CN101329383A

CN101329383A - 采用频域反射计的网络设备检测

Info

Publication number: CN101329383A
Application number: CNA2007101113844A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·D.·戈特沃尔斯; 罗伯特·J.·弗莱斯克; 沃尔特·米勒
Original assignee: ACTEMA LLC
Current assignee: Only Yahweh Communication Technology Co Ltd
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2027-06-19
Also published as: CN101329383B; KR20070120451A; KR101363081B1

Abstract

本发明提供一种采用频域反射计的网络设备检测，包括初始滤波级和后续的辨识级，前者用以去除噪声、二次和三次谐波以及旁瓣，后者用于辨识和显示电缆网络及其相关位置上的各种元件，如分配器、芯筒及开路端等。

Description

采用频域反射计的网络设备检测

对相关申请的交叉引用

[01]本发明要求于2006年6月19日提交的60/805,117号美国专利申请的优先权，该申请在此作为参考加入本文。

技术领域

[02]本发明涉及对电缆分配网络的映射(map)，具体而言，涉及利用频域反射计扫描的结果对家用同轴电缆网络中的分配器、芯筒/接头、低质量分配器及开路端进行的标识和定位。

本发明的背景

[03]故障检测(如对断口、短路、中断、性能降级的元件以及端接不当的传输线等故障进行定位)是由有线电视(CATV)服务提供商进行的测试，旨在查明电缆分配网络中的问题。分配网络内的故障通常具有阻抗不匹配的特点，即故障阻抗与分配网络传输线的特性阻抗不同。例如，有线电视分配子系统中的传输线阻抗通常为75Ω左右；而传输线上的短路可能造成阻抗约等于零，断路时阻抗则几乎为无穷大。

[04]分配子系统中发生故障的一种情况是，由于其阻抗不匹配特性，故障处会反射经分配网络传输的信号。其结果是，分配网络中的故障也可能由于反射信号的干扰而导致整个分配网络出现问题。因此，对于有线电视服务提供商而言，能够简便地确定并定位网络中的故障，以解决某个用户的接收问题并从整体上消除分配网络中因故障产生的干扰是十分重要的。

[05]频域反射测量技术采用反射计对分布式通信网络施用一个扫描信号。该扫描信号是一个从初始频率到最终频率(如5MHz至82MHz)、以相对较小的增量(如0.075MHz)扫描的射频信号。如果在网络内存在阻抗不匹配，则该阻抗不匹配处会将每一个传输的信号以与原信号相同的频率反射回反射计，但相位有延迟。此反射的结果是产生驻波。反射计会测量每一扫描频率下的驻波电平，以获得反射扫描响应信号。反射扫描响应信号的延迟会使反射波的最小值位于从反射计到阻抗不匹配处的1/2波长处。由于这种已知的关系，反射计可以确定从反射计到阻抗不匹配处的距离。

[06]频域反射测量(FDR)系统已被用于测试网络，如在1999年11月30日授予Franchville的5,994,905号、2001年1月23日授予Chong的6,177,801号、2002年10月15日授予Walance等人的6,466,649号、2005年10月25日授予Bailey等人的6,959,037号以及2006年7月4日授予Gorka等人的7,071,700号美国专利中所披露的系统。

[07]但是上述FDR系统的结果通常显示为一幅简单的图象，图象的X轴为距离，Y轴为反射幅值。这种图象结果包含有若干伪读数，即谐波或错误反射，需要技术人员进行大量判读工作。已采用滤波过程来削减异常情况，但结果仍然容易出现判读误差，且没有确定的方式来判定每一个反射是由哪类设备所导致。

本发明概述

[08]本发明的一个目的是克服现有技术的缺点，提供一种系统，该系统采用原始数据来辨识电缆网络中的设备，如分配器、坏芯筒及开路或短路的电缆等，并且以表格形式显示结果，表中有设备类型说明以及它们距离测试位置的距离。

[09]相应地，本发明涉及一种辨识电缆网络中元件的方法，包括以下步骤：

[10]a)对电缆网络进行频域反射计扫描，生成有多个反射的原始数据，每个反射有一个峰值；

[11]b)去除峰值低于预定峰值阈值的所有反射；

[12]c)确定并去除二次和三次谐波反射；

[13]d)确定并去除旁瓣反射(side lobe reflection)以生成过滤后的数据；

[14]e)将峰值与预定的开路阈值进行比较，以确定过滤后的数据中有哪些反射表示未端接电缆(unterminated cable)；

[15]f)由过滤后的数据确定电缆网络中任意分配器的类型和位置；

[16]g)由过滤后的数据确定电缆网络中任意芯筒的位置；以及

[17]h)显示出所述未端接电缆、分配器和芯筒的类型和位置。

附图简要说明

[18]下文将参照附图对本发明进行更为详细的介绍，附图所示为优选实施例，其中：

[19]图1为依据本发明在电缆网络辨识系统中所进行的步骤的流程图；

[20]图2为一个电缆网络的示意图；

[21]图3为图1的第一个步骤中所涉及的分步骤的流程图；

[22]图4为图1的最后步骤中所涉及的分步骤的流程图；

[23]图5a和5c所示为双端口分配器的图形化表示；

[24]图5b和5d所示为芯筒的图形化表示；

[25]图6a和6b则为图1的最后步骤中所涉及的额外步骤的流程图。

详细说明

[26]参见图1，依据本发明给出的初始步骤11是对受试的电缆网络20(图2)进行频域反射计(FDR)扫描，并采集对网络中元件有标示意义的原始数据。相应地，使用符合本发明的FDR测试设备1的技术人员在适当的位置处将设备1连入受试网络20，如网络接口设备(NID)21处，在此发送一个FDR测试信号，并接收原始数据响应信号。符合本发明的FDR测试设备1包括发出FDR测试扫描(如以0.29MHz的增量从5MHz到155MHz信号)所必需的射频发生硬件2、发出射频测试信号并接收反射测试信号的输入/输出端口3和用于控制上述所有系统的微处理器6，以及其他测试系统。微处理器6中配有存储器，用以存储和运行FDR测试设备1的控制软件，以及保存和运行网络映射系统的控制软件。信号转换器4将返回的射频信号转换为电信号，后者由其内的模数转换器(ADC)转换为数字信号。此外还有显示屏5，用于详细给出网络中各类元件以及它们与测试位置的距离。

[27]参见图2，图中示出了一种家用网络20，它由网络接口设备(NID)21延伸至3个主要支路23至25，其中2个支路再通过高质量分配器26和低质量分配器27分为5个子支路23a、23b、24a、24b、24c。每一个子支路或者在芯筒28a、28c、28e、28f中被端接(terminated)，或者如28b和28d处一样未被端接。在使用中，技术人员自身位于住宅或楼宇内部或外部的NID 21处，通过使用射频发生硬件2发出FDR扫描，以进行FDR测试。

[28]参见图3，图1中的第一步11最初包括参考数据的采集，111步，参考数据表示的是在仅连接预定的阻性负载(如75Ω阻性负载)而不连接分配网络的条件下来自射频发生硬件2的每一扫描频率下的参考扫描信号(reference sweep signal)的强度。ADC 4负责转换所述参考数据，以便存储在微处理器6的存储器中。对于参考扫描信号的每一增量，均可进行多次测量，以确定最优(如平均)的参考值。

[29]电缆或测试数据在112步中收集，该步包括：射频发生硬件2向电缆网络20发出一次或多次测试扫描，并通过转换器4将返回信号记录在存储器中。113步包括：将测试值除以参考值后减1，计算得出每个点的反射扫描响应电平。在114步中，对113步中计算出的值应用一种窗口技术(如汉明窗口)，其后在115步中进行快速傅立叶变换(FFT)。在116步中，计算出每个点的回波损耗幅值，即回波损耗＝20×LOG(值)，然后在117步中，对每个回波损耗值应用电缆补偿。依据波所经过的特定电缆和距离，针对频谱的每个频谱峰值将单独确定一个衰减补偿因数，将该因数值乘以每个频谱峰值的幅值，以获得已针对衰减进行补偿的反射扫描响应频谱。此过程在1999年11月30日授予Wavetek公司的5,994,905号美国专利中被详述，在此作为参考文献加入。

[30]图1中的第2步12是对原始数据进行峰值搜索，以确定并隔离所有幅值高于预定阈值(如-25dBrl)的点。此峰值搜索不仅会消除-25dBrl以下的点，还会消除高峰值任何一侧的可能高于-25dBrl的数据点，从而消除单一峰值有许多点＞-25dBrl的情况。

[31]还将识别最高峰值，以确定其他已保存的每一个峰值的相对峰值电平，如下文所述。所有满足上述标准的峰值被找到并被保存在一个“峰值反射表”中，表中另配有相关的信息，如与该点的距离、反射功率电平(dBrl)、峰值宽度、与该点的归一化距离以及与已保存的最高峰值的相对电平。归一化距离是被转换为距离(ft)之前的FFT x轴标号0-255。归一化距离比从转换为长度单位得出的浮点距离使用起来方便得多，使得不考虑其他因素即可进行比较，例如要确定某一反射是否为二次反射(2x reflection)，可以将其除以2，再从另一反射中减去它，取绝对值后比较，看结果是否＜＝1。如果该值已被转为英尺，则此比较应与传播速度(VOP)相关。距离D可以由以下公式计算：D＝f_R×c×V_OP其中f_R为峰值频率，c为光速，而V_OP为传播速度。

[32]在第3步13中，第2步中发现的所有峰值的相对电平是参照最高峰值确定的。这些相对电平值用于后续步骤中的反射比较。

[33]二次和三次谐波反射将被发现并标记，以便在第4步14中去除。二次谐波反射可由一个峰值标识，该峰值高于10dB，低于并处于±1个最近的归一化峰值计数范围内。三次谐波反射也可由一个峰值标识，该峰值高于20dB，低于并处于±1个最近的归一化峰值计数范围内。

[34]在第5步15中将得出一个需要去除的旁瓣的表，方法是：首先确定高于最低旁瓣产生者电平(如＞-20dBrl)且尚未被标记为二次或三次谐波反射的所有反射峰值，以此建立一个潜在旁瓣产生者的列表。潜在旁瓣距离的表则通过加、减被标记为旁瓣产生者的所有反射距离来建立。其余的反射会被搜索，以确定其中是否有归一化距离与任何已计算的旁瓣相同的反射。如果有的反射具有与计算出的旁瓣相同的归一化距离，则将进行一个验证步骤，以确保反射电平低于可能产生它的两个旁瓣产生者中的任何一个。在第6步16中，如果该反射满足上述所有标准，它将被标记为去除。旁瓣表包含归一化距离和电平值。旁瓣是被视为旁瓣生成者的所有反射的归一化距离之和与差。每个旁瓣也会被指定一个等于其两个母电平(parents level)中较低者的电平。通常，旁瓣＜-15dBrl，在±1个归一化长度单位以内，且电平低于计算出的旁瓣。

[35]第7步17是去除所有已被标记为去除的反射峰值，即二次和三次谐波及旁瓣。

[36]第8步18和第9步19分别涉及开路或未端接电缆的辨识，以及芯筒、高质量分配器和低质量分配器等特定元件的辨识，这些将参照图4和5进行详细介绍。未端接的或开路的电缆可以由较大的反射峰值来识别；而开路电缆的阈值如果之前并未补偿，则需要与距离相关，因为反射处距离测试设备越远，电缆损耗对反射的衰减就越大。根据端口数和端口端接的方式，分配器有独一无二的标识。高质量分配器将产生较大的回波损耗，如一次小的反射后会跟随有N次反射，N对应于分配器上的端口数。本发明的算法将对反射进行搜索，查找基于公共网络拓扑的标识集合。例如，二路分配器的辨识特征是低电平的第一次反射和更大距离上的两个更大的反射。

图5c中所示的例子

20ft -20dbrl 分配器

24ft -7.0dbrl 开路

55ft -7.0dbrl 开路

[37]图4示出了在第8步18中为检测分配器和芯筒所采取的步骤和算法。在第1步181中，下一个待查看的反射由响应频谱获得。第2步182是确定反射峰值是否高于预定的开路阈值(如-22dBrl)，这指示电缆开路或未端接。如果反射不高于开路阈值，即第2步182的答案为“否”(NO)，则之后应对该反射是否为序列的第一次反射的问题在判定框183中进行判定。如果该反射在序列中为第一次，则应在判定框184中对所讨论的反射之后的反射是否更大的问题进行判定。如果答案为“否”，则流程运行至最终判定步186，如果所讨论的反射是最后一次反射，它将终止流程；如果所讨论的反射不是最后一次反射，则返回181步。如果判定框184的答案为“是”(YES)，即所讨论的反射之后的反射有更高的电平，但低于-7dBrl，则所讨论的反射就是分配器的指示(见图5a)，而流程将前进至最终判定步186。

[38]如果判定框183处的答案为“否”，即所讨论的反射不是序列的第一次反射，则流程将前进至判定框187，在此判定一排中是否有两次反射以及下一次反射是否高于-3.0dBrl。如果是，则所讨论的反射就是芯筒的指示(见图5b)，且流程前进至最终判定步186。如果不是，则流程前进至最终判定步186，如上所述。

[39]如果在182步的答案为“是”，即所讨论的反射高于开路阈值电平，则所讨论的反射是开路的指示，且流程前进至判定框189，此框类似于判定框183。如上所述，如果所讨论的反射是第一次反射，则流程将前进至最终判定步186。如果所讨论的反射不是第一次反射，则流程前进至判定框191，此框类似于判定框187。如上所述，如果反射总数为2，且所讨论的反射的电平高于-3dB，则该反射是芯筒的指示(见图5d)。如果判定框191的答案为“否”，则流程将前进至判定框192，以判定反射次数是否大于1。如果反射次数为1，且电平低于-5.0dB，则将在判定框193中判定，以前进至最终判定步186。如果判定框192得出的反射次数大于1，则流程前进至判定框194，在此将对反射次数是否大于或等于3、反射电平的差异是否为相互在对方-10dBrl以内作出判定。如果答案为“是”，且电平低于-7dBrl，则所讨论的反射是分配器的指示(见图5c)，且流程将前进至最终判定步186。如果答案为“否”，则控制系统将开始深度分配器搜索过程，在此将假设所讨论的反射构成分配器的端口反射。

[40]如果检测到多次反射，且dBrl电平低于-3.0dBrl，电平差低于10dB，则认为分配器肯定存在。对于确实为良好的分配器，其dBrl可能非常低，如-35dBrl，远低于-22dBrl的最低开路阈值电平。相应地，如果反射提示可能存在分配器，则将在反射列表的第一个位置插入一个假设的分配器，并给定-99dBrl的电平，此电平远低于任何实际的读数，且距离被设置为与第一次反射相同的距离。

[41]深度分配器搜索将在FFT距离标号0与第一次反射的距离标号之间搜索原始数据，因为如果存在分配器，则它将在该区域被找到。深度分配器搜索会向下至-40dBrl查找峰值，如在-22dBrl到-40dBrl之间。深度分配器搜索会搜索不是旁瓣标号的最大峰值。在有上述较高电平反射的区域内发现低电平峰值是存在分配器的指示。

[42]参见图6a，如果总的反射功率(在检测到分配器反射后将所有开路端口反射的回波损耗累加得出)大于100％，则证明存在低质量分配器。如果检测到低质量分配器，则将启动图6b所示的后端反射去除算法，以去除错误的反射。

[43]在正常情况下，一个二路分配器有3次反射，即来自分配器端口、第一开路端口和第二开路端口的反射。由于好的分配器在所有端口上的阻抗均为75Ω，则全部反射信号只有3个，即分配器端口、第一端口开路和第二端口开路反射。在不好的分配器上，各端口阻抗不是75Ω，反射将跳离开路端口再跳离分配器端口的后端。所有这些不匹配情况的结果是反射次数过多，其中许多为伪事件。如果不检测这种情况，并去除后端反射，结果将会显示出伪开路。相应地，在本发明的一个较佳实施例中，微处理器6内的测试系统会进行一项测试，即如果反射测试结果为正，则检测反射次数是否过多，再执行后端反射去除算法。

[44]理想的低损耗二路分配器可将输入功率均匀地分配至两个输出端口上，即每个端口上的输出均比原信号低3dB。公式为100×10^-3/10＝50％，其中端口1的50％+端口2的50％＝100％，这在实际电路中永远不会发生。

[45]但是，典型的二路分配器的每个端口的损耗基本可以达到3.5dB，或者为100×10^-3.5/10＝44.7％，其中两个端口的44.7％加起来等于89.3％。相应地，功率低于100％是由分配器损耗造成的。当在有反射(dBrl)条件下进行此计算时，公式为100×10^dBrl/20，其中20是2×10，2代表2次经过分配器。

[46]在有低质量分配器时，来自开路端和分配器后端的较大的反射会导致百分比之和超过100％(见图6a的198步)，在此微处理器6内的测试系统会将此作为低质量分配器的指示，并由此触发后端反射去除算法199，以去除过多的反射。

[47]参见图6b，后端反射去除算法在201开始，首先是确定与所讨论的分配器之间的距离S。然后在202判定该分配器是否为假设的分配器(在此情况下测试开始于标号1)或分配器是否为检测到的分配器(在此情况下测试开始于标号2)。下一步203是对所有高于-15.0dB的峰值建立一个后端反射生成者的表。204步是通过计算后端反射距离和后端反射电平来建立后端反射表。最终步骤205是遍历所有反射，去除符合计算出的后端反射距离且后端反射电平比后端反射表中的值低3.0dB的任何反射。

Claims

1.一种辨识电缆网络中元件的方法，包括以下步骤：

a)对电缆网络进行频域反射计扫描，生成有多个反射的原始数据，每个反射有一个峰值；

b)去除峰值低于预定峰值阈值的所有反射；

c)确定并去除二次和三次谐波反射；

d)确定并去除旁瓣反射以生成过滤后的数据；

e)将峰值与预定的开路阈值进行比较，以确定过滤后的数据中有哪些反射表示未端接电缆；

f)由过滤后的数据确定电缆网络中任意分配器的类型和位置；

g)由过滤后的数据确定电缆网络中任意芯筒的位置；以及

h)显示出所述未端接电缆、分配器和芯筒的类型和位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤f)包括在所述过滤后的数据中搜索对应于表征分配器的已知峰值集合的峰值集合。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述表征二路分配器的已知峰值集合之一包含有一个第一次反射，其后在不同距离上跟随有两个更大的反射。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述两个更大的反射的电平均在-7dBrl至峰值阈值之间；且所述两个更大的反射的电平均相互在对方上下10dB范围内。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述表征三路分配器的已知峰值集合之一包含有一个第一次反射，其后在不同距离上跟随有三个更大的反射。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤f)包括判定所述任意分配器是否为低质量分配器。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤f)包括计算两个更大的反射的回波损耗的百分比之和，所得之和大于100％即提示有低质量分配器。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤f)还包括在检测到低质量分配器的情况下去除后端反射。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在步骤f)中，如果检测到dBrl电平低于-3.0dBrl的多个反射以及所述多个电平的dBrl电平在10dB范围内，则步骤f)包括进行深度分配器搜索，查找低于预定峰值阈值的峰值，它与多个反射一起提示有分配器。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述提示有芯筒的已知峰值集合之一包括第一次反射，其后跟随单个的更大反射。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述单个的更大反射的电平高于-3dBrl。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤e)包括确定所有大于某个预定开路阈值的反射峰值，其提示电缆开路或未端接。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述开路阈值为-22dBrl。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)包括：

i)采集多个频率点上的预定端接电阻的参考数据；

ii)从电缆网络采集多个频率点上的测试数据；

iii)根据参考和电缆数据计算每个点的响应电平；

iv)对响应电平进行快速傅立叶变化；

v)计算每个点的回波损耗值；以及

vi)对每个点应用电缆补偿。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c)包括：

通过一个峰值辨识二次谐波反射，该峰值高于10dB而低于最接近的峰值，且处于±1个最近的归一化峰值计数范围内；

通过一个峰值辨识三次谐波反射，该峰值高于20dB而低于最接近的峰值，且处于±1个最近的归一化峰值计数范围内；并

去除所述二次和三次谐波反射。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d)包括：

i)通过确定高于最低旁瓣产生者电平的所有反射峰值，建立一个潜在旁瓣产生者的清单；

ii)通过加、减被标记为潜在旁瓣产生者的所有反射峰值距离，建立一个潜在旁瓣距离的表；

iii)搜索其余的反射，以确认有无任何反射的归一化距离与潜在旁瓣距离中的任何值相同；

iv)验证在步骤iii)中所发现的反射，以确保反射电平低于可能产生它的两个旁瓣产生者中的任何一个；

v)去除旁瓣反射。