JP2005300546A - ケーブル障害測定のロスおよび散乱歪補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高信頼性且つ迅速にケーブルの障害測定を可能にするためのロス（減衰）および散乱歪補正方法を提供する。
【解決手段】ケーブル４０を周波数ドメインで測定し、反射応答を求める。隣接する等しい長さの接続点を規定するポイントにおける振幅減衰および遅延位相を有する反射応答の部分正弦波成分を寄せ集めノーマライズする。次に、反射応答の部分正弦波成分を、各ポイントにおける真の値を数学的に計算してノーマライズされた合計から抽出し、ロスおよび散乱歪成分の全てを除去する。
【選択図】図４

Description

本発明はケーブル障害測定に関し、特にケーブル障害測定におけるロス（損失）および散乱（dispersion）歪補正方法に関する。

単一のワイヤケーブル又はツイステッドペアケーブルの電気ケーブルのテスト（試験又は検査）およびトラブルシューティング（故障修理）において、典型的なテストは、ケーブルの一端から刺激信号を伝送し、返ってくる反射を測定する計測器を使用する。時間ドメイン反射（ＴＤＲ）および時間ドメインクロストーク（ＴＤＸ）測定の両方は、２つの主要歪タイプを条件としている。一方は減衰歪であり、他方は散乱歪である。

減衰歪は、ケーブルのロス（損失）による。即ち、刺激信号が被試験ケーブル中を伝送されるにつれて失われ、測定器へ反射され、その結果、受信した信号は、最早認識できない点まで大きさ（振幅）が減少される。

減衰歪を補正する従来方法は、ジェフリー エス ボットマン発明の米国特許第５，６９８，９８５号に開示されており、反射応答（レスポンス）は、この応答に重み付け関数を掛けることにより時間ドメイン（時間領域）にスケールして、減衰を補償する。即ち、減衰された信号は、各応答ポイントに所定の重み付け関数を掛けることによりケーブルの全長に渡り比例して「ブースト」又は増幅される。この重み付け関数は、減衰のみを補正し、散乱は補正しないので、この測定は不正確となる傾向がある。

減衰歪を補正する他の従来方法は、リンゼイ エフ．ガム発明の米国特許第６，４３７，５７８号に開示されており、ここでケーブルロスは、ポイント毎に補正され、各ポイントにおいて何回かのフーリエ変換を行い、計算の実行に応じて周波数および時間ドメイン間で一方から他方へとシフトさせる。即ち、周波数ドメインで取得したデータは、フーリエ変換されて時間ドメインとしてケーブルのインパルス応答を得る。次に、各ポイントを、距離および周波数に基づく補正を行って、周波数ドメインへ戻す。この補正されたデータは、更に時間ドメインへ戻して、補正を観測可能にする。しかし、僅か２０４８ポイントの記録長に対して４２０万回の計算が必要である。更に、この方法も、散乱ではなく減衰のみを補正する。
米国特許第５，６９８，９８５号 米国特許第６，４３７，５７８号

２番目のタイプの歪、即ち散乱歪は、刺激信号および反射の異なる周波数成分がケーブルを異なる速度で伝播するという事実により生じる。散乱歪は、反射パルスを幅広とし又は「汚染」させる。

減衰歪および散乱歪の両方は、ケーブルの特性に固有であり、またこれら両方は同時に存在する。これらの歪の影響は、ケーブルの「イベント」又は障害を認識する計測器オペレータの能力を低下させる。イベントからの反射パルスは、極めて小さいので、認識されない場合がある。更に、相互に密接する多数のイベントからの応答の汚染は、これらの反射パルスを相互にオーバラップさせて単一のエベントのように見えることもあり得る。

上述の如き従来技術によると、減衰歪と散乱歪の両方の補正が困難又は不可能であり且つケーブルの障害を、計測器のオペレータが正確且つ確実に認識することが困難であるという課題があった。

本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、減衰歪および散乱歪の双方を高信頼性且つ迅速に補正可能にするケーブル障害測定におけるロスおよび散乱歪補正方法を提供することを目的とする。

本発明のケーブル障害測定におけるロスおよび散乱歪補正方法は、被試験ケーブルを周波数ドメインで測定してケーブルに送り込まれた信号の反射応答を得るステップ、ケーブルに沿って予め決められたポイントからの反射応答の一連の部分正弦波成分を集めて重ね合わされた関数を得るステップ、この重ね合わされた関数を送られた信号関数で割り、ノーマライズされた関数を得るステップおよびノーマライズされた関数から、予め決められた各ポイントにおける真の値を計算することにより部分正弦波成分を抽出し、減衰および散乱歪を除去するステップを備える。

また、本発明の好適実施例によると、抽出された部分正弦波成分のプロットをディスプレイするステップを備えている。ケーブルに沿う予め決められたポイントは、最高プロ−ビング周波数の周期により決定される。

本発明のケーブル障害測定のロスおよび散乱歪補正方法によると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。即ち、ケーブル障害測定におけるロスおよび散乱歪を比較的簡単且つ正確に補正することが可能である。また、周波数ベース又はパルスベースの何れにも適用可能である。この際に、周波数ベースの場合はそのまま、パルスベースの場合にはフーリエ変換を行い周波数成分に分解して、最高周波数を決定する。その結果、単一の障害イベント又は相互に隣接する複数の障害イベントも確実に認識可能であり、障害を見逃す恐れを排除できる。

以下、本発明によるケーブル障害測定のロスおよび散乱歪補正方法の好適実施例の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１(Ａ）および図１(Ｂ）は、本発明の補正方法を実行するパルスベースのケーブルテスト機器および周波数ベーステスト機器を比較するフローチャートである。先ず、図１(Ａ）について検討すると、パルスベースのテスト機器は、短い幅のパルスを被試験ケーブルに送り、そして反射応答を時間ドメインで受け取る。ブロック１０において、ケーブルから受け取った反射応答は、「デジタイズ」され、即ちこの応答を所定のクロックレートでサンプリングし、対応するデジタル値に変換し、その後に処理可能にする。ブロック１２において、デジタイズされた応答をフーリエ変換して、時間ドメインから周波数ドメインに変換する。ブロック１４において、本発明による補正方法が適用される。ブロック１６において、補正された応答が表示（ディスプレイ）される。

次に、図１Ｂにおいて、周波数ベースの計測器は、被試験ケーブル内に一連の正弦波周波数又は「トーン」を送ることにより仮想刺激パルスをシンセサイズ（又は生成）する。ブロック１８において、反射応答は、デジタイズされ、大きさおよび位相にアセンブリングされる。ブロック２０において、本発明による補正方法が適用される。ブロック２２において、補正された応答が表示される。

パルスベースのケーブルテスト機器および周波数ベースのケーブルテスト機器の両方は、当業者に周知である。パルスベースの計測器の例は、ジェフリー エス．ボットマンに１９９６年６月２９日付けで発行された米国特許第５，５３０，３６７号およびジェフリー エス． ボットマン等に１９９６年１０月２９日付で発行された米国特許第５，５７０，０２９号に開示されている。周波数走査計測器の例は、ジェームス アール．シアセロに１９９６年３月２６日付で発行された米国特許第５，５０２，３９１号およびジェームス アール． シアセロに２００２年８月１３日付で発行された米国特許第６，４３３，５５８号に開示されている。これら両タイプの計測器は、ＴＤＲ（タイムドメインリフレクトメトリ）およびＴＤＸ（タイムドメインクロストーク）測定の両方が可能であることに留意されたい。ＴＤＲ測定には、刺激信号が１本のケーブルに送り込まれ、反射が別のケーブルに返る。ケーブルは、単一のワイヤ導体とこれから誘電体により分離された外部導体を有する同軸ケーブル又は電話ケーブルの如きワイヤのツイステッドペアでもよい。しかし、伝送されるパルスは、各タイプの測定に対して同じ歪を受ける。従って、障害を検出し且つそれを補正する原理は、両タイプの測定に対して同じである。

次に、図２(Ａ）および図２(Ｂ）を参照すると、それぞれ単一および複数（マルチプル）イベントのケーブルテスト状態における振幅対時間の波形表示例を示す。図２Ａにおいて、ダイレクトパルス又は上述したシンセサイズ（合成）パルスでもよい刺激パルス３０は、ケーブルに送り込まれる。反射応答３２は受け取られるが、それは減衰および散乱歪の両方を受けるので、それが何を表すかを正確に決定することは困難である。本発明の補正方法が適用された後では、補正されたパルス３４’が現れ、ケーブルの決定可能な位置における単一障害イベントを明瞭に示す。

一方、図２(Ｂ）でも、刺激パルス３０がケーブルに送り込まれ、歪んだ反射応答３２’が受け取られる。しかし、この場合において、本発明の補正方法の適用後には、複数（２個）の隣接した障害イベント３４’および３４”が認識される。もし図２(Ｂ）の反射応答３２’の減衰歪のみが補正されたならば、２個の隣接したイベントがある事実は見逃したであろう。

本発明によるロスおよび散乱歪補正方法は、処理ステージ（段）への入力として周波数ドメイン測定で動作しており、これらの歪みが数学的に除去されることに基づいている。パルスベースの計測器へ伝送されたパルスは、フーリエ変換により正弦波周波数成分に分離される。この変換の後に、送り出された各周波数成分は、それがケーブルに沿って伝播されると共に調査される。もし計測器が周波数ベースの機器であれば、伝送されたトーンは、既に周波数ドメインである。

ケーブル内で起きている物理現象を観察することは、本発明による補正方法の理解の助けとなるであろう。ケーブルは、その単位長当りのロスがある。このロスは、減衰定数とも称されているαで表される。また、ケーブルは、正弦波の伝播により、単位長当り位相シフトを生じる。そして、この位相シフトは、位相定数とも称されているβで表される。これらのパラメータαおよびβは、特定ケーブルの特性であり、事前に知られている。

もし伝送される正弦波信号（又はフーリエ変換されたパルス）が、複素数であるその初期振幅（大きさ）および位相で特徴付けられ、関数X（f)で表されると、ケーブルに沿う任意の点における減衰され且つ位相シフトされた正弦波信号は、
X(ｆ）ｅ^{−（α+jβ）ｎ}
で表すことができる。ここで、ｆは周波数であり、ｊは√−１（複素数）、ｎは正弦波信号がケーブルに沿って伝播する単位長の倍数である。ケーブルパラメータαおよびβは、周波数の関数であり、上記の式は、
X(ｆ）ｅ^{−（α（ｆ）＋ｊβ（ｆ））ｎ}
と書き換えることができる。数学的には実数部および虚数部を含んでいる複素数であるα＋ｊβは、γで表すこともでき、伝播定数と呼ばれている。

異なる周波数を有する信号は、ケーブル内を異なる速度で走行する。通常の伝播速度は、真空中における光速の端数（何分の１）として表される。ケーブルを微小で、等しく且つ個別の長さに分割されたモデルで検討する。各長さは、パラメータα、ベータおよびγに関連する単位長に等しい。この長さは、ケーブル内に送り出された最高のトーン又はプローブ周波数の１周期中に信号が走行する距離に選択される。例えば、計測器からケーブル内に伝送される最高周波数が１００ＭＨｚであると仮定すると、この長さは、信号が１０ｎｓ（ナノ秒）内に走行する距離に選択する。反射される障害イベントは、隣接する長さの接続ポイントのみから来るとモデル化する。

図３を参照すると、ケーブル４０に沿う反射ポイントの計算を示す数学モデルであり、このモデルではツイステッドペアのワイヤである。長さ間の接続ポイントは、X_０乃至X_ｎで示している。ポイントX_Ｎは、ケーブルの端部である。各ポイントX_０、・・・・・、X_ｎにおけるクロストークを含む反射される障害の大きさは、関数Γ(x)で表わされ、ここでΓは反射定数である。もし関数Γ(x)が１回に１つ抽出できれば、時間ドメインのシーケンスが得られることとなる。図３に示す如く、Γ(0)は、ポイントX_０に、Γ(1)はポイントX_１に関連する。計測器から伝送された正弦波信号がイベントポイントｘに到達すると、計測器に向かって反射される正弦波の一部分はΓ(x)である。反射応答は、計測器に向かって走行するので、それは再度減衰および位相シフトされる。そこで、各ポイントXから反射された完全な応答は、
X(ｆ)Γ(ｘ)ｅ^{−２Ｘγ（ｆ）}
で表される。

図３の検査から、反射された正弦波の一部分は、一緒に計測器へ戻ることが分かる。これらの反射された正弦波の一部分は、自然の発生現象として重畳される。計測器による測定結果は、全ての減衰され且つ位相シフトした部分のY(f)の重ね合わせ又は合計である。重ね合わせ関数Y(f)は、既知の伝送された正弦波信号X（f）により割ることによりノーマライズ（正規化）してノーマライズされた関数R(f)を定める。即ち、
R(f)＝Y（f）／X(f)＝[Γ(0)＋Γ(1)ｅ^{−２Γ（ｆ）}＋Γ(2)ｅ^{−４Γ（ｆ）}＋・・Γ(n)ｅ^{−２ｎΓ（ｆ）}＋・・Γ(N)ｅ^{−２ＮΓ（ｆ）}]

処理の次のステップは、ノーマライ図された関数R(f)から端数Γ(x)を取り出すことである。Γ(0)は、時間ドメインシーケンスΓ(x)における最初のエレメントであることに注目されたい。そして、伝送される信号はケーブル中を全く走行しないので無減衰且つ非遅延である。そこで、Γ(0)にはγ(f)の指数項を掛けない。周波数ドメインシーケンスR(f)の時間ドメインポイントΓ(0)への変換は、逆フーリエ変換を使用して実行可能である。しかし、この第１項Γ(0)を得る更に簡単な方法がある。ディスクリートフーリエ変換（ＤＦＴ）の出力の第１項は、順又は逆ＤＦＴの何れであれ、単にＤＦＴ入力シーケンスの実部の和であることが周知である。従って、ポイントX_０における値Γ(0)は、次式で与えられる。

ポイントX_１における値Γ(1)は、先ずR(f)に伝播定数の既知の指数ｅ^{２γ（ｆ）}を掛けることにより次式で決定される。
R(f)ｅ^{２γ（ｆ）}＝［Γ(0)ｅ^{２γ（ｆ）}＋Γ(1)＋Γ(2)ｅ^{−２γ（ｆ）}＋・・・Γ(n)ｅ^{−２（ｎ−１）Γ（ｆ）}＋・・Γ(N)ｅ^{−２（Ｎ−１）Γ（ｆ）}］

さて、γ(f)の指数が掛けられていないので、Γ(1)項は、減衰されず且つ遅延されないことが分かる。従って、ポイントX_１におけるΓ(1)の値は、次式で計算可能である。

ポイントX_２におけるΓ(2)の値は、次式で計算される。

以下同様に、ポイントX_３乃至X_ＮにおけるΓ(3)乃至Γ(N)の値が計算でき、最後のポイントX_ＮにおけるΓ(N)の値は、次式で計算される。

Γ(x)の全ての値が計算された後で、これらを図２Ａおよび図２Ｂに示す補正波形の如くグラフィック時間ドメインディスプレイとしてプロットされる。

図４は、本発明によるロスおよび散乱歪補正方法を纏めて示すフローチャートである。ステップ５０で、ケーブルを周波数ドメインで測定して反射応答を得る。ステップ５２で、振幅が減衰され位相が遅延した、それぞれ予め決められた等しい長さの隣接する接続点を定めるポイントにおける値を有する反射応答の部分正弦波成分を寄せ集め、重ね合わせた合計であるY(f)を得る。ステップ５４で、この合計Y(f)を伝播関数X(f)で割り、反射ポイントのノーマライズされた合計R(f)を得る。ステップ５６で、反射応答の部分正弦波成分であるΓ(x)を、各ポイントにおける真の値を数学的に計算して各ポイントのR(f)から抽出し、全ての歪み成分を除去する。ステップ５８で、抽出された部分正弦波成分の大きさの値を、振幅対時間（又はケーブル長）のグラフにプロットする。

以上、本発明の好適実施例について詳述したが、本発明の要旨又は広い概念を逸脱することなく多くの変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。従って、本発明は、特許請求の範囲に含まれる変形および変更の全を包含するものと理解するべきである。

本発明による補正方法を実施するパルズベース計測器のフローチャートを示す。 本発明による補正方法を実施する周波数ベース計測器のフローチャートを示す。 刺激パルスと単一イベントからの応答を示すグラフィックディスプレイである。 刺激パルスと相互に隣接するマルチプル（複数）イベントからの応答を示すグラフィックディスプレイである。 ケーブルに沿う反射ポイントの計算を示す数学モデルである。 本発明によるロスおよび散乱歪補正方法を示すフローチャートである。

符号の説明

３０ 刺激パルス
３２ 反射応答
３４ 補正されたパルス
４０ ケーブル
X0〜Xｎ ケーブルの仮想接続ポイント

Claims (3)

1. （ａ）被試験ケーブルを周波数ドメインで測定して前記ケーブルに送り込まれた信号の反射応答を得るステップ、
   （ｂ）前記ケーブルに沿って予め決められたポイントからの反射応答の一連の部分正弦波成分を集めて重ね合わされた関数を得るステップ、
   （ｃ）前記重ね合わされた関数を送られた信号関数で割り、ノーマライズされた関数を得るステップ、および
   （ｄ）前記ノーマライズされた関数から、前記予め決められた各ポイントにおける真の値を計算することにより部分正弦波成分を抽出して、減衰および散乱歪を除去するステップを備えることを特徴とするケーブル障害測定のロスおよび散乱歪補正方法。
2. 前記抽出された部分正弦波成分のプロットをディスプレイするステップを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のケーブル障害測定のロスおよび散乱歪補正方法。
3. 前記ケーブルに沿う予め決められたポイントは、最高プロ−ビング周波数の周期により決定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のケーブル障害測定のロスおよび散乱歪補正方法。
   

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