnie dokument TSB-67 definiował wymagania poziomu I dedykowane dla starszego sprzętu i wymagania poziomu II dla nowych urządzeń. W TSB-67 wyspecyfikowano pomiar czterech parametrów dla sieci kategorii 3, 4 i 5. Wymagania obejmowały testowanie mapy połączeń, pomiar długości łącza, tłumienia i zbliżnych strat przesłuchowych (NEXT).

Pomiar kanału

Obecnie rozszerzono wymagania na straty odbiciowe (RL), unormowane przesłuchy zdalne (EL FEXT), sumę mocy przesłuchów (PS NEXT, PS ELFEXT). Nowe wymagania były niezbędne do certyfikowania okablowania dla gigabitowego Ethernetu (1000BASE-T). Rozszerzona kategoria 5 (5e lub nowa klasa D) wymagają podczas certyfikacji stosowania przyrządów zgodnych z poziomem nazywanym II-e przy zachowaniu pasma 100 MHz. Zupełnie nową jest specyfikacja pozwalająca na stosowanie okablowania do 200 MHz przy użyciu typowego złącza modula­rnego (RJ45), wymagająca przy testowaniu przyrządów zgodnych z wymaganiami dla poziomu III, pracujących na częstotliwości do 250 MHz.

Przykładowe wyniki z pomiaru łącza

Podstawą określenia dokładności testera jest zbiór parametrów zdefiniowanych w funkcji częstotliwości, obejmujący:

• Dokładność dynamiczną (Dynamic Accuracy);
• Szumy własne (Residual Noise);
• Własne straty przesłuchowe (Residual NEXT);
• Zrównoważenie sygnału na wyjściu (Output Signal Balance);
• Tłumienie sygnałów wspólnych (Common-mode Rejection);
• Straty odbicia portu pomiarowego (Return Loss of the test port);
• Zestaw parametrów wpływających na dokładność pomiaru strat odbicia (Return Loss Measurement accuracy parameters).

Parametry testerów okablowania są określone dla dwóch układów pomiarowych:

• Układu odniesienia (Basic Link/BaseLine), w którym nie uwzględniamy wpływu kabli pomiarowych i adapterów na dokładność pomiaru. Wymagania w tym przypadku są ostrzejsze.
• Układu do pomiaru parametrów łącza i kanału, w którym uwzględniamy błędy wprowadzane przez kable pomiarowe i adaptery.

Dynamika przyrządu kest ograniczona poziomem szumów własnych

Wymagana dokładność pomiaru takich parametrów, jak: opóźnienie propagacji, różnice opóźnień, długość i rezystancja stałoprądowa, jest taka sama dla przyrządów poziomu II-e i III wynosi odpowiednio: 25 ns – opóźnienie, 10 ns – różnice opóźnień, 5 m – długość toru oraz rezystancja stałoprądowa - 1,4 Ω.

Dokładność dynamiczna – (dokładność detektora) jest wyrażona jako maksymalny błąd pomiaru sygnału. Jest on wyznaczany w całym zakresie mierzonych poziomów sygnału i częstotliwości pomiarowych. Dokładność dynamiczna jest określona na ±0,75 dB dla poziomów od 0 do poziomu większego o 10 dB od krzywej określającej minimalną wartość NEXT lub tłumienia. Jest to podstawowy parametr wpływający na dokładność pomiarów przesłuchów i tłumienia.

Mała wartość własna NEXT powoduje zmniejszenie dynamiki o powstanie błędów pomiaru

Szumy własne – ograniczają dynamikę przyrządu. Tester wykonuje pomiary amplitudy sygnału w funkcji częstotliwości. Jeżeli poziom szumów jest porównywalny z mierzonym sygnałem, wyniki pomiaru są zniekształcone. W tym przypadku wartość NEXT jest zawyżona, a tłumienie zaniżone. Minimalny odstęp pomiędzy sygnałem mierzonym a poziomem szumów powinien wynosić od 10 do 15 dB. Tester powinien dla częstotliwości 100 MHz mieć szumy własne mniejsze od sygnału na wejściu badanego toru o 65 dB (poziom II-e) lub 75 dB (poziom III).

Dobre zrównoważenie układu oznacza małą emisję i dużą odporność na zkłócenia

Własne straty przesłuchowe – ograniczają, podobnie jak szumy własne, dynamikę przyrządu. Część energii sygnału przenika pomiędzy portami generatora i miernika, powodując wskazanie niezerowej wartości przesłuchów. Wielkość własnych strat przesłuchowych jest wyznaczana w układzie, w którym badany kabel jest zastąpiony przez rezystory o wartości równej impedancji charakterystycznej (najczęściej 100 Ω). Największa zmierzona wartość NEXT nigdy nie przekracza własnych strat przesłuchowych. Przy częstotliwości 100 MHz tester łącznie z adapterem lub kablem pomiarowym powinien mieć wartość NEXT większą od 43 dB (poziom II-e) lub od 54 dB (poziom III).

Niedopasowanie mierzonego toru do portu miernika jest przyczyną zniekształceń amplitudy systemu

Tłumienie niezrównoważenia sygnału na wyjściu i tłumienie sygnałów wspólnych są miarami określającymi zrównoważenie testera. Parametry te są bardzo ważne przy pomiarze torów symetrycznych. Duża wartość obydwu parametrów oznacza dobre zrównoważenie układu pomiarowego. Tryb różnicowy jest wykorzystywany do transmisji sygnału w liniach symetrycznych – zrównoważonych. W praktyce występują obydwie składowe, wspólna i różnicowa. Składowa różnicowa jest sygnałem niosącym informację, składowa wspólna stanowi sygnał zakłócający.

W układzie idealnie zrównoważonym sygnał wspólny nie wpływa na sygnał różnicowy. Rzeczywiste układy nigdy nie są całkowicie zrównoważone. Składowa wspólna zniekształca sygnał różnicowy i na odwrót – sygnał różnicowy powoduje powstanie sygnałów wspólnych. Dąży się przez zrównoważenie układu do zminimalizowania wpływu składowej wspólnej. Zrównoważenie układu pogarsza się ze wzrostem częstotliwości. Tester łącznie z adapterem lub kablem pomiarowym – przy częstotliwości 100 MHz – powinien mieć tłumienie niezrównoważenia sygnałów na wyjściu i tłumienie sygnałów wspólnych większe od 34 dB (poziom II-e) lub większe od 37 dB (poziom III).

Dopasowywanie generatora do mierzonego kabla jest podstawą poprawnego pomiaru wielu parametrów

Odbicie sygnału na porcie pomiarowym jest przyczyną błędów w pomiarze amplitudy sygnału wpływa na pomiar strat odbicia. Wymagana wartość przy 100 MHz jest większa od 20 dB dla poziomu II-e i większa od 25 dB dla poziomu III.

Dokładność pomiaru strat odbicia jest zależna od wielu parametrów i wpływa na dokładność wyznaczenia pozostałych parametrów. Dla mierników poziomu II w oszacowaniu błędów pomiaru tłumienności i przesłuchów uwzględniano niedopasowanie impedancyjne testera i badanych torów. Dla urządzeń zgodnych z poziomem III zdefiniowano nowy parametr straty odbicia. Mała wartość strat odbicia jest przyczyną powstawania dużych błędów pomiarowych.

Parametr ten jest jednocześnie miarą dopasowania impedancyjnego do toru i niejednorodności samego toru. Pomiar strat odbicia polega na generacji sygnału do mierzonego toru i jednoczesnym pomiarze na tym samym porcie sygnału odbitego. Jednoczesny pomiar obydwu sygnałów jest możliwy w układzie nazywanym sprzęgaczem kierunkowym. Powinien on zapewnić dobre dopasowanie generatora do toru, precyzyjny pomiar napięcia i dobrą izolację sygnału transmitowanego od odbitego.

Parametry wpływające na dokładność pomiaru strat odbicia obejmują:

• dopasowanie źródła (Source Match),
• dokładność śledzenia (Tracking),
• kierunkowość sprzęgacza (Directivity).

Dokładność śledzenia – odpowiednik dokładności dynamicznej – jest podstawowym składnikiem błędu pomiaru. Testery poziomu II-e i III muszą mieć dokładność lepszą od ±0,5 dB. Przy 100 MHz testery przygotowane do pomiaru powinny mieć kierunkowość lepszą od 25 dB i dopasowanie źródła lepsze od 20 dB.

Testery okablowania strukturalnego

Przyrządy te, poza standardowym zestawem testów, oferują możliwość diagnostyki połączeń i lokalizacji uszkodzeń w kanale. Dostępne są przystawki umożliwiające pomiar łączy światłowodowych. Testery mają dodatkowe oprogramowanie umożliwiające przesyłanie wyników pomiarów do komputera, magazynowanie wyników, ich dalsze przetwarzanie i generację raportów. Testery poziomu III są przyrządami pracującymi w większości na zasadzie wektorowych analizatorów obwodów, dzięki czemu mają duże możliwości w zakresie eliminacji błędów pomiarowych oraz prezentacji wyników w dziedzinie zarówno częstotliwości, jak i czasu.

Instalator i administrator sieci mają obecnie duży wybór testerów. Wprowadzanie nowych technik transmisyjnych wymaga ponownej certyfikacji istniejącego okablowania. W okablowaniu zrealizowanym w kategorii 6 barierą mogą się okazać zastosowane kable przyłączeniowe. Wydaje się, że gdy dotychczas pomiary okablowania były domeną instalatorów i były ograniczone do łączy trwałych (gniazdo–gniazdo), to coraz częściej użytkownicy sieci będą zmuszeni do testowania zestawionych kanałów (interfejs–interfejs).

Obecnie użytkownicy mają do wyboru zaawansowane technicznie testery poziomu III i nieco prostsze, ale też i tańsze testery poziomu II. Ceny testerów zawierają się w przedziale od dwóch do kilkunastu tysięcy dolarów, w zależności od klasy i wyposażenia. Prosty, przejrzysty interfejs użytkownika oraz duży stopień automatyzacji sprawiają, że obsługa tych przyrządów nie jest bardziej złożona od obsługi współczesnych multimetrów. Można zaryzykować stwierdzenie, że w sieciach liczących kilkadziesiąt przyłączy taki tester jest przyrządem niezbędnym.