TDR ist die Abkürzung für Time-Domain-Reflektometrie. Es handelt sich um eine Fernmesstechnologie, die reflektierte Wellen analysiert und den Status des Messobjekts am entfernten Standort ermittelt. Darüber hinaus gibt es noch die Time-Domain-Reflektometrie, das Zeitverzögerungsrelais und das Transmit Data Register. TDR wird hauptsächlich in der Kommunikationsbranche eingesetzt, um die Position von Unterbrechungspunkten in Kommunikationskabeln zu ermitteln, weshalb es auch als „Kabeldetektor“ bezeichnet wird. Ein Time-Domain-Reflektometer ist ein elektronisches Instrument, das mithilfe eines Time-Domain-Reflektometers Fehler in Metallkabeln (z. B. Twisted Pair- oder Koaxialkabeln) charakterisiert und lokalisiert. Es kann auch zum Auffinden von Unterbrechungen in Steckverbindern, Leiterplatten oder anderen elektrischen Pfaden verwendet werden.
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Überblick über die Signalübertragungstheorie
In den letzten Jahren hat sich die Bitrate digitaler Kommunikationsstandards rasant verbessert. Beispielsweise erreichte die Bitrate des einfachsten Verbrauchergeräts USB 3.1 sogar 10 Gbit/s; USB 4 schafft 40 Gbit/s. Durch die Verbesserung der Bitrate treten Probleme auf, die bei herkömmlichen digitalen Systemen nicht auftraten. Probleme wie Reflexion und Verlust können zu Verzerrungen des digitalen Signals und damit zu Bitfehlern führen. Da außerdem der akzeptable Zeitspielraum für den korrekten Betrieb des Geräts abnimmt, wird die Zeitabweichung im Signalpfad sehr wichtig. Die durch Streukapazitäten erzeugte Abstrahlung elektromagnetischer Wellen und die Kopplung führen zu Übersprechen und damit zu Funktionsstörungen des Geräts. Je kleiner und kompakter die Schaltkreise werden, desto problematischer wird dies. Erschwerend kommt hinzu, dass eine Verringerung der Versorgungsspannung zu einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis führt und das Gerät somit anfälliger für Rauschen macht.
Die vertikale Koordinate von TDR ist die Impedanz
TDR speist eine Stufenwelle vom Port in den Schaltkreis ein. Warum ist die vertikale Einheit von TDR nicht die Spannung, sondern die Impedanz? Wenn es Impedanz ist, warum ist dann die steigende Flanke sichtbar? Welche Messungen werden von TDR basierend auf einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) durchgeführt?
Ein VNA ist ein Instrument zur Messung des Frequenzgangs des Messobjekts (DUT). Bei der Messung wird ein sinusförmiges Anregungssignal in das Messobjekt eingespeist. Die Messergebnisse werden durch Berechnung des Vektoramplitudenverhältnisses zwischen Eingangssignal und Sendesignal (S21) bzw. reflektiertem Signal (S11) ermittelt. Der Frequenzgang des Geräts kann durch Abtasten des Eingangssignals im gemessenen Frequenzbereich ermittelt werden. Der Einsatz eines Bandpassfilters im Messempfänger kann Rauschen und unerwünschte Signale aus dem Messergebnis entfernen und die Messgenauigkeit verbessern.
Schematische Darstellung von Eingangssignal, reflektiertem Signal und Sendesignal
Nach Überprüfung der Daten stellte sich heraus, dass das TDR-Gerät die Spannungsamplitude der reflektierten Welle normalisierte und sie dann der Impedanz gleichsetzte. Der Reflexionskoeffizient ρ entspricht der reflektierten Spannung geteilt durch die Eingangsspannung. Reflexion tritt dort auf, wo die Impedanz diskontinuierlich ist. Die zurückreflektierte Spannung ist proportional zur Differenz der Impedanzen, während die Eingangsspannung proportional zur Summe der Impedanzen ist. Daraus ergibt sich die folgende Formel. Da der Ausgangsanschluss des TDR-Geräts 50 Ohm beträgt, ist Z0 = 50 Ohm, sodass Z berechnet werden kann, d. h. die Impedanzkurve des TDR lässt sich durch Plotten ermitteln.
Daher ist in der obigen Abbildung die Impedanz zu Beginn des Signals deutlich kleiner als 50 Ohm, und die Steigung ist entlang der steigenden Flanke stabil. Dies deutet darauf hin, dass die Impedanz proportional zur zurückgelegten Distanz während der Vorwärtsausbreitung des Signals ist. Während dieser Zeit ändert sich die Impedanz nicht. Ich halte es für etwas umständlich zu sagen, dass die steigende Flanke nach der Impedanzreduzierung aufgesaugt und schließlich verlangsamt wurde. Im anschließenden Pfad niedriger Impedanz begann sie, die Eigenschaften einer steigenden Flanke zu zeigen und stieg weiter an. Dann überschreitet die Impedanz 50 Ohm, sodass das Signal leicht überschießt, dann langsam zurückgeht und sich schließlich bei 50 Ohm stabilisiert und das Signal den gegenüberliegenden Port erreicht hat. Im Allgemeinen kann man sich den Bereich fallender Impedanz als kapazitive Last auf Masse vorstellen. Den Bereich plötzlich steigender Impedanz kann man sich als in Reihe geschaltete Induktivität vorstellen.
Veröffentlichungszeit: 16. August 2022
