Измерения в технике Связи Лекции

При отсутствии шунтирующей нагрузки (Rш = бесконечности ) имеем: Котр = 0. Сигнал не отражается вообще. При изменении Rш от 0 до бесконечности амплитуда отраженного сигнала уменьшается от максимального значения до нулевого, сохраняя отрицательную полярность (см. рисунок).

Если эквивалентная схема места повреждения линии имеет вид включения продольного сопротивления (например, нарушение спайки или скрутки жилы),

то с изменением величины продольного сопротивления отраженный импульс изменяется по амплитуде, оставаясь той же полярности что и зондирующий импульс.

Выражение для коэффициента отражения при наличии включения продольного сопротивления будет иметь вид:

Котр= (W1 - W) / (W1 + W) = 1 / (1+2*W/Rп),

где: Rп - продольное сопротивление,

W1 - волновое сопротивление линии в месте включения продольного повреждения, определяемое выражением:

W1 = Rп + W

В случае обрыва жилы (Rп = бесконечности) получаем коэффициент отражения: Котр = 1. Это означает, что сигнал отражается полностью без изменения полярности.

При нулевом значении продольного сопротивления (Rп= 0) имеем: Котр = 0. Сигнал не отражается вообще.

При изменении Rп от бесконечности до 0 отраженный сигнал уменьшается по амплитуде от максимального значения до нулевого, без изменения полярности (см. рисунок).

Виды зондирующих сигналов

В рефлектометрах для определения мест повреждения линий применяются в основном два вида зондирующих импульсов: короткий видеоимпульс и перепад напряжения. Иногда используется суперпозиция видеоимпульса и перепада напряжения.

1. Короткий видеоимпульс

Короткий видеоимпульс представляет импульс напряжения малой длительности, которая выбирается много меньше (в 10...100 раз) времени распространения импульса по линии. Выбор длительности может производиться вручную или автоматически, в зависимости от диапазона измеряемых расстояний.

При зондировании линии короткими видеоимпульсами наблюдаются отражения от начала и конца распределенных неоднородностей, поэтому такое зондирование используется для поиска локальных повреждений и крупных сосредоточенных неоднородностей волнового сопротивления.

Короткий зондирующий импульс обеспечивает высокую разрешающую способность, которая определяется его длительностью.

Разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя неоднородностями волнового сопротивления при котором отраженные от них сигналы еще наблюдаются как отдельные сигналы.

На рисунке отраженные от двух неоднородностей импульсы еще наблюдаются раздельно.

Длительность зондирующего видеоимпульса влияет на разрешающую способность рефлектометра - чем она меньше, тем выше разрешающая способность рефлектометра.

В тоже время, при уменьшении длительности зондирующих сигналов возрастает их затухание.

Следует иметь в виду, что для линий с одинаковой длиной более высокая разрешающая способность может быть получена на более высокочастотной линии (см. рисунок).

Зондирующие сигналы в виде коротких видеоимпульсов нашли применение во многих отечественных рефлектометрах относительно низкочастотных и высокочастотных диапазонов (Р5-5, Р5-8, Р5-9, Р5-10,Р5-13,

Р5-17, К6Р-5 и РЕЙС-105Р), предназначенных для определения мест повреждения и неоднородностей волнового сопротивления в линиях связи, электропередачи, контроля и управления различных типов.

2. Перапад напряжения

Перепад напряжения - это зондирующий импульс такой длительности, которая больше чем время распространения импульса по линии.

При зондировании линии таким широким импульсом (“ перепадом”) наблюдается профиль изменения волнового сопротивления вдоль линии. Поэтому такое зондирование может использоваться не только для измерения расстояния и величины неоднородности, но и при наличии в линии следующих друг за другом нескольких протяженных неоднородностей волнового сопротивления или его плавного изменения вдоль линии.

При прочих равных условиях, в частности при одинаковых длительностях фронтов зондирующих импульсов, разрешающая способность при измерении перепадом напряжения вдвое лучше, чем при измерении видеоимпульсом. Эта разрешающая способность определяется длительностью фронта "перепада".

Пример рефлектограммы линии с утечкой при зондировании "перепадам" напряжения показан на рисунке.

Зондирующие импульсы в виде перепада напряжения нашли применение в рефлектометрах СВЧ диапазона (Р511, Р5-12, Р5-15, СК7-18), используемых для анализа однородности антенных систем, волноводных трактов и т. д.

Коэффициент укорочения электромагнитных волн

Зондирующие импульсы распространяются в кабельных линиях по определенным волновым каналам, определяемым режимом включения "жила - жила", "жила - оболочка" и другие варианты.

Импульсный сигнал распространяется в линии с определенной скоростью, которая зависит от типа диэлектрика и определяется выражением:

где с - скорость света,

g - коэффициент укорочения электромагнитной волны в линии, e - диэлектрическая проницаемость материала изоляции кабеля.

Коэффициент укорочения показывает во сколько раз скорость распространения импульса в линии меньше скорости распространения в воздухе.

В любом рефлектометре перед измерением расстояния нужно установить коэффициент укорочения. Точность измерения расстояния до места повреждения зависит от правильной установки коэффициента укорочения.

Величина g является справочной только для радиочастотных кабелей, для других типов кабелей не нормируется. Коэффициент укорочения можно определить импульсным рефлектометром по кабелю известной длины.

Для многожильных и многопарных кабелей коэффициент укорочения, волновое сопротивление и затухание различны для каждого варианта включения, поэтому рекомендуются включения рефлектометра независимо от типа повреждения по схеме "жила - жила". При повреждении одной из жил можно использовать схему включения "поврежденная жила - неповрежденная жила".

Включение рефлектометра по схеме "жила - оболочка" позволяет выявить поврежденную жилу методом сравнения.

При измерениях на воздушных линиях электропередачи с горизонтальным расположением проводов рефлектометр следует подключать по схеме "средний провод - крайний провод" или "средний провод - земля".

Помехи импульсной рефлектометрии и борьба с ними

По соотношению величин отражения от повреждения и напряжения помех все отражения можно разделить на простые и сложные.

Простое повреждение - это такое повреждение кабельной линии, при котором амплитуда отражения от места повреждения больше амплитуды помех.

Сложное повреждение - это такое повреждение, для которого амплитуда отражения от места повреждения меньше или равна амплитуде помех.

По источникам возникновения помехи бывают асинхронные (аддитивные) и синхронные.

Асинхронные помехи не связаны с зондирующим сигналом и неоднородностями кабельной линии и вызваны наводками от соседних кабельных линий, от оборудования, транспорта и различной аппаратуры.

Пример рефлектограммы кабельной линии с асинхронными помехами показан на рисунке.

На рефлектограмме асинхронные помехи полностью закрывают отражение от повреждения. Это отражение невозможно рассмотреть на фоне помех.

Эффективными методами отстройки от асинхронных помех являются аналоговая фильтрация и цифровое накопление сигнала.

Аналоговая фильтрация применялась в основном в аналоговых рефлектометрах, таких как Р5-10 и Р5-13.

Сущность цифрового накопления заключается в том, что одну и туже рефлектограмму считывают несколько раз и вычисляют среднее значение. В связи с тем, что асинхронные помехи носят случайный характер, после цифрового накопления их уровень значительно снижается.

Пример предыдущей рефлектограммы линии, "очищенной" в результате цифрового накопления рефлектометром РЕЙС-105Р, приведен на рисунке.

На этой рефлектограмме можно легко выделить сигнал, отраженный от места утечки.

Синхронные помехи связаны с зондирующим сигналом и являются отражениями зондирующего сигнала от неоднородностей волнового сопротивления линии (отражения от кабельных муфт, ответвлений, кабельных вставок, неоднородностей кабельных линий технологического характера и др.).

Основная масса кабельных линий (кроме кабелей связи) не предназначены для передачи коротких импульсных сигналов, используемых при методе импульсной рефлектометрии. Поэтому этим кабельным линиям присуще большое количество синхронных помех.

Пример рефлектограммы кабельной линии с синхронными помехами показан на рисунке.

Синхронные помехи можно существенно уменьшить посредством сравнения или дифференциального анализа.

При сравнении накладывают рефлектограммы двух линий (неповрежденной и поврежденной), проложенных по одной трассе.

Наложение двух рефлектограмм позволяет быстро обнаружить начальную точку их различия, по которой и определяют расстояние L до повреждения.

При дифференциальном анализе рефлектограммы поврежденной и неповрежденной линий вычитают, как показано на рисунке ниже.

Из рисунка видно, что при вычитании все синхронные помехи компенсируются. По разностной рефлектограмме легко обнаружить отражение от места повреждения и определить расстояние L до него.

Сравнение и дифференциальный анализ рефлектограмм легко реализуется в рефлектометре РЕЙС-105Р.

Наилучшие результатов от сравнения и вычитания удается получить при использовании в качестве исправной линии жилы или кабельной пары того же кабеля.

При измерении кабельной линии методом импульсной рефлектометрии асинхронные и синхронные помехи присутствуют на рефлектограмме одновременно.

Асинхронные помехи (кроме помех импульсного характера), как правило, имеют одинаковые величины, независимо от того, с какого конца кабельной линии ведется измерение рефлектометром.

Синхронные помехи при измерении с разных концов кабеля имеют различную величину, в зависимости от многих факторов: длины кабельной линии, затухания импульсных сигналов, удаленности места повреждения и мест неоднородностей волнового сопротивления кабельной линии, точности согласования выходного сопротивления импульсного рефлектометра с волновым сопротивлением линии и других факторов. Поэтому отраженный сигнал от одной и той же неоднородности может иметь различные величины при измерении с разных концов линии.

Если хотя бы предположительно известно, к какому концу кабельной линии ближе может быть расположено место повреждения, то для измерений нужно выбирать именно этот конец кабельной линии. В других случаях желательно проводить измерения последовательно с двух концов кабельной линии.

Следует учитывать, что даже такие повреждения как "короткое замыкание" и "обрыв", дающие максимальные отражения зондирующего сигнала, не всегда можно легко обнаружить на фоне помех. Например при большом затухании и больших неоднородностях волнового сопротивления линии амплитуда отражения от удаленного повреждений типа “ короткое замыкание” или “ обрыв” зачастую бывает меньше, чем отражения от близко расположенных неоднородностей волнового сопротивления. Поэтому такие повреждения являются сложным для обнаружения.

Рефлектограмма кабельной линии со сложным повреждением показана на рисунке.

Как правило, сложные повреждения встречаются значительно чаще чем простые.

На практике метод импульсной рефлектометрии позволяет эффективно определить обрыв, короткое замыкание, низкоомное соединения жил или оболочки при сопротивлении утечки до 10 кОм, муфты, ответвления и т.д. При малых синхронных помехах возможно обнаружение повреждений и при более высоких значениях сопротивлений утечки.

Метод импульсной рефлектометрии удобен для практического использования, так как для измерения импульсным рефлектометром достаточно доступа к линии с одного конца.

Импульсные рефлектометры позволяют определить расстояние до места повреждения линии при любом характере повреждения (обрыв, короткое замыкание, утечка, продольное сопротивление и т.д.).

Результаты, достигаемые при измерениях импульсным рефлектометром, зависят от его возможностей по отстройке от помех.

Метод импульсной рефлектометрии позволяет достигнуть более высокой точности измерений расстояния до места повреждения по сравнению с другими методами (например, по сравнению с мостовым): 1% - для аналоговых импульсных рефлектометров и 0,2% - для цифровых рефлектометров.

В отличии от дистанционных методов, которые позволяют определить длину кабельной линии, расстояние до зоны расположения места повреждения кабельной или воздушной линии, трассовые методы предназначены для определения трассы прохождения кабельной линии, глубины залегания кабеля, точного нахождения места повреждения (короткого замыкания или обрыва) на трассе кабельной линии.

ОБЩАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ 1. Бинарный канал и методы анализа его параметров

Рассмотрение методологии измерений цифровых каналов начнем с описания методов измерения цифровых каналов с передачей информации в простой двоичной форме (без линейного кодирования) - бинарных цифровых каналов (рис. 1). В современных телекоммуникационных системах для передачи цифровой информации используются различные типы модуляции и многоуровневого кодирования, однако оконечное оборудование систем передачи в той или иной степени использует именно бинарный цифровой канал, поэтому методология измерений бинарного канала является фундаментом измерений цифровых каналов связи. Более того, для анализа систем с различными типами модуляции и кодирования используются данные методологии измерений по битам, т.е. имитируется процесс декодирования (демодуляции) сигнала до двоичного вида, а затем полученный сигнал анализируется. Таким образом, методология измерений параметров бинарного канала представляет собой инвариант методологии измерений любых цифровых каналов.

Рис. 1. Бинарный цифровой канал Основное назначение бинарного цифрового канала - это передача цифровой информации в двоичной форме, т.е.

в виде битов, поэтому основные параметры качества такой цифровой передачи связаны с параметром ошибки по битам (Bit Error Rate - BER) и его производными. Измерения по параметру BER вошли в методики измерений всех первичных и вторичных сетей.

Для правильного понимания всех нюансов измерений цифровых каналов связи необходимо глубокое понимание технологии измерений бинарного цифрового канала.

Различаются два типа измерений бинарного канала - измерения с отключением канала и измерения без отключения канала. При отключении канал не используется в процессе измерений для передачи реального цифрового трафика. В качестве источника и приемника двоичного сигнала используются анализаторы цифрового канала. Измерения без отключения канала предусматривают использование специальных алгоритмов анализа параметров канала в процессе при передачи реального трафика.

При измерениях с отключением канала сигнал передается в виде тестовой последовательности, которая принимается на другом конце канала (приемник) и затем проводится анализ ошибок, вносимых каналом. Анализатор приемника должен обеспечивать предсказание структуры последовательности, т.е. требуется так называемая синхронизация тестовой последовательности. Для измерений используются разные тестовые последовательности, фиксированные и псевдослучайные, с различными алгоритмами синхронизации тестовой последовательности. Измерения с отключением канала - это единственный метод анализа параметров бинарного цифрового канала с точностью до единичной ошибки по битам (битовая ошибка). Это гарантируется принципом сравнения реально принятой последовательности битов с предсказанной, которая, в свою очередь точно совпадает с генерируемой последовательностью.

Измерения без отключения канала часто называются мониторингом, поскольку проводятся в режиме работающего канала, а анализатор в этом случае подключается параллельно и осуществляет пассивный мониторинг канала. Алгоритм организации измерений основан на применении различных типов цикловых кодов или служебной информации, передаваемой в канале. Действительно, в реально работающем канале, с реальным трафиком нельзя предсказать передаваемую информацию, следовательно нельзя просто сравнить реальную последовательность битов с предсказанной последовательностью, поэтому невозможно локализовать единичную битовую ошибку. Методы измерения без отключения канала основаны на идентификации битовой ошибки в некотором блоке переданной информации, таким образом, объективная точность измерения ограничена размерами блока. Обычно две ошибки в блоке идентифицируются как одна. В то же время несомненное преимущество метода - отсутствие необходимости отключения канала - определило широкое его распространение.

2. Возникновение ошибок по битам и их влияние на параметры цифровой передачи

В аналоговых системах передачи канал, воздействуя на параметры передаваемого аналогового сигнала, снижает качественные параметры сигнала. В цифровых системах передачи различные воздействия на цифровой канал приводят к снижению основного качественного параметра - параметра ошибки. Причины возникновения ошибок в цифровом канале имеют аналоговую природу, поскольку связаны с интерференцией, затуханием в линии и различными аддитивными шумами (рис. 2).

Рис. 2. Основные источники ошибок в цифровом канале На рис. 2 представлены основные источники ошибок в цифровом канале: искажения, наличие импульсных

помех, аддитивный шум в канале и затухание в линии. Как видно, наличие искажений в канале может быть связано как с затуханием, так и с отражением сигнала. Источниками шумов выступают физически разрушенный кабель (например, разбитая пара), слишком малое поперечное сечение, большая распределенная емкость в кабеле. Другим важным источником шумов являются интерферирующие импульсы или импульсные помехи в канале. Источниками ошибок здесь могут быть силовые кабели, проложенные в непосредственной близости от линии связи, нарушение оболочки кабелей, сигнализация по постоянному току. Наиболее существенным и многоплановым фактором влияния на параметры цифрового канала является наличие аддитивных шумов различной природы. Источниками ошибки здесь могут быть нарушение балансировки кабеля, параметра скручивания витой пары, интерференция с различными радиочастотными и СВЧ-сигналами, сигналы вызова, нарушение полярности кабеля (перепутанные жилы, короткое замыкание между жилами и т.д.) Высокий уровень шумов может привести к значительному увеличению параметра ошибки.

Цифровые системы передачи имеют большую по сравнению с аналоговыми системами помехозащищенность. Однако закономерность влияния уровня шума на параметр ошибки справедлива только для большого отношения сигнал/шум. Если рассматривать влияние интерференции на параметры цифрового канала, то эту закономерность можно схематически представить графиком рис. 3. Как видно из графика, цифровые системы передачи имеют определенный порог чувствительности к интерференции, в отличие от аналоговых систем передачи, где имеет место прямая зависимость эффекта влияния интерференции от ее уровня. Однако влияние интерференции на параметры цифровых систем передачи более существенно, и с определенного уровня эффект этого влияния даже превышает эффект воздействия на параметры аналоговых систем.

Влияние интерференции на параметры аналоговых и цифровых систем передачи

Наконец, важным источником шумов в цифровых каналах является затухание в кабелях и линиях передачи, причем не только высокий уровень затухания, но и его неравномерная характеристика приводят к появлению субгармоник, вносящих дополнительный аддитивный шум.

Если рассматривать источники ошибок не только в канале, но и в цифровой системе передачи, то можно выделить внутренние и внешние источники.

Квнутренним источникам ошибок относятся:

∙различная нестабильность во внутренних цепях синхронизации цифровых устройств, дрейф в системе внутренней синхронизации устройства;

∙нестабильность, связанная с измерением характеристик электронных компонентов в составе устройства;

∙перекрестные помехи в цепях устройств;

∙нарушения в работе эквалайзеров и в процессах, связанных с неравномерностью АЧХ;

∙повышение порога по шуму, связанное с изменением параметров модулей устройств со временем.

Квнешним источникам ошибок можно отнести:

∙перекрестные помехи в каналах передачи;

∙джиттер в системе передачи;

∙электромагнитная интерференция (от машин, флуорисцентных ламп и т.д.);

∙нестабильность источников питания устройств;

∙импульсные шумы в канале;

∙механические повреждения, воздействие вибрации, плохие контакты;

∙деградация качественных параметров среды передачи (электрического или оптического кабеля, радиочастотного канала и т.д.);

∙глобальные нарушения, связанные с разрушением канала цифровой передачи.

∙Влияние всех перечисленных источников ошибок и интерференции значительно повышается при снижении параметра отношения сигнал/шум

Если рассмотреть влияние интерференции на параметры качества работы цифровой системы передачи, можно отметить, что влияние битовых ошибок отличается для различных услуг и систем передач в зависимости от следующих факторов:

•типа передаваемого трафика (голос, данные, видео, мультимедиа и т.д );

•типа системы передачи, принципов кодирования и наличия цепей резервирования пере дачи сигнала;

•количества и частоты битовых ошибок;

•распределения битовых ошибок (равномерно распределенные ошибки, ошибки, возни кающие пакетами и т.д,);

•источника интерференции,

•устойчивости принятого в системе передачи принципа передачи цифровой информации к ошибкам,

•устойчивости принятого в системе передачи принципа передачи цифровой информации к другим факторам воздействия (джиггеру, нестабильности синхронизации и т.д.)

3. Основные параметры, измеряемые в бинарном цифровом канале

Все параметры, измеряемые в бинарном цифровом канале, будут встречаться в технологии измерений цифровых каналов первичной и вторичных цифровых сетей. Прежде чем рассматривать технологию измерений параметров бинарного цифрового канала, необходимо определить эти параметры. Ниже приведены основные параметры, измеряемые в бинарном цифровом канале. Они описаны в соответствии с сокращениями, используемыми в меню

большинства приборов. В основном это параметры, используемые для анализа характеристик бинарного канала согласно ITU-T рекомендации G.821, G.826 и М.2100.

AS - Availability Seconds - время готовности канала (с) - вторичный параметр, равный разности между общей длительностью теста и временем неготовности канала.

AS(%) - Availability Seconds - относительное время готовности канала - параметр,

характеризующий готовность канала, выраженный в процентах, является первичным параметром и входит в число основных параметров ITU-T рекомендации G.821. Его можно интерпретировать как вероятностную меру качества предоставляемого пользователю канала.

ВВЕ - Background Block Error - блок с фоновой ошибкой - блок с ошибками не является частью SES, применяется при анализе ошибок по блокам. Важный параметр, вошедший в рекомендации ITU-T G.826.BIT или ERR BIT - Bit Errors - число ошибочных битов -

параметр, используемый при анализе канала на наличие битовых ошибок и являющийся числителем в выражении для расчета BER. Битовые ошибки подсчитываются только в период пребывания канала в состоянии готовности.

ЕВ - Error Block - число ошибочных блоков - параметр, используемый при анализе канала на наличие блоковых ошибок и являющийся числителем в выражении для расчета BLER. Блоковые ошибки подсчитываются только в период пребывания канала в состоянии готовности.

ВВЕК - Background Block Error Rate - коэффициент ошибок по блокам с фоновыми ошибками - отношение числа блоков с фоновыми ошибками ко всему количеству блоков в течение времени готовности канала за исключением всех блоков в течении SES. Параметр входит в рекомендации ITU-T G.826.

RATE или BER - Bit Error Rate - частота битовых ошибок, коэффициент ошибок по битам - основной параметр в системах цифровой передачи, равный отношению числа битовых ошибок к общему числу бит, переданных за время проведения теста по каналу, находящемуся в состоянии готовности. При обнаружении десяти последовательных секундных интервалов, сильно пораженных ошибками (SES), анализатор ИКМ переключается на подсчет времени неготовности канала. При этом измерение BER прерывается до восстановления работоспособности канала. Таким образом, управляемые проскальзывания, связанные с потерей одного или нескольких циклов информации, практически не влияют на значение BER. Измерения параметра BER универсальны, они не требуют наличия в потоке Е1 цикловой и сверхцикловой структуры, однако необходима передача специальной тестовой последовательности. Проводятся только при полном или частичном отключении цифрового канала от полезной нагрузки.

BLER - Block Error Rate - частота блоковых ошибок, коэффициент ошибок по блокам -

редко применяемый на практике параметр, равный отношению числа ошибочных блоков данных к общему числу переданных блоков. Под блоком понимается заданное количество битов. Ошибочным блоком считается блок, содержащий хотя бы один ошибочный бит. Обычно значение параметра BLER больше (хуже), чем параметра BER. Его целесообразно измерять только в тех сетях передачи данных, где информация передается блоками фиксированного размера, а параметр BLER является важной характеристикой канала с учетом кадровой (цикловой) структуры передачи. Например, для сетей ATM принята кадровая структура передачи в виде кадров длиной 53 бита. Ошибочный кадр уничтожается (дискартируется). В этом случае можно считать кадр ATM блоком длиной в 53 бита, а эквивалентом BLER будет параметр ошибки по кадрам CER (Cell Error Rate). В другом примере в качестве эквивалента блока может выступать сверхцикл ИКМ, а эквивалентом BLER будет ошибка no CRC.

CLKSL1P или SLIP - Clock Slips - число тактовых проскальзываний - параметр ха-

рактеризуется числом синхронных управляемых проскальзываний, появившихся с момента начала теста. Проскальзыванием называется повторение или исключение группы символов в синхронной или плезиохроннои последовательности двоичных символов в результате различия между скоростями считывания и записи в буферной памяти. Поскольку проскальзывание ведет к потере части информации, что в свою очередь ведет к потере цикловой синхронизации, на практике используются эластичные управляемые буферы с возможностью управления проскальзываниями. В этом случае проскальзывания называются управляемыми. В наибольшей степени параметр CLKSLIP связан с параметром неготовности канала (UAS). Сопоставление CLKSLIP и UAS позволяет выявить причину неготовности канала, в частности, связана ли она с нарушением синхронизации. Значение параметра CLKSLIP зависит от размера имитируемого прибором буфера, емкостью от 1 бита до нескольких циклов.CRC ERR — CRC Errors - число ошибок CRC - параметр ошибки, измеренный с использованием циклового избыточного кода (CRC), распространенный параметр определения ошибок реально работающего канала без его отключения и без