Білоруський державний університет
ІНФОРМАТИКИ ІРАДІОЕЛЕКТРОНІКІ
Кафедра метрології та стандартизації
РЕФЕРАТ
На тему:
«Вимірювання параметрів і характеристик чотириполюсників. Ідентифікація неоднорідностей та пошкоджень у лініях зв'язку »
МІНСЬК, 2008
Вимірювання параметрів і характеристик чотириполюсників
Вимірювання групового часу запізнювання
Загальні відомості. Класифікація методів і приладів для вимірювання групового часу запізнювання
Відхилення частотної характеристики фазового зсуву від лінійної називають фазовим спотворенням.
Багаточастотний широкосмуговий сигнал проходячи по лінії зв'язку спотворюється, тобто його форма на виході не збігається з формою на вході. Це спотворення виникає внаслідок того, що різні частотні складові запізнюються на різний час. Для кількісної оцінки фазових спотворень введено поняття групового часу запізнювання (ГВЗ). Абсолютна ГВЗ визначається похідною абсолютного фазового кута з групової частоті
де
Абсолютний фазовий кут
Підставляючи (2.2) в (2.1), отримуємо
Другий доданок у формулі (3) показує залежність часу поширення сигналу від частоти.
При практичних вимірах ГВЗ нескінченно малі збільшення фази і частоти замінюють кінцевими приростами і визначають відносне ГВЗ
де j ¢ та j ² - фазові зрушення на частотах w ¢ і w ² відповідно
Значення ГВЗ однозначно визначає величину фазових спотворень сигналу.
Чотириполюсник (ПП) не вносить спотворень, якщо ГВЗ зберігається постійним у всьому діапазоні частот. В іншому випадку НС вносить фазові спотворення. При вимірі ГВЗ найбільш часто використовується два методи:
- Метод вимірювання по точках (по фазовій характеристиці);
- Метод передачі модульованих сигналів (метод Найквіста).
Вимірювання ГВЗ по фазовій характеристиці
Суть методу полягає у вимірюванні фазових зрушень чотириполюсника (ПП) у різних частотних точках робочої смуги частот. За результатами цих вимірів будується ФЧХ ПП (рисунок 1).
По цій характеристиці визначається значення Δφ і Δf для різних ділянок частотного діапазону, а потім за формулою (2.4) обчислюється ГВЗ. У свою чергу за результатами цих обчислень будується залежність t гр від частоти. Такий метод апаратурно простий, але має великий трудомісткістю і відносно низькою точністю. Поетом на практиці частіше використовують метод Найквіста.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Метод Найквіста
Суть методу полягає в порівнянні фазового зсуву огинають модульованих по амплітуді сигналів на вході і виході досліджуваного НП. На малюнку 2 наведена спрощена структурна схема приладу, що реалізують розглянутий метод.
SHAPE \ * MERGEFORMAT 
Високочастотний генератор виробляє сигнал, який модулюється за амплітудою низькочастотним сигналом від внутрішнього або зовнішнього джерела. Цей сигнал одночасно надходить на амплітудний детектор 1 безпосередньо і через ПП на амплітудний детектор 2. Після детектування огинають з виходів детекторів подаються на фазометр, який вимірює фазовий зсув між ними, описуваний виразом:
З цього виразу можна визначити t гр
Так як частота модуляції Fм величина постійна, то шкалу фазометра градуюють в одиницях ГВЗ.
Для автоматизації процесу вимірювання ГВЗ в смузі частот як ВЧ генератора використовують ГКЧ. Покажчик фазометра встановлюють на нульову позначку на середній частоті діапазону. Тоді при гойданні частоти свідчення фазометра будуть відповідати ГВЗ.
Ідентифікація неоднорідностей та пошкоджень у лініях зв'язку
Імпульсний метод
Загальна характеристика імпульсного методу
Імпульсний метод вимірювання параметрів ліній зв'язку заснований на явищі відображення електромагнітних хвиль у місцях зміни хвильового опору лінії (W).
Цей метод дозволяє, по-перше, виміряти, а потім порівняти з встановленими нормами неоднорідності і характеристичні опору ліній, а по-друге, визначити місце і характер кожного ушкодження.
За видом і величиною відображених імпульсів судять про характер неоднорідностей і пошкоджень в лінії.
Принцип імпульсних вимірювань полягає в зондуванні лінії короткими імпульсами, які, поширюючись по лінії, частково відбиваються від неоднорідностей (КЗ, ХХ, обрив, зміна хвильового опору) і повертаються до того місця, звідки були послані. При цьому на екрані ЕПТ відображені імпульси будуть зміщені на деякий час t щодо зондуючого імпульсу. Це час одно часу пробігу зондуючого імпульсу до неоднорідності і назад. Таким чином відстань до неоднорідності l х при відомій швидкості розповсюдження електромагнітних хвиль в лінії υ можна визначити за формулою:
У свою чергу
де С - швидкість світла;
Цей вираз показує, що швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль буде різна для різних ліній передач. Тому, щоб використовувати вираз (6), в якості алгоритму вимірювання l х необхідно ввести поправочний коефіцієнт γ, що враховує відхилення υ від С. Цей коефіцієнт називається коефіцієнтом укорочення електромагнітної хвилі і визначається як:
Значення γ вказується в довідковій літературі для різних типів ліній зв'язку.
Величина неоднорідності характеризується коефіцієнтом відбиття, який визначається за формулою
де
З формули (7) видно, що амплітуда і фаза відбитого сигналу залежать від співвідношення між
Розглянемо три випадки, які ілюструються малюнками 3 а, б, в.
1 Z нд = W, Г = 0
SHAPE \ * MERGEFORMAT 
2 Z нд = 0, Г = -1
SHAPE \ * MERGEFORMAT 
3 Z нд = ∞, Г = 1
SHAPE \ * MERGEFORMAT 
При зондуванні реальної лінії передачі на екрані приладу з'явиться стільки відображених сигналів, скільки існує неоднорідностей в лінії, і ще безліч дрібних відображених імпульсів, що виникають через неоднорідностей технологічного характеру і перевідбиттів.
Так для лінії передачі довжиною l розімкнутої на кінці і має на відстані l 1 поганий контакт, що еквівалентно додатковому опору R 1, а на відстані l 2 витік з опором R 2, еквівалентна схема та її імпульсна характеристика буде мати наступний вигляд:
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Переваги імпульсного методу:
1) дозволяє розрізнити кілька неоднорідностей або пошкоджень, що існують одночасно, і визначити відстань до кожної з них;
2) придатний для визначення місць пошкоджень, що мають нестійкий або комбінований характер;
3) швидко і наочно проводити самі вимірювання.
Недоліки:
нечутливість до деяких видів ушкоджень (наприклад, зниження опору ізоляції).
Параметри і характеристики приладів, що реалізують імпульсний метод
До найбільш важливих характеристик приладів, що реалізують імпульсний метод, можна віднести:
- Максимальну дальність дії;
- Роздільну здатність
- Точність.
Максимальна дальність дії визначається двома групами факторів: енергетичними та тимчасовими.
Енергетичні фактори зводяться до того, що енергія відбитого сигналу на вході приладу повинна бути більше деякого порогового значення. Отже, максимальна дальність дії залежить від енергії (величини) зондуючого імпульсу, коефіцієнта посилення підсилювача приходять імпульсів, чутливості ЕПТ, рівня шумів і загасання лінії.
Тимчасові фактори зводяться до того, що максимальна тривалість розгортки (Т р. Max) разом з максимальною затримкою (τ р. Max) повинна бути більше максимальної затримки відбитого імпульсу:
τ 0 max <Т р. max + τ р. max = T З.І.,
де T З.І. період повторення зондирующих імпульсів.
Роздільна здатність - мінімальна відстань між двома неоднорідностями, при якому ці неоднорідності будуть спостерігатися на рефлектограмм роздільно.
Роздільна здатність залежить від тривалості зондуючого імпульсу τ зи і дорівнює
З виразу (2.8) видно, що для збільшення роздільної здатності (зменшення l min) тривалість зондуючого імпульсу треба зменшувати. Але зменшення тривалості імпульсу призводить до розширення його спектру та, як наслідок, до великих спотворень його в лінії і зменшення його енергії. Тому вибір значення τ З.І. це завжди компроміс між різними факторами.
Точність вимірювання імпульсним методом достатньо висока і залежить від енергії зондирующих імпульсів, швидкість поширення в лінії передачі, відстані до місця неоднорідності і частотної характеристики загасання досліджуваної лінії.
Імпульсні рефлектометри з зондирующим відеоімпульсів і перепадом напруги
Можливі два способи реалізації імпульсного методу і відповідно два способи зондування лінії: коротким відеоімпульсів і одиничним перепадом напруги.
Перший спосіб застосовується для дослідження ліній великої протяжності, а другий при дослідженні трактів і пристроїв НВЧ.
Типова структурна схема імпульсного рефлектометра наведена на рисунку 5.
Згідно структурній схемі синусоїдальні коливання генератора, що задає (ЗГ) перетворюються калібратором в короткі імпульси, які використовуються для калібрування приладу і синхронізації роботи його вузлів. Ці імпульси запускають тактовий генератор, що задає тимчасової зображення залежно від вимірюваного відстані. У свою чергу імпульси тактового генератора запускають дві схеми затримки: розгортки і генератора. Вихідні сигнали цих схем запускають генератор розгортки і генератор зондирующих імпульсів.
Відлік часу пробігу зондуючого імпульсу до неоднорідності і назад здійснюється за допомогою схеми затримки розгортки. Час затримки розгортки плавно регулюється до суміщення фронту відбитого імпульсу з вертикальною лінією на екрані ЕПТ, з якою до початку вимірювання був суміщений фронт зондуючого імпульсу.
Відлік вимірюваного відстані до неоднорідності проводиться безпосередньо за шкалою рефлектометра з урахуванням обраного піддіапазону і коефіцієнта укорочення для обраного типу лінії.
Зміна масштабу проглядається ділянки лінії на екрані ЕПТ здійснюється регулюванням швидкості розгортки.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
У залежності від вимірюваного відстані вибирається тривалість зондуючого імпульсу, тому що від неї залежить роздільна здатність.
Калібрування приладу здійснюється за допомогою калібраціонних міток, які подаються на ЕПТ через підсилювач.
При дослідженні трактів НВЧ використовуються рефлектометри з перепадом напруги. Так як ці тракти мають невелику протяжність, то підвищена значення у них має роздільна здатність. У таких рефлектометра використовуються зондувальні імпульси у вигляді перепаду напруги пикосекундной і наносекундной тривалості.
Ці зондувальні імпульси формуються генераторами на основі діодів Ганна і діодів з нагромадженням заряду (ДНЗ).
Імпульсні рефлектометри призначені для вимірювань на повітряних лініях зв'язку, дозволяють визначити пошкодження на відстані 2 - 300 км , В ланцюгах з кольорового металу і до 100 км в ланцюгах із сталі з похибкою 0,5 - 1,5 км .
Вимірники неоднорідних кабелів мають діапазон вимірювання відстані від декількох метрів до десятків кілометрів. Похибка вимірювання залежить від виміряного відстані і складає одиниці-десятки метрів.
ЛІТЕРАТУРА
1Метрологія і Електровимірювання в телекомунікаційних системах: Підручник для вузів / А.С. Сігов, Ю.Д. Бєлік. та ін / За ред. В.І. Нефедова. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Вищ. шк., 2005.
2Бакланов І.Г. Технології вимірювань у сучасних телекомунікації. - М.: ЕКО-Трендз, 2007.
3Метрологія, стандартизація і вимірювання в техніці зв'язку: Учеб. посібник для вузів / Під ред. Б.П. Кульгавого. - М.: Радіо і зв'язок, 2006.
ІНФОРМАТИКИ ІРАДІОЕЛЕКТРОНІКІ
Кафедра метрології та стандартизації
РЕФЕРАТ
На тему:
«Вимірювання параметрів і характеристик чотириполюсників. Ідентифікація неоднорідностей та пошкоджень у лініях зв'язку »
МІНСЬК, 2008
Вимірювання параметрів і характеристик чотириполюсників
Вимірювання групового часу запізнювання
Загальні відомості. Класифікація методів і приладів для вимірювання групового часу запізнювання
Відхилення частотної характеристики фазового зсуву від лінійної називають фазовим спотворенням.
Багаточастотний широкосмуговий сигнал проходячи по лінії зв'язку спотворюється, тобто його форма на виході не збігається з формою на вході. Це спотворення виникає внаслідок того, що різні частотні складові запізнюються на різний час. Для кількісної оцінки фазових спотворень введено поняття групового часу запізнювання (ГВЗ). Абсолютна ГВЗ визначається похідною абсолютного фазового кута з групової частоті
де
Абсолютний фазовий кут
Підставляючи (2.2) в (2.1), отримуємо
Другий доданок у формулі (3) показує залежність часу поширення сигналу від частоти.
При практичних вимірах ГВЗ нескінченно малі збільшення фази і частоти замінюють кінцевими приростами і визначають відносне ГВЗ
де j ¢ та j ² - фазові зрушення на частотах w ¢ і w ² відповідно
Значення ГВЗ однозначно визначає величину фазових спотворень сигналу.
Чотириполюсник (ПП) не вносить спотворень, якщо ГВЗ зберігається постійним у всьому діапазоні частот. В іншому випадку НС вносить фазові спотворення. При вимірі ГВЗ найбільш часто використовується два методи:
- Метод вимірювання по точках (по фазовій характеристиці);
- Метод передачі модульованих сигналів (метод Найквіста).
Вимірювання ГВЗ по фазовій характеристиці
Суть методу полягає у вимірюванні фазових зрушень чотириполюсника (ПП) у різних частотних точках робочої смуги частот. За результатами цих вимірів будується ФЧХ ПП (рисунок 1).
По цій характеристиці визначається значення Δφ і Δf для різних ділянок частотного діапазону, а потім за формулою (2.4) обчислюється ГВЗ. У свою чергу за результатами цих обчислень будується залежність t гр від частоти. Такий метод апаратурно простий, але має великий трудомісткістю і відносно низькою точністю. Поетом на практиці частіше використовують метод Найквіста.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Δf |
Δφ |
φ |
f |
Малюнок 1 |
Метод Найквіста
Суть методу полягає в порівнянні фазового зсуву огинають модульованих по амплітуді сигналів на вході і виході досліджуваного НП. На малюнку 2 наведена спрощена структурна схема приладу, що реалізують розглянутий метод.
ВЧ генератор |
ПП |
Фазометр |
Малюнок 2 |
Високочастотний генератор виробляє сигнал, який модулюється за амплітудою низькочастотним сигналом від внутрішнього або зовнішнього джерела. Цей сигнал одночасно надходить на амплітудний детектор 1 безпосередньо і через ПП на амплітудний детектор 2. Після детектування огинають з виходів детекторів подаються на фазометр, який вимірює фазовий зсув між ними, описуваний виразом:
З цього виразу можна визначити t гр
Так як частота модуляції Fм величина постійна, то шкалу фазометра градуюють в одиницях ГВЗ.
Для автоматизації процесу вимірювання ГВЗ в смузі частот як ВЧ генератора використовують ГКЧ. Покажчик фазометра встановлюють на нульову позначку на середній частоті діапазону. Тоді при гойданні частоти свідчення фазометра будуть відповідати ГВЗ.
Ідентифікація неоднорідностей та пошкоджень у лініях зв'язку
Імпульсний метод
Загальна характеристика імпульсного методу
Імпульсний метод вимірювання параметрів ліній зв'язку заснований на явищі відображення електромагнітних хвиль у місцях зміни хвильового опору лінії (W).
Цей метод дозволяє, по-перше, виміряти, а потім порівняти з встановленими нормами неоднорідності і характеристичні опору ліній, а по-друге, визначити місце і характер кожного ушкодження.
За видом і величиною відображених імпульсів судять про характер неоднорідностей і пошкоджень в лінії.
Принцип імпульсних вимірювань полягає в зондуванні лінії короткими імпульсами, які, поширюючись по лінії, частково відбиваються від неоднорідностей (КЗ, ХХ, обрив, зміна хвильового опору) і повертаються до того місця, звідки були послані. При цьому на екрані ЕПТ відображені імпульси будуть зміщені на деякий час t щодо зондуючого імпульсу. Це час одно часу пробігу зондуючого імпульсу до неоднорідності і назад. Таким чином відстань до неоднорідності l х при відомій швидкості розповсюдження електромагнітних хвиль в лінії υ можна визначити за формулою:
У свою чергу
де С - швидкість світла;
Цей вираз показує, що швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль буде різна для різних ліній передач. Тому, щоб використовувати вираз (6), в якості алгоритму вимірювання l х необхідно ввести поправочний коефіцієнт γ, що враховує відхилення υ від С. Цей коефіцієнт називається коефіцієнтом укорочення електромагнітної хвилі і визначається як:
Значення γ вказується в довідковій літературі для різних типів ліній зв'язку.
Величина неоднорідності характеризується коефіцієнтом відбиття, який визначається за формулою
де
З формули (7) видно, що амплітуда і фаза відбитого сигналу залежать від співвідношення між
Розглянемо три випадки, які ілюструються малюнками 3 а, б, в.
1 Z нд = W, Г = 0
U З |
Рисунок 3 а) |
U З |
Малюнок 3 б) |
U 0 |
U З |
Малюнок 3 в) |
U 0 |
При зондуванні реальної лінії передачі на екрані приладу з'явиться стільки відображених сигналів, скільки існує неоднорідностей в лінії, і ще безліч дрібних відображених імпульсів, що виникають через неоднорідностей технологічного характеру і перевідбиттів.
Так для лінії передачі довжиною l розімкнутої на кінці і має на відстані l 1 поганий контакт, що еквівалентно додатковому опору R 1, а на відстані l 2 витік з опором R 2, еквівалентна схема та її імпульсна характеристика буде мати наступний вигляд:
Імпульсний рефлектометр |
U 01 |
U 02 |
l 1 |
l 2 |
l 3 |
Малюнок 4 |
R 1 |
U ок |
U З |
Переваги імпульсного методу:
1) дозволяє розрізнити кілька неоднорідностей або пошкоджень, що існують одночасно, і визначити відстань до кожної з них;
2) придатний для визначення місць пошкоджень, що мають нестійкий або комбінований характер;
3) швидко і наочно проводити самі вимірювання.
Недоліки:
нечутливість до деяких видів ушкоджень (наприклад, зниження опору ізоляції).
Параметри і характеристики приладів, що реалізують імпульсний метод
До найбільш важливих характеристик приладів, що реалізують імпульсний метод, можна віднести:
- Максимальну дальність дії;
- Роздільну здатність
- Точність.
Максимальна дальність дії визначається двома групами факторів: енергетичними та тимчасовими.
Енергетичні фактори зводяться до того, що енергія відбитого сигналу на вході приладу повинна бути більше деякого порогового значення. Отже, максимальна дальність дії залежить від енергії (величини) зондуючого імпульсу, коефіцієнта посилення підсилювача приходять імпульсів, чутливості ЕПТ, рівня шумів і загасання лінії.
Тимчасові фактори зводяться до того, що максимальна тривалість розгортки (Т р. Max) разом з максимальною затримкою (τ р. Max) повинна бути більше максимальної затримки відбитого імпульсу:
τ 0 max <Т р. max + τ р. max = T З.І.,
де T З.І. період повторення зондирующих імпульсів.
Роздільна здатність - мінімальна відстань між двома неоднорідностями, при якому ці неоднорідності будуть спостерігатися на рефлектограмм роздільно.
Роздільна здатність залежить від тривалості зондуючого імпульсу τ зи і дорівнює
З виразу (2.8) видно, що для збільшення роздільної здатності (зменшення l min) тривалість зондуючого імпульсу треба зменшувати. Але зменшення тривалості імпульсу призводить до розширення його спектру та, як наслідок, до великих спотворень його в лінії і зменшення його енергії. Тому вибір значення τ З.І. це завжди компроміс між різними факторами.
Точність вимірювання імпульсним методом достатньо висока і залежить від енергії зондирующих імпульсів, швидкість поширення в лінії передачі, відстані до місця неоднорідності і частотної характеристики загасання досліджуваної лінії.
Імпульсні рефлектометри з зондирующим відеоімпульсів і перепадом напруги
Можливі два способи реалізації імпульсного методу і відповідно два способи зондування лінії: коротким відеоімпульсів і одиничним перепадом напруги.
Перший спосіб застосовується для дослідження ліній великої протяжності, а другий при дослідженні трактів і пристроїв НВЧ.
Типова структурна схема імпульсного рефлектометра наведена на рисунку 5.
Згідно структурній схемі синусоїдальні коливання генератора, що задає (ЗГ) перетворюються калібратором в короткі імпульси, які використовуються для калібрування приладу і синхронізації роботи його вузлів. Ці імпульси запускають тактовий генератор, що задає тимчасової зображення залежно від вимірюваного відстані. У свою чергу імпульси тактового генератора запускають дві схеми затримки: розгортки і генератора. Вихідні сигнали цих схем запускають генератор розгортки і генератор зондирующих імпульсів.
Відлік часу пробігу зондуючого імпульсу до неоднорідності і назад здійснюється за допомогою схеми затримки розгортки. Час затримки розгортки плавно регулюється до суміщення фронту відбитого імпульсу з вертикальною лінією на екрані ЕПТ, з якою до початку вимірювання був суміщений фронт зондуючого імпульсу.
Відлік вимірюваного відстані до неоднорідності проводиться безпосередньо за шкалою рефлектометра з урахуванням обраного піддіапазону і коефіцієнта укорочення для обраного типу лінії.
Зміна масштабу проглядається ділянки лінії на екрані ЕПТ здійснюється регулюванням швидкості розгортки.
ЗГ і калібратор |
Генератор тактовий |
Схема затримки запуску генератора |
Генератор зондирующих імпульсів |
Схема затримки розгортки |
Схема розгортки |
Підсилювач відображених імпульсів |
Малюнок 5 |
ЕПТ |
У залежності від вимірюваного відстані вибирається тривалість зондуючого імпульсу, тому що від неї залежить роздільна здатність.
Калібрування приладу здійснюється за допомогою калібраціонних міток, які подаються на ЕПТ через підсилювач.
При дослідженні трактів НВЧ використовуються рефлектометри з перепадом напруги. Так як ці тракти мають невелику протяжність, то підвищена значення у них має роздільна здатність. У таких рефлектометра використовуються зондувальні імпульси у вигляді перепаду напруги пикосекундной і наносекундной тривалості.
Ці зондувальні імпульси формуються генераторами на основі діодів Ганна і діодів з нагромадженням заряду (ДНЗ).
Імпульсні рефлектометри призначені для вимірювань на повітряних лініях зв'язку, дозволяють визначити пошкодження на відстані 2 -
Вимірники неоднорідних кабелів мають діапазон вимірювання відстані від декількох метрів до десятків кілометрів. Похибка вимірювання залежить від виміряного відстані і складає одиниці-десятки метрів.
ЛІТЕРАТУРА
1Метрологія і Електровимірювання в телекомунікаційних системах: Підручник для вузів / А.С. Сігов, Ю.Д. Бєлік. та ін / За ред. В.І. Нефедова. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Вищ. шк., 2005.
2Бакланов І.Г. Технології вимірювань у сучасних телекомунікації. - М.: ЕКО-Трендз, 2007.
3Метрологія, стандартизація і вимірювання в техніці зв'язку: Учеб. посібник для вузів / Під ред. Б.П. Кульгавого. - М.: Радіо і зв'язок, 2006.