同軸電纜線的 電纜長度 該怎麼測量呢? 方法很多，最簡單的方法就是用尺量，但一支捲尺頂多6公尺，如果有一綑號稱305公尺長的Cable需要你來確認它的長度，那該怎麼做呢? 總不能全部抽出來分段測量吧，這時候就可以利用電波的特性來做量測，甚麼意思呢? 看下去就知道。
用電波測量 電纜長度
電波在真空的速度跟光速一樣快，但它在同軸電纜的介質中速度會比在真空中慢一些，即便如此還是比高鐵快上好幾個零，既然有速度那就表示電波進出Cable的時候會有時間差，如果電波的速度是已知，我們就可以利用這個時間差來計算電纜長度，時間差越久，電纜線越長，這應該不難理解。
講都很容易，那實際上該怎麼接線呢? 請看下圖，我們需要一台任意波形產生器和示波器，分別在下圖的左邊與右邊，所以我會產生一個訊號從左邊的訊號產生器出發，沿著Cable走到我手上的轉接頭，這是一個T型的BNC接頭，共有三個端子一公二母，照片中轉接頭左邊的母頭用來接收進來的訊號；上方的公頭待會要用來接示波器，這樣才能觀察時間差，最後右手邊的母頭，則要用來接待測物，也就是照片中間的那一綑線，這是15公尺的75Ω同軸電纜。
咦! 助教你是不是漏了甚麼東西? 剛才不是講要讓電波進出電纜線才能測量時間差，但剛才的量測環境介紹只有讓電波進入電纜耶，那電波從另一端出來的話，是要接哪裡? 答案是: 甚麼也不用接，放著就好。因為當電波走到電纜末端的時候，如果遇到空接，它會自己反射回來，我們只要在電纜線的輸入端等著它回來就好，示波器一定都看得到。
那為何不把電纜線的末端也接進示波器呢? 主要是並不是每一綑線你都可以找得到線尾，如果它是一綑305公尺的線，而它的線尾又沒拉出來，當下你只會有一端能使用，所以這有實務上的考量。
當然，如果你想要把電纜線的另一端接進示波器也行，只不過需要打開示波器的另一個Channel而已，我個人比較喜歡放同一個Channel，比較省事。
電波反射
講到電波的反射就一定要先科普一下阻抗匹配這件事情，如果有個電波在75Ω的電纜中行進，當它遇到50Ω的電纜線時，由於阻抗不同，所以電波會在交界處產生反射，反射的情況會隨著兩邊的阻抗大小而有不同。若電波遇到比目前阻抗較高的介質，反射波會同相的走回來，部分能量仍會穿透到另一邊的介質；若電波遇到比目前阻抗較低的介質，也就是目前的例子，反射波則會反相的走回來，其餘能量一樣會穿透到另一邊。我知道看文字很難懂，所以下面我們就用幾個極端的例子看圖說明。
開路Open反射
假如75Ω電纜線的另一頭是空接Open如下圖，那麼阻抗自然是無窮大了，這時全部的能量都會反射，沒有任何能量進入到空氣中，所以入射與反射的電壓振福一樣大，而且是同相的反射回來，也就是同相的全反射如下圖。但如果右邊的阻抗不是無窮大而是100Ω，但仍比左邊的75Ω大，那麼反射波依舊會是同相，只是振幅會小一些，因為有部分的波會進入100Ω的介質。所以你大概可以想像，開路其實可以當作將阻抗拉高到無窮大的情況，波的反射行為就較能預測。
短路Short反射
如果75Ω電纜的另一端我們故意將它短路，那另一端的阻抗就為零，所有的能量都會反射，也沒有任何能量傳送到空氣中，所以入射波與反射波的振幅會一樣大，只不過反射波是以反相的方式走回來，也就是反相的全反射如下圖。若電纜另一頭不是短路，而是接了一個50Ω的電纜，雖然阻抗比短路大，但仍比左邊的75Ω小，所以波會反相的走回來，只不過振幅會小一些，因為有些能量會穿透到50Ω這邊來。所以你也可以想像，短路其實可以視為將阻抗變小到趨近於零的情況。
阻抗匹配Load無反射
如果75Ω電纜線的另一端，我們接上一個75Ω的終端電阻，或著接了一個75Ω的電纜，那麼就完全不會有反射波，因為兩邊的阻抗一樣，稱為阻抗匹配，如果接的是電纜線波就是繼續走下去，不會有反射，因為環境完全一樣。但如果接的是終端電阻，對發射端來說由於終端阻抗一樣它看不到反射，對空氣來說能量也沒有散億出去，電波看起來有繼續走下去，但實際上卻沒有走出來，那能量去哪裡了? 因為能量已經被電阻吃掉或說消耗掉轉為熱能，以發射端的角度來看，你可以想像波就像仍在電纜線內繼續傳輸一樣，所以不會有反射，其實早就被耗掉了。
設定訊號產生器
那脈衝訊號該設定成甚麼樣子呢? 基本上就是以最窄的脈衝波Pulse為原則，有提供Pulse訊號的機器都會有波寬Width的設定選項，只要將它調到最小就好，例如8ns。像我這台訊號產生器，它只有提供方波訊號，那就要調整Duty cycle，也就是高準位佔整個周期的比例，像我目前就是設定Duty cycle=0.001%，頻率是1kHz，所以波寬就會有10ns。
這樣的波看起來是甚麼樣子呢? 我把T型BNC轉接頭接上示波器之後，各位就可以看到一個尖尖的像是高斯函數波的東西如下圖，咦! 它不是應該要是一個很窄的方波嗎? 且聽我道來，如果波寬設定很寬的時候，它看起來就會真的是個方波，但由於方波的頭尾在準位變換的時候，都需要爬升時間與下降時間，而這個時間是固定的，平常在波寬很寬的時候看不出來，只覺得它是瞬間爬升，不愧是方波，但其實它還是得爬升，這畢竟是現實世界，沒有瞬間彈跳這種事情，只有當波寬很窄的時候，你才會很明顯地看到準位正在爬升與下降，也就是你現在看到的樣子。
附帶一提，如果準位爬升與下降靠到最近，而且又能維持最高點，這個時候就是儀器的極限了，你會發現無法繼續縮短波寬，因為如果繼續縮短的話，就會變成還沒來得及爬升就開始下降了，所以整個呈現的振幅會急遽減少，這部分對外表現出來的就是頻率響應，也就是當頻率增加到某個程度，儀器的輸出就會開始衰減，製造商必須避免使用者用到這個範圍。
電纜線實測
終於要來到實測的階段了，我直接把15公尺的電纜接上BNC轉接頭，示波器螢幕上馬上就出現波形了，你可以看到螢幕上有兩根脈衝波，左邊的脈衝波就是入射波，準位比較高，它在進入電纜線的同時，第一個被示波器偵測到。當脈衝波進入電纜到達尾端時會產生反射，於是就又回到入口處並且又被示波器偵測到，所以你會看到隔沒多久右邊也出現一個脈衝波。
那麼這兩個脈衝波之間的時間差是多少呢? 這時就需要使用示波器的游標Cursor功能，它可以讓我們標示出兩個波峰的位置，並且計算彼此的時間差。以我這個例子來說，時間差Δx=125ns，這指的是電波在電纜線內來回一趟的時間，基本上有了這個資訊之後，你就可以計算出其它同型號的電纜長度了。
例如有一條150公尺長的同型電纜線，那麼它的電波往返時間差就會是1250ns，你只要觀察它的時間比例，就可以推算電纜長度了，這種方式的長度測量就是所謂的TDR(Time domain Reflectometer)，這樣各位就知道測量電纜線長度的原理囉，你也可以利用這個原理觀察電纜線的阻抗。
不知道各位有沒有注意到，在反射波的右邊等距離的地方還有一個小小的反相波，這是甚麼呢? 這是一個觀念題，我打算讓各位自己思考，因為那個講下去又是另一篇文章了，為了節省篇幅，我只給各位一個提示，從訊號產生器到示波器這段的電纜線阻抗是50Ω，剩下的給各位自己想。
短路測試
前面在科普的時候有提到，當電纜線的另一端發生短路時，波會反相反射，應該很多人有聽過沒看過，我在這裡就實際測試給各位看。我用一個螺絲起子將隔離層與中心導線短路，示波器上的反射波馬上就折下來如下圖，你會發現即便反射波往下折了，它和入射波之間的時間差仍然是一樣的，因為電纜線的長度沒變。
故障距離偵測
既然電纜線的長度可以利用電波反射而計算出來，那如果電纜線裡面的銅線有斷裂，是否也會因為斷裂處的阻抗不連續，讓電波反射產生定位故障發生處的效果呢? 答案是可以的，這個功能稱為DTF(Distance to Fault)。
若要讓定位的效果越精準，所使用的訊號產生器頻寬就要越大，波寬才能越窄。一般的任意波形產生器的脈衝波，波寬到了8ns甚至4ns已經算很厲害了，如果要定位到非常細緻，甚至要以cm為單位，你就不能用時域的任意波形產生器了，這時你就要用網路分析儀，而且是有TDR功能的網路分析儀，通常TDR和DTF會同時存在，因為它們使用的原理相同。
網路分析儀裡面的DTF，是把頻域的測量結果，透過反傅立葉轉換轉將頻域資訊為時域資訊，再參考已知線材的相關係數，就能得知故障點的位置，網路分析儀的頻率越高，定位的解析度也越高，有些分析儀的頻率甚至可以達到50GHz。
電波的速度
根據這次的實驗，既然都已經知道電波在15公尺的電纜線內，反射來回一趟的時間是125ns，那麼波在電纜內的速度應該是多少呢? 我們就順便來算一下，要記得喔! 電波的行走距離要乘以2，因為是來回一趟。
\(Speed=\frac{ 15m\times 2 }{125ns}=2.4\times 10^{8}\; m/s\)
如果光速以\( 3\times 10^{8}\; m/s \)來算的話，電波在電纜線中的速度大約是在空氣中的80%，雖然跟光速比起來有慢了兩成，但還是相當快了，就給大家看看電波的特性其實也很好應用的。
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