基于時域反射法的同軸電纜長度與終端負載檢測方法

摘" 要：為準確檢測20 m以內同軸的電纜長度以及負載的類型和參數，設計了一種基于時域反射法的檢測方法。該方法主要利用入射和反射的原理，通過DDS信號發生器產生信號源，經過雙路放大器放大后進入雙定向耦合器進行分配和檢測。通過電路測量出的兩路信號間相位差，結合頻率即可得同軸電纜的長度，根據測量出的兩路信號的幅度即可推斷出負載類型和負載長度參數。實驗結果表明，該方法的測量誤差不超過3%，精度滿足實際測量需求。

關鍵詞：同軸電纜；負載檢測；雙定向耦合器；時域反射法

中圖分類號：TP39" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）23-0023-05

Coaxial Cable Length and Termination Load Detection Method Based on Time Domain Reflectometry

XU Tianyi

（Portland Institute， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing" 210023， China）

Abstract： In order to accurately detect the coaxial cable length within 20 meters and the load types and parameters， a detection method based on Time Domain Reflectometry is designed. This method mainly uses the principle of incident and reflection， generates the signal source through the DDS signal generator. After being amplified by the two-way amplifier， the signal enters the dual directional coupler for distribution and detection. Through the phase difference between the two signals measured by the circuit， the length of the coaxial cable can be obtained by combining the frequency， and the load types and load length parameters can be inferred according to the amplitude of the measured two-way signals. The experimental results show that the measurement error of this method is not over 3%， and the accuracy meets the actual measurement requirements.

Keywords： coaxial cable; load detection; dual directional coupler; Time Domain Reflectometry

0" 引" 言

同軸電纜因其優越的屏蔽性能、遠距離傳輸能力及強抗干擾能力，廣泛應用于有線電視網絡、電視廣播傳輸、無線通信基站、安防監控系統和數據通信網絡等領域。然而，為了確保這些系統的可靠運行，對同軸電纜的長度和終端負載進行精確檢測顯得尤為重要。準確的電纜長度檢測不僅能有效管理電纜資源，還能識別潛在的故障點；而終端負載的檢測則有助于評估電纜連接的質量和效率，從而保障整體系統的性能。本檢測方法通過DDS信號發生器產生信號源，利用雙定向耦合器和相位差測量技術，在20 m以內準確檢測同軸電纜的長度，并在接入負載后檢測負載類型和參數。

1" 方案設計

本檢測系統的設計方案主要由信號源模塊[1]、信號放大模塊、雙定向耦合器模塊、信號檢測模塊和數據處理模塊組成。每個模塊分別負責不同的功能，最終實現對同軸電纜長度[2-4]和終端負載的準確檢測。系統總體框圖如圖1所示。

1.1" 工作原理

本系統利用信號在同軸電纜中的傳播特性，通過對入射信號和反射信號的分析，來實現電纜長度和終端負載的檢測。根據傳輸線理論，當電信號的波長與傳輸信號的導線長度相當時，由于導線內存在電磁波的反射，導線內不同距離上的電壓與電流將與導線終端接入的負載[5]（開路、短路等）相關，同時也與輸入電信號的頻率相關。

當一個電信號通過信號發生模塊生成并輸入同軸電纜中，如果電纜終端存在阻抗不匹配的情況，信號在終端處會產生部分或全部反射。反射信號與入射信號的相位差和幅度變化可以通過定向耦合器和混頻器測量得到。這些測量結果可以用于計算電纜的長度和終端負載的特性。

1.1.1" 長度檢測

信號從信號源模塊產生并通過放大器進入雙定向耦合器，部分信號作為入射信號進入同軸電纜。當信號到達開路的電纜終端時，反射信號產生并返回。通過測量入射信號和反射信號之間的相位差，結合信號頻率，可以計算出電纜的長度。計算公式為：

（1）

其中，L為電纜長度，c為光速，?Φ為相位差，f為信號頻率，εr為電纜的相對介電常數。

1.1.2" 負載檢測

在電纜接入負載后，通過測量入射信號和反射信號的幅度比，可以推斷負載的類型和參數。具體方法是通過反射系數[6-8]計算負載阻抗：

（2）

其中，Γ為反射系數，ZL為負載阻抗，Z0為電纜的特性阻抗。根據反射系數的大小和相位，可以判斷負載是開路、短路還是某種特定阻抗。

1.2" 產生正弦信號的方案設計

方案1：采用單片機控制數字模擬轉換器（DAC）產生正弦信號。使用高速DAC可以產生高頻率和高精度的正弦信號。然而，該方法在生成兩路信號的情況下較為復雜，需要較多的硬件資源和同步控制，增加了系統的復雜性和成本。

方案2：采用單片機控制的直接數字合成（DDS）模塊產生正弦信號。使DDS技術可以通過數字信號處理技術產生高精度、高穩定性的正弦信號。使DDS模塊具有頻率轉換時間短、分辨率高、可編程等優點，非常適合高頻率和高精度信號的產生。由于需要生成兩路信號，一路信號送入定向耦合器，另一路送入混頻器，采用DDS模塊更加簡潔高效，系統實現也更加容易。

由于方案2較為簡單，且能夠滿足高精度和高穩定性的要求，因此選擇采用單片機控制的DDS模塊產生正弦信號。

1.3" 多路信號傳輸與接收的方案設計

方案1：使用頻率分頻器和解頻器傳輸和接收信號。此方法將原始信號通過分頻器分成兩個信號，每個信號的頻率為原始信號的一半，再通過解頻器恢復原始信號的頻率。然而，此方案電路復雜，且需要額外的分頻和解頻器，增加了系統的復雜性和成本。

方案2：采用雙定向耦合器。定向耦合器是一種用于將信號在不同端口之間傳遞的設備，能夠實現多路信號的耦合和解耦合。它具有信號傳輸穩定、無多余電路和控制的優點，適用于多路信號傳輸與接收的應用。

由于方案2結構簡潔，易于實現且穩定性高，因此選擇采用雙定向耦合器進行多路信號的傳輸與接收。

1.4" 兩路信號間相位差和幅度測量的方案設計

方案1：頻率差法。通過測量兩路信號的頻率差異，間接得到相位差。此方法適用于頻率穩定的應用，但在實際操作中頻率穩定性難以保證，且前置電路較多，增加了誤差和復雜性。

方案2：直接測量相位和幅度。通過窗口電路直接測量相位差和幅度，方法簡單且直接。采用鎖相放大器或數字相位檢測電路進行相位檢測，峰值檢波電路或ADC進行幅度檢測，測量精度高且電路簡潔。

由于方案2直接測量相位和幅度，方法簡單且測量精度高，因此選擇方案2。

2" 核心部件電路設計

2.1" 電源板模塊

電源模塊為整個系統提供穩定的電源，設計時需滿足系統對電壓和電流的需求。選擇5 V電源，并通過電壓調節器穩壓，確保系統的可靠性和安全性。

2.2" 信號發生模塊

采用單片機控制的AD9958模塊產生正弦信號。AD9958是一款功能強大的直接數字頻率合成器，具有兩個獨立的通道，每個通道可提供獨立的頻率、相位和幅度控制。支持多通道同步和高達16階的調制。內部工作頻率高達500 MHz，具有很高的精確性和靈活性。

2.3" 功率放大模塊

在將信號輸入定向耦合器之前放大功率的主要目的是確保信號的能量足夠大，以便在定向耦合器中有效地進行耦合。定向耦合器是一種用于將微波信號在不同端口之間傳遞的器件。它在高頻率范圍內工作，并且需要相對較高的輸入功率，以使其能夠產生足夠的耦合效率。當信號經過傳輸線傳輸時，可能會出現衰減和信號損耗。在輸入定向耦合器之前對信號進行放大功率，可以在一定程度上補償信號的損耗，保持信號的強度，使得定向耦合器能夠有效地將信號耦合到其他端口。另外，放大功率也可以提高系統的信噪比，降低信號與噪聲的比例，從而改善信號的可靠性和穩定性。

2.4" 相位和幅度測量模塊

由定向耦合器的A端和R端分別引出電路。由于A路所出信號小于R路，所以A路多接一個放大電路。信號與DDS信號混頻后通過濾波和放大可得出兩路信號的相位。此時外接一個窗口電路，比較得出兩者相位差的脈沖波。單片機測出占空比即可轉換成電纜長度。

混頻后的信號濾波后可以送入對數放大器，調零處理后可得出信號幅度。由于元器件不足，故采用CD4051模擬開關，通過單片機控制分別輸入兩路信號進行幅度采集。最后送再入單片機處理得出負載類型和參數。具體流程圖如圖2所示。

2.4.1" 有源濾波器電路

在本系統中，信號經過混頻器處理后，會出現抖動和噪聲，這會影響后續的信號處理和測量精度。為了穩定信號并將其轉換成一個可測量和使用的純凈正弦波，我們設計了一種有源濾波器電路。有源濾波器電路主要由運算放大器（TL084）、無源元件（電阻、電容）以及反饋網絡組成，如圖3所示。該電路可有效濾除混頻器輸出信號中的高頻成分和干擾，提高信號的信噪比，使輸出信號更加穩定，便于后續的相位和幅度測量。

2.4.2" 窗口電路

窗口電路即由兩個D觸發器和一個異或門組成的外接電路。兩路正弦信號進入后由D觸發器轉換成脈沖信號，接著異或門比較兩個脈沖信號，所得出的第三個脈沖信號相當于兩個信號的相位差。

2.4.3" 對數放大器電路

對數放大器主要用于將信號轉換成其等效對數值來獲得它的幅度，是一款比較特殊的線性放大器。由于運算放大器內部的偏置電流和可能的外部環境干擾，后半部設置了一個調零電路，保證輸出信號的準確性和穩定性。

3" 系統軟件設計分析

本系統的軟件設計主要集中在信號生成、信號采集、數據處理和結果顯示等功能模塊。為了實現對同軸電纜長度和終端負載的準確檢測，系統采用了模塊化的設計方法，確保各個功能模塊可以高效且穩定地運行。系統總體工作流程如圖4所示。

3.1" DDS、模擬開關和顯示控制

控制核心采用STM32F103，在成本和運行之間取得了平衡，有利于快速開發。

工程文件由以下部分組成：啟動文件、內核文件、固件庫、主控程序、串口驅動、AD9958驅動、自定義延時函數集合、定時器驅動、LED驅動。

3.2" 電纜長度顯示

測量電纜長度[9]的時候無負載，所以信號從電纜始端入射后，走到末端后遇到阻抗突變為0，會被全反射回始端，此時收到的反射信號只與入射信號存在相位差。這個相位差的值?即與電纜的兩倍長度相關，可以通過占空比直接表示。波長和反射可通過公式C = λf得到長度和頻率的關系。由于相位差的范圍為0°～360°，所以單程的相位差范圍為0°～180°，即電纜長度L小于波長的一半。因為電纜長度的范圍是10 m～20 m，所以DDS可設置的頻率范圍是7.5 MHz～15 MHz。由此可以推出實際的電纜長度的值是：

（3）

3.3" 負載類型和參數顯示

當電纜末端接入負載后，信號在傳輸線上到達末端后，可能會發生阻抗突變，導致反射現象[10]。反射的電壓大小取決于入射點、傳輸線的阻抗，以及連接負載的阻抗。假設傳輸線有兩個不同的區域，其瞬時阻抗分別為Z1和Z2。則反射電壓Vreflect和入射電壓Vincident的關系為：

（4）

反射系數ρ為我們關注的一個參數，它表示反射電壓與入射電壓之間的比值。當信號從高阻抗區域進入低阻抗區域時，反射系數的值為負數，而當信號從低阻抗區域進入高阻抗區域時，反射系數為正數。反射系數的范圍在[-1，1]之間，表示反射電壓的強度相對于入射電壓的大小。

傳導系數t滿足的關系為：

（5）

接下來是判斷負載情況。接入電阻或電容時阻抗都會突變，傳導系數不為0。一段時間后電阻不變，但電容充滿，變為開路，波形被全反射。由此可以判斷出負載的類型。

4" 檢測結果分析

系統通過測量入射和反射信號的相位差，結合已知信號頻率，可以精確計算電纜的長度；通過測量反射信號的幅度，可以推斷出終端負載的類型和參數。該方法通過精確的相位和幅度分析，保證了檢測的高精度和可靠性。待測電纜始端通過電纜連接頭與裝置連接，電纜終端可開路或接入電阻、電容負載。設置“長度檢測”和“負載檢測”兩個按鍵，用以選擇和啟動相應功能。負載電阻值范圍：10 Ω～30 Ω，電容值范圍：100 pF～300 pF。

在檢測過程中，用戶無須進行任何其他調整和操作，系統自動完成信號處理和計算，具體的檢測過程包括以下步驟：首先，系統啟動DDS模塊產生高頻正弦信號，該信號經過功率放大后通過定向耦合器送入同軸電纜。定向耦合器將反射信號分離出來并送入相位和幅度測量模塊。相位測量模塊通過高速ADC將模擬信號轉換為數字信號，單片機使用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform， FFT）算法分析信號的頻率成分，并計算相位差，結合已知的信號頻率，精確計算出電纜長度。幅度測量模塊通過對反射信號的幅度變化進行分析，利用反射系數和傳導系數的計算，推斷出負載的類型和參數。每一步都經過精密設計和校準，例如，DDS模塊經過嚴格校準確保輸出頻率和相位的準確性，放大器電路經過線性度和增益的精確調整，確保信號放大不失真，相位和幅度測量模塊采用高精度器件，保證測量結果的穩定性。系統還經過多次標定和校準，利用標準電纜和負載，校正測量誤差，以確保系統的測量精度達到設計要求。圖5展示了檢測過程框圖。

4.1" 長度檢測

用戶按下“長度檢測”按鈕后，系統啟動DDS模塊產生高頻正弦信號，信號經過功率放大后通過定向耦合器送入同軸電纜。系統通過對定向耦合器返回的反射信號進行相位測量，利用相位差和已知頻率，通過公式計算出電纜長度并在串口屏上顯示。測試結果如表1所示。

4.2" 負載檢測

若按下“負載檢測”按鈕，系統同樣啟動DDS模塊產生信號并送入同軸電纜，此時系統通過測量反射信號的幅度變化，利用反射系數和傳導系數的計算，結合信號處理電路的輸出，推斷出負載的類型及其參數并在串口屏上顯示。測試結果如表2所示。

5" 結" 論

本檢測方法采用了雙定向耦合器，相對于單定向耦合器省去了分流信號的過程，提高了精確度。使用了模擬開關，節約了成本。原本兩路一模一樣的對數放大器電路用一路即可實現完整功能。

針對電纜長度檢測，通過相位差測量的方法成功實現了對20 m以內電纜長度的準確檢測。實驗結果顯示，系統的測量誤差控制在3%以內，且具備良好的頻率響應和相位測量能力，從而滿足了設計要求。在終端負載檢測方面，成功實現了對不同類型負載的識別和參數測量。通過反射信號的幅度測量和對數放大器電路，系統能夠準確推斷出負載類型和參數，且測量誤差在可接受范圍內。綜合以上測試結果分析，本系統設計基本實現了題目各項指標要求，并有一定程度的提高。

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作者簡介：許天一（2002—），女，漢族，江蘇揚州人，本科在讀，研究方向：通信工程。