Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ неоднородных двухпроводных кабельных цепей в частотной области 14
1.1. Кабели с металлическими жилами в современных телекоммуникационных сетях 14
1.1.1. Использование существующих кабелей в сетях доступа 14
1.1.2. Производство кабеля 16
1.2. Первичные и вторичные параметры передачи двухпроводных цепей 18
1.3. Классификация неоднородностей и их параметры 20
1.4. Образование обратного и попутного потоков 22
1.5. Нормирование неоднородностей 23
1.6. Возвратные потери. Теоретический расчет 27
1.7. Возвратные потери. Практические измерения 31
1.8. Выводы к первой главе 34
2. Анализ неоднородных двухпроводных кабельных цепей во временной области ... 37
2.1. Рефлектометрический метод 37
2.2. Измерение внутренних неоднородностей во временной области 40
2.3. Математическая модель обратного потока неоднородной кабельной цепи во временной области 43
2.4. Программное моделирование неоднородной кабельной цепи 47
2.5. Выводы ко второй главе 54
3. Экспериментальное исследование импульсного метода и отечественных цифровых рефлектометров 56
3.1. Сравнительное исследование характеристик отечественных цифровых рефлектометров 56
3.2. Исследование инструментальных погрешностей рефлектометров с несимметричными входами/ выходами 65
3.3. Использование для измерений симметрирующих трансформаторов 71
3.4. Разработка блока подключения к рефлектометру с несимметричным входом/выходом 78
3.4.1. Требования к блоку подключения 78
3.4.2. Разработка принципиальной схемы блока подключения 79
3.4.3. Экспериментальное исследование блока подключения 82
3.5. Регистрация рефлектограмм с использованием блока подключения 91
3.6. Выводы к третьей главе 93
4. Разработка методики количественной оценки внутренних неоднородностей методом импульсной рефлектометрии 95
4.1. Обработка рефлектограмм: общие положения 95
4.2. Устранение искажений типа «эффект лыжи» 97
4.3. Амплитудная коррекция рефлектограмм 100
4.4. Определение статистических характеристик внутренних неоднородностей. 105
4.5. Выбор длительности зондирующего импульса при анализе внутренних неоднородностей 108
4.6. Выбор участка рефлектограммы для анализа внутренних неоднородностей. 111
4.7. Разработка устройства количественной оценки статистических характеристик внутренних неоднородностей электрических кабелей 116
4.8. Программа для анализа рефлектограмм 122
4.9. Сравнение теории и эксперимента 124
4.10. Использование разработанной методики для количественной оценки ухудшения параметров кабельных цепей при механических воздействиях 130
4.11. Выводы к четвертой главе 132
Заключение 134
Список использованных источников 136
- Первичные и вторичные параметры передачи двухпроводных цепей
- Математическая модель обратного потока неоднородной кабельной цепи во временной области
- Исследование инструментальных погрешностей рефлектометров с несимметричными входами/ выходами
- Амплитудная коррекция рефлектограмм
Введение к работе
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.
Первичные и вторичные параметры передачи двухпроводных цепей
Для любой однородной двухпроводной цепи (ДЦ), включая цепи воздушных линий связи, симметричных и коаксиальных кабелей, исходя из конструкции и используемых материалов, могут быть рассчитаны номинальные значения первичных параметров передачи и их зависимости от частоты сигнала. К первичным параметрам передачи ДЦ относятся: сопротивление R, индуктивность L, емкость С и проводимость G. Используя зависимости первичных параметров передачи от частоты и конструкции, можно рассчитать вторичные параметры передачи [58]: постоянную распространения где а - коэффициент затухания, /? - коэффициент фазы, и волновое сопротивление где \ZV\ - модуль, q v - фазовый угол волнового сопротивления. Вторичные параметры также зависят от частоты. В однородной ДЦ, согласованной по выходу, т.е. нагруженной на сопротивление равное волновому, и подключенной к источнику гармонического напряжения определенной частоты, возникают волны напряжения и тока. Эти волны образуют прямой поток от источника сигнала к нагрузке. При распространении этих волн вдоль ДЦ фазы и амплитуды тока и напряжения изменяются. Однако отношение напряжения к току, определяющее волновое сопротивление цепи, остается постоянным. Энергия прямой волны поглощается в согласованной нагрузке. Напряжение и ток в любой точке линии являются функциями времени / и расстояния х от одного из концов линии. Используя символический метод анализа гармонических колебаний, распределение токов и напряжений по однородной линии описывается телеграфными уравнениями [59, 60]: Здесь U и I определяют комплексные напряжения и токи в сечении линии, удаленном на расстояние х от ее начала. В любой кабельной цепи (КЦ) по технологическим причинам имеются отклонения от идеальной конструкции.
Изменение геометрических размеров, формы сечения кабеля, взаимного расположения проводников и непостоянство диэлектрической проницаемости изоляции приводит к тому, что реальные КЦ всегда неоднородны. Это означает, что их первичные и вторичные параметры непредсказуемо изменяются вдоль линии. В дальнейшем изложении полагается, что сопротивление R, емкость С, проводимость G и индуктивность L неоднородной линии изменяются случайным образом по координате х и могут характеризоваться средними (номинальными) значениями и среднеквадратическими отклонениями (СКО). Электромагнитные процессы в неоднородной КЦ описываются телеграфными уравнениями с переменными коэффициентами [2] В неоднородной КЦ вторичные параметры передачи также случайно изменяются по координате х. Часто под неоднородностью понимают отклонение волнового сопротивления Zv от номинального значения. где Zv0 - номинальное (среднее) волновое сопротивление кабеля; AZ(x) - отклонение волнового сопротивления от номинального значения. Любое изменение волнового сопротивления является неоднородностью и приводит к появлению отраженной волны, которая распространяется по КЦ в обратную сторону. Отраженная волна возникает также в конце КЦ, если сопротивление нагрузки не равно ее волновому сопротивлению. Такую неоднородность называют концевой. При наличии нескольких неоднородностей или непрерывном изменении волнового сопротивления вдоль КЦ можно говорить о возникновении обратного потока [61]. Регистрация обратного потока позволяет количественно оценить степень неоднородности КЦ. Обратный поток, встречаясь с неоднородностями, образует так называемый попутный поток, который, распространяясь вместе с прямым потоком, искажает его. Обратный поток, встречаясь с внутренним сопротивлением источника сигнала, также отражается, если это сопротивление не равно волновому сопротивлению.
Такую неоднородность также называют концевой. В реальных линейных кабельных трактах различают концевые, стыковые и внутренние, неоднородности [59]. Концевые неоднородности возникают на ближнем и дальнем концах линии из-за несогласованности генератора и нагрузки с линией. Стыковые неоднородности возникают при соединениях строительных длин кабелей с отличающимися волновыми сопротивлениями. Внутренние неоднородности возникают из-за особенностей конструкции, а также при нарушениях конструкции, возникающих в процессе производства кабеля, при прокладке или при эксплуатации. Примером неоднородностей заложенных в конструкции является коаксиальная пара с шайбовой изоляцией. В такой конструкции волновое сопротивление в сечении, проходящем через шайбу, и не проходящем через нее, отличаются. Будем рассматривать сосредоточенную неоднородность как стык двух линий с разными волновыми сопротивлениями. Коэффициенты отражения и пропускания в общем случае комплексные величины, зависящие от направления распространения волны [62]. Неоднородности характеризуется двумя коэффициентами отражения и двумя коэффициентами пропускания для волн, распространяющихся в прямом и обратном направлении [63]. Коэффициент отражения г, определяется отношением комплексной амплитуды отраженной волны Ur к падающей Uh а коэффициент пропускания t отношением комплексной амплитуды прошедшей волны Ut к падающей Uj. Коэффициенты отражения и пропускания для волны, распространяющейся Для линии разомкнутой на конце (режим холостого хода) rL = 1, а для короткозамкнутой линии (режим короткого замыкания) rL = -\. Коэффициент пропускания к нагрузке можно определить по выражению
Математическая модель обратного потока неоднородной кабельной цепи во временной области
Если в частотной области основными являются амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики КЦ определенной длины, то во временной области основной является импульсная характеристика КЦ, а главной задачей является нахождение формы импульсов, прошедших определенное расстояние по линии. Для импульсной характеристики однородной согласованной коаксиальной кабельной цепи длиной /предложено выражение [61]: где t - время, отсчитываемое от начала выходного импульса, t3=r3-l - время задержки выходного импульса относительно входного, т3— удельное время задержки, г0 - удельная конструктивная постоянная, l(t2)- единичная функция или функция Хевисайда, которая равна 0 при t t3 и равна 1 при В [78] показано, что выражение (16) можно с успехом использовать и для симметричных кабельных цепей. В Таблица 5 [61, 78] приведены значения параметров, определяющих импульсную характеристику линии. характеристикой часто переходят к нормированному времени: т = т0-12 - постоянная времени цепи длиной /; qi =tx/v = {t-r3-1) I г - нормированный аргумент. На Рис. 13 приведена нормированная импульсная характеристика однородной линии. При описании обратного потока неоднородной линии во временной области будем использовать уже предложенную ранее схему неоднородной КЦ, Рис. 2. При определении импульсной характеристики / - ой неоднородности g,(t3i) при (l i N) необходимо учитывать то, что расстояние до / - ой неоднородности равно: Для определения рефлектограммы необходимо найти свертку зондирующего импульса рефлектометра ux(t) и импульсной характеристики всей неоднородной КЦ.
На основе описанной математической модели разработана программа «Неоднородная линия», позволяющая моделировать сигналы обратного потока неоднородной КЦ со стыковыми и внутренними неоднородностями, а также работу импульсного прибора. Для оценки адекватности предложенной модели неоднородной КЦ и качества моделирования сигналов обратного потока с помощью разработанной программы в этом разделе подробно описано получение теоретических рефлектограмм для отрезка кабеля ТПП 10x2x0.4, экспериментальные рефлектограммы которого показаны на рис. 9. Разработанная программа состоит из нескольких рабочих окон: «Генератор», «Линия», «Расчет», «График», которые служат для задания исходных данных, параметров расчета и отображения результатов. На рис. 14 приведено окно программы «Генератор», которое служит для задания сигнала на входе неоднородной линии. Пользователь может задавать форму, амплитуду и длительность зондирующего импульса. Возможна запись и чтение файлов содержащих массивы отсчетов зондирующего сигнала Для получения теоретических рефлектограмм, соответствующих экспериментальным данным, генератор настраивался на генерацию периодических последовательностей прямоугольных импульсов длительностью 31.25 не, 62.5 не и 125.0 не. На рис.14 приведено окно программы «Линия», в котором пользователь задает параметры моделируемой неоднородной кабельной цепи: номинальное волновое сопротивление Zv0, конструктивную постоянную т0, удельную задержку т3, общую длину L, количество однородных участков N со средней длиной L СКО волнового сопротивления на различных участках az. СКО относительных длин однородных участков д,. В расчетах использовались следующие параметры цепи кабеля ТПП-10x2x0,4 : L =249.0 м, Zv0=100 Ом, az=5 Ом, т0= 497 нс/км2, т3 = 4.82 нс/км. Моделируемая линия разбивалась на N=150 однородных участков со средней длиной /0=1.66 м и относительным отклонением его длины На первом этапе программа проводит определение параметров каждого из 7V=150 однородных участков и N+1 стыков (неоднородностей) моделируемой КЦ.
Волновое сопротивление участка Zvi определялось по выражению: где AZV/ - случайная величина, распределенная по нормальному закону с математическим ожиданием mz = О Ом и СКО JZ = 5 Ом. Расстояние до /- ой неоднородности Lt определялось по выражению: где Л/,. - случайная величина, распределенная по нормальному закону с математическим ожиданием /я; = 0и СКО сг, = 0.5 м. Далее по выражениям (6) - (8) в программе рассчитывались коэффициенты отражения ri+ и пропускания tt+ и tt_. Коэффициент отражения от конца линии принимался равным rL = 1, т.к. линия разомкнута на конце. На втором этапе рассчитывались импульсные характеристики всех неоднородностей по выражениям (23) и (24), далее определялась импульсная характеристика всей КЦ по выражению (25). По заданной форме зондирующего импульса рассчитывается напряжение обратного потока по выражению (26), которое и представляет собой рефлектограмму. Окно программы «График» служит для отображения графиков и сохранения результатов расчета. На рис. 16 приведено окно программы с рассчитанной импульсной характеристикой неоднородной КЦ (25).
Исследование инструментальных погрешностей рефлектометров с несимметричными входами/ выходами
Все рассмотренные нами рефлектометры имеют несимметричные выходы. При исследовании симметричных многопарных кабелей могут возникать некоторые проблемы, которые обостряются при использовании режима работы рефлектометра с раздельным входом/ выходом. В этом режиме можно исследовать взаимные влияния между соседними КЦ. Представляет практический интерес нахождение мест и количественных характеристик сосредоточенных переходов энергии между соседними КЦ, возникающих, например, при «разбитости пар». Рефлектометр РЕЙС- 205 имеет 3 канала для регистрации рефлектограмм, что позволяет регистрировать не только рефлектограммы отдельных пар, но и рефлектограммы переходов между соседними парами кабеля.
При этом один канал рефлектометра, подключенный к влияющей линии, является источником зондирующих импульсов. Другой канал, подключенный к линии, подверженной влиянию, регистрирует сигналы помех на ближнем конце, вызванные взаимными влияниями. Такой режим с раздельными входами используется, например, для поиска повреждений типа «разбитость пар». Экспериментально были зарегистрированы рефлектограммы четырех пар симметричного кабеля UTP MAXILAN САТ5е (solid) 4x2x24 AWG длиной 250.4 м в соответствии со схемой Рис. 26. Были также зарегистрированы рефлектограммы переходов помех между соседними парами по схеме Рис. 27. Из рис. 27 и особенно из рис. 28 видно, что на зарегистрированных рефлектограммах (схема на рис. 25) наблюдается несовпадение положения импульсов отраженных от дальнего конца разных КЦ. Это свидетельствует о том, что пары 1, 2, 3 и 4 имеют разные коэффициенты укорочения, что объясняется различным шагом скрутки пар. На этих же рисунках представлены рефлектограммы переходов между парами 1-2, 2-1, 3-4, 4-3. Несмотря на то, что к дальним концам линии была подключена согласованная нагрузка (100 Ом) на рефлектограмме перехода имеется импульс отрицательной полярности. Этот переход должен соответствовать дальнему концу линии. Однако положение этого импульса не соответствует положению импульсов отраженных от конца линии ни для одной из пар кабеля. Постараемся разобраться в этой проблеме. Подключение каждой линии к рефлектометру выполняется через разъем BNC и отрезок коаксиального кабеля, заканчивающийся «хвостами» с крокодилами черного и красного цвета. Черный крокодил соединяется с общей точкой прибора «землей». Проведем первый простейший эксперимент.
На Рис. 30 приведена рефлектограмма (1) КЦ, подключенной к входу/выходу L1. При подключении общего провода «земли» входа/выхода L2 к проводнику соседней пары рефлектограмма искажается (2). Это объясняется тем, что из-за несимметричных входов/выходов прибор оказывается подключенным к линии, состоящей из одного проводника пары 1 и двух соединенных проводников пары 1 и 2, как показано на Рис. 31. В схеме рис.30 присутствуют две линии, одна симметричная, которая уже исследована, а вторая несимметричная образуется одним проводником первой КЦ и двумя проводниками, подключенными к «земле». Вторая цепь имеет другое волновое сопротивление, коэффициент укорочения и прочие параметры. Это приводит к появлению еще одного отраженного импульса смещенного по отношению к основному. На рефлектограмме рис. 30 также можно отметить некоторое сглаживание конструктивных неоднородностей (показано в увеличении). Во втором простейшем эксперименте мы вместо «земли» подключаем к проводнику свободной кабельной цепи вход/выход L2. При этом так же наблюдаются искажения на конце рефлектограммы и сглаживаются конструктивные неоднородности. Рис. 32. При подключении двух проводников второй пары к входу L2 рефлектограмма первой КЦ практически не отличается от рефлектограммы Рис. 32.
Амплитудная коррекция рефлектограмм
На Рис. 63 представлена рефлектограмма одной пары кабеля ТПП-10x2x0,4. Регистрация проводилась рефлектометром РЕЙС-205 при небольшом усилении (5 дБ) для того чтобы полностью был виден зондирующий импульс, который искажается при большем усилении, т.к. перегружается входной усилитель прибора. Первый импульс на рефлектограмме соответствует амплитуде зондирующего импульса, которая составляет для использованного рефлектометра 7ОТ=54290 у.е. На рефлектограмме также видны импульсы, отраженные от дальнего конца линии. Так как линия разомкнута, их величина соответствует коэффициенту отражения г = \. Амплитуда отраженных импульсов различна, что объясняется различным затуханием импульсов разной длительности при распространении по кабелю. 7, v,e. где U\, Ui - амплитуды импульса на входе и выходе КЦ соответственно.
В работе [63] предложено выражение для аппроксимации зависимости затухания импульсов от расстояния и длительности входного импульса tu для коаксиальных кабелей: ,ДБ В работе [78] была выполнена теоретическая и экспериментальная проверка этой зависимости затухания, которая показала, что предложенное в [63] выражение может использоваться и для симметричных кабельных цепей. Там же получены значения аппроксимирующих коэффициентов для различных кабельных цепей. В (Таблица 8) приведены коэффициенты М и К для разных кабелей, полученные методом наименьших квадратов по результатам расчетов зависимости затухания прямоугольного импульса аи от обобщенного параметра ч4 й средствами программы MathCad [63, 78]. Выражения (16) и (32) могут также использоваться для определения формы и амплитуды импульса, отраженного от неоднородности, при использовании вместо длины линии / удвоенного расстояния до / - ой неоднородности. Для амплитуды сигнала, отраженного от обрыва, можно записать выражение: где Ym - амплитуда зондирующего импульса, аи - затухание отраженного импульса, определяемое выражением (32), в которое вместо / подставляется удвоенное расстояние до отражения. Результаты расчетов зависимости амплитуды отраженного сигнала от расстояния показаны пунктирными линиями на Рис. 63. Фактически эти линии являются аналогами уже рассмотренных «градуировочных кривых». На Рис. 64 показаны более подробно ближний (слева) и дальний (справа) участки рефлектограммы. Там же показаны кривые, построенные по выражению (33). В качестве начальной точки выбиралась точка на пересечении наилучшей горизонтальной прямой, проходящей по вершинам зондирующих импульсов, и вертикальной прямой, проходящей через середину переднего фронта зондирующих импульсов. На дальнем участке контроль за качеством аппроксимации проводился по точкам пересечения вертикали, проведенной через точку соответствующую концу линии, и горизонтальной прямой проведенной через вершину отраженного импульса. Рис. 64 подтверждает высокое качество предложенной аппроксимации. Для градуировки вертикальной оси в единицах коэффициента отражения использовалось выражение:
На Рис. 65 показан фрагмент уже рассмотренной рефлектограммы для ближней зоны с исключением мертвой зоны и после устранения «эффекта Y лыжи». Один график показывает зависимость —(/), а второй r(l). т Полагая зависимость г(/) реализацией стационарного случайного процесса, можно обработать его по каждой реализации, а также усреднить по множеству реализаций (по множеству кабельных цепей данного кабеля) и найти параметры закона распределения для случайной величины г(/). Важнейшими параметрами распределения будут: математическое ожидание коэффициента отражения г(ї) и его среднеквадратическое отклонение (СКО) Sr. При этом можно полагать, что для исправных кабельных цепей неоднородности малы, а математическое ожидание коэффициента отражения М(г), полученное путем усреднения по расстоянию и по реализациям равно нулю. На Рис. 65 приведен фрагмент рефлектограммы до и после амплитудной коррекции. Величина обратного потока пересчитана в коэффициент отражения. Хорошо видно, что рефлектограмма приобрела стационарный характер. Экспериментально полученные значения коэффициентов отражения от неоднородностей rt после устранения «эффекта лыжи» и амплитудной коррекции можно считать реализациями случайного процесса.
Для оценки статистических характеристик случайного процесса его реализацию можно представить в виде вариационного ряда из п элементов (число отсчетов на обрабатываемом фрагменте рефлектограммы). Для определения закона распределения г все значения г. были разбиты на т интервалов одинаковой ширины: На Рис. 66 приведена гистограмма рассчитанная по (36) для фрагмента рефлектограммы одной цепи кабеля ТПП-10x2x0,4, зарегистрированной при длительности зондирующего импульса 31,25 не. По экспериментальным данным рассчитывались среднее значение коэффициента отражения 7 и оценка его среднеквадратического отклонения (СКО) Sr. На Рис. 66 представлена так же плотность вероятности нормального распределения /(г) с параметрами 7 и Sr. Из Рис. 66 видно, что кривая нормального распределения вполне удовлетворительно описывает экспериментальные данные, что позволяет выдвинуть гипотезу о нормальности их распределения. Проверка гипотезы по критерию Пирсона при уровне значимости 0.2 это подтвердила. Статистические характеристики внутренних неоднородностей, определенные по экспериментальным рефлектограммам кабелей ТПП-10x2x0,4, UTP MAXILAN САТ5е (solid), UTP PCnet ProNet UTP CAT 24AWG (patch), Cat. 5e приведены в Таблица 9.
