ВИМІРЮВАЛЬНІ ТЕХНОЛОГІЇ: ЇХ ВИКОРИСТАННЯ І РОЗВИТОК
Зміст
1. Закономірності розвитку вимірювальних технологій
1.1 Сучасна НТР в області телекомунікацій. Поняття вимірювальної технології
1.2 Динаміка розвитку технології на ринку
1.3 Соціально-психологічні процеси, пов'язані з розвитком технології на ринку
1.4 Підвищення ролі вимірювальної техніки з розвитком технологій телекомунікацій
2. Системне і експлуатаційне вимірювальне обладнання
3. Методологія вимірювань
4. Основне завдання методології вимірювань. Особливості методології вимірювань сигналів систем зв'язку
5. Основні параметри, вимірювані в бінарному цифровому каналі
6. Тестові послідовності
1. Закономірності розвитку вимірювальних технологій
1.1 Сучасна НТР в області телекомунікацій. Поняття вимірювальної технології
Сучасний розвиток інформаційних і телекомунікаційних технологій можна охарактеризувати як науково-технічну революцію (НТР). НТР в області телекомунікацій пов'язана з широкомасштабним впровадженням мікропроцесорної техніки і переходом до цифрових методів комутації та передачі.
Необхідно врахувати, що специфіка сучасної НТР полягає в тому, що це - технологічна революція. Поняття технології виходить на перший план і вимагає нового підходу до аналізу та опису явищ, пов'язаних з розвитком сучасних засобів зв'язку. Стосовно до опису методів вимірювань в сучасних мережах зв'язку цей підхід означає введення нового ключового визначення - вимірювальної технології - для опису та класифікації методів вимірювань. Вимірювальна технологія або технологія вимірювань надалі буде означати сукупність методів, підходів до організації вимірювань та інтерпретації результатів, конкретних методик, а також вимірювальних засобів (приладів і засобів контролю), необхідна для якісного обслуговування відповідного напряму розвитку технології засобів зв'язку. Як видно з визначення, вимірювальна технологія тісно пов'язана з відповідною технологією телекомунікацій.
Чим обумовлена необхідність введення поняття вимірювальної технології як основного поняття для опису і класифікації сучасних методів експлуатаційних вимірювань на мережах зв'язку? Тому є кілька причин.
По-перше, технологічний характер сучасної НТР, характерною рисою якої є настільки висока швидкість зміни технологій, що вона не дозволяє більшій частині зв'язкового спільноти усвідомити всі нові нюанси технології в повній мірі. Дійсно, розуміння фахівцями в галузі зв'язку сучасних технологій телекомунікацій значно відстає від розвитку самих технологій. Відставання проявляється у відсутності навчально-довідкових матеріалів, малій кількості професіоналів в технології, поки невисоким рівнем статей у науково-технічній пресі. Необхідно відзначити, що таке відставання не є суто характерним для нашої країни, воно відзначається навіть у найбільш розвинених в області телекомунікацій країнах. Тимчасові рамки існування та зміни технологій на ринку зменшуються, в результаті стає неможливим розглядати методологію вимірювань як стаціонарний процес, необхідно включити в розгляд фактор часу. У результаті з'являється необхідність не просто розглядати технологію вимірювань, але й розглядати динаміку її розвитку на ринку.
По-друге, сучасний розвиток вимірювальної техніки йде по шляху її високої спеціалізації. Розвиток сучасної вимірювальної техніки для телекомунікацій призвело до появи ринку спеціалізованої техніки, призначеної для обслуговування та експлуатації систем зв'язку. У результаті зміни технологій ринок спеціальної вимірювальної техніки змінюється дуже динамічно, виникає завдання її класифікації, вирішити яку без технологічного підходу неможливо.
По-третє, останнім часом зростає технологічність сучасного обладнання, більше половини коштів світового телекомунікаційного ринку відводяться на розвиток програмних засобів. Програмне забезпечення в сучасних пристроях телекомунікацій оновлюється в середньому раз на два роки, радикально змінюючи структуру та можливості сучасних телекомунікаційних систем. Технологічність у галузі вимірювальної техніки пов'язана з появою і розвитком цілого класу вимірювальних приладів - аналізаторів протоколів і логічного взаємодії інтелектуальних пристроїв. Цей клас вимірювальної техніки не розглядається сучасною метрологією, тим не менше він має високу експлуатаційну значимість. Включити в загальний розгляд цей клас техніки можливо, тільки розглядаючи питання щодо організації експлуатаційних вимірювань в комплексі. Перехід до розгляду комплексних рішень вимагає введення поняття вимірювальної технології.
На підставі всього перерахованого вище технологічний підхід до опису експлуатаційних вимірювань на мережах зв'язку є виправданим. Цей підхід покладено в основу цієї книги, присвяченої питанням експлуатаційних вимірювань на мережах зв'язку. У результаті розглянута динаміка розвитку вимірювальних технологій, побудована класифікація сучасних технологій вимірювань, для кожної технології наводяться конкретні підходи до організації вимірювань та інтерпретації результатів, даються описи вимірювальних засобів, представлених на сучасному світовому ринку.
Пропонований підхід є у вітчизняній практиці новим, і автор сподівається, що такий метод опису буде найбільш зрозумілий для фахівців у галузі експлуатації сучасних систем зв'язку.
Пропонована глава присвячена технологічного підходу до опису процесів, що мають місце в сучасних телекомунікації.
Для початку опису важливими можна вважати наступні кілька запитань, відповіді на які відразу дають фундамент для розуміння динаміки розвитку нових технологій.
Як технології змінюють один одного?
Як розвивається технологія на ринку?
Які соціально-психологічні процеси супроводжують розвиток технології на ринку?
Розгляд даних аспектів в умовах вітчизняного ринку особливо важливо для зв'язкового спільноти. Ринкові відносини вже грунтовно вторглися в область телекомунікацій, проте до кінця не знайшли відображення в менталітеті фахівців. До останнього часу навіть у статтях економічної спрямованості командно-адміністративне (директивне) бачення розвитку ринку явно переважає над баченням розвитку як безперервного діалогу постачальників і замовників обладнання і послуг.
Розгляд згаданих вище питань важливе тим більше, що неправильні на них відповіді приводять і будуть приводити до суттєвих помилок стратегічного планування, в тому числі і в галузі вимірювальної техніки.
Нижче ми постараємося дати відповіді на перераховані питання і зробити по можливості висновки, що стосуються поточного стану справ у зв'язку і майбутніх перспектив. Відразу необхідно обмовитися, що пропонований матеріал є результатом аналітичних висновків автора, які можуть бути оскаржені.
1.2 Динаміка розвитку технології на ринку
Розглядати процеси розвитку технологій у вигляді "хвиль" було б занадто спрощено. Щоб мати повне уявлення про те, що несе з собою нова технологія, і для всебічного аналізу її розвитку, необхідно також розглянути соціально-економічні процеси, які супроводжують проходження "хвилі".
В якості ілюстрації на рис.1.2 представлена динаміка розвитку в часі технології на ринку і відповідна поведінка ряду важливих параметрів, які супроводжують цей процес. Ці параметри визначають можливість використання технології в телекомунікаціях. До них відносяться параметр вартості технічних рішень, середній рівень знань зв'язкового спільноти про технології, а також надійність технічних рішень.
Як видно з графіків, представлених на рис. 1.2, на початку розвитку технології вартість технічних рішень надзвичайно висока. Тут бере участь не тільки вартість нового високотехнологічного обладнання, а й витрати, необхідні для проведення необхідних доопрацювань (за законом Мерфі пристрій швидше за все відразу не заробить), проведення "польових" випробувань нового технічного рішення, додаткових доробок пристроїв для сполучення з існуючою мережею. Тому на ранніх стадіях вартість впровадження технології вкрай висока. Потім, у міру накопичення досвіду впровадження технології та вирішення питань внутрішньої і зовнішньої інтеграції пристроїв, вартість починає падати і доходить до оптимального стабілізованого рівня. Після того, як технологія стає застарілою і поступово починає йти з ринку, вартість технічних рішень збільшується. Саме оборудование дорожчає до рівня антикваріату. З ринку зникають запасні частини і компоненти пристроїв, що значно збільшує вартість експлуатації технології.
Середній рівень знань зв'язкового співтовариства включає в себе знання як користувачів (замовників) обладнання, так і знання постачальників. Постачальники одержують нові знання про технології першими, але і це вимагає певного часу. На початку розвитку технології на ринку знань про неї практично немає. Істотно, що початок графіка вартості випереджає початок графіка рівня знань, спершу технологія приходить на ринок, а вже потім з'являються реальні практичні знання про неї. У міру накопичення досвіду, появи літератури, написаної професіоналами, рівень знань про технології збільшується, досягаючи необхідного максимуму. Потім відбувається зниження рівня знань про технології, коли вона стає застарілою. Це пов'язано з тим, що частина фахівців з технології перекваліфіковуються на нову технологію, а інші - йдуть на пенсію. Зрештою технологія стає надбанням політехнічних музеїв, де практичні знання про неї зберігають лише історики.
Цікава закономірність розвитку надійності технічних рішень з використанням технології. Графік надійності технічних рішень відстає від графіків вартості та рівня знань. Нова технологія в руках некваліфікованих користувачів не може бути основою надійної роботи системи зв'язку. У міру розвитку самої технології та стабілізації досвіду її використання надійність технічних рішень підвищується, досягаючи стабілізації. Подальше підвищення надійності в період старіння технології пов'язано з відомим статистичним процесом "що зламалося, то вже зламалося, а що працює, то й буде продовжувати працювати" навіть за відсутності запасних частин.
Крім об'єктивних тенденцій, пов'язаних з розвитком технології на ринку, на нього чинять істотний вплив соціально-психологічні процеси, що йдуть в зв'язковому співтоваристві. Нова технологія являє собою суму нових знань, які повинні бути сприйняті і впроваджені зв'язковим спільнотою, фахівцями, операторами, постачальниками та замовниками. Процес прийняття нових знань є соціально-психологічним процесом і вимагає окремого розгляду, що ми й зробимо нижче. Для цього знаючи процеси, що супроводжують розвиток технології, можна умовно розділити її "життєвий цикл" на чотири періоди і розглянути соціально-психологічні процеси в зв'язковому співтоваристві, характерні для кожного періоду.
1.3 Соціально-психологічні процеси, пов'язані з розвитком технології на ринку
Етап 1 - процес становлення технології на ринку. Нові технічні рішення тільки з'явилися на ринку. Вони дуже дорогі. Ні потенційні замовники, ні постачальники обладнання в повній мірі не представляють всіх нюансів і навчаються в процесі роботи. Перші рішення працюють нестабільно і потребують доопрацювання у "польових" умовах. Єдиний актив полягає в тому, що вони обіцяють у майбутньому суттєві переваги. Засновувати свої технічні рішення на новій технології цього етапу розвитку - означати ставити на свідомо неконкурентоспроможне рішення, дороге, незрозуміле і ненадійне. Дозволити таке собі можуть тільки великі оператори в досвідчених зонах впровадження. Інші оператори, поставивши на нову технологію, ризикують банкрутством. Впровадження технології на цьому етапі її розвитку являє собою благодійний внесок заради майбутнього технології зв'язку. Є істотний ризик, що закуплене обладнання, будучи новим і досвідченим, не дасть можливості в майбутньому користуватися всіма перевагами нової технології.
Розглянемо тепер соціально-психологічні чинники розуміння технології зв'язковим спільнотою. Етап характеризується становленням технології на ринку. Закони ринку вимагають від фірм-постачальників спрямувати всі свої зусилля на рекламу нової технології. Про неї говорять як про новий прорив, всіляко описуючи її переваги і замовчуючи доцільність поточного впровадження. Їй присвячені нові огляди, проблемні статті, рапорти про нові впроваджень та їх результати (зазвичай в мажорних тонах). У результаті виникає ілюзія єдино вірного шляху - впровадити технологію у себе, тобто підстави для сліпого оптимізму. "Відсутність реальних практичних знань про технології, проблеми, з нею пов'язаних і шляхи їх вирішення, призводить до ідеалізації технології. Народжується міф про її великому потенціалі і вирішенні всіх проблем. Піддалася на спокусу фінансують розвиток нових технологій.
Як приклад можна розглянути сучасний стан з технологією ATM на вітчизняному та світовому ринку. Критичний аналіз тих статей, які присвячені цій технології, покаже, що статей практичної спрямованості майже немає, в основному це реклама нових додатків ATM. У той же час ATM в даний час є найбільш цитованими технологією. Проте в сучасній практиці системного проектування програми, в яких ATM виявилася б єдиним можливим варіантом вирішення, зустрічаються рідко.
Анітрохи не применшуючи необхідності впровадження ATM на ринку Росії, хотілося б ще раз вказати, що таке запровадження є досвідченим. У зв'язку з цим включення концепції ATM у федеральну програму розвитку зв'язку є правильним рішенням, рішення про створення кількох досвідчених зон впровадження ATM (ще краще, якщо це будуть потім зони комерційного використання) - рішення безумовно прогресивне. У той же час орієнтація на технологію ATM як основу побудови мереж деяких відомчих операторів - рішення спірне.
Етап II - стабілізація технології на ринку. На початку цього етапу з'являється "прозріння помиляються", що характеризується полемікою в технічній пресі, чи настільки ефективна нова технологія, і чи справді вона необхідна на ринку. Такого роду питання - закономірний процес переходу від первинної ейфорії до конструктивного обговорення на основі першого досвіду. Обговорення дуже важливо, оскільки розкриває всі основні і додаткові нюанси технології, вона стає знайомої, відомої, в широкому сенсі відпрацьованою на ринку. На цьому етапі можна порекомендувати її використання більшістю операторів, що врешті-решт і відбувається. В результаті нова технологія стає модною в хорошому сенсі цього слова, вона стає парадигмою і використовується більшістю операторів. Кінець цього періоду характеризується ставленням здорового ентузіазму до впровадження нової добре знайомої технології. Рішення стають надійними, знання про технології поступово наповнюють навчальні посібники і стають класичними. Полеміка в пресі замовкає - технологія зайняла своє гідне місце.
В якості прикладів на російському ринку можна вказати технологію ISDN, яка тільки що минула етап полеміки про її необхідність, але ще не досягла етапу здорового ентузіазму. Істотно, що останні статті з цієї технології носять явно практичний характер. Другим прикладом можна назвати технологію Frame Relay. Її розвиток в повній мірі має розпочатися з широким впровадженням ISDN, використовуваної Frame Relay як транспортне середовище.
Дуже показовим прикладом є технологія SDH, яка стала сучасною парадигмою побудови цифрової первинної мережі. На порозі цього етапу варто технологія ATM.
Етапи III - IV - зрілість і старість технології. Як правило, обидва етапи характеризуються повним мовчанням щодо технології в технічній пресі. У цьому немає необхідності. Технологія відома, вона увійшла в підручники та посібники. З'явилися хороші інструкції з експлуатації, є широкий штат фахівців з великим досвідом обслуговування технічних засобів. Самі технічні засоби включені до програми ВНЗ. Зрідка з'являються статті, в яких розповідається про упущені в ході обговорення на етапі II нюансах і прихованих резервах технології, але в цілому обговорення технології зникає до зникнення самої технології.
В якості прикладів технологій етапу III можуть бути вказані модемна передача даних (за винятком нових типів протоколів), PDH, квазіелектронні АТС.
В якості прикладів технології етапу IV - аналогові системи передачі, координатні і декадно-крокові АТС.
1.4 Підвищення ролі вимірювальної техніки з розвитком технологій телекомунікацій
Тепер від розгляду технології телекомунікацій перейдемо до розгляду рушійних сил і динаміки технологій вимірювань.
Процес вдосконалення вимірювальних технологій тісно пов'язаний із загальною тенденцією ускладнення високих технологій в процесі їх розвитку в другій половині XX століття. Основними тенденціями розвитку є: мініатюризація, економічність і, як наслідок, ускладнення.
Цей процес наочно видно на прикладі розвитку сучасних технологій цифрового зв'язку. Так, складність систем зв'язку об'єктивно підвищується з переходом до цифрових систем передачі з високою пропускною здатністю (SDH), новим принципам мультиплексування (ATM), нових концепцій систем сигналізації (ВКБ 7 і протоколів відомчих мереж ISDN), новим мережевим концепціям надання послуг користувачам (інтелектуальні мережі). Цей процес пов'язаний із збільшенням пропускної здатності систем передач, зниженням вартості інтелектуальних пристроїв і впровадженням у сучасні телекомунікації принципів розподіленої обробки інформації. У зв'язку з цим виникають завдання контролю і налаштування роботи інтелектуальних систем, якими в даний час є мережі зв'язку. Цей процес йде двома шляхами: перший - розвиток систем внутрішньої діагностики інтелектуальних вузлів мереж, другий-застосування сучасної вимірювальної техніки.
Враховуючи, що розвиток засобів зв'язку йде дуже динамічно, розробка систем самодіагностики і їх відпрацювання дещо відстають від розвитку самих засобів зв'язку. Таким чином, застосування незалежних від обладнання систем контролю в ряді випадків є єдино коректним рішенням. У результаті роль вимірювальної техніки на мережі зв'язку зростає з розвитком нових технологій.
Вимірювальна техніка на мережах сучасних телекомунікацій грає важливу роль - налагодження та оптимізація мереж зв'язку, пошук несправностей і причин конфліктів, вирішення конфліктних ситуацій. Таким чином, основною рушійною силою розвитку вимірювальних технологій є ускладнення сучасних систем зв'язку.
Поширена думка про те, що цифрові системи зв'язку краще, надійніше і тому вимагають у меншій мірі обслуговування на етапі експлуатації, не вірно. Дійсно, вірно, що цифрові технології забезпечують кращу якість зв'язку, менші експлуатаційні витрати, кращий контроль за ресурсом мережі. Вірно також, що добре налагоджена, "доглянута" цифрова мережа вимагає у меншій мірі обслуговування. Однак також вірно, що "недоглянута" цифрова мережа деградує набагато швидше аналогової і вимагає при відновленні набагато більших витрат. Це - об'єктивна плата за складність технології цифрової передачі. Цифровим ті-лекоммуникациям'свойственен так званий "пороговий ефект деградації", коли погіршення параметрів не приводить довгий час до погіршення якості зв'язку. При досягненні певного порогу параметри якості змінюються стрибкоподібно. Зазвичай в цьому випадку досить складно виділити відразу причину порушення зв'язку, оскільки причиною є накопичені протягом тривалого часу відхилення від норми кількох параметрів.
На практиці часто зустрічається помилка про те, що іноземні фірми, які забезпечують пуск ділянок цифрових мереж, належним чином налаштують мережу і надалі її робота не зажадає кваліфікованої експлуатації. Такий підхід веде до залежності операторів мережі від інофірм, що є негативним чинником. З упевненістю можна сказати, що використання сучасної вимірювальної техніки дає операторам ключ до розуміння процесів, що відбуваються в мережі. У цьому випадку пошук конфліктних ситуацій та суперечностей, "тонка настройка" мережі допомагають домогтися максимальної ефективності її роботи, а також зрозуміти принципи нової технології.
Ця роль вимірювальної техніки є новою в практиці вітчизняної зв'язку. До цих пір вимірювальна техніка служила для контролю роботи мережі та відповідності її вузлів вітчизняним стандартам. У цьому випадку були чіткі рекомендації щодо методології вимірювань на мережах зв'язку, тобто вказівки на прилад, методику вимірювань і параметри вимірів. У сучасній ситуації процес стандартизації технології значно відстає від розвитку самих технологій. Чітких рекомендацій щодо використання вимірювальної техніки та експлуатаційної методології немає і в найближчому майбутньому не передбачається. Вимірювальна техніка, застосовувана сучасними операторами, використовується не тільки для перевірки на відповідність стандартам (в першу чергу міжнародним), але і для вивчення процесів, що протікають в мережі. Це дозволяє операторам швидко освоювати нові технології на міжнародному рівні, що є необхідною умовою подальшої успішної роботи.
Ще одна важлива особливість сучасної вимірювальної техніки для телекомунікацій полягає в тому, що з розвитком цифровізації мереж зв'язку відбувається згадана вище спеціалізація вимірювальної техніки. Ще 15-20 років тому для обслуговування аналогових мереж зв'язку застосовувалася общеізмерітельная техніка (генератори, осцилографи, частотоміри і т.д.) або її модифікації з урахуванням параметрів систем зв'язку. Розвиток цифрових систем передачі і комутації привело в тому, що вимірювальна техніка для телекомунікацій стала високо спеціалізованої. Це означає, що його в більшості випадків неможливо використовувати в інших областях людської діяльності. Сучасні вимірювальні прилади для телекомунікацій, такі як аналізатори протоколів сигналізації, аналізатори цифрових систем передачі, вимірювальні прилади ВОЛЗ та ін, складають ринок спеціалізованої техніки, який до останнього часу не розглядалося ні в технічної, ні в економічній літературі. Автор сподівається, що ця книга стане першим кроком до такого розгляду.
Необхідно відразу обумовити, що предметом книги є розгляд сучасної цифрової мережі зв'язку. У вітчизняній практиці поки 50-60% мереж аналогові. Проте технологія вимірювань таких мереж добре відома, закріплена стандартами і практичним досвідом обслуговуючого персоналу, в той час як рівень знань про технології вимірювань на цифровій мережі наразі невеликий і практично не завжди підкріплений. Тому предметом цієї книги є опис технологій вимірювань в цифрових системах зв'язку, під структурою системи електрозв'язку буде розумітися структура цифрової системи зв'язку і т.д. І хоча для досягнення спільності можна було б розглянути окремо технологію вимірювань на аналогових системах передачі та комутації, автор вважає це зайвим, оскільки основний інтерес у сучасних фахівців викликає технологія вимірювань саме в цифрових системах, де не до кінця розроблені методики і немає чіткого розуміння завдань і методів вимірювань.
2. Системне і експлуатаційне вимірювальне обладнання
Всю вимірювальну техніку сучасних телекомунікацій можна умовно розділити на два основні класи: системне і експлуатаційне вимірювальне обладнання.
Як показано нижче, вимоги до обох класів значно відрізняються, відповідно, відрізняються функції приладів, схеми їх використання, специфікації тестів і т.д.
До системного обладнання відноситься вимірювальне обладнання, що забезпечує налаштування мережі в цілому і її окремих вузлів, а також подальший моніторинг стану всієї мережі. Системним воно названо тому, що сучасне обладнання цього класу має широкі можливості інтеграції в вимірювальні комплекси, мережі вимірювальних приладів і входити в якості підсистем в автоматизовані системи управління зв'язком (Telecommunications Management Networks - TMN).
Експлуатаційне вимірювальне обладнання повинно забезпечувати якісну експлуатацію окремих вузлів мережі, супровід монтажних робіт і оперативний пошук несправностей.
Розділивши весь спектр обладнання на два основні класи, легко зрозуміти вимоги до кожного з них. Ці вимоги істотно різні для перерахованих класів і представлені нижче в порядку зменшення пріоритетності.
Вимоги до вимірювального устаткування
Системне обладнання Експлуатаційне обладнання
функціональність тестів • портативність
можливість інтеграції в системи • вартість
швидкість і легкість модернізації • надійність
зручність експлуатації • зручність експлуатації
надійність • функціональність тестів
вартість портативність
Для системного обладнання основною вимогою є максимальна функціональність приладу: його специфікація тестів повинна задовольняти всім існуючим і більшості перспективних стандартів і методологій. В іншому випадку прилад не забезпечить повної настройки та оцінки параметрів мережі або тестованого пристрою.
Другою вимогою є можливість інтеграції в системи приладів та інтеграції з обчислювальними засобами та мережами передачі даних. Це також суттєво в умовах створення TMN, куди повинні бути включені і вимірювальні засоби.
Вимога модернізованого важливо внаслідок швидкого розвитку технології та прийняття нових стандартів.
Зручність роботи є наступним за важливістю параметром. Є ряд багатофункціонального системного обладнання з "недружніми" інтерфейсами. Використання таких приладів вимагає від фахівця довгого вивчення приладу, що не завжди ефективно.
Вартість для системного обладнання не є первинним критерієм вибору, оскільки для приладів цього класу вартість знаходиться в прямій залежності від функціональності. Портативність для цього класу устаткування не потрібно.
У той же час експлуатаційне обладнання, в першу чергу, повинно бути портативним і дешевим, потім надійним і вже після цього багатофункціональним.
Слід відразу зазначити, що пропонована класифікація вимірювального обладнання є умовною, враховуючи загальну тенденцію до мініатюризації в сучасній електронній промисловості. У зв'язку з цим системне устаткування стає поступово портативним, тоді як експлуатаційне обладнання стає все більш багатофункціональним.
Тим не менш поділ обладнання на системне і експлуатаційне корисно при порівнянні обладнання різних виробників.
3. Методологія вимірювань
У філософському сенсі методологія - це вчення про структуру, логічну організацію, методи та засоби діяльності людини. Необхідність використання в цій книзі поняття "методологія" обумовлена тим, що у вітчизняній літературі немає поняття, що визначає загальні підходи і внутрішню логіку проведення вимірювань. Використовувати для цієї мети поняття "метод", "технологія" і "методика" не зовсім коректно. Тому в подальшому для опису "внутрішньої технології" експлуатаційних вимірювань будемо користуватися поняттям "методологія", як найбільш підходящим для цієї мети.
4. Основне завдання методології вимірювань. Особливості методології вимірювань сигналів систем зв'язку
Основним завданням методології вимірювань в сучасній техніці є розробка методик вимірювання фізичних величин, пов'язаних з роботою технічних засобів. Наука XX століття переконливо показала, що технічними засобами неможливо без помилок визначити значення теоретичної величини. Так при проектуванні технічних засобів в основу розрахунку закладаються теоретичні величини, які на практиці можуть бути виміряні лише у деякому наближенні. Тому в ряді випадків експериментальні дані служать для оцінки параметра теоретичної величини. Найкраще це видно на наступному прикладі.
Приклад 4.1. Для проектування роботи цифрових систем передачі необхідно враховувати вплив помилок, які виникають з тих чи інших причин в системі. Основним параметром розрахунку тут виступає ймовірність виникнення помилки p (t), яка є функцією часу і залежить від ряду факторів і значень параметрів, пов'язаних з різним впливом на систему. Прикладами такого впливу може служити інтерференція сигналів в радіочастотних системах передачі, алгоритмічний джіггер в системах SDH і т.д.
У залежності від природи впливу на систему, характер функції p (t) може істотно відрізнятися для різних систем. Для проектування потрібен розрахунок функції ймовірності в залежності від параметрів зовнішнього впливу на систему для визначення якісних параметрів роботи проектованої системи, визначення її стійкості до зовнішніх умов і т.д. Перевірити результати розрахунків можна тільки шляхом проведення експерименту або шляхом вимірювань на дослідному зразку. Проте теоретична величина - функція ймовірності виникнення помилки в системі - не може бути виміряна. Замість неї вимірюється параметр помилки по бітах - BER, який може бути представлений як:
nr, n BITS err
ВІК =, де BITS err ~ кількість бітів, уражених помилками,
BITS
a BITS - загальна кількість переданих бітів. Ця величина пов'язана з функцією ймовірності виникнення помилки відношенням:
представляє собою математичне сподівання функції ймовірності. За
значенням математичного очікування функція ймовірності може бути відновлена лише з певним ступенем вірогідності.
В описаному прикладі для того, щоб на підставі результатів можна було б відновити функцію ймовірності без помилок, необхідно було б проводити вимір ВЕЯ протягом нескінченно великого інтервалу вимірювань, що практично неможливо. Таким чином, отримане значення завжди виявляється якимось наближенням теоретичного і залежить від умов вимірювання, які визначаються методологією вимірювань, орієнтованої на мінімізацію помилки оцінки теоретичної величини.
У нашому прикладі основними параметрами вимірювання ВЕЯ виступають: алгоритм проведення вимірювань, інтервал часу вимірювання і вибір тестової послідовності для вимірювання. Значення цих параметрів залежать від передбачуваного характеру функції р (0 і повинні визначатися в ході розробки методики вимірювань.
Знання методології вимірювань не є обов'язковим для проведення експлуатаційних вимірювань при обслуговуванні сучасних систем зв'язку, які й становлять предмет цієї книги. Тим не менш включення цього матеріалу до книги за технологією вимірювань необхідно хоча б тому, що завжди залишаються такі питання, як: "Коли я вимірюю ВЕЯ, що ж я дійсно вимірюю, як я це вимірюю і не помиляюся я при вимірі?" Для відповіді на ці питання необхідно знати основи методології вимірювань. Неправильно обрана методологія може привести до помилки вимірювань, неправильному трактуванні результатів і т.д. Тому навіть самі загальні відомості про методологію можуть бути надзвичайно корисні при організації експлуатаційних вимірів.
Автор постарається не перевантажувати даний розділ математичними викладками, які можуть бути знайдені в спеціальній літературі за методологією. Мета даного розділу - показати основні методи вимірювань, які потім будуть зустрічатися в книзі, виділити підходи до розробки методик вимірювань, що знайшли відображення в міжнародних стандартах. Тема методології охоплює другу частину книги і голови 4-7. Основний упор у матеріалі робиться на опис методології експлуатаційних вимірювань цифрових каналів (гл. 6). Специфіка цифрових сигналів і можливість їх подання у вигляді діаграми описана в гл. 5, це розгляд корисно, оскільки надалі наведені діаграми будуть широко використовуватися в матеріалі книги, так що необхідно опис алгоритмів їх побудови. Широкий інтерес до вимірювань джіггера у вітчизняних фахівців привів до необхідності виділити методологію вимірювань джіггера в окрему главу - гол. 7. Додатково, деякі спеціальні питання методології вимірювань параметрів цифрових радіочастотних систем передачі розглядаються в гл. 10. Видається недоцільним відокремлювати методологію вимірювань радіочастотних середовищ передачі від реальних практичних методик експлуатаційних вимірів.
Слід зазначити, що основним предметом цього розділу є "внутрішня технологія" вимірів, а не конкретні методи експлуатаційних вимірів. Читачі, орієнтовані на вивчення технології експлуатаційних вимірювань при обслуговуванні мереж зв'язку, можуть без шкоди пропустити цей матеріал, використовуючи його при необхідності як довідковий.
5. Основні параметри, вимірювані в бінарному цифровому каналі
Як вже зазначалося вище, технологія вимірювань параметрів бінарного цифрового каналу є фундаментом для вимірювань будь-яких цифрових каналів, у зв'язку з чим практично всі параметри, вимірювані в бінарному цифровому каналі, будуть зустрічатися в технології вимірювань цифрових каналів первинної та вторинних цифрових мереж.
Перш ніж розглядати технологію вимірювань параметрів бінарного цифрового каналу, необхідно визначити ці параметри. Нижче наведені основні параметри, вимірювані в бінарному цифровому каналі, які описані у відповідності зі скороченнями, використовуваними в меню більшості приладів. В основному це параметри, використовувані для аналізу характеристик бінарного каналу згідно з рекомендаціями ITU - T G. 821, G. 826 і M. 2100.
AS - availability seconds час готовності каналу (с) - вторинний параметр, що дорівнює різниці між загальною тривалістю тесту і часом неготовність каналу.
AS (%) - Availability seconds відносний час готовності каналу - параметр, що характеризує готовність каналу, виражений у відсотках. На відміну від AS, AS (%) є первинним параметром і входить до числа основних параметрів рекомендації G .821. Його можна інтерпретувати як ймовірнісну міру якості наданого користувачеві каналу.
ВВЕ - background block error блок з фоновою помилкою - блок з помилками, не є частиною SES, застосовується при аналізі помилок по блоках. Є важливим параметром, який увійшов до рекомендацію ITU - T G. 826.
BIT або BIT ERR - bit errors число помилкових бітів - параметр, який використовується при аналізі каналу на наявність бітових помилок, є чисельником у виразі для розрахунку BER. Бітові помилки підраховуються тільки під час перебування каналу в стані готовності.
ЕВ - error block число помилкових блоків - параметр, який використовується при аналізі каналу на наявність блокових помилок, є чисельником у виразі для розрахунку BLER. Блокові помилки підраховуються тільки під час перебування каналу в стані готовності.
BBER - background block error rate коефіцієнт помилок по блоках з фоновими помилками - відношення числа блоків з фоновими помилками до всієї кількості блоків протягом часу готовності каналу за винятком всіх блоків протягом SES. Є важливим параметром, який увійшов до рекомендацію ITU - T G. 826.
BER або RATE - bit error rate частота бітових помилок, коефіцієнт помилок по бітах - основний параметр в системах цифрової передачі, рівний відношенню числа бітових помилок до загального числа біт, переданих за час проведення тесту по каналу, що знаходиться в стані готовності. При виявленні десяти послідовних секундних інтервалів, сильно уражених помилками (SES), аналізатор перемикається на підрахунок часу неготовність каналу. При цьому вимір BER переривається до відновлення працездатності каналу. Таким чином, керовані прослизання, пов'язані з втратою одного або декількох циклів інформації, практично не впливають на значення BER. Вимірювання параметра BER універсальні в тому сенсі, що не вимагають наявності циклової і сверхцікловой структури у вимірюваному потоці, однак вимагають передачі спеціальної тестової послідовності і можуть бути проведені тільки у випадку повного або часткового відключення цифрового каналу від корисного навантаження.
BLER - block error rate частота блокових помилок, коефіцієнт помилок по блоках - рідко застосовуваний на практиці параметр, що дорівнює відношенню числа помилкових блоків даних до загального числа переданих блоків. Під блоком розуміється задану кількість бітів. Помилковим блоком вважається блок, який містить хоча б один хибний біт. Зазвичай значення параметра BLER більше (гірше), ніж параметра BER. Його доцільно вимірювати тільки в тих мережах передачі даних, де інформація передається блоками фіксованого розміру, а параметр BLER є важливою характеристикою каналу з урахуванням кадрової (циклової) структури передачі.
Наприклад, для мереж ATM прийнята кадрова структура передачі у вигляді кадрів довжини 53 біта. Помилковий кадр знищується (діскартіруется). У цьому випадку можна вважати кадр ATM як блок завдовжки в 53 біта, а еквівалентом BLER буде параметр помилки з кадрів CER (Cell Error Rate). В іншому прикладі як еквівалент блоку може виступати надцикл ІКМ, а еквівалентом BLER нічого не вийде за CRC.
CLKSLIP або SLIP - clock slips число тактових прослизань - параметр, що характеризується числом синхронних керованих прослизань, що з'явилися з моменту початку тесту. Прослизанням називається повторення або виключення групи символів в синхронній або плезіохронної послідовності двійкових символів у результаті відмінності між швидкостями зчитування та запису в буферній пам'яті. Оскільки прослизання веде до втрати частини інформації, що в свою чергу веде до втрати циклової синхронізації, на практиці використовуються еластичні керовані буфери з можливістю управління прослизання. У цьому випадку прослизання називаються керованими. Найбільшою мірою параметр CLKSLIP пов'язаний з параметром неготовність каналу (UAS). Зіставлення CLKSLIP і UAS дозволяє виявити причину неготовності каналу, зокрема, чи пов'язана вона з порушенням синхронізації. Значення параметра CLKSLIP залежить від розміру імітованого приладом буфера, який може бути від 1 біта до декількох кілобайт.
CRC ERR - CRC errors число помилок CRC - Параметр помилки, виміряний з використанням циклового надлишкового коду (CRC), поширений параметр визначення помилок реально працюючого каналу без його відключення і без передачі тестової послідовності. Необхідною умовою вимірювання параметра CRC є наявність механізму формування коду в апаратурі передачі. Вбудовані засоби самодіагностики сучасних більшої частини цифрових систем передачі використовують саме цей механізм. Таким чином, при вимірюванні параметра CRC можна не тільки оцінити частоту помилок, але і перевірити роботу системи самодіагностики.
При використання CRC часто виникає питання про необхідність вимірювання одночасно з ним і параметра BER. Тут необхідно враховувати дві особливості застосування CRC. По-перше, кожна помилка CRC не обов'язково пов'язана з помилкою одного біта інформації. Кілька бітових помилок в одному надцикл можуть дати тільки одну помилку CRC для блоку. По-друге, кілька бітових помилок можуть компенсувати один одного і не увійти в сумарну оцінку CRC. Таким чином, при використанні CRC можна говорити не про справжній рівні помилок в каналі, а тільки про оцінку їх величини. Тим не менш, CRC є зручним методом контролю помилок при проведенні сервісного спостереження за працюючим каналом, коли практично неможливо виміряти реальні параметри бітових помилок.
CRC RATE - CRC errors rate частота помилок CRC - Показує середню частоту помилок CRC. За описаних вище причин буває лише частково коррелирован з параметром BER.
DGRM - degraded minutes число хвилин деградації якості - кілька тимчасових інтервалів тривалістю 1960 з кожен, коли канал перебуває у стані готовності, але BER = 10 "6. Помилки під час неготовності канали не рахуються, а інтервали по 60 з в стані готовності каналу, уражені помилками кілька разів, сумуються.
DGRM (%) - Degraded minutes відсоток хвилин деградації якості - кількість хвилин деградації якості, виражене у відсотках по відношенню до часу, що пройшов з моменту початку тестування.
EFS - error free seconds час, вільний від помилок (с) - один з первинних параметрів, що входять до рекомендації G .821 і М.2100/М.550. Відбиває час, протягом якого сигнал був правильно синхронізований, а помилки були відсутні, тобто загальний час перебування каналу в стані безпомилкової роботи.
EFS (%) - Error free seconds відсоток часу, вільного від помилок (с) - те саме, що і попередній параметр, тільки виражений у відсотках по відношенню до загального часу з моменту початку тестування.
ES - errors seconds тривалість поразки сигналу помилками, кількість секунд з помилками (с) - параметр показує інтервал часу поразки всіма видами помилок в каналі, що знаходиться у стані готовності. ES пов'язаний з іншими параметрами простим співвідношенням: AS = ES + EFS.
ES (%) - Errors seconds відсоток ураження сигналу помилками - параметр пов'язаний з EFS (%) співвідношенням: ES (%) + EFS (%) = AS (%).
ESR - error seconds rate коефіцієнт помилок по секундах з помилками - параметр, практично рівний ES (%).
LOSS - loss of signal seconds тривалість втрати сигналу (з) - параметр характеризує інтервал часу, протягом якого сигнал був втрачений.
PATL - pattern loss кількість втрат тестової послідовності - параметр, що характеризується числом втрат тестової послідовності, що з'явилися з моменту початку тесту.
PATLS - pattern loss seconds тривалість часу втрати тестової послідовності - загальний час втрати тестової послідовності з моменту початку тесту.
SES - severally errors seconds тривалість багаторазового поразки помилками, кількість секунд, уражених помилками (с) - SES - інтервал часу, що вимірюється в секундах, вражений помилками кілька разів. Саме тоді частота бітових помилок становить BER> 10 -3. Підрахунок SES проводиться тільки під час готовності каналу. З визначення видно, що SES-складова частина параметра ES. Друга інтерпретація параметра SES пов'язана з вимірами по блоковою помилок, тоді SES визначається як Односекундний інтервал часу, що містить більше 30% блоків з помилками. Можна сказати, що під час підрахунку параметра SES якість каналу надзвичайно погане. Тому параметр SES є дуже важливим і входить до переліку обов'язкових до вимірювання параметрів ІКМ рекомендацій G.821 і М.2100/М.550.
SES (%) - severally errors seconds відносна тривалість багаторазового поразки помилками - той же параметр, виражений у відсотках.
SESR - severally error seconds rate коефіцієнт помилок по секундах, ураженим помилками - параметр, практично рівний SES (%).
SLIP або CLKSLIP - clock slips число тактових прослизань - параметр, що характеризується числом синхронних керованих прослизань, що з'явилися з моменту початку тесту. Найбільшою мірою цей параметр пов'язаний з параметром неготовність каналу (UAS). Зіставлення CLKSLIP і UAS дозволяє виявити причину неготовності каналу, зокрема, чи пов'язана вона з порушенням синхронізації. Значення параметра CLKSLIP залежить від розміру імітованого приладом буфера, який може бути від 1 біта до декількох кілобайт.
SLIPS або CLKSLIPS - clock slips seconds тривалість тактових прослизань - параметр характеризується загальним часом з наявністю синхронних керованих прослизань.
UAS - unavailability seconds час неготовності каналу (с) - час неготовності каналу починає відраховуватися з моменту виявлення 10 послідовних інтервалів SES і збільшується після кожних наступних 10 послідовних інтервалів SES. Рахунок UAS зазвичай починається також з моменту втрати циклової синхронізації або сигналу. Цей параметр пов'язаний з усіма попередніми параметрами і визначає стабільність роботи цифрового каналу.
UAS (%) - Unavailability seconds відносний час неготовності каналу - попередній параметр, виражений у відсотках.
6. Тестові послідовності
Для організації вимірювань з відключенням каналу використовується генератор і аналізатор тестової послідовності, підключені до різних кінцях цифрового каналу. Між генератором і аналізатором тестової послідовності існує синхронізація по тестової послідовності, тобто процедура, в результаті якої аналізатор має можливість передбачення наступного значення кожного прийнятого біта.
У практиці використовуються два типи тестових послідовностей - фіксовані та псевдовипадкові послідовності (ПСП, PRBS - Pseudorandom Binary Sequence).
Фіксованими послідовностями є послідовності чергуються повторюваних комбінацій бітів. В якості прикладу розглянемо альтернативну фіксовану послідовність типу 1010, в якій після кожного 0 йде 1.
Процедура синхронізації тестової послідовності в цьому випадку може бути надзвичайно проста: аналізатор заздалегідь запрограмований на очікування альтернативної послідовності, при прийомі 1 він передбачає появу в якості наступного біта 0, і в разі прийому 1 робиться висновок про бітової помилку. Реальна процедура синхронізації дещо складніше, оскільки потрібно перевірка, чи не є першим прийнятий біт помилковим. Для цього проводиться перевірка правильної синхронізації в перебігу декількох послідовних груп бітів (блоків), при цьому сама процедура синхронізації аналогічна. Така процедура синхронізації є процедуру без вказівки на початок циклу.
Другим способом синхронізації фіксованого тестової послідовності є процедура із зазначенням початку циклу, згідно з якою початок циклу задається спеціальним бітом чи послідовністю бітів (нижче званим бітом f).
На практиці можуть використовуватися обидві процедури синхронізації тестової послідовності. Останнім часом виробники схиляються до максимально широкого впровадження процедури із зазначенням початку циклу, оскільки в цьому випадку синхронізація тестової послідовності здійснюється протягом декількох циклів - близько 8-16 переданих бітів. Виняток становлять постійні фіксовані послідовності 0000 і 1111, де процедура із зазначенням початку циклу не має сенсу.
У сучасній практиці використовуються наступні фіксовані тестові послідовності:
1111 - всі одиниці. Фіксована послідовність одиниць, яка використовується звичайно для розширеного і стресового тестування каналу. Наприклад, якщо послідовність надіслана в неструктурованому потоці Е1, то це буде зрозуміло як сигнал несправності (AIS). '
1010 - альтернативна. Фіксована последорательность з чергуються нулів та одиниць. Послідовність може передаватися без вказівки або із зазначенням початку циклу - f 0101 0101.
ОООО - все нулі. Фіксована послідовність нулів, використовувана зазвичай для розширеного і стресового тестування каналу.
FOX. Фіксована послідовність FOX використовується в додатках передачі даних. Переклад послідовності в ASCII є пропозицією "Quick brown fox. ". Синхронізація послідовності здійснюється правильним перекладом пропозиції. Нижче наведена послідовність:
2А, 12, А2, 04, 8А, АА, 92, С2, D 2, 04, 42, 4А, F 2, ЕА, 72, 04, 62, F 2, 1А, 04, 52, АА, В2, OA , СА, 04, F 2, 6А, А2, 4А, 04, 2А, 12, А2, 04, 32, 82, 5А, 9А, 04, 22, F 2, Е2, 04, 8С, 4С, СС, 2С , AC, 6С, ЄС, 1С, 9С, ОС, ВО, 50
1-3 - одна одиниця на три біта. Промисловий стандарт 1 у 3-х використовується для розширеного і стресового тестування каналу. Послідовність передається з вказівкою на початок циклу: f 010
1-4 - одна одиниця на три біта. Промисловий стандарт 1 в 4-х використовується для розширеного і стресового тестування каналу. Послідовність передається з вказівкою на початок циклу: f 0100
1-8 - одна одиниця на вісім бітів. Промисловий стандарт 1 у 8-ми використовується для розширеного і стресового тестування каналу. Послідовність передається з вказівкою на початок циклу: f 0100 0000
3-24 - три одиниці на 24 біта. Промисловий стандарт 3 в 24-х використовується для розширеного і стресового тестування каналу. Послідовність передається з вказівкою на початок циклу: f 0100 0100 0000 0000 0000 0100
Крім перерахованих стандартних фіксованих послідовностей, можуть використовуватися довільні слова і пропозиції. Процедура синхронізації та аналізу бітових помилок може бути організована на основі вказівки на початок циклу або на основі перевірки правильності перекладу слів і пропозицій. Друга процедура найбільш часто використовується в практиці.
Використання фіксованих послідовностей останнім часом рекомендовано головним чином для навантажувального тестування апаратури кодування / декодування. Тому найбільш часто використовуються тестові послідовності з безліччю нулів. Як відомо, при передачі двійкової послідовності наявність послідовності з декількох нулів рівносильне відсутності сигналу (0 зазвичай передається сигналом нульової амплітуди). У результаті генерації послідовностей з безліччю нулів можна проаналізувати роботу каналу в разі природного зникнення сигналу.
Література
Шквір В.Д. Інформаційні системи І Технології в Обліку. Львів, 2009 р.
Маслов В.П. Інформаційні системи І Технології в економіці: Навчальний посібник - Київ: "Слово", 2007 р.
Карпенко С.Г., Попов В.В. Інформаційні системи І Технології. Київ: МАУП, 2004 р.
Основи теорії кіл: Методичні вказівки до курсової роботи для студентів - заочників спеціальності 23.01 "Радіотехніка" / Укл. Коваль Ю.О., Праги О.В. - Харків: ХІРЕ, 2001. - 63 с.
Зернов Н.В., Карпов В.Г. "Теорія електричних ланцюгів". Видання 2-е, перероб. і доп., Л., "Енергія", 19872.
Основи радіоелектроніки - Довідник - Х - 2005 р.