TWI373624B - Correction of loss and dispersion in cable fault measurements - Google Patents

Description

1373624 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明整體相關於電纜偵錯測量，並且特別相關於電 纜偵錯測量中之漏失與消散的校正。 【先前技術】 在對電纜測試與故障排除中，電纜可以是單線電纜或 疋絞線對，傳統測試包含利用一種典型之測試，其涉及利 用測試儀器傳送刺激信號進入電纜之一端並且接收及測量 任何回傳的反射。時域反射測定法（TDR)測量以及時域串 音（TDX)測量兩者係容易遭受兩種主要形式的失真。其中 之一是衰減失真而另一種是消散失真。 衰減失真係由於在一電纜中的漏失。亦即，能量係如 同刺激信號往下傳播至測試中電纜並且反射回測試儀器， 結果是該接收到的信號在振幅上變的較小而造成不能辨 識。 在校正衰減失真的先前技術中有一種係揭示在頒發給

Jeffrey S. Bottman的美國專利第5,696,985號，其中一反 射後響應在時域上藉由乘以加權方程式之反應標註大小比 例以補償衰減。意即，該衰減後信號係藉由將該響應的每 -點與-預定加權方程式相乘’而按電纜的長度正比的被 推動（boosted)或是放大。因為該加權方程式係僅有對衰減 可以杈正，而對於消散（dispersion)則無法校正，此種方法 易導致不準確。 另一種杈正衰減失真的先前技術方法係揭示於頒發給 ^/3624

Linley F. Giunm的美國專利第6,437,578號，其中電纜漏 失係由點對點基礎而校正，其中每一點施加數次的傅立葉 轉換（Fourier Transf0rm)以如計算所顯示的在頻率域與時間 域中往前移及往後移。亦即，在頻率域中所獲得的資料係 經由傅立葉轉換至時域以提供電纜的脈衝響應。然後每— 點係轉換回頻率域，而每一點的校正係根據距離與頻率。 枝正後的貧料係轉換回時域使得校正可以被觀察。然而， 對於記錄長度只有2048點的電纜，需要42〇〇萬的計算。 並且此種方法僅有對於衰減可以校正，而不能校正消散。 第二種形式的失真—消散失真（dispersi〇n dist〇rti〇n)， 則是肇因於刺激信號的不同頻率成份與反射，該些頻率成 分與反射係以不同速率在電财傳播。消散失真會造成反 射後脈衝變成较寬，或是造成其變得模糊。 衰減失真與消散失真兩者都是在電镜中固有的特徵， 並兩者都是以同-時間呈現。失真所呈現的效應係減少 儀器操作者在龍中辨識“事件（event)，，或是錯誤的能力。 從-事件回傳的脈衝可以是非常小的，以致於其可能不會 被識別出m ’從多個事件中每一次所間隔之回應 的污染會造成其回傳的脈衝重疊，並且顯示出外表看起來 係來自同一事件。 其能夠可靠的並且快 因此所欲求的是提供一種方法 速的校正衰減失真與消散失真。 【發明内容】 根據本發明， 提供種在電纜傾錯測量中校正漏失與 1373624 消散的方法β "月之漏失與消散校正方法對於在以脈衝為基礎 Pu se based)的f緵測試儀器與以頻率為基礎（㈣μ心 1 )的電纜測試儀器兩〇提供清楚的且精相反射回 應而言係實用的。 一種電㈣在頻率域中測量以獲得—反射回來的回 :在乂脈衝為基礎的儀器情況令，利用一種傅立葉轉換 以刀解傳迗至其正弦成分之脈衝。該反射後回應之分級正 弦成分重疊在沿著電缓定義鄰接相等預定長度的結合點之 點上具有衰減後的振幅以及延遲後的相位值，該些分級正 弦成刀破集合亚且正規化。然後該反射回應之分級正弦成 分雜正規化之重疊中藉由數學方法計算每一點真實的數 值而萃取出’因此而移除所有的漏失與消散失真成分。 經由閱讀下列說明書並結合所附圖式，本發明之其他 目的，特徵與優點對於相關領域習知技術者而言將會變的 明顯。 【實施方式】 圖1Α與1Β顯示以相位為基礎以及以頻率為基礎的電 纜測試儀器之的流程圖比較，其用以實施本發明之校正方 法。首先考f ffi 1 A，以脈衝為基礎的測試儀器冑送一短區 間脈衝至一測試中電纜，並且在時域上接收一反射後回 應。在方塊10 ,從該電纜接收之該反射後回應被數位化 (d】git〗zed)，亦即，該回應係以一預定時脈率所採樣，並且 轉換至可以被處理的數位表示法。在方塊丨2中，傅立葉 1373624 轉換將該數位化後之回應從時域轉 Η，提供本發明之校正方法 Η在方塊 回應。 在彳塊16’顯示該校正後之 在=Β，以頻率為基礎之測試儀器藉由將—串正弦頻 刺調(tones))傳运至測試’電境以合成-實質上的 刺激脈衝。反射後之回應係、以頻率域接收。在方塊18, 該反射後之回應被數位化並且組合至振幅以及相位中。在 方塊20,實施本發明之校正方法。在方塊22 _，顯示校 正後回應》 以脈衝為基礎的電鐵測試$器以纟以頻率為基礎之電 纜測試儀器兩者在習知技術者中都為人所熟知。以脈衝為 基礎的儀器範例揭示於美國專利第5,53〇,367號中，其於 1996年6月25日發給於Jeffrey S. Bottman，以及揭示於 美國專利第5,570,029號，其於1996年10月29日發給於 Jeffrey S. Bottman等人。掃頻儀器之範例係揭示於美國專 利第5,502，391號，其於1996年3月26日發給於James R.

Sciacero’以及揭示於美國專利第6,433,558號，其於2002 年8月13曰發給於james r. Sciacero等人。必須指出的 疋兩種形式的儀器都能夠以TDR(時域反射儀reflectomery) 以及TDX(時域串音）測量。對於一 tdR測量，一刺激信號 係在電缓上傳送出去，並且一反射在相同的電缓上回傳。 對於一 TDX測量，該刺激信號係在一電纜上傳送出去，並 且一反射係在不同的電纜上回傳。電纜可以是一同軸電 纜，其具有單一線導體以及由介電質所隔開的一外部導 8 丄 體’ U例如電話電欖的一對扭轉線。然而，傳送後脈衝 子於每a形式之測量皆經歷相同的失真。因此測試失 真以及校正失真的原則係相同於兩種形式的測量。 參考至圖2A肖2B ’個別顯示單—事件以及多個事件 电纜測试情況的波形中振幅相對於時間的圖形。在圖2八 中’如上㈣論的’可以是直接脈衝或是合成脈衝之一刺 ㈣衝3G係、傳送至-錢中。接收-反射後回應32,但

疋因為其展現衰減與消散失真，目難的是精確的決定是衰 減或是消散失真何者。在本發明之校正方法施加時，表現 :正後脈_ 34 ’其清楚的在該電纜的可決定定點顯現初單 一錯誤事件。在圖2B中，刺激脈衝30係再次傳送至該電 境，並且接收一失真的反射後回應32,。，然而此時，在施 加本發明之杈正後’可以清楚分辨多個間隔緊密之錯誤事 件34與34 »可以看見的是在圖2B中如果該反射後回應 32’僅對於衰減失真而校正，事實上將會錯過兩個間隔緊密 的事件。 根據本發明之用力校正漏失與消冑的方法係依據操作 在輸入至處理階段之頻域測量上，其中失真係以數學方法 移除。在以脈衝為基礎的儀器中之傳輸後脈衝可以藉由傅 立葉轉換被分解成正弦成分。在轉換之後，每一個傳送後 =弦頻率成分係當其沿著該魏傳送時被檢查。如果該儀 器係以頻率為基礎之儀器’該傳送後之音調(tone)係已經 處於該頻率域中。 檢視一下在電纜中發生了何種物理現象有助於了解本 “/3624 失，之权正方法。該電缓具有每單位長度的奈培㈤㈣漏 且此漏失係由alpha(a)標註，其也熟知為衰減常數。 ^境同樣導致在傳輸中的正弦曲線每單位長度上之相位 位移（其以弧度作單位），並 ;业且此相位位移係以beta(沒）標 其亦被人所熟知為相常數。參數…係電纜特別形 式之特徵’並且可以預先知曉。 如果-傳送後之正弦信號(或是經由傅立葉轉換後之脈 衝）係由其初始振幅以及相位所特徵化為—複數，並且以方 私式X(f)所私s主’其中f係指頻率，而在沿著電纜任何一 點定點處的錢後及位移後之正弦信號可以表示為 (a +J/3 )n，且中 i 将 1 . t 、 方根（一虛數），並且η係該正弦信 號沿著_傳播中多個單位長度之數目。_來數α 與石係頻率的方程式，Α寫下上述表示式的另—種方式係 x(f)e…⑷n。該複數值在數學上係辨識為包含一實 部與-虛部’並且也以小寫字母的gamma(η所標註，盆 被稱為傳播常數。 具有不同頻率的信號以不同速度沿著一電缓前進。傳 播的名義速度係表示為真空中的光速之分數。考慮藉由把 該電纜分成-系列小的，相等的以及離散長度而將電纜模 組化。每一個長度係相等於與參數α ,万與7有關的單位 長度。此長度係被選擇為在傳送至電纜中的最高音調或是 探測頻率信號之-段時間内沿著電㈣㈣㈣。例如， 如果由H式儀益傳送至該電繞之最高頻率係⑽MHz， 該長度係被選為在1() I秒中前進的距離，反射後之㈣ 1373624 事件係被模組化為只有從鄰近長度的連接點處進入β 參考圖3 ’其係說明沿著電纜40計算反射點之一數學 模型，其在此一模型中係一對扭轉線，在長度之間的結合 點係以xQ至χη標註’點Χν表示電鏡的終端，在每一點 Χ〇,…，η中反射後錯誤的大小（包含串音）係以方程式]ρ (X)襟 S主’其中Γ (大寫的gamma)係反射係數。注意的是如果方 程式Γ (X)在時域序列結果中可以一次摘取一者。如圖3中 所顯示者’ Γ (0)係相關於點Xq，r (1)相關於Xl，當從剛 试儀器傳送出的正弦信號在一事件點X到達，該反射回儀 器的正弦分級係r (X)。當該反射後回應往回前進至儀器 時，會再一次衰減並且經過相位位移，故從每一點X回傳 的完整回應係表示為X(f) Γ (x)e-2u(f)。 從圖3的檢查可知，其可見的是反射後正弦分級係— 起回傳至該測試儀器。此些反射後正弦分級係如同正常發 生的現象一般疊加上去.由該測試儀器所測量的結果係疊 加’或是總合’其標註為所有衰減與相位位移後分級的 Y(f)。該疊加方程式γ⑴可以由除以已知經傳送之正弦信 號X(f)而被正規化’以定義正規化後的方程式R(f)。意即， R(f) = Y(f)/X《f} = [ Γ (0) + Γ (1) e.2Y⑴+ Γ (2) e·”⑴+ …Γ (η) e-2i”(f) + Γ (ν) e.2NT(r)]。 過程中的丁一步驟係從正規化後之方程式R(f)擷取出 分級Γ (x)。注意的是Γ (0)是在時域序列Γ (X)的第一元件， 並且其未被衰減也並未被延遲，因為該傳送後信號並未前 進至電纜内的任何距離’ 1且Γ (0)並未被任何r⑴的指數 1J/J024 $目加乘°頻率域序N R(f)至時域點Γ (〇)的轉換可以利用 反傅立葉轉換實施，但是如果只要得到Γ⑼有更簡單的方 法’為人所熟知的是離散傅立葉轉換（DFT)的輸出之第一 j，不論是直接DF丁或是反DFT，都是DFT輸入序列的 貝口P總合。因此，在點x〇的值Γ (0)係Γ (〇) = § Re[R(f)]。 /=〇 百先將R(f)乘以已知傳播常數的指數e2T⑴而決定在點 x I之Γ ( 1 )，如下所顯示： R(f) [Γ (0) e2w。+Γ ⑴ +Γ ⑺ Θ⑴+』⑷ e 2…丨h(f) +…Γ (N) e.2(N-丨h⑴]。 現在可賴的是藉由檢查可知，「⑴係未被衰減也未 被延遲’因為其並未被乘以任何γ(〇的指數項二欠。因此， 在點X,的值Γ ( 1)可以如下的方式計算： Γ(1)= Re[R(f) e2^f>] /=0 在點x2的Γ (2)可以如下被計算 Γ. ^ ν ίχίΛΧ (2)=艺 Re[R(f) e4Y(r)] /:〇 同樣的’在點X至點X的r (3)至,丨r m、 ^ 、）到Γ (N)的值可以被計 算’在點χΝ的最終值Γ (Ν)係： Γ (Ν) = 5 Re[R(f) e2N^f)] /=〇 在所有Γ (X)值都被計算後，其可姑+丄 ^ 、j破晝成圖形時域顯 12 1373624 示例如在圖2A與2B中顯示的校正後圖形。 曰4係μ程圖，其摘要根據本發B月的漏失與消散失 真校正方法。在步㉟50中，在頻率域中的電纜以獲得一 反=後回應。在步驟52中，反射後回應的分級正弦成分 在疋義鄰接相等預定長度的結合點上具有衰減後的振幅以 及延遲後的相位值n起收集以提供―重疊的總合 γ⑴。在步驟54中，總合γ⑴絲以傳送後的方程式· 以提供反射點的正規化後總合R(f)e在步驟％中反射 後回應之分級正弦成分r(x)係自咐以每_點摘取，藉由 在每-點數學計算實值，從而減低所有的失真成分。在步 驟％中，摘取後分級正弦成分的振幅值係描綠在振幅相 對於時間（或是電纜長度）的圖表上。 當發明人已經顯示並說明本發明的較佳實施例，對於 習知技術者而言係明顯的是在本發明較廣的範脅中許多嫩 化與修改可以不背離本發明而產生。因此需考量的是所Ζ 申請專利範圍將涵蓋所有落於本發明真實範田壽内的此種變 化與修改。 【圖式簡單說明】 圖1八與1Β顯示以相位為基礎以及以頻率為基礎的電 纜測試儀器之的流程圖比較，其用以實施本發明之校二 法； 圖Μ與2Β係根據本發明而圓解顯示—刺激脈衝心 回應的波形之圖形表^，個龍單—事件_以及從多個緊 密事件中顯示，而對於個別單—與多個事件的校正後回應 1373624 圖 3係一數學模型，說明沿著電纜之反射點的計算； 並且 圖4係一流程圖，其係根據本發明之漏失與消散失真 校正。 【元件符號說明】

30 刺激脈衝 32 反射後回應 34 校正後脈衝 325 反射後回應 34，，34” 事件

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Claims (1)

1373624 101年2月3日修正替換頁 申請專利範圍·· 1.一種在電_量中校正漏失與消散失真的方法 下列步驟： ⑷在-㈣域令測量該電心獲得經傳送後信號的反 射回應； ()從著„亥包纜的預定點收集該反射回應的複數個分 級正弦成分，以提供一重疊後方程式； ⑷藉由將重疊後方程式除以—傳送信號方 —正規化方程式；並且 促贤 ,(d)藉由計算在該等預定點的每一點實值從該些正規化 後方程式摘取出分τ & 〇·、\ 真。 出刀級正弦成分從而移除衰減失真與消散失 種如令印專利範圍第1項之在雷增、、目，丨θ 士 失與消散失真的m J之在電、.見測-中校正漏 的分級正弦成分的圖表。 堝取出 3. 種如申請專利範圍帛i項之在 失與消散失真的方法，其」里中板正漏 大探測頻率的週期所決定。 “係根據最 4. -種如宇請專利制帛3項之在電 失與消散失直的古 里甲校正漏 ^ 、 ，八中沿著該電纜的預定點係粑攄爭 大探測頻率的柄如π 1 、根據最 週期所決定，使得介於該等預定 離被選擇為在今县丄ρ 之間的距 彈為在δ亥最大探測頻率的— 電纜前進的距離。 沿者該 5· 一種在電纜測量中校正漏失與消散失真的方法，包含 15 1373624 101年2月3曰修正替換頁 下列步驟： 傳送一測試信號於該電魔之内. 在-頻率域t測量該電境以獲得經傳送後的該測試传 號的反射回應； ° 從沿著該電纜的預定點收隹 收杲該反射回應的複數個分級 正弦成分.，：提供一重疊後方程式，"該等預定點被加 致=使付"於該等預定點各者之間的距離被選擇成大 致上為在該測試信號的一 ^ 大探測頻率的一個週期期間該 測试彳§唬沿者該電纜前進的距離； 藉由將省重疊後方程式除以該測試信號的方程式以提 供一正規化方程式； 方程It計算在該等預定點的每一點實值從該些正規化後 真；2取出分級正弦成分從而移除衰減失真與消散失 *、”貝所摘取出的分 除的衰滷生首“ 從而提供所移 哀减失真與消散失真的測量之表示。 十一、圖式： 如次頁。 16