CC BY
223
Альтернативные методы обработки измерительной информации в телекоммуникационных системах
Исследован новый метод частотно-импульсной рефлектометрии в котором разрешающая способность не зависит от длительности зондирующего сигнала.
Богданов ПА,
МТУСИ, аспирант кафедры МС и ИТС,
Научный руководитель к.т.н.г проф. Сенявский АЛ.
В наше время получение необходимой, а главное точной измерительной информации важно для всех областей человеческой деятельности. Измерения являются неотъемлемой частью большинства трудовых процессов. Затраты на обеспечение и проведение измерений составляют около 20 % от общих затрат на производство продукции. Рассмотрим сферу телекоммуникаций с ее острой необходимостью в контроле состояния любой среды передачи, будь то медный кабель, оптоволокно или радиоканал, а также параметров передающего оборудования. Особенно важным является мониторинг качества канала связи, который можно выразить количественно.
Возможность применения результатов измерений для правильного и эффективного решения любой измерительной задачи определяется следующими тремя условиями:
• результаты измерений выражаются в узаконенных (установленных законодательством Российской Федерации) единицах;
• значения показателей точности результатов измерений известны с необходимой заданной достоверностью;
• показатели точности обеспечивают оптимальное значение в соответствии с выбранными критериями решения задачи, для которой эти результаты предназначены (результаты измерений получены с требуемой точностью).
Если результаты измерений удовлетворяют первым двум условиям, то о них известно все, что необходимо знать для принятия обоснованного решения о возможности их использования. Такие результаты можно сопоставлять, они могут использоваться в различных сочетаниях, различными людьми, организациями. В этом случае говорят, что обеспечено единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности результатов не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.
Третье из перечисленных выше условий определяет требование к точности применяемых методов и средств измерений. Недостаточная точность измерений приводит к увеличению ошибок контроля, к экономическим потерям. Завышенная точность измерений требует затрат на приобретение более дорогих средств измерений. Поэтому это требование является не только метрологическим, но и экономическим требованием, т.к. связано с затратами и потерями при проведении измерений (затраты и потери — экономические критерии).
Вернемся к необходимости проведения измерений в технике связи. Все оборудование, выпускаемое для работы в этой области, нуждается в строжайшей сертификации, подтверждающей соответствие мировым общепринятым стандартам. До запуска в эксплуатацию необходимы пуско-наладочные работы и фиксация всех важных параметров. На протяжении всего жизненного цикла проводятся контрольные проверки основных параметров и их корректировка в случае необходимости. Как мы видим, точные измерения про-
сто необходимы на всех этапах становления технологий в области телекоммуникаций.
Для получения нужной информации используются тестовые сигналы с заранее известными параметрами. Это позволяет фиксировать любые негативные изменения в среде передачи или в работе оборудования. Необходимо отметить, что от точности обработки отраженного тестового сигнала, напрямую зависит точность и качество работы настраиваемого объекта.
В последнее время возрос интерес к программным продуктам, позволяющим проводить обработку результатов измерений с помощью персональных компьютеров (ПК). Например, работать с файлами рефлектограмм оптических кабелей с помощью ПК значительно удобнее, чем исследовать непосредственно на рефлектометре, из-за превосходящей вычислительной мощности, значительно большего размера экрана с лучшей разрешающей способностью и удобного интерфейса среды Windows. Еще большие преимущества вы получите при составлении отчетов по результатам измерений. Существующие программы позволяют автоматизировать задачу по созданию отчетов, сведя ее к выбору стандартных форм и таблиц. Немаловажно также, что в этом случае дорогостоящие рефлектометры будут использоваться только для измерений на трассах, а обработка результатов проводиться в удобных "домашних" условиях.
Сравнительный анализ возможности разложения сигналов на основе спектрального анализа Фурье и анализа на основе вейвлет-преобразований показывает, очевидные недостатки преобразования Фурье. Они связаны с тем, что локализация особенностей сигнала происходит либо только по частоте, либо только по времени. Преобразование Фурье замечательно подходит для исследования стационарных сигналов, но, к сожалению, не подходит для анализа и исследования нестационарных сигналов, кроме случая, когда исследователя интересует исключительно частотная информация, а время существования спектральной составляющей неважно.
Особенно продуктивно применение вейвлет-преобразования для обработки сигналов рефлектометров. В отличие от стандартных способов, вейвлет-преобразование дает больше результатов для исследования рефлектограмм, где в качестве зондирующего сигнала используется набор вейвлет-функций. Зондирующий вейвлет-сигнал обладает не только строго ограниченным спектральным составом, но и набором вполне уникальных особых примет, позволяющих выделить отдельные эхо-сигналы методами цифровой обработки. Это позволяет увеличить как чувствительность метода, так и разрешающую способность.
Рассмотрим наиболее популярные методы рефлектометрии на примере исследования оптического тракта.
Наиболее развитым методом импульсной рефлектометрии является метод OTDR (Optical time-domain геАес1оте1ег). В настоящее время серийно выпускается большое количество OTDR рефлектометров.
Современные оптические рефлектометры имеют динамический диапазон измерения около 70 дБ и разрешение до 0,001 дБ. В состав рефлектометров, кроме источника мощного зондирующего сигнала малой длительности, фотоприемника и разветвителя входит блок обработки, обеспечивающий широкие функциональные воз-
можности приборов (получение, обработку, запись, хранение и анализ рефлектограмм).
Основными недостатками метода OTDR являются:
• при высоком разрешении по длине волоконно-оптического тракта (имеет важное значение для обнаружения локальных неоднородностей волоконно-оптического кабеля (ВОК) или при фиксации мест несанкционированного съема информации), значительно уменьшается динамический диапазон и контролируемый участок ВОК.
• мощные зондирующие импульсы затрудняют проведение контроля ВОК во время передачи информации, что ограничивает возможности рефлектометра, а также усложняет и удорожает систему диагностики. Источники излучения имеют ресурс, недостаточный для длительного непрерывного контроля ВОЛС;
• специализированные источники зондирующего оптического излучения, а также широкополосная и быстродействующая аппаратура приемного блока рефлектометра значительно удорожает устройство в целом.
Достигаемая разрешающая способность ограничена откликом приемника и геометрической шириной зондирующего сигнала. Для обеспечения высокой разрешающей способности на большом расстоянии длительность зондирующего импульса должна быть как можно меньше, а диапазон рабочих частот приемника — как можно шире. Что ведет к уменьшению отношения сигнал/шум. В то же время, увеличение принимаемого сигнала за счет использования более продолжительных зондирующих импульсов и приемников с низким уровнем шума приведет к повышению чувствительности при соответствующем снижении разрешающей способности OTDR.
Повышение выходной мощности лазера увеличивает уровень сигнала обратного рассеяния при заданной длительности импульса. К сожалению, использование сверхмощных источников в рефлектометрах ограничивается их низкой надежностью и высокой стоимостью, а также требованием обеспечения безопасности персонала при работе с ними. Кроме этого, при распространении мощного излучения в ВОК, возникают нежелательные нелинейные эффекты — Рамановское рассеяние и рассеяние Мандельштама. Технология широкополосной связи с соответствующей обработкой сигналов, например, нахождение их корреляционных функций, преодолевает это ограничение и обеспечивает возможность улучшения отношения сигнал/шум без оказания какого-либо отрицательного влияния на разрешающую способность системы. Эти приемы широко используются в радиолокационных и других системах, которые имеют ограничения по пиковой мощности. В OTDR, однако, корреляционный принцип является не слишком эффективным в основном из-за того, что даже небольшие нелинейности в аналоговых технических средствах приводят к появлению ложных сигналов, ведущих к неправильной интерпретации результатов.
Метод частотной рефлектометрии OFDR (Optical frequency domain reflectometr), также называется методом частотно-модулиро-ванного зондирования (ЧМЗ). В этом случае в оптическое волокно (ОВ) вводится не импульсное оптическое излучение, а непрерывный сигнал, частота которого промодулирована сигналом, изменяемым по заданному закону.
Отраженный в ОВ задержанный сигнал возвращается и смешивается с зондирующим незадержанным (опорным) сигналом. В результате формируется сигнал биений, частотный спектр которого и описывает эволюцию зондирующего сигнала вдоль волоконного тракта. Как правило, в методе ЧМЗ используется линейная модуляция частоты сигнала
Проведем анализ разрешения и динамического диапазона такого ЧМЗ — рефлектометра. В методе ЧМЗ, в отличии от импульсной рефлектометрии, разрешение определяется не длительностью зондирующего импульса, а величиной девиации частоты.
В отличие от импульсной рефлектометрии в методе ЧМЗ для
улучшения разрешения необходимо не расширять полосу пропускания блока обработки, а снижать ее. Чем уже ширина полосы пропускания фильтра в блоке спектральной обработки, тем лучше спектральное разрешение сигнала биений и соответственно лучше пространственное разрешение. Это принципиальное отличие в основном является преимуществом метода ЧМЗ. Для разрешения порядка одного метра в импульсном рефлектометре необходимо обеспечивать полосу пропускания блока обработки порядка Df=100 МГц, в ЧМЗ приемнике можно использовать блок обработки с полосой DF = 0,01 Гц.
ЧМЗ рефлектометры наиболее эффективно работают при требованиях на высокое пространственное разрешение. К преимуществам также можно отнести более простое и эффективное решение приемной части прибора, в частности аналого-цифрового преобразователя — АЦП. Так как сигнал биений располагается в диапазоне звуковых частот (десятки кГц), то можно использовать более точные и одновременно существенно более дешевые АЦП. Проблемы частотных рефлектометров связаны со спектральным анализом сигнала биений (в особенности для релеевского отражения), с обеспечением необходимой длины когерентности зондирующего сигнала и заданных режимов модуляции зондирующего сигнала.
Повысить точность измерения расстояния от начала волокна до места расположения неоднородности можно путем накопления и усреднения отраженных сигналов. Можно показать, что при времени усреднения 30 с разрешающая способность в предложенном методе при длине оптического волокна 2000 м составит — 3,14 см. Погрешность же измерений будет определяться стабильностью кварцевых тактовых генераторов и стабильностью задержек сигналов в узлах рефлектометра..
Выводы
1. Исследован новый метод частотно-импульсной рефлектометрии в котором разрешающая способность не зависит от длительности зондирующего сигнала. Поэтому длительность этого сигнала составляет десятки наносекунд, что на порядок выше чем у OTDR. Так же, динамический диапазон измерений и отношение сигнал/шум в методе частотно-импульсного регулирования (ЧИР) на порядок выше по сравнению с известными ранее из-за уменьшения полосы пропускания узлов рефлектометра.
2. При выявлении одной неоднородности в оптическом волокне с помощью программируемого делителя частоты возникает возможность более детального исследования отдельных участков волоконно-оптического тракта и высокой точности определения места расположения неоднородности.
3. Отсутствие широкополосных элементов в узлах устройства, реализующего метод ЧИР, позволяет использовать в нем дешевую элементную базу.
Литература
1. Бучинский А.Г. Подготовка выделенной линии ADSL. 'Техника связи" №4, 2007.
2. Власов В.Е., Парфенов ЮА, Рысин Л.Г., Кайзер Л.И. Кабели СКС на сетях электросвязи: теория, конструирование, применение. -М.:Эко-Трендз, 2006. -280с.
3. Горохов В.М. Измерения в сетях ADSL. 'Техника связи" №1, 2007.
4. Горохов В.М., Сергеев Д.В. Вейвлет-рефлектометрия. "Вестник связи" №2, 2007.
5. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 400 с.
6. Кочеров А.В. Как организовать подготовку кабеля для ADSL2+. 'Телемультимедиа". №6, 2005.
7. Смоленцев Н.К Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB. — M.: ДМК Пресс, 2005. — 304 с.
