通信電纜故障的檢測方法研究

陳仲源 廈門市專用通信局

1 引言

近幾來，無線通信發(fā)展迅猛，4G已經(jīng)商用，5G也即將商用，但到目前通信通信仍不可缺少。作為當(dāng)前接入網(wǎng)主體的通信電纜由于施工時(shí)的實(shí)際影響、外界氣候環(huán)境變化以及老化、腐蝕乃至外力機(jī)械破壞等，造成了斷線、接地、短路等故障。影響了通信的質(zhì)量和正常運(yùn)行，所以在出現(xiàn)故障時(shí)，需要快速地檢測查找出通信電纜的故障，縮短故障時(shí)間。

目前，市面上的通信電纜管理系統(tǒng)，系實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜的電氣特性指標(biāo)，并通過脈沖反射原理(TDR)完成故障現(xiàn)象判斷和故障位置判定。

2 系統(tǒng)原理

2.1 通信電纜管理系統(tǒng)

通信電纜管理系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)端測試設(shè)備及系統(tǒng)軟件組成的系統(tǒng)。

系統(tǒng)通過遠(yuǎn)端測試設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜質(zhì)量：在電纜質(zhì)量變差時(shí)，及時(shí)上傳預(yù)警信息；在電纜出現(xiàn)故障時(shí)，也及時(shí)上傳告警信息。由客戶端及時(shí)向維護(hù)人員發(fā)出告警信息，便于維護(hù)人員及時(shí)快速的修復(fù)電纜故障 。

2.2 時(shí)域反射法(TDR)

時(shí)域反射法，其方法是在通信電纜的一端發(fā)送脈沖電壓，當(dāng)電纜無故障其阻抗一致，則無反射脈沖，但若電纜遇到故障，通信電纜故障點(diǎn)的阻抗改變，入射脈沖信號就會(huì)產(chǎn)生反射，形成反射脈沖。所以該法也稱脈沖反射法。

由上可見，TDR在故障點(diǎn)阻抗顯著變化時(shí)才有效，而對高阻故障和間歇性故障無效，同時(shí)該脈沖信號會(huì)影響通信信號，所以不能在線檢測故障。

2.3 頻域反射法(FDR)

FDR是向通信電纜發(fā)送正弦線性掃頻信號，同理，該信號會(huì)在故障點(diǎn)也會(huì)發(fā)生反射，然后在測量端分析判斷反射信號或者是由入射信號和反射信號相互疊加而成的駐波。

頻域反射法適用于高頻電纜的測量，如同軸電纜等。但由于發(fā)射的掃頻信號也會(huì)影響通信信號，所以也不能實(shí)現(xiàn)在線檢測故障。

2.4 時(shí)頻域反射法(TFDR)

TFDR 不僅可精確測量故障點(diǎn)距離，也能較為精確測量故障點(diǎn)阻抗，以便于更為精確地確認(rèn)故障類型。時(shí)頻域聯(lián)合反射分析法(TFDR)結(jié)合上述兩法的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)在時(shí)域和頻域分析信號，實(shí)現(xiàn)故障類型的檢測和故障定位。

但由于TFDR發(fā)射的信號仍會(huì)影響通信信號，所以仍不能在線檢測故障。

2.5擴(kuò)頻時(shí)域反射法(SSTDR)

SSTDR 利用擴(kuò)頻技術(shù)來檢測電纜故障，能夠?qū)崿F(xiàn)對通信電纜故障的在線監(jiān)測的一種新方法。該方法也只需單端測試，即在電纜一端發(fā)射由正弦信號與二進(jìn)制偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制而生成的信號，在故障點(diǎn)由于阻抗變化造成不匹配，產(chǎn)生反射信號。當(dāng)反射信號與發(fā)射信號相位一致時(shí)，其相關(guān)值有唯一峰值，由此可得出電纜中信號傳輸延遲為τ。若信號在電纜中的傳輸速度為c，由上述信號在電纜傳輸，遇故障點(diǎn)反射回測量端所經(jīng)延遲時(shí)間τ，則可得出故障點(diǎn)到測量端的距離。

因?yàn)镾STDR 所發(fā)射的信號具有白噪聲均值為零的特性，所以SSTDR不影響通信電纜上的通訊信號，故能實(shí)時(shí)在線檢測電纜故障。基于SSTDR的優(yōu)點(diǎn)，對SSTDR的進(jìn)一步研究和實(shí)現(xiàn)，有利于通信電纜檢測方法的進(jìn)一步發(fā)展。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由服務(wù)器工控機(jī)、客戶端、遠(yuǎn)端測試設(shè)備等組成。

3.1 TDR 測試方法

現(xiàn)有系統(tǒng)采用TDR測試方法，而基于TDR信號對通信信號的影響，所以需要接在空閑的電纜上，而不能對在用電纜實(shí)時(shí)在線檢測。所以當(dāng)在用電纜故障或被破壞竊聽時(shí)，若未損壞到空閑電纜，則無法及時(shí)檢測故障，因此需要提出新方法能及時(shí)檢測發(fā)現(xiàn)在用電纜故障或被破壞竊聽且不影響通信訊號，是有必要的。

3.2 SSTDR 和TFDR 測試方法設(shè)計(jì)

針對TDR的無法在線檢測等缺陷，根據(jù)上述分析，在遠(yuǎn)端測試設(shè)備采用SSTDR和TFDR相結(jié)合的方法，從而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測電纜故障的功能，并能對電纜的高阻故障和低阻故障進(jìn)行檢測，同時(shí)也能精確定位其故障點(diǎn)。

具體實(shí)現(xiàn)可以以DSP+CPLD模塊為主，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號產(chǎn)生發(fā)射、采集和通信等模塊。CPLD 負(fù)責(zé)控制信號產(chǎn)生發(fā)射和采集模塊的時(shí)序；信號產(chǎn)生發(fā)射模塊將向待測電纜發(fā)射信號，該信號由直接數(shù)字合成(DDS)芯片產(chǎn)生；信號采集模塊則采集電纜上的反射信號，鑒于反射信號一般比較微弱且其幅值不穩(wěn)定，故而需要在前端設(shè)計(jì)增益可調(diào)的緩沖放大電路，數(shù)據(jù)采集完成后送入DSP處理；DSP部份則將上述采集到的發(fā)射和反射信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲取電纜的故障類型和故障點(diǎn)距離；由通訊模塊將遠(yuǎn)端測試設(shè)備獲取的故障信息上傳到服務(wù)器工控機(jī)，便于后續(xù)處理。

4 結(jié)束語

綜上可見，引入SSTDR 和TFDR 的故障檢測方法，可以使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線檢測并預(yù)測通信電纜低阻故障的功能，并可以精確定位到故障點(diǎn)。故而通過本系統(tǒng)可分析出電纜故障類型和故障點(diǎn)位置，及時(shí)提出告警，幫助電纜維護(hù)人員及時(shí)確認(rèn)故障點(diǎn)，及時(shí)修復(fù)，有效的降低了維護(hù)成本，保證了通信電纜中信號的安全可靠傳輸。