當(dāng)一個工程師準(zhǔn)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(xù)性時，一般可以有 2種技術(shù)供選擇：TDR(時域反射測量技術(shù))和FDR(頻域反射測量技術(shù))。

TDR與FDR技術(shù)有何區(qū)別呢？今天就由“RIGOL技術(shù)站”為您講述~

1、TDR技術(shù)  

時域反射測量技術(shù)(TDR)是在20世紀(jì)60年代初引入的，采用與一維雷達(dá)探測目標(biāo)距離相似的工作原理：用寬帶發(fā)射機(jī)，把一個快速階躍或沖擊激勵信號發(fā)送到被測傳輸線，當(dāng)該傳輸線上存在故障點或阻抗不連續(xù)點時，部分或全部激勵信號便會被反射回寬帶接收機(jī)（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(xù)性的性質(zhì)(電容性或電感性)。另外，這個故障或阻抗不連續(xù)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(shù)  

頻域反射測量技術(shù)(FDR)是在20世紀(jì)70年代后期發(fā)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(nèi)的反射系數(shù)，然后對此作IFFT操作，得到時域信息。通過電磁波在被測件內(nèi)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(shù)來補償傳播損耗。

圖2：FDR工作原理

3、TDR與FDR技術(shù)的區(qū)別

TDR和FDR技術(shù)在實際中都有大量的應(yīng)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(jié)果在空間上的分辨率與采樣速率有關(guān)，采樣速率FS越高，故障分辨率將越細(xì)：

其中電磁波傳播速度因子，在常見介質(zhì)中的數(shù)值是: 聚乙烯介質(zhì)為 0.66，聚四氟乙烯介質(zhì)為 0.7。FDR 測量結(jié)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(xì)：

同軸線分辨率公式:

波導(dǎo)分辨率公式：

其中：Fc：波導(dǎo)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(qū)

●FDR 無測量盲區(qū)。

●TDR 的測量盲區(qū)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(qū)（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(chǎn)生測量盲區(qū)，從而當(dāng)傳輸線較短或故障點距離信號源較近時，無法得到準(zhǔn)確的測量結(jié)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(qū)如下表所示：

表2：邊沿寬度以及其相應(yīng)的測量盲區(qū)

（3）測 量 精 度

●時基因素

TDR 技術(shù)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(fā)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(shù)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(dá)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(fā)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(yán)重。這種特性使得反射脈沖發(fā)生波形畸變，難以精確測量發(fā)射脈沖與反射脈沖間的時間間隔。

FDR 技術(shù)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(shù)，使用寬帶接收機(jī)來測量反射信號，因此接收噪聲大。

FDR技術(shù)，使用下變頻技術(shù)，采用窄帶接收機(jī)來測量反射信號。在測量各個離散頻率點 CW波的頻率響應(yīng)時，利用可選帶寬的IF BW濾波器，實現(xiàn)對測量信號的窄帶接收和分析，可以顯著降低系統(tǒng)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(tài)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(yōu)化技術(shù)

（1）提高精度的測量技巧

當(dāng)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(qū)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(shù)。

（2）信號處理技術(shù)

測量精度依賴于對反射波波前到達(dá)時刻的識別。當(dāng)前應(yīng)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(shù)學(xué)方法對反射波進(jìn)行信號處理。常見的提取反射波波前到達(dá)時刻的方法有閾值法、多項式擬合法、質(zhì)心法、相關(guān)法、求導(dǎo)數(shù)法、匹配濾波器法和小波變換等。

5、FDR優(yōu)化技術(shù)

（1）提高精度的測量技巧

●選擇掃頻范圍和故障分辨率

設(shè)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(xì)。

●設(shè)置被測件最大長度

設(shè)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(shù)決定：

F1為掃頻起始頻率，F(xiàn)2為終止頻率

RIGOL頻譜儀VNA功能，默認(rèn)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(zhì)的速度因子是: 聚乙烯介質(zhì)為0.66，聚四氟乙烯介質(zhì)為 0.7。

●執(zhí)行校準(zhǔn)及反射系數(shù)測量

在頻域反射系數(shù)測量前，先要使用標(biāo)準(zhǔn)開路件、短路件、匹配件，進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。

（2）加窗技術(shù)

在理想的情況下，頻域測量應(yīng)該能在無限的頻率范圍連續(xù)地進(jìn)行測試。由于FDR技術(shù)只能在有限的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測量，測量結(jié)果將出現(xiàn)旁瓣增大現(xiàn)象。而加窗技術(shù)可以優(yōu)化測量結(jié)果，用戶可以根據(jù)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(shù)

下圖比較了3種不同窗函數(shù)對測量結(jié)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(tài)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(yōu)化

6、總結(jié)    

沒有一種傳輸線能做到完全阻抗匹配。例如由于劣質(zhì)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(xiàn)在設(shè)備的工作狀態(tài)上，就會出現(xiàn)斷線、混線、接地等障礙, 使信號傳輸質(zhì)量降低, 因此需要有TDR和FDR這樣的故障檢測技術(shù)來進(jìn)行檢測和定位。

文章試著對TDR和FDR原理進(jìn)行對比分析, 使用圖表等分析方法使得結(jié)果展現(xiàn)更簡便和直觀，方便您針對應(yīng)用場景來選用。

除了在通信行業(yè)用于傳輸線故障定位，F(xiàn)DR和TDR這兩種技術(shù)還都可以用于電力行業(yè)電纜檢測、航空航天飛行器專用電纜檢測、地質(zhì)災(zāi)害防治、土壤水份分析等領(lǐng)域。經(jīng)過實際驗證, TDR和 FDR技術(shù)都能很好地滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需求, 有較大的應(yīng)用價值。