利用TDR法监测同轴电缆故障的原理与仿真

摘 要

通信电缆指的是用于近距离音频通信和远距离高频载波数字通信及通信信号电缆，在电缆的使用过程中会产生短路或短路等故障。TDR（Time Domain Reflectometry，时域反射计）是电缆故障检测定位的一种方法，本文将分析TDR的基本原理并运用SIMULINK建立仿真模型对检测过程进行仿真。

【关键词】故障检测 同轴电缆 TDR 反射

近年来，随着以3G和无线局域网（WLAN）等技术为代表的计算机信息技术和无线接入技术的快速发展，众多通信企业对信号传输质量的需要不断增长，半柔、低损、微细、稳相等高端产物的需求增加将更为显著，目前的接入网技术已经从一开始的基于铜导线（普通电话线）接入发展到基于五类线的以太网接入，光纤接入，无线接入，光纤混合同轴接入等。在应用过程中，通信电缆和光缆混合使用更加合理，射频同轴电缆尤其广泛的在通信接入网中使用，合理利用通信电缆和光缆可以提升信息传输质量和增添数据的流量。

当前，国内对于通信同轴电缆故障的检测主要是使用电桥测量与脉冲反射法测量，这两种方法通常可以测出一般故障点大概位置，如果想得到故障的精确位置还需要使用放音法对故障所在位置进行进行精确定位，操作过程繁琐，效率低下。如何选择通信电缆故障测距方法、尤其是如何实现通信电缆实时在线检测，仍然是有待继续深入研课题。

1 同轴电缆故障

同轴电缆是由内导体、绝缘层、外导体和护套从内到外层层组装而成，这四部分轴心重合，因此得名“同轴”电缆。同轴电缆在投用使用之后，随着时间推移，会产生各种故障。由于通信同轴电缆的主体成分为金属导体和绝缘体，因此同轴电缆故障也可以据此分为导体故障和绝缘故障。

2 时域反射法TDR

在通信系统中，波的反射过程一般来说是我们想要剔除的。脉冲波在传递过程中，由于反射的存在会产生一定程度上的波形失真。时域反射法（TDR）又叫脉冲反射法或雷达法。向通信电缆发送电压脉冲，利用发送脉冲与故障点反射脉冲的时间差与障碍点距离成正比的原理确定障碍点。脉冲反射法最早用于长途电话线路障碍检测中，现在世界范围内得到了推广，成为通信电缆障碍测试的主要手段。

TDR是向通信同轴电缆其中的某一端发送一段低压脉冲信号，发送的信号脉冲沿着通信电缆进行传播。当脉冲信号在电缆中遇到故障点后会产生一个反射脉冲，反射脉冲沿着电缆中传递回到测量端。按照传输线理论模型，可以发现由于在通信电缆内部的阻抗发生改变，这个低压脉冲信号在遇到故障点时会产生一个反射脉冲。这时假设在电缆一段认为射入的低压脉冲电压为Ui，当这个低压脉冲信号遇到到同轴电缆中的某一个故障点时，得到的反射脉冲电压设之为Uf，当电缆中没有故障时，传输的波阻抗为Z1，故障点产生的波阻抗设为Z2，根据电缆中反射定理，可得电压反射系数如下：

βu=（Z2?Z1）/（Z2+Z1）= Uf / Ui （1）

基于脉冲反射定理，电缆中故障点位置以及电缆中故障类型可以通过反射波呈现出的的波形特征还有反射波到达发射点所经过的时间来判断。波形、传递时间与故障位置和类型有如下关系：

当线路无故障时，Z2=Z1， 线路反射系数 βu=0，发射脉冲被负载吸收，这时不产生反射波（图1）；

当线路中存在断路故障时，Z2→∞，βu=1，入射波和反射波极性相同（图1）；

当线路存在短路故障时，Z2=0，βu=?1，反射波入射波极性相同（图1）。

设vp为脉冲波速，L为电缆中故障点到脉冲发生端的距离，t为入射和反射脉冲波之间的间隔时间，则

L = （2）

TDR法定位电缆中故障点位置基本原理简单直观，操作简单，在实际应用中具有足够高的准确度，经常被用于在电缆中进行低阻、开路故障测距和电缆全长的测量，可以说它在射频同轴电缆故障检测中有这举足轻重的作用。

3 利用TDR法探测电缆故障仿真

TDR法定位电缆中故障的仿真模型由信号产生器（Signal Builder），受控电压源（Controlled Voltage Source），内部阻抗为（RL Series RLC Branch），待测电缆线路（Distributed Parameters Line），测量电压表和示波器等组成（如图2所示）。信号产生器可依据仿真需要生成任意带宽，任意幅度的脉冲信号，利用信号产生器生成的信号控制受控电压源产生一个输入信号，那么在受控电压源的输出端就会产生对应宽度的脉冲电压。在软件中可设置生成脉冲信号的起始时间和终止时间，以及脉冲信号的幅值。

受控电压源在MATLAB中通信系统电路设计领域为常用的电路元件。通过提供由激励信号源发出的脉冲信号进一步控制电压源生成所需要的信号。通过对受控电压源的初始化，并且加入信号源，使得输出的脉冲信号与待测同轴电缆各项参数相匹配。将脉冲发生器产生的脉冲信号输入受控电压源，则电压源输出为相同波形的脉冲电压，如图3所示。

构建电缆开路故障的仿真电路模型，电缆在终端处发生断路故障，设置其它模块参数。设置Simulink仿真时间，步长和其他算法参数。点击启动仿真按钮，仿真结束后观察波形。

在时域脉冲开路仿真电路模型中，脉冲在开路点产生全反射，反射脉冲与发射脉冲极性相同，所以电缆中故障为开路。仿真后观察到的开路故障仿真波形如图4所示，观察到两波峰间隔0.05s，则可根据电缆参数和公式2对故障距离进行计算。

如假定电缆发生短路故障，保持其他参数不变，则在Scope1处可得到波形如图5所示。入射脉冲与反射脉冲极性相反，即可判断出故障类型为短路。同样两个脉冲的间隔为0.05s。

4 结束语

本文对TDR法测量电缆中故障类型和计算故障位置的原理进行了分析，并运用MATLAB软件中的SIMULINK平台对测量过程进行了仿真，分析了TDR法对电缆内故障定位的可行性。

参考文献

[1]张小龙.同轴电缆接入网信道建模与故障诊断方法研究[D].湖北：华中科技大学，2013.

[2]王瑞.通信电缆故障探测仪的设计[D].黑龙江：哈尔滨理工大学，2011.

[3]徐勋建.通信电缆故障检测系统研究[D].湖北：华中科技大学，2007.

作者简介

蒋子曾（1992-），杭州电子科技大学在校本科生，专业为通信工程。

作者单位

杭州电子科技大学 浙江省杭州市 310018endprint

摘 要

通信电缆指的是用于近距离音频通信和远距离高频载波数字通信及通信信号电缆，在电缆的使用过程中会产生短路或短路等故障。TDR（Time Domain Reflectometry，时域反射计）是电缆故障检测定位的一种方法，本文将分析TDR的基本原理并运用SIMULINK建立仿真模型对检测过程进行仿真。

【关键词】故障检测 同轴电缆 TDR 反射

近年来，随着以3G和无线局域网（WLAN）等技术为代表的计算机信息技术和无线接入技术的快速发展，众多通信企业对信号传输质量的需要不断增长，半柔、低损、微细、稳相等高端产物的需求增加将更为显著，目前的接入网技术已经从一开始的基于铜导线（普通电话线）接入发展到基于五类线的以太网接入，光纤接入，无线接入，光纤混合同轴接入等。在应用过程中，通信电缆和光缆混合使用更加合理，射频同轴电缆尤其广泛的在通信接入网中使用，合理利用通信电缆和光缆可以提升信息传输质量和增添数据的流量。

当前，国内对于通信同轴电缆故障的检测主要是使用电桥测量与脉冲反射法测量，这两种方法通常可以测出一般故障点大概位置，如果想得到故障的精确位置还需要使用放音法对故障所在位置进行进行精确定位，操作过程繁琐，效率低下。如何选择通信电缆故障测距方法、尤其是如何实现通信电缆实时在线检测，仍然是有待继续深入研课题。

1 同轴电缆故障

同轴电缆是由内导体、绝缘层、外导体和护套从内到外层层组装而成，这四部分轴心重合，因此得名“同轴”电缆。同轴电缆在投用使用之后，随着时间推移，会产生各种故障。由于通信同轴电缆的主体成分为金属导体和绝缘体，因此同轴电缆故障也可以据此分为导体故障和绝缘故障。

2 时域反射法TDR

在通信系统中，波的反射过程一般来说是我们想要剔除的。脉冲波在传递过程中，由于反射的存在会产生一定程度上的波形失真。时域反射法（TDR）又叫脉冲反射法或雷达法。向通信电缆发送电压脉冲，利用发送脉冲与故障点反射脉冲的时间差与障碍点距离成正比的原理确定障碍点。脉冲反射法最早用于长途电话线路障碍检测中，现在世界范围内得到了推广，成为通信电缆障碍测试的主要手段。

TDR是向通信同轴电缆其中的某一端发送一段低压脉冲信号，发送的信号脉冲沿着通信电缆进行传播。当脉冲信号在电缆中遇到故障点后会产生一个反射脉冲，反射脉冲沿着电缆中传递回到测量端。按照传输线理论模型，可以发现由于在通信电缆内部的阻抗发生改变，这个低压脉冲信号在遇到故障点时会产生一个反射脉冲。这时假设在电缆一段认为射入的低压脉冲电压为Ui，当这个低压脉冲信号遇到到同轴电缆中的某一个故障点时，得到的反射脉冲电压设之为Uf，当电缆中没有故障时，传输的波阻抗为Z1，故障点产生的波阻抗设为Z2，根据电缆中反射定理，可得电压反射系数如下：

βu=（Z2?Z1）/（Z2+Z1）= Uf / Ui （1）

基于脉冲反射定理，电缆中故障点位置以及电缆中故障类型可以通过反射波呈现出的的波形特征还有反射波到达发射点所经过的时间来判断。波形、传递时间与故障位置和类型有如下关系：

当线路无故障时，Z2=Z1， 线路反射系数 βu=0，发射脉冲被负载吸收，这时不产生反射波（图1）；

当线路中存在断路故障时，Z2→∞，βu=1，入射波和反射波极性相同（图1）；

当线路存在短路故障时，Z2=0，βu=?1，反射波入射波极性相同（图1）。

设vp为脉冲波速，L为电缆中故障点到脉冲发生端的距离，t为入射和反射脉冲波之间的间隔时间，则

L = （2）

TDR法定位电缆中故障点位置基本原理简单直观，操作简单，在实际应用中具有足够高的准确度，经常被用于在电缆中进行低阻、开路故障测距和电缆全长的测量，可以说它在射频同轴电缆故障检测中有这举足轻重的作用。

3 利用TDR法探测电缆故障仿真

TDR法定位电缆中故障的仿真模型由信号产生器（Signal Builder），受控电压源（Controlled Voltage Source），内部阻抗为（RL Series RLC Branch），待测电缆线路（Distributed Parameters Line），测量电压表和示波器等组成（如图2所示）。信号产生器可依据仿真需要生成任意带宽，任意幅度的脉冲信号，利用信号产生器生成的信号控制受控电压源产生一个输入信号，那么在受控电压源的输出端就会产生对应宽度的脉冲电压。在软件中可设置生成脉冲信号的起始时间和终止时间，以及脉冲信号的幅值。

受控电压源在MATLAB中通信系统电路设计领域为常用的电路元件。通过提供由激励信号源发出的脉冲信号进一步控制电压源生成所需要的信号。通过对受控电压源的初始化，并且加入信号源，使得输出的脉冲信号与待测同轴电缆各项参数相匹配。将脉冲发生器产生的脉冲信号输入受控电压源，则电压源输出为相同波形的脉冲电压，如图3所示。

构建电缆开路故障的仿真电路模型，电缆在终端处发生断路故障，设置其它模块参数。设置Simulink仿真时间，步长和其他算法参数。点击启动仿真按钮，仿真结束后观察波形。

在时域脉冲开路仿真电路模型中，脉冲在开路点产生全反射，反射脉冲与发射脉冲极性相同，所以电缆中故障为开路。仿真后观察到的开路故障仿真波形如图4所示，观察到两波峰间隔0.05s，则可根据电缆参数和公式2对故障距离进行计算。

如假定电缆发生短路故障，保持其他参数不变，则在Scope1处可得到波形如图5所示。入射脉冲与反射脉冲极性相反，即可判断出故障类型为短路。同样两个脉冲的间隔为0.05s。

4 结束语

本文对TDR法测量电缆中故障类型和计算故障位置的原理进行了分析，并运用MATLAB软件中的SIMULINK平台对测量过程进行了仿真，分析了TDR法对电缆内故障定位的可行性。

参考文献

[1]张小龙.同轴电缆接入网信道建模与故障诊断方法研究[D].湖北：华中科技大学，2013.

[2]王瑞.通信电缆故障探测仪的设计[D].黑龙江：哈尔滨理工大学，2011.

[3]徐勋建.通信电缆故障检测系统研究[D].湖北：华中科技大学，2007.

作者简介

蒋子曾（1992-），杭州电子科技大学在校本科生，专业为通信工程。

作者单位

杭州电子科技大学 浙江省杭州市 310018endprint

摘 要

通信电缆指的是用于近距离音频通信和远距离高频载波数字通信及通信信号电缆，在电缆的使用过程中会产生短路或短路等故障。TDR（Time Domain Reflectometry，时域反射计）是电缆故障检测定位的一种方法，本文将分析TDR的基本原理并运用SIMULINK建立仿真模型对检测过程进行仿真。

【关键词】故障检测 同轴电缆 TDR 反射

近年来，随着以3G和无线局域网（WLAN）等技术为代表的计算机信息技术和无线接入技术的快速发展，众多通信企业对信号传输质量的需要不断增长，半柔、低损、微细、稳相等高端产物的需求增加将更为显著，目前的接入网技术已经从一开始的基于铜导线（普通电话线）接入发展到基于五类线的以太网接入，光纤接入，无线接入，光纤混合同轴接入等。在应用过程中，通信电缆和光缆混合使用更加合理，射频同轴电缆尤其广泛的在通信接入网中使用，合理利用通信电缆和光缆可以提升信息传输质量和增添数据的流量。

当前，国内对于通信同轴电缆故障的检测主要是使用电桥测量与脉冲反射法测量，这两种方法通常可以测出一般故障点大概位置，如果想得到故障的精确位置还需要使用放音法对故障所在位置进行进行精确定位，操作过程繁琐，效率低下。如何选择通信电缆故障测距方法、尤其是如何实现通信电缆实时在线检测，仍然是有待继续深入研课题。

1 同轴电缆故障

同轴电缆是由内导体、绝缘层、外导体和护套从内到外层层组装而成，这四部分轴心重合，因此得名“同轴”电缆。同轴电缆在投用使用之后，随着时间推移，会产生各种故障。由于通信同轴电缆的主体成分为金属导体和绝缘体，因此同轴电缆故障也可以据此分为导体故障和绝缘故障。

2 时域反射法TDR

在通信系统中，波的反射过程一般来说是我们想要剔除的。脉冲波在传递过程中，由于反射的存在会产生一定程度上的波形失真。时域反射法（TDR）又叫脉冲反射法或雷达法。向通信电缆发送电压脉冲，利用发送脉冲与故障点反射脉冲的时间差与障碍点距离成正比的原理确定障碍点。脉冲反射法最早用于长途电话线路障碍检测中，现在世界范围内得到了推广，成为通信电缆障碍测试的主要手段。

TDR是向通信同轴电缆其中的某一端发送一段低压脉冲信号，发送的信号脉冲沿着通信电缆进行传播。当脉冲信号在电缆中遇到故障点后会产生一个反射脉冲，反射脉冲沿着电缆中传递回到测量端。按照传输线理论模型，可以发现由于在通信电缆内部的阻抗发生改变，这个低压脉冲信号在遇到故障点时会产生一个反射脉冲。这时假设在电缆一段认为射入的低压脉冲电压为Ui，当这个低压脉冲信号遇到到同轴电缆中的某一个故障点时，得到的反射脉冲电压设之为Uf，当电缆中没有故障时，传输的波阻抗为Z1，故障点产生的波阻抗设为Z2，根据电缆中反射定理，可得电压反射系数如下：

βu=（Z2?Z1）/（Z2+Z1）= Uf / Ui （1）

基于脉冲反射定理，电缆中故障点位置以及电缆中故障类型可以通过反射波呈现出的的波形特征还有反射波到达发射点所经过的时间来判断。波形、传递时间与故障位置和类型有如下关系：

当线路无故障时，Z2=Z1， 线路反射系数 βu=0，发射脉冲被负载吸收，这时不产生反射波（图1）；

当线路中存在断路故障时，Z2→∞，βu=1，入射波和反射波极性相同（图1）；

当线路存在短路故障时，Z2=0，βu=?1，反射波入射波极性相同（图1）。

设vp为脉冲波速，L为电缆中故障点到脉冲发生端的距离，t为入射和反射脉冲波之间的间隔时间，则

L = （2）

TDR法定位电缆中故障点位置基本原理简单直观，操作简单，在实际应用中具有足够高的准确度，经常被用于在电缆中进行低阻、开路故障测距和电缆全长的测量，可以说它在射频同轴电缆故障检测中有这举足轻重的作用。

3 利用TDR法探测电缆故障仿真

TDR法定位电缆中故障的仿真模型由信号产生器（Signal Builder），受控电压源（Controlled Voltage Source），内部阻抗为（RL Series RLC Branch），待测电缆线路（Distributed Parameters Line），测量电压表和示波器等组成（如图2所示）。信号产生器可依据仿真需要生成任意带宽，任意幅度的脉冲信号，利用信号产生器生成的信号控制受控电压源产生一个输入信号，那么在受控电压源的输出端就会产生对应宽度的脉冲电压。在软件中可设置生成脉冲信号的起始时间和终止时间，以及脉冲信号的幅值。

受控电压源在MATLAB中通信系统电路设计领域为常用的电路元件。通过提供由激励信号源发出的脉冲信号进一步控制电压源生成所需要的信号。通过对受控电压源的初始化，并且加入信号源，使得输出的脉冲信号与待测同轴电缆各项参数相匹配。将脉冲发生器产生的脉冲信号输入受控电压源，则电压源输出为相同波形的脉冲电压，如图3所示。

构建电缆开路故障的仿真电路模型，电缆在终端处发生断路故障，设置其它模块参数。设置Simulink仿真时间，步长和其他算法参数。点击启动仿真按钮，仿真结束后观察波形。

在时域脉冲开路仿真电路模型中，脉冲在开路点产生全反射，反射脉冲与发射脉冲极性相同，所以电缆中故障为开路。仿真后观察到的开路故障仿真波形如图4所示，观察到两波峰间隔0.05s，则可根据电缆参数和公式2对故障距离进行计算。

如假定电缆发生短路故障，保持其他参数不变，则在Scope1处可得到波形如图5所示。入射脉冲与反射脉冲极性相反，即可判断出故障类型为短路。同样两个脉冲的间隔为0.05s。

4 结束语

本文对TDR法测量电缆中故障类型和计算故障位置的原理进行了分析，并运用MATLAB软件中的SIMULINK平台对测量过程进行了仿真，分析了TDR法对电缆内故障定位的可行性。

参考文献

[1]张小龙.同轴电缆接入网信道建模与故障诊断方法研究[D].湖北：华中科技大学，2013.

[2]王瑞.通信电缆故障探测仪的设计[D].黑龙江：哈尔滨理工大学，2011.

[3]徐勋建.通信电缆故障检测系统研究[D].湖北：华中科技大学，2007.

作者简介

蒋子曾（1992-），杭州电子科技大学在校本科生，专业为通信工程。

作者单位

杭州电子科技大学 浙江省杭州市 310018endprint