摘" 要：为准确检测20 m以内同轴的电缆长度以及负载的类型和参数，设计了一种基于时域反射法的检测方法。该方法主要利用入射和反射的原理，通过DDS信号发生器产生信号源，经过双路放大器放大后进入双定向耦合器进行分配和检测。通过电路测量出的两路信号间相位差，结合频率即可得同轴电缆的长度，根据测量出的两路信号的幅度即可推断出负载类型和负载长度参数。实验结果表明，该方法的测量误差不超过3%，精度满足实际测量需求。
关键词：同轴电缆；负载检测；双定向耦合器；时域反射法
中图分类号：TP39" 文献标识码：A" 文章编号：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
同轴电缆因其优越的屏蔽性能、远距离传输能力及强抗干扰能力，广泛应用于有线电视网络、电视广播传输、无线通信基站、安防监控系统和数据通信网络等领域。然而，为了确保这些系统的可靠运行，对同轴电缆的长度和终端负载进行精确检测显得尤为重要。准确的电缆长度检测不仅能有效管理电缆资源，还能识别潜在的故障点；而终端负载的检测则有助于评估电缆连接的质量和效率，从而保障整体系统的性能。本检测方法通过DDS信号发生器产生信号源，利用双定向耦合器和相位差测量技术，在20 m以内准确检测同轴电缆的长度，并在接入负载后检测负载类型和参数。
1" 方案设计
本检测系统的设计方案主要由信号源模块[1]、信号放大模块、双定向耦合器模块、信号检测模块和数据处理模块组成。每个模块分别负责不同的功能，最终实现对同轴电缆长度[2-4]和终端负载的准确检测。系统总体框图如图1所示。
1.1" 工作原理
本系统利用信号在同轴电缆中的传播特性，通过对入射信号和反射信号的分析，来实现电缆长度和终端负载的检测。根据传输线理论，当电信号的波长与传输信号的导线长度相当时，由于导线内存在电磁波的反射，导线内不同距离上的电压与电流将与导线终端接入的负载[5]（开路、短路等）相关，同时也与输入电信号的频率相关。
当一个电信号通过信号发生模块生成并输入同轴电缆中，如果电缆终端存在阻抗不匹配的情况，信号在终端处会产生部分或全部反射。反射信号与入射信号的相位差和幅度变化可以通过定向耦合器和混频器测量得到。这些测量结果可以用于计算电缆的长度和终端负载的特性。
1.1.1" 长度检测
信号从信号源模块产生并通过放大器进入双定向耦合器，部分信号作为入射信号进入同轴电缆。当信号到达开路的电缆终端时，反射信号产生并返回。通过测量入射信号和反射信号之间的相位差，结合信号频率，可以计算出电缆的长度。计算公式为：
（1）
其中，L为电缆长度，c为光速，∆Φ为相位差，f为信号频率，εr为电缆的相对介电常数。
1.1.2" 负载检测
在电缆接入负载后，通过测量入射信号和反射信号的幅度比，可以推断负载的类型和参数。具体方法是通过反射系数[6-8]计算负载阻抗：
（2）
其中，Γ为反射系数，ZL为负载阻抗，Z0为电缆的特性阻抗。根据反射系数的大小和相位，可以判断负载是开路、短路还是某种特定阻抗。
1.2" 产生正弦信号的方案设计
方案1：采用单片机控制数字模拟转换器（DAC）产生正弦信号。使用高速DAC可以产生高频率和高精度的正弦信号。然而，该方法在生成两路信号的情况下较为复杂，需要较多的硬件资源和同步控制，增加了系统的复杂性和成本。
方案2：采用单片机控制的直接数字合成（DDS）模块产生正弦信号。使DDS技术可以通过数字信号处理技术产生高精度、高稳定性的正弦信号。使DDS模块具有频率转换时间短、分辨率高、可编程等优点，非常适合高频率和高精度信号的产生。由于需要生成两路信号，一路信号送入定向耦合器，另一路送入混频器，采用DDS模块更加简洁高效，系统实现也更加容易。
由于方案2较为简单，且能够满足高精度和高稳定性的要求，因此选择采用单片机控制的DDS模块产生正弦信号。
1.3" 多路信号传输与接收的方案设计
方案1：使用频率分频器和解频器传输和接收信号。此方法将原始信号通过分频器分成两个信号，每个信号的频率为原始信号的一半，再通过解频器恢复原始信号的频率。然而，此方案电路复杂，且需要额外的分频和解频器，增加了系统的复杂性和成本。
方案2：采用双定向耦合器。定向耦合器是一种用于将信号在不同端口之间传递的设备，能够实现多路信号的耦合和解耦合。它具有信号传输稳定、无多余电路和控制的优点，适用于多路信号传输与接收的应用。
由于方案2结构简洁，易于实现且稳定性高，因此选择采用双定向耦合器进行多路信号的传输与接收。
1.4" 两路信号间相位差和幅度测量的方案设计
方案1：频率差法。通过测量两路信号的频率差异，间接得到相位差。此方法适用于频率稳定的应用，但在实际操作中频率稳定性难以保证，且前置电路较多，增加了误差和复杂性。
方案2：直接测量相位和幅度。通过窗口电路直接测量相位差和幅度，方法简单且直接。采用锁相放大器或数字相位检测电路进行相位检测，峰值检波电路或ADC进行幅度检测，测量精度高且电路简洁。
由于方案2直接测量相位和幅度，方法简单且测量精度高，因此选择方案2。
2" 核心部件电路设计
2.1" 电源板模块
电源模块为整个系统提供稳定的电源，设计时需满足系统对电压和电流的需求。选择5 V电源，并通过电压调节器稳压，确保系统的可靠性和安全性。
2.2" 信号发生模块
采用单片机控制的AD9958模块产生正弦信号。AD9958是一款功能强大的直接数字频率合成器，具有两个独立的通道，每个通道可提供独立的频率、相位和幅度控制。支持多通道同步和高达16阶的调制。内部工作频率高达500 MHz，具有很高的精确性和灵活性。
2.3" 功率放大模块
在将信号输入定向耦合器之前放大功率的主要目的是确保信号的能量足够大，以便在定向耦合器中有效地进行耦合。定向耦合器是一种用于将微波信号在不同端口之间传递的器件。它在高频率范围内工作，并且需要相对较高的输入功率，以使其能够产生足够的耦合效率。当信号经过传输线传输时，可能会出现衰减和信号损耗。在输入定向耦合器之前对信号进行放大功率，可以在一定程度上补偿信号的损耗，保持信号的强度，使得定向耦合器能够有效地将信号耦合到其他端口。另外，放大功率也可以提高系统的信噪比，降低信号与噪声的比例，从而改善信号的可靠性和稳定性。
2.4" 相位和幅度测量模块
由定向耦合器的A端和R端分别引出电路。由于A路所出信号小于R路，所以A路多接一个放大电路。信号与DDS信号混频后通过滤波和放大可得出两路信号的相位。此时外接一个窗口电路，比较得出两者相位差的脉冲波。单片机测出占空比即可转换成电缆长度。
混频后的信号滤波后可以送入对数放大器，调零处理后可得出信号幅度。由于元器件不足，故采用CD4051模拟开关，通过单片机控制分别输入两路信号进行幅度采集。最后送再入单片机处理得出负载类型和参数。具体流程图如图2所示。
2.4.1" 有源滤波器电路
在本系统中，信号经过混频器处理后，会出现抖动和噪声，这会影响后续的信号处理和测量精度。为了稳定信号并将其转换成一个可测量和使用的纯净正弦波，我们设计了一种有源滤波器电路。有源滤波器电路主要由运算放大器（TL084）、无源元件（电阻、电容）以及反馈网络组成，如图3所示。该电路可有效滤除混频器输出信号中的高频成分和干扰，提高信号的信噪比，使输出信号更加稳定，便于后续的相位和幅度测量。
2.4.2" 窗口电路
窗口电路即由两个D触发器和一个异或门组成的外接电路。两路正弦信号进入后由D触发器转换成脉冲信号，接着异或门比较两个脉冲信号，所得出的第三个脉冲信号相当于两个信号的相位差。
2.4.3" 对数放大器电路
对数放大器主要用于将信号转换成其等效对数值来获得它的幅度，是一款比较特殊的线性放大器。由于运算放大器内部的偏置电流和可能的外部环境干扰，后半部设置了一个调零电路，保证输出信号的准确性和稳定性。
3" 系统软件设计分析
本系统的软件设计主要集中在信号生成、信号采集、数据处理和结果显示等功能模块。为了实现对同轴电缆长度和终端负载的准确检测，系统采用了模块化的设计方法，确保各个功能模块可以高效且稳定地运行。系统总体工作流程如图4所示。
3.1" DDS、模拟开关和显示控制
控制核心采用STM32F103，在成本和运行之间取得了平衡，有利于快速开发。
工程文件由以下部分组成：启动文件、内核文件、固件库、主控程序、串口驱动、AD9958驱动、自定义延时函数集合、定时器驱动、LED驱动。
3.2" 电缆长度显示
测量电缆长度[9]的时候无负载，所以信号从电缆始端入射后，走到末端后遇到阻抗突变为0，会被全反射回始端，此时收到的反射信号只与入射信号存在相位差。这个相位差的值ϕ即与电缆的两倍长度相关，可以通过占空比直接表示。波长和反射可通过公式C = λf得到长度和频率的关系。由于相位差的范围为0°～360°，所以单程的相位差范围为0°～180°，即电缆长度L小于波长的一半。因为电缆长度的范围是10 m～20 m，所以DDS可设置的频率范围是7.5 MHz～15 MHz。由此可以推出实际的电缆长度的值是：
（3）
3.3" 负载类型和参数显示
当电缆末端接入负载后，信号在传输线上到达末端后，可能会发生阻抗突变，导致反射现象[10]。反射的电压大小取决于入射点、传输线的阻抗，以及连接负载的阻抗。假设传输线有两个不同的区域，其瞬时阻抗分别为Z1和Z2。则反射电压Vreflect和入射电压Vincident的关系为：
（4）
反射系数ρ为我们关注的一个参数，它表示反射电压与入射电压之间的比值。当信号从高阻抗区域进入低阻抗区域时，反射系数的值为负数，而当信号从低阻抗区域进入高阻抗区域时，反射系数为正数。反射系数的范围在[-1，1]之间，表示反射电压的强度相对于入射电压的大小。
传导系数t满足的关系为：
（5）
接下来是判断负载情况。接入电阻或电容时阻抗都会突变，传导系数不为0。一段时间后电阻不变，但电容充满，变为开路，波形被全反射。由此可以判断出负载的类型。
4" 检测结果分析
系统通过测量入射和反射信号的相位差，结合已知信号频率，可以精确计算电缆的长度；通过测量反射信号的幅度，可以推断出终端负载的类型和参数。该方法通过精确的相位和幅度分析，保证了检测的高精度和可靠性。待测电缆始端通过电缆连接头与装置连接，电缆终端可开路或接入电阻、电容负载。设置“长度检测”和“负载检测”两个按键，用以选择和启动相应功能。负载电阻值范围：10 Ω～30 Ω，电容值范围：100 pF～300 pF。
在检测过程中，用户无须进行任何其他调整和操作，系统自动完成信号处理和计算，具体的检测过程包括以下步骤：首先，系统启动DDS模块产生高频正弦信号，该信号经过功率放大后通过定向耦合器送入同轴电缆。定向耦合器将反射信号分离出来并送入相位和幅度测量模块。相位测量模块通过高速ADC将模拟信号转换为数字信号，单片机使用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform， FFT）算法分析信号的频率成分，并计算相位差，结合已知的信号频率，精确计算出电缆长度。幅度测量模块通过对反射信号的幅度变化进行分析，利用反射系数和传导系数的计算，推断出负载的类型和参数。每一步都经过精密设计和校准，例如，DDS模块经过严格校准确保输出频率和相位的准确性，放大器电路经过线性度和增益的精确调整，确保信号放大不失真，相位和幅度测量模块采用高精度器件，保证测量结果的稳定性。系统还经过多次标定和校准，利用标准电缆和负载，校正测量误差，以确保系统的测量精度达到设计要求。图5展示了检测过程框图。
4.1" 长度检测
用户按下“长度检测”按钮后，系统启动DDS模块产生高频正弦信号，信号经过功率放大后通过定向耦合器送入同轴电缆。系统通过对定向耦合器返回的反射信号进行相位测量，利用相位差和已知频率，通过公式计算出电缆长度并在串口屏上显示。测试结果如表1所示。
4.2" 负载检测
若按下“负载检测”按钮，系统同样启动DDS模块产生信号并送入同轴电缆，此时系统通过测量反射信号的幅度变化，利用反射系数和传导系数的计算，结合信号处理电路的输出，推断出负载的类型及其参数并在串口屏上显示。测试结果如表2所示。
5" 结" 论
本检测方法采用了双定向耦合器，相对于单定向耦合器省去了分流信号的过程，提高了精确度。使用了模拟开关，节约了成本。原本两路一模一样的对数放大器电路用一路即可实现完整功能。
针对电缆长度检测，通过相位差测量的方法成功实现了对20 m以内电缆长度的准确检测。实验结果显示，系统的测量误差控制在3%以内，且具备良好的频率响应和相位测量能力，从而满足了设计要求。在终端负载检测方面，成功实现了对不同类型负载的识别和参数测量。通过反射信号的幅度测量和对数放大器电路，系统能够准确推断出负载类型和参数，且测量误差在可接受范围内。综合以上测试结果分析，本系统设计基本实现了题目各项指标要求，并有一定程度的提高。
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作者简介：许天一（2002—），女，汉族，江苏扬州人，本科在读，研究方向：通信工程。
