當一個工程師準備測量一條傳輸線上各處阻抗值時，以及檢查傳輸線特征在時間域或距離域中的不連續性時，一般可以有 2種技術供選擇：TDR(時域反射測量技術)和FDR(頻域反射測量技術)。
TDR與FDR技術有何區別呢？今天就由“RIGOL技術站”為您講述~
1、TDR技術
時域反射測量技術(TDR)是在20世紀60年代初引入的，采用與一維雷達探測目標距離相似的工作原理：用寬帶發射機，把一個快速階躍或沖擊激勵信號發送到被測傳輸線，當該傳輸線上存在故障點或阻抗不連續點時，部分或全部激勵信號便會被反射回寬帶接收機（即測試儀表）。通過測量入射電壓與反射電壓之比，便能計算出傳輸線上該點處的阻抗值，同時可以確定阻抗不連續性的性質(電容性或電感性)。另外，這個故障或阻抗不連續點的位置則可以通過計算反射信號在傳輸線上的傳播時間，再乘以信號沿著傳輸線傳播的速度換算得出。
圖1：TDR工作原理
2、FDR技術
頻域反射測量技術(FDR)是在20世紀70年代后期發展起來的，工作原理如下圖所示：通過掃頻信號，得到傳輸線在一段頻率范圍內的反射系數，然后對此作IFFT操作，得到時域信息。通過電磁波在被測件內的傳播速度，將時域信息換算成距離信息；同時，運用被測件的單位距離的衰減參數來補償傳播損耗。
圖2：FDR工作原理
3、TDR與FDR技術的區別
TDR和FDR技術在實際中都有大量的應用，各有特點，主要異同點如下表所示：
表1：TDR與FDR對比
（1）分 辨 率
TDR測量結果在空間上的分辨率與采樣速率有關，采樣速率FS越高，故障分辨率將越細：
其中電磁波傳播速度因子，在常見介質中的數值是: 聚乙烯介質為 0.66，聚四氟乙烯介質為 0.7。FDR 測量結果的分辨率取決于掃頻范圍，掃頻范圍越大，故障分辨率將越細：
同軸線分辨率公式:
波導分辨率公式：
其中：Fc：波導截止頻率
F1: 掃頻起始頻率（單位 Hz）
F2: 掃頻截止頻率（單位 Hz)
（2）測 量 盲 區
●FDR 無測量盲區。
●TDR 的測量盲區取決于激勵信號的上升沿或下降沿寬度。
計算公式：
L： 測量盲區（米）
v：電磁波傳播速度（米/秒）
：脈沖上升沿或下降沿寬度
由于上升沿或下降沿寬度的存在使得TDR會產生測量盲區，從而當傳輸線較短或故障點距離信號源較近時，無法得到準確的測量結果。
以電磁波在聚乙烯絕緣電纜中的傳播速度=1.98 × 10^8為例，不同邊沿寬度信號的近似測量盲區如下表所示：
表2：邊沿寬度以及其相應的測量盲區
（3）測 量 精 度
●時基因素
TDR 技術的測量精度可以表示為：
v：脈沖信號在傳輸線中的傳播速度
t：發射脈沖與反射脈沖間的時間間隔
δv：波速誤差
δt ：時間間隔測量誤差
TDR 技術的測量精度依賴于對傳播速度的確定，和對反射波波前到達時刻的識別。傳輸線是有損傳輸線，脈沖波形在傳播過程中會發生衰減。而因為脈沖波形中含有多種頻率成份，不同頻率成份衰減程度不同，頻率越高，其衰減也越嚴重。這種特性使得反射脈沖發生波形畸變，難以精確測量發射脈沖與反射脈沖間的時間間隔。
FDR 技術的測量精度可以表示為：
δv：波速誤差
F1：起始頻率
F2：終止頻率
可見，通過加大掃頻寬度，可以提高 FDR 的測量精度。
●信噪比因素
TDR 技術，使用寬帶接收機來測量反射信號，因此接收噪聲大。
FDR技術，使用下變頻技術，采用窄帶接收機來測量反射信號。在測量各個離散頻率點 CW波的頻率響應時，利用可選帶寬的IF BW濾波器，實現對測量信號的窄帶接收和分析，可以顯著降低系統的噪聲電平，這樣就使得 FDR儀表的信噪比大為改善，因而較之TDR 有更好的測量精度和動態范圍。例如：RIGOL頻譜儀的VNA功能，最小可選擇的IF BW為 1kHz。
此外，TDR激勵信號的頻譜幅度在高頻段有明顯衰減，因此高頻段的測量精度也有明顯下降，如下圖所示：
圖3 TDR與FDR激勵信號功率譜密度對比
4、TDR優化技術
（1）提高精度的測量技巧
當使用脈沖激勵信號時，脈沖寬度越寬，所攜帶的能量就越大，能夠測量的傳輸線長度就越長。同時，脈沖的上升沿寬度又決定了盲區的大小，因此提高測量精度的技巧是采用快速邊沿變化脈沖，以及采用高速采樣技術。
（2）信號處理技術
測量精度依賴于對反射波波前到達時刻的識別。當前應用的反射波波前的識別方法仍然不完善，為提高對反射波波前的識別能力，需借助數學方法對反射波進行信號處理。常見的提取反射波波前到達時刻的方法有閾值法、多項式擬合法、質心法、相關法、求導數法、匹配濾波器法和小波變換等。
5、FDR優化技術
（1）提高精度的測量技巧
●選擇掃頻范圍和故障分辨率
設置起始頻率、終止頻率，分別記為F1、F2，單位Hz(赫茲)。按照被測件的有效頻率工作范圍，盡可能選擇大的頻率范圍，因為頻率范圍越大，故障分辨率將越細。
●設置被測件最大長度
設置被測件最大長度，記為 L，單位 m（米）。最大可測被測件的長度由電磁波傳輸速度、頻率范圍、和頻率點數決定：
F1為掃頻起始頻率，F2為終止頻率
RIGOL頻譜儀VNA功能，默認電磁波在傳輸線的傳播速度為光速2.997925×10^8m/s傳播。另外常見介質的速度因子是: 聚乙烯介質為0.66，聚四氟乙烯介質為 0.7。
●執行校準及反射系數測量
在頻域反射系數測量前，先要使用標準開路件、短路件、匹配件，進行系統校準。
（2）加窗技術
在理想的情況下，頻域測量應該能在無限的頻率范圍連續地進行測試。由于FDR技術只能在有限的頻率范圍內進行測量，測量結果將出現旁瓣增大現象。而加窗技術可以優化測量結果，用戶可以根據實際的測量需求，選擇合適的窗類型，如下表所示：
表3：FFT窗函數
下圖比較了3種不同窗函數對測量結果的影響，矩形窗有明顯的旁瓣電平起伏，漢寧窗消除了大部分旁瓣電平起伏，高斯窗口消除了絕大部分旁瓣電平，使得動態范圍得到改善，但是拓寬了沖激寬度，如下圖所示：
圖4 FDR 加窗優化
6、總結
沒有一種傳輸線能做到完全阻抗匹配。例如由于劣質接頭、電纜受壓變形以及逐年腐蝕老化等原因而引起，都會引起阻抗失配，入射信號的一部分能量將被反射回源端。表現在設備的工作狀態上，就會出現斷線、混線、接地等障礙, 使信號傳輸質量降低, 因此需要有TDR和FDR這樣的故障檢測技術來進行檢測和定位。
文章試著對TDR和FDR原理進行對比分析, 使用圖表等分析方法使得結果展現更簡便和直觀，方便您針對應用場景來選用。
除了在通信行業用于傳輸線故障定位，FDR和TDR這兩種技術還都可以用于電力行業電纜檢測、航空航天飛行器專用電纜檢測、地質災害防治、土壤水份分析等領域。經過實際驗證, TDR和 FDR技術都能很好地滿足現場應用的需求, 有較大的應用價值。
