王小艷,李萌

(1.廣東商學(xué)院華商學(xué)院會(huì)計(jì)系,廣東增城 511300,2.廣州市天訊瑞達(dá)通信技術(shù)有限公司,廣東廣州 510630)

TDR測(cè)試技術(shù)在電纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王小艷1,李萌2

(1.廣東商學(xué)院華商學(xué)院會(huì)計(jì)系,廣東增城 511300,2.廣州市天訊瑞達(dá)通信技術(shù)有限公司,廣東廣州 510630)

《TDR測(cè)試技術(shù)在電纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用》在對(duì)TDR技術(shù)原理和電纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單介紹的基礎(chǔ)上,總結(jié)了電纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用TDR模塊時(shí)所遇到的問(wèn)題,隨后對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了細(xì)致的分析,提出了一種解決這些問(wèn)題的方法,給出了采取這種方法的步驟,并在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中對(duì)采用的方法進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試的結(jié)果能夠滿足項(xiàng)目要求.

TDR;自動(dòng)監(jiān)測(cè);脈沖＊

1 TDR測(cè)試原理

TDR(Time Domain Reflection)是一種通用的時(shí)域測(cè)試技術(shù),廣泛的應(yīng)用于有關(guān)PCB、電纜、連接器等的測(cè)試領(lǐng)域.

TDR的工作原理是基于傳輸線理論,它的工作方式有點(diǎn)像雷達(dá).在被測(cè)線路上施加脈沖信號(hào),在信號(hào)沿被測(cè)電纜傳輸?shù)倪^(guò)程中,電纜阻抗的變化會(huì)對(duì)TDR測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生反射.通過(guò)在發(fā)送信號(hào)端收集測(cè)試信號(hào)的反射波形,分析反射波形的具體特點(diǎn)就可以確定線路上的事件;通過(guò)一個(gè)高精度的時(shí)鐘測(cè)量測(cè)試信號(hào)和反射信號(hào)之間的時(shí)間差,就可以確定事件在電纜上發(fā)生的具體位置.

2 電纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于對(duì)重要的通信線路,電力線路等的自動(dòng)監(jiān)測(cè),以便能夠準(zhǔn)確及時(shí)的發(fā)現(xiàn)線路故障.電纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括前端測(cè)試設(shè)備模塊(包括低頻測(cè)試模塊,TDR測(cè)試模塊以及測(cè)試控制單元等),數(shù)據(jù)庫(kù)/監(jiān)測(cè)服務(wù)器,語(yǔ)音機(jī)服務(wù)器,以及客戶(hù)端四個(gè)主要部分.各個(gè)部分的功能如下:

(1)前端測(cè)試設(shè)備模塊:負(fù)責(zé)具體線路測(cè)試.

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)/監(jiān)測(cè)服務(wù)器:數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)程序接收前端測(cè)試設(shè)備告警和測(cè)試結(jié)果.

(3)語(yǔ)音機(jī)服務(wù)器:負(fù)責(zé)告警信息外撥到指定電話號(hào)碼進(jìn)行語(yǔ)音通知.

(4)客戶(hù)端:通過(guò)系統(tǒng)客戶(hù)端監(jiān)測(cè)程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)配置、告警監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)查詢(xún)和報(bào)表統(tǒng)計(jì).

3 TDR設(shè)備在電纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 TDR測(cè)試模塊需改進(jìn)的內(nèi)容

TDR測(cè)試模塊在電纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,主要用來(lái)測(cè)試線路的長(zhǎng)度,即當(dāng)線路出現(xiàn)斷路或者短路時(shí),TDR測(cè)試設(shè)備能夠準(zhǔn)確的給出故障點(diǎn)的距離,這樣維護(hù)人員收到告警之后,再參考線路的資料就可以準(zhǔn)確找到線路的故障點(diǎn)位置,從而大大加快線路修復(fù)的進(jìn)程.

TDR測(cè)試模塊通常都采取儀表的形式,如安捷倫的54750系列TDR時(shí)域反射儀,SebaKM T公司的Kabe llux 4T時(shí)域反射儀等.這些儀表在使用時(shí)需要用戶(hù)根據(jù)線路情況配置多項(xiàng)參數(shù),如電纜材料,電纜線徑,電纜的傳播系數(shù),測(cè)試信號(hào)的脈沖寬度,增益等等.而在電纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,測(cè)試設(shè)備按照例測(cè)(每隔一定的時(shí)間進(jìn)行一次測(cè)試)的方式進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試,不需要用戶(hù)干預(yù),因此必須對(duì)TDR測(cè)試模塊做一些改造的工作以適應(yīng)系統(tǒng)的要求.下面結(jié)合具體的使用,給出主要的改造內(nèi)容.

(1)通過(guò)TDR模塊的命令接口設(shè)置線路的物理參數(shù),如電纜的型號(hào),電纜的線徑,傳播系數(shù)等,這些參數(shù)將會(huì)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)的線路資料里,在每一次測(cè)試前都會(huì)讀取這些參數(shù)對(duì)TDR模塊進(jìn)行設(shè)置.

(2)設(shè)置TDR模塊的測(cè)試信號(hào)的脈沖寬度和增益.通常,測(cè)試電纜所采用的脈沖寬度和增益與被測(cè)線路的長(zhǎng)度密切相關(guān).在測(cè)量短距離時(shí),為了達(dá)到好的事件分辨精度,使用較小的脈沖寬度;由于此時(shí)線路比較短,線路對(duì)測(cè)試信號(hào)的衰減也較小,通常也使用較小的線路增益.而在測(cè)量較長(zhǎng)的距離時(shí),由于此時(shí)線路衰減較大,為了能夠使測(cè)試信號(hào)傳播的更遠(yuǎn),則需要使用較大的脈沖寬度和線路增益.這樣,我們就無(wú)法指定測(cè)試某條具體線路時(shí)應(yīng)該使用的具體的脈沖寬度和增益,只能由程序來(lái)自動(dòng)搜索合適的脈沖寬度和增益來(lái)自動(dòng)完成測(cè)試.自動(dòng)搜索脈沖寬度和增益時(shí)的程序流程圖如圖一所示.

圖1 自動(dòng)搜索脈寬和增益的程序流程圖

(3)確定搜索的終點(diǎn).步驟2中的程序自動(dòng)搜索脈沖寬度和增益將會(huì)引入另一個(gè)重要的問(wèn)題,就是確定搜索的終點(diǎn)的問(wèn)題.也就是說(shuō),程序需要自己判定已經(jīng)找到了線路上的事件,停止搜索,然后返回此時(shí)的測(cè)試結(jié)果.

本系統(tǒng)采用的TDR模塊返回的反射信號(hào)的數(shù)據(jù)為A/D轉(zhuǎn)換器采樣所得的數(shù)據(jù),其值最大為4095,最小為0,共2048個(gè)點(diǎn),將這些點(diǎn)使用M A TLAB描繪成的一條典型的反射圖形如圖二所示.

圖2 典型的TDR反射圖形

如圖二所示,程序必須查找出返回波形中的事件并且確定事件波形的起始位置,一旦找到,程序?qū)⑼瓿蓽y(cè)試環(huán)境(主要指脈沖寬度和線路增益)的搜索,以當(dāng)前環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果作為當(dāng)次測(cè)試的最終結(jié)果返回給后臺(tái)程序,后臺(tái)程序則根據(jù)這個(gè)結(jié)果判斷線路是否存在故障,并決定是否向用戶(hù)告警.因此,在返回的波形中搜索反射脈沖(反射脈沖反映了事件)以及確定反射脈沖起始點(diǎn)的算法就成為T(mén)DR模塊測(cè)試準(zhǔn)確程度的核心內(nèi)容.

在系統(tǒng)中,對(duì)于近程反射脈沖和中遠(yuǎn)程反射脈沖,我們進(jìn)行了分別處理,來(lái)將這些反射脈沖從返回的波形數(shù)據(jù)中搜索識(shí)別出來(lái).

近程脈沖識(shí)別:因?yàn)橛布娐返念l率特性及延時(shí)特性,窄脈沖通過(guò)發(fā)送及接收電路時(shí),脈沖會(huì)被展寬,因此發(fā)送脈沖信號(hào)的寬度是有限度的.在被測(cè)線纜很短時(shí)(小于100m,此時(shí)發(fā)送信號(hào)的脈寬很窄),收發(fā)脈沖很近或部分重合,此時(shí)需要將發(fā)送波形從返回的采樣的波形中去掉才能識(shí)別反射波.當(dāng)反射波的幅度衰減在一個(gè)門(mén)限范圍內(nèi)時(shí),就識(shí)別出了反射脈沖.采用這種方法要求波形無(wú)失真(即對(duì)線路增益設(shè)置有限制),反射幅度較大(因?yàn)榫€纜很短而保證).

中遠(yuǎn)程脈沖識(shí)別:中遠(yuǎn)程脈沖識(shí)別的基本思想為:在脈沖寬度與發(fā)送脈沖寬度接近的波形中根據(jù)一、二階導(dǎo)數(shù)的特點(diǎn)來(lái)判斷是否為T(mén)DR脈沖,具體的判定條件如下:

(1)二階導(dǎo)數(shù)有至少3個(gè)正負(fù)方向交替的極值點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)脈沖的前沿、峰值點(diǎn)和后沿.其中前兩個(gè)極值點(diǎn)必須超過(guò)一定門(mén)限,也就是說(shuō)這兩個(gè)極值點(diǎn)的信噪比要突出.在具體的程序?qū)崿F(xiàn)中,為了減少誤判,也規(guī)定了第三極值點(diǎn)的信噪比.

(2)一階導(dǎo)數(shù)在脈沖的峰值點(diǎn)附近過(guò)零點(diǎn),即在二階導(dǎo)數(shù)的第二極點(diǎn)值的影響范圍內(nèi)(指二階導(dǎo)數(shù)與極值同向的區(qū)域),一階導(dǎo)數(shù)必然存在過(guò)零點(diǎn).并且一階導(dǎo)數(shù)在過(guò)零點(diǎn)的左右兩邊的峰值絕對(duì)值比較接近,這種要求的前提是反射脈沖是在水平線上疊加的,當(dāng)反射波是在另外一個(gè)脈沖上疊加時(shí),首先需要作一次線形擬合,減小這種影響.

3.2 具體的程序?qū)崿F(xiàn)

具體的程序?qū)崿F(xiàn)分成五個(gè)步驟.

①波形采樣:波形采樣是對(duì)原始返回波形的數(shù)字采樣,采樣有兩個(gè)作用:一是對(duì)反射脈沖的寬度進(jìn)行匹配,忽略不在匹配范圍內(nèi)的脈沖;二可以減小數(shù)據(jù)量,提高測(cè)試速度.

波形采樣是通過(guò)原始波形進(jìn)行分段擬合的方法實(shí)現(xiàn)的,分段的段長(zhǎng)與發(fā)送脈沖的寬度有關(guān).采用線性擬合,用擬合波形的中心點(diǎn)值,表示一段波形,這樣就達(dá)到了匹配波形寬度以及減少數(shù)據(jù)量的雙重作用.

②導(dǎo)數(shù)計(jì)算:導(dǎo)數(shù)計(jì)數(shù)包括波形的一、二階導(dǎo)數(shù),在對(duì)波形進(jìn)行樣條插值逼近時(shí),可以獲得導(dǎo)數(shù)值.

③判決電平:選擇判決電平實(shí)際上是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程,因?yàn)槊}沖識(shí)別是在二階導(dǎo)數(shù)中尋找突出值,因此需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)過(guò)程.

形成二階導(dǎo)數(shù)極值表:脈沖識(shí)別實(shí)際上是在極值點(diǎn)中搜索的,因此只需要在所有的極值點(diǎn)設(shè)定判決電平,就可以抽出突出的極值點(diǎn).

對(duì)極值表進(jìn)行排序:通過(guò)對(duì)極值表進(jìn)行從大到小的排序后,根據(jù)落差大小就可以將極值點(diǎn)分成多個(gè)層次,這些分層的位置所對(duì)應(yīng)得電平值就是判決電平.實(shí)際上,因?yàn)榉瓷涿}沖的極值點(diǎn)的數(shù)量是很少的,因此分層時(shí)只需要考慮比較大的一些極值點(diǎn).分層的方法采用的是二階差分結(jié)合SNR的方法.反射脈沖的極值點(diǎn)必然是同時(shí)滿足SNR要求及二階差分大的特點(diǎn).

判決電平的值并不唯一,這是因?yàn)槊}沖波形是時(shí)間域的,只要在一個(gè)波形段里找到反射脈沖,它就可能是真正的反射脈沖.比如:在波形的前面一部分往往噪聲較大,而后面卻噪聲小,同時(shí)反射脈沖在后面的波形中,且幅度小,此時(shí)一個(gè)判決電平是無(wú)法識(shí)別后面的反射脈沖的.

④脈沖識(shí)別:這里需要兩個(gè)過(guò)程:

根據(jù)判決電平找到一些疑似脈沖:如前所述,反射脈沖必然存在連續(xù)3個(gè)二階導(dǎo)數(shù)的極值點(diǎn),且這些極值點(diǎn)都滿足判決電平的要求.因此,在極值表中搜索連續(xù)的3個(gè)以上的大于判決電平的段,作為疑似脈沖.

在疑似脈沖中確認(rèn)反射脈沖:這個(gè)過(guò)程是依據(jù)一階導(dǎo)數(shù)過(guò)零的特性進(jìn)行的.在疑似脈沖的極值點(diǎn)內(nèi)搜索到第一個(gè)滿足一階導(dǎo)數(shù)過(guò)零的點(diǎn),確認(rèn)它為脈沖的峰值極值點(diǎn),從而找到脈沖的前沿極值點(diǎn),前沿極值點(diǎn)也是TDR反射點(diǎn),精確定位這一點(diǎn),就可以準(zhǔn)確測(cè)試TDR距離.

圖3 實(shí)際測(cè)試長(zhǎng)度2425.1m

4 結(jié)論

采用上述算法,能夠在誤差允許范圍內(nèi)找到返回信號(hào)中的反射脈沖,并確定反射脈沖起始點(diǎn)的位置.實(shí)際中一條長(zhǎng)度為2440m的線路測(cè)試結(jié)果如圖三所示:

由此可見(jiàn),上述算法能夠滿足電纜檢測(cè)系統(tǒng)的要求.

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[3]雷英俊等.基于時(shí)域反射的特性阻抗測(cè)量[J].電子測(cè)量技術(shù),2009(4):38—40.

[4]飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB 7輔助信號(hào)處理技術(shù)與應(yīng)用[M],北京:電子工業(yè)出版社,2005:213-216.

[5]趙樹(shù)嫄.微積分[M].北京:中國(guó)人民大學(xué)出版社出版.2008年.

[責(zé)任編輯:陳慶朋]

Abstract:Based on a brief introduction to TDR(Time Domain Reflection)principles and electronic cable auto testing system,the article of《The Application O f TDR In The Electronic Cable Auto Testing System》summarizes the problems encountered in using a TDR module in the electronic cableau to testing system. Then the paper analyzes these problem s deeply,and bring sup a method to solve them.The paper also gives away to put the method to use in real applications.To verify the effectiveness of the method,we domany tests,which p rove that the method proposed fully meet the requirements the projectasks.

Keywords:TDR;auto testing;impulse

The Application Of TDR In The Electronic Cable Auto Testing System

WANG Xiaoyan1,LIMeng2
(1.Huashang College Guangdong University Of Business Studies Guangdong,Zengcheng 511300,China 2.Tisson Regaltec Communication and Technology Co.Ltd Gongdong,Guangzhou 510630,China)

TP20;O172

A

1004-7077(2010)02-0083-05

2010-03-10

王小艷(1981-),女,廣東商學(xué)院會(huì)計(jì)系助教,理學(xué)碩士,主要從事運(yùn)籌學(xué)與控制論方面的研究.