Кабельных цепей методом

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание Общая характеристика работы Цель и задачи диссертации. Методы исследований. Научная новизна. Практическая ценность. Реализация и внедрение результатов исследований. Апробация работы. Структура и объем диссертации. Основные положения, выносимые на защиту. Первая глава Рис. 1. Модель неоднородной линии Во второй главе Рис. 2. Рефлектограммы одной пары кабеля ТПП–10×2×0,4 Рис. 3. Теоретически рассчитанные рефлектограммы кабеля ТПП–10×2×0,4 В третьей главе Рис. 4. Рефлектограмма КЦ, зарегистрированная Рис. 5. К выбору оптимальной длительности зондирующего импульса Рис. 10. Окно программы обработки экспериментальных рефлектограмм В заключении Список работ по теме диссертации ... Полное содержание

Подобный материал:

• Контрольная работа выполняется на тему «Основные законы теории цепей, анализ установившегося, 35.6kb.
• Ханнанов Наиль Кутдусович, Институт научной информации и мониторинга рао, e-mail: khann@dio, 2077.53kb.
• Методические указания к выполнению курсового расчёта на тему: «Анализ и моделирование, 58.09kb.
• Структурный синтез и символьный допусковый анализ электрических цепей методом схемных, 381.46kb.
• И. В. Мельникова основы теории цепей схемные функции и частотные характеристики линейных, 21.18kb.
• Задачи работы: описать кратко историю мировых гостиничных цепей; рассмотреть основные, 34.72kb.
• Контрольная работа по курсу «Линейной алгебры и математического программирования», 99.84kb.
• Программа курса «Основы радиоэлектроники», 15.36kb.
• Дополнительные разделы теории цепей, 12.7kb.
• Лекция n 10, 69.36kb.

На правах рукописи

Дюбов

Андрей Сергеевич


РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИКИ

КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ВНУТРЕННИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

КАБЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ МЕТОДОМ

ИМПУЛЬСНОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ


05.12.13 –Системы, сети и устройства телекоммуникаций


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Санкт-Петербург

2011


Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций имени профессора М.А. Бонч-Бруевича на кафедре линий связи.


Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Глаголев Сергей Федорович.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Дмитриков Владимир Федорович,

кандидат технических наук, доцент

Виноградов Владимир Валианович.


Ведущая организация ОАО «Лентелефонстрой».


Защита диссертации состоится «___» __________2011 г. в ____ на заседании диссертационного Совета Д 219.004.02 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, д. 61.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.


Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, д. 61 на имя ученого секретаря диссертационного совета.


Автореферат разослан «___» _________2011 г.


Ученый секретарь диссертационного Совета

кандидат технических наук, доцент В.Х. Харитонов


Общая характеристика работы


Актуальность проблемы.

С развитием телекоммуникаций в России, как и во всем мире, наряду с разделением сетей на первичные и вторичные все чаще встречается двухуровневое деление на транспортные сети, включающие магистральные и зоновые сети, а также часть местных сетей, и сети доступа от узла транспортной связи до абонентов.

При построении транспортной сети активно внедрялись цифровые системы передачи и волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), которые практически вытеснили электрические кабели.

Сети доступа наиболее инерционны, они требуют значительных затрат на эксплуатацию, модернизацию и развитие. Являющаяся частью Единой сети электросвязи РФ, сеть доступа в настоящее время преимущественно строится на основе симметричных и коаксиальных кабелей связи. Из-за высокой стоимости абонентских устройств и значительных эксплуатационных расходов при обслуживании волоконно-оптических линий на абонентском участке наиболее экономичными и востребованными продолжают оставаться кабели с медными жилами. Существующее положение подтверждают цифры статистики объемов производства электрических кабелей связи, сетевого оборудования и измерительных приборов. В сетях широкополосного доступа и в локальных вычислительных сетях (ЛВС) наибольшее распространение получили симметричные высокочастотные кабели. Объемы производства симметричных кабелей для ЛВС продолжают расти и в настоящее время даже превышают объемы производства волоконно-оптических кабелей связи. По разным оценкам такое положение сохранится в течение полутора, двух десятков лет.

Требования к качеству уже проложенных и изготавливаемых кабелей усиливаются в связи с ростом скоростей передачи и расширением спектра услуг для абонентов сети. Идеальные кабельные цепи (КЦ) должны быть однородными, т.е. их первичные и вторичные параметры передачи и взаимных влияний не должны изменяться вдоль КЦ.

Все КЦ в той или иной мере неоднородны. Неоднородности возникают из-за несовершенства технологий производства, прокладки и монтажа кабеля. Отклонения в диаметрах проводников и шагах скрутки, изменения взаимного расположения проводников, толщины и параметров изоляции приводят к внутренним неоднородностям.

Неоднородности приводят к отражениям сигнала, распространяющегося по КЦ и образованию обратного и попутного потоков, которые накладываются на основной сигнал, затрудняют согласование КЦ с системой передачи, и проявляются в виде помех. Это приводит к ухудшению качества связи, особенно, при высоких скоростях передачи, расширении диапазона передаваемых частот и при использовании КЦ в дуплексном режиме.

Исследованию неоднородностей КЦ в сетях доступа, разработке и анализу методов их измерения и количественной оценки посвящена данная работа.

Существующая методика количественной оценки параметров неоднородностей КЦ в частотной области позволяет определять зависимость так называемых возвратных потерь от частоты. Эта величина определяется интегральным коэффициентом отражения от всех неоднородностей на данной частоте и зависит не только от внутренних неоднородностей, которые характеризуют качество изготовления и состояния кабеля, но также и от концевых и стыковых неоднородностей, которые характеризуют качество согласования КЦ с нагрузкой и генератором, а также одинаковость параметров соединяемых строительных длин.

После тщательного согласования и отбора соседних строительных длин основной вклад в обратный и попутный потоки вносят внутренние неоднородности КЦ, которые в первую очередь зависят от качества технологии производства кабеля. Поэтому разработка экспериментальной методики измерения, способов обработки ее результатов и количественной оценки параметров распределения внутренних неоднородностей по длине КЦ является важной и актуальной задачей, решение которой позволит сравнивать кабельную продукцию различных заводов, оперативно контролировать качество кабеля в процессе производства, количественно оценивать ухудшение качества кабеля после его прокладки.

В основу, предлагаемой в диссертации, экспериментальной методики количественной оценки параметров распределения внутренних неоднородностей КЦ положен импульсный метод измерения. Использование предлагаемой методики позволит дополнить существующие методы контроля качества неоднородных КЦ и даст возможность ввести обоснованные нормы на параметры внутренних неоднородностей кабелей. Импульсный метод исследования линий связи во временной области развивается с 1950-х годов. Он позволяет оперативно получать наглядную информацию о состоянии неоднородных КЦ. Он широко используется для определения характера и местоположения неоднородностей и повреждений различных кабелей и линий связи, силовых кабелей и линий электропередач.

Большой вклад в теорию процессов распространения импульсных сигналов, формирования обратного и попутного потоков в неоднородных цепях внесли отечественные ученые: В.А. Андреев, С.И. Баскаков, С.М. Верник, Г.В. Глебович, А.Д. Ионов, И.П. Ковалев, Э.Л. Портнов, А.А. Абрамов, В.Л. Бакинский, А.П. Осадчий, Н.И. Сосфенов, В.К. Спиридонов, И.В. Ляхов, В.Н. Семенов и другие. Большой вклад в разработку импульсного метода измерений внесли Б.П. Богданов, А.С. Воронцов, Г.В. Демьянченко, А.Я. Усиков, Г.М. Шалыт, П.А. Фролов, Н.А. Тарасов, И. Иванцов, В.М. Горохов, М.С. Былина, С.Ф. Глаголев, В.Б. Рудницкий и другие. За рубежом этой тематикой занимаются A. Clunie (Англия) M. Turvey, W. Blohm (Германия), Paul Smith, Cynthia Furse, John Pickerd, Kan Tan, Joe Rowell Joel Dunsmore, Les Brabetz (США), Bernardo Celaya de la Torre (Канада) и другие.

В нашей стране эксплуатируется значительное количество импульсных рефлектометров иностранного (Tektronix, Rise Bond, Hewlett Packard (США), Bicotest (Англия) и др.) и отечественного (ОАО «Стелл», ЗАО «Эрстед», ООО «Связьприбор», ООО «Аналитик-ТС») производства.

Проведенные в диссертации экспериментальные и теоретические исследования неоднородных КЦ позволили разработать рекомендации по исключению или уменьшению некоторых методических и инструментальных погрешностей и предложить новые методики измерения импульсным методом.

Цель и задачи диссертации.

Целью диссертации является расширение функциональных возможностей импульсного метода измерений и разработка методики количественной оценки параметров внутренних неоднородностей КЦ. Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

1) построение математической модели неоднородной КЦ, позволяющей в частотной и временной областях теоретически исследовать процессы формирования обратного потока;

2) теоретическое и экспериментальное исследование существующей методики количественной оценки неоднородностей КЦ в частотной области и выявление ее недостатков;

3) экспериментальное исследование различных неоднородных КЦ импульсным методом во временной области и установление его пригодности для количественной оценки параметров внутренних неоднородностей;

4) разработка алгоритмов обработки сигнала обратного потока, позволяющих получить статистические характеристики распределения коэффициентов отражения от внутренних неоднородностей КЦ;

5) разработка макета измерительного устройства и программного обеспечения для количественной оценки внутренних неоднородностей КЦ.

Методы исследований.

При выполнении исследований были использованы теоретические методы математического анализа, имитационного моделирования, математической статистики и цифровой обработки сигналов, экспериментальные методы измерения параметров кабельных цепей в частотной и временной областях.

Научная новизна.

Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной являются:

1) предложенная и разработанная математическая модель обратного потока на входе неоднородной КЦ в частотной и временной областях;

2) впервые предложенная и исследованная методика количественной оценки неоднородностей КЦ во временной области методом импульсной рефлектометрии;

3) впервые предложенный способ обработки сигнала обратного потока, позволяющий получить статистические характеристики распределения коэффициентов отражения от внутренних неоднородностей КЦ;

4) результаты экспериментальных исследований различных неоднородных КЦ, полученные с помощью предложенной методики.

Практическая ценность.

Разработана новая методика и устройство для количественной оценки параметров внутренних неоднородностей на основе импульсного метода измерений, позволяющая сравнивать качество различных кабелей, а также однотипных кабелей различных изготовителей.

Создано программное обеспечение для расширения функциональных возможностей существующих цифровых импульсных рефлектометров, совместимое с форматом записи отечественных приборов РЕЙС-205 и РИ-20М, позволяющее обрабатывать зарегистрированные рефлектограммы и получать статистические характеристики распределения внутренних неоднородностей КЦ.

Исследованы методические и инструментальные погрешности импульсных рефлектометров с несимметричным выходом при их подключении к симметричным КЦ, и разработаны практические рекомендации по их устранению или уменьшению.

Разработано и исследовано электронное устройство для подключения существующих рефлектометров с несимметричным выходом к симметричным КЦ.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, математического моделирования, разработанные технические решения, программы и устройства используются разработчиками импульсных приборов: ЗАО «Эрстед» (Санкт–Петербург), ООО «Измерительная техника связи», (Санкт–Петербург). Они также могут быть использованы разработчиками импульсных приборов в следующих организациях: ЗАО «Стелл» (г. Брянск), ООО «Связьприбор» (г. Тверь), ООО «Аналитик-ТС» (г. Москва).

Результаты исследований используются организациями, строящими и эксплуатирующими кабельные линии связи: ОАО «Лентелефонстрой», ОАО «СЗТ», ЗАО «Связь-электро» (Санкт-Петербург).

Предложенные математические модели, алгоритмы и разработанное программное обеспечение использованы в научных исследованиях «ЛОНИИС», учебном процессе кафедры линий связи СПбГУТ и НОУ «Лентелефонстрой».

Апробация работы.

Основные положения диссертации обсуждались:

- на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ в 2007 (2 доклада), 2008 (1 доклад), 2009 (2 доклада), 2010 (2 доклада), 2011 (1 доклад) годах,

- на Всероссийских конференциях «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно-кабельных сооружений» в 2008 (1 доклад), 2009 (2 доклада), 2010 (2 доклада) и 2011 (1 доклад) годах,

- на научно-технической конференции «Кабели и линии связи – 2010. Волоконно-оптические системы и сети широкополосного доступа», Санкт–Петербург, 2010 г. (1 доклад)

- на научно–технической конференции «Кабели и линии связи – 2010. Системный подход к проектированию, строительству и эксплуатации», г. Анапа, 2010 (2 доклада).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата, из них 2 статьи опубликованы в научно–технических журналах, включенных ВАК РФ в перечень изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.

Получен патент на полезную модель № 97831 от 23.03.2010 «Устройство оценки количественных и статистических характеристик внутренних неоднородностей электрических кабелей».

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 95 наименований. Диссертация содержит 144 страницы, 83 рисунка и 9 таблиц.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований и теоретического анализа существующей методики количественной оценки неоднородностей в частотной области на основе предложенной математической модели обратного потока неоднородной КЦ.

2. Результаты многочисленных экспериментальных исследований неоднородных симметричных и коаксиальных КЦ импульсным методом, которые доказали, что в зарегистрированных рефлектограммах содержится количественная информация о распределении внутренних неоднородностей вдоль КЦ.

3. Результаты исследований современных отечественных рефлектометров, которые выявили инструментальные и методические погрешности измерений, и рекомендации для разработчиков импульсных приборов и программного обеспечения, а также измерителей, проводящих измерения в процессе строительства и эксплуатации линейно–кабельных сооружений.

4. Впервые предложенная методика количественной оценки параметров внутренних неоднородностей КЦ во временной области методом импульсной рефлектометрии, ее теоретическое обоснование с помощью математической модели неоднородной КЦ и математического моделирования обратного потока неоднородной КЦ.

5. Алгоритмы обработки сигнала обратного потока неоднородной КЦ, позволяющие получить статистические характеристики распределения коэффициентов отражения от внутренних неоднородностей КЦ.

6. Результаты исследований изготовленного макета устройства для количественной оценки внутренних неоднородностей кабельных цепей и разработанного для него программного обеспечения.


основное Содержание работы


Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследования, научная новизна, практическая значимость результатов работы и положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу существующей методики оценки неоднородностей кабельных цепей в частотной области на основе предложенной математической модели неоднородной КЦ.

В основу модели неоднородной двухпроводной КЦ (рис. 1) положено представление о том, что реальную цепь можно представить состоящей из однородных участков длиной l_i с коэффициентами затухания , и фазы и волновыми сопротивлениями Z_vi, а также из стыков (неоднородностей) с номерами от i=0 до N. Такая модель пригодна для описания неоднородной КЦ с сосредоточенными концевыми, стыковыми и внутренними неоднородностями. При моделировании внутренних неоднородностей задавались средняя длина l₀ и номинальное волновое сопротивление Z_v0 однородного участка, СКО этих величин. Параметры конкретных значений l_i и Z_vi определялись с помощью генератора случайных чисел с нормальным законом распределения.



Рис. 1. Модель неоднородной линии

и схема образования обратного и попутного потоков


При расчете напряжений обратного и попутного потоков каждую неоднородность для волны, распространяющейся в прямом и обратном направлениях, можно характеризовать коэффициентами отражения, и коэффициентами пропускания , , а также расстоянием до неоднородности .

Величины коэффициентов отражения и пропускания по длине кабеля являются следствием многих случайных факторов и могут рассматриваться как случайные функции расстояния. Они могут принимать положительные и отрицательные значения и характеризоваться распределением плотности вероятности.

Для кабелей сетей доступа и локальных вычислительных сетей (ЛВС) в частотной области нормируется величина обратного потока на частоте ω, описываемая параметром Return Loss (RL, возвратные потери):


(1)
,

где (,) – мощность и амплитуда напряжения в падающей волне, а (,) – то же в отраженной волне.

На основе предложенной модели неоднородной КЦ было получено выражение для комплексной амплитуды напряжения обратного потока от всех неоднородностей и для возвратных потерь на частоте ω:




(2)



(3)
,

где E – ЭДС синусоидального генератора согласованного с волновым сопротивлением КЦ.

Величина определяется суммарным эффектом от внутренних, стыковых и концевых неоднородностей. Минимальная величина возвратных потерь (3) нормируется для определенного диапазона частот.

Были проведены измерения возвратных потерь симметричных кабелей разных изготовителей, которые показали, что из зависимости трудно выделить вклад в обратный поток внутренних неоднородностей, которые определяют качество изготовления кабеля, ухудшение качества КЦ после прокладки, старения и воздействия внешних условий. Невозможно количественно оценить статистические характеристики распределения внутренних неоднородностей по длине КЦ. Это основной недостаток частотного метода.

Во второй главе исследуется возможность использования метода импульсной рефлектометрии для количественной оценки параметров внутренних неоднородностей КЦ.

Для экспериментальных исследований использовался цифровой рефлектометр «РЕЙС–205», позволяющий передавать сигнал обратного потока в компьютер для его последующей обработки. На рефлектограмме (рис. 2) обозначены: 1–мертвая зона, 2–конструктивные неоднородности, 3–отражения от дальнего конца. Видно, что внутренние неоднородности хорошо видны на начальном участке рефлектограммы после мертвой зоны. Они проявляются как затухающий случайный процесс.




Рис. 2. Рефлектограммы одной пары кабеля ТПП–10×2×0,4

(диапазон 400 м; усиление 18 дБ; коэффициент укорочение 1.43)


Штатное программное обеспечение рефлектометра не позволяет количественно оценить параметры внутренних неоднородностей.

Для теоретического описания обратного потока во временной области была использована уже предложенная схема неоднородной КЦ (рис.1). Если в частотной области основными являются амплитудно–частотная и фазо–частотная характеристики КЦ, то во временной области основной является импульсная характеристика КЦ определенной длины, а главной задачей является нахождение формы импульсов, прошедших определенное расстояние по линии.

При определении импульсной характеристики i–й неоднородности при () необходимо учитывать то, что расстояние до i–й неоднородности , а время задержки отраженного сигнала на рефлектограмме . Тогда для импульсной характеристики i–й неоднородности, расположенной на расстоянии , справедливо:


(4)
.

Для определения импульсной характеристики всей неоднородной линии, состоящей из N участков, при учете однократных отражений необходимо суммировать импульсные характеристики всех неоднородностей:


(5)


Для определения формы рефлектограммы необходимо найти свертку зондирующего импульса рефлектометра и импульсной характеристики всей КЦ:


(6)
.

На основе выражений (4) – (6) разработана программа моделирования обратного потока неоднородной КЦ. Для сравнения с экспериментальными рефлектограммами (рис. 2) были рассчитаны теоретические рефлектограммы по следующим исходным данным: =249.0 м, =1.6 м, =100 Ом, =5 Ом, = 497 нс/км², = 4.82 нс/км (рис. 3).

Результаты моделирования и экспериментальные исследования доказали, что в рефлектограммах содержится количественная информация о распределении внутренних неоднородностей вдоль кабельной цепи. Внутренние неоднородности проявляются на рефлектограмме ближней зоны КЦ в виде затухающих шумоподобных колебаний волнового сопротивления и изменений коэффициентов отражения. Однако информация о коэффициентах отражения от внутренних неоднородностей на рефлектограмме искажена из–за затухания и расширения импульсов при их распространении по КЦ. Для получения значений коэффициентов отражения неоднородностей из рефлектограммы необходима ее специальная обработка.



Рис. 3. Теоретически рассчитанные рефлектограммы кабеля ТПП–10×2×0,4


Разработанное программное обеспечение позволяет адекватно моделировать процессы образования обратного потока в неоднородной кабельной цепи и может использоваться для исследования и отработки алгоритмов и программ обработки экспериментальных рефлектограмм.

В третьей главе содержатся результаты экспериментальных исследований неоднородных КЦ с помощью современных отечественных рефлектометров, которые позволили выявить их достоинства и недостатки. Общим недостатком исследованных рефлектометров (РЕЙС–205 и РИ–20м) является наличие значительной мертвой зоны на рефлектограммах, особенно существенной при анализе внутренних неоднородностей, которые проще анализировать в ближней зоне. Выявлены и проанализированы погрешности, возникающие при исследовании симметричных КЦ рефлектометрами с несимметричными входами/выходами.

Показано, что при использовании рефлектометра для регистрации обратного потока из одной пары симметричного кабеля, нельзя подключать соседние пары к другим входам рефлектометра. В существующих приборах это изменяет параметры исследуемой КЦ (коэффициент затухания и укорочения, волновое сопротивление), приводит к нарушению условий согласования и ошибке в определении расстояний.

Показано, что при исследованиях переходов энергии между симметричными КЦ, например, при определении расстояния до мест однократной разбитости пар при использовании раздельных входов/выходов надо обязательно менять подключение проводников одной из пар, так как в одном из вариантов подключения пар их разбитость не обнаруживается. При неоднократных разбитостях задача усложняется. Также доказано, что ранее перечисленные параметры исследуемых пар также изменяются и это надо учитывать в виде поправок при определении расстояния до мест разбитости пар.

В существующих рефлектометрах для повышения помехозащищенности используют накопление сигнала обратного потока. Доказано отрицательное влияние нелинейности регистрирующего тракта на эффективность накопления и помехозащищенность импульсных измерений.

Экспериментально доказано, что использование симметрирующих трансформаторов на выходах рефлектометра, позволяет исключить рассмотренные погрешности. Недостатком симметрирующего трансформатора является то, что он искажает рефлектограмму, т.к. не пропускает постоянную составляющую зондирующего сигнала и сигнала обратного потока.

Сформулированы рекомендации для разработчиков рефлектометров по устранению или уменьшению инструментальных погрешностей и повышению помехозащищенности результатов измерений. Также обоснованы практические рекомендации по проведению измерений существующими приборами, направленные на повышение достоверности и уменьшение погрешностей измерений.

Для устранения перечисленных недостатков был разработан и изготовлен макет блока подключения существующих рефлектометров с несимметричным выходом к симметричным КЦ, который позволяет в режиме раздельных входов исследовать обратный поток из КЦ с подавлением зондирующего сигнала. Проведено подробное исследование амплитудно–частотных и переходных характеристик блока подключения для зондирующего импульса и обратного потока, а также затухания несогласованности, которое определяет подавление мертвой зоны на рефлектограмме.

На рефлектограмме (рис. 4), зарегистрированной с использованием блока подключения, отсутствует мертвая зона, исключены искажения рефлектограммы, которые возникают при использовании симметрирующего трансформатора.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о пригодности современных рефлектометров для анализа внутренних неоднородностей КЦ. Разработанные модели неоднородной КЦ и обратного потока, реализованные в специальном программном обеспечении могут использоваться для разработки алгоритмов и программ обработки экспериментальных рефлектограмм.




Рис. 4. Рефлектограмма КЦ, зарегистрированная

с использованием блока подключения


В четвертой главе определены основные этапы обработки экспериментальных рефлектограмм в компьютере:

• выбор участка рефлектограммы для анализа и длительности зондирующего импульса,
  
• коррекция искажений нулевой линии (устранение «эффекта лыжи»),
  
• коррекция затухания на выбранном участке,
  
• статистическая обработка отсчетов рефлектограммы.
  

Переданная в компьютер рефлектограмма представляет массив Y_e, состоящий из N отсчетов Y_ei обратного потока в условных единицах, где номер отсчета i определяет расстояние до данной точки.

Для анализа внутренних неоднородностей КЦ на рефлектограмме выбирается участок в ближней зоне между окончанием мертвой зоны и началом отражения от дальнего конца. С увеличением длины участка растет объем выборки и достоверность полученных статистических характеристик. При этом растет разность затуханий и степень искажения для сигналов обратного потока от начала и конца выбранного участка, что усложняет коррекцию затухания, особенно для коротких зондирующих импульсов.

При анализе внутренних неоднородностей необходимо иметь высокую разрешающую способность (малую величину ), чтобы обнаруживать близко расположенные неоднородности. Для улучшения разрешающей способности, т.е. уменьшения расстояния , на котором могут быть обнаружены две близко расположенные неоднородности, рекомендуется использовать короткие зондирующие импульсы, т.к. в ближней зоне разрешающая способность связана с длительностью зондирующего импульса выражением:


(7)
,

где с – скорость света в вакууме, k_y – коэффициент укорочения КЦ.

С увеличением расстояния до неоднородности разрешающая способность определяется этим расстоянием и удельной конструктивной постоянной КЦ:


(8)


,


(9)


.

Максимальное затухание для импульсов отраженных от обрыва или короткого замыкания зависит от длительности зондирующего импульса и наибольшего расстояния до неоднородности :


(10)


,

где U₁, U₂ – амплитуды зондирующего и отраженного импульсов, соответственно, M и K – аппроксимирующие коэффициенты.

Из (8) и (10) видно, что с увеличением длины участка происходит увеличение и . Можно определить для данной КЦ оптимальное значение длительности зондирующего импульса для каждой длины анализируемого участка, полагая, что при оптимальной длительности импульса произведение:


(11)


имеет минимальную величину.

Для определения оптимальной длительности зондирующего импульса средствами MathCad было получено уравнение:


(12)


.

Решение этого уравнения можно представить в форме . На рис. 5 показаны эти зависимости для двух КЦ, которые экспериментально исследовались.



Рис. 5. К выбору оптимальной длительности зондирующего импульса


Экспериментальные исследования подтвердили правильность методики выбора длительности зондирующего импульса.

Практически во всех импульсных приборах на рефлектограмме в ближней зоне наблюдается так называемый «эффект лыжи», который проявляется в том, что на колебания коэффициента отражения накладывается некоторый переходной процесс, обусловленный свойствами генератора зондирующих импульсов, усилителя напряжения обратного потока и параметрами подключенной КЦ. Искажения изменяются при изменении согласования и длительности зондирующего импульса. С увеличением расстояния искажения уменьшаются.

Можно устранить «эффект лыжи» на данной рефлектограмме, если вычесть из отсчетов сигнала обратного потока Y_ei на выбранном участке рефлектограммы медленно спадающую составляющую переходного процесса Y_ai (нулевую линию) . Для дальнейшей обработки используется массив (рис. 6).



Рис. 6. Фрагменты рефлектограммы кабеля ТПП–0,4 до и после коррекции.


Для коррекции искажений, обусловленных «эффектом лыжи» было разработано программное обеспечение, использующее функции полиномиальной регрессии второго порядка, которые отрезками нескольких полиномов позволяют получить наилучшую кривую нулевой линии.

После проведенной коррекции сигнал обратного потока Y представляет собой реализацию случайного затухающего процесса. Для определения количественных характеристик внутренних неоднородностей необходимо провести коррекцию затухания сигнала обратного потока на выбранном участке рефлектограммы с учетом величины затухания импульса (10). Эту операцию можно совместить с градуировкой вертикальной шкалы рефлектометра в единицах коэффициента отражения , используя выражение:


(13)


,

где Y_m – амплитуда зондирующего импульса в условных единицах.

На рис. 7 показаны три рефлектограммы, зарегистрированные при различных длительностях зондирующего импульса. Там же показаны теоретические кривые, описывающие зависимость амплитуды отраженного от обрыва импульса от расстояния по рефлектограмме, рассчитанные по (10), (13).

На рис. 8 более подробно показаны увеличенные фрагменты ближней и начальной зон рефлектограммы. Видно, что теоретические расчеты по (10) хорошо описывают реальное затухание импульсного сигнала. Там же показано, как правильно размечать рефлектограмму для определения расстояния до неоднородности и уровня отраженного сигнала.

На рис. 9 показан фрагмент рефлектограммы рис. 6 до и после амплитудной коррекции, а также после градуировки вертикальной оси в единицах коэффициента отражения. После обработки фрагмент внешне соответствует реализации стационарного эргодического случайного процесса и его можно подвергать статистической обработке.



Рис. 7. Экспериментальные рефлектограммы КЦ




Рис. 8. Фрагменты экспериментальных рефлектограмм КЦ (рис. 7)




Рис. 9. Фрагмент рефлектограммы до (1) и после (2) амплитудной коррекции


Разработано программное обеспечение, позволяющее выполнять обработку рефлектограмм, строить гистограммы коэффициентов отражения внутренних неоднородностей, проверять гипотезу о нормальности распределения, рассчитывать оценки математического ожидания и СКО. Окно разработанной программы приведено на рис. 10, показана экспериментальная рефлектограмма, гистограмма коэффициентов отражения внутренних неоднородностей и теоретическая кривая распределения. В соответствии с критерием Пирсона распределение можно считать нормальным.





Рис. 10. Окно программы обработки экспериментальных рефлектограмм


Статистические характеристики внутренних неоднородностей, определенные по экспериментальным рефлектограммам с помощью предложенной методики приведены в таблице.

Таблица – Результаты измерений и расчетов для трех кабелей

Длит имп., нс	№ цепи	Тип кабельной цепи
		ТПП–10×2×0.4		UTP CAT5е (solid) 4×2×24AWG		UTP CAT5е (patch) 4×2×24AWG
			Sr		Sr		Sr
31.25	0	–2.93· 10–6	0.014	–1.57·10–6	0.0092	–7.14·10–6	0.0031
	1	–2.83·10–8	0.014	4.98·10–7	0.0089	–1.77·10–6	0.0034
	2	–8.88·10–7	0.016	–1.97·10–6	0.0075	1.77·10–5	0.0032
	3	–5.21·10–7	0.015	–1.90·10–6	0.0084	–1.80·10–5	0.0040
Ср. знач.		–1.09·10–6	0.0148	–1.23·10–6	0.00852	–2.31·10–6	0.00346
62.5	0	–1.86·10–7	0.012	–2.66·10–6	0.0057	–1.73·10–5	0.0018
	1	2.05·10–6	0.013	8.49·10–7	0.0041	1.30·10–7	0.0019
	2	1.63·10–7	0.013	–3.69·10–7	0.0045	2.38·10–5	0.0020
	3	2.34·10–7	0.013	–9.51·10–7	0.0049	–3.04·10–5	0.0028
Ср. знач.		5.65·10–7	0.0128	–7.83·10–7	0.00487	–5.93·10–6	0.0022
125	0	–3.64·10–6	0.0099	–4.46·10–6	0.0062	3.22·10–6	0.0014
	1	2.72·10–6	0.0097	5.12·10–7	0.0034	1.88·10–6	0.0016
	2	–1.91·10–7	0.011	6.06·10–8	0.0041	1.82·10–5	0.0016
	3	–1.31·10–6	0.0099	4.56·10–7	0.0044	–1.89·10–5	0.0023
Ср. знач.		–6.04·10–7	0.010	–8.58·10–7	0.0047	–5.26·10–7	0.0017

В таблице приведены полученные значения оценок математического ожидания и СКО S_r для трех КЦ и трех значений длительности зондирующего импульса. По полученным результатам можно сделать следующие выводы:

1) качество устранения эффекта «лыжи», которое можно оценивать по остаточному значению среднего коэффициента отражения , для симметричных кабелей ТПП–0.4 и UTP категории 5e вполне удовлетворительное. Величина более чем на 3 порядка меньше СКО S_r;

2) длительность зондирующего импульса мало влияет на качество компенсации эффекта «лыжи» и значительно влияет на значение СКО S_r, которое уменьшается с увеличением длительности импульса. При увеличении длительности импульса в 4 раза СКО коэффициента отражения уменьшилось в 1.5 – 2.0 раза. Это связано с тем, что с увеличением длительности зондирующего импульса ухудшается разрешающая способность импульсного метода, а отраженные от неоднородностей импульсы перекрывают друг друга;

3) из трех рассмотренных симметричных кабелей наиболее однородным является кабель UTP (patch). СКО коэффициента отражения цепей кабеля UTP (patch) в 4–5 раз меньше чем в кабеле ТПП, и в 2–2.7 раза меньше чем в кабеле в UTP (solid);

Для реализации предложенной методики количественной оценки статистических характеристик внутренних неоднородностей КЦ было предложено конкретное устройство (полезная модель), на которую получен патент.

Измерительное устройство было реализовано на основе серийно выпускаемого рефлектометра РЕЙС–205, персонального компьютера и разработанного блока подключения. Разработано программное обеспечение для анализа рефлектограмм.

В заключении диссертационной работы сформулированы следующие выводы:

1. Показано, что, расширение функциональных возможностей и повышение точности методов и средств измерения параметров неоднородных КЦ остаются актуальными задачами. Доказаны преимущества импульсного метода измерений.

2. Предложенная модель неоднородной КЦ, содержащей внутренние неоднородности, позволяет рассчитывать сигнал обратного потока, как в частотной, так и во временной областях с помощью разработанного программного обеспечения. Сравнение экспериментальной рефлектограммы или зависимости возвратных потерь от частоты с расчетами позволяет подобрать параметры модели КЦ, которые в наибольшей степени соответствуют эксперименту.

3. Проведенное исследование современных отечественных рефлектометров позволило выявить их недостатки, приводящие к инструментальным и методическим погрешностям. Сформулированы рекомендации для разработчиков импульсных приборов и программного обеспечения, которые также могут быть использованы при проведении профилактических и аварийных измерений в процессе строительства и эксплуатации линейно–кабельных сооружений.

4. Разработан, изготовлен и исследован блок подключения симметричных КЦ к рефлектометрам с несимметричными входами, позволяющий исключить мертвую зону на рефлектограмме и некоторые погрешности.

5. Впервые предложен алгоритм и разработано программное обеспечение для обработки рефлектограмм, зарегистрированных современными рефлектометрами, позволяющий количественно оценивать статистические параметры внутренних неоднородностей.

6. Разработано, запатентовано и реализовано устройство для количественной оценки статистических характеристик внутренних неоднородностей КЦ.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дюбов А.С. Использование шумоподобных сигналов для определения параметров кабельных линий связи. / С.Ф. Глаголев // 59–я НТК ГУТ: материалы / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2007. – С. 53 – 54.

2. Дюбов А.С. Методы и приборы для определения параметров взаимных влияний между цепями симметричных кабелей. / С.Ф. Глаголев // 59–я научно–техническая конференция профессорско–преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: материалы / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2007. – С. 54 – 55.

3. Дюбов А.С. Использование импульсного метода измерений для мониторинга кабельных цепей без перерыва связи. / С.Ф. Глаголев // 60–я научно–техническая конференция профессорско–преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: материалы / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2008. – С. 45 – 46.

4. Дюбов А.С. Возможность использования импульсного метода для контроля состояния неоднородной линии связи без перерыва связи. / С.Ф.  Глаголев  // Седьмая всероссийская конференция «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно-кабельных сооружений – СТЛКС–2008»: сборник докладов. – СПб., 2008. – С. 100 – 106.

5. Дюбов А.С. Обнаружительная способность метода импульсного мониторинга кабельных цепей. / С.Ф. Глаголев // 61–я научно–техническая конференция профессорско–преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: материалы / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2009. – С. 76

6. Дюбов А.С. Выбор параметров зондирующих сигналов для систем импульсного мониторинга кабельных цепей. /С.Ф. Глаголев// 61–я научно–техническая конференция профессорско–преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: материалы / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2009. – С. 76 – 77.

7. Дюбов А.С. Сравнительный анализ импульсных приборов отечественного производства / М.С. Былина, С.Ф. Глаголев // Международная конференция «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно–кабельных сооружений – СТЛКС–2009»: сборник трудов. – СПб., 2009. – С.54 – 59.

8. Дюбов А.С. Расширение функциональных возможностей импульсных рефлектометров / М.С. Былина, С.Ф. Глаголев // Международная конференция «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно–кабельных сооружений – СТЛКС–2010»: сборник докладов. – СПб., 2010. – С. 63 – 72.

9. Дюбов А.С. Результаты экспериментальных исследований неоднородностей различных кабелей связи для широкополосного доступа и локальных сетей / М.С. Былина, Глаголев С.Ф. // Международная конференция «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно–кабельных сооружений – СТЛКС–2010»: сборник докладов. – СПб., 2010. С. 54 – 62.

10. Дюбов А.С. Новые возможности импульсного метода измерений параметров кабелей для цифровых систем передачи / М.С. Былина, С.Ф. Глаголев // Электросвязь. 2010. №2. С. 32–36. (входит в перечень ВАК)

11. Дюбов А.С. «Устройство оценки количественных и статистических характеристик внутренних неоднородностей электрических кабелей» / С.Ф. Глаголев / Патент на полезную модель № 97831 РФ; опубл. 20.09.2010. Бюл. № 26.

12. Дюбов А.С. Оценка неоднородностей кабельных цепей в частотной области /М.С. Былина, С.Ф. Глаголев // 62–я научно–техническая конференция профессорско–преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: материалы / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2010. – С. 123 – 126.


1


3. Дюбов А.С. Оценка неоднородностей кабельных цепей во временной области / М.С. Былина, С.Ф. Глаголев // 62–я научно–техническая конференция профессорско–преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: материалы / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2010. – С. 126 – 130.

14. Дюбов А.С. Прибор для измерения количественных и статистических характеристик внутренних неоднородностей симметричных высокочастотных кабелей связи // Ползуновский вестник. 2010. № 2 . – С. 123 – 129 (входит в перечень ВАК).

15. Дюбов А.С. Расширение функциональных возможностей импульсных рефлектометров / М.С. Былина, С.Ф. Глаголев // Техника связи. 2010. № 1. – С. 20 – 27.

16. Дюбов А.С. Оценка неоднородностей цепей кабелей для цифровой передачи импульсным рефлектометром / М.С. Былина, С.Ф. Глаголев // «Кабель–news». 2010. № 8. – С. 48 – 54.

17. Дюбов А.С. Математическое моделирование сигнала обратного потока от внутренних неоднородностей кабельных цепей / М.С. Былина, С.Ф. Глаголев // 63–я научно–техническая конференция профессорско–преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: материалы. ч. 2 / ГОУВПО СПбГУТ.– СПб., 2011. – С. 25 – 27.

18. Дюбов А.С. Анализ внутренних неоднородностей кабельных цепей импульсным методом / М.С. Былина, С.Ф. Глаголев // Международная конференция «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно–кабельных сооружений – СТЛКС–2011»: сборник трудов. – СПб., 2011. – С. 92 – 95.





Подписано к печати 24.05.2011.

Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз.

О


тпечатано в СПбГУТ. 191186, СПб. наб. р. Мойки, 61