基于時(shí)域反射法的同軸電纜長(zhǎng)度與終端負(fù)載檢測(cè)方法

摘" 要：為準(zhǔn)確檢測(cè)20 m以內(nèi)同軸的電纜長(zhǎng)度以及負(fù)載的類型和參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)域反射法的檢測(cè)方法。該方法主要利用入射和反射的原理，通過DDS信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)源，經(jīng)過雙路放大器放大后進(jìn)入雙定向耦合器進(jìn)行分配和檢測(cè)。通過電路測(cè)量出的兩路信號(hào)間相位差，結(jié)合頻率即可得同軸電纜的長(zhǎng)度，根據(jù)測(cè)量出的兩路信號(hào)的幅度即可推斷出負(fù)載類型和負(fù)載長(zhǎng)度參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法的測(cè)量誤差不超過3%，精度滿足實(shí)際測(cè)量需求。

關(guān)鍵詞：同軸電纜；負(fù)載檢測(cè)；雙定向耦合器；時(shí)域反射法

中圖分類號(hào)：TP39" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：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(yōu)越的屏蔽性能、遠(yuǎn)距離傳輸能力及強(qiáng)抗干擾能力，廣泛應(yīng)用于有線電視網(wǎng)絡(luò)、電視廣播傳輸、無線通信基站、安防監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。然而，為了確保這些系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，對(duì)同軸電纜的長(zhǎng)度和終端負(fù)載進(jìn)行精確檢測(cè)顯得尤為重要。準(zhǔn)確的電纜長(zhǎng)度檢測(cè)不僅能有效管理電纜資源，還能識(shí)別潛在的故障點(diǎn)；而終端負(fù)載的檢測(cè)則有助于評(píng)估電纜連接的質(zhì)量和效率，從而保障整體系統(tǒng)的性能。本檢測(cè)方法通過DDS信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)源，利用雙定向耦合器和相位差測(cè)量技術(shù)，在20 m以內(nèi)準(zhǔn)確檢測(cè)同軸電纜的長(zhǎng)度，并在接入負(fù)載后檢測(cè)負(fù)載類型和參數(shù)。

1" 方案設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要由信號(hào)源模塊[1]、信號(hào)放大模塊、雙定向耦合器模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。每個(gè)模塊分別負(fù)責(zé)不同的功能，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)同軸電纜長(zhǎng)度[2-4]和終端負(fù)載的準(zhǔn)確檢測(cè)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.1" 工作原理

本系統(tǒng)利用信號(hào)在同軸電纜中的傳播特性，通過對(duì)入射信號(hào)和反射信號(hào)的分析，來實(shí)現(xiàn)電纜長(zhǎng)度和終端負(fù)載的檢測(cè)。根據(jù)傳輸線理論，當(dāng)電信號(hào)的波長(zhǎng)與傳輸信號(hào)的導(dǎo)線長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí)，由于導(dǎo)線內(nèi)存在電磁波的反射，導(dǎo)線內(nèi)不同距離上的電壓與電流將與導(dǎo)線終端接入的負(fù)載[5]（開路、短路等）相關(guān)，同時(shí)也與輸入電信號(hào)的頻率相關(guān)。

當(dāng)一個(gè)電信號(hào)通過信號(hào)發(fā)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(hào)在終端處會(huì)產(chǎn)生部分或全部反射。反射信號(hào)與入射信號(hào)的相位差和幅度變化可以通過定向耦合器和混頻器測(cè)量得到。這些測(cè)量結(jié)果可以用于計(jì)算電纜的長(zhǎng)度和終端負(fù)載的特性。

1.1.1" 長(zhǎng)度檢測(cè)

信號(hào)從信號(hào)源模塊產(chǎn)生并通過放大器進(jìn)入雙定向耦合器，部分信號(hào)作為入射信號(hào)進(jìn)入同軸電纜。當(dāng)信號(hào)到達(dá)開路的電纜終端時(shí)，反射信號(hào)產(chǎn)生并返回。通過測(cè)量入射信號(hào)和反射信號(hào)之間的相位差，結(jié)合信號(hào)頻率，可以計(jì)算出電纜的長(zhǎng)度。計(jì)算公式為：

（1）

其中，L為電纜長(zhǎng)度，c為光速，?Φ為相位差，f為信號(hào)頻率，εr為電纜的相對(duì)介電常數(shù)。

1.1.2" 負(fù)載檢測(cè)

在電纜接入負(fù)載后，通過測(cè)量入射信號(hào)和反射信號(hào)的幅度比，可以推斷負(fù)載的類型和參數(shù)。具體方法是通過反射系數(shù)[6-8]計(jì)算負(fù)載阻抗：

（2）

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

1.2" 產(chǎn)生正弦信號(hào)的方案設(shè)計(jì)

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

方案2：采用單片機(jī)控制的直接數(shù)字合成（DDS）模塊產(chǎn)生正弦信號(hào)。使DDS技術(shù)可以通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定性的正弦信號(hào)。使DDS模塊具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、分辨率高、可編程等優(yōu)點(diǎn)，非常適合高頻率和高精度信號(hào)的產(chǎn)生。由于需要生成兩路信號(hào)，一路信號(hào)送入定向耦合器，另一路送入混頻器，采用DDS模塊更加簡(jiǎn)潔高效，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)也更加容易。

由于方案2較為簡(jiǎn)單，且能夠滿足高精度和高穩(wěn)定性的要求，因此選擇采用單片機(jī)控制的DDS模塊產(chǎn)生正弦信號(hào)。

1.3" 多路信號(hào)傳輸與接收的方案設(shè)計(jì)

方案1：使用頻率分頻器和解頻器傳輸和接收信號(hào)。此方法將原始信號(hào)通過分頻器分成兩個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)的頻率為原始信號(hào)的一半，再通過解頻器恢復(fù)原始信號(hào)的頻率。然而，此方案電路復(fù)雜，且需要額外的分頻和解頻器，增加了系統(tǒng)的復(fù)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(hào)在不同端口之間傳遞的設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)多路信號(hào)的耦合和解耦合。它具有信號(hào)傳輸穩(wěn)定、無多余電路和控制的優(yōu)點(diǎn)，適用于多路信號(hào)傳輸與接收的應(yīng)用。

由于方案2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于實(shí)現(xiàn)且穩(wěn)定性高，因此選擇采用雙定向耦合器進(jìn)行多路信號(hào)的傳輸與接收。

1.4" 兩路信號(hào)間相位差和幅度測(cè)量的方案設(shè)計(jì)

方案1：頻率差法。通過測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)的頻率差異，間接得到相位差。此方法適用于頻率穩(wěn)定的應(yīng)用，但在實(shí)際操作中頻率穩(wěn)定性難以保證，且前置電路較多，增加了誤差和復(fù)雜性。

方案2：直接測(cè)量相位和幅度。通過窗口電路直接測(cè)量相位差和幅度，方法簡(jiǎn)單且直接。采用鎖相放大器或數(shù)字相位檢測(cè)電路進(jìn)行相位檢測(cè)，峰值檢波電路或ADC進(jìn)行幅度檢測(cè)，測(cè)量精度高且電路簡(jiǎn)潔。

由于方案2直接測(cè)量相位和幅度，方法簡(jiǎn)單且測(cè)量精度高，因此選擇方案2。

2" 核心部件電路設(shè)計(jì)

2.1" 電源板模塊

電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，設(shè)計(jì)時(shí)需滿足系統(tǒng)對(duì)電壓和電流的需求。選擇5 V電源，并通過電壓調(diào)節(jié)器穩(wěn)壓，確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.2" 信號(hào)發(fā)生模塊

采用單片機(jī)控制的AD9958模塊產(chǎn)生正弦信號(hào)。AD9958是一款功能強(qiáng)大的直接數(shù)字頻率合成器，具有兩個(gè)獨(dú)立的通道，每個(gè)通道可提供獨(dú)立的頻率、相位和幅度控制。支持多通道同步和高達(dá)16階的調(diào)制。內(nèi)部工作頻率高達(dá)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(hào)輸入定向耦合器之前放大功率的主要目的是確保信號(hào)的能量足夠大，以便在定向耦合器中有效地進(jìn)行耦合。定向耦合器是一種用于將微波信號(hào)在不同端口之間傳遞的器件。它在高頻率范圍內(nèi)工作，并且需要相對(duì)較高的輸入功率，以使其能夠產(chǎn)生足夠的耦合效率。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過傳輸線傳輸時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)衰減和信號(hào)損耗。在輸入定向耦合器之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大功率，可以在一定程度上補(bǔ)償信號(hào)的損耗，保持信號(hào)的強(qiáng)度，使得定向耦合器能夠有效地將信號(hào)耦合到其他端口。另外，放大功率也可以提高系統(tǒng)的信噪比，降低信號(hào)與噪聲的比例，從而改善信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.4" 相位和幅度測(cè)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(hào)小于R路，所以A路多接一個(gè)放大電路。信號(hào)與DDS信號(hào)混頻后通過濾波和放大可得出兩路信號(hào)的相位。此時(shí)外接一個(gè)窗口電路，比較得出兩者相位差的脈沖波。單片機(jī)測(cè)出占空比即可轉(zhuǎn)換成電纜長(zhǎng)度。

混頻后的信號(hào)濾波后可以送入對(duì)數(shù)放大器，調(diào)零處理后可得出信號(hào)幅度。由于元器件不足，故采用CD4051模擬開關(guān)，通過單片機(jī)控制分別輸入兩路信號(hào)進(jìn)行幅度采集。最后送再入單片機(jī)處理得出負(fù)載類型和參數(shù)。具體流程圖如圖2所示。

2.4.1" 有源濾波器電路

在本系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)過混頻器處理后，會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)和噪聲，這會(huì)影響后續(xù)的信號(hào)處理和測(cè)量精度。為了穩(wěn)定信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)可測(cè)量和使用的純凈正弦波，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種有源濾波器電路。有源濾波器電路主要由運(yùn)算放大器（TL084）、無源元件（電阻、電容）以及反饋網(wǎng)絡(luò)組成，如圖3所示。該電路可有效濾除混頻器輸出信號(hào)中的高頻成分和干擾，提高信號(hào)的信噪比，使輸出信號(hào)更加穩(wěn)定，便于后續(xù)的相位和幅度測(cè)量。

2.4.2" 窗口電路

窗口電路即由兩個(gè)D觸發(fā)器和一個(gè)異或門組成的外接電路。兩路正弦信號(hào)進(jìn)入后由D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，接著異或門比較兩個(gè)脈沖信號(hào)，所得出的第三個(gè)脈沖信號(hào)相當(dāng)于兩個(gè)信號(hào)的相位差。

2.4.3" 對(duì)數(shù)放大器電路

對(duì)數(shù)放大器主要用于將信號(hào)轉(zhuǎn)換成其等效對(duì)數(shù)值來獲得它的幅度，是一款比較特殊的線性放大器。由于運(yùn)算放大器內(nèi)部的偏置電流和可能的外部環(huán)境干擾，后半部設(shè)置了一個(gè)調(diào)零電路，保證輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3" 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要集中在信號(hào)生成、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示等功能模塊。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)同軸電纜長(zhǎng)度和終端負(fù)載的準(zhǔn)確檢測(cè)，系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，確保各個(gè)功能模塊可以高效且穩(wěn)定地運(yùn)行。系統(tǒng)總體工作流程如圖4所示。

3.1" DDS、模擬開關(guān)和顯示控制

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

工程文件由以下部分組成：?jiǎn)?dòng)文件、內(nèi)核文件、固件庫、主控程序、串口驅(qū)動(dòng)、AD9958驅(qū)動(dòng)、自定義延時(shí)函數(shù)集合、定時(shí)器驅(qū)動(dòng)、LED驅(qū)動(dòng)。

3.2" 電纜長(zhǎng)度顯示

測(cè)量電纜長(zhǎng)度[9]的時(shí)候無負(fù)載，所以信號(hào)從電纜始端入射后，走到末端后遇到阻抗突變?yōu)?，會(huì)被全反射回始端，此時(shí)收到的反射信號(hào)只與入射信號(hào)存在相位差。這個(gè)相位差的值?即與電纜的兩倍長(zhǎng)度相關(guān)，可以通過占空比直接表示。波長(zhǎng)和反射可通過公式C = λf得到長(zhǎng)度和頻率的關(guān)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(zhǎng)度L小于波長(zhǎng)的一半。因?yàn)殡娎|長(zhǎng)度的范圍是10 m～20 m，所以DDS可設(shè)置的頻率范圍是7.5 MHz～15 MHz。由此可以推出實(shí)際的電纜長(zhǎng)度的值是：

（3）

3.3" 負(fù)載類型和參數(shù)顯示

當(dāng)電纜末端接入負(fù)載后，信號(hào)在傳輸線上到達(dá)末端后，可能會(huì)發(fā)生阻抗突變，導(dǎo)致反射現(xiàn)象[10]。反射的電壓大小取決于入射點(diǎn)、傳輸線的阻抗，以及連接負(fù)載的阻抗。假設(shè)傳輸線有兩個(gè)不同的區(qū)域，其瞬時(shí)阻抗分別為Z1和Z2。則反射電壓Vreflect和入射電壓Vincident的關(guān)系為：

（4）

反射系數(shù)ρ為我們關(guān)注的一個(gè)參數(shù)，它表示反射電壓與入射電壓之間的比值。當(dāng)信號(hào)從高阻抗區(qū)域進(jìn)入低阻抗區(qū)域時(shí)，反射系數(shù)的值為負(fù)數(shù)，而當(dāng)信號(hào)從低阻抗區(qū)域進(jìn)入高阻抗區(qū)域時(shí)，反射系數(shù)為正數(shù)。反射系數(shù)的范圍在[-1，1]之間，表示反射電壓的強(qiáng)度相對(duì)于入射電壓的大小。

傳導(dǎo)系數(shù)t滿足的關(guān)系為：

（5）

接下來是判斷負(fù)載情況。接入電阻或電容時(shí)阻抗都會(huì)突變，傳導(dǎo)系數(shù)不為0。一段時(shí)間后電阻不變，但電容充滿，變?yōu)殚_路，波形被全反射。由此可以判斷出負(fù)載的類型。

4" 檢測(cè)結(jié)果分析

系統(tǒng)通過測(cè)量入射和反射信號(hào)的相位差，結(jié)合已知信號(hào)頻率，可以精確計(jì)算電纜的長(zhǎng)度；通過測(cè)量反射信號(hào)的幅度，可以推斷出終端負(fù)載的類型和參數(shù)。該方法通過精確的相位和幅度分析，保證了檢測(cè)的高精度和可靠性。待測(cè)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(fù)載。設(shè)置“長(zhǎng)度檢測(cè)”和“負(fù)載檢測(cè)”兩個(gè)按鍵，用以選擇和啟動(dòng)相應(yīng)功能。負(fù)載電阻值范圍：10 Ω～30 Ω，電容值范圍：100 pF～300 pF。

在檢測(cè)過程中，用戶無須進(jìn)行任何其他調(diào)整和操作，系統(tǒng)自動(dòng)完成信號(hào)處理和計(jì)算，具體的檢測(cè)過程包括以下步驟：首先，系統(tǒng)啟動(dòng)DDS模塊產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)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(hào)分離出來并送入相位和幅度測(cè)量模塊。相位測(cè)量模塊通過高速ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)使用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform， FFT）算法分析信號(hào)的頻率成分，并計(jì)算相位差，結(jié)合已知的信號(hào)頻率，精確計(jì)算出電纜長(zhǎng)度。幅度測(cè)量模塊通過對(duì)反射信號(hào)的幅度變化進(jìn)行分析，利用反射系數(shù)和傳導(dǎo)系數(shù)的計(jì)算，推斷出負(fù)載的類型和參數(shù)。每一步都經(jīng)過精密設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)，例如，DDS模塊經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)確保輸出頻率和相位的準(zhǔn)確性，放大器電路經(jīng)過線性度和增益的精確調(diào)整，確保信號(hào)放大不失真，相位和幅度測(cè)量模塊采用高精度器件，保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。系統(tǒng)還經(jīng)過多次標(biāo)定和校準(zhǔn)，利用標(biāo)準(zhǔn)電纜和負(fù)載，校正測(cè)量誤差，以確保系統(tǒng)的測(cè)量精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖5展示了檢測(cè)過程框圖。

4.1" 長(zhǎng)度檢測(cè)

用戶按下“長(zhǎng)度檢測(cè)”按鈕后，系統(tǒng)啟動(dòng)DDS模塊產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過功率放大后通過定向耦合器送入同軸電纜。系統(tǒng)通過對(duì)定向耦合器返回的反射信號(hào)進(jìn)行相位測(cè)量，利用相位差和已知頻率，通過公式計(jì)算出電纜長(zhǎng)度并在串口屏上顯示。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4.2" 負(fù)載檢測(cè)

若按下“負(fù)載檢測(cè)”按鈕，系統(tǒng)同樣啟動(dòng)DDS模塊產(chǎn)生信號(hào)并送入同軸電纜，此時(shí)系統(tǒng)通過測(cè)量反射信號(hào)的幅度變化，利用反射系數(shù)和傳導(dǎo)系數(shù)的計(jì)算，結(jié)合信號(hào)處理電路的輸出，推斷出負(fù)載的類型及其參數(shù)并在串口屏上顯示。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

5" 結(jié)" 論

本檢測(cè)方法采用了雙定向耦合器，相對(duì)于單定向耦合器省去了分流信號(hào)的過程，提高了精確度。使用了模擬開關(guān)，節(jié)約了成本。原本兩路一模一樣的對(duì)數(shù)放大器電路用一路即可實(shí)現(xiàn)完整功能。

針對(duì)電纜長(zhǎng)度檢測(cè)，通過相位差測(cè)量的方法成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)20 m以內(nèi)電纜長(zhǎng)度的準(zhǔn)確檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)的測(cè)量誤差控制在3%以內(nèi)，且具備良好的頻率響應(yīng)和相位測(cè)量能力，從而滿足了設(shè)計(jì)要求。在終端負(fù)載檢測(cè)方面，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類型負(fù)載的識(shí)別和參數(shù)測(cè)量。通過反射信號(hào)的幅度測(cè)量和對(duì)數(shù)放大器電路，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確推斷出負(fù)載類型和參數(shù)，且測(cè)量誤差在可接受范圍內(nèi)。綜合以上測(cè)試結(jié)果分析，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了題目各項(xiàng)指標(biāo)要求，并有一定程度的提高。

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