当一个工程师准备测量一条传输线上各处阻抗值时，以及检查传输线特征在时间域或距离域中的不连续性时，一般可以有 2种技术供选择：TDR(时域反射测量技术)和FDR(频域反射测量技术)。
TDR与FDR技术有何区别呢？今天就由“RIGOL技术站”为您讲述，TDR与FDR技术的差别及优化。
1、TDR技术
时域反射测量技术(TDR)是在20世纪60年代初引入的，采用与一维雷达探测目标距离相似的工作原理：用宽带发射机，把一个快速阶跃或冲击激励信号发送到被测传输线，当该传输线上存在故障点或阻抗不连续点时，部分或全部激励信号便会被反射回宽带接收机（即测试仪表）。通过测量入射电压与反射电压之比，便能计算出传输线上该点处的阻抗值，同时可以确定阻抗不连续性的性质(电容性或电感性)。另外，这个故障或阻抗不连续点的位置则可以通过计算反射信号在传输线上的传播时间，再乘以信号沿着传输线传播的速度换算得出。
图1：TDR工作原理
2、FDR技术
频域反射测量技术(FDR)是在20世纪70年代后期发展起来的，工作原理如下图所示：通过扫频信号，得到传输线在一段频率范围内的反射系数，然后对此作IFFT操作，得到时域信息。通过电磁波在被测件内的传播速度，将时域信息换算成距离信息；同时，运用被测件的单位距离的衰减参数来补偿传播损耗。
图2：FDR工作原理
TDR与FDR技术的区别
TDR和FDR技术在实际中都有大量的应用，各有特点，主要异同点如下表所示：
表1：TDR与FDR对比
1、分 辨 率
TDR测量结果在空间上的分辨率与采样速率有关，采样速率FS越高，故障分辨率将越细：
其中电磁波传播速度因子，在常见介质中的数值是: 聚乙烯介质为 0.66，聚四氟乙烯介质为 0.7。FDR 测量结果的分辨率取决于扫频范围，扫频范围越大，故障分辨率将越细：
同轴线分辨率公式:
波导分辨率公式：
其中：Fc：波导截止频率
F1: 扫频起始频率（单位 Hz）
F2: 扫频截止频率（单位 Hz)
2、测 量 盲 区
FDR 无测量盲区。
TDR 的测量盲区取决于激励信号的上升沿或下降沿宽度。
由于上升沿或下降沿宽度的存在使得TDR会产生测量盲区，从而当传输线较短或故障点距离信号源较近时，无法得到准确的测量结果。
以电磁波在聚乙烯绝缘电缆中的传播速度=1.98 × 10^8为例，不同边沿宽度信号的近似测量盲区如下表所示：
表2：边沿宽度以及其相应的测量盲区
3、测 量 精 度
时基因素
TDR 技术的测量精度可以表示为：
TDR 技术的测量精度依赖于对传播速度的确定，和对反射波波前到达时刻的识别。传输线是有损传输线，脉冲波形在传播过程中会发生衰减。而因为脉冲波形中含有多种频率成份，不同频率成份衰减程度不同，频率越高，其衰减也越严重。这种特性使得反射脉冲发生波形畸变，难以精确测量发射脉冲与反射脉冲间的时间间隔。
FDR 技术的测量精度可以表示为：
信噪比因素
TDR 技术，使用宽带接收机来测量反射信号，因此接收噪声大。
FDR技术，使用下变频技术，采用窄带接收机来测量反射信号。在测量各个离散频率点 CW波的频率响应时，利用可选带宽的IF BW滤波器，实现对测量信号的窄带接收和分析，可以显著降低系统的噪声电平，这样就使得 FDR仪表的信噪比大为改善，因而较之TDR 有更好的测量精度和动态范围。例如：RIGOL频谱仪的VNA功能，最小可选择的IF BW为 1kHz。
此外，TDR激励信号的频谱幅度在高频段有明显衰减，因此高频段的测量精度也有明显下降，如下图所示：
图3 TDR与FDR激励信号功率谱密度对比
TDR优化技术
1、提高精度的测量技巧
当使用脉冲激励信号时，脉冲宽度越宽，所携带的能量就越大，能够测量的传输线长度就越长。同时，脉冲的上升沿宽度又决定了盲区的大小，因此提高测量精度的技巧是采用快速边沿变化脉冲，以及采用高速采样技术。
2、信号处理技术
测量精度依赖于对反射波波前到达时刻的识别。当前应用的反射波波前的识别方法仍然不完善，为提高对反射波波前的识别能力，需借助数学方法对反射波进行信号处理。常见的提取反射波波前到达时刻的方法有阈值法、多项式拟合法、质心法、相关法、求导数法、匹配滤波器法和小波变换等。
FDR优化技术
1、提高精度的测量技巧
选择扫频范围和故障分辨率
设置起始频率、终止频率，分别记为F1、F2，单位Hz(赫兹)。按照被测件的有效频率工作范围，尽可能选择大的频率范围，因为频率范围越大，故障分辨率将越细。
设置被测件最大长度
设置被测件最大长度，记为 L，单位 m（米）。最大可测被测件的长度由电磁波传输速度、频率范围、和频率点数决定：
F1为扫频起始频率，F2为终止频率
RIGOL频谱仪VNA功能，默认电磁波在传输线的传播速度为光速2.997925×10^8m/s传播。另外常见介质的速度因子是: 聚乙烯介质为0.66，聚四氟乙烯介质为 0.7。
执行校准及反射系数测量
在频域反射系数测量前，先要使用标准开路件、短路件、匹配件，进行系统校准。
2、加窗技术
在理想的情况下，频域测量应该能在无限的频率范围连续地进行测试。由于FDR技术只能在有限的频率范围内进行测量，测量结果将出现旁瓣增大现象。而加窗技术可以优化测量结果，用户可以根据实际的测量需求，选择合适的窗类型，如下表所示：
表3：FFT窗函数
下图比较了3种不同窗函数对测量结果的影响，矩形窗有明显的旁瓣电平起伏，汉宁窗消除了大部分旁瓣电平起伏，高斯窗口消除了绝大部分旁瓣电平，使得动态范围得到改善，但是拓宽了冲激宽度，如下图所示：
图4 FDR 加窗优化
总结
没有一种传输线能做到完全阻抗匹配。例如由于劣质接头、电缆受压变形以及逐年腐蚀老化等原因而引起，都会引起阻抗失配，入射信号的一部分能量将被反射回源端。表现在设备的工作状态上，就会出现断线、混线、接地等障碍, 使信号传输质量降低, 因此需要有TDR和FDR这样的故障检测技术来进行检测和定位。
文章试着对TDR和FDR原理进行对比分析, 使用图表等分析方法使得结果展现更简便和直观，方便您针对应用场景来选用。
除了在通信行业用于传输线故障定位，FDR和TDR这两种技术还都可以用于电力行业电缆检测、航空航天飞行器专用电缆检测、地质灾害防治、土壤水份分析等领域。经过实际验证, TDR和 FDR技术都能很好地满足现场应用的需求, 有较大的应用价值。
