Роль измерительной техники в практике отечественной связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Роль измерительной техники является новой в практике отечественной связи. До сих пор измерительная техника служила для контроля работы сети и соответствия ее узлов в первую очередь отечественным стандартам - имелись четкие рекомендации по методологии измерений на сетях связи, т.е. указания на прибор, методику измерений и параметры измерений. В современной ситуации, когда процесс стандартизации технологии значительно отстает от развития самих технологий, четких рекомендаций по использованию измерительной техники и эксплуатационной методологии нет и в ближайшем будущем не предвидится. Измерительная техника, применяемая современными операторами, используется не только для проверки на соответствие стандартам (в первую очередь международным), но и для изучения процессов, протекающих в сети. Это позволяет операторам быстро осваивать новые технологии на международном уровне, что является необходимым условием дальнейшей успешной работы. С переходом к цифровым системам передачи с высокой пропускной способностью и т.д сложность систем связи объективно повышается. В связи с этим возникают задачи контроля и настройки работы интеллектуальных систем, каковыми в настоящее время являются сети связи. Этот процесс идет двумя путями: первый - развитие систем внутренней диагностики интеллектуальных узлов сетей, второй - применение современной измерительной техники.

Учитывая, что развитие средств связи идет очень динамично, разработка систем самодиагностики и их отработка несколько отстают от развития самих средств связи. Таким образом, применение независимых от оборудования систем контроля в ряде случаев является единственно корректным решением. Это приводит к тому, что роль измерительной техники на сети связи повышается с развитием новых технологий.

Измерительная техника на сетях современных телекоммуникаций играет важную роль - настройка и оптимизация, сетей связи, поиск неисправностей и причин конфликтов, разрешение конфликтных ситуаций.

Распространенное мнение о том, что цифровые системы связи лучше, надежнее и поэтому требуют в меньшей степени обслуживания на этапе эксплуатации, не верно. Действительно, верно, что цифровые технологии обеспечивают лучшее качество связи, меньшие эксплуатационные затраты, лучший контроль за ресурсом сети. Верно также, что хорошо отлаженная, "ухоженная" цифровая сеть требует в меньшей степени обслуживания. Однако также верно, что "неухоженная" цифровая сеть деградирует гораздо быстрее аналоговой и требует при восстановлении гораздо больших затрат. Это -объективная плата за сложность технологии цифровой передачи.

На практике часто встречается заблуждение о том, что иностранные фирмы, обеспечивающие пуск участков цифровых сетей, должным образом настроят сеть и в дальнейшем ее работа не потребует квалифицированной эксплуатации. Такой подход ведет к зависимости операторов сети от инофирм, что является негативным фактором. С уверенностью можно сказать, что использование современной измерительной техники дает операторам ключ к пониманию процессов, происходящих в сети. В этом случае поиск конфликтных ситуаций и противоречий, "тонкая настройка" сети помогают добиться максимальной эффективности ее работы.

Наиболее традиционным подходом является оснащение измерительной техникой "в довесок" к закупке линейного оборудования, когда вместе с линейным оборудованием закупается измерительное оборудование для эксплуатации.

Обычно возникают решения в виде "набора приборов", без реализации комплексного подхода к организации измерений. "Набор приборов" является технически удобным решением для фирмы-поставщика линейного оборудования, поскольку любое комплексное решение требует проработки основ методов измерения, возникают требования интеграции измерительных приборов в общую сеть, соединение полученного комплекса с системой управления и т.д. Наиболее простым вариантом является сведение этих задач к уровню эксплуатации, где "набор приборов" представляет собой корректное решение. Распространенность подхода оснащения оборудованием "в довесок" определяется еще и низким уровнем знаний эксплуатирующего персонала о современных технологиях телекоммуникаций, поскольку требование комплексности решений связано с пониманием задач измерительной техники в каждой конкретной сети.

Уже на этапе системного проектирования измерения на сети должны включаться в рассмотрение в виде комплексных решений по организации эксплуатации. На уровне рабочего проектирования эти комплексные решения должны дополняться общей методологией проведения измерений. Только в этом случае измерительная техника будет использоваться эффективно и обеспечивать эффективную эксплуатацию. Таким образом, с развитием современных телекоммуникаций и повышением роли измерительной техники появляются задачи системной интеграции измерительных решений, т.е. комплексного подхода к использованию измерительной техники.

Оценивая состояние развития рынка измерительной техники, можно признать, что этап системной интеграции здесь только начинается. Это связано с тем, что измерительная техника требует более глубокого знания технологий телекоммуникаций, а также знания ряда дополнительных дисциплин (теории, метрологии и т.д.).

1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Процесс совершенствования измерительных технологий подчиняется общей тенденции усложнения высоких технологий в процессе их развития во второй половине XX века. Основными тенденциями развития являются: миниатюризация, экономичность и, как следствие, усложнение.

Этот процесс наглядно виден на примере развития современных технологий цифровой связи. С переходом к цифровым системам передачи с высокой пропускной способностью (SDH), новым принципам мультиплексирования (ATM), новым концепциям систем сигнализации (SS 7 и протоколы ведомственных сетей ISDN), новым сетевым концепциям предоставления услуг пользователям (интеллектуальные сети) сложность систем связи объективно повышается. Этот процесс связан с увеличением пропускной способности систем передач, снижением стоимости интеллектуальных устройств и внедрением в современные телекоммуникации принципов распределенной обработки информации. В связи с этим возникают задачи контроля и настройки работы интеллектуальных систем, каковыми в настоящее время являются сети связи. Этот процесс идет двумя путями: первый - развитие систем внутренней диагностики интеллектуальных узлов сетей, второй - применение современной измерительной техники.

Учитывая, что развитие средств связи идет очень динамично, разработка систем самодиагностики и их отработка несколько отстают от развития самих средств связи. Таким образом, применение независимых от оборудования систем контроля в ряде случаев является единственно корректным решением. Это приводит к тому, что роль измерительной техники на сети связи повышается с развитием новых технологий.

Измерительная техника на сетях современных телекоммуникаций играет важную роль - настройка и оптимизация, сетей связи, поиск неисправностей и причин конфликтов, разрешение конфликтных ситуаций.

Распространенное мнение о том, что цифровые системы связи лучше, надежнее и поэтому требуют в меньшей степени обслуживания на этапе эксплуатации, не верно. Действительно, верно, что цифровые технологии обеспечивают лучшее качество связи, меньшие эксплуатационные затраты, лучший контроль за ресурсом сети. Верно также, что хорошо отлаженная, "ухоженная" цифровая сеть требует в меньшей степени обслуживания. Однако также верно, что "неухоженная" цифровая сеть деградирует гораздо быстрее аналоговой и требует при восстановлении гораздо больших затрат. Это - объективная плата за сложность технологии цифровой передачи.

На практике часто встречается заблуждение о том, что иностранные фирмы, обеспечивающие пуск участков цифровых сетей, должным образом настроят сеть и в дальнейшем ее работа не потребует квалифицированной эксплуатации. Такой подход ведет к зависимости операторов сети от инофирм, что является негативным фактором. С уверенностью можно сказать, что использование современной измерительной техники дает операторам ключ к пониманию процессов, происходящих в сети. В этом случае поиск конфликтных ситуаций и противоречий, "тонкая настройка" сети помогают добиться максимальной эффективности ее работы.

Эта роль измерительной техники является новой в практике отечественной связи. До сих пор измерительная техника служила для контроля работы сети и соответствия ее узлов в первую очередь отечественным стандартам - имелись четкие рекомендации по методологии измерений на сетях связи, т.е. указания на прибор, методику измерений и параметры измерений. В современной ситуации, когда процесс стандартизации технологии значительно отстает от развития самих технологий, четких рекомендаций по использованию измерительной техники и эксплуатационной методологии нет и в ближайшем будущем не предвидится.

Оценивая состояние развития рынка измерительной техники, можно признать, что этап системной интеграции здесь только начинается. Это связано с тем, что измерительная техника требует более глубокого знания технологий телекоммуникаций, а также знания ряда дополнительных дисциплин (теории, метрологии и т.д.). Не удивительно, что "инкубационный период" системной интеграции на рынке измерительных технологий длиннее, чем на рынке самих средств связи.

Эволюция подхода к созданию комплексных измерительных решений. По мере развития рынка измерительных технологий и понимания задач измерительной техники меняется структура предлагаемых на рынке измерительных решений. На рис. 1.2 показана эволюция комплексных измерительных решений.

Решения, предлагаемые на рынке измерительных технологий отражают степень развития рынка. В начале (на этапе работы СП-дистрибьютеров), решения строятся на основе предлагаемой техники, как правило, без детального анализа задачи заказчика и методологии измерений. В условиях дефицита измерительной техники и недостаточно высокой квалификации заказчиков такой подход вполне может существовать. С развитием рынка измерительных технологий, когда, с одной стороны, возникают задачи проведения комплексных измерений, с другой стороны - на рынок выходят представительства инофирм-производителей, имеющих опыт создания комплексных измерительных решений на основе своего оборудования, появляются первые комплексные решения на основе использования техники одного производителя. Эти комплексные решения опираются на опыт инофирм и являются опробованными, однако довольно дорогими и не всегда эффективными, поскольку часто не учитывают специфику заказчика.

Подытоживая анализ процесса развития рынка измерительных технологий, можно выделить четыре этапа их развития, представленные в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Этапы развития измерительных-технологий

Оценивая перспективы развития рынка, можно предположить его стабилизацию. Она будет выражаться в повышении квалификации участников рынка (поставщиков и заказчиков) до уровня развития мировых измерительных технологий.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

2.1 Cистемное и эксплуатационное измерительное оборудование

Всю измерительную технику современных телекоммуникаций можно условно разделить на два основных класса: системное и эксплуатационное измерительное оборудование. Требования к обоим классам значительно отличаются, соответственно, отличаются функции приборов, схемы их использования, спецификации тестов и т.д.

К системному оборудованию относится измерительное оборудование, обеспечивающее настройку сети в целом и ее отдельных узлов, а также последующее мониторирование состояния всей сети. Системным оно называется потому, что современное оборудование этого класса имеет широкие возможности интеграции в измерительные комплексы, сети измерительных приборов и входить в качестве подсистем в автоматизированные системы управления связью (Telecommunications Management Networks - TMN).

Эксплуатационное измерительное оборудование должно обеспечивать качественную эксплуатацию отдельных узлов сети, сопровождение монтажных работ и оперативный поиск неисправностей.

Разделив весь спектр оборудования на два основных класса, легко понять требования к каждому из них. Эти требования существенно различны для перечисленных классов и представлены на рис. 3.1 в порядке уменьшения приоритетности.



Рис. 2.1. Требования к измерительному оборудованию

Для системного оборудования основным требованием является максимальная функциональность прибора: его спецификация тестов должна удовлетворять всем существующим и большинству перспективных стандартов и методологий. В противном случае прибор не обеспечит полной настройки и оценки параметров сети.

Другим требованием является возможность интеграции в системы приборов и интеграции с вычислительными средствами и сетями передачи данных. Это также существенно в условиях создания TMN, куда должны быть включены и измерительные средства.

Требование модернизируемости важно в силу быстрого развития технологии и принятия новых стандартов.

Удобство работы является следующим по важности параметром. Имеется ряд многофункционального системного оборудования с "недружественными" интерфейсами. Использование таких приборов требует от специалиста долгого изучения прибора, что не всегда эффективно.

Стоимость для системного оборудования не первичный критерий выбора, поскольку для приборов этого класса она прямо зависит от функциональности. Портативность для этого класса оборудования не требуется.

Эксплуатационное оборудование в первую очередь должно быть портативным и дешевым, затем надежным и уже после этого многофункциональным.

Предлагаемая классификация измерительного оборудования является условной, учитывая общую тенденцию к миниатюризации в современной электронной промышленности. В связи с этим системное оборудование становится постепенно портативным, тогда как эксплуатационное оборудование становится все более многофункциональным.

Разделение оборудования на системное и эксплуатационное полезно при сравнении оборудования различных производителей.

Измерения в различных частях современной системы электросвязи. Дальнейшее изложение основных измерительных технологий будет идти в контексте классификации измерительных технологий по использованию в различных частях системы электросвязи. Для анализа этой классификации рассмотрим структурную схему современной цифровой системы электросвязи (рис. 2.2)

Рис. 2.2. Структурная схема цифровой системы электросвязи

В основе системы электросвязи лежит первичная сеть, включающая в себя среду распространения и аппаратуру передачи сигнала, обеспечивающую создание типовых каналов и трактов первичной сети, которые используются для передачи информации. В современной системе электросвязи таких сред три: электрический кабель, оптоволоконный кабель и радиоэфир или радиочастотный ресурс.

Среда распространения сигнала используется для создания типовых трактов первичной сети электросвязи. Цифровая первичная сеть может строится на основе принципов плезиохронной цифровой иерархии (PDH) или синхронной цифровой иерархии (SDH).

Типовые каналы и тракты первичной сети используются различными вторичными сетями: цифровой телефонии, цифровыми с интеграцией служб (ISDN), на основе принципов асинхронного режима передачи (ATM), передачи данных (ПД) на основе использования таких протоколов как Х.25, Frame Relay и т.д., сотовой радиосвязи и транкинга, а также сетями специального назначения: сетями диспетчерской связи, оперативного и технологического управления, селекторных совещаний и т.д.

В соответствии с описанной структурой может быть предложена следующая классификация измерительных решений.

Первый уровень измерений - это тестирование среды распространения сигнала: кабельной и радиоэфира. Кабельное тестирование включает в себя тестирование металлических кабелей и оптоволоконных кабелей. Эти измерения могут проводится как на. этапе анализа характеристик кабеля перед прокладкой, так и на уже проложенном кабеле на этапе эксплуатации для определения обрывов, участков деградации качества и т.д. Радиочастотные измерения связаны с измерением радиорелейных и спутниковых систем передачи и контролем эфира, как правило с измерениями на вторичных сетях радиосвязи.

Второй уровень - это измерения цифровых трактов первичной сети.' В настоящей книге описывается только цифровая первичная сеть, таким образом описаны измерительные решения, связанные с сетями PDH и SDH.

Третий уровень; измерения на вторичных сетях связи, обычно включающие в себя следующие группы: измерения канального уровня, протокол-анализ работы устройств, анализ трафика и качества предоставления услуги.

Группы измерений, характерные для вторичных сетей связи. Для удобства рассмотрения технологий измерений на вторичных сетях связи можно выделить несколько групп таких измерений.



Группа измерений канального уровня - это измерения интерфейсов с первичной сетью, характеристик каналов вторичных сетей и цикловой (пакетной) структуры передаваемой информации. Как правило, эта группа измерений относится к измерениям на первичной сети

Группа измерений , связанная с анализом протоколов, едина для всех вторичных сетей. Во вторичных сетях для организации взаимодействия устройств сети используются различные протоколы сигнализации. Логический протокол-анализ работы узлов сети необходим для анализа корректной работы устройств и выявления возможных противоречий в их работе.

Отдельно от группы измерений протокол-анализа стоят измерения, связанные с имитацией трафика. Эти измерения необходимы для анализа способности сети связи передавать и коммутировать заданную нагрузку трафика.

Измерения параметров качества предоставляемых услуг являются довольно разнородными для разных вторичных сетей, поэтому в дальнейшем изложении эти измерения рассматриваются, когда предоставляемая услуга напрямую связана с системой связи (например, создание аналоговых абонентских линий сетью цифровой телефонии).

Приведенная выше классификация введена для общего структурирования последующего изложения измерительных технологий и решений.

3. ТЕХНОЛГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ НА ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

3.1 Общее описание технологии измерений в оптических системах передачи

измерительный техника оборудование сеть

Развитие технологии волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). Рассмотрение вопроса об измерениях сред распространения сигнала в телекоммуникациях начнем с технологии измерений оптических кабелей. Современные технологии высокоскоростной передачи основаны в первую очередь на использовании оптоволоконных сред, которые в настоящее время обеспечивают максимально возможную пропускную способность. Именно поэтому технология оптоволоконных сред передачи в настоящее время бурно развивается во всем мире, и в том числе в нашей стране.

Технология оптоволоконных сред передачи является новой, быстро развивающейся и наиболее перспективной, и измерения в этой области - наиболее важными.

Типовая схема оптической линии передачи

Рассмотрим типовую схему ВОСП, представленную на рис. 3.1.

В состав ВОСП входят: оптический передатчик или генератор сигнала, интерфейс оптического генератора, оптическое волокно или кабель с характерными местами сопряжения различных кабелей и сварок и неоднородностями, промежуточные станции или ретрансляторы и оптический приемник сигнала. В ВОСП входят также система передачи, принимающая электрический сигнал и аппаратура сопряжения, которая обеспечивает преобразование электрического сигнала в оптический.



Основные измерения, проводимые на оптоволоконных системах передачи. В анализе оптоволоконных кабелей и узлов существенно различаются две категории задач: промышленный и эксплуатационный анализ.

Промышленный анализ включает в себя измерения узлов и параметров кабелей перед укладкой. Задачи измерений этого класса возникают при разработке нового оборудования, в процессе производства оптических кабелей и при подготовке кабелей к укладке для определения соответствия характеристик кабеля заданным нормам (анализ кабелей в бухтах)..

Спецификация промышленного анализа кабелей включает в себя измерения следующих параметров:

погонного затухания в оптическом волокне;

полосы пропускания и дисперсии;

длины волны отсечки;

профиля показателя преломления;

числовой апертуры;

диаметра модового поля;

геометрических и механических характеристик оптоволоконного кабеля;

энергетического потенциала и чувствительности фотоприемного устройства;

уровней оптической мощности устройств.

Учитывая требования высокой точности и автоматизации этого класса измерений, они выполняются системным измерительным оборудованием.

Эксплуатационный анализ оптических кабелей и узлов требует измерения в процессе прокладки кабеля и измерения на этапе эксплуатации. При этом измеряют затухание, вносимое сростками кабелей, затухание оптических волокон, а также уровни мощности оптического излучения на выходах передающих и входах приемных оптоэлектронных модулей.

Эксплуатационные измерения делятся на профилактические, аварийные и контрольные. Аварийные измерения обеспечивают быструю локализацию точек деградации качества кабельной сети и устранение этой деградации.

Спецификация эксплуатационных измерений кабелей включает в себя:

измерение уровней оптической мощности,

измерение переходного затухания,

определение места и характера повреждения оптоволоконного кабеля,

стрессовое тестирование аппаратуры ВОСП.

Задачи эксплуатационного анализа выполняются эксплуатационным измерительным оборудованием.

Отдельно от задач промышленного и эксплуатационного анализа стоят задачи калибровки и поверки эксплуатационного измерительного оборудования.

4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА

Для анализа волоконно-оптической среды передачи применяется следующая измерительная техника:

оптические измерители мощности;

стабилизированные источники сигнала;

измерители потерь в оптической линии;

переменные оптические аттенюаторы;

оптические рефлектометры.

Дополнительно в системном оборудовании тестирования оптических кабелей используются перестраиваемые оптические рефлекторы и оптические переключатели.

Системное и эксплуатационное оборудование для анализа оптических кабелей отличается, главным образом, точностью измерений и техническими характеристиками (например, портативностью). Функциональность оборудования при этом одинакова.

Оптические измерители мощности (Optical Power Meter - ОРМ) используются для измерения оптической мощности сигнала, а также затухания в кабеле. Эти измерители являются столь же распространенным прибором для инженеров, связанных с оптоволоконными системами, как мультиметр для инженеров-электронщиков.

Основными параметрами ОРМ являются тип детектора, точность и график необходимой калибровки, диапазон и разрешающая способность, а также возможность поддержки различных оптических интерфейсов. .

Наиболее важный элемент измерителя - оптический детектор, который определяет характеристики самого прибора.

Оптический детектор представляет собой твердотельный фотодиод, который принимает входной оптический сигнал и переводит его в электрический сигнал заданной интенсивности. Полученный электрический сигнал идет на сигнальный процессор, где производится пересчет полученного электрического сигнала в соответствии с характеристикой твердотельного фотодиода в единицы измерений (дБм или Вт), представляемые затем на экране прибора (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема устройства оптического измерителя мощности

Схема устройства оптического измерителя мощности выходного сигнала фотодиода от мощности входного оптического сигнала на разных длинах волн, точнее равномерность этой характеристики. В зависимости от этого сигнальный процессор в большей или меньшей степени должен компенсировать возможную нелинейность характеристики.

В зависимости от длины волны используются различные типы детекторов (табл. 4.1.).

Наиболее мощные ОРМ используют детектор на основе сплава InGaAs, который дает возможность измерений сигнала в трех оптических окнах: 850, 1300 и 1550 нм. Кроме того, детекторы на основе сплава InGaAs имеют наиболее равномерную измерительную характеристику, температурную стабильность и меньший уровень собственных шумов по сравнению с детектором на основе германия.

Таблица 4.1. Типы детекторов ОРМ в зависимости от длины волны в ВОСП

Рабочая длина волны, нм	Оптимальный тип детектора
850	Si (кремний)
850/1300	Ge (германий) и InGaAs
1300/1550	InGaAs
850/1300/1550	InGaAs

Диапазон и разрешающая способность ОРМ - основные параметры его функционирования как прибора.

Возможность поддержки различных оптических интерфейсов в современных оптических системах передачи является также важным условием выбора прибора. Современные оптоволоконные сети используют различные оптические интерфейсы. Наиболее распространенные типы оптических интерфейсов представлены на рис. 4.2.

Стабилизированные источники оптического сигнала (Stabilized Light Source - SLS) служат для внесения в оптическую линию сигнала заданной мощности и длины волны. Оптический измеритель мощности принимает этот сигнал и, таким образом, оценивается уровень затухания, вносимого оптическим кабелем. Иногда в качестве стабилизированных источников оптического сигнала используются источники сигнала линейного оборудования. Это имеет место в уже развернутой работающей сети.

Существует три основных типа стабилизированных источников сигнала: лазерные источники, светодиодные источники (LED) и источники белого света с вольфрамовой лампой. Эти источники отличаются, главным образом, характеристикой добротности источника -шириной полосы излучения. Лазерные источники имеют самую высокую добротность, источники белого света - самую низкую.



Лазерные источники оптического сигнала имеют узкую полосу излучения и генерируют практически монохроматический сигнал. В отличие от светодиодных источников сигнала, лазерные источники не имеют постоянной характеристики в излучаемом диапазоне (ширина менее 5 нм). Характеристика лазерного источника имеет несколько дискретных частот излучения по краям основной частоты. Эти источники являются самыми мощными, однако самыми дорогими. Они используются для измерения оптических потерь в одномодовом кабеле на большом расстоянии (уровень потерь более 10 дБ). Для измерения многомодовых кабелей применение лазерных источников обычно не рекомендуется из-за дисперсии в кабеле.

Светодиодные оптические источники (LED) сигнала имеют более широкий спектр излучения, обычно в пределах 50 - 200 нм. Сигнал светодиода является некогерентным и более стабильным по мощности. Светодиодные источники сигнала дешевле лазерных и часто применяются для анализа потерь в кабелях малой длины, например, в приложениях анализа кабелей локальных вычислительных сетей (LAN).

Источник белого света с использованием вольфрамовой лампы является альтернативным LED и дешевым источником сигнала. В сочетании с кремниевым детектором он может использоваться для измерения уровня затухания в оптическом кабеле на длине волны 850 нм, в сочетании с детектором InGaAs - на длине волны 1310 нм, поскольку суперпозиция спектральной характеристики ОРМ и источника белого света"дают центральную частоту 1300 нм.

Анализаторы затухания, вносимого оптическим кабелем (Optical Loss Test Set - OLTS), -это комбинация оптического измерителя мощности и источника оптического сигнала.

Анализаторы потерь оптической мощности обеспечивают пошаговый анализ оптической линии передачи, включая участки кабеля, места соединений и сварок. Это в первую очередь касается раздельных эксплуатационных анализаторов потерь оптической мощности. В то же время интегрированные анализаторы потерь, которые обычно применяются для промышленного анализа, обладают повышенной функциональностью и точностью измерений. Например, многие двухчастотные анализаторы могут выполнять измерения на длинах волн 1310 и 1550 нм параллельно.

Перестраиваемые оптические аттенюаторы используются для имитации потерь в оптической линии, что применяется для стрессового тестирования линии, т.е. для анализа работоспособности устройств (в первую очередь, линейного и терминального оборудования) при различных условиях работы сети.

Обычно различают три типа оптических перестраиваемых аттенюаторов: дискретно-перестраиваемые, непрерывно перестраиваемые и комбинированные, где дискретный переключатель обычно выполняет роль полного подавления входящего сигнала. Все аттенюаторы, как правило, широкополосные.

Оптические рефлектометры (Optical Time Domain Reflectometer - OTDR) - наиболее полнофункциональный для эксплуатационного анализа оптических кабельных сетей Рефлектометр пред ставляет собой комбинацию импульсного генератора, разветвителя и измерителя сигнала и обеспечивает измерение отраженной мощности при организации измерений с одного конца. Рефлектометры действуют по принципу радара: влиянию посылается импульс малой длительности, который, распространяется по оптическому кабелю в соответствии с релеевским рассеянием и френелевским отражением на неоднородностях в оптическом кабеле (дефекты материала, сварки, соединители и т.д.). Управляющий процессор согласует работу лазерного диода и электронного осциллографа, создавая возможность наблюдения потока обратного рассеяния полностью или по частям. Для ввода оптических импульсов в волокно используются направленный ответвитель и оптический соединитель.

Существенными характеристиками рефлектометров являются рабочая длина волны, тип оптического интерфейса, разрешающая способность.

Важный параметр OTDR - диапазон возможного затухания (backscatter range). Этот параметр определяет возможный" диапазон измерений потерь оптической мощности в линии.

Диапазон возможного затухания обычно оценивается по средней длине измеряемого кабеля, которая может превышать 10 км для мощных рефлектометров. Как правило, максимальная длина измеряемого кабеля в два раза больше, она и является границей диапазона возможного затухания.

Рефлектометры обычно разделяются на два класса: дальнего действия и мини-рефлектометры. Мини-рефлектометры имеют обычно высокое разрешение и обеспечивают локализацию неисправности и различение двух объектов на расстоянии менее 10 м, тогда как мертвая зона рефлектометров дальнего действия обычно превышает 10 м.» Мини-рефлектометры используют при эксплуатации кабелей длиной 100 м - 50 (100) км. В случае более длинных кабелей необходимо применять рефлектометры дальнего действия.

Эксплуатационные измерения на ВОСП. Эксплуатационные измерения включают в себя:

измерение уровней оптической мощности,

измерение затухания,

определение места и характера повреждения оптоволоконного кабеля

стрессовое тестирование аппаратуры ВОСП.

Измерения уровней оптической мощности и измерения затухания являются взаимосвязанными. Как известно, измерение затухания в любой системе передачи связано с определением уровня сигнала (его мощности) на входе и выходе.

Измерение затухания без разрушения кабеля в точности соответствует схеме, представленной на рис. 4.4. Этот метод используется обычно для измерения узлов ВОСП, проведения пошагового тестирования ВОСП в точках, позволяющих подключить источник сигнала и ОРМ. Для повышения точности метода обычно используют статистическое накопление результатов или повторение измерений после разрушения нескольких сантиметров кабеля.

Метод измерения с разрушением кабеля часто используют при проведении строительно-монтажных работ. В этом случае производят обрыв волокна на расстоянии нескольких метров от входного конца и измеряют разность значений оптической мощности на всей длине кабеля и на коротком участке обрыва (рис. 4.5). Измеренное значение мощности на дальнем конце кабеля считают PL, a измеренное значение после обрыва кабеля - Р0. Разность этих двух значений определяет величину затухания в кабеле. Недостаток метода в том, что разрушается волокно. Для повышения точности измерения повторяют несколько раз путем дополнительных обрывов волокна длиной несколько сантиметров.

Метод обратного рассеяния для измерения затухания основан на использовании оптических рефлектометров, описанных в 4.1.

В основе метода обратного рассеяния лежит явление обратного релеевского рассеяния. Для реализации метода измеряемое волокно зондируют мощными оптическими импульсами, вводимыми через направленный ответвитель. Вследствие отражения от рассеянных и локальных неоднородностеи, распределенных по всей длине волокна, возникает поток обратного рассеяния.

Генератор оптического сигнала в составе рефлектометра посылает короткий импульс, который отражается на неоднородностях А и В. При отражении от каждой неоднородности возникает проходящий и отраженный сигналы. В результате на анализаторе мощности относительно времени прихода импульса можно получить график зависимости отраженного от неоднородностеи сигнала от длины линии (рефлектограмму). На графике этой зависимости представлены следующие изменения отраженного сигнала: отражение от А, отражение от В, интермодуляционные отражения высших порядков (В-А-В и т.д.), которые обычно малы по амплитуде и воспринимаются как шум. Угол наклона кривой определяет удельное затухание оптического сигнала в линии.

По рефлектограмме можно определить величину затухания на разности длин как половину от разности мощностей сигнала на рефлектограмме, т.е. по формуле:

a=[PL1(dBm)-PL2(dBm)]/2(L2-L1)

Обычно с одной стороны кабеля рефлектометры позволяют измерять затухание в диапазоне 15-20 дБ, поэтому при превышении этого затухания измерения следует проводить с обеих сторон. На относительно коротких отрезках кабеля это позволяет повысить точность измерений.

Основным недостатком данного метода является небольшой динамический диапазон измерений, что обусловлено малой мощностью излучения обратного рассеяния. Кроме того, рефлектометры довольно дорогие приборы, не всегда доступные для служб эксплуатации.

Локализация обрывов и определение характера повреждений в кабеле. Для проведения аварийных эксплуатационных измерений особенно важно определение участков и причин деградации качества передачи сигнала. Для этой цели используются рефлектометры.

Рефлектометры обеспечивают анализ кабеля на поиск неоднородностей. При этом визуальный анализ формы рефлектограммы позволяет качественно оценить характер повреждения в кабеле.

Стрессовое тестирование аппаратуры ВОСП. Проектирование аппаратуры ВОСП обязательно включает в себя расчет энергетического бюджета оптического сигнала в ВОСП. Реальное значение обычно отличается от расчетного в связи с различием в качестве сварочных узлов, соединений и т.д.

Для анализа запаса по мощности используются принципы стрессового тестирования, т.е. имитации плохих условий функционирования ВОСП. Для имитации плохого качества ВОСП используются оптические аттенюаторы. Измерения могут сопровождаться анализом цифрового- канала связи по параметру ошибки (BER) в зависимости от уровня сигнала в линии. Схема такого измерения представлена на рис. 4.8.

Согласно схеме в линию передачи включается оптический аттенюатор, который вносит дополнительное затухание в ВОСП. При этом измеряется зависимость параметра ошибки BER от уровня вносимого затухания. Предельное значение вносимого затухания, при котором аппаратура ВОСП функционирует согласно ТУ, определяет запас по мощности в ВОСП.

Промышленный анализ оптоволоконных кабелей.

Промышленный анализ включает в себя измерения следующих параметров:

погонного затухания в оптическом волокне;

полосы пропускания и дисперсии;

длины волны отсечки;

профиля показателя преломления;

числовой апертуры;

диаметра модового поля;

геометрических и механических характеристик оптоволоконного кабеля;

энергетического потенциала и чувствительности фотоприемного устройства;

уровней оптической мощности устройств.

Измерения погонного затухания в оптическом кабеле в лабораторных условиях (анализ кабеля в бухтах) выполняется по прямому методу анализа с использованием высокоточных анализаторов затухания. Эти измерения описаны выше.

Измерения полосы пропускания и дисперсии волокна. Для измерения полосы пропускания используют частотный или импульсный метод. Для измерения хроматической дисперсии одномодовых кабелей в основном используются два метода, первый из которых связан с измерением во временной области (метод временной задержки), а второй - в частотной области (фазовый метод). Оба метода удовлетворяют требованиям точности и воспроизводимости результатов и одобрены ITU-T. Однако метод временной задержки более сложен по сравнению с фазовым методом, и поэтому последний чаще используется на практике.

Фазовый метод основан на измерении фазового сдвига сигнала, модулированного по интенсивности излучения, зондирующего кабель на различных длинах волн. Частота модуляции интенсивности обычно фиксирована и лежит в пределах 30...100 МГц.

Измерения длины волны отсечки выполняются методами: изгиба, передаваемой мощности диаметра модового поля.

Метод изгиба основан на Швисимости потерь при изгибе волокна от длины волны распространяющегося излучения. Измеряемое волокно возбуждается источником излучения с перестраиваемой длиной волны. Измерения проводят при слабом и сильном изгибе волокна.

Измерение профиля показателя преломления - основного параметра широкополосности оптических кабелей - выполняется различными высокоточными методами: интерферометрическими, лучевыми и рассеяния, сканирования отражения от торца, пространственного распределения излучения (в ближней и дальней зонах) и др

Измерение числовой апертуры необходимо для разработки соответствующих устройств - ввода-вывода и устройств сочленения с целью уменьшения потерь в них. По видимому диаметру светового пятна на экране определяют апертурный угол.

Измерение диаметра модового поля - основного параметра для определения ширины диаграммы направленности и для расчета потерь на соединениях и микроизгибах - осуществляется методами ближнего поля, поперечного смещения и др. Метод ближнего поля обеспечивает прямое измерение диаметра модового поля. Для этого на выходном торце волокна с помощью хорошо сфокусированного микроскопа измеряют распределение мощности излучения по торцу. Метод поперечного смещения основывается на измерении мощности излучения, выходящего из двух последовательно соединенных одномодовых волокон при их взаимном радиальном смещении в месте соединения.

Системное оборудование для анализа оптоволоконных кабелей. Системное оборудование для измерительных технологий на ВОСП предназначено для проведения промышленных измерений кабелей, проверки соответствия кабелей заданным параметрам перед укладкой, а также для проведения работ по калибровке эксплуатационного измерительного оборудования. Как правило, это оборудование представляет собой систему с исполнением в виде стойки.

Приборы (оптические измерители мощности, источники оптического сигнала, перестраиваемые аттенюаторы, рефлекторы, оптические переключатели, оптические анализаторы спектра и т.д.) располагаются в виде блоков и объединяются общей шиной передачи данных. Для графического отображения, записи и обработки информации используется встроенный компьютер.

Перспективы развития измерительных технологий ВОСП. Развитие измерительных технологий всегда идет по пути развития самих технологий телекоммуникаций. Оценивая будущее развитие ВОСП, нельзя не отметить общую тенденцию к переходу к системам передачи с частотным разделением в волоконно-оптических кабелях (Wavelength Division Multiplexing - WDM).

Схематически такая система представлена на рис. 4.9. В представленной системе передачи используются четыре частоты Хь Х2, Х3, Х4. Модулированные сигналы четырех длин волн поступают в оптический мультиплексор (MUX), затем передаются по оптическому кабелю к демультиплексору (DEMUX), где из группового сигнала снова восстанавливаются четыре значения частоты. В основе технологии WDM лежит частотное разделение (или разделение по длинам волн) в оптической системе передачи.

Рис 4.9. Система передачи мультиплексора

5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ СРЕД РАСПРОСТРОНЕНИЯ СИГНАЛА. ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

5.1 Общие тенденции в измерительных технологиях элетрических кабелей

Измерения электрических кабелей являются достаточно известными и исторически наиболее отработанными технологиями. Однако в последнее время с развитием общей тенденции к цифровизации сетей связи технологии измерений электрических кабелей претерпели некоторые изменения.

С повышением пропускной способности кабельных систем в настоящее время наметилась тенденция к вытеснению на магистральных линиях электрических кабелей оптическими. Место электрических кабелей в телекоммуникациях будущего вероятно будет ограничиваться абонентскими кабельными сетями. Однако и в абонентских кабельных сетях в последнее время произошли изменения, связанные с необходимостью расширения пропускной способности. В настоящее время абонентские кабельные сети строятся на основе концепции структурированных кабельных сетей и используют кабели категории 5 стандарта TIA/EIA 568A. Требования, выдвигаемые новыми цифровыми технологиями ISDN и HDSL к абонентским кабелям, приводят к общей тенденции в проведении измерений кабельных сетей - измерения ориентируются на абонентские кабельные сети.

Измерения магистральных кабелей. Измерения магистральных кабелей разделяются по этапам их прокладки:

- измерения перед прокладкой кабеля,

измерения в процессе прокладки и в процессе приемосдаточных испытаний,

измерения на этапе эксплуатации, обычно связанные в необходимостью локализации повреждения кабеля и его устранения.

Измерения перед прокладкой кабеля сводятся к анализу характеристик кабеля в бухтах с целью проверки соответствия кабеля заданным характеристикам. Обычно эти измерения проводятся на заводе-производителе, но могут также проводится и операторами сетей связи для проверки заданных технических характеристик.

При измерениях кабеля в бухтах анализируют следующие параметры кабелей:

погонное сопротивление импеданс кабеля,

сопротивление изоляции,

зависимость затухания в кабеле от частоты.

Анализ погонного сопротивления и импеданса кабеля, а также зависимости затухания в кабеле от частоты выполняется анализаторами цепей. Для анализа сопротивления изоляции используют специализированные приборы - анализаторы сопротивления изоляции, работающие по принципу анализаторов цепей, но с учетом специфики измерений: анализатор целей подает в цепь изоляции высокое напряжение, затем измеряется ток утечки. Специфика измерений состоит в том, что генератор должен быть в этом случае мощным, а анализатор - высокочувствительным.

Измерения на этапе эксплуатации обычно связаны с локализацией точки повреждения кабеля. Для этого используются кабелеискатели, обеспечивающие легкое обнаружение точек обрывов кабелей и соединительных муфт, что актуально при поиске и устранении неисправностей и обрывов.

При анализе магистральных кабелей с одного конца используют металлические рефлектометры дальнего действия, принципы работы которых аналогичны принципам работы оптических рефлектометров, описанных в предыдущей главе. Диапазон измерений металлических рефлектометров дальнего Действия достигает 15-20 км, разрешающая способность - до 10 см, что обеспечивает локализацию точек обрыва даже без использования на местности кабельных локаторов.

Измерения магистральных кабелей, связанные локацией точки повреждения кабеля. Локация точки повреждения кабеля является существенным эксплуатационным измерением. Существует несколько основных методов локации этой точки. Наиболее простым способом измерения является подача тестового сигнала в кабель и определение точки повреждения кабеля индуктивным датчиком. Частота и мощность тестового сигнала, подаваемого в кабель выбирается в соответствии с типом кабеля, глубиной его залегания и чувствительностью приемника.

Приборы, осуществляющие такие измерения, называются кабелеискателями. Как правило, кабелеискатели выполняют следующие измерения:

трассировка пути залегания кабеля,

определение глубины залегания кабеля,

измерение величины тока в кабеле,

определение характера повреждения: короткое замыкание или обрыв,

определение степени повреждения: легкое повреждение или сильное повреждение,

индикация силовых кабелей и кабелей питания,

определение точек намокания кабеля.

Кабелеискатели могут выполнять измерения не только кабелей, уложенных в грунт, но также кабелей на столбах и подвесах. Измерения могут проводится в условиях повышенной влажности.

В состав кабелеискателя входит передатчик, обеспечивающий генерацию тестового сигнала в измеряемом кабеле и приемник-локатор с набором антенн. Передатчик может подключаться к тестируемому кабелю напрямую или через индуктивный переходник.

Одним из дополнительных измерений с использованием кабелеискателя является измерение, связанное с" анализом препятствий для прокладки кабеля в трубах. В этом случае в трубу, в которой предполагается прокладка кабеля, опускается активный источник, мини-передатчик, который указывает местоположение препятствия. Кабелеискатель фиксирует это место для проведение строительных работ по удалению препятствия.

Соответствующая схема измерений представлена на рис. 5.2. Следует заметить, что такого рода измерения актуальны в первую очередь для абонентских кабелей.

Измерения с использованием рефлектометров для металлических кабелей. Принципы устройства рефлектометра (TDR) для металлических кабелей аналогичны принципам устройства оптических рефлектометров.

Различают два основных типа металлических рефлектометров: с отображением формы принимаемой волны и с цифровым отображением. Рефлектометры с отображением формы принимаемой волны (рефлектограммы) дают возможность комплексного анализа всех неоднородностей в кабеле, рефлектометры с цифровым отображением показывают расстояние до первой неоднородности, и могут с успехом применяться в эксплуатации, поскольку представляют собой дешевый и портативный вариант прибора. Некоторые приборы этого класса селектируют неоднородности, определяя категорию неисправности: обрыв или короткое замыкание по импедансу кабеля.

5.2 Измерения на абонентских кабельных сетях

Общие принципы измерений абонентских кабельных систем. Технологии измерений абонентских кабельных сетей с одной стороны очень распространены, с другой стороны в мировой практике фактически неструктурированы в том смысле, что нет универсальных рекомендаций по организации измерений. В результате, несмотря на то, что набор параметров абонентских кабелей известен, существует несколько совершенно разных методов их измерения и различное оборудование для проведения этих измерений.

Основными параметрами абонентских кабельных сетей являются:

сопротивление линии (тестирование на короткое замыкание и обрыв),

- смена полярности в кабеле,

- наличие расщепленной пары,

АЧХ абонентского канала (полоса пропускания),

длина кабеля,

Измерения абонентских линий проводятся в следующих случаях:

при приемосдаточных испытаниях абонентской кабельной сети,

для выбора наиболее качественных пар перед инсталляцией ISDN, HDSL и т.д. (более подробно этот вопрос обсуждается в гл. 9),

- для проведения работ по согласованию абонентских кабелей и повышения качества телефонной связи.

Измерения электрических параметров абонентских кабелей. Существует несколько основных методов измерения электрических параметров абонентских кабелей. Самым простым методом является использования обычного цифрового мультиметра (DMM) для определения скалярных характеристик абонентской линии.

Для организации измерений на одном конце измеряемого кабеля делается шлейф, с другой стороны подключается цифровой мультиметр с функцией индикации низкоомного кабеля ("прозвонка"). По такой схеме могут быть измерены параметры импеданса кабеля, а также произведен анализ на обрыв и короткое замыкание абонентских пар. Следует заметить, что такой метод измерения не дает возможности анализировать большую часть перечисленных выше параметров абонентского кабеля.

Вторым методом измерений является использование специализированных измерительных приборов - анализаторов абонентских пар. Как измерительный прибор, анализатор абонентских пар представляет собой комбинацию мультиметра, кабельного локатора и простого анализатора телефонных каналов - TIMS Функционально анализатор абонентских пар обеспечивает' измерение электрических характеристик телефонного канала, анализа шумов, обнаружение неисправности кабеля и оценку характера неисправности, подсчет количества регенераторов, загрузочных петель и отпаек, обнаружение регенераторов и т.д.Наиболее распространенным и эффективным способом анализа абонентских кабелей, и в первую очередь, витых пар, является использование портативных ручных кабельных рефлектометров; которые обеспечивают всю спецификацию измерений, необходимую для паспортизации абонентской кабельной сети.

6. ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЧАСТОТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

6.1 Особенности радиочастотных измерений

Радиочастотные измерения представляют собой большой класс измерений, связанных с анализом радиочастотных каналов и систем беспроводной связи.

Рис. 6.1. Структурная схема организации радиочастотных измерений на первичной сети

К средствам беспроводной радиосвязи относятся все средства связи, использующие радиоэфир в качестве среды передачи. Технология радиочастотных измерений отличается в зависимости от диапазона измерений и условий распространения сигнала, связанных со спецификой использования радиоэфира. Оценка влияния доплеровского сдвига по частоте оказывается существенной для систем спутниковой и мобильной радиосвязи, но не существенна для радиорелейных систем передачи и т.д.

Согласно приведенной схеме радиочастотные измерения входят составной частью в комплекс измерений на первичной сети. Из рассматриваемых радиочастотных измерений исключается каналообразующая аппаратура, преобразующая сигналы цифровых каналов первичной сети в радиосигналы.

В основе радиочастотных систем передачи лежит использование ретрансляторов, для систем спутниковой связи это спутниковый ретранслятор, для радиорелейных систем передачи это ретрансляторы РРЛ. Анализ работы узловых радиочастотных устройств - ретрансляторов - является существенной частью проведения радиочастотных измерений и составляет следующий уровень радиочастотных измерений.

6.2 Измерения радиоэфира

Различие систем измерений радиоэфира определяется следующими факторами:

пространственным размещением анализаторов,

используемыми приемными антеннами,

структурой сети сбора и обработки информации об электромагнитной обстановке,

различными алгоритмами оптимизации измерений. Системы контроля радиочастотного ресурса выполняют комплексный анализ электромагнитной обстановки с привязкой на местности. В результате таких измерений получаются данные в виде карт распределения интенсивности электромагнитного поля в различных диапазонах. В зависимости от региона охвата различают: