- •Хамадулин э.Ф. Методы и средства измерений в ткс
- •Предисловие
- •2.Измерения в телекоммуникационных системах
- •2.1.Современное состояние измерений в телекоммуникационных системах связи
- •2.2.Классификация измерительной аппаратуры
- •2.3.Свойства классических средств измерений и предъявленные к ним требования
- •2.4.Свойства средств измерений современных телекоммуникаций
- •2.5.Метрологическое обеспечение современных телекоммуникаций
- •3.Основные типы, параметры и характеристики сигналов в ткс
- •3.1.Основные характеристики интерфейса е1
- •3.2.Нормы на стабильность частоты. Джиттер в системах уе1.
- •3.3.Идеализированные испытательные импульсные сигналы
- •3.4.Частотная, импульсная характеристика и спектральная плотность
- •3.5. Определение спектральной плотности при измерениях
- •3.6.Модельное представление параметров импульсных сигналов
- •3.7.Параметры динамических характеристик
- •4. Радиоизмерения
- •4.1.Классификация радиоизмерений
- •4.2.Измерение напряжения и силы тока
- •4.2.1Электроизмерительные приборы
- •4.3.Методы измерения
- •4.3.1Метод непосредственной оценки
- •4.3.2Метод сравнения
- •4.4.Средства измерения (Электромеханические амперметры и вольтметры)
- •4.4.1Магнитоэлектрические приборы
- •4.5.Электромагнитные приборы
- •4.6.Электродинамические приборы
- •4.7.Ферродинамические приборы
- •4.8.Электростатические приборы
- •4.9.Выпрямительные приборы
- •4.10. Аналоговые электронные вольтметры
- •4.11. Автокомпенсационные вольтметры
- •4.12. Измерение токов и напряжений на вч
- •4.13. Термопреобразователи на вч
- •4.14. Основные составляющие погрешности измерения тп
- •4.14.1Температурная погрешность
- •4.14.2Частотная погрешность
- •4.15. Многоэлементный тп фирмы Fluke
- •4.16. Фотоэлектрические измерительные преобразователи тока
- •4.17. Электродинамические приборы
- •4.18. Масштабный измерительный преобразователь на основе пояса Роговского.
- •4.19. Перспективные средства измерений силы переменного тока
- •4.20. Заключение
- •5. Исследование формы и параметров сигнала
- •5.1. Принцип действия электронно-лучевой трубки
- •5.2.Матричная индикаторная панель.
- •5.3. Типы осциллографов
- •5.3.1Универсальный осциллограф
- •5.3.2Цифровые осциллографы
- •5.3.3Запоминающие цифровые осциллографы.
- •5.3.4Двухканальные и двухлучевые осциллографы.
- •5.3.5Скоростные и стробоскопические осциллографы.
- •5.3.6 Стробоскопические осциллографы
- •5.4. Способы отсчета напряжения и временных интервалов в осциллографах
- •5.4.1Цифровое измерение мгновенных значений амплитуды и временных параметров сигнала на входе прибора
- •5.4.2Измерение с помощью калибрационного напряжения на экране элт
- •5.4.3Компенсационный метод измерения периодического импульсного напряжения
- •5.4.4Новые функциональные возможности осциллографов
- •5.4.5Осциллографы с цифровыми измерительными блоками
- •5.4.6Автоматизация осциллографических измерений
- •5.4.7Цифровая коррекция погрешности измерения параметров сигналов
- •5.4.8Технические характеристики семейства цифровых вычислительных осциллографов
- •5.5. Расчет суммарной погрешности измерения осциллографа
- •6. Измерение параметров спектра радиосигналов
- •6.1. Характеристики спектра радиосигналов
- •6.2. Методы измерения характеристик спектра сигналов
- •6.3. Средства измерений характеристик спектра. Классификация, основные характеристики
- •6.3.1Анализаторы спектра параллельного действия
- •6.3.2Гетеродинные анализаторы спектра последовательного типа
- •6.3.3Анализаторы спектра на цифровом фильтре
- •6.3.4Вычислительные анализаторы спектра
- •7. Измерение мощности
- •7.1.Характеристики мощности
- •7.2. Классификация методов измерения мощности
- •7.3. Методы измерения мощности
- •7.3.1 Методы измерения поглощаемой мощности
- •7.3.2 Измерение мощности с помощью терморезисторов
- •7.3.3Болометры и их характеристики.
- •7.3.4Термисторы и их характеристики.
- •7.3.5Терморезисторные мосты.
- •7.3.6Погрешности терморезисторного метода.
- •7.3.7 Термоэлектрический метод измерения мощности
- •7.3.8Калориметрические методы измерения мощности
- •8.Радиочастотные измерения
- •8.1. Средства измерений напряженности электромагнитного поля.
- •8.2. Измерители напряженности поля
- •8.3. Измерители напряженности слабых полей
- •8.4. Инп сильных электромагнитных полей
- •8.5. Измерительные приемники
- •8.6.Измерительные антенны
- •8.6.1Штыревая антенна
- •8.6.2Дипольные антенны
- •8.6.3Логопериодические антенны
- •8.6.4Рамочные антенны
- •8.6.5Рупорные антенны
- •8.6.6 Биконическая антенна
- •9. Измерение частоты
- •9.1.Основные определения
- •9.2. Резонансные частотомеры
- •9.3.Электронно-счетные частотомеры
- •10. Измерительные генераторы. Классификация и метрологические характеристики измерительных генераторов свч.
- •10.1. Принципы генерирования сигналов свч
- •10.2. Типовые схемы генераторов сигналов свч
- •10.3. Структурные схемы генераторов свч
- •10.4.Цифровые измерительные генераторы низких частот
- •10.4.1Принципы аппроксимации.
- •10.5. Генераторы шумовых сигналов
- •10.6. Импульсные генераторы
- •11. Измерение шумов и помех
- •11.1. Измерение коэффициента шума
- •11.1.1Определение коэффициента шума
- •11.2.Методы измерения шумовых параметров радиоэлектронных устройств
- •11.3. Измерители коэффициента шума
- •11.4.Помехи и шумы в каналах передачи информации
- •11.5.Измерение радиопомех
- •11.6.Измерение напряжения радиопомех
- •11.7.Измерения напряженности поля радиопомех
- •11.8.Методика измерения напряжения радиопомех
- •11.9.Методика измерения напряженности поля радиопомех
- •12.Измерения в цифровых системах передачи
- •12.1.Работа мультиплексоров в цифровом потоке е1
- •12.2. Анализ процедур демультиплексирования
- •12.3.Измерения параметров физического уровня е1
- •11. 4. Приборы для измерения в цифровых каналах связи
- •11.5. Анализ ошибок в цифровых системах передачи
- •12.4.Методы и принципы измерений в широкополосных сетях связи атм
- •12.5.Измерения, проводимые с остановкой связи
- •12.6.Измерение коэффициента ошибок сигнала atm и проверка функционирования системы передачи
- •12.7.Универсальный сетевой анализатор
- •12.8. Измерения atm, проводимые с остановкой связи
- •12.9.Тестирование соединений atm и мониторинг заголовков
- •12.10.Измерение времени задержки ячеек
- •12.11.Ввод сигналов атм
- •12.12.Тестирование систем передачи атм без остановки связи
- •12.13.Анализ загрузки и каналов пользователей
- •12.14.Интернет: критический режим работы шлюзов
- •12.15.Требования, предъявляемые к тестовому оборудованию atm
- •13.Измерения на волоконно-оптических линиях связи
- •13.1.Измерение потерь на волоконно-оптической линии связи
- •13.2.Измерение коэффициента затухания оптической линии.
- •13.3.Методы определения неоднородностей оптической линии
- •13.4.Характеристики оптических рефлектометров
- •Р ис. 12.6 Прием мертвой зоны otdr
- •Р ис. 12.7 Определение величины мертвой зоны по затуханию
- •Разрешающая способность otdr
- •Точность измерений оптического рефлектомера
- •13.5.Функциональные параметры otdr
- •Длительность импульса
- •Длина волны otdr
- •Диапазон
- •Интервал усреднения результатов
- •Параметры волокна
- •13.6.Процедуры измерений
- •Р ис. 12.9 Пример изображения результатов измерения параметров волокон otdr
- •Выполнение измерений возвратных потерь
- •Р ис. 12.11 Пример измерения orl на рефлектограмме анализатора
- •13.7.Измерение хроматической дисперсии волокна
- •Р ис. 12.12 Хроматическая дисперсия
- •13.8.Измерение поляризационной модовой дисперсии (пмд)
- •Интерферометрический метод
- •Р ис. 12.14 Тестирование пмд методом фиксированного анализатора
- •13.9.Измерительная техника, используемая при эксплуатации восп Оптические измерители мощности
- •Р ис. 12.16 Характеристики зависимости выходного сигнала фотодиода от длины волны принимаемого сигнала
- •Стабилизированные источники оптического сигнала
- •Р ис. 12.18 Спектральная характеристика лазерного и светодиодного источника Светодиодные оптические источники
- •13.10.Визуальные дефектоскопы
- •13.11.Анализаторы затухания в оптическом кабеле
- •13.12.Перестраиваемые оптические аттенюаторы
- •13.13.Оптические рефлектометры
- •Р ис. 12.21 Принципиальная схема рефлектометра
- •Литература
6.3.4Вычислительные анализаторы спектра
Бурное развитие цифровой вычислительной техники дало толчок для создания цифровых анализаторов спектра, которые по совокупности дискретных выборок вычисляют (5.39) при замене интеграла на сумму из N выборок
(5.39)
где a(s) — отсчеты весовой функции a(t), выделяющей участок реализации функции f(t) с длительностью Тр = (N— 1)Δt.
Спектр процесса, полученный численными методами в виде конечных сумм дискретных решетчатых функций (5.39) [такое преобразование называют дискретным преобразованием Фурье (ДПФ)], отличается от спектра, полученного интегральными преобразованиями (5.39). Спектр ДПФ периодически размножен: повторяется по оси частот с периодом, равным частоте отсчетов fотс = 1/Δt. Это устраняется соответствующим выбором дискретных частот ωn, при котором числовое преобразование Фурье называют конечным преобразованием Фурье (КПФ).
Алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) построен так, что вычисление частотных компонентов выполняют не делением больших последовательностей на меньшие, а в обратном порядке, начиная с N исходных последовательностей, содержащих по одному члену в каждой, увеличивая затем вдвое число членов в последовательности и уменьшая вдвое число последовательностей при каждой операции умножения.
Цифровые анализаторы спектра (ЦАС) могут работать в режиме определения спектра по единственной группе учитываемых выборочных значений Nn [f] {f(s)}, где s = 0,1,..., N — 1, и в режиме периодической обработки чередующихся групп Nn [f] {f{nQ + s)}, где п определяет номер обрабатываемой группы, a Q — смещение соседних обрабатываемых групп. Режим периодической обработки развивающейся во времени последовательности на соприкасающихся (Q = N) или пересекающихся (1 Q N) группах выборочных значений принято называть режимом анализа спектра в реальном времени. Отличительной особенностью анализа в реальном времени является то, что анализ проводится без потери информации. При этом различают циклический (на соприкасающихся группах) и скользящий (на пересекающихся группах) спектральные анализы.
В практической ситуации исследуемые группы выборочных значений вводятся в ЦАС непрерывным потоком с интервалом дискретности Δt, значение длительности которого определяется в соответствии с теоремой отсчетов верхней граничной частотой сигнала ΩB: Δt = π/ΩB, так что количество выборочных значений сигнала, поступающего на вход цифрового анализатора спектра (ЦАС) в единицу времени, равно ΔN = ΩB /π.
Во избежание переполнения блоков оперативной памяти вычислительного анализатора при сколь угодно длительном его функционировании в режиме реального времени скорость ввода информации f(s) не должна в среднем превышать скорости ее обработки, т.е. скорости формирования отсчетов спектральной функции S(ω). При этом, поскольку в ЦАС осуществляется групповая обработка информации и в формировании каждого отсчета спектра участвуют все .N выборочных значений сигнала данной группы, всегда будет существовать задержка готовности результатов не менее чем на N тактов ввода. Фактическое время задержки полной готовности результатов всегда несколько больше указанного за счет дополнительных затрат на обработку учитываемых выборочных отсчетов в каждой группе. Конкретные значения, устанавливающие связь между допустимой скоростью ввода информации и требуемым быстродействием операционных устройств ЦАС, работающих в реальном времени, зависят от режима анализа спектра (циклический или скользящий), режима функционирования и структурной организации и от реализуемых алгоритмов обработки. Скользящий анализ спектра используется редко, поэтому будем рассматривать в дальнейшем только циклический анализ.
Структурная схема ЦАС для циклического анализа спектра представлена на рис. 5.18 режиме реального времени с разделением ввода и обработки сначала все N отсчетов обрабатываемой группы Nn [f] в течение времени Tв через устройство ввода-вывода информации УВВ по мере их поступления пересылаются в оперативное запоминающее устройство ОЗУ. Последним тактом ввода к ОЗУ подключается арифметическое устройство АУ, которое осуществляет обработку зафиксированной группы отсчетов в соответствии с реализуемым алгоритмом дискретного или быстрого преобразования Фурье. Служебная информация о весовых коэффициентах ехр [ —j2πps] /N вводится в АУ из постоянного запоминающего устройства ПЗУ. Вывод результатов обработки может осуществляться либо непосредственно из АУ, либо через ОЗУ. Синхронизация работы всех операционных блоков ЦАС выполняется командами, вырабатываемыми в устройстве управления (УУ).
В режиме реального времени с разделением ввода и обработки информации полная обработка группы выборочных значений
Рис. 5.27. Структурная схема ЦАС для циклического анализа спектра
Nn [f] должна быть выполнена до поступления первого отсчета следующей группы Nn+1[f], т.е. в течение одного интервала дискретности Δt. Таким образом, полное время обработки всех N отсчетов должно удовлетворять условию Т0 Δt (см. рис. 5.19)
Поскольку обработка информации связана с выполнением большого количества элементарных операций обработки, каждая из которых состоит из умножения и суммирования, АУ анализатора должно обладать весьма высоким быстродействием. Так, если обработка информации в реальном времени осуществляется по алгоритму ДПФ и требует, как известно, выполнения N2 элементарных операций обработки, то время выполнения одной элементарной операции определяется соотношением
τоп Δt/N2 = π/ ΩB /N2. (5.40)
При заданном времени выполнения одной элементарной операции τоп из (5.40) можно определить верхнюю частоту анализа спектра в реальном времени:
ΩB π/ τоп N2 (5.41)
Применение алгоритма ДПФ для реализации режима реального времени с разделением ввода и обработки приводит к существенному ограничению диапазона рабочих частот из-за ограниченного быстродействия операционных блоков ЦАС. Поскольку общее количество элементарных операций блоков при реализации БПФ при прочих равных условиях сокращается до 0,5N log2N, требуемое время выполнения элементарной операции становится равным
τб 2Δt/N Iog2 N = 2π/ ΩB N log2 N, (5.42)
т.е. сокращается в 2N/ Iog2 N раз. Верхняя граница рабочего диапазона частот при этом
ΩB 2π/ τб N Iog2 N (5.43)
Рис. 5.29. Структурная схема ЦАС с каскадной структурой организации параллельной работы
Однако и в этом случае рабочий диапазон частот на практике не превышает сотен герц.
Снизить требования к быстродействию операционных блоков ЦАС (расширить верхнюю границу частотного диапазона) можно также, используя процессоры БПФ с каскадной структурой организации параллельной работы q = log2N арифметических устройств (АУi) и q — 1 блоков памяти (БПi) емкостью 2i комплексных слов каждый. Структурная схема такого устройства приведена на рис. 5.20
Такая структура организации ЦАС позволяет полностью обработать одну группу выборочных значений за N тактов пересылки. Таким образом, время выполнения элементарной операции определяется соотношением
τоп Δt/N = π/ ΩB N (5.44)
а верхняя граничная частота при заданном τоп
ΩB π/ τоп N (5.45)
Полученный в результате каскадной организации БПФ выигрыш в быстродействии позволяет расширить диапазон рабочих частот до единиц килогерц.
Существенное расширение диапазона рабочих частот в ЦАС можно получить при совмещении ввода информации и ее обработки. Такое совмещение достигается либо в результате использования буферного ОЗУ, либо в результате активного использования пауз между выборочными значениями исследуемого сигнала.
В ЦАС с буферной памятью независимо от реализуемого алгоритма обработки (БПФ или ДПФ) и структурной организации процессора обрабатывается одна группа выборочных значений Nn [f] в течение времени ввода следующей группы отсчетов Nn+1[f] в буферное ОЗУ, т.е. в течение времени То = NΔt. Затем АУ переключается на обработку информации, накопленной в буферном ОЗУ, а освободившееся ОЗУ используется в режиме буфера для накопления следующей группы выборочных значений Nn+2[f] и т.д.
Схема такого устройства отличается от приведенных на рис. 5.18 и 5.20 только наличием буферного оперативного запоминающего устройства (БОЗУ) и двух двухпозиционных коммутаторов (ДК), осуществляющих переключение УВВ и АУ в каналах обмена информацией с ОЗУ и БОЗУ. Применение буферной ОЗУ увеличивает возможное время обработки одной группы выборочных значений в N раз, что в такой же пропорции уменьшает необходимое быстродействие операционных блоков АУ.
При реализации БПФ на основе процессора с каскадной структурой требуемое время для выполнения одной операции становится равным
τоп б Δt = π/ ΩB (5.46)
а верхняя граничная частота возрастает до значения
ΩB π/ τоп б (5.47)
и может достигать единиц мегагерц.
Циклический анализ спектра в реальном времени можно осуществить, применив ДПФ с активным использованием пауз между вводимыми выборочными значениями. Это позволяет существенно снизить требования к быстродействию АУ без применения буферной памяти и коммутации потоков выходной информации.
Таким образом, основными характеристиками вычислительных анализаторов спектра являются: диапазон анализируемых частот ΩB, число вычисляемых значений спектральной функции N и динамические характеристики, определяемые АЦП и входными цепями.
Цифровые анализаторы спектра кроме спектральных характеристик обычно вычисляют статистические характеристики.
В качестве примера можно привести анализатор спектра цифровой СК4-71, предназначенный для измерения спектральных, корреляционных и статистических характеристик сигналов в реальном масштабе времени.
Анализатор спектра цифровой выполняет анализ сигналов, поступающих в аналоговом виде с диапазоном частот 0 — 50 кГц или в виде числовых рядов. Он позволяет измерять спектральные, корреляционные и статистические характеристики сигналов, обнаруживать сигналы, замаскированные в шумах, определять критические частоты передаточных функций и соответствующие им функции когерентности в сложных системах, исследовать непрерывные, переходные и одиночные процессы.
В практике измерений отдельные характеристики процессов обычно измеряются с помощью специализированных приборов: анализаторов спектра, измерителей корреляционных и статистических характеристик, измерителей нелинейных искажений и параметров цепей и др. Анализатор СК4-71 представляет собой такой тип аппаратуры, в которой специфические функции многочисленных приборов моделируются с помощью программ: для изменения характера функционирования достаточно вызова соответствующей программы без аппаратурного переустройства системы. Комплекс программ анализатора спектра позволяет сочетать в одном приборе практически все функциональные возможности, необходимые для всестороннего анализа различных сигналов (рис. 5.21)
Работа анализатора спектра цифрового основана на вычислительном принципе определения параметров сигналов. Структурная схема анализатора СК4-71 приведена на рис 5.22
Входные аналоговые сигналы по одному (А) или двум (А, Б) каналам поступают на соответствующие усилители с переменным коэффициентом усиления, которые приводят различные пределы входных сигналов (от 0,125 до 8 В) к постоянному значению, необходимому для нормального функционирования последующих трактов. Далее сигналы поступают на фильтр нижних частот ФНЧ, где происходит выделение полосы частот, подлежащей анализу. По команде оператора фильтр может быть выключен. С выхода фильтров сигналы поступают на АЦП, где преобразуются в параллельный 10-разрядный двоичный код. Возможна работа как одного, так и обоих каналов. В последнем случае выборки мгновенных значений сигнала берутся одновременно в обоих каналах, что позволяет сохранить в цифровом коде информацию о фазовых соотношениях сигналов, необходимую для измерения взаимных характеристик. Частота выборки определяется кварцевым генератором и может изменяться оператором в пределах от 0,2 Гц до 100 кГц. Эта частота определяет отсчетный масштаб прибора во временной и частотной областях.
Тракт сигнала от входа усилителей до выхода АЦП имеет калиброванные значения коэффициента передачи во всем диапазоне частот и уровней напряжений. Информация о значении коэффициента передачи и частота выборки вводятся в вычислительное устройство и учитываются при формировании конечного результата.
Цифровое вычислительное устройство работает в соответствий с заложенной в него программой. Программа состоит из ряда подпрограмм, организующих ту или иную вычислительную операцию (вычисление спектра, корреляционной функции, построение гистограммы и др.). Вызов необходимой подпрограммы осуществляется с устройства управления. Результаты вычислений выводятся на индикаторное или регистрирующее устройство. Все результаты сопровождаются масштабным коэффициентом для перевода их в физические единицы.
При анализе сигналов, представленных в цифровом виде (в виде числового ряда), данные вводятся непосредственно в цифровое вычислительное устройство с помощью устройства ввода числовых данных: с наборного табло пульта управления в десятичном коде или с перфоленты.