Измерения в технике Связи Лекции. Лекции по дисциплине Измерениявтехникесвязи Для студентов специальности 200900 Сети связи и системы коммутации
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
9.4. Измерения абонентских 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 прило жениях (POTS); • измерения абонентского кабеля нового поколения - структурированных кабельных сис тем на основе витой пары категорий 3, 5,6; • измерения существующего абонентского кабеля в соответствии с новыми требования ми, предъявляемыми аппаратурой xDSL. Все перечисленные технологии по существу независимы и должны рассматриваться отдельно, что и нашло отражение в разд. 9.1. 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 (Т); 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 (см. табл. 9.6). 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 обшеизмерительными 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. Более подробно теоретические аспекты метрологии можно найти в [49]. В настоящей книге нас будут интересовать практические методы измерения параметров, поэтому описанные модели рассматриваться не будут. 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 – Использованиеметодаимпульснойрефлектометрии дляопределенияповрежденийкабельныхлиний Точному определению места повреждения в линиях связи и электропередачи, которое производится трассовыми методами, должна предшествовать предварительная его локализация методом импульсной рефлектометрии. Метод импульсной рефлектометрии позволяет определить зону повреждения (в пределах погрешности измерения) и применить отдельные трассовые методы обнаружения только на небольших участках трассы, что позволяет существенно сократить время точного определения места дефекта. Основными видами повреждений в кабельных линиях электропередачи и связи являются: короткие замыкания и обрывы, появление утечки между жилами или между жилой и экраном (броней), увеличение продольного сопротивления. Причин возникновения повреждений много: механические повреждения, например при проведении земляных работ, старение изоляции, нарушение изоляции от воздействия влаги и т.п. Перед проведением измерений методом импульсной рефлектометрии необходимо проверить участок кабельной линии омметром или мегоометром. Однако такая проверка может быть недостаточной. Например, после воздействия мегоометром на кабель, имеющий растрескавшуюся изоляцию с попавшей влагой, может произойти подсушивание места дефекта. При этом показания мегоометра соответствуют как бы исправному кабелю (сотни и тысячи МОм). После выявления дефектных линий (жил, фаз) мегоомметром переходят к предварительному определению места повреждения методом импульсной рефлектометрии. Сущностьметодаимпульснойрефлектометрии Метод импульсной рефлектометрии, называемый также методом отраженных импульсов или локационным методом, базируется на распространении импульсных сигналов в двух- и многопроводных системах (линиях и кабелях) связи. Приборы, реализующие указанный метод, называются импульсными рефлектометрами. Сущность метода импульсной рефлектометрии заключается в выполнении следующих операций: 1. Зондировании кабеля (двухпроводной линии) импульсами напряжения. 2. Приеме импульсов, отраженных от места повреждения и неоднородностей волнового сопротивления. 3. Выделении отражений от места повреждений на фоне помех (случайных и отражений от неоднородностей линий). 4. Определении расстояния до повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего. Упрощенная структурная схема импульсного рефлектометра приведена на рисунке. С генератора импульсов зондирующие импульсы подаются в линию. Отраженные импульсы поступают с линии в приемник, в котором производятся необходимые преобразования над ними. С выхода приемника преобразованные сигналы поступают на графический индикатор. Все блоки импульсного рефлектометра функционируют по сигналам блока управления. На графическом индикаторе рефлектометра воспроизводится рефлектограмма линии - реакция линии на зондирующий импульс. Образование рефлектограммы линии легко проследить по диаграмме, приведенной на рисунке ниже. Здесь осью ординат является ось расстояния, а осью абсцисс - ось времени. В левой части рисунка показана кабельная линия с муфтой и коротким замыканием, а в нижней части - рефлектограмма этой кабельной линии. Анализируя рефлектограмму линии, оператор получает информацию о наличии или отсутствии в ней повреждений и неоднородностей. Например, по приведенной выше рефлектограмме можно сделать несколько выводов. 1. На рефлектограмме кроме зондирующего импульса есть только два отражения: отражение от муфты и отражение от короткого замыкания. Это свидетельствует о хорошей однородности линии от начала до муфты и от муфты до короткого замыкания. 2. Выходное сопротивление рефлектометра согласовано с волновым сопротивлением линии, так как переотраженные сигналы, которые при отсутствии согласования располагаются на двойном расстоянии, отсутствуют. 3. Повреждение имеет вид короткого замыкания, так как отраженный от него сигнал изменил полярность. 4. Короткое замыкание полное, так как после отражения от него других отражений нет. 5. Линия имеет большое затухание, так как амплитуда отражения от короткого замыкания много меньше, чем амплитуда зондирующего сигнала. Если выходное сопротивление рефлектометра не согласовано с волновым сопротивлением линии, то в моменты времени 2* tм, 4* tм и т.д. будут наблюдаться переотраженные сигналы от муфты, убывающие по амплитуде, а в моменты времени 2* tх, 4*tх и т.д. - переотражения от места короткого замыкания. Основную сложность и трудоемкость при методе отраженных импульсов представляет выделение отражения от места повреждения на фоне помех. Метод импульсной рефлектометрии базируется на физическом свойстве бесконечно длинной однородной линии, согласно которому отношение между напряжением и током введенной в линию электромагнитной волны одинаково в любой точке линии. Это соотношение: W = U/I имеет размерность сопротивления и называется волновым сопротивлением линии. При использовании метода импульсной рефлектометрии в линию посылают зондирующий импульс и измеряют интервал tх - время двойного пробега этого импульса до места повреждения (неоднородности волнового сопротивления). Расстояние до места повреждения рассчитывают по выражению: Lx = tx*V/2 , где V - скорость распространения импульса в линии. Отношение амплитуды отраженного импульса Uо к амплитуде зондирующего импульса Uз обозначают коэффициентом отражения Котр: Котр = Uo/Uз = (W1 - W) / (W1 + W), где: W - волновое сопротивление линии до места повреждения (неоднородности), W1 - волновое сопротивление линии в месте повреждения (неоднородности). Отраженный сигнал появляется в тех местах линии, где волновое сопротивление отклоняется от своего среднего значения: у муфт, у мест изменения сечения жилы, у мест сжатия кабеля, у места обрыва, короткого замыкания и т.д. Если выходное сопротивление импульсного рефлектометра отличается от волнового сопротивления измеряемой линии, то в месте подключения рефлектометра к линии возникают переотражения. Переотражения - это отражения от входного сопротивления рефлектометра отраженных сигналов, которые пришли к месту подключения рефлектометра из линии. Выходное и входное сопротивления рефлектометра, как правило, равны между собой. В зависимости от соотношения входного сопротивления рефлектометра и волнового сопротивления линии изменяется полярность и амплитуда переотражений, которая может оказаться соизмеримой с амплитудой отражений. Поэтому перед измерением рефлектометром обязательно нужно выполнить операцию согласования выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии. Примеры рефлектограммы линии без согласования выходного сопротивление с линией и с согласованием приведены на рисунках: При распространении вдоль линии импульсный сигнал затухает, то есть уменьшается по амплитуде. Затухание линии определяется ее геометрической конструкцией и выбором материалов для проводников и изоляции и является частотно-зависимым. Следствием частотной зависимости является изменение зондирующих импульсов при их распространении по линии: изменяется не только амплитуда, но и форма импульса - длительности фронта и среза импульса увеличиваются ("расплывание” импульса). Чем длиннее линия, тем больше “расплывание” и меньше амплитуда импульса. Это затрудняет точное определение расстояния до повреждения. Примеры рефлектограмм линий без затухания (идеальная линия) и с затуханием показаны на рисунке. Для более точного измерения необходимо правильно, в соответствии с длиной и частотной характеристикой затухания линии, выбирать параметры зондирующего импульса в рефлектометре. Критерием правильного выбора является минимальное "расплывание" и максимальная амплитуда отраженного сигнала. Если при подключенной линии на рефлектограмме наблюдается только зондирующий импульс, а отраженные сигналы отсутствуют, то это свидетельствует о точном согласовании выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии, отсутствии повреждений и наличии на конце линии нагрузки равной волновому сопротивлению линии. Вид отраженного сигнала зависит от характера повреждения или неоднородности. Например, при обрыве отраженный импульс имеет ту же полярность, что и зондирующий, а при коротком замыкании отраженный импульс меняет полярность. В идеальном случае, когда отражение от повреждения полное и затухание отсутствует, амплитуда отраженного сигнала равна амплитуде зондирующего импульса. Рассмотрим два случая эквивалентных схем повреждений, которые наиболее часто встречаются на практике: шунтирующая утечка и продольное сопротивление. Пусть место повреждения линии представляет собой шунтирующую утечку Rш: С изменением сопротивления утечки от нуля (соответствует короткому замыканию) до бесконечности (соответствует исправной линии), при положительном зондирующем импульсе отраженный импульс имеет отрицательную полярность и изменяется по амплитуде от максимального значения до нулевого, в соответствии с выражением: Котр= (W1 - W) / (W1 + W) = - W / (W+2*Rш), где: Rш - сопротивление шунтирующей утечки, W1 - волновое сопротивление линии в месте повреждения, определяется выражением: W1 = (W*R ш) / (W + Rш) Так, например, при коротком замыкании (Rш = 0) получаем: Котр = -1. В этом случае сигнал отражается полностью с изменением полярности. 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). |