CN109639345B - 一种基于时域反射法tdr技术的线缆带宽测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法，在高斯脉冲发生器终端连接另一端为开路的线缆，用单片机和高速AD高速数据采样得到发射脉冲波形和反射回波波形，根据高斯波特性和线缆阻抗特性的检测，最终得到线缆的截止频率点。本发明采用幅值可调高斯波脉冲发生器，根据高斯脉冲在频域上衰减后仍为高斯波的这一特性，研究了线缆故障检测的方法，并独创性地利用频谱衰减程度来计算线缆的截止频率，实现了传输带宽测量。不但实现导线的断点或端点的检测，还能利用高斯波的频谱仍为高斯波的特性，不借助频谱分析工具的条件下，直接通过模拟量反映该导线的带宽。

Description

一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法

技术领域

本发明涉及线缆带宽测试技术领域，具体的说，是一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法。

背景技术

时域反射法TDR原理是根据电磁波在传输线上传播时，终端阻抗不匹配而在传输线上造成的回波现象，其在电缆测长、故障定位等领域被广泛采用，在实际应用中易实现、精度较高。目前国外应用TDR技术在电缆故障检测中应用比较成熟，对电缆短路和断路故障检测效率较高，但价格昂贵，不适宜大规模推广。而国内的电缆故障检测技术相对落后，分辨率有待提高，线缆较短时存在盲区等问题，具有改进空间。目前使用TDR技术的电缆故障检测仪发射脉冲的选择上多选取矩形脉冲或者阶跃脉冲，但是陡峭的脉冲沿含有较多高频成分，回波会因为个频率分量衰减不一致产生畸变，将不利于反射点的判断，使测量结果产生偏差。

电信号在传输线传输过程中，确保有用信息不发生丢失和错误变化是传输线研究的主要内容。在高频条件下，频率升高，由于趋肤效应，电流向线缆表面集中愈发明显，线缆内部电流密度减小，从而电感减小，导致了特征阻抗减小。高频分量的衰减随之增大，因而会存在一个截止频率，在进行高频信息传输的创和，这个特征尤其重要，代表能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度，即带宽。研究传输线带宽的检测方法，将保证传输信号的波形特征，使有用信息不发生丢失和错误变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法，采用幅值可调高斯波脉冲发生器，根据高斯脉冲在频域上衰减后仍为高斯波的这一特性，研究了线缆故障检测的方法，并独创性地利用频谱衰减程度来计算线缆的截止频率，实现了传输带宽测量。不但实现导线的断点或端点的检测，还能利用高斯波的频谱仍为高斯波的特性，不借助频谱分析工具的条件下，直接通过模拟量反映该导线的带宽。

本发明通过下述技术方案实现：一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法，在高斯脉冲发生器终端连接线缆，所述线缆的另一端为开路，用单片机和高速AD采样得到发射脉冲波形和反射回波波形，根据高斯波特性和线缆阻抗特性的检测，最终得到线缆的截止频率点。

进一步地，为了更好的实现本发明，假设线缆上发射的电脉冲和反射的电脉冲之间的时间差为Δt，线缆断点或端点的距离为ΔL，线缆断点或端点的半脉冲宽度为Δx，线缆的阻抗特征截止频率为Δω；

所述线缆阻抗特性的检测具体包括以下步骤：

步骤F1：采用高速数据采集并记录线缆的发射波形的电压数据，形成数据列V₀，并通过比较找出其波形峰值电压A₀；

步骤F2：采用高速数据采集并记录线缆的反射回波的电压数据，形成数据列V’₀，并找出其波形峰值电压A’₀；

步骤F3：计算比例系数K＝A₀/A’₀，并将线缆所有反射回波的电压的数据分别乘以系数K，形成数据列V”₀；

步骤F4：求幅值差比例γ＝(V₀-V₀”)/V₀，当第一次出现γ＞29.3％时，对应的N_x·T_s即是Δt；其中N_x为Δt时间内采样次数，T_s为高速采样周期；

步骤F5：使用Δx由推导关系计算得到Δω，再得出线缆的特征阻抗截止频率ω_c＝Δω。

进一步地，为了更好的实现本发明，基于时域反射法TDR的线缆长度测量，采用一个高斯波形的电脉冲信号作为发射信号，其高斯波的数学表达式为：

其中x为时域波形脉冲宽度，x₀为时域波形半脉冲宽度；

当该脉冲发射出去以后，经过ΔL到达线缆的末端，线缆的阻抗无穷大，反射系数为1，导致信号沿着线缆反向传输，形成了反射脉冲电信号。

进一步地，为了更好的实现本发明，计算ΔL的方法为：

通过检测发射脉冲信号和反射脉冲信号的时间差Δt，使用下式计算得到ΔL的长度：

其中c为光速，ε_r为线缆相对介电常数。

进一步地，为了更好的实现本发明，采用高斯波作为发射电脉冲信号，式(1)的傅里叶变换结果为：

根据式(3)可知：发射脉冲信号的频谱波仍为高斯波。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤F5具体是指：假设发射脉冲高斯波的时域波形半脉宽为x₀，频域波形的带宽为ω₀，则计算推导Δω和Δx的方法为：

当发射信号衰减到10％时，由式(1)、式(2)可知：

根据式(4)、式(5)有：

x₀·ω₀＝2ln10 (6)

发射信号的时域变化量和频域变化量的关系为：

已知发射脉冲信号和反射脉冲信号的时间差Δt与线缆断点或端点的半脉冲宽度为Δx的关系为：

Δx＝Δt (8)

即：

Δx＝Δt＝N_X·T_S (9)

由式(7)、式(9)可得：

其中T_s为高速采样周期，N_x为Δt时间内采样次数。

进一步地，为了更好的实现本发明，根据传输线理论和电报方程，线缆反射的电脉冲经过了ΔL距离的传输后，会导致反射脉冲幅值衰减，其衰减函数为：

其中α为传输衰减系数，β为传输相移常数，有：

随着线缆长度的增加，线缆的感性部分增强，导致其发射的高斯波高频分量衰减严重，使反射的脉冲波形不再完全满足高斯波特征，高频分量则会有所衰减。

工作原理：

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明采用幅值可调高斯波脉冲发生器，根据高斯脉冲在频域上衰减后仍为高斯波的这一特性，研究了线缆故障检测的方法，并独创性地利用频谱衰减程度来计算线缆的截止频率，实现了传输带宽测量；

(2)本发明不但实现导线的断点或端点的检测，还能利用高斯波的频谱仍为高斯波的特性，不借助频谱分析工具的条件下，直接通过模拟量反映该导线的带宽；

(3)本发明在高斯脉冲发生器终端连接另一端为开路的线缆，用单片机和高速AD采样可以得到发射脉冲波形和回波波形，根据高斯波特性和上述分析，即可得出线缆的截止频率点，用模拟量测量代替了滤波器或者频谱分析仪。

附图说明

图1为本发明时域反射法TDR原理示意图；

图2为本发明同频带下高斯波的频谱；

图3为本发明有限带宽下的高斯波形；

图4为本发明实施例4仿真长度为8米的线缆发射波形和回波的时域图像；

图5为本发明实施例4仿真长度为8米的线缆发射波形和回波的频谱图；

图6为本发明实施例5中14.45米长的线缆时域波形的示波器采样结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法，在高斯脉冲发生器终端连接线缆，所述线缆的另一端为开路，用单片机和高速AD采样得到发射脉冲波形和反射回波波形，根据高斯波特性和线缆阻抗特性的检测，最终得到线缆的截止频率点。

需要说明的是，通过上述改进，时域反射法TDR技术是通过计算在导线上发出的电脉冲和反射的电脉冲之间的时间差Δt，计算出到线缆断点或端点的距离ΔL。但是由于导线和其环境的耦合作用，导致其反射波形包含了该线缆的频率特征。为此，本发明提出一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法，利用TDR技术不但实现导线的断点或端点的检测，还能急用高斯波的频谱仍为高斯波的特性，不借助频谱分析工具的条件下，直接通过模拟量反映该导线带宽。

本发明设计采用幅值可调高斯波脉冲发生器，根据高斯脉冲在频域上衰减后仍为高斯波的这一特性，研究了线缆故障检测的方法，并独创性地利用频谱衰减程度来计算线缆的截止频率，实现了传输带宽测量。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，假设线缆上发射的电脉冲和反射的电脉冲之间的时间差为Δt，线缆断点或端点的距离为ΔL，线缆断点或端点的半脉冲宽度为Δx，线缆的阻抗特征截止频率为Δω；

如图3所示，所述线缆阻抗特性的检测具体包括以下步骤：

步骤F1：采用高速数据采集并记录线缆的发射波形的电压数据，形成数据列V₀，并通过比较找出其波形峰值电压A₀；

步骤F2：采用高速数据采集并记录线缆的反射回波的电压数据，形成数据列V’₀，并找出其波形峰值电压A’₀；

步骤F3：计算比例系数K＝A₀/A’₀，并将线缆所有反射回波的电压的数据分别乘以系数K，形成数据列V”₀；

步骤F4：求幅值差比例γ＝(V₀-V₀”)/V₀，当第一次出现γ＞29.3％时，对应的N_x·T_s即是Δt；其中N_x为Δt时间内采样次数，T_s为高速采样周期；

步骤F5：使用Δx由推导关系计算得到Δω，再得出线缆的特征阻抗截止频率ω_c＝Δω。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，基于时域反射法TDR的线缆长度测量，采用一个高斯波形的电脉冲信号作为发射信号，其高斯波的数学表达式为：

其中x为时域波形脉冲宽度，x₀为时域波形半脉冲宽度；

当该脉冲发射出去以后，经过ΔL到达线缆的末端，线缆的阻抗无穷大，反射系数为1，导致信号沿着线缆反向传输，形成了反射脉冲电信号。

计算ΔL的方法为：

通过检测发射脉冲信号和反射脉冲信号的时间差Δt，使用下式计算得到ΔL的长度：

其中c为光速，ε_r为线缆相对介电常数。

采用高斯波作为发射电脉冲信号，式(1)的傅里叶变换结果为：

根据式(3)可知：发射脉冲信号的频谱波仍为高斯波。

所述步骤F5具体是指：假设发射脉冲高斯波的时域波形半脉宽为x₀，频域波形的带宽为ω₀，则计算推导Δω和Δx的方法为：

当发射信号衰减到10％时，由式(1)、式(2)可知：

根据式(4)、式(5)有：

x₀·ω₀＝2ln10 (6)

发射信号的时域变化量和频域变化量的关系为：

已知发射脉冲信号和反射脉冲信号的时间差Δt与线缆断点或端点的半脉冲宽度为Δx的关系为：

Δx＝Δt (8)

即：

Δx＝Δt＝N_X·T_S (9)

由式(7)、式(9)可得：

其中T_s为高速采样周期，N_x为Δt时间内采样次数。

根据传输线理论和电报方程，线缆反射的电脉冲经过了ΔL距离的传输后，会导致反射脉冲幅值衰减，其衰减函数为：

其中α为传输衰减系数，β为传输相移常数，有：

随着线缆长度的增加，线缆的感性部分增强，导致其发射的高斯波高频分量衰减严重，使反射的脉冲波形不再完全满足高斯波特征，高频分量则会有所衰减。

需要说明的是，通过上述改进，在高斯脉冲发生器终端连接另一端为开路的线缆，用单片机和高速AD采样可以得到发射脉冲波形和回波波形，根据高斯波特性和上述分析，即可得出线缆的截止频率点，用模拟量测量代替了滤波器或者频谱分析仪。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，使用模型长度为8米的分布式电缆，采用信号源宽度为30ns，幅值为13V的高斯信号作为激励，示波器采集电缆的非开路端的波形，再将其中的初始波形和回波分别做傅里叶FFT分解，他们的时域变化情况如图3所示，频谱如图4所示，为方便比较，已将回波的时域往前平移与发射波形对齐。

根据测试结果，证明在理想条件下，即回波仍为完整的高斯波的情况下，在整个时域范围或频带内，回波的幅值衰减和频谱衰减都为一个恒定值，与理论分析一致。通过单片机和高速AD采样可以得到发射脉冲信号和反射脉冲信号的时间差Δt，即可根据如下公式计算出线缆ΔL的长度：

其中c为光速，ε_r为线缆相对介电常数，Δt为发射脉冲与反射脉冲时间差。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，使用模型厂14.45米的银质线缆，采用信号源宽度为40ns，幅值5.5V的高斯脉冲作为激励，通过单片机和高速AD采样的结果如图5所示，回波下降沿发生明显衰减。由实现结果可知，本次实验中回波在61.2ns处发生3dB的幅值衰减，该点为fs＝2.5GHz采样频率下，距离波峰第30个采样点。将其转换成频率表示，得到该线缆的截止频率为ω_c＝83.3MHz，因此该线缆的传输带宽近似为83MHz。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法，其特征在于：在高斯脉冲发生器终端连接线缆，所述线缆的另一端为开路，用单片机和高速AD采样得到发射脉冲波形和反射回波波形，根据高斯波特性和线缆阻抗特性的检测，最终得到线缆的截止频率点；

假设线缆上发射的电脉冲和反射的电脉冲之间的时间差为Δt，线缆断点或端点的距离为ΔL，线缆断点或端点的半脉冲宽度为Δx，线缆的阻抗特征截止频率为Δω；

所述线缆阻抗特性的检测具体包括以下步骤：

步骤F1：采用高速数据采集并记录线缆的发射波形的电压数据，形成数据列V₀，并通过比较找出其波形峰值电压A₀；

步骤F2：采用高速数据采集并记录线缆的反射回波的电压数据，形成数据列V'₀，并找出其波形峰值电压A'₀；

步骤F3：计算比例系数K＝A₀/A'₀，并将线缆所有反射回波的电压的数据分别乘以系数K，形成数据列V″₀；

步骤F4：求幅值差比例γ＝(V₀-V”₀)/V₀，当第一次出现γ＞29.3％时，对应的N_x·T_s即是Δt；其中N_x为Δt时间内采样次数，T_s为高速采样周期；

步骤F5：使用Δx由推导关系计算得到Δω，再得出线缆的特征阻抗截止频率ω_c＝Δω。

2.根据权利要求1所述的一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法，其特征在于：基于时域反射法TDR的线缆长度测量，采用一个高斯波形的电脉冲信号作为发射信号，其高斯波的数学表达式为：

其中x为时域波形脉冲宽度，x₀为时域波形半脉冲宽度；

当该脉冲发射出去以后，经过ΔL到达线缆的末端，线缆的阻抗无穷大，反射系数为1，导致信号沿着线缆反向传输，形成了反射脉冲电信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法，其特征在于：计算ΔL的方法为：

通过检测发射脉冲信号和反射脉冲信号的时间差Δt，使用下式计算得到ΔL的长度：

其中c为光速，ε_r为线缆相对介电常数。

4.根据权利要求3所述的一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法，其特征在于：采用高斯波作为发射电脉冲信号，式(1)的傅里叶变换结果为：

根据式(3)可知：发射脉冲信号的频谱波仍为高斯波。

5.根据权利要求4所述的一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法，其特征在于：所述步骤F5具体是指：假设发射脉冲高斯波的时域波形半脉宽为x₀，频域波形的带宽为ω₀，则计算推导Δω和Δx的方法为：

当发射信号衰减到10％时，由式(1)、式(2)可知：

根据式(4)、式(5)有：

x₀·ω₀＝2ln10 (6)

发射信号的时域变化量和频域变化量的关系为：

已知发射脉冲信号和反射脉冲信号的时间差Δt与线缆断点或端点的半脉冲宽度为Δx的关系为：

Δx＝Δt (8)

即：

Δx＝Δt＝N_x·T_s (9)

由式(7)、式(9)可得：

其中T_s为高速采样周期，N_x为Δt时间内采样次数。

6.根据权利要求5所述的一种基于时域反射法TDR技术的线缆带宽测试方法，其特征在于：根据传输线理论和电报方程，线缆反射的电脉冲经过了ΔL距离的传输后，会导致反射脉冲幅值衰减，其衰减函数为：

其中α为传输衰减系数，β为传输相移常数，有：

随着线缆长度的增加，线缆的感性部分增强，导致其发射的高斯波高频分量衰减严重，使反射的脉冲波形不再完全满足斯波特征，高频分量则会有所衰减。

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