利用TDR法監測同軸電纜故障的原理與仿真

摘 要

通信電纜指的是用于近距離音頻通信和遠距離高頻載波數字通信及通信信號電纜，在電纜的使用過程中會產生短路或短路等故障。TDR（Time Domain Reflectometry，時域反射計）是電纜故障檢測定位的一種方法，本文將分析TDR的基本原理并運用SIMULINK建立仿真模型對檢測過程進行仿真。

【關鍵詞】故障檢測 同軸電纜 TDR 反射

近年來，隨著以3G和無線局域網（WLAN）等技術為代表的計算機信息技術和無線接入技術的快速發展，眾多通信企業對信號傳輸質量的需要不斷增長，半柔、低損、微細、穩相等高端產物的需求增加將更為顯著，目前的接入網技術已經從一開始的基于銅導線（普通電話線）接入發展到基于五類線的以太網接入，光纖接入，無線接入，光纖混合同軸接入等。在應用過程中，通信電纜和光纜混合使用更加合理，射頻同軸電纜尤其廣泛的在通信接入網中使用，合理利用通信電纜和光纜可以提升信息傳輸質量和增添數據的流量。

當前，國內對于通信同軸電纜故障的檢測主要是使用電橋測量與脈沖反射法測量，這兩種方法通常可以測出一般故障點大概位置，如果想得到故障的精確位置還需要使用放音法對故障所在位置進行進行精確定位，操作過程繁瑣，效率低下。如何選擇通信電纜故障測距方法、尤其是如何實現通信電纜實時在線檢測，仍然是有待繼續深入研課題。

1 同軸電纜故障

同軸電纜是由內導體、絕緣層、外導體和護套從內到外層層組裝而成，這四部分軸心重合，因此得名“同軸”電纜。同軸電纜在投用使用之后，隨著時間推移，會產生各種故障。由于通信同軸電纜的主體成分為金屬導體和絕緣體，因此同軸電纜故障也可以據此分為導體故障和絕緣故障。

2 時域反射法TDR

在通信系統中，波的反射過程一般來說是我們想要剔除的。脈沖波在傳遞過程中，由于反射的存在會產生一定程度上的波形失真。時域反射法（TDR）又叫脈沖反射法或雷達法。向通信電纜發送電壓脈沖，利用發送脈沖與故障點反射脈沖的時間差與障礙點距離成正比的原理確定障礙點。脈沖反射法最早用于長途電話線路障礙檢測中，現在世界范圍內得到了推廣，成為通信電纜障礙測試的主要手段。

TDR是向通信同軸電纜其中的某一端發送一段低壓脈沖信號，發送的信號脈沖沿著通信電纜進行傳播。當脈沖信號在電纜中遇到故障點后會產生一個反射脈沖，反射脈沖沿著電纜中傳遞回到測量端。按照傳輸線理論模型，可以發現由于在通信電纜內部的阻抗發生改變，這個低壓脈沖信號在遇到故障點時會產生一個反射脈沖。這時假設在電纜一段認為射入的低壓脈沖電壓為Ui，當這個低壓脈沖信號遇到到同軸電纜中的某一個故障點時，得到的反射脈沖電壓設之為Uf，當電纜中沒有故障時，傳輸的波阻抗為Z1，故障點產生的波阻抗設為Z2，根據電纜中反射定理，可得電壓反射系數如下：

βu=（Z2?Z1）/（Z2+Z1）= Uf / Ui （1）

基于脈沖反射定理，電纜中故障點位置以及電纜中故障類型可以通過反射波呈現出的的波形特征還有反射波到達發射點所經過的時間來判斷。波形、傳遞時間與故障位置和類型有如下關系：

當線路無故障時，Z2=Z1， 線路反射系數 βu=0，發射脈沖被負載吸收，這時不產生反射波（圖1）；

當線路中存在斷路故障時，Z2→∞，βu=1，入射波和反射波極性相同（圖1）；

當線路存在短路故障時，Z2=0，βu=?1，反射波入射波極性相同（圖1）。

設vp為脈沖波速，L為電纜中故障點到脈沖發生端的距離，t為入射和反射脈沖波之間的間隔時間，則

L = （2）

TDR法定位電纜中故障點位置基本原理簡單直觀，操作簡單，在實際應用中具有足夠高的準確度，經常被用于在電纜中進行低阻、開路故障測距和電纜全長的測量，可以說它在射頻同軸電纜故障檢測中有這舉足輕重的作用。

3 利用TDR法探測電纜故障仿真

TDR法定位電纜中故障的仿真模型由信號產生器（Signal Builder），受控電壓源（Controlled Voltage Source），內部阻抗為（RL Series RLC Branch），待測電纜線路（Distributed Parameters Line），測量電壓表和示波器等組成（如圖2所示）。信號產生器可依據仿真需要生成任意帶寬，任意幅度的脈沖信號，利用信號產生器生成的信號控制受控電壓源產生一個輸入信號，那么在受控電壓源的輸出端就會產生對應寬度的脈沖電壓。在軟件中可設置生成脈沖信號的起始時間和終止時間，以及脈沖信號的幅值。

受控電壓源在MATLAB中通信系統電路設計領域為常用的電路元件。通過提供由激勵信號源發出的脈沖信號進一步控制電壓源生成所需要的信號。通過對受控電壓源的初始化，并且加入信號源，使得輸出的脈沖信號與待測同軸電纜各項參數相匹配。將脈沖發生器產生的脈沖信號輸入受控電壓源，則電壓源輸出為相同波形的脈沖電壓，如圖3所示。

構建電纜開路故障的仿真電路模型，電纜在終端處發生斷路故障，設置其它模塊參數。設置Simulink仿真時間，步長和其他算法參數。點擊啟動仿真按鈕，仿真結束后觀察波形。

在時域脈沖開路仿真電路模型中，脈沖在開路點產生全反射，反射脈沖與發射脈沖極性相同，所以電纜中故障為開路。仿真后觀察到的開路故障仿真波形如圖4所示，觀察到兩波峰間隔0.05s，則可根據電纜參數和公式2對故障距離進行計算。

如假定電纜發生短路故障，保持其他參數不變，則在Scope1處可得到波形如圖5所示。入射脈沖與反射脈沖極性相反，即可判斷出故障類型為短路。同樣兩個脈沖的間隔為0.05s。

4 結束語

本文對TDR法測量電纜中故障類型和計算故障位置的原理進行了分析，并運用MATLAB軟件中的SIMULINK平臺對測量過程進行了仿真，分析了TDR法對電纜內故障定位的可行性。

參考文獻

[1]張小龍.同軸電纜接入網信道建模與故障診斷方法研究[D].湖北：華中科技大學，2013.

[2]王瑞.通信電纜故障探測儀的設計[D].黑龍江：哈爾濱理工大學，2011.

[3]徐勛建.通信電纜故障檢測系統研究[D].湖北：華中科技大學，2007.

作者簡介

蔣子曾（1992-），杭州電子科技大學在校本科生，專業為通信工程。

作者單位

杭州電子科技大學 浙江省杭州市 310018endprint

摘 要

通信電纜指的是用于近距離音頻通信和遠距離高頻載波數字通信及通信信號電纜，在電纜的使用過程中會產生短路或短路等故障。TDR（Time Domain Reflectometry，時域反射計）是電纜故障檢測定位的一種方法，本文將分析TDR的基本原理并運用SIMULINK建立仿真模型對檢測過程進行仿真。

【關鍵詞】故障檢測 同軸電纜 TDR 反射

近年來，隨著以3G和無線局域網（WLAN）等技術為代表的計算機信息技術和無線接入技術的快速發展，眾多通信企業對信號傳輸質量的需要不斷增長，半柔、低損、微細、穩相等高端產物的需求增加將更為顯著，目前的接入網技術已經從一開始的基于銅導線（普通電話線）接入發展到基于五類線的以太網接入，光纖接入，無線接入，光纖混合同軸接入等。在應用過程中，通信電纜和光纜混合使用更加合理，射頻同軸電纜尤其廣泛的在通信接入網中使用，合理利用通信電纜和光纜可以提升信息傳輸質量和增添數據的流量。

當前，國內對于通信同軸電纜故障的檢測主要是使用電橋測量與脈沖反射法測量，這兩種方法通?？梢詼y出一般故障點大概位置，如果想得到故障的精確位置還需要使用放音法對故障所在位置進行進行精確定位，操作過程繁瑣，效率低下。如何選擇通信電纜故障測距方法、尤其是如何實現通信電纜實時在線檢測，仍然是有待繼續深入研課題。

1 同軸電纜故障

同軸電纜是由內導體、絕緣層、外導體和護套從內到外層層組裝而成，這四部分軸心重合，因此得名“同軸”電纜。同軸電纜在投用使用之后，隨著時間推移，會產生各種故障。由于通信同軸電纜的主體成分為金屬導體和絕緣體，因此同軸電纜故障也可以據此分為導體故障和絕緣故障。

2 時域反射法TDR

在通信系統中，波的反射過程一般來說是我們想要剔除的。脈沖波在傳遞過程中，由于反射的存在會產生一定程度上的波形失真。時域反射法（TDR）又叫脈沖反射法或雷達法。向通信電纜發送電壓脈沖，利用發送脈沖與故障點反射脈沖的時間差與障礙點距離成正比的原理確定障礙點。脈沖反射法最早用于長途電話線路障礙檢測中，現在世界范圍內得到了推廣，成為通信電纜障礙測試的主要手段。

TDR是向通信同軸電纜其中的某一端發送一段低壓脈沖信號，發送的信號脈沖沿著通信電纜進行傳播。當脈沖信號在電纜中遇到故障點后會產生一個反射脈沖，反射脈沖沿著電纜中傳遞回到測量端。按照傳輸線理論模型，可以發現由于在通信電纜內部的阻抗發生改變，這個低壓脈沖信號在遇到故障點時會產生一個反射脈沖。這時假設在電纜一段認為射入的低壓脈沖電壓為Ui，當這個低壓脈沖信號遇到到同軸電纜中的某一個故障點時，得到的反射脈沖電壓設之為Uf，當電纜中沒有故障時，傳輸的波阻抗為Z1，故障點產生的波阻抗設為Z2，根據電纜中反射定理，可得電壓反射系數如下：

βu=（Z2?Z1）/（Z2+Z1）= Uf / Ui （1）

基于脈沖反射定理，電纜中故障點位置以及電纜中故障類型可以通過反射波呈現出的的波形特征還有反射波到達發射點所經過的時間來判斷。波形、傳遞時間與故障位置和類型有如下關系：

當線路無故障時，Z2=Z1， 線路反射系數 βu=0，發射脈沖被負載吸收，這時不產生反射波（圖1）；

當線路中存在斷路故障時，Z2→∞，βu=1，入射波和反射波極性相同（圖1）；

當線路存在短路故障時，Z2=0，βu=?1，反射波入射波極性相同（圖1）。

設vp為脈沖波速，L為電纜中故障點到脈沖發生端的距離，t為入射和反射脈沖波之間的間隔時間，則

L = （2）

TDR法定位電纜中故障點位置基本原理簡單直觀，操作簡單，在實際應用中具有足夠高的準確度，經常被用于在電纜中進行低阻、開路故障測距和電纜全長的測量，可以說它在射頻同軸電纜故障檢測中有這舉足輕重的作用。

3 利用TDR法探測電纜故障仿真

TDR法定位電纜中故障的仿真模型由信號產生器（Signal Builder），受控電壓源（Controlled Voltage Source），內部阻抗為（RL Series RLC Branch），待測電纜線路（Distributed Parameters Line），測量電壓表和示波器等組成（如圖2所示）。信號產生器可依據仿真需要生成任意帶寬，任意幅度的脈沖信號，利用信號產生器生成的信號控制受控電壓源產生一個輸入信號，那么在受控電壓源的輸出端就會產生對應寬度的脈沖電壓。在軟件中可設置生成脈沖信號的起始時間和終止時間，以及脈沖信號的幅值。

受控電壓源在MATLAB中通信系統電路設計領域為常用的電路元件。通過提供由激勵信號源發出的脈沖信號進一步控制電壓源生成所需要的信號。通過對受控電壓源的初始化，并且加入信號源，使得輸出的脈沖信號與待測同軸電纜各項參數相匹配。將脈沖發生器產生的脈沖信號輸入受控電壓源，則電壓源輸出為相同波形的脈沖電壓，如圖3所示。

構建電纜開路故障的仿真電路模型，電纜在終端處發生斷路故障，設置其它模塊參數。設置Simulink仿真時間，步長和其他算法參數。點擊啟動仿真按鈕，仿真結束后觀察波形。

在時域脈沖開路仿真電路模型中，脈沖在開路點產生全反射，反射脈沖與發射脈沖極性相同，所以電纜中故障為開路。仿真后觀察到的開路故障仿真波形如圖4所示，觀察到兩波峰間隔0.05s，則可根據電纜參數和公式2對故障距離進行計算。

如假定電纜發生短路故障，保持其他參數不變，則在Scope1處可得到波形如圖5所示。入射脈沖與反射脈沖極性相反，即可判斷出故障類型為短路。同樣兩個脈沖的間隔為0.05s。

4 結束語

本文對TDR法測量電纜中故障類型和計算故障位置的原理進行了分析，并運用MATLAB軟件中的SIMULINK平臺對測量過程進行了仿真，分析了TDR法對電纜內故障定位的可行性。

參考文獻

[1]張小龍.同軸電纜接入網信道建模與故障診斷方法研究[D].湖北：華中科技大學，2013.

[2]王瑞.通信電纜故障探測儀的設計[D].黑龍江：哈爾濱理工大學，2011.

[3]徐勛建.通信電纜故障檢測系統研究[D].湖北：華中科技大學，2007.

作者簡介

蔣子曾（1992-），杭州電子科技大學在校本科生，專業為通信工程。

作者單位

杭州電子科技大學 浙江省杭州市 310018endprint

摘 要

通信電纜指的是用于近距離音頻通信和遠距離高頻載波數字通信及通信信號電纜，在電纜的使用過程中會產生短路或短路等故障。TDR（Time Domain Reflectometry，時域反射計）是電纜故障檢測定位的一種方法，本文將分析TDR的基本原理并運用SIMULINK建立仿真模型對檢測過程進行仿真。

【關鍵詞】故障檢測 同軸電纜 TDR 反射

近年來，隨著以3G和無線局域網（WLAN）等技術為代表的計算機信息技術和無線接入技術的快速發展，眾多通信企業對信號傳輸質量的需要不斷增長，半柔、低損、微細、穩相等高端產物的需求增加將更為顯著，目前的接入網技術已經從一開始的基于銅導線（普通電話線）接入發展到基于五類線的以太網接入，光纖接入，無線接入，光纖混合同軸接入等。在應用過程中，通信電纜和光纜混合使用更加合理，射頻同軸電纜尤其廣泛的在通信接入網中使用，合理利用通信電纜和光纜可以提升信息傳輸質量和增添數據的流量。

當前，國內對于通信同軸電纜故障的檢測主要是使用電橋測量與脈沖反射法測量，這兩種方法通?？梢詼y出一般故障點大概位置，如果想得到故障的精確位置還需要使用放音法對故障所在位置進行進行精確定位，操作過程繁瑣，效率低下。如何選擇通信電纜故障測距方法、尤其是如何實現通信電纜實時在線檢測，仍然是有待繼續深入研課題。

1 同軸電纜故障

同軸電纜是由內導體、絕緣層、外導體和護套從內到外層層組裝而成，這四部分軸心重合，因此得名“同軸”電纜。同軸電纜在投用使用之后，隨著時間推移，會產生各種故障。由于通信同軸電纜的主體成分為金屬導體和絕緣體，因此同軸電纜故障也可以據此分為導體故障和絕緣故障。

2 時域反射法TDR

在通信系統中，波的反射過程一般來說是我們想要剔除的。脈沖波在傳遞過程中，由于反射的存在會產生一定程度上的波形失真。時域反射法（TDR）又叫脈沖反射法或雷達法。向通信電纜發送電壓脈沖，利用發送脈沖與故障點反射脈沖的時間差與障礙點距離成正比的原理確定障礙點。脈沖反射法最早用于長途電話線路障礙檢測中，現在世界范圍內得到了推廣，成為通信電纜障礙測試的主要手段。

TDR是向通信同軸電纜其中的某一端發送一段低壓脈沖信號，發送的信號脈沖沿著通信電纜進行傳播。當脈沖信號在電纜中遇到故障點后會產生一個反射脈沖，反射脈沖沿著電纜中傳遞回到測量端。按照傳輸線理論模型，可以發現由于在通信電纜內部的阻抗發生改變，這個低壓脈沖信號在遇到故障點時會產生一個反射脈沖。這時假設在電纜一段認為射入的低壓脈沖電壓為Ui，當這個低壓脈沖信號遇到到同軸電纜中的某一個故障點時，得到的反射脈沖電壓設之為Uf，當電纜中沒有故障時，傳輸的波阻抗為Z1，故障點產生的波阻抗設為Z2，根據電纜中反射定理，可得電壓反射系數如下：

βu=（Z2?Z1）/（Z2+Z1）= Uf / Ui （1）

基于脈沖反射定理，電纜中故障點位置以及電纜中故障類型可以通過反射波呈現出的的波形特征還有反射波到達發射點所經過的時間來判斷。波形、傳遞時間與故障位置和類型有如下關系：

當線路無故障時，Z2=Z1， 線路反射系數 βu=0，發射脈沖被負載吸收，這時不產生反射波（圖1）；

當線路中存在斷路故障時，Z2→∞，βu=1，入射波和反射波極性相同（圖1）；

當線路存在短路故障時，Z2=0，βu=?1，反射波入射波極性相同（圖1）。

設vp為脈沖波速，L為電纜中故障點到脈沖發生端的距離，t為入射和反射脈沖波之間的間隔時間，則

L = （2）

TDR法定位電纜中故障點位置基本原理簡單直觀，操作簡單，在實際應用中具有足夠高的準確度，經常被用于在電纜中進行低阻、開路故障測距和電纜全長的測量，可以說它在射頻同軸電纜故障檢測中有這舉足輕重的作用。

3 利用TDR法探測電纜故障仿真

TDR法定位電纜中故障的仿真模型由信號產生器（Signal Builder），受控電壓源（Controlled Voltage Source），內部阻抗為（RL Series RLC Branch），待測電纜線路（Distributed Parameters Line），測量電壓表和示波器等組成（如圖2所示）。信號產生器可依據仿真需要生成任意帶寬，任意幅度的脈沖信號，利用信號產生器生成的信號控制受控電壓源產生一個輸入信號，那么在受控電壓源的輸出端就會產生對應寬度的脈沖電壓。在軟件中可設置生成脈沖信號的起始時間和終止時間，以及脈沖信號的幅值。

受控電壓源在MATLAB中通信系統電路設計領域為常用的電路元件。通過提供由激勵信號源發出的脈沖信號進一步控制電壓源生成所需要的信號。通過對受控電壓源的初始化，并且加入信號源，使得輸出的脈沖信號與待測同軸電纜各項參數相匹配。將脈沖發生器產生的脈沖信號輸入受控電壓源，則電壓源輸出為相同波形的脈沖電壓，如圖3所示。

構建電纜開路故障的仿真電路模型，電纜在終端處發生斷路故障，設置其它模塊參數。設置Simulink仿真時間，步長和其他算法參數。點擊啟動仿真按鈕，仿真結束后觀察波形。

在時域脈沖開路仿真電路模型中，脈沖在開路點產生全反射，反射脈沖與發射脈沖極性相同，所以電纜中故障為開路。仿真后觀察到的開路故障仿真波形如圖4所示，觀察到兩波峰間隔0.05s，則可根據電纜參數和公式2對故障距離進行計算。

如假定電纜發生短路故障，保持其他參數不變，則在Scope1處可得到波形如圖5所示。入射脈沖與反射脈沖極性相反，即可判斷出故障類型為短路。同樣兩個脈沖的間隔為0.05s。

4 結束語

本文對TDR法測量電纜中故障類型和計算故障位置的原理進行了分析，并運用MATLAB軟件中的SIMULINK平臺對測量過程進行了仿真，分析了TDR法對電纜內故障定位的可行性。

參考文獻

[1]張小龍.同軸電纜接入網信道建模與故障診斷方法研究[D].湖北：華中科技大學，2013.

[2]王瑞.通信電纜故障探測儀的設計[D].黑龍江：哈爾濱理工大學，2011.

[3]徐勛建.通信電纜故障檢測系統研究[D].湖北：華中科技大學，2007.

作者簡介

蔣子曾（1992-），杭州電子科技大學在校本科生，專業為通信工程。

作者單位

杭州電子科技大學 浙江省杭州市 310018endprint