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      • 广播电视  网络  故障  分析  测量  

      广播电视网络线缆故障分析与测量(!)

        文件类型：PDF/Adobe Acrobat   文件大小：8095字节
      内容摘要：
      !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
      广播电视网络线缆故障分析与测量(!)
      "刘志学(鹤壁市广播电视发射中心,河南鹤壁"#$%%%)
      "徐化卿(河南省广播电影电视局网络公司,河南郑州"#%%%$)
      摘要:以传统测量技术与现代自动测量技术相结合,分析了广播电视网络线缆在不同程度损伤状态下
      所导致的各类故障,通过实例阐述了网络线缆故障测量的基本原理和方法,并描述了简单测量仪器制作
      及测量结果的处理方法.
      关键词:频域测量;时域测量;纹波技术;驻波比;扫频仪;时域反射仪
      中图分类号:&'(")*+文献标识码:,文章编号:!%%-.-%//(/%%/)%(.%%"/.%+
      !概述广播电视线缆是连接网络系统设备的 命脉,是确
      保网络系统信号正常传输的关键.线缆出现故障必然
      影响信号质量,但如何分析检测线缆故障却是网络系
      统工程的一大难题.如查找调频广播发射机,电视发
      射机天馈线系统中数百米馈管与电缆的故障点,在有
      线电视系统中查找长达几千米的光缆与电缆的故障点
      都是十分困难的,因此,必须从理论上分析广播电视网
      络线缆,在容易损伤的地方寻找故障原因,通过实例掌
      握测量的基本原理与方法.
      在广播电视网络系统工程中,线缆故障的查找有
      频域测量和时域测量两种方法.
      !*!频域与时域
      在广播电视网络传输中任何信号都可以用它的幅
      度作为时间的函数(波形)来表示,或用各个频率分量
      的幅度作为时间的函数(相位)来描述.前者定义为
      "时域",后者定义为"频域".如示波器,波形监视器是
      用来显示时域内信号的仪器;扫频仪,频谱分析仪和场
      强仪是工作在频域内的测量仪器.
      !*/频域显示与时域显示的关系
      广播电视网络传输信号的波形(幅度的时间特性)
      与它的各个频率分量之间的关系可以通过观察两个不
      同频率,幅度,相位的正弦波形来理解.合成波形(0!
      10/)是加在一起形成它的正弦波0!和0/的频率,幅
      度与相位的函数.如果在一个示波器上同时观察0!
      和0/两个波形则会看到(0!10/)复合波形而看不到
      0!和0/的波形.但是,如果我们用频谱仪来观察合
      成波形(0!10/),则会看到频率0!和0/,而看不到复
      合波形的频率(0!10/).
      所以说,时域与频域是密切相关的,而频域就是由
      合成该波形的各个正弦波所组成的频谱,两者之间的
      数学关系叫傅里叶级数.
      "频域分析与测量
      在广播电视信号的传输领域里离不开传输线,如
      同轴电缆和光缆,它们直接关系到广播电视信号传输
      的质量和效率,出现故障时必将影响信号的正常传输.
      然而,在实践中进行故障点查找,鉴定和定位并不容
      易.下面利用扫频测量技术来测量广播电视网络线缆
      故障的可行性进行分析.
      /*!频域测量与扫频仪
      扫频仪是由扫频信号发生器,同步示波器及检波
      头组成的综合仪器.扫频信号发生器是一种简便的专
      用信号发生器,它的出现使频率响应测试的逐点法大
      为改进.其方框图如图!所示.
      扫频仪有时基电路,与示波器的时基电路相似,用
      来控制等幅振荡器的频率,使其输出频率随着时间而
      变化.通常等幅振荡器的输出频率从低频开始随时间
      增加,并周期地重复以获得扫频振荡串输出.如果振
      荡器的输出经检波后加到阴级射线管的2轴,控制振
      荡器的时基波加到3轴,则合成的轨迹就是幅频轨
      迹.由此可见,扫频仪为测试广播电视网络系统线缆
      故障提供了理想的信号源.
      "#
      《中国有线电视》/%%/(%()
      456',4,789&989:6;6<' 标准与测量
      图!扫频信号发生器方框图
      以上所提到的"轴和#轴就是说需要某种形式
      的显示装置,这种装置可以是扫频仪的一个组成部分,
      也可以采用" $ #型通用示波器.
      内设显示装置的扫频仪有两种显示振幅轨迹的方
      法:
      (!)用垂直扫描线组成光栅系统.
      (%)用扫频仪直接驱动" $ #型示波管.
      后者比较简单,带有内部显示的扫频仪往往具有
      很实用的特点,即可以在检波器电路之后选择线性显
      示或对数显示.
      多数示波器显示的波形都是时间域波形,而要将
      空间域波形直接用示波器显示将是困难的.
      % & %扫频测量技术与空间域波形
      % & % & !扫频测量技术基础
      现实中只要根据传输线理论结合扫频测量技术原
      理,在测量广播电视网络线缆上驻波分布时,不难同时
      求出被测线缆的复阻抗.如图%所示就是常用的方式
      之一,即扫频技术长线法.该测量方法既可以使用点
      频测试,也可以使用扫频测试,这种长线扫频法的特点
      是只有反映远端驻波.
      图%扫频长线法
      (!)长线与短线
      在高频电路中高频信号沿传输线传播时,由于信
      号的波长很短,造成传输线的几何长度可以与波长相
      比拟,这种传输线通常称为长线.相对而言在低频和
      直流情况下的传输线就可以称为短线.
      (%)长线和短线分析
      对于长线传送的量决不能用短线的方法去分析,
      因为此时线路本身的分布参量即长线的电阻,电容,电
      感以及漏电电导等不能忽略,正是由于这些参量的存
      在,使得广播电视网络系统线缆上各点的电压,电流的
      分布情况是不同的.我们可以利用这些特性去判断识
      别故障的性质和故障的位置.
      在低频情况下,当广播电视网络系统的传输线终
      端开路时,不管线的长短对于信号源来说,相当于在终
      端接入了一个阻抗为无穷大的负载,线上各点的输入
      阻抗相等.而对于终端开路的长线来说,虽然终端的
      阻抗也为无穷大,但对于线上的不同点处,其呈现的阻
      抗大小和性质是不同的.
      % & % & %空间域波形分析
      % & % & % & !终端开路的线
      设输入信号角频率为!的余弦信号,当长线接收
      到信号后,以光速向终端传送.
      始端电压分布公式
      !'(!)*+,!"(!)
      式中:!)———电压幅值;
      "(
      #
      $,#为线长;$为空气中电磁波的传播速
      度,近似光速.
      经过一段时间信号到达终端,其电压较始端落后
      一个相角,并按余弦规律分布:
      !!(!)*+,!("-!")(%)
      由于终端开路信号不能继续向前传播,则会向始
      端方向形成反射,相当于在广播电视网络系统传输线
      路终端接入了一个信号源,使电信号由终端以光速向
      始端传输,相对于始端来说,终端电压超前一个相角,
      其分布为:
      !%(!)*+,!("$!")(.)
      我们一般把由始端向终端传输的电波称为入射
      波,而把由终端反射回来的电波称为反射波.在无损
      耗线上(假设网络系统传输线对能量无损耗)两波的振
      幅相等,传输方向相反,此时开路长线上的电波为线上
      各点入射波与反射波在线上各点的叠加.即:
      !(!!-!%(!) %*+,!"*+,!!"
      因为!"(
      #
      $
      所以*+,!!"( *+,
      %"
      "
      #
      则!( %!)*+,
      %"
      "
      #*+,!"(/)
      上式称为电压驻波方程式,它表明在开路长线上
      电压为驻波分布.从上式可以看出,在传输线终端以
      !"
      《中国有线电视》%''%年第'0期刘志学等:广播电视网络线缆故障分析与测量(!)
      及距终端!
      !
      整数倍的地方!" !!#,电压在任一时刻
      都为信号源电压振幅的两倍;而在距终端!
      $
      奇数倍的
      地方电压在任何时刻都为%.
      由于反射波与入射波都是行波,因而反射波的电
      压与电流是同相的;入射波的电压与电流也是相同的,
      但传输线上的入射波和反射波的电流相位是反相的.
      即:
      "&"##'()"($*!$)(+)
      "!"##'()"($,!$)(-)
      二者叠加为
      """&,"!" , !##)./
      !"
      !
      %)./"$(0)
      由($),(0)之比得
      #"
      !#
      ##
      '(1
      !"
      !
      %(2)
      式(2)说明了长线上随着线的长度不同,其阻抗的
      变化关系.由式(2)可作出的如图3所示不同长度的
      开路长线的阻抗图.
      图3不同长度的开路长线的阻抗
      从图3可见:
      (&)当% 4%4!
      $时,&为负值,此时得到的电抗为
      容性,故可将其等效为电容,并且容抗随%的增大而
      减小.
      (!)当!
      $
      4%4!
      !时,&为正值,此时得到的电抗
      为感抗,故可等效为电感,其感抗随%的增大而加大.
      (3)当%"!
      !时,&!5,此时相当于67并联谐振
      回路.
      ! 8 ! 8 ! 8 !终端短路的线
      采用分析开路的方法,即可以求出终端短路线的
      输入阻抗为:
      &"
      !#
      ##
      19/
      !"
      !
      %(:)
      其阻抗与线长(%)的变化关系如图$所示.
      图$不同长度的短路线的阻抗
      由图$可知:
      (&)在%"'!
      !
      的各点处,有电压的波节和电流的
      波腹,&" %,相当于串联谐振.
      (!)在%"(!'* &)!
      $
      的各点处,有电压的波腹和
      电流的波节,&" 5,相当于并联谐振.
      (3)当% 4%4!
      $和
      3!
      $
      4%4!时,短路线呈感性.
      ($)当!
      $
      4%4!
      !和
      3!
      $
      4%4!时,短路线呈容性.
      ! 8 ! 8 ! 8 3终端接有纯电阻负载的线
      当传输线的终端接有纯电阻负载&6时,将出现3
      种状态:
      (&)当&6"&时,线上只有电流和电压的入射波
      (即行波状态),也就是线上各点的电流电压的振幅相
      等,电流和电压相同,这是匹配的状态.
      (!)当&64&时,曲线上既有行波也有驻波,&6
      越接近&,线上的驻波幅度越小.当&6!%时,这是
      短线状态,线上只有驻波.
      (3)当&6;&时,线上既有行波又有驻波,当&6
      !5时,这是开路的.
      综合以上分析,对传输线的输入阻抗可得出以下
      几点结论:
      (&)传输线上距终端!
      !
      整数倍处的等效阻抗等于
      负载阻抗,即:&!"&6.
      (!)对于长度不为!
      $
      整数倍的传输线则有以下性
      质:
      #短于!
      $
      的开路线,其输入阻抗呈容性.
      $长于!
      $
      的开路线,其输入阻抗呈感性.
      %短于!
      $
      的短路线,其输入阻抗呈感性.
      &长于!
      $
      的短路线,其输入阻抗呈容性.
      !!
      刘志学等:广播电视网络线缆故障分析与测量(&)《中国有线电视》!%%!年第%:期
      (!)根据传输线的理论,还可以求得传输线上距终
      端!
      "
      的奇数倍处的等效阻抗,等于特性阻抗的平方除
      以终端负载.数学表达式为:
      !!#
      !$
      %
      !&
      ('%)
      由于线缆不匹配而产生的反射容易使整个网络系
      统传输效率低,传输损耗增大,甚至会发生传输中断.
      因此,分析网络系统线缆的匹配特性是判断故障是否
      存在及识别故障性质和故障定位的重要依据.
      $ ( !扫频仪测量线缆的可行性
      $ ( ! ( '传输线匹配要求及对应的幅频显示
      具有分布参数系统的长线又称传输线,因此,不仅
      要研究电压和电流对时间的波动规律,还要研究对空
      间分布的规律.如图)所示.
      图)传输线系统示意图
      $ ( ! ( ' ( '传输线匹配要求
      当对均匀传输线的始端输入一稳态谐和变化的电
      压"##$*+"%,可得到线上任一点的电压表达式为:
      #$(&)#
      '
      $(#$&,#!&!%)*#
      '&
      ,
      '
      $(#$&-#(&!%)*-#
      '&('')
      式中:#$(&)———传输线上距离终端负载!的位置的电
      压复量振幅;
      #$&———传输线终端负载上电压复量振幅;
      #(&———传输线终端负载上电流复量振幅;
      #'———传播常数;
      !%———特性阻抗.
      具有*#
      '&因子的项代表由始端向负载方向传播的
      波(入射波),而具有*-#
      '&因子的项代表由负载反向传
      播的波(反射波).即线上任一点!处的电压为入射
      波与反射波的叠加.
      当传输线无损耗传输时,把#'# +)代入式('')得:
      #$(&)##$./01)&, +#$&
      !%
      !&
      123)&('$)
      若取*#
      !%
      !&
      代入式('$)得:
      #$&##$&[**+)&,(' -*)/01)&]('!)
      在式('!)中:
      第一项为行波项,其振幅沿线不变,而相位随!
      变化.
      第二项为纯驻波项,振幅随!按余弦函数变化,
      而相位在两相邻节点间不变.
      即在传输线上任一点处的电压也可以认为是由行
      波和纯驻波两部分叠加.如图4所示为当*#
      '
      !的电
      压复量波形图.
      图4传输线上各点电压幅度与到负载的
      距离之间的关系
      从式('!)分析并结合图4可以看出,电压波动的
      程度与*的大小相关.
      !当*# '时,线上只有行波而无驻波,传输能量
      全部被负载吸收,即传输线阻抗匹配.
      "*!'时,线上既有行波又有驻波,因此电压幅
      度产生波动,而且*与'相差愈大,波动程度愈大.
      #当*# %或*# 5时,在终端短路或开路的极
      端情况下,终端电压为%.随着!的增大,线上将按正
      弦规律周期性地出现电压最大点和最小点,这就是驻
      波现象.两波节间的相位移为$,距离为:
      !623#
      +
      #
      #
      ,
      $-$"7
      ('")
      式中:#———相移常数,即每单位长度的相位改变量,
      ##
      $$
      !
      #"
      $8;$8#
      ,
      $-$"7
      ;
      $8———传输线上的相速.
      在广播电视网络系统中,传输线的阻抗匹配是最
      重要,最基本的技术要求,但是完全达到阻抗匹配往往
      是很困难的,应满足一定的技术指标做保证.在传输
      线中为了定量描述负载阻抗匹配程度(即传输线相邻
      最大电压与最小电压起伏程度),常用两种物理量来描
      述,即驻波比./0与反射系数1,它们的定义是:在传
      输线中,相邻最大电压与最小电压的比值,即为电压驻
      !"
      《中国有线电视》$%%$年第%9期刘志学等:广播电视网络线缆故障分析与测量(')
      波比,该值越接近!越好.由于反射损耗,反射系数和
      电压驻波比存在着一定的关系,有时也用反射损耗来
      表示,其关系式为:
      反射损耗!"
      !"# $% &'"# $% &'
      #( !
      #) !
      (!*)
      反射系数"
      "#
      $%反(反射波振幅)
      $%!
      (入射波振幅)
      #
      ! (&
      ! )&
      + !%%,
      #
      '"('%
      '")'%
      #
      #( !
      #) !
      (!-)
      式中:'"———负载阻抗;
      '%———传输线特性阻抗.
      电压驻波比#
      ##
      .(/01.
      .(/23.
      #
      ! )"
      ! ("
      (!4)
      式中:(/01———驻波比最大电压值;
      (/23———驻波比最小电压值.
      行波系数&
      &#
      .(/23.
      .(/01.
      #
      ! ("
      ! )"
      #
      !
      #
      (!5)
      由于反射系数"和反射损耗!"与电压驻波比#
      有一定的关系,而且比较容易测量,所以经常采用测量
      "或!"的方法来推算电压驻波比#.
      $ 6 7 6 ! 6 $传输线对应的幅频显示
      扫频仪输出的频率是从)!到)$一段频带内快速
      地重复扫动的,显示器上所显示的是检测到的这一频
      带内的频率———幅度特性.
      当终端短路的测试电缆按图$与扫频仪连接,始
      端输入频率为)!时,线上将出现*个驻波节点.
      *#
      $+
      !
      #
      $+
      ,"!8)!(!9)
      假如输入频率增加!),则线上#也增加!#,当
      !#+#"时,线上的波节数为*) !个.
      扫频仪输出)!时,电缆输入端正好是个波节点,
      幅频显示是一个极小值;频率扫到)!)!)时,电缆始
      端又出现了一个驻波节点,由于幅频显示又是一个极
      小值,以后每隔!)总是显示一个极小值,出现了类似
      传输线上驻波电压分布的图形.如图4所示.
      图4传输线驻波电压分布
      $ 6 7 6 ! 6 7传输线上波节位移与扫频仪上波节频移的
      关系
      当测试电缆终端接上对信号产生相移的电抗性负
      载,必然使线上节点位置产生移位,扫频仪上参数波节
      的频率点也会发生相应的变化.现采用延长线段法来
      分析移动的规律.
      由上文可知,短于!
      :
      的短路线等效于电感,短于!
      $
      长于!
      :
      的短路线等效于电容.而且,
      '"# ;03(
      $"+<=
      !
      )'%#'%;03#+<=($%)
      因此我们可以选择一条相应长度的短路线+<=来
      代替电抗性负载接到传输线的终端,这样可以直观地
      显示节点位移情况与原终端短路时波节位置相比.
      #电感性负载使波节向负载方向移动了+'/23 !
      $.
      $电容性负载使波节向波源方向移动了
      !
      $
      (+'/23 !
      :.
      以上规律可以相应地在扫频仪的幅频显示上反映
      出来.当传输线端接感性负载时,等于延长了该线.
      如要保持线上原有的波节数,只有降低频率,即波节向
      低端移动!)!,下式成立:
      $"
      ,"!8!)!(+)+<=!)##+<=!($!)
      整理后得
      !)!#)
      +<=!
      +)+<=!
      ($$)
      由于!)!与+=> 1/1@' 摄编制播

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