CN105510766A - 射频电缆故障定位检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频电缆故障定位检测装置及检测方法。包括产生扫频信号的激励源、用于将信号分别传输至定向耦合器和混频器的功分器、用于接收信号，并将该信号传输到测量端口，同时接收测量端口传来的反射信号并传输到混频器的定向耦合器、用于将接收的信号输出到被测射频电缆，同时接收反射信号并传输至定向耦合器的测量端口、用于将扫频信号和反射信号混频得到差频信号，并将该差频信号传输到滤波放大模块的混频器、滤波放大模块、A/D转化模块、FPGA处理器和进行傅里叶变换以得到差频信频率值和功率值的CPU。本方法无需校准，测试效率高，可实时监测且测量距离大，安装和维护成本低。

Description

射频电缆故障定位检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及电缆故障检测技术领域，具体涉及一种射频电缆故障定位检测装置及其检测方法。

背景技术

射频电缆是无线电通信系统和电子设备中不可缺少的元件，在无线通信与广播、电视、雷达、导航、计算机及仪表等方面得到了广泛的应用，因此射频电缆的检测和维护非常重要。为了能够准确及时的检测电缆故障、减小通信电缆故障带来的损失，越来越多的通信系统要求对射频电缆进行故障实时监测。

现有的应用最广泛的电缆故障定位检测仪器基于频域反射原理和单端口矢量网络分析仪设计方案实现，由激励信号源、本振信号源、定向耦合器、幅相接收机、数字处理和CPU控制、显示等部分组成；激励信号源产生激励信号，一路作为参考信号送入R通道表征入射波，另一路经定向耦合器传输到被测电缆，定向耦合器将被测电缆反射信号分离出来送入A通道。本振信号源与激励信号源同步产生具有固定频差的本振信号，进入R通道和A通道的信号与本振信号进行基波混频，产生固定的中频信号；由于采用系统锁相技术，激励信号源和本振信号源共用时基，被测网络的幅度信息和相位信息被保留在中频信号中，中频信号经放大滤波和A/D数字化，转换为数字化中频，FPGA提取被测网络的幅度信息和相位信息后发送给CPU，CPU分析出电缆阻抗变化的时间点和变化幅度。

但该方法在测量射频电缆时需要进行校准和误差修正操作，测量效率低，当环境温度变化较大时，校准数据将失效，必须重新进行校准操作，不能对射频电缆进行实时监测；且测量距离受测量仪器方向性指标限制，无法实现对较长距离电缆的故障定位检测。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种射频电缆故障定位检测装置。

为解决上述问题，本发明提出一种射频电缆故障定位检测装置，包括激励源、功分器、定向耦合器、测量端口、混频器、滤波放大模块、A/D转化模块、FPGA处理器和CPU，其中：

激励源，用于产生线性扫频信号，并将该线性扫频信号传输至功分器；

功分器，用于接收激励源传来的线性扫频信号，并将线性扫频信号分别传输至所述定向耦合器和混频器；

定向耦合器，用于接收功分器送来的线性扫频信号，并将该信号传输到测量端口；同时接收测量端口传来的反射信号并传输到混频器；

测量端口，用于将从定向耦合器接收的线性扫频信号输出到被测射频电缆；同时接收被测射频电缆传输的反射信号并传输至定向耦合器；

混频器，用于将功分器传输的线性扫频信号和定向耦合器传输的反射信号混频得到差频信号，并将该差频信号传输到滤波放大模块；

滤波放大模块，将接收的差频信号滤波、放大后传输至A/D转化模块；

A/D转化模块，将接收的差频信号转化为数字信号后传输至FPGA处理器；

FPGA处理器，对接收的数字信号进行处理，随后传输至CPU；

CPU，对接收的数字信号进行傅里叶变换，得到差频信号的频率f_IF及功率P_IF，根据得到的频率和功率计算电缆故障点离测量端口的距离及故障点的驻波比。

上述技术方案中，所述激励源产生的线性扫频信号频率为780MHz～820MHz。

本发明还公开了一种使用上述射频电缆故障定位检测装置的射频电缆故障定位检测方法，向射频电缆发射扫宽ΔF、扫描时间ΔT的扫频信号，随后接收射频电缆返回的反射信号，

将反射信号与扫频信号进行混频、滤波放大得到反射信号与扫频信号之间的差频信号，将该差频信号依次通过A/D模数转换、FPGA计算处理和CPU的傅里叶变换计算处理，得到差频信号的频率f_IF和功率P_IF，根据公式(1)可计算得到故障点离测量端口的距离d：

d＝f_IF×ΔT/ΔF×1.5×10⁸×V_p；(1)

其中，ΔF为扫频信号的扫宽，ΔT为扫频信号的扫描时间，V_p为被测射频电缆的速率因子。

上述技术方案中，将A/D转化模块接收到的差频信号的功率P_IF、反射信号从测试端口到A/D转化模块前的增益S₂₁，代入公式(2)可以计算测量端口接收的反射信号的实际功率P_in：

P_in＝S₂₁+P_IF(2)

随后将P_in代入下述公式(3)可计算出故障点的回波损耗RL：

RL＝P_out-P_in+d×loss(3)

其中，P_out为测量端口向被测射频电缆输出的线性扫频信号的功率、loss为被测射频电缆的单位距离电缆损耗，d为故障点离测量端口的距离。

本发明在测量电缆时无需校准操作，提高了测试效率，能够对通信系统中的射频电缆故障进行实时监测，同时测量距离明显提高，降低了通信系统中射频电缆的安装和维护成本。

附图说明

图1为本发明中射频电缆故障定位检测装置的硬件结构框图；

图2为本发明中根据时域测量数据得到的时频域变化图；

图3为本发明中使用射频电缆故障定位检测装置进行功率补偿定标的结构示意图。

1、激励源；2、功分器；3、定向耦合器；

4、测量端口；5、混频器；6、滤波放大模块；

7、A/D转化模块；8、FPGA处理器；9、CPU；

10、被测射频电缆；11、全反射开路器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明中射频电缆故障定位检测装置，如图1所示，包括激励源1、功分器2、定向耦合器3、测量端口4、混频器5、滤波放大模块6、A/D转化模块7、FPGA处理器8和CPU9，其中：

激励源1，用于产生线性扫频信号，并将该线性扫频信号传输至功分器2；

功分器2，用于接收激励源传来的线性扫频信号，并将线性扫频信号分别传输至所述定向耦合器3和混频器5；

定向耦合器3，用于接收功分器2送来的线性扫频信号，并将该信号传输到测量端口4；同时接收测量端口4传来的反射信号并传输到混频器5；

测量端口4，用于将从定向耦合器3接收的线性扫频信号输出到被测射频电缆；同时接收被测射频电缆传输的反射信号并传输至定向耦合器3；

混频器5，用于将功分器2传输的线性扫频信号和定向耦合器3传输的反射信号混频得到差频信号，并将该差频信号传输到滤波放大模块6；

滤波放大模块6，将接收的差频信号滤波、放大后传输至A/D转化模块7；

A/D转化模块7，将接收的差频信号转化为数字信号后传输至FPGA处理器8；

FPGA处理器8，对接收的数字信号进行处理，随后传输至CPU9；

CPU9，对接收的数字信号进行反傅里叶变换，得到时域测量数据，根据得到的时域测量数据计算电缆故障的相关参数。

上述激励源产生的线性扫频信号频率为780MHz～820MHz。

本发明还公开了一种使用上述射频电缆故障定位检测装置的射频电缆故障定位检测方法，根据得到的时域测量数据计算得到混频器5接收的反射信号与线性扫频信号的瞬时差值f_IF，根据公式(1)可计算得到故障点离测量端口的距离d：

d＝f_IF×ΔT/ΔF×1.5×10⁸×V_p；(1)

其中ΔF为扫描宽度，ΔT为扫描时间，V_p为被测射频电缆的速率因子。

上述技术方案中，通过检测的数据：A/D转化模块7接收到的差频信号的功率P_IF、反射信号进入A/D转化模块7前后的增益S₂₁，带入公式(2)可以计算测量端口4接收的反射信号的实际功率P_in：

P_in＝S₂₁+P_IF(2)

随后将P_in带入下述公式(3)可计算出故障点的回波损耗RL：

RL＝P_out-P_in+d×loss(3)

其中，P_out为测量端口4向被测射频电缆输出的线性扫频信号的功率、loss为被测射频电缆的电缆损耗，d为故障点离测量端口4的距离。

本发明提供的射频电缆故障定位检测模块基于线性调频技术、时频转换技术和自动功率补偿技术实现。硬件部分由激励源1、功分器2、定向耦合器3、测量端口4、混频器5、滤波放大模块6、A/D转化模块7、FPGA处理器8和CPU9组成。激励源1产生780MHz～820MHz的线性扫频信号，扫频信号经功分器2分别传输到定向耦合器3和混频器5，定向耦合器3将扫频信号传输到测量端口4，当测量端口4连接被测射频电缆时，被测射频电缆的反射信号经测量端口4和定向耦合器3耦合端口传输到混频器5，与扫频信号进行基波混频得到差频信号，差频信号传输到滤波放大模块6进行滤波放大、随后通过A/D转化模块7，转换成数字信号，数字信号传输到FPGA处理器8进行数字信号处理，FPGA处理器8将处理结果传输给CPU9进行傅里叶变换得到时域测量数据，时域测量数据能够表征被测射频电缆10各个位置的阻抗信息。

当被测射频电缆10在距离测量端口为d的位置有一故障点，在时间参考零点时激励源1输出激励信号到被测射频电缆10。当激励信号传输到故障点时，故障点产生反射信号，反射信号在时间T后被接收，激励信号为线性扫频信号，其扫宽为ΔF，扫描时间为ΔT，均可以自由设置，则激励信号与反射信号的时频域变化曲线如图2所示；

由图2可知，激励信号与反射信号的瞬时频率随时间线性变化，由于反射信号在时间T后传输到混频器5输入端，因此混频器5输入端的反射信号与扫频信号的瞬时频率存在一差值，此频率差为图2所示的f_IF，即为混频器5输出的中频信号。ΔT和ΔF为设定值，时间T为激励信号从测量端口4传输到电缆故障点的时间的二倍，如下述公式(4)所示，

d＝T×C_v×V_p(4)

其中，C_v为光速，因此T的值由故障点到测量端口4的距离d和被测射频电缆10的速率因子V_p决定，可以通过差频信号f_IF计算出故障点到端口的距离d：

d＝f_IF×ΔT/ΔF×1.5×10⁸×V_p；(1)

本装置理论上的最大测量距离用D_max表示，则D_max可以通过下述公式(5)计算：

D_max≤f_IF(MAX)×ΔT/ΔF×1.5×10⁸×V_p；(5)

其中，D_max是不考虑本装置的测量动态范围时的理论最大值，在ΔT、ΔF、V_p和被测射频电缆10的单位距离电缆损耗loss已定时，本装置的最大测量距离由本装置的动态范围决定，动态范围越大，测量的距离越远。

设测量端口4输出的激励信号的功率为P_out、被测射频电缆9的单位距离电缆损耗为loss，其单位为dB/m、故障点距离测试端口的距离为d、A/D转化模块7输入端接收到的差频信号功率为PIF、测量端口4接收的实际反射信号功率值为P_in、反射信号从测试端口至进入A/D转化模块7前的增益为S₂₁，S₂₁的大小由硬件电路决定，通过本发明中的自动功率补偿定标技术可以得到S₂₁，则反射信号的实际功率P_in通过下述公式(2)可得到：

P_in＝S₂₁+P_IF(2)

并通过下述公式(3)可计算出故障点的回波损耗：

RL＝P_out-P_in+d×loss(3)

其中，由电缆故障点回波损耗计算原理可知，要计算电缆故障点处的回波损耗指标，就要获得反射信号从测试端口至A/D转换模块前的增益S₂₁，自动功率补偿定标技术的目的就是得到不同频率值的差频信号对应的S₂₁数据，自动功率补偿定标技术如图3所示，是使用本射频电缆故障定位检测装置的测量端口4连接一段已知参数的电缆，该电缆长度为L，电缆末端连接全反射开路器11，通过对电缆全反射参数的测试，可以得到此电缆对应的差频信号的频率和幅度，其差频信号与电缆长度和速率因子的关系为：

f_IF＝ΔF×L/ΔT×1.5×10⁸×V_p(6)

由公式(6)可知在电缆长度L不变的情况下，可以通过改变激励源1扫频信号的扫描时间ΔT来得到不同频率的差频信号，获得一定频率范围的差频信号对应的S₂₁数据，该功率补偿定标技术解决了射频电缆故障定位检测装置的驻波比测试问题，且功率补偿定标操作步骤简单，提高了生产、调试效率。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种射频电缆故障定位检测装置，其特征在于，包括激励源、功分器、定向耦合器、测量端口、混频器、滤波放大模块、A/D转化模块、FPGA处理器和CPU，其中：

激励源，用于产生线性扫频信号，并将该线性扫频信号传输至功分器；

功分器，用于接收激励源传来的线性扫频信号，并将线性扫频信号分别传输至所述定向耦合器和混频器；

定向耦合器，用于接收功分器送来的线性扫频信号，并将该信号传输到测量端口；同时接收测量端口传来的反射信号并传输到混频器；

测量端口，用于将从定向耦合器接收的线性扫频信号输出到被测射频电缆；同时接收被测射频电缆传输的反射信号并传输至定向耦合器；

混频器，用于将功分器传输的线性扫频信号和定向耦合器传输的反射信号混频得到差频信号，并将该差频信号传输到滤波放大模块；

滤波放大模块，将接收的差频信号滤波、放大后传输至A/D转化模块；

A/D转化模块，将接收的差频信号转化为数字信号后传输至FPGA处理器；

FPGA处理器，对接收的数字信号进行处理，随后传输至CPU；

CPU，对接收的数字信号进行傅里叶变换，得到差频信号的频率f_IF及功率P_IF，根据得到的频率和功率计算电缆故障点离测量端口的距离及故障点的驻波比。

2.根据权利要求1所述射频电缆故障定位检测装置，其特征在于：所述激励源产生的线性扫频信号频率为780MHz～820MHz。

3.一种射频电缆故障定位检测方法，使用如权利要求1或2中的射频电缆故障定位检测装置，其特征在于：向射频电缆发射扫宽ΔF、扫描时间ΔT的扫频信号，随后接收射频电缆返回的反射信号，将反射信号与扫频信号进行混频、滤波放大得到反射信号与扫频信号之间的差频信号，将该差频信号依次通过A/D模数转换、FPGA计算处理和CPU的傅里叶变换计算处理，得到差频信号的频率f_IF和功率P_IF，根据公式(1)可计算得到故障点离测量端口的距离d：

d＝f_IF×ΔT/ΔF×1.5×10⁸×V_p；(1)

其中，ΔF为扫频信号的扫宽，ΔT为扫频信号的扫描时间，V_p为被测射频电缆的速率因子。

4.根据权利要求3所述射频电缆故障定位检测方法，其特征在于：将A/D转化模块接收到的差频信号的功率P_IF、反射信号从测试端口到A/D转化模块前的增益S₂₁，代入公式(2)可以计算测量端口接收的反射信号的实际功率P_in：

P_in＝S₂₁+P_IF(2)

随后将P_in代入下述公式(3)可计算出故障点的回波损耗RL：

RL＝P_out-P_in+d×loss(3)

其中，P_out为测量端口向被测射频电缆输出的线性扫频信号的功率、loss为被测射频电缆的单位距离电缆损耗，d为故障点离测量端口的距离。