Dieser Abschnitt beschreibt den TDR-Testprozess.

TDR ist die Abkürzung für Zeitbereichsreflektometrie. Es handelt sich um eine Fernmesstechnik, die reflektierte Wellen analysiert und den Zustand des Messobjekts aus der Ferne ermittelt. Darüber hinaus wird die Zeitbereichsreflektometrie auch als Zeitverzögerungsrelais oder Sendedatenregister bezeichnet. TDR wird hauptsächlich in der Kommunikationsindustrie eingesetzt, um in der Anfangsphase von Kabelbrüchen die Position von Kabelbrüchen zu erkennen und wird daher auch als „Kabeldetektor“ bezeichnet. Ein Zeitbereichsreflektometer ist ein elektronisches Messgerät, das mithilfe von Zeitbereichsreflektometrie Fehler in Metallkabeln (z. B. verdrillten Adernpaaren oder Koaxialkabeln) charakterisiert und lokalisiert. Es kann auch zur Lokalisierung von Unterbrechungen in Steckverbindern, Leiterplatten oder anderen elektrischen Leitungen verwendet werden.

Die Benutzeroberfläche des E5071c-tdr kann simulierte Augendiagramme ohne zusätzlichen Codegenerator erzeugen. Für Echtzeit-Augendiagramme ist ein Signalgenerator erforderlich, um die Messung abzuschließen. Der E5071C verfügt über diese Funktion.

Überblick über die Signalübertragungstheorie

In den letzten Jahren hat sich die Bitrate digitaler Kommunikationsstandards rasant verbessert. Beispielsweise erreicht der einfachste USB-3.1-Standard für Endverbraucher bereits 10 Gbit/s, USB 4 sogar 40 Gbit/s. Diese höheren Bitraten führen jedoch zu Problemen, die in traditionellen digitalen Systemen bisher unbekannt waren. Reflexionen und Dämpfungen können digitale Signalverzerrungen und damit Bitfehler verursachen. Zudem gewinnt die Zeitabweichung im Signalweg aufgrund der geringeren Toleranz für den korrekten Betrieb des Geräts an Bedeutung. Abgestrahlte elektromagnetische Wellen und Kopplungen durch Streukapazitäten führen zu Übersprechen und beeinträchtigen die Funktion des Geräts. Mit zunehmender Miniaturisierung und Kompaktheit der Schaltungen verschärft sich dieses Problem. Erschwerend kommt hinzu, dass eine niedrigere Versorgungsspannung das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert und das Gerät dadurch anfälliger für Störungen wird.

Die vertikale Koordinate des TDR-Wertes ist die Impedanz.

TDR speist eine Stufenwelle vom Port in den Schaltkreis ein. Warum zeigt die vertikale Einheit von TDR jedoch nicht die Spannung, sondern die Impedanz an? Wenn es sich um die Impedanz handelt, warum ist dann die ansteigende Flanke sichtbar? Welche Messungen führt TDR auf Basis eines Vektornetzwerkanalysators (VNA) durch?

Ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) dient zur Messung des Frequenzgangs eines Prüflings (DUT). Bei der Messung wird ein sinusförmiges Anregungssignal an den Prüfling angelegt. Die Messergebnisse werden anschließend durch Berechnung des Vektoramplitudenverhältnisses zwischen dem Eingangssignal und dem transmittierten Signal (S21) bzw. dem reflektierten Signal (S11) ermittelt. Die Frequenzgangcharakteristik des Prüflings lässt sich durch Abtasten des Eingangssignals im Messfrequenzbereich bestimmen. Der Einsatz eines Bandpassfilters im Messempfänger kann Rauschen und unerwünschte Signale aus dem Messergebnis entfernen und die Messgenauigkeit verbessern.

Schematische Darstellung des Eingangssignals, des reflektierten Signals und des Sendesignals

Nach Überprüfung der Daten stellte sich heraus, dass das TDR-Gerät die Spannungsamplitude der reflektierten Welle normalisierte und sie anschließend in eine Impedanz umrechnete. Der Reflexionskoeffizient ρ entspricht der reflektierten Spannung dividiert durch die Eingangsspannung. Reflexionen treten an Impedanzkanten auf. Die reflektierte Spannung ist proportional zur Differenz der Impedanzen, die Eingangsspannung hingegen proportional zur Summe der Impedanzen. Daraus ergibt sich die folgende Formel. Da der Ausgangsanschluss des TDR-Geräts 50 Ohm beträgt, ist Z₀ = 50 Ohm. Somit lässt sich Z berechnen, d. h. die Impedanzkurve des TDR-Geräts wird grafisch dargestellt.

Daher ist in der obigen Abbildung die Impedanz im Anfangsstadium des einfallenden Signals deutlich kleiner als 50 Ohm, und der Anstieg verläuft stabil. Dies deutet darauf hin, dass die Impedanz proportional zur zurückgelegten Strecke während der Vorwärtsausbreitung des Signals ist. In diesem Zeitraum ändert sich die Impedanz nicht. Es ist etwas umständlich zu sagen, dass der Anstieg nach der Impedanzreduktion quasi absorbiert und schließlich abgebremst wird. Im weiteren Verlauf mit niedriger Impedanz zeigt die Impedanz dann wieder die typischen Merkmale einer ansteigenden Flanke und steigt weiter an. Anschließend überschreitet die Impedanz 50 Ohm, wodurch das Signal kurzzeitig überschwingt, dann langsam zurückkehrt und sich schließlich bei 50 Ohm stabilisiert. Das Signal hat nun den gegenüberliegenden Port erreicht. Allgemein kann der Bereich, in dem die Impedanz abfällt, als kapazitive Last gegen Masse betrachtet werden. Der Bereich, in dem die Impedanz sprunghaft ansteigt, kann als in Reihe geschaltete Induktivität betrachtet werden.