TDR测试技术在电缆自动监测系统中的应用

王小艳,李萌

(1.广东商学院华商学院会计系,广东增城 511300,2.广州市天讯瑞达通信技术有限公司,广东广州 510630)

TDR测试技术在电缆自动监测系统中的应用

王小艳1,李萌2

(1.广东商学院华商学院会计系,广东增城 511300,2.广州市天讯瑞达通信技术有限公司,广东广州 510630)

《TDR测试技术在电缆自动监测系统中的应用》在对TDR技术原理和电缆自动监测系统简单介绍的基础上,总结了电缆自动监测系统中应用TDR模块时所遇到的问题,随后对问题进行了细致的分析,提出了一种解决这些问题的方法,给出了采取这种方法的步骤,并在实际项目应用中对采用的方法进行了测试,测试的结果能够满足项目要求.

TDR;自动监测;脉冲＊

1 TDR测试原理

TDR(Time Domain Reflection)是一种通用的时域测试技术,广泛的应用于有关PCB、电缆、连接器等的测试领域.

TDR的工作原理是基于传输线理论,它的工作方式有点像雷达.在被测线路上施加脉冲信号,在信号沿被测电缆传输的过程中,电缆阻抗的变化会对TDR测试信号产生反射.通过在发送信号端收集测试信号的反射波形,分析反射波形的具体特点就可以确定线路上的事件;通过一个高精度的时钟测量测试信号和反射信号之间的时间差,就可以确定事件在电缆上发生的具体位置.

2 电缆自动监测系统

电缆自动监测系统主要用于对重要的通信线路,电力线路等的自动监测,以便能够准确及时的发现线路故障.电缆自动监测系统主要包括前端测试设备模块(包括低频测试模块,TDR测试模块以及测试控制单元等),数据库/监测服务器,语音机服务器,以及客户端四个主要部分.各个部分的功能如下:

(1)前端测试设备模块:负责具体线路测试.

(2)数据库/监测服务器:数据存储和监测程序接收前端测试设备告警和测试结果.

(3)语音机服务器:负责告警信息外拨到指定电话号码进行语音通知.

(4)客户端:通过系统客户端监测程序对系统进行数据配置、告警监测、数据查询和报表统计.

3 TDR设备在电缆自动监测系统中的应用

3.1 TDR测试模块需改进的内容

TDR测试模块在电缆自动监测系统中,主要用来测试线路的长度,即当线路出现断路或者短路时,TDR测试设备能够准确的给出故障点的距离,这样维护人员收到告警之后,再参考线路的资料就可以准确找到线路的故障点位置,从而大大加快线路修复的进程.

TDR测试模块通常都采取仪表的形式,如安捷伦的54750系列TDR时域反射仪,SebaKM T公司的Kabe llux 4T时域反射仪等.这些仪表在使用时需要用户根据线路情况配置多项参数,如电缆材料,电缆线径,电缆的传播系数,测试信号的脉冲宽度,增益等等.而在电缆自动监测系统中,测试设备按照例测(每隔一定的时间进行一次测试)的方式进行自动测试,不需要用户干预,因此必须对TDR测试模块做一些改造的工作以适应系统的要求.下面结合具体的使用,给出主要的改造内容.

(1)通过TDR模块的命令接口设置线路的物理参数,如电缆的型号,电缆的线径,传播系数等,这些参数将会保存在数据库的线路资料里,在每一次测试前都会读取这些参数对TDR模块进行设置.

(2)设置TDR模块的测试信号的脉冲宽度和增益.通常,测试电缆所采用的脉冲宽度和增益与被测线路的长度密切相关.在测量短距离时,为了达到好的事件分辨精度,使用较小的脉冲宽度;由于此时线路比较短,线路对测试信号的衰减也较小,通常也使用较小的线路增益.而在测量较长的距离时,由于此时线路衰减较大,为了能够使测试信号传播的更远,则需要使用较大的脉冲宽度和线路增益.这样,我们就无法指定测试某条具体线路时应该使用的具体的脉冲宽度和增益,只能由程序来自动搜索合适的脉冲宽度和增益来自动完成测试.自动搜索脉冲宽度和增益时的程序流程图如图一所示.

图1 自动搜索脉宽和增益的程序流程图

(3)确定搜索的终点.步骤2中的程序自动搜索脉冲宽度和增益将会引入另一个重要的问题,就是确定搜索的终点的问题.也就是说,程序需要自己判定已经找到了线路上的事件,停止搜索,然后返回此时的测试结果.

本系统采用的TDR模块返回的反射信号的数据为A/D转换器采样所得的数据,其值最大为4095,最小为0,共2048个点,将这些点使用M A TLAB描绘成的一条典型的反射图形如图二所示.

图2 典型的TDR反射图形

如图二所示,程序必须查找出返回波形中的事件并且确定事件波形的起始位置,一旦找到,程序将完成测试环境(主要指脉冲宽度和线路增益)的搜索,以当前环境下的测试结果作为当次测试的最终结果返回给后台程序,后台程序则根据这个结果判断线路是否存在故障,并决定是否向用户告警.因此,在返回的波形中搜索反射脉冲(反射脉冲反映了事件)以及确定反射脉冲起始点的算法就成为TDR模块测试准确程度的核心内容.

在系统中,对于近程反射脉冲和中远程反射脉冲,我们进行了分别处理,来将这些反射脉冲从返回的波形数据中搜索识别出来.

近程脉冲识别:因为硬件电路的频率特性及延时特性,窄脉冲通过发送及接收电路时,脉冲会被展宽,因此发送脉冲信号的宽度是有限度的.在被测线缆很短时(小于100m,此时发送信号的脉宽很窄),收发脉冲很近或部分重合,此时需要将发送波形从返回的采样的波形中去掉才能识别反射波.当反射波的幅度衰减在一个门限范围内时,就识别出了反射脉冲.采用这种方法要求波形无失真(即对线路增益设置有限制),反射幅度较大(因为线缆很短而保证).

中远程脉冲识别:中远程脉冲识别的基本思想为:在脉冲宽度与发送脉冲宽度接近的波形中根据一、二阶导数的特点来判断是否为TDR脉冲,具体的判定条件如下:

(1)二阶导数有至少3个正负方向交替的极值点,分别对应脉冲的前沿、峰值点和后沿.其中前两个极值点必须超过一定门限,也就是说这两个极值点的信噪比要突出.在具体的程序实现中,为了减少误判,也规定了第三极值点的信噪比.

(2)一阶导数在脉冲的峰值点附近过零点,即在二阶导数的第二极点值的影响范围内(指二阶导数与极值同向的区域),一阶导数必然存在过零点.并且一阶导数在过零点的左右两边的峰值绝对值比较接近,这种要求的前提是反射脉冲是在水平线上叠加的,当反射波是在另外一个脉冲上叠加时,首先需要作一次线形拟合,减小这种影响.

3.2 具体的程序实现

具体的程序实现分成五个步骤.

①波形采样:波形采样是对原始返回波形的数字采样,采样有两个作用:一是对反射脉冲的宽度进行匹配,忽略不在匹配范围内的脉冲;二可以减小数据量,提高测试速度.

波形采样是通过原始波形进行分段拟合的方法实现的,分段的段长与发送脉冲的宽度有关.采用线性拟合,用拟合波形的中心点值,表示一段波形,这样就达到了匹配波形宽度以及减少数据量的双重作用.

②导数计算:导数计数包括波形的一、二阶导数,在对波形进行样条插值逼近时,可以获得导数值.

③判决电平:选择判决电平实际上是一个统计过程,因为脉冲识别是在二阶导数中寻找突出值,因此需要经过以下几个过程.

形成二阶导数极值表:脉冲识别实际上是在极值点中搜索的,因此只需要在所有的极值点设定判决电平,就可以抽出突出的极值点.

对极值表进行排序:通过对极值表进行从大到小的排序后,根据落差大小就可以将极值点分成多个层次,这些分层的位置所对应得电平值就是判决电平.实际上,因为反射脉冲的极值点的数量是很少的,因此分层时只需要考虑比较大的一些极值点.分层的方法采用的是二阶差分结合SNR的方法.反射脉冲的极值点必然是同时满足SNR要求及二阶差分大的特点.

判决电平的值并不唯一,这是因为脉冲波形是时间域的,只要在一个波形段里找到反射脉冲,它就可能是真正的反射脉冲.比如:在波形的前面一部分往往噪声较大,而后面却噪声小,同时反射脉冲在后面的波形中,且幅度小,此时一个判决电平是无法识别后面的反射脉冲的.

④脉冲识别:这里需要两个过程:

根据判决电平找到一些疑似脉冲:如前所述,反射脉冲必然存在连续3个二阶导数的极值点,且这些极值点都满足判决电平的要求.因此,在极值表中搜索连续的3个以上的大于判决电平的段,作为疑似脉冲.

在疑似脉冲中确认反射脉冲:这个过程是依据一阶导数过零的特性进行的.在疑似脉冲的极值点内搜索到第一个满足一阶导数过零的点,确认它为脉冲的峰值极值点,从而找到脉冲的前沿极值点,前沿极值点也是TDR反射点,精确定位这一点,就可以准确测试TDR距离.

图3 实际测试长度2425.1m

4 结论

采用上述算法,能够在误差允许范围内找到返回信号中的反射脉冲,并确定反射脉冲起始点的位置.实际中一条长度为2440m的线路测试结果如图三所示:

由此可见,上述算法能够满足电缆检测系统的要求.

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[5]赵树嫄.微积分[M].北京:中国人民大学出版社出版.2008年.

[责任编辑:陈庆朋]

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

王小艳(1981-),女,广东商学院会计系助教,理学硕士,主要从事运筹学与控制论方面的研究.