4.3 Технический контроль структурированных кабельных систем

В связи с широкомасштабным внедрением ВОЛС измерительная технология ориентируется в большей степени на измерения абонентских кабелей, поскольку на магистральной первичной сети в основном применяется оптический кабель. В последнее время возникла реальная необходимость создания универсальной абонентской кабельной сети, которую можно было бы эффективно использовать не только для передачи сигналов ТФ, но и для создания локальных вычислительных сетей (LAN) высокой пропускной способности. В результате возникла концепция структурированных кабельных сетей (СКС). Эта концепция в настоящее время доминирует при развертывании новых абонентских кабельных систем или при капитальной реконструкции абонентского кабельного хозяйства.

Реальная необходимость создания высокоскоростных каналов передачи данных без замены существующего абонентского кабельного хозяйства потребовала пересмотра параметров имеющегося абонентского кабеля и фактически породила новую измерительную технологию со своими отдельными подходами, решениями, измерительными средствами и методами интерпретации результатов.

Технология измерений существующего абонентского кабеля разделяется на три незави­симых измерительных технологии:

- измерения существующего абонентского кабеля, используемого в телефонных прило­жениях (POTS);

- измерения абонентского кабеля нового поколения - структурированных кабельных систем на основе витой пары категорий 3, 5, 6;

- измерения существующего абонентского кабеля в соответствии с новыми требования­ми, предъявляемыми аппаратурой xDSL.

Все перечисленные технологии по существу независимы и должны рассматриваться отдельно. Здесь хотелось бы уточнить, что формально все три технологии связаны с абонентским электрическим кабелем.

Технологии измерений абонентских кабельных сетей с одной стороны очень распространены, с другой стороны в мировой практике фактически неструктурированы, т.е. нет универсальных рекомендаций по организации измерений. Несмотря на то, что набор параметров абонентских кабелей известен, существует несколько совершенно разных методов их измерения и для проведения этих измерений используется различное оборудование. Общая классификация технологий измерений на абонентских кабелях обычно не рассматривается, а сами технологии представлены в виде типовых задач и путей их решения.

В настоящей главе рассмотрим технологию эксплуатационных измерений обычного абонентского кабеля общего применения (POTS). Несмотря на классическую постановку задачи, технология измерений кабеля POTS в последнее время значительно усовершенствовалась и частично используется при эксплуатационных измерениях xDSL и LAN.

Прежде чем перейти к описанию измерений, рассмотрим устройство абонентской пары. В отечественной практике абонентское кабельное хозяйство строится на основе отечественных и импортных кабелей. Структура таких кабелей отличается по количеству пар, наличию металлической арматуры и экранов, использованию различных материалов. Для каждого кабеля можно найти информацию в специальной литературе, в первую очередь, в справочниках по кабелям связи.

Для нас важно, что абонентское кабельное хозяйство строится на основе абонентских пар, и далее под электрическим абонентским кабелем будем понимать абонентскую пару.

Структура и характеристики абонентской пары

Абонентская пара состоит из трех жил: две - для передачи сигнала и одна - заземление. В зарубежной литературе две несущие жилы часто называют Ring (R) и Tip (T); по одной жиле может передаваться сигнал вызова, а вторая используется для передачи рабочего сигнала. Соответственно жила заземления называется Ground (G).

Существуют несколько наиболее часто встречаемых диаметров жил абонентского кабеля, которые по разному маркируются в европейских и американских стандартах.

Абонентский кабель оканчивается абонентской кабельной проводкой на стороне пользователя. В качестве пользователя в данном соединении может выступать здание или удаленный офис, в случае необходимости прокладки в него выделенного кабеля. С другой стороны находится центральный коммутатор (Central Office — СО). Часто возникает необходимость разделения пучка абонентских кабелей на нескольких пользователей. Тогда в непосредственной близости от пользователя устанавливают распределительный шкаф, иногда можно устанавливать в помещении одного из пользователей.

Абонентская пара может быть пассивной или активной в зависимости от того, подключена ли она к оборудованию коммутатора. Активная пара используется для передачи сигна­лов ТЧ. Основные параметры активной пары следующие:

Параметр .Номинальное значение

Постоянное напряжение 48 - 52 В, 58-62 В

Ток шлейфа >23 мА Сопротивление шлейфа <1300 Ом для ненагруженной пары

Затухание <8 дБм на 1020 Гц

Уровень псофометрического шума <20 дБм

Подавление интерференции с силовыми кабелями >80 дБ

Уровень балансировки пары >60 дБ

Параметры пассивной абонентской пары представляют собой часть этих параметров.

Основные параметры абонентских кабельных сетей

Основными параметрами абонентских кабельных сетей являются:

- импеданс линии (включая сопротивление, емкость и индуктивность);

- ток, напряжение активного абонентского кабеля;

- уровень балансировки пары;

- затухание в канале и длина кабеля;

- АЧХ и ГВЗ абонентского канала (полоса пропускания);

- переходное затухание на ближнем конце (NEXT);

- шумовые характеристики канала;

- возвратные потери и коэффициент отражения;

- импульсные характеристики помех в кабеле;

- задержка в распространении сигнала;

- полярность жил в кабеле;

- параметры, связанные с локализацией неисправности в кабеле.

Все параметры абонентской линии условно разделяют на первичные и вторичные. Первичными называются параметры, которые могут быть рассчитаны на основании данных о физической конструкции кабеля. Зависимость от конструкции кабеля может быть довольно сложной и свой вклад могут вносить геометрия и свойства материалов кабеля. Первичные параметры обычно относятся к параметрам пассивной пары и не связаны с процессами передачи по ней сигналов. К таким параметрам относятся параметры импеданса (сопротивление, индуктивность и емкость), а также параметры геометрии (параметр скрутки и т.д.)

Параметры импеданса абонентского кабеля являются метрологическими характеристиками, т.е. характеристиками, методы измерений которых описываются классической теорией метрологии на основании модели четырехполюсника. С этим связана технология измерений параметров импеданса общеизмерительными приборами (в первую очередь мультиметрами).

Вторичные параметры рассчитываются на основе первичных или получаются с помощью непосредственных измерений. Вторичные параметры определяют поведение электрического сигнала при прохождении его по кабелю. Для проведения эксплуатационных измерений основными являются вторичные параметры.

Разделение параметров на первичные и вторичные связано с теорией метрологии: параметры классического четырехполюсника рассматриваются как первичные параметры, тогда как для описания вторичных параметров используется модель "черного ящика" и рассматривается зависимость параметров выходного сигнала от параметров входного сигнала.

Измерение параметров импеданса абонентского кабеля

Параметры импеданса абонентского кабеля также называются первичными параметрами линии передачи. К ним относятся сопротивление, индуктивность, проводимость и емкость. Они относятся к общим параметрам четырехполюсников и могут быть измерены обычными мультиметрами или LCR-метрами с соответствующими диапазонами измерений.

Из перечисленных параметров наиболее важными оказываются параметры сопротивления и емкости, поскольку проводимость представляет собой характеристику, обратную сопротивлению, а измерения индуктивности довольно громоздки и имеют спорную эксплуатационную ценность.

Измерения емкости и сопротивления выполняются в абонентском кабеле по трем возможным направлениям: T-R, R-G и T-G. В результате измеряются шесть величин, которые не только характеризуют параметры кабеля, но и сразу указывают на тип неисправности. В частности, при измерениях на пассивной паре очень важно определить характер кабеля - омический или емкостной. Например, замкнутый кабель является омическим, тогда как разомкнутый - емкостным. То же самое можно сказать и об основных неисправностях в кабеле - коротких замыканиях и обрывах жил. Поэтому в ряде приборов сопротивление и емкость измеряются автоматически, а результаты таких измерений выводятся на один экран для удобства обработки. В зависимости от характера кабеля оператор может эффективно определить последующие измерения, необходимые для окончательного определения причины и места неисправности.

Параметры T-G и R-G обычно совпадают, и любое отклонение указывает на наличие неисправности или нарушение баланса пары. Как следует из табл. 9.4 параметры R-T могут при этом значительно отличаться от параметров T-G и R-G.

С измерениями параметров импеданса линии связан ряд методов обнаружения неисправности в кабеле. Для эффективного обнаружения и квалификации неисправности могут использоваться рефлектометрические и мостовые методы, причем наибольшую эффективность дает объединение этих методов.

Измерение параметров активной абонентской пары

Выше были рассмотрены измерения общих параметров пассивного абонентского кабеля. Действительно, характеристики пассивной (т.е. не используемой в абонентском кабельном хозяйстве) пары определяются ее активным и реактивным сопротивлениями. Пара, используемая в абонентском кабельном хозяйстве, является активной. Обычно в этом случае на пару подается напряжение, а при работе абонентского устройства по абонентскому кабелю должен идти также ток абонентского шлейфа. Измерения напряжения и тока важны и целесообразны при эксплуатации активного абонентского кабеля.

Измерять параметры активной абонентской пары целесообразно на каждой жиле, поскольку не на каждой жиле имеется питание. Измерение напряжения питания косвенно позволяет обнаружить нарушение баланса линии.

Ток в абонентском кабеле измеряется в мА. Измерения тока и измерения напряжения позволяют найти неисправности в системе питания и энергопотребления абонентских устройств и центрального коммутатора; кроме того, найти неисправности, связанные с неправильной полярностью питания абонентских устройств, когда питание подается не на нужные жилы.

Перечисленные выше параметры могут измеряться не только специализированными приборами, но также эксплуатационными мультиметрами или LCR-метрами. Поэтому не все специализированные приборы оснащаются функциями измерений активной абонентской пары, так как фирмы-производители не без оснований считают, что эксплуатационные муль-тиметры имеются в достаточном количестве.

Измерение затухания и длины кабеля

Наличие в абонентском кабеле сопротивления, емкости и индуктивности ослабляет сигнал переменного тока. Такое ослабление называют затуханием. Затухание сигнала в канале -это отношение [в децибелах (дБ)] мощности входного сигнала к мощности сигнала на выходе при согласованности импедансов источника и нагрузки характеристическому импедансу кабеля. Согласованность импедансов существенна при организации измерений, в этом состоит специфика измерений затухания в электрических кабелях по сравнению с затуханием в оптических кабелях.

Значение входной мощности может быть получено путем измерения мощности при непосредственном подключении нагрузки к источнику без прохождения сигнала по кабелю. Если в местах согласования импедансы не идеально соответствуют друг другу, отношение входной мощности к выходной носит название вносимых потерь или вносимого затухания. Величина вносимого затухания более высокая, чем обычно, и зависит от степени несоответствия импедансов.

Уровень затухания в кабеле определяет возможность его использования для предоставления услуг телефонии обычного качества, для "последней мили", а также определяет необходимость установки промежуточных пунктов усиления сигнала (регенераторов). В практике эксплуатации абонентского кабеля параметр затухания играет важную роль. Так как любые неисправности, неоднородности и нарушения в структуре кабеля влияют на затухание, то его можно рассматривать как интегральный параметр качества передачи сигнала по абонентскому кабелю.

Для измерения затухания в кабеле на вход подают тестовый сигнал синусоидального характера. Затухание в кабеле может существенно отличаться для различных частот тестового сигнала. Обычно измерение затухания проводится на полутактовой частоте передаваемого сигнала. Таким образом, для абонентского кабеля, используемого в телефоннной сети, частота измерений выбирается 1020 Гц или 1004 Гц.

Измерения выполняются двумя приборами, устанавливаемыми по концам измеряемой линии, один из них - генератор, второй - анализатор сигнала. Недостатком схемы является использование двух анализаторов с полными возможностями. Для оптимизации схемы и устранения данного недостатка используются удаленные респондеры - приборы с неполными возможностями анализаторов.

Для удобства интерпретации измерений уровень генерируемого сигнала выбирается 0 дБм (т.е. 1 мВт), тогда измерение сигнала в дБм на стороне приема позволяет сразу интерпретировать результаты в дБ.

Считается, что затухание в абонентском кабеле менее 8 дБ незначительно влияет на качество телефоной передачи, если затухание выше, то кабель считается непригодным и требуется установка регенераторов абонентского сигнала.

Непосредственно с измерениями затухания связаны измерения длины кабеля. Строго говоря, такие измерения обычно не выполняются, поскольку оператор имеет данные о трассе залегания кабеля, и длина может быть рассчитана. Если данные утеряны или нуждаются в подтверждении, используется рефлектометр, который позволяет эффективно определить длину абонентского кабеля.

Зная длину абонентского кабеля и затухание в нем, можно оценить удельное затухание в абонентской линии. Если этот параметр далеко выходит за пределы допустимого значения, это значит, что качество абонентского кабеля ухудшилось и необходимо предпринимать поиск и устранять неисправности. На затухание оказывает влияние наличие неоднородностей в кабеле (катушки Пупина, параллельные отпайки и т.д), плохое качество соединения кабеля в муфтах (в случае составного кабеля), замыкание кабеля и т.д.

Измерение АЧХ и ГВЗ абонентского кабеля. Определение полосы пропускания кабеля

Измерение параметров АЧХ и ГВЗ полностью аналогичны описанным выше методам измерения затухания, с той только разницей, что в данном случае затухание измеряется на каждой частоте, и строится график зависимости затухания от частоты, т.е. АЧХ. Аналогично измеряют неоднородность фазово-частотной характеристики канала (ГВЗ). В результате этих измерений можно сделать вывод о допустимой пропускной способности кабеля, поскольку условие хорошего качества означает линейность АЧХ во всем диапазоне частот используемого оборудования. Особенно это характерно для тестирования абонентских кабелей перед установкой аппаратуры «последней мили». Таким образом, равномерность АЧХ и ГВЗ определяет полосу пропускания кабеля, которая в свою очередь определяет допустимую скорость передачи в канале.

Данная методика имеет несколько модификаций. Иногда вместо измерения АЧХ для упрощения и удешевления процедуры используется трех- или четырехточечная характеристика АЧХ. Например, для оценки равномерности АЧХ в диапазоне ТЧ измеряют затухание по трем точкам: на частотах 404, 1004 и 2804 Гц). Иногда подобные оценочные измерения являются достаточными для эксплуатации.

Поиск неоднородностей в кабеле

В абонентских кабелях такие неоднородности, как катушки Пупина, параллельные отпайки и разделения кабеля, влияют на качество цифровой передачи с использованием технологии «последней мили». Поэтому поиск и устранение этих неоднородностей является важной эксплуатационной задачей.

В качестве первого примера рассмотрим поиск катушек Пупина.

Катушки Пупина повышают индуктивность (пупинизация) и используются для улучшения качества каналов аналоговой связи. Использование катушек Пупина позволяет добиться высокой равномерности АЧХ канала в диапазоне ТЧ (рис. 21). Однако при переходе к ISDN и технологиям "последней мили" АЧХ должна быть равномерной в диапазоне до 200-300 кГц и катушки Пупина значительно ухудшают качество цифрового канала. Кроме того на сетях связи с долгим сроком эксплуатации, данные об имеющихся на линии катушках Пупина могут отсутствовать. В практике встречаются кабели с несколькими установленными последовательно катушками Пупина. АЧХ такого кабеля не позволяет использовать канал для технологии "последней мили". Поэтому при переходе к xDSL необходима их локализация и устранение (депупинизация). Кроме того, изменение характеристик катушки сказывается на пара­метрах кабеля. В результате поиск катушек Пупина необходимо проводить по всей длине абонентского кабеля (рис. 21а). Для этого существует три основных метода.

Вначале рассмотрим метод оценки индуктивности по структуре АЧХ. На этом принципе основаны большинство экспертных систем, обеспечивающих подсчет количества катушек Пупина (рис. 216) в линии. Поскольку метод является оценочным, то его нельзя использовать для поиска местоположения катушек, однако он дает хорошие результаты по подсчету количества, что важно пои эксплуатации в полевых условиях.

Рисунок 21 - Графики АЧХ абонентского кабеля с катушкой Пупина и без нее

Вторым методом является использование рефлектометра (рис. 9.19), при котором можно не только оценить количество катушек в кабеле, но и определить их расположение (на рисунке одна катушка показана на расстоянии 6030 фт). Использование рефлектометра для поиска катушек Пупина - наиболее эффективный метод. Такие измерения необходимо проводить в дополнение к тестированию полного или частичного обрыва кабеля мостовым методом. Наличие катушки Пупина на линии при измерении мостовым методом приводит к ошибкам в результатах, поскольку катушка влияет на реактивное сопротивление линии.

Третьим методом является построение импеданс-частотной характеристики по отраженному сигналу. По этому методу вместо рефлектометра используется сканирующий генератор (рис. 21а). Для измерений используется генераторный модуль анализатора каналов ТЧ, генерирующий синусоидальный сканирующий сигнал в линию. Приемник (R_x) подключается к линии высокоомным входом, в результате на анализаторе отображается характеристика линии по уровням возвратного сигнала на каждой частоте. Поскольку уровень возвратного сигнала непосредственно связан с импедансом и балансировкой линии, полученная характеристика может быть названа импеданс-частотной.

Важным преимуществом такого метода является возможность проведения измерений с одного конца. Импеданс-частотная характеристика кабеля - это важная эксплуатационная характеристика, позволяющая не только анализировать параметры кабеля, но и определять его пригодность для передачи цифровых данных. В этом случае требуется значительная линейность характеристик АЧХ, ГВЗ и импеданс-частотной характеристики. Анализ абонентского кабеля на предмет наличия в нем параллельных пассивных отведений или катушек Пупина может выполняться на основе импеданс-частотной характеристики.

Наиболее распространенной модификацией этой методики является использование широкополосного генератора шумов вместо сканирующего источника. В этом случае нет необходимости точно выдерживать режим синхронизации генератора и приемника, достаточно просто генерировать шумовой сигнал большой мощности и анализировать средний уровень возвратного сигнала с использованием широкополосного фильтра. Такая модификация получила в западной прессе название метода стрессового тестирования STRESS TEST и реализуется даже в портативных приборах. Основным недостатком такой методики является высокая погрешность, обусловленная приемом собственных шумов кабеля. Основным преимуществом является низкая стоимость, поскольку вместо дорогого сканирующего генератора может быть использован недорогой источник белого шума.

Рисунок 22 – Измерение импеданс-частотной характеристики

Вторым типом неоднородностей, встречающихся в абонентских кабелях, являются параллельные отведения (отпайки) и разделение кабелей. Если к абонентскому кабелю необходимо подключить несколько пользователей, то делают параллельные отводы (отпайки), при этом возникают неоднородности, имеющие высокоомный характер. Точки разделения кабелей обычно связаны с подпайками к абонентской линии без высокомной нагрузки. Обычно они возникают в процессе эксплуатации в результате ошибок кроссирования и т.д. Эти неоднородности негативно влияют на передачу сигналов связи по электрическому кабелю. Так сигнал, проходя через точку разделения, дублируется и передается по обоим направлениям. Отражаясь затем от конца участка разделения, сигнал возвращается в кабель и накладывается на исходный сигнал. В результате аналоговый сигнал имеет высокий уровень шумов, а цифровой сигнал в результате интерференции практически становится непригодным. Аналогич­ное ухудшение качества возникает при параллельных отведениях.

Следует сразу отметить, что поиск точек параллельных отведений и разделений даже при использовании современных методов измерений требует от оператора повышенного внимания.

Экспертиза по АЧХ, позволяющая подсчитывать количество катушек Пупина, для данных типов неоднородности неприменима, поскольку ослабление сигнала таково, что на рефлектограмме иногда даже не видно, где оканчивается кабель. Поэтому диагностика описы­ваемых неоднородностей всегда сугубо индивидуальна. Кроме того рефлектограммы замока-ния кабелей и параллельного отведения близки по характеру и идентифицировать одну из этих неисправностей часто бывает очень сложно.

Измерение шумовых характеристик абонентского кабеля. Влияние силовых кабелей

Наибольшее эксплуатационное значение имеет измерение трех шумовых характеристик абонентского кабеля: средняя мощность шумов, уровень селективных шумов и отношение сигнал/шум (SNR). Шум в кабеле возникает обычно вследствие несбалансированности кабеля и нагрузки по импедансу, а также вследствие интерференции с сигналами других кабелей и влияния внешних источников электромагнитного излучения (ЭМИ).

Если кабель хорошо сбалансирован, то воздействие других кабелей незначительно, следовательно уровень широкополосных шумов низкий.

Отношение сигнал/шум (SNR) - это соотношение между уровнем принимаемого сигнала и уровнем принимаемого шума, причем для обеспечения приемлемых условий передачи уровень сигнала должен значительно превосходить уровень шума. Измерение SNR обычно выполняется с использованием тестового синусоидального сигнала в рабочей полосе частот. Поскольку уровень сигнала и уровень шумов в кабеле может зависеть от частоты, необходимо знать не просто интегральное соотношение SNR, но и зависимость распределения селективных шумов в рабочей полосе частот. Этот параметр важен для специализированного оборудования.