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(hào)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(duì)高阻故障和間歇性故障無效，同時(shí)該脈沖信號(hào)會(huì)影響通信信號(hào)，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(hào)，同理，該信號(hào)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(hào)或者是由入射信號(hào)和反射信號(hào)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(hào)也會(huì)影響通信信號(hào)，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(hào)，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(hào)仍會(huì)影響通信信號(hào)，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(duì)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(hào)與二進(jìn)制偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制而生成的信號(hào)，在故障點(diǎn)由于阻抗變化造成不匹配，產(chǎn)生反射信號(hào)。當(dāng)反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)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(hào)傳輸延遲為τ。若信號(hào)在電纜中的傳輸速度為c，由上述信號(hào)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(hào)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(hào)，故能實(shí)時(shí)在線檢測電纜故障。基于SSTDR的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)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(hào)對(duì)通信信號(hào)的影響，所以需要接在空閑的電纜上，而不能對(duì)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(hào)，是有必要的。

3.2 SSTDR 和TFDR 測試方法設(shè)計(jì)

針對(duì)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(duì)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(hào)產(chǎn)生發(fā)射、采集和通信等模塊。CPLD 負(fù)責(zé)控制信號(hào)產(chǎn)生發(fā)射和采集模塊的時(shí)序；信號(hào)產(chǎn)生發(fā)射模塊將向待測電纜發(fā)射信號(hào)，該信號(hào)由直接數(shù)字合成(DDS)芯片產(chǎn)生；信號(hào)采集模塊則采集電纜上的反射信號(hào)，鑒于反射信號(hào)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(hào)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(hào)的安全可靠傳輸。