Измерения в телекоммуникационных системах. Голозубов А.А., Дешина А.Е
.pdfФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
А.А. Голозубов А.Е. Дешина В.Б. Щербаков
ИЗМЕРЕНИЯ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ
СИСТЕМАХ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2016
УДК 004.05
Голозубов А. А. Измерения в телекоммуникационных системах: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые, граф. данные (7,6 Мб) / А. А. Голозубов, А. Е. Дешина, В. Б. Щербаков. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования:
ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; AdobeReader; 1024x768; CD-ROM; мышь. – Загл. с экрана.
Настоящее пособие ориентировано на изучение принципов построения измерительной техники и изучение измеряемых параметров телекоммуникационных систем. Исследуются методы представления сигналов цифровых систем связи, методология измерений параметров цифровых каналов, технология измерений на волоконно-оптических системах передачи, технология радиочастотных измерений.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по специальности 10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», дисциплине «Измерения в телекоммуникационных системах».
Табл. 37. Ил. 155. Библиогр.: 23 назв.
Рецензенты: АО «Концерн «Созвездие» (канд. техн. наук, ведущий науч. сотрудник О. В. Поздышева);
д-р техн. наук, проф. А. Г. Остапенко
©Голозубов А. А., Дешина А. Е., Щербаков В. Б., 2016
©Оформление. ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время развитие информационных и телекоммуникационных технологий связано с внедрением в средства связи микропроцессорной техники и переходом к цифровым методам коммутации и передачи. На современном этапе технологической революции понятие технологии как набора технических решений выходит на первый план и требует нового подхода к анализу процессов, происходящих в стремительно развивающихся средствах связи. Для адекватного описания и классификации методов измерений в современных сетях связи вводится понятие «измерительные технологии». Измерительная технология — это совокупность методов, процедур организации измерений и интерпретации результатов измерений и контроля, а также средств измерений и контроля для обслуживания соответствующего направления развития средств связи. Необходимость введения этого понятия обусловлена рядом причин. Во-первых, скорость смены технологий в телекоммуникационных системах настолько высока, что не позволяет большой части специалистов, работающих в этой области, воспринимать и осознавать все ее нюансы в полной мере. Отставание связано также с отсутствием учебно-справочных материалов, малым количеством специалистов в области телекоммуникаций. В результате возникает необходимость не только рассматривать технологию измерений, но и учитывать динамику ее развития. Во-вторых, развитие измерительной техники идет по пути высокой специализации, т.е. появилась техника для обслуживания и эксплуатации только телекоммуникационных систем. Рынок специальной измерительной техники меняется столь динамично, что возникает задача ее классификации, которую трудно решить без технологического подхода. В- третьих, в последнее время более половины средств мирового телекоммуникационного рынка направляется на развитие программных средств. Программное обеспечение в современных устройствах телекоммуникаций обновляется в
3
среднем раз в два года, радикально меняя структуру и возможности телекоммуникационных систем. Технологичность в области измерительной техники связана с появлением и развитием целого класса измерительных приборов — анализаторов протоколов и логического взаимодействия интеллектуальных устройств. Совершенствование измерительных технологий связано с общей тенденцией усложнения высоких технологий и, как следствие, миниатюризацией, экономичностью, номенклатурой услуг, предоставляемых телекоммуникационными системами. Сложность систем связи объективно повышается с переходом к цифровым системам с высокой пропускной способностью (SDH), новым принципам мультиплексирования (ATM), новым концепциям систем сигнализации (ОКС 7 и протоколы ведомственных сетей ISDN), новым сетевым концепциям предоставления услуг пользователям (интеллектуальные сети). Цифровые технологии обеспечивают лучшие качество связи и контроль за ресурсами сети, требуют меньших эксплуатационных затрат. Цифровые телекоммуникации по сравнению с аналоговыми имеют так называемый пороговый эффект деградации, заключающийся в том, что причиной нарушения связи могут оказаться накопленные в течение длительного времени отклонения от нормы значений нескольких параметров. До сих пор измерительная техника служила для контроля работы сети и установления соответствия ее узлов требованиям отечественных стандартов. В современной ситуации процесс стандартизации заметно отстает от применяемых на практике технологий, и четких рекомендаций по использованию измерительной техники и методов измерений 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, что позволяет быстро осваивать новые технологии.
4
1. МЕТОДЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
1.1. Особенности представления цифровых сигналов. Методы представления сигналов в виде диаграмм
Поскольку основной темой настоящего пособия является описание технологии измерений современных, в основном, цифровых телекоммуникационных систем, в первую очередь необходимо рассмотреть методы анализа цифровых сигналов. Это связано с тем, что в соответствующих разделах будут приводиться результаты таких измерений, для понимания которых необходимы знания об используемых методах представления цифрового сигнала. Отличие цифровых сигналов от аналоговых заключается в их дискретной структуре. Если параметры аналоговых сигналов меняются в используемом диапазоне непрерывно, то параметры цифровых сигналов изменяются дискретно, в этом состоит основное отличие цифровых сигналов от аналоговых. Такая особенность цифровых сигналов позволяет использовать для их анализа ряд специфических методов, рассматриваемых в этой главе. Методы, описываемые ниже, широко применяются для анализа различных цифровых систем современных телекоммуникаций.
Помимо достаточно хорошо известных методов аналоговых сигналов с использованием осциллограмм и спектрального анализа, в методологии измерений цифровых сигналов широкое распространение получило представление в виде специальных диаграмм, что определяется дискретной природой сигналов. При проведении измерений получили распространение два основных класса диаграмм: диаграммы физических параметров цифрового сигнала, к которым относятся глазковые диаграммы и диаграммы состояний, а также алгоритмические диаграммы, к которым относятся древовидные диаграммы и различные виды диаграмм Треллиса.
5
Диаграммы физических параметров используются для анализа, как простых бинарных цифровых сигналов, так и сложных сигналов современных цифровых телекоммуникаций - многоуровневых (таких как сигналы линейного кодирования ISDNи т.д.) и модулированных сигналов (применяемых в радиочастотных системах передачи и системах радиосвязи).
Алгоритмические диаграммы используются для анализа сигналов дифференциальных модуляций и современных алгоритмов кодирования информации.
Ниже будут рассмотрены принципы представления сигнала в виде диаграмм и даны принципы анализа сигналов с использованием этих диаграмм. Варианты конкретного использования диаграмм для анализа работы различных устройств и приложений будут рассмотрены в соответствующих главах уже без ссылок на принципы построения и анализа диаграмм.
1.2. Глазковые диаграммы
Как было показано выше, для анализа параметров цифрового сигнала часто используются глазковые диаграммы. Глазковые диаграммы могут с успехом использоваться как при проведении лабораторных измерений (системное оборудование), так и для эксплуатационных измерений. По своей структуре глазковые диаграммы являются модификацией осциллограмм, с той только разницей, что используют периодическую структуру цифрового сигнала.
Для построения двухуровневой глазковой диаграммы (рис. 1.1) битовый поток подается на осциллограф, в то время как синхронизация внешней развертки производится от битового потока с частотой fb.
6
Рис. 1.1. Построение глазковой диаграммы
Вслучае построения многоуровневых диаграмм сигнал должен проходить через многоуровневый конвертер, а синхронизация производится от символьного потока с частотой fs. Для калибровки глазковой диаграммы сигнал часто подают в обход фильтра, ограничивающего диапазон сигнала. В этом случае возникает диаграмма в виде прямоугольника (рис. 1.2 слева). Фильтр, ограничивающий полосу передаваемого сигнала, вносит существенные изменения в форму импульса, в результате чего возникает диаграмма в виде «стандартного глаза» (на рис. 1.2 справа - «бинарный глаз»). Как отмечалось выше, глазковые диаграммы используют периодическую структуру цифрового сигнала. За счет внешней синхронизации развертки, получаемые осциллограммы волнового фронта сигнала накладываются друг на друга с периодом одного отсчета. В результате проведения измерений с накоплением получается глазковая диаграмма, на которую по оси Yоткладывается амплитуда сигналов по уровням.
Вкачестве примера формирования глазковой диаграммы может быть использован рис. 1.2, где показан процесс формирования диаграммы цифрового бинарного сигнала без ограничений и с ограничениями на передаваемую полосу (с фильтром).
7
Рис. 1.2. Глазковая диаграмма сигналов без фильтрации и с фильтрацией
Этот пример позволяет реально продемонстрировать механизм формирования глазковой диаграммы. Реальная осциллограмма сигнала (например, двухуровневого цифрового сигнала) «разрезается» посимвольно в соответствии с тактовыми импульсами синхронизирующего генератора, а затем глазковая диаграмма «складывается» из полученных кусков. В идеальном случае при отсутствии цепей фильтрации в результате такого сложения получится квадрат («квадратный глаз», представлен на рисунке слева). Однако глазковая диаграмма реального сигнала будет значительно отличаться от квадрата, поскольку будет содержать в себе составляющие нарастания фронта сигнала, спада фронта, прямоугольный импульс будет иметь форму колокола, в результате получится диаграмма, более похожая на глаз (на рисунке справа).
8
Исследование глазковых диаграмм позволяет провести детальный анализ цифрового сигнала по параметрам, непосредственно связанным с формой волнового фронта: параметра межсимвольной интерференции (ISI), джиттера передачи данных и джиттера по синхронизации. Пример глазковой диаграммы представлен на рис. 1.3 (компьютерная имитация). Детальный анализ показывает, что трасса двухуровневого сигнала на глазковой диаграмме в точках времени, соответствующих точкам отсчета, проходит точно через нормированные значения +1 и -1, следовательно, ISIна предлагаемом рисунке отсутствует.
Рис. 1.3. Глазковая диаграмма цифрового сигнала, проходящего через фильтр с коэффициентом округления спектра а=0,3 (компьютерная имитация)
В то же время для различных трасс пересечение с временной осью происходит в разные временные промежутки. Максимальная ширина области пересечения с временной осью определяется как пиковое фазовое дрожание или джиттер
9
передачи данныхDjpp, Джиттер DjPPизмеряется обычно в единицах времени или как отношение к интервалу передачи символа DjPP/Ts. Пиковый джиттер, представленный на рисунке составляет 35%. Следует отметить, что DjPPявляется обычно следствием ограниченной полосы каналов. Например, расчет показывает, что для фильтра с коэффициентом ограничения спектра а=0,2 джиттер передачи данных составляет уже 48%, т.е. чем меньше коэффициент ограничения спектра (альфа-фактор) канала, тем больше джиттер. Сам по себе джиттер передачи данных является следствием объективных процессов преобразования сигналов и деградации качества связи не вызывает. Однако его комбинация с джиттером по синхронизации или постоянным сдвигом частоты передачи может привести к существенным нарушениям качества.
Пример 1.1.В качестве иллюстрации воздействия джиттера по системе синхронизации на модулированный сигнал рассмотрим глазковую диаграмму модема с модуляцией 64 QAM, широко применяемой в радиочастотных системах передачи (рис. 1.4).
Предположим, что уровень джиттера по системе синхронизации С1РР=6% относительно периода сдвига символа Ts, а уровень идеального сигнала равным 100 мВ. Тогда, как видно из рис. 1.4, наличие джиттера в системе синхронизации приведет к уменьшению интервала разрешения до 70 мВ.
Это фактически эквивалентно деградации производительности системы на 3 дБ, что, само собой, уже существенно. Добавим, что в предлагаемой на рис. 1.4 компьютерной имитации использовался фильтр с фактором сглаживания а=0,2. Более узкополосные сигналы, имеющие меньший фактор сглаживания, оказываются более чувствительными к джиттеру по синхронизации. Наиболее же чувствительными являются многоуровневые системы (например, системы с модуляцией 64 или 256 QAM).
10