Измерения в технике Связи Лекции

селектируют неоднородности, определяя категорию неисправности в виде обрыва или короткого замыкания кабеля.

Важным отличием металлических рефлектометров от оптических является зависимость скорости распространения сигнала по кабелю от характеристик кабелей. В связи с этим возникает вопрос пересчета данных о времени распространения отраженного сигнала в данные о расстоянии до неоднородности. При этом возникает дополнительный фактор, связанный со скоростью распространения сигнала - VOP (Velocity of Propagation). Фактор VOP численно равен отношению скорости распространения сигнала в кабеле к скорости света в вакууме и определяется типом диэлектрика в кабеле. Для коаксиальных кабелей VOP зависит от материала, окружающего центральную жилу, для симметричной пары - от расстояния между жилами и типа диэлектрика. VOP может меняться в зависимости от времени использования кабеля и температуры в пределах 3%. Если VOP не указывается в паспорте на кабель, он может быть вычислен путем измерения кабеля известной длины. Для проверки правильности VOP при использовании рефлектометра измерения проводятся с двух сторон кабеля и результаты сравниваются с данными о реальной длине кабеля.

Другим важным фактором организации измерений с использованием TDR помимо VOP является способ подключения рефлектометра к тестируемому кабелю. Варианты правильного и неправильного подключения представлены на рис. 9.6.

На рисунке представлены варианты правильного и неправильного соединения через соединительную муфту (рис. 9.6, а), с использованием адаптера (рис. 9.6, в) и подсоединения к витой паре (рис. 9.6, в).

Основные типы рефлектограмм металлических кабелей

Среди всего многообразия рефлектограмм металлических кабелей можно выделить несколько, наиболее полно описывающих возможные неисправности кабелей.

На рис. 9.7 представлены типичные реф-лектограммы металлических кабелей.

На рефлектограмме 1 представлен случай отражения сигнала от точки с большим сопротивлением (второй курсор), что соответствует обрыву кабеля. Состояние, описываемое реф-лектограммой, получило название характерного обрыва (COMPLETE OPEN)

Отражение со сменой полярности сигнала, представленное на рефлектограмме 2, соответствует короткому замыканию в кабеле и, как следствие, малому сопротивлению неоднородности. Такое состояние получило название характерного короткого замыкания (DEAD SHORT).

На рефлектограмме 3 представлен вариант частичного обрыва (второй курсор) (PARTIAL OPEN), за которым следует полный обрыв.

На рефлектограмме 4 представлен случай, когда за частичным замыканием (PARTIAL SHORT), отмеченным вторым курсором, следует полный обрыв кабеля

Рефлектограмма 5 отражает четыре отпайки на кабеле. Отпайка, отмеченная вторым курсором, является дефектной, что хорошо видно по уровню отражения от неоднородности.

Цилиндрический коннектор на коаксиальном кабеле, отмеченный вторым курсором, вносит затухание, прямо пропорционально качеству соединения (рефлектограмма б). Наличие усилителя в линии (рефлектограмма 7) приводит к повышенному отражению от усилителя. Сигнал от рефлектометра должен обрываться на усилителе, однако может возникнуть дополнительное отражение (фантомный образ) за усилителем.Коаксиальные отпайки (рефлектограмма 8), как внешние, так и внутренние, могут привести к появлению точек отражения по всей длине кабеля. Уровень отражения является параметром качества отпаек.Наличие направленных и пассивных ответвителей (рефлектограмма 9) может привести к ошибке измерения вследствие множественного отражения. На предлагаемой рефлектограмме второй курсор отмечает место расположения ответвителя. Два разнонаправленных отраженных сигнала отображают два сегмента ответвителя.Внесение дополнительного сопротивления или сварочный шов приводят к появлению отражения в виде S на рефлектограмме 10. Высокоомное отражение сопровождается низкоомным. Хорошо согласованное соединение кабеля с согласованной нагрузкой (терминатором) полностью поглощает сигнал отражения. Рефлектограмма 11 служит гарантией правильности выбора терминатора, который не вызывает отражения.

Тестирование кабеля с антенной (рефлектограмма 12) также может приводить к S-отражению. В этом случае отражение сильно зависит от типа антенны. Анализ кабелей с антеннами радиосвязи может сопровождаться индуктивными наводками от радиоаппаратуры (рефлектограмма 13).

Замокание кабелей отображается на рефлектограмме как область случайного отражения. Начало этой области, показанное вторым курсором на рефлектограмме 14. соответствует началу области замокания кабеля.

Повышение влажности в кабелях (рефлектограмма 15) приводит к появлению шумовой составляющей. Высокоомная отпайка отображается на рефлектограмме как низкоомное отражение, за которым идет

высокомное отражение, показывающее конец высокоомной отпайки (рефлектограмма 16). Из-за протяженности участка анализ кабеля с множеством отпаек может вызвать затруднения.

Характеристики рефлектометров для металлических кабелей с отображением формы волны и с цифровым отображением представлены в табл. 9.3.

Обнаружение неисправностей с использованием мостового метода

Метод мостового тестирования основан на использовании электротехнической схемы сбалансированного моета. Тестируемый кабель используется в качестве одного из плеч моста, затем анализатор подбирает параметры других плеч и на основании этого делается вывод о параметрах составного кабеля, например, сопротивлении, емкости и т.д. На основании данных о распределенных параметрах (погонной емкости и сопротивлении) оценивается расстояние до неоднородности и ее характер.

При таком подходе сначала определяют характер предполагаемой неисправности. Выделяют два типа неисправностей, соответствующих двум типам кабелей: омические и емкостные. Если в результате неисправности между жилами появляется активное сопротивление, такую неисправность назовем омической; к ним относятся короткое замыкание, частичный пробой изоляции между жилами, замокание кабеля и т.д. Неисправности, в результате которых увеличивается емкость между несущими жилами, а также между несущими жилами и землей, назовем емкостными. К ним относятся различные типы обрывов жил. И в том, и

в

После определения характера неисправности выбирается анализируемый параметр - сопротивление или емкость. По заданным распределенным параметрам можно сразу рассчитать предполагаемую длину кабеля (см. пример 9.1). Если она не совпадает с заданной, это означает, что имеет место та или иная неоднородность. Затем параметры заданной пары сравниваются с эталонной. Для этого образуют сбалансированный мост, одно плечо которого - тес-тируемая пара, другое - эталонная, третий компонент моста - омическая или емкостная неисправность, четвертый - прибор. Прибор обеспечивает баланс моста. В результате измеряют распределенное сопротивление (емкость) до неоднородности и собственное сопротивление (емкость) неоднородности. Зная распределенные параметры кабеля, можно вычислить расстояние до неоднородности.

Пример 9.1

Расчет реальной длины кабеля

Для расчета реальной длины кабеля используют справочные таблицы величин основных распределенных параметров кабеля (например, табл. 9.4)

В качестве примера использования такой таблицы рассмотрим расчет длины каоеля, если сопротивление между жилами T-R при диаметре 0,64 мм равно 30 Ом. В этом случае искомая длина равна

1=30 Ом х 9,22 м/Ом = 276,6 м

При подобных расчетах следует учитывать температурный коэффициент изменения длины, зависящий от типа пары, материала, а также разницы температур. Например, для нашего кабеля коэффициент равен 0,00218. Тогда поправка к длине будет составлять при температуре 28,89° С

dl = 276,6м х 0,00218 х (20° С - 28,89° С) = -5,36 м,

ареальная длина составит Lp = 276,6 м - 5,36 м - 271,24 м.

Если эта длина не совпадает с прогнозируемой, значит в кабеле имеется омическая неисправность.

Мостовой метод дает большую неопределенность в трактовках полученных результатов, чем рефлектометрический. Поэтому для конкретизации были разработаны несколько типовых схем включения, представленные на рис. 9.8. Наибольшее распространение получили двухжильная и трехжильная схемы в зависимости от того, сколько металлических жил используется в измерении. Дело в том, что для создания мостовой схемы на удаленном конце необходимо составить шлейф, т.е. установить перемычки между соответствующими жилами. Сделать это можно двумя способами. На рис.9.8 слева представлен вариант образования моста по жилам 1-2-G (G-жила заземления). Справа представлен вариант образования шлейфа по жилам 1-2-3-G.

Обе схемы имеют свои преимущества и недостатки и часто в реальных эксплуатационных условиях взаимно дополняют друг друга, повышая точность измерений.

Перечень соответствующего измерительного оборудования, работающего по методу моста, представлен в табл. 9.5. Следует отметить, что часть измерительных приборов, представленных в таблице, пересекается с табл. 9.3. Это обусловлено тем, что для повышения эффективности использования приборов в последние несколько лет фирмы-производители стараются объединять функции рефлектометра и мостового анализатора.

В целом рефлектометрический метод более эффективен, поскольку не требует манипуляций с кабелем на удаленном конце и сложных вычислений. В то же время существует ряд характерных неисправностей, в которых использование мостового метода дает лучшие результаты. Поэтому в ряде случаев целесообразно примененять оба метода.

9.4.Измерения абонентских кабельных систем

Всвязи с широкомасштабным внедрением ВОЛС измерительная технология ориентируется в большей степени на измерения абонентских кабелей, поскольку на магистральной первичной сети в основном применяется оптический кабель. В последнее время возникла реальная необходимость создания универсальной абонентской кабельной сети, которую можно было бы эффективно использовать не только для передачи сигналов ТФ, но и для создания локальных вычислительных сетей (LAN) высокой пропускной способности. В результате возникла концепция структурированных кабельных сетей (СКС). Эта концепция в настоящее время доминирует при развертывании новых абонентских кабельных систем или при капитальной реконструкции абонентского кабельного хозяйства.

Реальная необходимость создания высокоскоростных каналов передачи данных без замены существующего абонентского кабельного хозяйства потребовала пересмотра параметров имеющегося абонентского кабеля и фактически породила новую измерительную технологию со своими отдельными подходами, решениями, измерительными средствами и методами интерпретации результатов.

Технология измерений существующего абонентского кабеля разделяется на три независимых измерительных технологии:

•измерения существующего абонентского кабеля, используемого в телефонных прило жениях (POTS);

•измерения абонентского кабеля нового поколения - структурированных кабельных сис тем на основе витой пары категорий 3, 5,6;

•измерения существующего абонентского кабеля в соответствии с новыми требования ми, предъявляемыми аппаратурой xDSL.

Все перечисленные технологии по существу независимы и должны рассматриваться отдельно, что и нашло

отражение в разд. 9.1. Здесь хотелось бы уточнить, что формально все три технологии связаны с абонентским электрическим кабелем.

Технологии измерений абонентских кабельных сетей с одной стороны очень распространены, с другой стороны в мировой практике фактически неструктурированы, т.е. нет универсальных рекомендаций по организации измерений. Несмотря на то, что набор параметров абонентских кабелей известен, существует несколько совершенно разных методов их измерения и для проведения этих измерений используется различное оборудование. Общая классификация технологий измерений на абонентских кабелях обычно не рассматривается,

асами технологии представлены в виде типовых задач и путей их решения.

Внастоящей главе рассмотрим технологию эксплуатационных измерений обычного абонентского кабеля общего применения (POTS). Несмотря на классическую постановку задачи, технология измерений кабеля POTS в последнее время значительно усовершенствовалась и частично используется при эксплуатационных измерениях

xDSL и LAN.

Прежде чем перейти к описанию измерений, рассмотрим устройство абонентской пары. В отечественной практике абонентское кабельное хозяйство строится на основе отечественных и импортных кабелей. Структура таких кабелей отличается по количеству пар, наличию металлической арматуры и экранов, использованию различных материалов. Для каждого кабеля можно найти информацию в специальной литературе, в первую очередь, в справочниках по кабелям связи. Для нас важно, что абонентское кабельное хозяйство строится на основе абонентских пар, и далее под электрическим абонентским кабелем будем понимать абонентскую пару.

Структура и характеристики абонентской пары

Абонентская пара состоит из трех жил: две - для передачи сигнала и одна - заземление. В зарубежной литературе две несущие жилы часто называют Ring (R) и Tip (Т); по одной жиле может передаваться сигнал вызова, а вторая используется для передачи рабочего сигнала. Соответственно жила заземления называется

Ground (G).

Существуют несколько наиболее часто встречаемых диаметров жил абонентского кабеля, которые по разному маркируются в европейских и американских стандартах (см. табл. 9.6).

Абонентский кабель оканчивается абонентской кабельной проводкой на стороне пользователя. В качестве

пользователя в данном соединении может выступать здание или удаленный офис, в случае необходимости прокладки в него выделенного кабеля. С другой стороны находится центральный коммутатор (Central Office - СО). Часто возникает необходимость разделения пучка абонентских кабелей на нескольких пользователей. Тогда в непосредственной близости от пользователя устанавливают распределительный шкаф, иногда можно устанавливать в помещении одного из пользователей.

Абонентская пара может быть пассивной или активной в зависимости от того, подключена ли она к оборудованию коммутатора. Активная пара используется для передачи сигналов ТЧ. Основные параметры активной пары следующие:

Параметры пассивной абонентской пары представляют собой часть этих параметров.

Основные параметры абонентских кабельных сетей

Основными параметрами абонентских кабельных сетей являются:

•импеданс линии (включая сопротивление, емкость и индуктивность);

•ток, напряжение активного абонентского кабеля;

•уровень балансировки пары;

•затухание в канале и длина кабеля;

•АЧХ и ГВЗ абонентского канала (полоса пропускания);

•переходное затухание на ближнем конце (NEXT);

•шумовые характеристики канала;

•возвратные потери и коэффициент отражения;

•импульсные характеристики помех в кабеле;

•задержка в распространении сигнала;

•полярность жил в кабеле;

•параметры, связанные с локализацией неисправности в кабеле.

Все параметры абонентской линии условно разделяют на первичные и вторичные. Первичными называются параметры, которые могут быть рассчитаны на основании данных о физической конструкции кабеля. Зависимость от конструкции кабеля может быть довольно сложной и свой вклад могут вносить геометрия и свойства материалов кабеля. Первичные параметры обычно относятся к параметрам пассивной пары и не связаны с процессами передачи по ней сигналов. К таким параметрам относятся параметры импеданса (сопротивление, индуктивность и емкость), а также параметры геометрии (параметр скрутки и т.д.)

Параметры импеданса абонентского кабеля являются метрологическими характеристиками, т.е. характеристиками, методы измерений которых описываются классической теорией метрологии на основании модели четырехполюсника. С этим связана технология измерений параметров импеданса обшеизмерительными приборами (в первую очередь мультиметрами).

Вторичные параметры рассчитываются на основе первичных или получаются с помощью непосредственных измерений. Вторичные параметры определяют поведение электрического сигнала при прохождении его по кабелю. Для проведения эксплуатационных измерений основными являются вторичные параметры.

Разделение параметров на первичные и вторичные связано с теорией метрологии: параметры классического четырехполюсника рассматриваются как первичные параметры, тогда как для описания вторичных параметров используется модель "черного ящика" и рассматривается зависимость параметров выходного сигнала от параметров входного сигнала. Более подробно теоретические аспекты метрологии можно найти в [49]. В настоящей книге нас будут интересовать практические методы измерения параметров, поэтому описанные модели рассматриваться не будут.

Измерение параметров импеданса абонентского кабеля

Параметры импеданса абонентского кабеля также называются первичными параметрами линии передачи. К ним относятся сопротивление, индуктивность, проводимость и емкость. Они относятся к общим параметрам четырехполюсников и могут быть измерены обычными мультиметрами или LCR-метрами с соответствующими диапазонами измерений.

Из перечисленных параметров наиболее важными оказываются параметры сопротивления и емкости, поскольку проводимость представляет собой характеристику, обратную сопротивлению, а измерения индуктивности довольно громоздки и имеют спорную эксплуатационную ценность.

Измерения емкости и сопротивления выполняются в абонентском кабеле по трем возможным направлениям: T-R, R-G и T-G. В результате измеряются шесть величин, которые не только характеризуют параметры кабеля, но и сразу указывают на тип неисправности. В частности, при измерениях на пассивной паре очень важно

определить характер кабеля - омический или емкостной. Например, замкнутый кабель является омическим, тогда как разомкнутый - емкостным. То же самое можно сказать и об основных неисправностях в кабеле –

Использование метода импульсной рефлектометрии для определения повреждений кабельных линий

Точному определению места повреждения в линиях связи и электропередачи, которое производится трассовыми методами, должна предшествовать предварительная его локализация методом импульсной рефлектометрии.

Метод импульсной рефлектометрии позволяет определить зону повреждения (в пределах погрешности измерения) и применить отдельные трассовые методы обнаружения только на небольших участках трассы, что позволяет существенно сократить время точного определения места дефекта.

Основными видами повреждений в кабельных линиях электропередачи и связи являются: короткие замыкания и обрывы, появление утечки между жилами или между жилой и экраном (броней), увеличение продольного сопротивления.

Причин возникновения повреждений много: механические повреждения, например при проведении земляных работ, старение изоляции, нарушение изоляции от воздействия влаги и т.п.

Перед проведением измерений методом импульсной рефлектометрии необходимо проверить участок кабельной линии омметром или мегоометром. Однако такая проверка может быть недостаточной. Например, после воздействия мегоометром на кабель, имеющий растрескавшуюся изоляцию с попавшей влагой, может произойти подсушивание места дефекта. При этом показания мегоометра соответствуют как бы исправному кабелю (сотни и тысячи МОм).

После выявления дефектных линий (жил, фаз) мегоомметром переходят к предварительному определению места повреждения методом импульсной рефлектометрии.

Сущность метода импульсной рефлектометрии

Метод импульсной рефлектометрии, называемый также методом отраженных импульсов или локационным методом, базируется на распространении импульсных сигналов в двух- и многопроводных системах (линиях и кабелях) связи.

Приборы, реализующие указанный метод, называются импульсными рефлектометрами.

Сущность метода импульсной рефлектометрии заключается в выполнении следующих операций:

1.Зондировании кабеля (двухпроводной линии) импульсами напряжения.

2.Приеме импульсов, отраженных от места повреждения и неоднородностей волнового сопротивления.

3.Выделении отражений от места повреждений на фоне помех (случайных и отражений от неоднородностей линий).

4.Определении расстояния до повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего.

Упрощенная структурная схема импульсного рефлектометра приведена на рисунке.

С генератора импульсов зондирующие импульсы подаются в линию.

Отраженные импульсы поступают с линии в приемник, в котором производятся необходимые преобразования над ними. С выхода приемника преобразованные сигналы поступают на графический индикатор.

Все блоки импульсного рефлектометра функционируют по сигналам блока управления.

На графическом индикаторе рефлектометра воспроизводится рефлектограмма линии - реакция линии на зондирующий импульс.

Образование рефлектограммы линии легко проследить по диаграмме, приведенной на рисунке ниже. Здесь осью ординат является ось расстояния, а осью абсцисс - ось времени.

В левой части рисунка показана кабельная линия с муфтой и коротким замыканием, а в нижней части - рефлектограмма этой кабельной линии.

Анализируя рефлектограмму линии, оператор получает информацию о наличии или отсутствии в ней повреждений и неоднородностей.

Например, по приведенной выше рефлектограмме можно сделать несколько выводов.

1. На рефлектограмме кроме зондирующего импульса есть только два отражения: отражение от муфты и отражение от короткого замыкания. Это свидетельствует о хорошей однородности линии от начала до муфты и от муфты до короткого замыкания.

2.Выходное сопротивление рефлектометра согласовано с волновым сопротивлением линии, так как переотраженные сигналы, которые при отсутствии согласования располагаются на двойном расстоянии, отсутствуют.

3.Повреждение имеет вид короткого замыкания, так как отраженный от него сигнал изменил полярность.

4.Короткое замыкание полное, так как после отражения от него других отражений нет.

5.Линия имеет большое затухание, так как амплитуда отражения от короткого замыкания много меньше, чем амплитуда зондирующего сигнала.

Если выходное сопротивление рефлектометра не согласовано с волновым сопротивлением линии, то в моменты времени 2* tм, 4* tм и т.д. будут наблюдаться переотраженные сигналы от муфты, убывающие по амплитуде, а в моменты времени 2* tх, 4*tх и т.д. - переотражения от места короткого замыкания.

Основную сложность и трудоемкость при методе отраженных импульсов представляет выделение отражения от места повреждения на фоне помех.

Метод импульсной рефлектометрии базируется на физическом свойстве бесконечно длинной однородной линии, согласно которому отношение между напряжением и током введенной в линию электромагнитной волны одинаково в любой точке линии. Это соотношение:

W = U/I

имеет размерность сопротивления и называется волновым сопротивлением линии.

При использовании метода импульсной рефлектометрии в линию посылают зондирующий импульс и измеряют интервал tх - время двойного пробега этого импульса до места повреждения (неоднородности волнового сопротивления). Расстояние до места повреждения рассчитывают по выражению:

Lx = tx*V/2 ,

где V - скорость распространения импульса в линии.

Отношение амплитуды отраженного импульса Uо к амплитуде зондирующего импульса Uз обозначают коэффициентом отражения Котр:

Котр = Uo/Uз = (W1 - W) / (W1 + W),

где: W - волновое сопротивление линии до места повреждения (неоднородности), W1 - волновое сопротивление линии в месте повреждения (неоднородности).

Отраженный сигнал появляется в тех местах линии, где волновое сопротивление отклоняется от своего среднего значения: у муфт, у мест изменения сечения жилы, у мест сжатия кабеля, у места обрыва, короткого замыкания и т.д.

Если выходное сопротивление импульсного рефлектометра отличается от волнового сопротивления измеряемой линии, то в месте подключения рефлектометра к линии возникают переотражения.

Переотражения - это отражения от входного сопротивления рефлектометра отраженных сигналов, которые пришли к месту подключения рефлектометра из линии. Выходное и входное сопротивления рефлектометра, как правило, равны между собой.

В зависимости от соотношения входного сопротивления рефлектометра и волнового сопротивления линии изменяется полярность и амплитуда переотражений, которая может оказаться соизмеримой с амплитудой отражений. Поэтому перед измерением рефлектометром обязательно нужно выполнить операцию согласования выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии.

Примеры рефлектограммы линии без согласования выходного сопротивление с линией и с согласованием приведены на рисунках:

При распространении вдоль линии импульсный сигнал затухает, то есть уменьшается по амплитуде. Затухание линии определяется ее геометрической конструкцией и выбором материалов для проводников и изоляции и является частотно-зависимым.

Следствием частотной зависимости является изменение зондирующих импульсов при их распространении по линии: изменяется не только амплитуда, но и форма импульса - длительности фронта и среза импульса увеличиваются ("расплывание” импульса). Чем длиннее линия, тем больше “ расплывание” и меньше амплитуда импульса. Это затрудняет точное определение расстояния до повреждения.

Примеры рефлектограмм линий без затухания (идеальная линия) и с затуханием показаны на рисунке.

Для более точного измерения необходимо правильно, в соответствии с длиной и частотной характеристикой затухания линии, выбирать параметры зондирующего импульса в рефлектометре.

Критерием правильного выбора является минимальное "расплывание" и максимальная амплитуда отраженного сигнала.

Если при подключенной линии на рефлектограмме наблюдается только зондирующий импульс, а отраженные сигналы отсутствуют, то это свидетельствует о точном согласовании выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии, отсутствии повреждений и наличии на конце линии нагрузки равной волновому сопротивлению линии.

Вид отраженного сигнала зависит от характера повреждения или неоднородности. Например, при обрыве отраженный импульс имеет ту же полярность, что и зондирующий, а при коротком замыкании отраженный импульс меняет полярность.

В идеальном случае, когда отражение от повреждения полное и затухание отсутствует, амплитуда отраженного сигнала равна амплитуде зондирующего импульса.

Рассмотрим два случая эквивалентных схем повреждений, которые наиболее часто встречаются на практике: шунтирующая утечка и продольное сопротивление.

Пусть место повреждения линии представляет собой шунтирующую утечку Rш:

С изменением сопротивления утечки от нуля (соответствует короткому замыканию) до бесконечности (соответствует исправной линии), при положительном зондирующем импульсе отраженный импульс имеет отрицательную полярность и изменяется по амплитуде от максимального значения до нулевого, в соответствии с выражением:

Котр= (W1 - W) / (W1 + W) = - W / (W+2*Rш),

где: Rш - сопротивление шунтирующей утечки,

W1 - волновое сопротивление линии в месте повреждения, определяется выражением:

W1 = (W*R ш) / (W + Rш)

Так, например, при коротком замыкании (Rш = 0) получаем: Котр = -1. В этом случае сигнал отражается полностью с изменением полярности.