Измерения в цифровых каналах передачи информации. Курс лекций

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского Радиофизический факультет Лаборатория физических основ и технологий беспроводной связи

Курс лекций ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Составитель: Доцент кафедры радиотехники к. т. н. В.А. Канаков

Нижний Новгород, 2003

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПРЕДИСЛОВИЕ

СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ 1.1. Основные определения и терминология 1.1.1. Измерение, физическая величина 1.1.2. Истинное и действительное значение, погрешность 1.1.3. Основные элементы измерений 1.1.4. Классификация измерений 1.2. Основы теории погрешностей 1.2.1. Классификация погрешностей 1.2.2. Некоторые характеристики измерений, определяемые погрешностями 1.2.3. Классы точности измерительных приборов 1.3. Основы теории обработки результатов измерений 1.3.1. Случайные и систематические погрешности 1.3.2. Погрешности косвенных измерений 1.3.3. Учет и исключение систематической погрешности 1.3.4. Учет и оценка случайных погрешностей 1.3.5. Суммирование погрешностей. 1.3.6. Схема обработки результатов измерений 1.3.7. Запись результатов измерений 2. "ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ 2.1. Понятие "измерительной технологии" 2.2. Классификация измерительных технологий для цифровых сетей связи 2.2.1. Области применения измерительных технологий 2.2.2. Цели измерений 2.2.3. Системное и эксплуатационное измерительное оборудование 2.2.4. Измерения в различных частях системы электросвязи 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 3.1. Оценка амплитуды 3.2. Совместные оценки амплитуды и фазы гармонического сигнала

2

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПРЕДИСЛОВИЕ

3.3. Оценки параметров узкополосного сигнала на фоне аддитивного белого шума 3.4. Измерение времени прихода сигнала 3.5. Совместное измерение времени прихода и частоты сигнала 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4.1. Понятие бинарного канала и методы анализа его параметров 4.2. Основные параметры, измеряемые в бинарном цифровом канале 4.3. Тестовые последовательности 4.4. Методы вычисления параметров ошибок в цифровых каналах 4.4.1. Методы расчета параметра BER 4.4.2. Методы расчета параметра ES 4.5. Методология измерений без отключения канала 4.6. Объективность измеренных результатов 4.6.1. Проблема выбора времени проведения измерения 4.6.2. Коэффициент достоверности измеренных величин 4.6.3. Влияние времени проведения измерения 4.7. Методы нормирования параметров цифровых каналов 4.7.1. Гипотетическая модель цифрового тракта 4.7.2. Гипотетическая модель ISDN (HRX) 4.7.3. Гипотетическая модель радиочастотной системы передачи (HRDP) 4.7.4. Пересчет параметров гипотетической модели в параметры реального канала 4.7.5. Недостатки линейной аппроксимации. Дальнейшее развитие методологии нормирования параметров цифровых каналов 4.8. Утвержденные методологии G.821/G.826/М.2100 4.8.1. МетодологияG.821 4.8.2. Методология G.826 4.8.3. Методология эксплуатационных измерений М.2100/М.2101 4.8.4. Параметры ошибок и методы их измерений по Приказу №92 4.9. Методология измерений параметров аналого-цифровых преобразований ИКМ 4.9.1. Значение методологии измерений аналого-цифровых преобразователей 4.9.2. Методы измерений аналоговых каналов 3

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПРЕДИСЛОВИЕ

4.9.3. Влияние шумов квантования на параметры тестовых аналоговых сигналов 4.9.4. Методология измерений А-Ц (аналог-цифра) 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ 5.1. Понятие джиттера, его классификация и влияние на параметры качества цифрового канала 5.2. Причины возникновения джиттера и его типы 5.2.1. Регулярный и нерегулярный джиттер, связанный с внешними условиями 5.2.2. Джиттер стаффинга 5.2.3. Джиттер в системах SDH. Джиттер по смещению указателей и джиттер загрузки 5.3. Необходимость измерений джиттера 5.4. Общая методология измерений джиттера 5.5. Устройство анализатора джиттера 5.6. Измерение собственного джиттера системы передачи 5.7. Измерение максимально допустимого джиттера 5.7.1. Метод по критерию увеличения параметра BER 5.7.2. Метод с использованием критерия появления ошибок 5.7.3. Структура маски MTJ 5.8. Измерение передаточной характеристики джиттера 5.9. Вопросы методологии измерений джиттера составного канала 5.10. Методология измерений вандера 6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ВИДЕ ДИАГРАММ 6.1. Глазковые диаграммы 6.2. Диаграммы состояний 6.3. Алгоритмические диаграммы - диаграмма Треллиса и древовидная диаграмма 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ 7.1. Особенности радиочастотных измерений 7.2. Измерения радиоэфира 7.2.1. Национальные системы радиоконтроля 7.2.2. Системы радиоконтроля областного и местного значения 4

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПРЕДИСЛОВИЕ

7.2.3. Системы радиоконтроля локального назначения 7.3. Измерение характеристик ретрансляторов 7.3.1. Измерения АЧХ ретранслятора 7.3.2. Измерения линейности усиления ретрансляторов 7.3.3. Измерение фазово-частотных характеристик ретранслятора 7.3.4. Измерение шумов ретранслятора 7.4. Измерения характеристик компонентов радиочастотного тракта 7.4.1. Основные параметры для измерений участков радиочастотного тракта 7.4.2. Измерения параметров модулятора/демодулятора 7.4.3. Анализ работы усилителей и фильтров 7.4.4 Измерение параметров задающих генераторов приемника/передатчика 7.4.5. Измерения антенных систем 7.5. Комплексные измерения радиочастотных трактов 7.5.1. Спектральный анализ канала радиочастотной системы передачи, анализ использования выделенного системе ресурса 7.5.2. Измерения частоты и мощности 7.5.3. Методы измерения зависимости параметра ошибки от отношения сигнал/шум 7.5.4. Измерение параметров неравномерности ФЧХ и группового времени задержки 7.5.5. Анализ работы эквалайзеров 7.5.6. Измерения параметров устойчивости к линейному затуханию и затуханию, связанному с многолучевым прохождением сигнала 7.5.7. Тестирование систем резервирования в трактах переключателей и систем DADE 7.5.7. Анализ интермодуляционных помех

5

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПРЕДИСЛОВИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ Курс лекций "Измерения в цифровых каналах передачи информации" рассчитан на достижение следующих целей. Во-первых, познакомить студентов с основными понятиями теории измерений и на примере алгоритмов оценивания основных параметров узкополосных сигналов представить научную компоненту метрологии. Во-вторых, рассмотреть причины существования двух подходов к технике измерений в современных системах передачи информации – метрологического и технологического, сравнить их, показать присущие им достоинства и недостатки. Наконец, в третьих, описать основные параметры, измеряемые в цифровых каналах передачи информации, методы их измерений, влияние этих параметров на качество работы канала и существующие нормы на их значения. Предлагаемый курс не является альтернативой курсу "Радиофизические измерения", ни в коей мере не заменяет его и пересекается с ним лишь во вводной части. Обсуждаемые в курсе вопросы перечислены в содержании, структура курса определилась поставленными целями. Текст лекций в основном цитирует источники, указанные в начале каждого раздела. В их оригинальный текст внесены необходимые исправления и уместные, на мой взгляд, изменения.

6

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ (Астайкин А.И., Астайкин М.А., Помазков А.П. Радиоизмерения на СВЧ. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ. 1996. 335 с. Гл. 1) 1.1. Основные определения и терминология 1.1.1. Измерение, физическая величина Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств — средств измерений (СИ). Под физической величиной понимают в качественном отношении общее, присущее многим физическим объектам свойство, которое в количественном отношении индивидуально для каждого объекта в отдельности. Так, физическими величинами любой электрической цепи (схемы) являются электрическое напряжение и ток, единицами этих физических величин являются вольт и ампер соответственно. Любое геометрическое тело имеет линейные размеры — длину как физическую величину, единицей длины является метр (м); каждому материальному движущемуся объекту свойственна скорость как физическая величина с единицей метр в секунду (м/с) и т.д. С философской точки зрения измерение есть познавательный процесс определения характеристик материальных объектов с помощью СИ. Измерение оказывается возможным в силу наличия в объектах материальной действительности количественной стороны — физической величины, т.е. способности того или иного свойства этих объектов изменяться в широких пределах, не теряя качественных своеобразия и однородности. Это общее для того или иного объекта свойство и называют физической величиной. Любая физическая величина, качественно общая для ряда подобных объектов, но присущая конкретному объекту, имеет какое-то конкретное значение, вообще говоря, не равное значению этой же физической величины другого конкретного объекта. Для установления различия в количественном содержании этого общего свойства в разных объектах введено понятие размера физической величины и единицы физической величины. При измерении физическая величина сравнивается со своей единицей . За единицу физической величины принята физическая величина, размеру которой присвоено 1

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

значение 1 (единицы). Размером, значением физической величины в данном объекте общего свойства является результат сравнения ее с единицей, который называют результатом измерения. 1.1.2. Истинное и действительное значение, погрешность Истинным

значением

Qист

физической

величины

называется

значение

физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определение истинного значения физической величины невозможно (на данном этапе развития СИ), вместо него используют действительное значение измеряемой физической величины. Действительным значением Qд физической величины называют ее значение, измеренное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению Qист, что в рамках решаемой задачи может быть использовано вместо Qист. Как бы тщательно ни проводились измерения Qд, результат измерений Qизм всегда отклоняется от Qист. содержит неточность измерений, которую называют погрешностью измерений (или ошибкой измерений). Погрешностью измерений ∆Q физической величины называется отклонение результата измерения Qизм от истинного значения Qист ∆ Q =∆q = Qизм – Qист = Qд – Qист Таким образом, в теории измерений приняты два постулата: первый — о наличии истинного значения измеряемой физической величины, второй — о неизбежности погрешностей при измерениях. Науку об измерениях называют метрологией. К проблемам метрологии относятся: общая теория измерений, методы и средства измерений, методы определения точности, единицы измерения, эталоны, обеспечение единства измерений. 1.1.3. Основные элементы измерений Любые измерения состоят из следующих элементов: объект измерения, средство измерения, условия измерения, принцип измерения, метод измерения, субъект измерения (человек-оператор или робот). Объект измерения — это физическая величина, которая подлежит измерению

2

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

(например, полное сопротивление четырехполюсника, диаграмма направленности антенны и т. п.). Объект измерения должен быть оценен на основе априорных данных до начала измерения. На основе этой оценки строится модель объекта строго математическая или упрощенная физическая. Несоответствие выбранной модели реальному физическому объекту

приводит

к

существенным

погрешностям

измерений

(погрешности

классификации объекта). Правильно выбранная модель объекта измерений позволяет правильно выбрать метод измерений и СИ. Объектами радиоизмерений могут являться: а) физические величины различных характеристик радиотехнических устройств (трактов, линий передачи, электронных приборов и т. п.); б) неэлектрические величины радиотехническими методами (например, скорость движения объекта, атмосферное давление) и т. д. Средства измерений (СИ) — технические средства с нормированными метрологическими характеристиками, установленными в соответствии с ГОСТом. Условия измерений характеризуются наличием влияющих величин. Влияющие величины обычно не измеряются СИ, но могут значительно влиять на результаты измерений (например, температура, давление, влажность окружающей среды, наличие вибраций, электромагнитных излучений и т.п.). Принцип измерений составляет совокупность физических явлений, на которых основаны измерения (например, измерение скорости на основе эффекта Доплера и т.п.) Метод измерений — совокупность приемов использования принципов и СИ, обеспечивающая измерение физической величины. Субъект измерений—человек-оператор или ЭВМ с их характерными свойствами при оценке результатов измерения. Оба субъекта должны рассматриваться как преобразователи измерительной информации. 1.1.4. Классификация измерений Классификацию измерений производят по различным признакам. По способу нахождения числового значения измеряемой величины измерения делят на прямые, косвенные, совместные и совокупные. Прямые измерения — измерения, при которых значение измеряемой величины у находят непосредственно из опытных данных х. Математическая зависимость между измеряемыми и определяемыми путем прямых измерений величинами называется 3

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

уравнением измерения и имеет вид у≡х. Косвенные измерения — измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной математической зависимости между этой величиной и измеряемыми

непосредственно

величинами-аргументами.

Уравнение

косвенного

измерения у=ϕ(х1, х2,…, хп) где х1, х2,…, хп — аргументы. Например, для определения величины нагрузки Z=R+jX на выходе измерительной линии (ИЛ) измеряют коэффициент стоячей волны (КСВ) К на входе ИЛ и разность ∆l между минимумами распределения поля в линии при подключенной нагрузке и при коротком замыкании ИЛ, а Z определяют по формуле Z = Z0

K / cos 2 β ⋅ ∆l + j ( K 2 − 1)tgβ ⋅ ∆l K 2 + tg 2 β

где Z0 — волновое сопротивление ИЛ, Ом; β — фазовая постоянная распространения в ИЛ, β = 2π/λ; λ — длина волны в ИЛ; К — коэффициент стоячей волны в ИЛ. Совместные измерения — производимые одновременно измерения двух или нескольких разноименных величин для определения зависимости между ними. Совокупные измерения — производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения измеряемых величин находят путем решения системы уравнений, получаемой при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Уравнения измерения имеют вид F1 ( y1 , y 2 ,... y n ; a1 , b1 ,..., p1 ) = 0 F2 ( y1 , y 2 ,... y n ; a 2 , b2 ,..., p 2 ) = 0 ....................................................... Fm ( y1 , y 2 ,... y n ; a m , bm ,..., p m ) = 0 где уi; — измеряемые (определяемые) величины; ai,bi,…,pi — величины, измеряемые путем прямых измерений. Характерная особенность совместных и совокупных измерений — это т>п. По точности измерения делят на три группы: а) максимально возможной точности (проводятся только для эталонов и физических констант б) контрольно-поверочные, погрешность которых не выше некоторых заданных значений; производит служба надзора и измерительные лаборатории предприятий;

4

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

в) технические, в которых погрешность измерений определяется характеристиками СИ и оценивается до проведения измерений. По способу выражения результатов измерения делят на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин при использовании физических констант. Результат измерения приводится

в установленных

единицах.

Например,

в замедляющей

системе

с

коэффициентом замедления п = 5 фазовая скорость распространения электромагнитной волны (ЭМВ) равна vф, = с:5 = 6⋅107 м/с, где с=3⋅108 м/с— физическая константа распространения ЭМВ в свободном пространстве. Относительные измерения — измерения отношения физической величины к одноименной, принятой за единицу. Например, коэффициент передачи по напряжению K=Uвых/Uвх, где Uвх - принято за единицу. По методам (алгоритму) измерения делятся на методы непосредственной оценки и сравнения с мерой. Метод непосредственной оценки — значение измеряемой величины определяется непосредственно

по

отсчетному

устройству

измерительного

прибора

прямого

преобразования (действия). При этом следует различать отсчет по прибору и показания прибора. Отсчет по прибору — это число, отсчитанное по отсчетному устройству прибора. Показание прибора — это значение измеряемой физической величины, определенное по отсчету и выраженное в принятых единицах (равно отсчету по прибору, умноженному на цену деления прибора). Метод сравнения с мерой — измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой, или сравнивают с известной величиной. Метод сравнения имеет разновидности:

дифференциальный,

нулевой,

замещения,

совпадения,

противопоставления. Дифференциальный метод — на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Метод замещения — измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод часто применяется при измерении коэффициента усиления антенн. Метод совпадения — разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой

мерой,

измеряют,

используя

совпадение

отметок

шкал

или

периодических сигналов (например, шкалы с нониусом, стробоскопический эффект). 5

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Метод

противопоставлений

—

измеряемая

величина

и

величина,

воспроизводимая мерой, одновременно действуют на устройство сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами. 1.2.

Основы теории погрешностей

1.2.1. Классификация погрешностей Погрешностью измерений (ошибкой) ∆Q физической величины называется отклонение результата измерения Qизм = Qд от истинного значения ∆Q=∆q=Qизм – Qист = Qд – Qист или

(1.2.1) ∆А = Аизм – Аист = Ад - Аист Погрешности по разным признакам проявления классифицируют:

1) по слагаемым измерения. Существуют, по крайней мере, четыре основных слагаемых измерения: — воспроизведение единицы физической величины; — преобразование исследуемого сигнала; — сравнение измеряемой величины с единицей (воспроизводимой мерой); — фиксация результата сравнения. В соответствии с этими слагаемыми различают погрешности: ⎯ меры (погрешности воспроизведения единицы физической величины); ⎯ преобразования; — сравнения; — фиксации результата сравнения; 2) по причинам возникновения: объективные, не связанные с оператором, производящим измерения; субъективные (личные), связанные с субъектом (оператором), производящим измерения; 3) по источнику возникновения: — погрешность метода (методическая погрешность) — составляющая погрешности, происходящая от несовершенства принятых метода и модели измерения; для уменьшения этой погрешности часто требуется перейти к другому методу (алгоритму) измерения, изменить структурную или функциональную измерительные схемы;

6

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

— инструментальная (аппаратурная) погрешность — составляющая погрешности измерения, зависящая от погрешностей применяемых СИ; — погрешность опознания объекта измерения — составляющая погрешности, связанная с несоответствием реального объекта и принятой модели объекта измерений; 4) по условиям применения СИ: — основная погрешность СИ, которая имеет место при нормальных условиях эксплуатации СИ, оговоренных ГОСТом, частными стандартами и техническими условиями (ТУ); — дополнительная погрешность СИ, проявляющаяся при отклонении условий эксплуатации СИ от нормальных; 5) по способу выражения погрешности: а) абсолютная погрешность измерения ∆А выражается в единицах измеряемой величины и представляет разность ∆А = А – А0

(1.2.2.)

где А — измеренная величина; А0— действительное значение измеряемой физической величины; б) относительная погрешность измерения δА δА = ∆А/А0

(1.2.3.)

в) абсолютная погрешность измерительного прибора ∆Ап представляет разность между показанием прибора Ап и действительным значением А0 измеряемой величины ∆Ап = Ап - А0

(1.2.4.)

г) относительная погрешность измерительного прибора δАп δАп = ∆Ап/А0

(1.2.5)

д) приведенная погрешность измерительного прибора γ γ = 100∆А/Lпр, %;

(1.2.6.)

где Lпр — нормирующее значение измерительного прибора, которое принимается равным: — конечному значению рабочей части шкалы для приборов с равномерной или степенной шкалой, если нулевая отметка находится на краю шкалы или вне шкалы; — арифметической сумме конечных значений рабочей части шкалы (без учета их знака) для приборов с равномерной или степенной шкалой, если нулевая отметка находится внутри рабочей части шкалы; — значению длины шкалы для приборов с логарифмической или гиперболической шкалой;

7

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

6) по закономерностям проявления погрешностей: а) систематическая погрешность s — составляющая погрешности измерений, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины при одних и тех же условиях. Она может быть прогрессирующей (убывающей, возрастающей), периодической или изменяющейся по более сложному закону. К постоянным систематическим погрешностям относятся погрешности

градуировки

погрешность

и

т.п.

К

шкалы,

погрешность

переменным

значения

систематическим

меры,

температурная

погрешностям

относятся

погрешности, связанные с изменением напряжения питания, действием электромагнитных полей, влиянием отражений в линии передачи и т.п. Систематические погрешности должны быть оценены и учтены. Анализ источников их возникновения и устранение их — основная задача при измерениях. В

терминах

теории

вероятностей

систематическая

погрешность

означает

смещенность оценки результатов измерения; б) случайная погрешность ε — погрешность измерений, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины при одних и тех же условиях; иначе — это погрешность, величина и знак которой не могут быть заранее предсказаны

(например,

дрейф

нуля

на

выходе

усилителя

постоянного

тока,

флуктуационные помехи принимаемых сигналов и т.п.). Случайные погрешности — это случайные величины, и их описывают вероятностными характеристиками. Таким образом, можно утверждать, что результат измерения всегда содержит систематическую s и случайную ε погрешности, т.е. суммарная погрешность ∆=s+ε. Поэтому погрешность измерения ∆ всегда есть случайная величина, у которой систематическая погрешность s есть математическое ожидание суммарной погрешности s==М[∆], а случайная погрешность есть центрированная случайная величина, т.е. ε = ∆ - s = ∆ - M[∆]; в) грубые погрешности—погрешности, существенно превышающие ожидаемые при данных условиях измерений, т.е. погрешности, не оправданные при данных условиях измерения, свойствах СИ, методе измерения, квалификации субъекта. Грубые ошибки обычно проявляются вследствие резкого и кратковременного изменения влияющей на результат измерения величины (влияющая величина — величина, которая влияет на результат измерения, а сама не измеряется, например температура, влажность,

8

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

электромагнитные помехи). Грубые ошибки обнаруживают статистическими методами и исключают из рассмотрения. Промахи — грубые ошибки, которые являются следствием неправильных действий оператора. Всегда исключаются из рассмотрения. 1.2.2. Некоторые характеристики измерений, определяемые погрешностями К таким характеристикам относят точность измерений, правильность измерений, сходимость измерений, воспроизводимость и единство измерений. Точность измерений — качество, отражающее близость результатов измерений к действительному значению Ад измеряемой величины. Количественно точность есть обратная величина модуля относительной погрешности: так, если δА ≅ 0.1%, т.е. 10-3, то точность 103. Правильность измерений — качество измерений, отражающее близость к нулю систематической погрешности s в результатах измерений, т.е. s→0. Сходимость измерений — качество измерений, отражающее близость результатов измерений друг к другу (измерения выполняются в одних и тех же условиях и одно и то же время). Воспроизводимость измерений — качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполненных в различных условиях (разное время, место, методы). Единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности измерений известны с заданной вероятностью. 1.2.3. Классы точности измерительных приборов Согласно ГОСТ 16263-70 (?) классом точности измерительных приборов (или СИ) называют обобщенную характеристику, определяемую пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Следует подчеркнуть, что класс точности прибора

характеризует

его

свойства

в

отношении

точности,

но

не

является

непосредственным показателем точности измерений, проводимых с помощью этого прибора. Связь между классами точности и пределами допустимых погрешностей СИ устанавливает ГОСТ 13600-68.

9

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Предел допускаемой основной погрешности — это наибольшая основная погрешность СИ, при которой СИ по техническим требованиям могут быть допущены к применению. Способы выражения таких погрешностей у различных приборов согласно ГОСТ 13600-68 могут быть такими: а) для абсолютной погрешности: — одним значением ∆п пред = ±а,

(1.2.7)

где а = const; ∆п пред — предел допускаемой погрешности прибора; — в виде зависимости предела допускаемой погрешности от показаний прибора Ап, представленной в виде ∆п пред = ± (а + вАп),

(1.2.8.)

где а = const; в = const. — в виде таблиц; б) для относительной погрешности: δп пред = ± 100∆Ап пред/Ап = ± h, %

(1.2.9)

или δп пред = ± (h+cAк/Ап), %

(1.2.10)

где h= const; с = const; Ак — конечное значение установленного предела измерений; в) для приведенной погрешности γпред = 100∆п пред /Lп

(1.2.11)

где Lп — нормирующее значение (см. п.1.2.1). СИ, пределы допускаемых погрешностей которых выражаются в единицах измеряемой величины (формулы (1.2,7) или (1.2.8)), присваивают классы точности, обозначаемые порядковыми номерами: кл 1, кл 2, ... . Увеличение порядкового номера означает увеличение допускаемой погрешности. СИ, у которых пределы допускаемых погрешностей выражены в виде приведенных погрешностей (формула (1.2.11)), присваивают классы точности, выбираемые из ряда чисел: 1·10n; 1,5·10n; 2,5⋅10n; 4⋅10n; 5⋅10n; 6⋅10n,

(1.2.12)

где n = 1; 0; -1; -2 и т.д. Возможные варианты условных обозначений: — число, равное пределу допускаемой основной погрешности, когда нормирующее значение Lп определено в единицах измеряемой величины. Например: если γпред = ± 1.5%,

10

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

то класс точности обозначен 1,5. Понимают так: если число на приборе 1,5, то класс точности 1,5; максимально возможная приведенная погрешность γпред = ± 1.5%; — число, равное пределу допускаемой погрешности, заключено в «уголок», если нормирующее значение Lп определено длиной шкалы. Пример: в «уголке» стоит 0,5; значит γпред ≤ ±0.5%. СИ, для которых пределы допускаемых погрешностей выражаются в виде относительной погрешности по формуле (1.2.9), присваивают классы точности из ряда чисел (1.2.12), причем числа помещают в кружок. Например: δп

пред

= ±2,5%, значит, в

кружок помещают 2,5. Если максимально допустимые погрешности определены формулой (1.2.10), класс точности определяется совокупностью чисел h и с, причем h и с выбраны из ряда (1.2.12). Например, если δп пред = ±(0,02 + 0,01Ак/Ап), то условное обозначение: 0,02/0,01. 1.3. Основы теории обработки результатов измерений 1.3.1. Случайные и систематические погрешности При измерениях показания измерительного прибора (ИП) отличаются от истинного значения

а

измеряемой

величины,

что

обусловлено

наличием

погрешностей.

Существование погрешностей обусловлено многими причинами, которые рассмотрены в п.1.2. К ним можно добавить еще по крайней мере две причины. Во-первых, всегда присутствуют влияющие величины, которые не измеряются ИП, но влияют на результаты измерений. Таковы, например, температура, влажность, давление окружающей среды, напряжение и частота питающей сети и т.п. Во-вторых, есть неинформативные параметры входного измеряемого сигнала, которые не несут информации, но влияют на результаты измерений (например, частота гармонического сигнала влияет на результаты измерений амплитуды сигнала, являясь неинформативным параметром). Итак, всегда существует погрешность измерения ∆: ∆ = х – а,

(1.3.1)

где х — измеряемое значение, а — "истинное" значение. Погрешность ∆ в формуле (1.3.1) нужно квалифицировать как случайную величину, так как влияющие и неинформативные величины являются случайными

11

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

процессами. В свою очередь, ∆ из формулы (1.3.1) может быть разделена на систематическую s и случайную погрешность измерения ε ∆=s+ε,

(1.3.2)

где s = М[∆] —математическое ожидание; а ε = ∆ - а-—центрированная случайная величина; ∆—суммарная погрешность. Следовательно, ∆ из формулы (1.3.2) есть случайная величина (которую нужно описывать вероятностными методами), имеющая математическое ожидание M[∆], дисперсию σ2ε = D[∆], плотность вероятности р[∆], корреляционную функцию случайной составляющей Rε[τ]: ∞

M[∆] = s =

∫ ∆ ⋅ p[∆]d∆ ;

(1.3.3)

−∞

∞

σ = D[∆] = 2 ε

∫ε

2

p[∆]d∆ ;

(1.3.4)

−∞

СКО = σε ,= {D[∆]}1/2,

(1.3.5)

СКО — среднеквадратическое отклонение. Следует иметь в виду, что систематическая ошибка s для одного ИП данного типа есть величина постоянная. Однако для множества ИП данного типа она уже сама является случайной величиной, имеющей свое математическое ожидание, свои дисперсию и плотность вероятности, которые могут быть определены по множеству приборов данного типа. 1.3.2. Погрешности косвенных измерений Уравнение косвенного измерения имеет вид y = ϕ(x1, x2, …,xn) = ϕ(xi) ,

(1.3.6)

где xi измеряются прямыми методами и имеют свои погрешности ∆i = si + εi. Необходимо найти погрешность ∆у = sу + εу косвенного измерения уi где у — функция, x1, x2, …,xn — аргументы. Нахождение погрешности функции у при известных погрешностях аргументов необходимо по ряду причин: а) косвенные измерения проводятся часто; б) очень часто в процессе измерения косвенные измерения проводят сами приборы скрыто от оператора, например суммирование, умножение и т.п.; в) чаще всего требуется определить общую инструментальную погрешность всего 12

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

ИП или СИ, которая представляет функцию погрешности разных узлов и элементов; г) как правило, интерес вызывает суммарная погрешность функции у, а не ее аргументов. Определение погрешностей косвенных измерений базируется на двух теоремах теории погрешностей измерений. Теорема 1. Пусть у — величина, значение которой измеряется косвенным путем,

представляет линейную функцию y = c0 + c1x1 +c2x2 +…+cnxn,

(1.3.7)

где: c0, с1, c2,...,сn — известные постоянные коэффициенты; B1, B2,...,Bn - независимые результаты

прямых

измерений

аргументов

х1,х2,...,хn

с

абсолютными

среднеквадратическими случайными погрешностями σ1, σ2, …σn (имеется в виду, что σ1, σ2, …σn — это СКО прямых измерений аргументов х1, х2,...,хn, что они независимы друг от друга и от измеряемых значений В1, В2,..., Вn, т.е. коэффициент корреляции ρij = 0) и абсолютными систематическими погрешностями s1, s2, …,sn (имеется в виду аддитивными, т.е. суммируемыми со своим знаком), то результат косвенного измерения равен A = c0 +c1B1 + c2B2 + … + cnBn,

(1.3.8)

содержит абсолютную систематическую ошибку (погрешность) sA = c1s1 + c2s2 + … + cnsn,

(1.3.9)

и абсолютную среднеквадратическую погрешность 2

2

2

1/2

σA = {c1σ 1 + c2σ 2 + … + cnσ n}

n

, σ = ∑ c i σ i2 . 2 A

(1.3.10)

1

Теорема 2. Если величина Z, значение которой измеряется косвенным путем,

представляет собой нелинейную дифференцируемую функцию

Z =ϕ(x1, x2, …,xn),

(1.3.11)

B1, В2,,...,Вn — независимые результаты прямых измерений значений аргументов x1, x2, …,xn, полученные с абсолютными СКО σ1, σ2, …σn (предполагается, что СКО: а) независимы друг от друга и от измеряемых значений B1, В2,,...,Вn; б) настолько малы, что функция (1.3.11) в этих пределах значений аргументов может быть линеаризирована, т.е. при разложении в ряд Тейлора можно учитывать только члены первого порядка в окрестностях точек B1, В2,,...,Вn, а соответствующие абсолютные систематические погрешности s1, s2, …,sn аддитивные, то результат измерений равен А

A = ϕ(B1, В2,,...,Вn),

(1.3.12)

содержит абсолютную систематическую погрешность

13

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

sA =

∂Z ∂Z ∂Z s1 + s 2 + ... + sn , ∂x n ∂x1 ∂x 2

(1.3.13)

и абсолютную среднеквадратическую погрешность 2

2

2

⎛ ∂Z ⎞ ⎛ ∂Z ⎞ ⎛ ∂Z ⎞ σ Z = ⎜⎜ σ 1 ⎟⎟ + ⎜⎜ σ 2 ⎟⎟ + ... + ⎜⎜ σ n ⎟⎟ . ⎝ ∂x1 ⎠ ⎝ ∂x 2 ⎠ ⎝ ∂x n ⎠

(1.3.14)

Если знаки, частных систематических погрешностей неизвестны, то абсолютную систематическую погрешность sA результата измерений А определяют по формуле SA =

∂Z ∂Z ∂Z s1 + s 2 + ... + sn , ∂x1 ∂x 2 ∂x n

(1.3.15)

и называют предельной систематической погрешностью. Для расчета относительных погрешностей δsA и δсл. (где δsA — относительная систематическая погрешность измерения, δсл. — относительная случайная погрешность измерения) правые части выражений (1.3.9), (1.3.10) и (1.3.13) — (1.3.15) делят на правые части результата косвенного измерения — формулы (1.3.8) и (1.3.12). Примеры. 1) у = х1 +х2; систематические погрешности s1 и s2; ρ12 = 0, т.е. независимые аргументы; СКО - σ1 и σ2; ∂y/∂x1 =1; ∂y/∂x2 =1; Результат измерения А = В1 + В2. Выражения для погрешностей результата A: SA = s1 + s2; σA = {σ12 + σ22}1/2 — абсолютные погрешности. Относительные погрешности δ SA

σ 12 + σ 22 σ A s1 + s 2 ; δ сл = = = B1 + B 2 B1 + B 2 A

2) у=х1 – х2; ∂y/∂x1 = 1; ∂y/∂x2 = - 1 берут |∂y/∂x2| = 1 ; систематические погрешности s1 и s2;, СКО σ1 и σ2; результат А = В1 - В2. Погрешности результата измерений. Абсолютные погрешности: sA = s1 – s2; σA = {σ12+σ22}1/2. Относительные погрешности: δ SA =

σ 12 + σ 22 σ A sA s −s = 1 2 ; δ сл = = A B1 − B 2 B1 − B 2 A

(1.3.16)

Из формулы (1.3.16) видно, что при малых значениях относительные погрешности δSA и δсл могут быть очень большими. Поэтому в процессе измерений какой-то величины никогда не нужно выбирать метод измерения, в котором бы стояла разность измеряемых

14

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

аргументов В1, В2,...,Вп для косвенного измерения А. 3) z = x1x2. Результат A = B1В2; ∂z/∂x1 = x2 = В2; ∂z/∂x2 = x1 = В1. Систематические погрешности s1 и s2; СКО σ1 и σ2. Погрешности результата измерения sA = B2s1 + B1s2; δ SA =

σ A = B σ + B σ ; δ сл 2 2

2 1

2 1

2 2

s A B 2 s1 + B1 s 2 s1 s 2 = = + ; A B1 B 2 B1 B 2

σ = A = A

B 22 σ 12 + B12 σ 22 B1 B 2

2

2

⎛σ ⎞ ⎛σ ⎞ = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ + ⎜⎜ 2 ⎟⎟ . ⎝ B1 ⎠ ⎝ B 2 ⎠

Примечание. Относительно вычисления погрешностей результата измерений А при

косвенных измерениях: вычисления функций A по формулам (1.3.8) и (1.3.12) производят с погрешностями, на порядок меньшими погрешностей непосредственных прямых измерений аргументов, т.е. в результате измерения А всегда должно быть записано после запятой на один знак больше, чем в результате измерения аргументов В1, В2,...,Bn. Если же этого нельзя сделать по каким-то причинам, то необходимо учитывать уже и погрешность самого вычисления по формулам (1.3.8) и (1.3.12) и эту погрешность суммировать к погрешностям аргументов. В практике измерений как правило неизвестны СКО σ1, σ2,…,σn аргументов x1, x2, …,xn, а известны относительные погрешности измерения этих аргументов δ1 = ε1/x1, δ2 = ε2/x2, … δn = εn/xn, где εi - абсолютные погрешности аргументов. Как в этом случае найти абсолютную εA и относительную δA погрешности результата измерений А, вычисляемого по формулам (1.3.8) и (1.3.12)? В этом случае: а) погрешности εA и δA считают случайными величинами; б) аргументы x1, x2, …,xn и результаты их прямых измерений В1, В2,...,Bn. считают независимыми случайными величинами, между которыми нет корреляционной связи, т.е. коэффициент корреляции ρij = 0; в) абсолютные и относительные погрешности εA и δA суммируют по правилам суммирования случайных величин в теории вероятностей, причем с учетом теоремы 2 и формулы (1.3.14), т. е. как СКО аргументов εA =

∂z ∂z ∂z ε1 + ε 2 + ... + εn , ∂x1 ∂x 2 ∂x n δA = εA/A

(1.3.17) (1.3.18) 15

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Вывод выражений для погрешностей косвенных измерений по теоремам 1 и 2 в п.1.2.1. можно объединить в общее выражение для погрешностей косвенных измерений. Пусть измеряемая величина у определяется по закону измерения y = f(x1,x2,…,xn) = f(xi)

(1.3.19)

где хi — аргументы, измеряемые прямыми измерениями с результатами В1,В2...,Вn,, имеющие собственные погрешности ∆i = si + εi, si — систематические погрешности xi, εi — случайные погрешности хi. Тогда результат измерения А косвенной величины у можно представить как А=f(B1, B2, …,Bn),

(1.3.20)

а погрешность измерения представить в виде n

∆y = ∑ 1

n

sy = ∑ 1

n

εy = ∑ 1

∂f ∆i ; ∂x i

(1.3.21)

∂f si ; ∂x i

(1.3.22)

∂f εi ; ∂x i

(1.3.23)

n n ⎛ ∂f ∂f ⎞⎟ σ 2y = M [ε 2y ] = M [(∆ y − s y ) 2 ] = ∑ ∑ ⎜ σ σ ρ (1.3.24) ⎜ ⎟ i j ij i =1 j =1 ⎝ ∂x i ∂x j ⎠

Для статистически независимых элементов, что чаще всего встречается на практике, коэффициент корреляции ρij=0 , и формула (1.3.24) упрощается и принимает вид 2

⎞ ⎛ ∂f σ = ∑ ⎜⎜ σ i ⎟⎟ . 1 ⎝ ∂x i ⎠ 2 y

т

(1.3.24а)

Относительная случайная погрешность определяется как отношение δAсл = σy/A, где σy определено по формуле (1.3.24а), а A — по формуле (1.3.20). Так как σy не задается в паспортных данных ИП, то она определяют по алгоритму п. 1.3.4. и 1.3.5. В формуле (1.3.23) εy — случайная погрешность, а составляющие εi — случайные погрешности каждого из аргументов, которые в разных измерениях могут принимать значения как положительные, так и отрицательные, причем у одного и того же аргумента. Поэтому эта формула всегда используется в другой записи: n

εy = ∑ 1

∂f εi ; . ∂x i

(1.3.25)

Но поскольку εi — случайные величины, то лучше всего суммировать по законам теории

16

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

вероятностей т. е. использовать формулы (1.3.17) и (1.3.18). Пример. Вычислить погрешность суммы y = f(xi) = ∑aixi. Частные производные ∂f/∂xi = ai; систематические погрешности si = 0; относительные погрешности δi, случайные абсолютные погрешности εi. Тогда sу=0, ε y =

n

∑ (a i ε i ) 2 ; δ y = 1

n

n

∑ (a i δ i ) 2 ; σ y =

∑ (a σ ) i

1

i

2

;

1

1.3.3. Учет и исключение систематической погрешности Измерения считаются правильными, если в них исключены систематические погрешности, а остаются только случайные, которые не могут быть исключены в силу своей природы. Поэтому при измерениях всегда стремятся учесть и исключить систематические погрешности, причем чаще всего до начала измерений. Для обнаружения, оценки и исключения систематических погрешностей обычно требуется тщательное изучение конкретных методов, средств и условий измерений. Однако можно указать простейшие способы обнаружения, оценки и исключения систематических погрешностей: — исключение систематической погрешности путем применений соответствующих методов и приемов (например, методов замещения, компенсации погрешности по знаку и т.п.); — оценка систематической погрешности путем применения более точного метода измерения; — применение двух независимых равнозначных методов для измерения одной и той же величины; — оценка систематической погрешности расчетным путем; — исключение

систематической

погрешности

путем

введения

поправок

или

поправочных коэффициентов. 1.3.4. Учет и оценка случайных погрешностей Для

учета

влияния

случайных

погрешностей

на

измерения

используют

вероятностные методы. Наиболее полное представление о случайных величинах (и о

17

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

погрешностях, как таковых) дают плотность вероятности р(∆) и закон распределения x

F (∆) =

∫ p(∆)d∆ .

В

разнообразных

ИП

и

устройствах

законы

распределения

−∞

погрешностей могут быть самые разные, однако чаще всего встречаются нормальный и равномерный законы. Если же закон распределения случайных погрешностей неизвестен, то обычно принимают его равномерным. Плотность вероятности и функция распределения — это вероятностные характеристики. Часто при оценке результатов измерения они и не требуются, а достаточно числовых моментных характеристик случайных погрешностей, которые называют оценками случайных погрешностей. Оценка случайных погрешностей рабочего прибора. При измерениях каких-то

величин имеем дело с ограниченным числом N измерений. В таких случаях надо найти истинное значение Aист измеряемой величины и случайную погрешность, хотя неизвестны математическое ожидание и дисперсия. В этом случае речь может идти о наилучшей оценке параметров распределения. При этом к оценкам предъявляются требования состоятельности, несмещенности и эффективности (оценки обозначают звездочкой или

волнистой чертой). Оценка считается ~ состоятельной, если А(b1 , b2 ,..., bn ) → Aист при N → ∞

~ несмещенной, если М [ А ] = Аист ; ~ эффективной, если D [ А ] = min,

(1.3.26)

где bi — результат i-го измерения; N— число измерений. Наиболее распространенной оценкой случайной погрешности является оценка СКО ~2 = 1 σ ∆ N

N

∑ (∆

i

− sA )2.

(1,3.27)

1

(1.3.27) —это несмещенная оценка СКО при известном m∆ = sA . Если же математическое ~ , оценка СКО в этом случае ожидание неизвестно, то вместо m пользуются оценкой m ∆

∆

выглядит так ~2 = σ ∆

1 N ~ )2. (∆ i − m ∑ ∆ N −1 1

(1.3.28)

Равноточные измерения. При равноточных измерениях (измерения выполняются

одним оператором в одинаковых условиях одним и тем же прибором) методика 18

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

практического определения СКО сводится к следующему. Проводят N измерений одной и той же величины A1, А2,...,Аn. Находят среднее арифметическое Aср, которое принимают за истинное значение А0 измеряемой величины А0 = Аср =

1 N

N

∑A

.

i

(1.3.29)

1

Далее вычисляют отклонения νI = A0 — Ai от среднеарифметического; если вычисления выполнены правильно, то должно быть N

∑v

i

= 0.

(1.3.30)

1 N 2 ∑ vi . N −1 1

(1.3.31)

1

Далее делают оценку СКО ~2 = σ v

Таким образом, находят случайную погрешность рабочего прибора. Неравноточные измерения. При неравноточных измерениях (разные операторы,

разные приборы, неодинаковые условия измерения) вместо среднего арифметического используют среднее взвешенное, т.е. учитывают веса измерений, при этом N

~ =A m A ср .взв =

∑g

i

Ai

1

(1.3.32)

N

∑g

i

1

где gi = 1/σi2 —вес i-го измерения; σi — СКО i-го измерения. Среднеквадратическая абсолютная погрешность принимается равной

σ~ A =

N

∑g σ i

2 i

(1.3.33)

1

Найденные значения оценок по формулам (1.3.31) и (1.3.33) обычно используют для нахождения суммарной относительной случайной погрешности в формуле (1.3.18). Доверительная вероятность. Рассмотренные выше оценки результатов измерений

называют точечными оценками, потому что выражаются одним числом. Эту оценку принимают за действительное значение измеряемой величины (формула (1.3.29)). Возникает вопрос о точности и надежности полученной оценки. Судят об этом по ~ вероятности α того, что абсолютная величина отклонения vcл = А0 - А0 может оставаться меньше некоторой сколь угодно малой величины ε, т.е. Р(|vcл|<ε) = α. Величина ε характеризует точность оценки, а

(1.3.34) величина α называется 19

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

доверительной вероятностью (или надежностью) оценки. Перепишем (1.3.34) в другом виде Р(|Aср - ε ≤ А ≤ Аср - ε) = α.

(1.3.35)

Вероятность (1.3.35) говорит о том, что интервал, простирающийся от Аср — ε до Аср + ε, с вероятностью α накрывает истинное значение А0, или истинное значение А0 с вероятностью α находится в интервале Аср — ε до Аср + ε. Этот интервал называют доверительным интервалом, а его границы—доверительными границами.

1.3.5. Суммирование погрешностей. 1. Систематические погрешности, суммируют алгебраически, т.е. со своими знаками: n

sΣ = ∑ si

(1.3.36)

1

2. Случайные погрешности, т.е. среднеквадратические оценки, суммируют с учетом их взаимных корреляционных связей n

n

σ Σ2 = ∑ ∑ σ i σ j ρ ij

(1.3.37)

i =1 j =1

3. Суммирование систематической погрешности со случайной осуществляют с учетом корреляционных связей по правилам сложения случайных погрешностей, т.е. σΣ2 = sΣ2 + σ2 + 2ρsΣσ

(1.3.38)

4. Рассмотрим сложение случайных независимых погрешностей при п = 2 и сделаем некоторые выводы. Пусть у = х1 + х2; х1 и х2 имеют СКО σ1, и σ2. Тогда σ 2y = σ 12 + σ 22 ; σ y = σ 12 + σ 22

(1.3.39).

Соотношение (1.3.39) можно рассматривать как закон сложения случайных независимых погрешностей. Этот закон имеет три важных следствия: 1) О роли каждой погрешности в общей погрешности результата измерений. Так как суммируются квадраты погрешностей, то значение отдельных погрешностей очень быстро падает по мере их уменьшения. Поясним на примере двух слагаемых. Пусть х1↔σ1, х2↔σ2 и σ1 = 2σ2. Тогда σ y = σ12 + σ 22 ≈ 1,1σ1. Из этого примера видно, что одна из погрешностей только в два раза меньше другой, но общая погрешность возрастает за счет нее только на 10%, что обычно играет малую роль при измерениях. А это значит, что если мы хотим повысить точность измерений у , то нужно уменьшить большую

20

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

погрешность. 2) Возьмем у = х1 — х2. Тогда А = В1 — В2,, где В1 и В2 — результаты прямых измерений (см. п. 1.3.2.). Относительная погрешность σ δA = A = A

B 22 σ 12 + B12 σ 22 B1 − B 2

.

Пусть |В1 — В2| → 0. Тогда δA → ∞. Это значит, что невозможно добиться хорошей точности измерений величины, строя измерения так, что эта измеряемая величина находится как небольшая разность результатов независимых измерений двух величин. Метод измерения должен быть изменен так, чтобы была сумма результатов, тогда относительная погрешность δA не зависит от результатов измерений В1 и В2 и их близости. 3) Погрешность среднеарифметического равноточных измерений. Пусть А1, А2, …,Ап — равноточные

измерения,

имеющие

среднеарифметическое Аср =

одинаковую

дисперсию

σ2 .

Тогда

1 n ∑ Ai . n 1

Дисперсия среднеарифметического в соответствии с законом о сложении случайных величин σ 2A =

1 n2

n

∑σ

2 i

=σ

1

2

n

; σA = σ

n

Отсюда вывод: среднеквадратическая погрешность (СКО) среднеарифметического равноточных измерений равна СКО отдельного измерения, деленного на корень квадратный из числа измерений. Это фундаментальный закон возрастания точности при росте числа измерений N, из которого следует, что для повышения точности измерений в N раз, нужно провести N2 измерений (закон верен только для случайных погрешностей). 1.3.6. Схема обработки результатов измерений Подводя итоги по основам теории обработки результатов измерения, можно выделить основные этапы этой обработки: —проведение N измерений А11, А21,...,АN1; — исключение систематических погрешностей А1, А2,...,АN; 1 ~ —оценка среднеарифметического Аср = А = N

N

∑A; i

1

21

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

— определение остаточных погрешностей νI = Ai - ⎯A; ⎯ проверка правильности определения vi: ΣνI: = 0 ;

— нахождение суммы ΣνI:2; ~ ~( A — оценка СКО каждого измерения: σ i) =

N

∑v 1

2 i

( N − 1)

~( A ) ~ σ ~( A i )= — оценка СКО среднеарифметического σ

;

N

— оценка закона распределения; — выбор доверительной вероятности Р; — оценка доверительного интервала ε; ⎯ запись результатов измерения ⎯A, ε, Р. Схема обработки приведена на рис. 1.1.

Проведение N измерений

Исключение систематической погрешности

Среднеарифметическое

Оценка СКО среднеарифметического

Оценка СКО каждого измерения

Возведение в квадрат

Остаточные погрешности

Проверка

Оценка закона распределения

Выбор доверительной вероятности Р

Оценка доверительного интервала

Запись результата

Рис. 1.1. 1.3.7. Запись результатов измерений Есть несколько форм записи результатов измерения. Остановимся на двух из них, которые чаще всего встречаются в практике. Первая форма записи — в виде числа с пределами максимальной погрешности. 22

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Результат измерения записывается в виде х=а±∆max

(1.3.40)

Такая форма записи означает, что действительное значение измеренной величины x с вероятностью, близкой к единице, лежит в пределах а-∆max≤ x ≤ а+∆max, где ∆max — предельная величина абсолютной погрешности. Возникает вопрос: сколько значащих цифр после запятой нужно писать в величинах а и ∆max? При записи численных результатов по формуле (1.3.40) принято руководствоваться следующими правилами: 1) значение максимальной погрешности ∆max округляют до одной или двух (но не более!) значащих цифр; 2) результат измерения округляют таким образом, чтобы его последняя значащая цифра имела одинаковый порядок с первой значащей цифрой максимальной погрешности. Примеры. 1. Пусть измерено прибором х= 10,181 В, у которого предельная погрешность ∆пред = ∆max = 0,1 В. Нужно писать x = 10,2±0,1 В, округлив результат до последней значащей цифры предельной погрешности. Запись означает, что с вероятностью, близкой к единице, х лежит в пределах 10,1 ≤ х ≤ 10,3 В. 2. Пусть х= 0,526 В измерено прибором, у которого ∆ пред = ∆max = 0,02 А. Нужно писать х= 0,53 ± 0,02 А, опять округлив результат до последней значащей цифры предельной погрешности; запись означает, что с вероятностью, близкой к единице, х лежит в пределах 0,51 ≤ x ≤ 0,55 А. 3. Пусть х= 0,402 В измерено прибором, у которого ∆пред = ∆max = 0,01 В. Запись результата должна быть x = 0,40 ± 0,01 В. Нельзя писать х = 0,4 ± 0,01 В, т.е. в результате измерения и предельной погрешности должны быть значащие цифры одного порядка. Вторая форма записи — с указанием доверительного интервала и доверительной

вероятности, например: 10,2 В, ∆ от «—0,1» до «+0,1», Р= 0,99, т.е. с вероятностью Р=0,99 результат лежит в интервале [10,1; 10,3]. Напомним понятие доверительного интервала и доверительной вероятности. Пусть х — истинное значение измеряемой величины, погрешность измерения равна ∆х. Среднеквадратическое значение х, полученное в результате равноточных измерений, равно x=

1 n ∑ xi . n 1

23

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Пусть α есть вероятность того, что результат измерений отличается от истинного значения на величину, не большую ∆х, т.е. P(-∆x ≤ x - ⎯x ≤ ∆x) = α В таком случае α носит название доверительной вероятности (коэффициента надежности), а интервал значений от х— ∆х до х + ∆х называют доверительным интервалом. Для нормального закона с дисперсией σ2 и СКО σ значения доверительной вероятности следующие: Р (— σ ≤ х—⎯х ≤ σ ) = 0,68; Р (— 2σ ≤ х—⎯х ≤ 2σ ) = 0,95; Р (— 3σ ≤ х—⎯х ≤ 3σ ) = 0,997.

24

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

2. "ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ 2.1. Понятие "измерительной технологии" В своей книге "Методы измерений в системах связи" (Москва: Эко-трендз. 1999. 196 с.) автор И.Г. Бакланов на первой ее странице вводит понятие "измерительной технологии" как альтернативу, в некотором смысле, классической метрологии. Измерительная

технология

–

это

совокупность

методов,

подходов

к

организации измерений и интерпретации результатов, конкретных методик, а также измерительных

средств

(приборов

и

средств

контроля),

необходимая

для

качественного обслуживания соответствующего направления развития технологии средств связи. В обоснование своего столь серьезного шага он приводит ряд доводов, с которыми, с одной стороны, нельзя не согласиться, с другой стороны, можно оспаривать их достаточность. Однако, очевидно то, что реальное положение дел в области измерений для цифровых систем связи не соответствует методам метрологии как науки и правилам метрологии как единой системы проведения измерений. Обсудим вызывающие это несоответствие причины. Во-первых, это высокие темпы развития технологии средств связи, качественное изменение задач и способов их решения, непрерывный характер изменений, происходящий в сфере услуг связи в течение последних 20 лет. Естественно, что этот процесс сопровождается таким же непрерывным изменением задач и методов проведения измерений для создания и обслуживания систем связи. Это, в свою очередь, неизбежно ведет к отставанию в области разработок специализированных измерительных средств и стандартизированных методик измерений. Во-вторых, современное развитие измерительной техники идет по пути ее высокой специализации и технологичности. В области измерительной техники для сетей связи это привело к созданию узкоспециализированных приборов – анализаторов протоколов и логического взаимодействия интеллектуальных устройств. Этот класс измерительной техники не рассматривается современной метрологией (функции этих приборов вряд ли можно безусловно назвать измерениями в рамках определений, данных в первой части этого курса), тем не менее он имеет высокую эксплуатационную значимость. В-третьих, с развитием технологий телекоммуникаций растет роль измерительной техники в развитии и эксплуатации систем связи. Процесс совершенствования измерительных технологий тесно связан с общей тенденцией усложнения высоких 1

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

технологий в процессе их развития во второй половине XX века. Основными тенденциями развития являются: миниатюризация, экономичность и, как следствие, усложнение. Этот процесс наглядно виден на примере развития современных технологий цифровой связи. Так, сложность систем связи объективно повышается с переходом к цифровым системам передачи с высокой пропускной способностью (SDH), новым принципам мультиплексирования (АТМ), новым концепциям систем сигнализации (ОКС 7 и протоколов ведомственных сетей ISDN), новым сетевым концепциям предоставления услуг пользователям (интеллектуальные сети). Этот процесс связан с увеличением пропускной способности систем передач, снижением стоимости интеллектуальных устройств и внедрением в современные телекоммуникации принципов распределенной обработки информации. В связи с этим возникают задачи контроля и настройки работы интеллектуальных систем, каковыми в настоящее время являются сети связи. Этот процесс идет двумя путями: первый - развитие систем внутренней диагностики интеллектуальных узлов сетей, второй - применение современной измерительной техники. Учитывая, что развитие средств связи идет очень динамично, разработка систем самодиагностики и их отработка несколько отстают от развития самих средств связи. Таким образом, применение независимых от оборудования систем контроля в ряде случаев является единственно корректным решением. В результате роль измерительной техники на сети связи повышается с развитием новых технологий. Измерительная техника на сетях современных телекоммуникаций играет важную роль - настройка и оптимизация сетей связи, поиск неисправностей и причин конфликтов, разрешение конфликтных ситуаций. Таким образом, основной движущей силой развития измерительных технологий является усложнение современных систем связи. Распространенное мнение о том, что цифровые системы связи лучше, надежнее и поэтому в меньшей степени требуют обслуживания на этапе эксплуатации, не верно. Действительно, верно, что цифровые технологии обеспечивают лучшее качество связи, меньшие эксплуатационные затраты, лучший контроль за ресурсом сети. Верно также, что хорошо отлаженная, "ухоженная" цифровая сеть требует обслуживания в меньшей степени. Однако также верно, что "неухоженная" цифровая сеть деградирует гораздо быстрее аналоговой и требует при восстановлении гораздо больших затрат. Это объективная

плата

за

сложность

технологии

цифровой

передачи.

Цифровым

телекоммуникациям свойственен так называемый "пороговый эффект деградации", когда ухудшение параметров не приводит долгое время к ухудшению качества связи. При достижении определенного порога параметры качества изменяются скачкообразно. 2

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

Обычно в этом случае довольно сложно выделить сразу причину нарушения связи, поскольку причиной является накопленные в течение длительного времени отклонения от нормы нескольких параметров. На практике часто встречается заблуждение о том, что иностранные фирмы, обеспечивающие пуск участков цифровых сетей, должным образом настроят сеть и в дальнейшем ее работа не потребует квалифицированной эксплуатации. Такой подход ведет к зависимости операторов сети от инофирм, что является негативным фактором. С уверенностью можно сказать, что использование современной измерительной техники дает операторам ключ к пониманию процессов, происходящих в сети. В этом случае поиск конфликтных ситуаций и противоречий, "тонкая настройка" сети помогают добиться максимальной эффективности ее работы, а также понять принципы новой технологии. Эта роль измерительной техники является новой в практике отечественной связи. До сих пор измерительная техника служила для контроля работы сети и соответствия ее узлов отечественным стандартам. В этом случае имелись четкие рекомендации по методологии измерений на сетях связи, т.е. указания на прибор, методику измерений и параметры измерений. В современной ситуации процесс стандартизации технологии значительно отстает от развития самих технологий. Четких рекомендаций

по

использованию измерительной техники и эксплуатационной методологии нет и в ближайшем

будущем

не

предвидится.

Измерительная

техника,

применяемая

современными операторами, используется не только для проверки на соответствие стандартам (в первую очередь международным), но и для изучения процессов, протекающих в сети. Это позволяет операторам быстро осваивать новые технологии на международном уровне, что является необходимым условием дальнейшей успешной работы. Еще одна важная особенность современной измерительной техники для телекоммуникаций состоит в том, что с развитием цифровых сетей связи происходит упомянутая выше специализация измерительной техники. Еще 15-20 лет назад для обслуживания аналоговых сетей связи применялась общеизмерительная техника (генераторы, осциллографы, частотомеры и т.д.) или ее модификации с учетом параметров систем связи. Развитие цифровых систем передачи и коммутации привело к тому,

что

измерительная

техника

для

телекоммуникаций

стала

высоко

специализированной. Это означает, что ее в большинстве случаев невозможно использовать в других областях человеческой деятельности. Современные измерительные 3

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

приборы для телекоммуникаций, такие как анализаторы протоколов сигнализации, анализаторы цифровых систем передачи, измерительные приборы ВОЛС и др., составляют рынок специализированной техники, который до последнего времени не рассматривался ни в технической, ни в экономической литературе. Теперь следует уяснить, в чем конкретно отличаются друг от друга классический метрологический и "технологический" подходы к технике измерений в цифровых сетях связи. Из самих определений ясно, что метрология – это наука об измерениях физических величин, а измерительная технология – это комплекс знаний прикладного значения, в этом смысле эти два понятия мало пересекаются. Противоречия между классической метрологической и технологической точкой зрения возникают при рассмотрении вопросов классификации измерительного оборудования и спецификации измеряемых параметров. Эти противоречия приведены в таблице 2.1. Как видно из таблицы, при описании измерений в современных телекоммуникациях имеют место разные взгляды на одни и те же проблемы. ТАБЛИЦА 2.1. Сравнение метрологического и технологического подходов Проблема Методологический подход к описанию измерений

Что является предметом измерений? Развитие методов измерений во времени

Проработанность методов измерений

Метрологический подход Фундаментальнонаучный, математическое моделирование, анализ погрешностей измерений

Технологический подход Прикладной анализ, учет экономических факторов и динамики развития рынка телекоммуникаций. Использование принципа "разумной достаточности" при эксплуатационных измерениях Физические величины Физические величины (параметры сигналов) и (параметры сигналов, алгоритмы взаимодействия используемых в логических устройств телекоммуникациях) Развитие методов Стабильные методики, практически не изменяются подчиняется динамике развития измерительной во времени. Можно технологии на рынке. говорить о стационарной Динамичное развитие. методологии измерений Высокая, вплоть до Средняя, до общих подходов к организации детальных методик измерений и интерпретации результатов. Высокая, если использует достижения метрологии (обычно в случае измерения параметров сигналов) 4

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

Принцип классификации измерений

По эксплуатационной направленности и использованию в различных частях системы электросвязи (измерения PDH, SDH, телефонных сетей и т.д.). По задачам измерений (эксплуатационные и системные измерения)

Принципы классификации измерительных (приборов)

По использованию средств измерений в соответствующей технологии связи (например, измерительная техника для обслуживания систем SDH, PDH, АТМ, ISDN и т.д.) Поскольку спецификации измеряемых параметров технологий могут пересекаться, некоторые приборы могут относиться к нескольким группам

По способу получения результатов (прямые, косвенные, совместные и совокупные измерения). По точности измерений: измерения максимально возможной точности, лабораторные (поверочные) измерения, технические измерения Подгруппы средств измерений. Классификация средств по типам измеряемых физических величин (например, вольтметры, измерители мощности, осциллографы, анализаторы ГВЗ и т.д.). Тенденция к универсализации приборов приводит к тому, что некоторые приборы могут относиться к нескольким группам

Принцип разработки методов измерений

Метрология

"Внутренняя" методология, требует рассмотрения внутреннего алгоритма работы прибора. Измерительные комплексы рассматриваются обычно в контексте лабораторных измерений

представляет

собой

"Внешняя" методология, прибор рассматривается как элемент единого эксплуатационного измерительного комплекса. Измерительные комплексы рассматриваются в контексте эксплуатационных измерений

фундаментальную

науку,

использующую

современную теорию эксперимента и математический аппарат для оценки погрешностей, охватывающую не только научные, но и административно-хозяйственные и отчасти юридические области знаний. С точки зрения классической метрологии почти все специфические для цифровых сетей связи измерения относятся по классу точности к техническим измерениям, тогда как метрология описывает (и отдает им приоритет) и два другие класса измерений. Вместе с тем технологический подход дает возможность комплексного анализа

5

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

измерений, необходимых для эксплуатации современных систем связи. Современная классическая метрология такой возможности не дает по следующим причинам. • Основным предметом метрологии является измерение физических величин. Все классификации методов измерений и измерительных средств построены на разделении по измеряемым величинам или параметрам. Комплексное решение по программе измерений в современных системах связи может включать сотни таких параметров и анализ процессов взаимосвязи между ними. В результате, поставив в основу классификации измеряемые параметры, мы можем получить комплексные решения только в самых простых случаях. • Современные системы связи состоят из множества логических устройств, использующих для взаимодействия различные сигнальные и информационные протоколы. В последнее время половина всех оборотных средств телекоммуникаций идет на модернизацию программного обеспечения. Именно это направление развивается революционно. Встает задача описания технологии измерений, связанных с логическим анализом алгоритмов взаимодействия этих устройств. В современных телекоммуникациях такие измерения составляют большую часть. В то же время рассмотрение этих измерений требует перейти от измерения параметров сигналов к анализу алгоритмов, а процесс преобразования сигнала заменить алгоритмическим процессом конвертации протокола. Классическая метрология этого не делает и не может сделать в силу постулатов, лежащих в ее основе. • Современные телекоммуникационные системы строятся на основе семиуровневой модели взаимодействия открытых систем. Классическая метрология как наука об измерениях физических параметров ориентирована на задачи первого уровня модели, однако в реальной практике остальные уровни не менее важны. • Классическая метрология является фундаментальной дисциплиной, не обеспечивающей достаточно быстрое реагирование на запросы специалистов в области связи в условиях современной НТР. Технологический подход дает возможность учесть временное развитие методов измерений, связанное с решением прикладных задач телекоммуникаций. В то же время несомненное преимущество классической метрологии использование математического аппарата для анализа погрешностей и обоснования метода измерений, присутствует в технологическом подходе при измерениях физических параметров. Резюмируя все вышеперечисленное, сформулируем несколько тезисов по поводу взаимосвязи

двух

точек

зрения

на

проблемы

измерений

в

современных

телекоммуникациях. 6

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

1. Метрология - наука, метрологический подход к измерениям - сугубо фундаментальный. Технологический подход является сугубо прикладным и ориентирован на эксплуатационные измерения в современных системах связи. 2. Технологический подход использует достижения современной метрологии в вопросах измерений параметров сигналов современных телекоммуникаций. В то же время само понятие измерений в технологическом подходе является более широким и включает также анализ протоколов взаимодействия логических устройств в сети. 3. Технологический подход не является новой парадигмой метрологии. С точки зрения метрологии технологический подход - решение прикладной задачи описания технических измерений. 4. В области современных телекоммуникаций только технологический подход дает в полной мере возможность анализа и описания методов организации эксплуатационных измерений и построения комплексных измерительных решений

в

современных

сетях

связи.

Метрологический

подход

такой

возможности не дает. 5. С другой стороны, возникший в силу объективных причин разрыв между технологическим подходом и традиционной метрологией имеет ряд негативных последствий. В первую очередь это проявляется в неприменимости методов оценки погрешностей и достоверности полученных результатов измерений методами метрологии к целому ряду «технологических» измерений. В общем, метрологические методы интерпретации результатов зачастую не годятся для анализа специфических измерений в цифровых сетях связи. Во-вторых, отсутствие единой внутренне логически связанной с метрологией системы таких измерений приводит к необходимости решать многие новые измерительные задачи "с нуля", не опираясь на фундамент уже известных метрологических решений. В-третьих, унификацию

отсутствие такой системы значительно затрудняет

измерительных

процедур,

сопоставление

количественных

результатов, полученных для различных систем связи и, тем самым, сравнение этих систем. В четвертых, подготовка специалистов сводится к изучению имеющихся "комплексных измерительных решений" для конкретных систем связи, что неизбежно приводит к значительным затратам времени и отставанию уровня подготовки обслуживающего персонала от современного уровня развития технологии. И, наконец, "комплексные измерительные решения", реализованные 7

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

фирмами

–

разработчиками,

зачастую

не

соответствуют

действующим

государственным стандартам (фактически, противоречат закону), что вызывает значительные административные и юридические проблемы, которые решаются в каждом конкретном случае отдельно. Метрологический подход к измерениям в области современных систем связи был широко развит отечественной наукой. В силу ограниченности самого подхода исследования велись обычно в направлении измерений параметров сигналов (например, в области технологии радиоизмерений, измерений параметров оптических и электрических кабелей). Возможно, ограничения метрологического подхода обусловили то, что до последнего времени тема алгоритмических измерений практически не обсуждалась в отечественной прессе, да и в настоящее время это обсуждение не носит системного характера. Следует отметить, что для исключения путаницы между технологическим и метрологическим подходом вслед за И.Г. Баклановым мы будем использовать понятие методологии измерений как совокупности методов организации измерений физических величин. Методология является частью метрологии, но не единственной частью. При использовании технологического подхода рассмотрение методологии важно для понимания факторов, влияющих на точность измерений и правильность интерпретации результатов.

Знание

методологии

помогает

выделить

"разумно-достаточную"

спецификацию параметров при эксплуатационных измерениях. 2.2. Классификация измерительных технологий для цифровых сетей связи 2.2.1. Области применения измерительных технологий Измерения применяются на всех этапах функционирования цифровых сетей связи от разработки до обслуживания. Перечислим основные типы измерений, присущие каждому этапу, в таблице 2.2.

8

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

ТАБЛИЦА 2.2. Этапы функционирования сети связи Разработка, интеграция, проверка соответствие Производство Инсталляция Поиск неисправностей обслуживание

и

Ремонт, калибровка

Основные типы измерений на Тестирование компонентов, взаимное согласование между программным и аппаратным обеспечением, загрузочные тесты Тестирование плат и компонентов (годен/не годен) при максимальной нагрузке Покомпонентный долговременный анализ техническое Индикация и локализация неисправностей, реконфигурация, оптимизация рабочих характеристик сети, измерение качества обслуживания Локализация неисправностей с точностью до платы, симуляция эксплуатационных условий

2.2.2. Цели измерений Проведение измерений на всех этапах функционирования сети связи преследует следующие цели. •

Проверка соответствия показателей качества системы требованиям соответствующих Рекомендаций

ITU-T

(Международный

союз

электросвязи

–

подразделение

телефонии) или ITU-R (Международный союз электросвязи – подразделение радиосвязи). •

Тестирование готовности сети.

•

Контроль качества предоставляемых услуг.

•

Оптимизация сетевого планирования и расширения сети.

•

Поиск неисправных линий.

•

Контроль параметров сети при установке нового оборудования и программного обеспечения (при масштабировании).

•

Проверка вновь сконфигурированных линий.

•

Стрессовые и нагрузочные измерения.

•

Статистический анализ.

•

Контроль передачи сигнализации системой встроенного контроля.

•

Анализ протоколов связи.

•

Симуляция реального поведения сети или специфических ошибок.

9

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

•

Проверка параметров (качества) среды распространения.

•

Оценка допусков ошибок.

•

Диагностика

технического

состояния

компонентов,

раннее

обнаружение

неисправностей. •

Решение проблем совместимости (внутрисистемной и межсистемной).

2.2.3. Системное и эксплуатационное измерительное оборудование Всю измерительную технику для современных систем связи можно условно разделить на два основных класса: системное и эксплуатационное измерительное оборудование. Требования к аппаратуре разных классов значительно отличаются, соответственно отличаются функции приборов, схемы их использования, спецификация тестов и т.д. К

системному

оборудованию

относится

измерительное

оборудование,

обеспечивающее настройку сети в целом и ее отдельных узлов, а также последующий мониторинг состояния всей сети. Системным оно называется потому, что современное оборудование этого класса имеет широкие возможности интеграции в измерительные комплексы, сети измерительных приборов и может входить в качестве подсистем в автоматизированные системы управления связью. Для системного оборудования основным требованием является максимальная функциональность прибора: его спецификация тестов должна удовлетворять всем существующим и большинству перспективных стандартов. В противном случае прибор не обеспечит полной настройки и оценки параметров сети или тестируемого устройства. Вторым требованием является возможность интеграции в системы приборов и с вычислительными средствами и сетями передачи данных. Требования модернизируемости важно в силу быстрого развития технологии и принятия новых стандартов. Удобство работы является следующим по важности, т.к. отсутствие "дружественного" интерфейса у многофункционального

прибора

может

стать

серьезным

препятствием

при

его

эксплуатации. Стоимость и портативность системного оборудования обычно не имеют решающего значения. Эксплуатационное оборудование в первую очередь должно быть портативным и дешевым, затем надежным и уже после этого многофункциональным.

10

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

2.2.4. Измерения в различных частях системы электросвязи Структурная схема современной сети цифровой электросвязи представлена на рисунке 2.1. Среда распространения сигнала Первичная сеть Вторичные сети

Эфир, электрический кабель, оптоволокно ИКМ (CPM), PDH, SDH, ATM Телефония, сети передачи данных (пакетная связь), ISDN, ATM, мобильная радиосвязь, специализированные сети связи, сети сигнализации (ОКС-7) Рис. 2.1. Структурная схема сети цифровой электросвязи В основе системы электросвязи лежит первичная сеть, включающая в себя среду распространения сигнала и аппаратуру передачи сигнала, обеспечивающую создание типовых каналов и трактов первичной сети, которые используются для передачи информации.

В

современной

системе

электросвязи

используется

три

среды

распространения сигнала: радиоэфир, электрический кабель и оптоволокно. Цифровая первичная сеть строится на основе принципов импульсно-кодовой модуляции (ИКМ или по-английски - PCM) и трех различных принципов мультиплексирования сигналов: плезиохронной цифровой иерархии (PDH) – принцип мультиплексирования, где все базовые системы и мультиплексоры более высоких порядков имеют собственное независимое

тактирование,

синхронной

цифровой

иерархии

(SDH)

–

принцип

синхронного мультиплексирования, и асинхронного режима передачи (АТМ) – принцип асинхронной передачи данных ячейками фиксированного размера. Типовые каналы и тракты первичной сети используются различными вторичными сетями: цифровой телефонии, сетями передачи данных (пакетная связь), сетями с интегрированными услугами (ISDN) – передача аудио-, видео- и цифровой информации, ATM

–

универсальная

система

передачи

данных,

мобильная

радиосвязь,

специализированные сети связи, сети сигнализации (ОКС-7) – система сигнализации сетей общего пользования. Специфической чертой технологии АТМ является то, что она охватывает не только вторичную, но и первичную сеть, образуя единую транспортную среду. В соответствии с описанной структурой может быть предложена следующая классификация измерительных технологий. Первый уровень измерений – измерения в средах распространения сигналов: в кабелях и радиоэфире. Измерения включают в себя как тестирование параметров среды 11

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 2. «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

распространения, так и измерения параметров сигналов в среде. Радиоэфирные измерения обычно тесно связаны с измерениями более высокого уровня (на вторичных сетях). Второй уровень измерений – это измерения цифровых трактов первичной сети. Третий уровень измерений – измерения на вторичных сетях связи, обычно включающие следующие группы измерений: •

измерения канального уровня – измерения интерфейсов с первичной сетью, характеристик

каналов

вторичных

сетей

и

цикловой

(пакетной)

структуры

передаваемой информации – обычно тесно связаны с измерениями второго уровня, т.к. каналообразующая аппаратура (мультиплексоры) чаще всего конструктивно и функционально объединена с приемо-передающей аппаратурой; •

протокол – анализ работы устройств вторичных сетей – единая группа измерений для всех вторичных сетей при учете различий в протоколах сигнализации – необходим для анализа корректной работы и выявления возможных противоречий в работе узлов сети;

•

измерения (имитация) трафика;

•

измерения параметров качества предоставляемых услуг – это измерения весьма разнородных для различных вторичных сетей параметров, таких как время ожидания, задержки в канале, дисперсия задержек, пропускная способность, частота появления ошибок и т.п. Все группы измерений, проводимых в среде распространения сигнала, и

большинство измерений на первичной сети фактически сводятся к вполне традиционным с точки зрения метрологии измерениям амплитуды, фазы, частоты, времени задержки, частотного спектра сигнала, функции распределения ошибок. С другой стороны, большинство измерений на вторичных сетях сводятся к оценке нефизических параметров, например, эффективности или "качества работы" сети. Результаты таких измерений могут косвенно указать на возможную причину ухудшения параметров сети. Метрологический подход к таким измерениям, мягко говоря, весьма затруднен, да и вряд ли уместен, т.к. качественным (пороговым) критерием качества таких измерений является соответствие параметров сети связи Рекомендациям международных организаций, а единственным количественным

критерием

качества

таких

измерений,

по-видимому,

является

коммерческий успех провайдера услуг связи.

12

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 2. М.: Сов. Радио. 1968. 504 с. Гл. 3.6, 6.1.) В

настоящее

время

в

результате

значительного

прогресса

в

области

вычислительных средств и микроэлектроники наряду с традиционными методами прямых измерений параметров сигналов становятся все более популярными косвенные измерения, состоящие в оценке параметров сигналов по наблюдаемым на конечном интервале времени их реализациям. Типичным примером такого подхода к измерениям являются продукты фирмы National Instruments. Преимущества такого подхода состоят в универсальности, гибкости, многофункциональности и способности к модернизации измерительных средств. В этом разделе нами будут рассмотрены алгоритмы оценок амплитуды, фазы, частоты и других параметров сигнала на основе критерия максимального правдоподобия, а также основные свойства этих оценок. Будем считать, что x(t) – наблюдаемая на интервале (-Т, Т) реализация процесса, представляющего сумму x(t ) = ξ(t ) + s (t , ϑ1 ,..., ϑm ),

(3.1)

где ξ(t) – нормальный случайный процесс с нулевым средним и известной корреляционной функцией B(t,y), s(t,ϑ1,…,ϑm) – детерминированный процесс, зависящий от неизвестных параметров (ϑ1,…,ϑm). Задача состоит в том, чтобы, используя наблюдаемую

реализацию

x(t),

оценить

неизвестные

параметры

(ϑ1,…,ϑm)

детерминированного слагаемого. Будем искать оценку, соответствующую максимуму функционала отношения правдоподобия

l[ x(t ) | ϑ1 ,..., ϑm ] = lim N →∞

WN ( x1 ,..., xN | ϑ1 ,..., ϑm ) , WN ( x1 ,..., xN | s (t ) = 0)

(3.2)

где WN – N–мерные функции распределения плотности условной вероятности N отсчетных значений реализации процесса x(t) или функции правдоподобия. В том случае, если параметры (ϑ1,…,ϑm) являются случайными величинами, необходимо получать байесовские оценки, минимизирующие средний риск. Однако, в

1

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

приложении к задаче измерений обычно можно полагать, что дисперсия априорного распределения случайного параметра ϑi - M2{ϑ} много больше дисперсии оценки ~ максимального правдоподобия (дисперсии ошибки измерений) М2{ ϑi − ϑi0 }. При этом байесовская оценка приближается к оценке максимального правдоподобия. Для того чтобы найти удобное для поиска максимума выражение функционала отношения правдоподобия, представим случайный процесс ξ(t) в виде разложения в ряд по системе ортогональных функций ϕk(t): ∞

ξ(t ) = ∑ ξk k =1

ϕk (t ) , λk

T

где ξk =

λ k ∫ ξ (t )ϕ k (t )dt – координаты случайного процесса, причем m1{ξk} = 0. −T

Если

ϕk(t) и λk – собственные функции и собственные числа линейного

интегрального уравнения T

ϕ(t ) = λ ∫ B(t , y )ϕ( y )dy, | t |≤ T , −T

то эти координаты попарно некоррелированы и имеют одинаковые, равные единице дисперсии. Действительно, T

m1{ξ k ξ m } = λ k λ m

∫ B(t , y)ϕ (t )ϕ k

−T

m

( y )dtdy =

T ⎧0, k ≠ m λm ( ) ( ) . y y dy ϕ ϕ = ⎨ k m λ k −∫T ⎩1, k = m

С учетом нормального распределения процесса ξ(t), его координаты попарно статистически независимы. ⎡ W ( x ,..., xN | s1 ) ⎤ Запишем логарифм отношения правдоподобия ln ⎢ N 1 ⎥ в виде W x x s ( ,..., | ) N 0 ⎦ ⎣ N 1

ln l ( x1 ,..., xN ) = − =

1 N [( xk − bk ) 2 −( xk − ak ) 2 ] = ∑ 2 k =1

N 1 N 2 2 ( a − b ) + xk (bk − ak ), ∑ k k ∑ 2 k =1 k =1

T ⎧ = λ x ⎪ k k ∫ x (t )ϕ k (t ) dt , −T ⎪ T ⎪ где ⎨a k = λ k ∫ s 0 (t )ϕ k (t )dt , - координаты соответствующих процессов. −T ⎪ T ⎪ = b λ ⎪ k k ∫ s1 (t )ϕ k dt −T ⎩

2

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ N

Обозначим VN (t ) = ∑ λ k (bk − ak )ϕk (t )dt , k =1

T

s (t ) + s1 (t ) ⎤ ⎡ тогда ln l ( x1 ,..., xN ) = ∫ VN (t ) ⎢ x(t ) − 0 ⎥dt. 2 ⎣ ⎦ −T N

Если

∑λ k =1

k

(ak − bk )2 < ∞, то существует конечный предел lim N →∞ VN (t ) = V (t ),

являющийся решением неоднородного линейного интегрального уравнения T

N

−T

k =1

∫ B(t , u )V (u)du = ∑

N bk a ϕk (t ) −∑ k ϕk (t ) = s1 (t ) − s0 (t ), | t |≤ T . λk λk k =1

Тогда логарифм функционала отношения правдоподобия T

s (t ) + s1 (t ) ⎤ ⎡ ln l[ x(t )] = ∫ V (t ) ⎢ x(t ) − 0 ⎥dt. 2 ⎣ ⎦ −T Сразу заметим, что для белого шума B(t,y) = N0δ(t-y), √⎯λk = 1/N0, а ϕk(t) – любая полная система функций, ортогональных на |t|≤T. При этом, V (t ) = 1 ln l[ x(t )] = N0

T

1 ∫−T [s1 (t ) − s0 (t )]x(t )dt − 2 N0

1 [s1 (t ) − s0 (t )], а N0

∫ [s (t ) − s (t )]dt.

T

2 1

2 2

−T

Здесь N0 – двусторонняя спектральная плотность мощности белого шума. В случае комплексного представления процессов x(t), s1(t), s0(t) выражение логарифма функционала отношения правдоподобия перепишется в таком виде: T

*

s (t ) + s1 (t ) ⎤ ⎡ ln l[ x(t )] = 2 Re ∫ V (t ) ⎢ x(t ) − 0 ⎥ dt , 2 ⎣ ⎦ −T

V(t) = VRe(t) + jVIm(t); и VRe(t) , VIm(t) – решения уравнений T

∫ [B

T

Re x

−T

−T

T

∫ [B

−T

(t , u ) + B Im x (t , u )]V Re (u )du + ∫ [B Re x Im x (t , u ) − B Im x Re x (t , u )]V Im (u )du = Re[s1 (t ) − s 0 (t )]. T

Re x

(t , u ) + B Im x (t , u )]V Im (u )du + ∫ [B Im x Re x (t , u ) − B Iex Im x (t , u )]V Re (u )du = Im[s1 (t ) − s 0 (t )]. −T

Если полагать сигнал s0(t) ≡ 0, |t|≤T, то координаты максимума функционала отношения правдоподобия определяются системой уравнений ∂ ln l [x(t ) | ϑ1 ,..., ϑ m ] = 0, i = 1,..., m или ∂ϑ i

3

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ T

T

1 1 ∂ ∂ ⎤ ⎡ ∫−T ∂ϑ i V (t , ϑ1 ,..., ϑ m )⎢⎣ x(t ) − 2 s(t , ϑ1 ,..., ϑ m )⎥⎦ dt − 2 −∫TV (t , ϑ1 ,..., ϑ m ) ∂ϑ i s(t , ϑ1 ,..., ϑ m )dt = 0 . Заменяя во втором слагаемом этого уравнения s(t,ϑ1,…,ϑm) на T

s(t,ϑ1,…,ϑm) =

∫ B(t , u)V (u, ϑ ,..., ϑ 1

m

)du ,

−T

можно получить T

∫ V (t , ϑ ,..., ϑ 1

−T

m

)

∂ s (t ,ϑ1 ,..., ϑ m )dt = ∂ϑ i

⎡T ⎤ ∂ = ∫ V (t , ϑ1 ,..., ϑ m ) ⎢ ∫ B(t , u ) V (u, ϑ1 ,..., ϑ m )du ⎥ dt = ∂ϑ i −T ⎣ −T ⎦ T

⎡T ⎤ ∂ ϑ ϑ V ( u , ,..., ) m ⎢ ∫ B (t , u )V (t , ϑ1 ,..., ϑ m ) dt ⎥ du = 1 ∫−T ∂ϑ i ⎣ −T ⎦ T

=

T

∂

∫ ∂ϑ

=

−T

V (u , ϑ1 ,..., ϑ m ) s (u, ϑ1 ,..., ϑ m )du. i

Подставляя этот результат в систему уравнений для координат максимума функционала отношения правдоподобия, окончательно получим T

∂

∫ ∂ϑ

−T

V (t , ϑ1 ,..., ϑ m )[ x(t ) − s (t , ϑ1 ,..., ϑ m )]dt = 0, i = 1,..., m i

При обобщении полученной системы уравнений на случай комплексного представления процессов получим T

∂

∫ ∂ϑ

−T T

+

∂

∫ ∂ϑ

−T

V (t , ϑ1 ,..., ϑ m )[ x(t ) − s (t , ϑ1 ,..., ϑ m )]* dt + i

V * (t , ϑ1 ,..., ϑ m )[ x(t ) − s (t , ϑ1 ,..., ϑ m )]dt = 0, i = 1,..., m i

Если процесс представляет белый шум, то V (t , ϑ1 ,..., ϑ m ) =

1 [s(t , ϑ1 ,..., ϑ m )], и N0

система уравнений упрощается T

∂

∫ ∂ϑ

−T

s (t , ϑ1 ,..., ϑ m )[ x(t ) − s(t , ϑ1 ,..., ϑ m )]dt = 0, i = 1,..., m i

В частности, для одного неизвестного параметра ϑ получим T

∂

∫ ∂ϑ V (t , ϑ)[ x(t ) − s(t , ϑ)]dt = 0,

−T

4

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ T

а для белого шума:

∂

∫ ∂ϑ s(t , ϑ)[ x(t ) − s(t , ϑ)]dt = 0.

−T

3.1. Оценка амплитуды

В качестве первого примера рассмотрим оценку амплитуды детерминированного процесса as(t), т.е.

x(t ) = ξ(t ) + as (t ),

(3.3)

где а – неизвестная амплитуда детерминированного процесса. Уравнение максимума правдоподобия получаем дифференцированием по а уравнения T

1 ⎡ ⎤ ln l[ x(t ) | a] = ∫ V (t ) ⎢ x(t ) − as (t )⎥dt 2 ⎣ ⎦ −T и с учетом

(3.4)

∂aV (t ) = V (t ) имеем ∂a T

∂ ln l[ x(t ) | a] = ∫ V (t )[ x(t ) − as(t )]dt ∂a −T

(3.4')

где V(t) – решение линейного интегрального уравнения T

∫ B(t , u )V (u)du = s(t ), | t |≤ T .

(3.5)

−T

Приравняв к нулю выражение (3.4'), найдем значение оценки амплитуды

a~ ,

максимизирующее функционал отношения правдоподобия: T

∂ ln l[ x(t ) | a] = ∫ V (t )[ x(t ) − a~s (t )]dt = 0 ∂a a = a~ −T

(3.6)

Тогда оценка максимального правдоподобия T

a~ =

∫ V (t ) x(t )dt

−T T

,

(3.7)

∫ V (t )s(t )dt

−T

В том случае, если нормальный случайный процесс ξ(t) является белым шумом, т.е. B(t , u ) = N 0 δ(t − u ),

(3.8)

5

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ T

a~ =

∫ s(t ) x(t )dt

−T T

∫s

2

(3.9)

.

(t )dt

−T

Обозначим h(t ) = V (t ) T

(3.10)

∫ V (t )s(t )dt.

−T

Тогда оценку (3.7) можно записать в виде a~ =

T

∫ h(t ) x(t )dt ,

(3.11)

−T

т.е. оценка максимального правдоподобия амплитуды детерминированного слагаемого является результатом линейного преобразования реализации входного процесса. Рассмотрим основные свойства оценки (3.11). Прежде всего, ясно, что эта оценка несмещенная. Действительно, T

T

−T

−T

m1 {a~} = ∑ h(t )m1 {x(t )}dt = a ∫ h(t ) s (t )dt = a,

(3.12)

т.к. m1 {x(t )} = as (t ), m1 {ξ(t )} = 0. Дисперсия оценки a~ равна M 2 {a~} = m1 {( a~ − a) 2 } = T T

=

∫ ∫ h(t )h(u)m {[ x(t ) − as(t )][ x(u ) − as(u )]}dtdu = 1

−T −T

T T

=

∫ ∫ h(t )h(u ) B(t , u )dtdu

(3.13)

−T −T

Или с учетом (3.10) и (3.5) T T

M 2 {a~} =

∫ ∫ V (t )V (u ) B(t , u )dtdu

−T −T

⎛T ⎞ ⎜ ∫ V (t ) s (t )dt ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ −T ⎠

2

=

1 T

.

(3.14)

∫ V (t )s(t )dt

−T

Из неравенства Рао – Крамера

6

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

~ M 2 {ϑ} ≥

⎡1 + db(ϑ) ⎤ dϑ⎥⎦ ⎢⎣

2

2 ⎧⎪⎛ ∂ ⎞ ⎫⎪ m1 ⎨⎜ ln l[ x(t ) | ϑ] ⎟ ⎬ ⎪⎩⎝ ∂ϑ ⎠ ⎪⎭

(3.15)

,

~ где b(ϑ) = (m1{ ϑ } - ϑ) - смещение оценки, следует, что минимально возможная дисперсия

оценки соответствует случаю, когда неравенство (3.15) обращается в равенство, и для несмещенной оценки равна ~ M 2 {ϑ} min =

1 2 ⎧⎪⎛ ∂ ⎞ ⎫⎪ ln l[ x(t ) | ϑ] ⎟ ⎬ m1 ⎨⎜ ⎪⎩⎝ ∂ϑ ⎠ ⎪⎭

.

(3.16)

Учитывая (3.4) и (3.5), запишем 2 ⎧⎪⎛ ∂ ⎞ ⎫⎪ m1 ⎨⎜ ln l[ x(t ) | ϑ] ⎟ ⎬ = ⎪⎩⎝ ∂ϑ ⎠ ⎪⎭

⎫ ⎧T T = m1 ⎨ ∫ ∫ V (t )V (u )[ x(t ) − as (t )][ x(u ) − as (u )]dtdu ⎬ = ⎭ ⎩ −T −T T T

=

∫

T

∫ V (t )V (u)(t , u)dtdu = ∫ V (t )s(t )dt

−T −T

(3.17)

−T

Из (3.17) видно, что (3.14) эквивалентно (3.16), т.е. оценка (3.11) имеет минимальную дисперсию

в

классе

всех

возможных

оценок

амплитуды

детерминированной

составляющей, иначе говоря, является "эффективной". Так как оценка (3.11) является линейным функционалом от реализации нормального случайного процесса, она представляет нормальную случайную величину со средним значением а (в силу несмещенности) и дисперсией М { a~ } в соответствии (3.14). 2

Это дает возможность довольно просто указать доверительную вероятность оценки: aε

1 P{a(1 − ε) < a~ < a(1 + ε)} = 2π

где

F ( x) =

1 2π

x

∫ exp(− t

−∞

2

2

)dt

M2

∫

−

aε M2

exp(− u

2

⎛ aε )du = 2 F ⎜ 2 ⎜ M 2 ⎝

⎞ ⎟ − 1 = γ, ⎟ ⎠

(3.18)

- интеграл Лапласа. Отсюда следует, что длина

доверительного интервала равна ⎤ ⎡T 2εa = 2 ⎢ ∫ V (t ) s (t )dt ⎥ ⎦ ⎣ −T

−1

2

x 1− γ ,

(3.19)

2

7

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

где x 1− γ - процентная точка нормального распределения, определяемая по коэффициенту 2

доверия γ. Так для γ = 0.68, x 1− γ =1; для γ = 0.95, x 1− γ =1.96; для γ = 0.997, x 1− γ =2.96774. 2

2

В случае белого шума V (t ) =

2

1 s (t ) и минимальная дисперсия оценки a~ N0

определяется по формуле

M 2 {a~} =

N0

или

T

∫s

2

M 2 {a~}

(t )dt

a

2

=

N0 , Es

(3.20)

−T T

где E s = a

2

∫s

2

(t )dt - энергия сигнала.

−T

Следует отметить, что оценка (3.11) остается несмещенной и минимальной в классе линейных оценок для процессов ξ(t), отличных от нормального. 3.2. Совместные оценки амплитуды и фазы гармонического сигнала

Будем полагать s(t) = Acos(ω0t - ϕ), где ω0 – известная частота сигнала, а А и ϕ неизвестные

амплитуда

и

фаза.

Воспользуемся

комплексными

представлениями

наблюдаемой реализации и сигнала

x(t ) = Re z (t ) exp( jω 0 t ), s (t , A, ϕ) = Re A exp(− jϕ) exp( jω 0 t ) ,

(3.21)

где z(t) – комплексная огибающая входного процесса. Система уравнений, минимизирующая отношение правдоподобия, ∂ ln l [x(t ) | ϑ1 ,..., ϑ m ] = 0, i = 1,..., m , ∂ϑ i эквивалентная системе уравнений T

∂

∫ ∂ϑ

−T

V (t , ϑ1 ,..., ϑ m )[ x(t ) − s (t , ϑ1 ,..., ϑ m )]dt = 0, i = 1,..., m ,

(3.22)

i

в этом случае сводится к системе T

T

T

T

−T

−T

−T

−T

e − jϕ ∫ U (t ) z * (t )e − jω0t dt − A ∫ U (t )e − jω0 t dt +e jϕ ∫ U * (t ) z (t )e jω0t dt − A ∫ U * (t )e jω0 t dt = 0 (3.23)

8

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

e

− jϕ

T

∫ U (t ) z

*

(t )e

− jω 0 t

dt − e

jϕ

−T

T

∫U

*

(t ) z (t )e jω0 t dt = 0

(3.23')

−T

где V(t,A,ϕ) = Aexp(-jϕ)U(t) и U(t) определяется из интегрального уравнения T

∫B

z

(t − y )U ( y )dy = exp( jω 0 t ), | t |≤ T .

(3.24)

−T

~ ~: Складывая (3.23) и (3.23'), получаем уравнение, связывающее оценки А и ϕ

T

∫ U (t ) z

~ ~ A e jϕ =

*

(t )e − jω0t dt

−T

(3.25)

.

T

Re ∫ U (t )e − jω0t dt −T

Отсюда непосредственно следуют формулы для оценки неизвестных амплитуды и фазы: T

~ A=

∫ U (t ) z

*

(t )e − jω0 t dt

−T

,

T

Re ∫ U (t )e

− jω 0 t

(3.26)

dt

−T

~ = arctg Im Y , ϕ Re Y

(3.26')

T

где Y = ∫ U * (t ) z (t )e − jω0 t dt

(3.26")

−T

Если аддитивный шум белый, то U (t ) =

1 exp( jω 0 t ) и N0 1 ~ ~ A e jϕ = 2T

(3.27)

T

∫ z (t )dt ,

(3.28)

−T

где z(t) = A(t) + jC(t) представлена в виде суммы квадратурных составляющих. Получим 1 ~ A= 2T

T

1 ∫−T z (t )dt = 2T

2

⎛T ⎞ ⎛T ⎞ ⎜ ∫ A(t )dt ⎟ + ⎜ ∫ C (t )dt ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ −T ⎠ ⎝ −T ⎠

2

(3.29)

T

~ = arctg ϕ

∫ C (t )dt

−T T

(3.29')

∫ A(t )dt

−T

9

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Если полагать процесс x(t) узкополосным, т.е. считать функции A(t) и C(t) медленно меняющимися по сравнению с cosω0t, то в формулах (3.29) и (3.29') можно сделать замену T

T

T

T

1 1 A(t )dt ≈ ∫ x(t ) cos ω 0 tdt , C (t )dt ≈ ∫ x(t ) sin ω 0 tdt. ∫ 2 −T 2 −∫T −T −T Рассмотрим основные свойства сделанных оценок. Прежде всего, отметим, что интегралы 1 2T

T

1 ∫−T A(t )dt и 2T

T

∫ C (t )dt

−T

представляют независимые случайные величины, подчиняющиеся нормальному закону распределения с параметрами (Acosϕ, N0/T) и (Asinϕ, N0/T) соответственно. Примечание: σ2 = σi2/n = | (n = 2T/(2F)-1 = 4FT, σi2 = 2N02F, F – макс. частота, 2(2F) - двусторонняя полоса частот)| = N0/T. ~ ~ Отсюда следует, что оценки А и ϕ - это модуль и фаза плоского вектора с независимыми нормально распределенными компонентами, имеющими одинаковую дисперсию, т.е. подчиняются обобщенному распределению Рэлея с параметрами (А, N0/T): ~ W ( A) =

2 ⎧ ~ ) = 1 exp⎛⎜ − A T ⎞⎟⎪1 + A W (ϕ ⎜ 2 N ⎟⎨ 2π 0 ⎠⎪ ⎝ ⎩

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ~2 ⎢ A + A2 ⎥ ⎢ A ⎥ exp ⎢− ⎥I 0 ⎢ ⎥ N 2 ⎛ ⎞ ⎛ N0 ⎞⎥ ⎛ N0 ⎞ 0 ⎢ ⎥ ⎢ ⎜ ⎜ T⎟ T ⎟⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ ⎜⎝ T ⎟⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ ⎝ ⎝ ⎠ ~ A

⎛ T ⎜⎜ ⎝ N0

(3.30)

2 2 ~ ⎫ ⎞ ~ − ϕ) exp ⎡ A T cos (ϕ − ϕ) ⎤ F ⎡ A T cos(ϕ ~ − ϕ)⎤ ⎪ ⎟⎟2π cos(ϕ ⎢ ⎥ ⎬ ⎥ ⎢ N0 N0 ⎦ ⎣⎢ ⎠ ⎣ ⎦⎥ ⎪⎭

(3.30') где I0(x) – модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка. ~ Среднее значение оценки А равно A ~ m1 { A} = dT где d T2 = TA

2

N0

π ⎡⎛ d T ⎢⎜1 + 2 ⎣⎢⎜⎝ 2

2

⎞ ⎛ d T2 ⎟I 0 ⎜ ⎟ ⎜ 4 ⎠ ⎝

⎛ d T2 ⎞ d T2 ⎛ d T2 ⎞⎤ ⎜ ⎟+ ⎜ ⎟ ⎟ 2 I 1 ⎜ 4 ⎟⎥ exp⎜ − 4 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎦⎥

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

(3.31)

, I1(x) - модифицированная функция Бесселя первого рода первого

~ порядка. То есть оценка А является смещенной. Однако, при dT2 →∞ (отношение энергии сигнала

к

спектральной

плотности

мощности

шума

много

больше

единицы)

распределение оценки амплитуды стремится к нормальному (является асимптотически

10

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

~ нормальным). При этом m1 { A} ≈ A(1 + 1

2d T2

) → A , т.е. оценка является асимптотически

несмещенной. ~ Дисперсия оценки А ~ M 2 { A} = A 2 (1 + 2

~ ) − m12 { A},

(3.32)

N A2 ~ M 2 { A} ≈ 2 (1 − 1 2 ) → 0 . d 4 dT T T

(3.33)

d

2 T

при dT2>>1 (→∞)

Так как распределение плотности вероятности оценки фазы относительно ее ~ является несмещенной. Если истинного значения есть функция четная (3.30'), то оценка ϕ dT2>>1, то из (3.30') следует, что распределение фазы – асимптотически нормальное с

нулевым средним и дисперсией ~} → 1 M 2 {ϕ

d

2 T

=

N0 TA 2

.

(3.34)

~ ~ запишем элементы Для оценки совместной эффективности оценок А и ϕ информационной матрицы 2 ⎛ ⎧⎪⎛ ∂ ⎧∂ ⎫⎞ ∂ ⎞ ⎫⎪ ⎜ m1 ⎨⎜ ln l[ x(t ) | A, ϕ] ⎟ ⎬ m1 ⎨ ln l[ x(t ) | A, ϕ] ln l[ x(t ) | A, ϕ]⎬ ⎟ ⎜ ∂ϕ ⎪⎩⎝ ∂A ⎠ ⎪⎭ ⎩ ∂A ⎭⎟ ⎟ Q =⎜ 2 ⎧⎪⎛ ∂ ⎜ ⎧∂ ⎟ ⎫ ⎞ ⎫⎪ ∂ ln l[ x(t ) | A, ϕ]⎬ m1 ⎨⎜⎜ ln l[ x(t ) | A, ϕ] ⎟⎟ ⎬ ⎜⎜ m1 ⎨ ln l[ x(t ) | A, ϕ] ⎟⎟ ∂ϕ ∂A ⎪⎩⎝ ∂ϕ ⎭ ⎠ ⎪⎭ ⎝ ⎩ ⎠

Примечание: элементы главной диагонали этой матрицы определяют количество информации (по Фишеру), содержащейся в выборке x(t) о соответствующем параметре, т.е. величину, обратную минимально возможной дисперсии его оценки по данной выборке, а элементы побочной диагонали – величину, обратную коэффициентам ковариации параметров, см. (3.16).

Используя подстановку (3.27) в левых частях системы (3.23) и вычисляя средние значения с учетом распределений (3.30) и (3.30'), получим ⎛ d T2 Q = ⎜ A2 ⎜ ⎝ 0

⎞ 0 ⎟ . ⎟ d T2 ⎠

(3.35)

Обратная информационной матрица

11

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Q

−1

⎛ 1 2 ⎜ dT =⎜ ⎜ 0 ⎝

⎞ ⎟ ⎟. 2 A 2⎟ dT ⎠ 0

(3.36)

~ ~ по (3.29) и (3.29') совместно асимптотически эффективны и Получаем, что оценки А и ϕ состоятельны, т.к. дисперсии оценок стремятся к нулю, при dT2→∞, (Т→∞). Таким образом, рассмотренные оценки максимального правдоподобия амплитуды и фазы сигнала в аддитивном нормальном белом шуме асимптотически несмещенные, совместно эффективны и нормальны, причем оценка фазы несмещенная при любом отношении сигнал/шум. 3.3. Оценки параметров узкополосного сигнала на фоне аддитивного белого шума

Рассмотрим узкополосный сигнал s (t , A, ϕ, ϑ1 ,..., ϑ m ) = A Re a(t , ϑ1 ,..., ϑ m )e − jϕ e jω0 t ,

(3.37)

который кроме амплитуды A>0 и фазы ϕ содержит еще m неизвестных параметров комплексной огибающей. Требуется определить оценки максимального правдоподобия этих параметров по реализации процесса x(t) = Re z(t) exp (jω0t), представляющего аддитивную смесь сигнала и нормального белого шума со спектральной интенсивностью N0 (двусторонней).

Используя комплексную форму выражения (3.4) и учитывая, что для белого шума V (t ) =

A [a(t , ϑ1 ,..., ϑ m )] exp(− jϕ), запишем выражение для логарифма от функционала N0

отношения правдоподобия в виде T ⎫ A2 2 A ⎧ − jϕ * ln l [z (t ) | A, ϕ, ϑ1 ,..., ϑ m ] = Re ⎨e ∫ a (t ,ϑ1 ,..., ϑ m ) z (t )dt ⎬ − N0 −T ⎭ N0 ⎩

T

∫ | a(t , ϑ ,..., ϑ 1

m

) | 2 dt .

−T

Примечание: а(t)- безразмерная величина, z(t) – размерная величина. (3.38)

Пусть сигналы нормированы таким образом, что при любых ϑ1,…,ϑm 1 2T

T

∫ | a(t , ϑ ,..., ϑ 1

m

) | 2 dt = 1

(3.39)

−T

Это условие означает постоянство энергии сигнала на интервале наблюдения, т.к. E=

T

T

−T

−T

2 2 2 2 2 ∫ s (t , A, ϕ, ϑ1 ,..., ϑ m )dt = A ∫ | a(t , ϑ1 ,..., ϑ m ) | cos [ω 0 t + arg a(t , ϑ1 ,..., ϑ m ) − ϕ]dt ≈ A T

Учитывая (3.39), перепишем (3.38), дополнив его до полного квадрата, в виде 12

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

ln l [z (t ) | A, ϕ, ϑ1 ,..., ϑ m ] =

1 = 2TN 0

2

T

2T jϕ 1 * ∫−T a (t ,ϑ1 ,..., ϑ m ) z (t )dt − A N 0 e − 2TN 0

2

T

∫a

*

(t ,ϑ1 ,..., ϑ m ) z (t )dt . (3.40)

−T

~ ~ ~ ~ , ϑ1 ,..., ϑ m - оценки максимального правдоподобия. Так как первый член Пусть A, ϕ

в (3.40) положительный и не зависит от А и ϕ, то максимум отношения правдоподобия по параметрам А и ϕ достигается при условии обращения в нуль второго слагаемого. Отсюда находим соотношение между оценками 1 ~ ~ A e jϕ = 2T

T

∫a

*

(t , ϑ1 ,..., ϑ m ) z (t )dt ,

(3.41)

−T

откуда 1 ~ A= 2T

T

∫a

*

(t , ϑ1 ,..., ϑ m ) z (t )dt ,

(3.41')

−T

T

~ = arctg ϕ

Im ∫ a * (t , ϑ1 ,..., ϑ m ) z (t )dt −T T

(3.42)

,

Re ∫ a * (t , ϑ1 ,..., ϑ m ) z (t )dt −T

Заметим, что при a(t) ≡ 1 формула (3.42) переходит в (3.27). Теперь задача состоит в определении максимума максиморума первого слагаемого (3.40), т.е. следующей функции параметров ϑ1,…,ϑm: 1 Q(ϑ1 ,..., ϑ m ) = 2TN 0

2

T

∫a

*

(t , ϑ1 ,..., ϑ m ) z (t )dt .

(3.43)

−T

В рассматриваемой задаче известно, что наблюдаемая реализация z (t ) = A0 a (t ,ϑ10 ,...,ϑm0 ) exp(− jϕ 0 ) + z1 (t ),

(3.44)

где z1(t) – комплексный нормальный стационарный случайный процесс с равномерным спектром, а А0, ϕ0, ϑ1,…,ϑm представляют истинные значения параметров сигнала, которые необходимо оценить по наблюдаемой реализации x(t) = Re z(t) exp (jω0t). Подставляя (3.44) в (3.43), представим функцию Q в виде

[

]

2TA02 2 Q(ϑ1 ,..., ϑ m ) = h(ϑ1 ,..., ϑ m ) + 2 Re Ψ (ϑ1 ,..., ϑ m )χ(ϑ1 ,..., ϑ m ) exp( jϕ 0 ) + χ(ϑ1 ,..., ϑ m ) , N0 (3.45) где обозначено

13

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

1 h(ϑ1 ,..., ϑ m ) = Ψ (ϑ1 ,..., ϑ m ) = 2TA0 2

χ(ϑ1 ,..., ϑ m ) =

2

T

∫ a(t , ϑ

*

,..., ϑ )a (t , ϑ1 ,..., ϑ m )dt ;

(3.45')

(t , ϑ1 ,..., ϑ m ) z1 (t )dt ,

(3.45")

0 1

0 m

−T

1 2TA0

T

∫a

*

−T

причем функции h и Ψ - детерминированные, а χ(ϑ1,…,ϑm) – нормальная случайная M 2 {χ} = 1

величина с нулевым средним и дисперсией 1 2T

T

∫ z (t )dt = 1

−T

d

2 T

=

N0 TA02

, (т.к. дисперсия

N0 , а а(t, ϑ1,…,ϑm) – нормирована на единицу). T

При фиксированных значениях ϑ10,…,ϑm0 функцию Ψ (ϑ1 ,..., ϑ m ) =

1 2T

(3.46)

T

0 0 * ∫ a(t , ϑ1 ,..., ϑ m )a (t , ϑ1 ,..., ϑ m )dt ,

−T

зависящую только от формы огибающей сигнала и ее параметров, называют функцией неопределенности.

Согласно неравенству Буняковского – Шварца ⎡ 1 Ψ (ϑ1 ,..., ϑ m ) ≤ ⎢ ⎣ 2T

T

1 0 0 ∫−T a(t , ϑ1 ,..., ϑ m ) dt × 2T 2

T

∫ a(t , ϑ ,..., ϑ 1

−T

2 m

⎤ dt ⎥ ⎦

1

2

(3.46')

или с учетом (3.39) Ψ (ϑ1 ,..., ϑ m ) ≤ 1 .

(3.46')

Максимальное значение, равное единице, функция |Ψ| достигает при ϑi = ϑi0 , i = 1,…,m. Это соответствует случаю, когда шумовое слагаемое в (3.44) исчезает, т.е. когда dT2 →∞. Среднее по множеству реализаций функции Q равно

⎡ ⎤ m1{Q(ϑ1 ,..., ϑm )} = 2dT2 ⎢h(ϑ1 ,..., ϑm ) + 1 2 ⎥. dT ⎦ ⎣ Примечание: среднее от χ = 0, а среднее от |χ|2 = σχ2 = 1/dT2 – это средняя мощность процесса χ(t).

Ограничиваясь в дальнейшем условием dT2 >> 1, будем пренебрегать последним слагаемым в (3.45), считать, что из-за воздействия шума функция Q незначительно ~ смещается от главного максимума, так что оценки ϑ i близки к истинным значениям ϑi0 и разложим Q(ϑ1,…,ϑm) в ряд Тейлора около точки ϑ10,…,ϑm0, ограничиваясь членами второго порядка малости. Кроме того, будем считать ∂h/∂ϑk = 0 в точке (ϑ10,…,ϑm), т.к. в

14

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

этой точке функция h(ϑ1,…,ϑm) имеет максимум. С учетом сделанных замечаний получим из (3.45) m

Q(ϑ1 ,..., ϑm ) = Q(ϑ10 ,..., ϑ0m ) + ∑ (ϑk − ϑ0k ) k =1

+

∂Q(ϑ1 ,..., ϑm ) ∂ϑk

1 ∂ Q(ϑ1 ,..., ϑm ) (ϑk − ϑ0k )(ϑ j − ϑ0j ) ∑∑ 2 k =1 j =1 ∂ϑk ∂ϑ j m

2

m

[

ϑ1 = ϑ10 ... + 0 ϑm = ϑm

ϑ1 = ϑ10 ... , ϑm = ϑ0m

]

где Q(ϑ10 ,..., ϑ0m ) = 2dT2 1 + 2 Re χ(ϑ10 ,..., ϑ0m ) exp( jϕ0 ) , ⎧ ϑ1 = ϑ10 ⎫ ⎡ ∂χ(ϑ1 ,..., ϑm ) ⎪ ⎪ ∂Q(ϑ1 ,..., ϑm ) ∂Ψ (ϑ1 ,..., ϑm ) ⎤ = 4dT2 Re⎨exp( jϕ0 ) ⎢ + χ(ϑ1 ,..., ϑm ) ... ... ⎬ ⎥ ∂ϑk ∂ϑk ∂ϑk ⎣ ⎦ ϑ = ϑ0 ⎪ ⎪ ϑm = ϑ0m m m⎭ ⎩ Дифференцируя полученное разложение Q по ϑk и приравнивая результат к нулю, ϑ1 = ϑ10

находим систему уравнений правдоподобия m

∑Q j =1

kj

(ϑ j − ϑ 0j ) = ζ k , k = 1,..., m

(3.47)

где обозначено ∂Q (ϑ1 ,..., ϑ m ) ζk = − ∂ϑ k

Qkj =

1 ∂ Q(ϑ1 ,..., ϑm ) ∂ϑk ∂ϑ j 2 2

ϑ1 = ϑ10 ... , 0 ϑm = ϑm

(3.47')

ϑ1 = ϑ10 ... . ϑm = ϑ0m

(3.47")

Если детерминант матрицы Q = [Qkj] отличен от нуля, то существует обратная матрица Q-1 = [qkj]. Тогда решение системы линейных уравнений (3.47) относительно ~ ошибки (ϑ j − ϑ 0j ) будет иметь вид m ~ (ϑ j − ϑ 0j ) = ∑ ζ k q kj , j = 1,..., m

(3.48)

k =1

где

15

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ T ⎧⎪ ⎛ 1 1 [a* (t , ϑ10 ,..., ϑ0m )⎜⎜ ζ k = −4dT2 Re⎨exp( jϕ0 ) ∫ 2TA0 −T ⎪⎩ ⎝ 2T

+

T

0 0 ∫ a(t , ϑ1 ,..., ϑm )

−T

∂a* (t , ϑ10 ,..., ϑ0m ) ⎞ dt ⎟⎟ + ∂ϑk ⎠

∂a * (t , ϑ1 ,..., ϑ m ) ⎫ ]z1 (t )dt ⎬. ∂ϑ k ⎭

(3.48')

Отметим, что ζk – линейная функция от z1(t) и величины ζk и qkj случайные, зависящие от шумового слагаемого реализации. Однако, сохраняя степень приближения, связанную с пренебрежением последним (квадратичным относительно χ) членом в (3.45), следует в выражении (3.47") для Qkj сохранить вклад лишь от детерминированного слагаемого (3.45). Тогда при dT2 >>1

∂ h(ϑ1 ,..., ϑ m ) ∂ϑ k ∂ϑ j 2

Q kj = d T2

ϑ1 = ϑ10 ... , ϑ m = ϑ 0m

(3.49)

т.е. элементы матрицы Q равны произведению величины dT2 и смешанной второй производной квадрата модуля функции неопределенности в точке, соответствующей истинным значениям оцениваемых параметров. ~ Учитывая (3.49), приходим к выводу, что ошибки (ϑ j − ϑ 0j ) (3.48) представляют взвешенные (с весами qkj) суммы нормальных случайных величин ζk с нулевыми средними и ковариациями

⎧⎪⎡ ∂χ(ϑ1 ,..., ϑm ) ∂Ψ * (ϑ1 ,..., ϑm ) ⎤ + χ(ϑ1 ,..., ϑm ) m1{ζ k ζ j } = 8dT4 Re m1 ⎨⎢ ⎥× ∂ϑk ∂ϑk ⎪⎩⎣ ⎦ ϑ1 = ϑ10 ⎫ ⎡∂χ(ϑ1,...,ϑm) ∂Ψ (ϑ1,...,ϑm)⎤ ⎪ + χ(ϑ1,...,ϑm) ⎢ ⎥ ... ⎬ ∂ϑj ⎢⎣ ∂ϑj ⎥⎦ ϑ = ϑ0 ⎪ m m⎭ *

(3.50)

При выводе формулы (3.50) учитываем, что Re m1{exp(j2ϕ0)}=1/2. ~ Отсюда следует, во-первых, что оценки ϑ j асимптотически (при dT2>>1) нормальны, их средние значения равны (3.48) ~ m1 {ϑ j } = ϑ 0j ,

(3.51)

т.е. оценки (асимптотически при dT2>>1) несмещенные. Элементы корреляционной матрицы ошибок равны m m ~ ~ 0 0 m1 {(ϑ k − ϑ k )(ϑ n − ϑ n )} = ∑ ∑ q ki q jn m1 {ζ i ζ j }

(3.52)

i =1 j =1

16

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Из приведенных выше соотношений можно показать, что

∂ 2 h(ϑ1 ,..., ϑm ) m1{ζ i ζ j } = −2dT2 ∂ϑk ∂ϑ j

ϑ1 = ϑ10 ... , ϑm = ϑ0m

(3.53)

или с учетом (3.49) m1{ζ i ζ j } = −2Qij ,

(3.53')

Подставляя (3.53') в (3.52), находим m m ~ ~ m1{(ϑk − ϑ0k )(ϑn − ϑ0n )} = −2∑∑ qki q jnQij

(3.54)

i =1 j =1

Но так как qij – элементы матрицы Q-1, то из Q-1Q = 1 следует: m

∑q j =1

jn

⎧1, i = n Qij = ⎨ ⎩0, i ≠ n

(3.54')

Соединяя (3.54) и (3.54'), приходим к окончательному выражению для корреляционной матрицы ошибок: ~ ~ m1{(ϑk − ϑ0k )(ϑn − ϑ0n )} = −2qkn

(3.55)

С точностью до знака элементы корреляционной матрицы ошибок совпадают с элементами матрицы, обратной матрице, составленной из средних значений смешанных производных логарифма отношения правдоподобия в точке, соответствующей истинным значениям оцениваемых параметров, т.е. совпадают с элементами матрицы, обратной информационной матрице (как (3.35) и (3.36)). Отсюда следует, что оценки (3.48) совместно эффективны (при dT2>>1). Следует отметить, что в соответствии с (3.49) и (3.47"), средние значения смешанных вторых производных логарифма отношения правдоподобия отличаются от смешанных вторых производных квадрата модуля функции неопределенности лишь множителем 2dT2. 3.4. Измерение времени прихода сигнала

В качестве первого примера, иллюстрирующего результаты раздела 3.3, рассмотрим узкополосный сигнал вида s (t , A, ϕ, τ) = A Re a(t − τ) exp(− jϕ) exp( jω 0 t ),

(3.56)

где комплексная огибающая сигнала a(t) = U(t)exp(jΦ(t)), а U(t) и Φ(t) – действительные функции, и τ - неизвестное время прихода сигнала. Функция неопределенности такого сигнала согласно (3.46) равна 17

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

1 Ψ (t ) = 2T

T

∫ a(t − τ

0

)a * (t − τ)dt ,

(3.57)

−T

где τ0 – истинное значение параметра τ. Переписывая (3.57) в виде Ψ (t − τ 0 ) =

1 2T

T − τ0

∫ a(t )a

*

(t − τ + τ 0 )dt , замечаем, что

−T − τ 0

функция неопределенности в этом случае совпадает с временной корреляционной функцией комплексной огибающей сигнала. Матрица Q теперь состоит из одного элемента, равного (3.49), d T2

d2 2 Ψ (τ − τ 0 ) 2 dτ

τ= τ0

{

}

= d T2 2 Re Ψ ′′(0) − [Ψ ′(0)] 2 .

(3.58)

Определим спектральную плотность мощности огибающей сигнала через энергетический спектр огтбающей сигнала 1 Ga (ω) = 2T (Вспомним (3.39), что

1 2T

2

T − τ0

∫ a(t ) exp(− jωt )dt

.

(3.59)

−T − τ 0

T

2 ∫ | a(t , ϑ1 ,..., ϑ m ) | dt = 1 , тогда

−T

∞

1 Ga (ω)dω = 1. 2π −∫∞

Тогда ∞

Ψ (τ − τ 0 ) =

1 G a (ω) exp[ jω(τ − τ 0 )]dω. 2π −∫∞

(3.60)

Разлагая левую и правую части формулы (3.60) в ряд Тейлора в окрестности точки τ0, получим ∞

1 − Ψ ' (0) = ωGa (ω)dω = ω* , ∫ 2π − ∞

(3.61)

∞

1 − Ψ ′′(0) = ω 2 G a (ω)dω = ω 2* , ∫ 2π − ∞

(3.62)

где ω* и ω*2 – средняя частота и второй момент спектральной плотности мощности огибающей сигнала с учетом нормировки (3.39). Подставляя (3.62) и (3.61) в (3.58), получаем

−

d2 2 Ψ ( τ − τ0 ) 2 dτ

τ=τ0

= 2(ω*2 − ω*2 ) = 2β2 ,

(3.63)

где β2 – среднеквадратическая девиация частоты спектра огибающей.

18

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Так как в рассматриваемом случае обратная матрица Q-1 содержит только один элемент, равный – 1/(dT22β2), то из (3.48), (3.48'), (3.49) и (3.63) находим следующее асимптотическое выражение (при d 2>>1) оценки ~τ T

T ⎡ ∂a* (t − τ) ~τ − τ = 4 Re⎧exp( jϕ 1 ⎨ 0 0 ⎢ 2β 2 ⎩ ∂τ 2TA0 −∫T ⎣

τ= τ0

⎫ ⎤ − jω*a* (t − τ0 )⎥ z (t )dt ⎬. ⎦ ⎭

(3.64)

Эта оценка несмещенная, а ее дисперсия согласно (3.55) равна M 2 {~τ} = 1

d T2 β 2

.

(3.65)

При симметричном спектре огибающей ω* = 0 и выражение (3.64) можно переписать в виде T ⎡ ∂a* (t − τ) ~τ − τ = 2 Re ⎧exp( jϕ 1 ⎨ 0 0 ⎢ 2TA0 −∫T ⎣ ω2* ∂τ ⎩

τ= τ0

⎫ ⎤ ⎥ z (t )dt ⎬. ⎦ ⎭

(3.64')

Из (3.41') и (3.42) находим также оценки амплитуды и фазы: 1 ~ A= 2T

T

∫a

*

(t − ~τ ) z (t )dt ,

(3.66)

−T

T

~ = arctg ϕ

Im ∫ a * (t − ~τ ) z (t )dt −T T

,

(3.66')

Re ∫ a (t − ~τ ) z (t )dt *

−T

в которых ~τ подставляется из (3.64). 3.5. Совместное измерение времени прихода и частоты сигнала

В качестве второй иллюстрации к разделу 3.3 рассмотрим узкополосный сигнал более сложного вида: s (t , A, ϕ, τ, Ω) = A Re a (t − τ) exp(− jϕ) exp( jΩ(t − τ)) exp( jω 0 (t − τ)),

(3.67)

где Ω = ω1 - ω0 – смещение истинной частоты сигнала ω1 от ожидаемой частоты ω0 (например, доплеровский сдвиг). Задача состоит в совместной оценке параметров τ и Ω. Функция неопределенности сигнала (в таком виде – функция неопределенности Вудворта) равна 1 Ψ (τ − τ 0 , Ω − Ω 0 ) = 2T

T

∫ a(t − τ

0

)a * (t − τ) exp(− jΩ 0 (t − τ 0 )) exp(− jΩ(t − τ))dt =

−T

19

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ T − τ0

1 = exp( jΩ(τ − τ 0 )) 2T

∫ a(t )a

*

(t − τ + τ 0 ) exp( j (Ω − Ω 0 )t )dt.

(3.68)

−T − τ 0

Вводя спектральную плотность огибающей сигнала T

f T (ω) =

∫ a(t )e

− j ωt

dt ,

−T

можно переписать функцию неопределенности в виде 1 Ψ (τ − τ 0 , Ω − Ω 0 ) = exp( jΩ(τ − τ 0 )) 2π2T

∞

∫f

(ω) f T* (ω − Ω + Ω 0 ) exp( jω(τ − τ 0 ))dω. (3.69)

T

−∞

Элементы матрицы Q размером 2×2 равны: Q11 = dT2 Q 22 = d T2

⎡⎛ 1 = 2d ⎢⎜⎜ ⎢⎣⎝ 2T 2 T

∂2 2 Ψ (τ − τ0 , Ω − Ω 0 ) τ = τ0, Ω = Ω 0 = −2dT2β2 , 2 ∂τ

(3.70)

∂2 2 Ψ (τ − τ 0 , Ω − Ω 0 ) τ = τ0,Ω = Ω 0 = 2 ∂Ω 2

⎞ 1 ⎟ − ( − τ ) t a t dt 0 ∫−T ⎟ 2T ⎠ T

2

⎤ 2 2 ⎥ = −2dT2α 2 , t a ( t − τ ) dt 0 ∫−T ⎥⎦ T

(3.71)

2

2

где α = t*

2

⎛1 T ⎞ 1 T 2 2 ⎜ ∫t a(t − τ0 ) 2 dt⎟ , t* - среднее время, а t*2 – (t ) = − τ − t a ( t ) dt 0 ∫ ⎜ 2T ⎟ 2T −T ⎝ −T ⎠ * 2

среднеквадратическая длительность (квадрат эффективной длительности) сигнала.

∂2 2 Q12 = Q 21 = d Ψ (τ − τ 0 , Ω − Ω 0 ) τ = τ0,Ω = Ω 0 = ∂τ∂Ω 2 T

⎧ 1 ∞ 1 = 2dT2 ⎨− ωGa (ω)dω ∫ 2T ⎩ 2π − ∞

T

∫ t a(t − τ0 ) dt + 2

−T

j 2T

*

0

*

0

0

0

−T

= −2d (ω t − λ* ), 2 T

⎫

∫ [a(t − τ )(a (t − τ ))′ − a (t − τ )(a(t − τ ))′]tdt ⎬⎭ =

T

* *

(3.72)

где через λ* обозначена безразмерная величина, характеризующая частотную модуляцию сигнала: 1 λ = Im T *

1 , то λ = T

jΦ(t)

(Если a(t)=U(t)e

*

T

∫ tU

−T

2

(t )

T

∫ ta(t − τ

0

)(a * (t − τ 0 )) ′dt.

(3.73)

−T

dΦ (t ) dt ). dt

Таким образом, матрица Q имеет вид: ⎛ − β2 Q = 2dT2 ⎜⎜ * * * ⎝− ω t + λ

− ω*t * + λ* ⎞ ⎟ − α 2 ⎟⎠

(3.74)

20

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 3. ОЦЕНКИ НЕИЗВЕСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ПО НАБЛЮДАЕМОЙ НА КОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Нетрудно найти обратную матрицу. Вычисляя детерминант матрицы det[Q ] = 4dT4α 2β2 − (ω*t * ) 2 ],

(3.75)

находим корреляционную матрицу ошибок − 2 Q −1 = −2

⎛ − α2 (2dT2 ) ⎜ 4dT4 [α 2β 2 − (ω*t * ) 2 ]2 ⎜⎝ − ω*t * + λ*

− ω*t * + λ* ⎞ ⎟. − β2 ⎟⎠

(3.74)

На главной диагонали матрицы Q-1 находятся дисперсии оценок времени прихода и сдвига частоты, а на побочной – ковариация этих оценок (с точностью до знака). Можно несколько упростить формулу (3.76), если надлежащим выбором начала координат в плоскости время – частота обратить в нуль величины t* и ω*. Тогда − 2Q

−1

1 = 4 2 2 d T [2ω* t * − λ*2 ] 2

⎛ t *2 λ* ⎞ ⎜ * ⎟ ⎜ λ ω 2 ⎟. * ⎠ ⎝

(3.77)

Используя (3.48), (3.48') и (3.77), находим следующие асимптотические выражения ~: (при dT2 >> 1) для совместных оценок ~τ и ω ~τ − τ = 0

T ⎧ ⎡ 2 ∂a* (t − τ) 2 1 Re exp( ) j ϕ τ = τ0 − ⎨ 0 ⎢t* 2TA0 −∫T ⎣ ω*2t*2 − λ*2 ⎩ ∂τ

]

⎫ − jλ* ta * (t − τ 0 ) exp(− jΩ 0 (t − τ 0 )) z (t )dt ⎬, ⎭ ~ Ω − Ω0 =

(3.78)

T ⎧ ⎡ * ∂a* (t − τ) 2 1 Re⎨exp( jϕ0 ) τ = τ0 − ⎢λ 2TA0 −∫T ⎣ ω*2t*2 − λ*2 ⎩ ∂τ

]

⎫ − jω*2 ta * (t − τ 0 ) exp(− jΩ 0 (t − τ 0 )) z (t )dt ⎬, ⎭

(3.79)

В том случае, когда частотная модуляция отсутствует (λ* =0), оценки времени прихода и сдвига частоты становятся некоррелированными, а их дисперсии равны M 2{~τ} = 1 2 2 dT ω* , ~ 1 M 2{Ω} = dT2t*2 .

(3.80)

Итак, в этом разделе мы получили соотношения для оценок максимального правдоподобия неизвестных параметров детерминированного сигнала с аддитивным стационарным гауссовым шумом и показали, что эти оценки являются асимптотически (при большом отношении сигнал/шум) нормальными, несмещенными и совместно эффективными.

21

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ (Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. М.:ЭКО-ТРЕНДЗ, 1999. 196 с. гл.6) Согласно принятым терминам и определениям под каналом передачи понимается комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающих передачу сигнала электросвязи в полосе частот и со скоростью, характерных для данного канала. Если в канале информация передается в дискретном (цифровом) виде, такой канал называется цифровым каналом. Соответственно, важнейшим показателем назначения канала передачи информации, который необходимо измерять, является достоверность передачи информации. В цифровых каналах этот показатель характеризуется числом ошибок, возникающих при передаче дискретной информации. Постоянно действующим фактором, вызывающим появление ошибок, является постоянно присутствующий в канале стационарный шум. Можно справедливо полагать, что количество передаваемых дискретных символов в канале очень велико, при нормальной работе канала количество ошибок во много раз меньше общего числа передаваемых символов, но также очень велико, при этом ошибки возникают независимо друг от друга. Сделанные предположения определяют описание процесса возникновения ошибок пуассоновским процессом, который может быть полностью описан с помощью интервала времени Т между последовательными ошибками. Величина Т – случайная с плотностью распределения вероятности W(T)=ae-aT, T>0, где а – средняя плотность числа ошибок за единицу времени (или средняя скорость счета). Можно видеть, что величина а полностью определяет закон распределения вероятности возникновения ошибок. При заданной скорости передачи символов в канале она может быть определена как средняя плотность числа ошибок за фиксированное (большое) число переданных символов, т.е. как среднее значение отношения ошибочно переданных символов к общему числу переданных символов за время работы (или измерения) канала. Однако, помимо постоянно присутствующего в канале стационарного шума имеются другие факторы, вызывающие появление ошибок, как внутренние, так и внешние по отношению к каналу передачи информации. К внутренним источникам ошибок относятся: • различные нестабильности во внутренних цепях синхронизации цифровых устройств, 1

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

дрейф в системе внутренней синхронизации устройства; • нестабильности, связанные с измерением характеристик компонентов со временем; • перекрестные помехи в цепях устройств; • нарушения в работе эквалайзеров и в процессах, связанных с неравномерностью АЧХ; • повышение порога по шуму, связанное с изменением параметров модулей устройств со временем. К

внешним

источникам

ошибок

можно

отнести

различные

параметры,

воздействующие на цифровой канал: • перекрестные помехи в каналах передачи; • паразитная фазовая модуляция принимаемого сигнала (джиттер) в системе передачи; • электромагнитная интерференция (помехи от машин, флуоресцентных ламп и т.д.); • вариации питания устройств; • импульсные шумы в канале; • механические повреждения, воздействие вибрации, плохие контакты; • деградация качественных параметров среды передачи (электрического или оптического кабеля, радиочастотного канала и т.д.); • глобальные нарушения, связанные с разрушением канала цифровой передачи. Очевидно, что все эти дополнительные факторы, влияющие на частоту появления ошибок, являются нестационарными процессами, а частота появления ошибок может значительно увеличиваться в те интервалы времени, когда проявляется их действие. Именно эти интервалы времени и являются обычно поводом для проведения измерений, т.к. определяют качество работы канала передачи информации. Для описания нестационарного процесса появления ошибок применяются временные характеристики, описывающие динамику изменения основного параметра – средней частоты появления ошибок. Если рассмотреть влияние помех на параметры качества работы цифровой системы передачи, можно отметить, что влияние ошибок отличается для различных услуг и систем передач в зависимости от следующих факторов: • типа передаваемого трафика (голос, данные, видео, мультимедиа и т.д.); • типа системы передачи, принципа кодирования и наличия цепей резервирования передачи сигнала; • количества и частоты ошибок; • распределения ошибок (равномерно распределенные ошибки, ошибки, возникающие пакетами и т.д.); 2

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

• источника помехи; • устойчивости принятого в системе передачи принципа передачи цифровой информации к ошибкам; • устойчивости принятого в системе передачи принципа передачи цифровой информации к другим факторам воздействия (джиттеру, нестабильности синхронизации и т.д.). В связи с этим в качестве измеряемых параметров приняты к применению в различных приложениях несколько сходных величин, образованных от универсального параметра, характеризующего частоту появления ошибок в бинарном канале, т.к. одна ошибка в бинарном канале соответствует потере одного бита передаваемой информации. 4.1. Понятие бинарного канала и методы анализа его параметров Бинарный цифровой канал (рис. 4.1) - цифровой канал с передачей информации в простой

двоичной

форме

(без

линейного

кодирования).

В

современных

телекоммуникационных системах для передачи цифровой информации используются различные типы модуляции и многоуровневого кодирования, однако оконечное оборудование систем передачи в той или иной степени использует именно бинарный цифровой канал, поэтому методология измерений бинарного канала составляет фундамент измерений цифровых каналов связи и имеет особенное значение. Более того, даже для анализа систем с различными типами модуляции и кодирования с целью унификации

номенклатуры

измеряемых

параметров

и

удобства

сопоставления

показателей качества используются данные методологии измерений по битам, т.е. имитируется процесс декодирования (демодуляции) сигнала до двоичного вида, а затем анализируется полученный сигнал. Таким образом, методология измерений параметров бинарного канала представляет собой определенный инвариант методологий измерений любых цифровых каналов.

Источник двоичного сигнала

Аппаратура кодирования и передачи

Аппаратура кодирования и передачи

Приемник двоичного сигнала

Бинарный цифровой канал Рис. 4.1. Бинарный цифровой канал

3

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Основное назначение бинарного цифрового канала - это передача цифровой информации в двоичной форме, т.е. в виде битов. Поэтому основные параметры качества такой цифровой передачи связаны с параметром ошибки по битам (Bit Error Rate - BER) и его производными. Измерения по параметру BER вошли в методики измерений первичных и вторичных сетей. Различают два типа измерений бинарного канала - с отключением и без отключения канала. Измерения с отключением канала предусматривают, что канал не используется в процессе измерений для передачи реального цифрового трафика. В этом случае в качестве источника и приемника двоичного сигнала используются анализаторы цифрового канала. Измерения без отключения канала предусматривают использование специальных алгоритмов анализа параметров канала при передаче реального трафика. При измерениях с отключением канала сигнал передается в виде тестовой последовательности, которая на другом конце канала (приемник) принимается и затем проводится анализ ошибок, вносимых каналом. Для проведения измерений анализатор приемника должен обеспечивать предсказание структуры последовательности, т.е. требуется так называемая синхронизация тестовой последовательности. Для измерений используются разные тестовые последовательности, фиксированные и псевдослучайные, с различными алгоритмами синхронизации тестовой последовательности. Измерения с отключением канала - это единственный метод анализа параметров бинарного цифрового канала с точностью до единичной битовой ошибки. Это гарантируется принципом сравнения реальной принятой последовательности битов с предсказанной, которая, в свою очередь, точно совпадает с генерируемой последовательностью. Измерения без отключения канала часто называются мониторингом, поскольку измерения производятся в режиме работающего канала, а анализатор в этом случае подключается параллельно и осуществляет пассивный мониторинг канала. Алгоритм организации измерений основан на применении различных типов цикловых кодов или служебной информации, передаваемой в канале. Действительно, в реально работающем канале, несущем реальный трафик, нет возможности предсказания передаваемой информации,

следовательно,

нет

возможности

простого

сравнения

реальной

последовательности битов с предсказанной последовательностью, поэтому невозможно локализовать единичную битовую ошибку. Методы измерения без отключения канала основаны на идентификации битовой ошибки в некотором блоке переданной информации, таким образом, объективная точность измерения ограничена размерами блока, обычно две ошибки в блоке идентифицируются как одна. В то же время несомненное преимущество 4

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

метода - отсутствие необходимости отключения канала - определило широкое его распространение. Ниже будут рассмотрены основные принципы, используемые как в методах с отключением канала, так и в методах без отключения канала. 4.2. Основные параметры, измеряемые в бинарном цифровом канале Как уже отмечалось выше, технология измерений параметров бинарного цифрового канала является фундаментом для измерений любых цифровых каналов, в связи с чем практически все параметры, измеряемые в бинарном цифровом канале, используются в технологии измерений цифровых каналов первичной и вторичных цифровых сетей. Прежде чем рассматривать технологию измерений параметров бинарного цифрового канала, необходимо определить эти параметры. Ниже приведены основные параметры, измеряемые в бинарном цифровом канале, которые описаны в соответствии с сокращениями, используемыми в меню большинства приборов. В основном это параметры, используемые для анализа характеристик бинарного канала согласно рекомендациям ITU-T G.821, G.826 и M.2100. Примечание: ITU-T – International Telecommunication Union – Telephony group. AS – availability seconds - время готовности канала (с) - вторичный параметр, равный разности между общей длительностью теста и временем неготовности канала. AS (%)– availability seconds - относительное время готовности канала - параметр, характеризующий готовность канала, выраженный в процентах. В отличие от AS, AS (%) является первичным параметром и входит в число основных параметров рекомендации G.821. Его можно интерпретировать как вероятностную меру качества предоставляемого пользователю канала. BBE – background block error - блок с фоновой ошибкой - блок с ошибками, не являющийся частью SES, применяется при анализе ошибок по блокам. Является важным параметром, вошедшим в рекомендацию ITU-T G.826. Фоновая ошибка – это ошибка вследствие действия стационарного шума в канале. BIT или BIT ERR – bit errors - число ошибочных битов - параметр, используемый при анализе канала на наличие битовых ошибок, является числителем в выражении для расчета BER. Битовые ошибки подсчитываются только во время пребывания канала в состоянии готовности. BBER - background block error rate - коэффициент ошибок по блокам с фоновыми 5

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

ошибками - отношение числа блоков с фоновыми ошибками ко всему количеству блоков в течение времени готовности канала за исключением всех блоков в течение SES (см. далее). Является важным параметром, вошедшим в рекомендацию ITU-Т G.826. BER или RATE – bit error rate - частота битовых ошибок, коэффициент ошибок по битам -основной параметр в системах цифровой передачи, равный отношению числа битовых ошибок к общему числу бит, переданных за время проведения теста по каналу, находящемуся в состоянии готовности. При обнаружении десяти последовательных секундных интервалов, сильно пораженных ошибками (SES), анализатор переключается на подсчет времени неготовности канала. При этом измерение BER прерывается до восстановления

работоспособности

канала.

Таким

образом,

управляемые

проскальзывания, связанные с потерей одного или нескольких циклов информации, практически не влияют на значение BER. (Проскальзыванием называется повторение или исключение группы символов в синхронной или плезиохронной последовательности двоичных символов в результате различия между скоростями считывания и записи в буферной памяти). Измерения параметра BER универсальны в том смысле, что не требуют наличия цикловой и сверхцикловой структуры в измеряемом потоке, однако требуют передачи специальной тестовой последовательности и могут быть проведены только в случае полного или частичного отключения цифрового канала от полезной нагрузки. BLER – block error rate - частота блоковых ошибок, коэффициент ошибок по блокам редко применяемый на практике параметр, равный отношению числа ошибочных блоков данных к общему числу переданных блоков. Под блоком понимается заданное количество битов. Ошибочным блоком считается блок, содержащий хотя бы один ошибочный бит. Обычно значение параметра BLER больше (хуже), чем параметра BER. Его целесообразно измерять только в тех сетях передачи данных, где информация передается блоками фиксированного размера, а параметр BLER является важной характеристикой канала с учетом кадровой (цикловой) структуры передачи. Например, для сетей АТМ принята кадровая структура передачи в виде кадров длины 53 бита. Ошибочный кадр уничтожается (дискартируется). В этом случае можно считать кадр АТМ как блок длиною в 53 бита, а эквивалентом BLER будет параметр ошибки по кадрам CER (Cell Error Rate). В другом примере в качестве эквивалента блока может выступать сверхцикл ИКМ, а эквивалентом BLER будет ошибка по CRC. CLKSLIP или SLIP – clock slip - число тактовых проскальзываний - параметр, характеризуйся числом синхронных управляемых проскальзываний, появившихся с 6

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

момента начала теста. Поскольку проскальзывание ведет к потере части информации, что в свою очередь ведет к потере цикловой синхронизации, на практике используются эластичные управляемые буферы с возможностью управления проскальзываниями с целью сохранения цикловой синхронизации. В этом случае проскальзывания называются управляемыми. В наибольшей степени параметр CLKSLIP связан с параметром неготовности канала (UAS). Сопоставление CLKSLIP и UAS позволяет выявить причину неготовности канала, в частности, связана ли она с нарушением синхронизации. Значение параметра CLKSLIP зависит от размера имитируемого прибором буфера, который может быть от 1 бита до нескольких килобайтов. CRC ERR – CRC errors - число ошибок CRC - параметр ошибки, измеренный с использованием циклового избыточного кода (СRС), распространенный параметр определения ошибок реально работающего канала без его отключения и без передачи тестовой последовательности. Необходимым условием измерения параметра СRС является наличие механизма формирования кода в аппаратуре передачи. Встроенные средства самодиагностики современных большей части цифровых систем передачи используют именно этот механизм. Таким образом, при измерении параметра можно не только оценить частоту ошибок, но и проверить работу системы самодиагностики. При использовании CRC часто возникает вопрос о необходимости измерения одновременно с ним и параметра BER. Здесь необходимо учитывать две особенности применения CRC. Во-первых, каждая ошибка СRС не обязательно связана с ошибкой одного бита информации. Несколько битовых ошибок в одном сверхцикле могут дать только одну ошибку CRC для блока. Во-вторых, несколько битовых ошибок могут компенсировать друг друга и не войти в суммарную CRC. Таким образом, при использовании CRC можно говорить не об истинном уровне ошибок в канале, а только об оценке их величины. Тем не менее, CRC является удобным методом контроля ошибок при проведении сервисного наблюдения за работающим каналом, когда практически невозможно измерить реальные параметры битовых ошибок. CRC RATE – CRC errors rate - частота ошибок CRC - показывает среднюю частоту ошибок CRC. По описанным выше причинам бывает лишь частично коррелирован с параметром BER. DGRM – degraded minutes - число минут деградации качества - несколько временных интервалов продолжительностью 60 с каждый, когда канал находится в состоянии готовности, но BER=10-6. Ошибки во время неготовности канала не считаются, а интервалы по 60 с в состоянии готовности канала, пораженные ошибками несколько раз, 7

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

суммируются. DGRM (%) – degraded minutes - процент минут деградации качества - число минут деградации качества, выраженное в процентах по отношению ко времени, прошедшему с момента начала тестирования. EB – error block - число ошибочных блоков - параметр, используемый при анализе канала на наличие блоковых ошибок, является числителем в выражении для расчета BLER. Блоковые ошибки подсчитываются только во время пребывания канала в состоянии готовности. EFS – errors free seconds - время, свободное от ошибок (с) - один из первичных параметров, в рекомендации G.821 и М.2100/М.550. Отражает время, в течение которого сигнал был правильно синхронизирован, а ошибки отсутствовали, т.е. общее время пребывания канала в состоянии безошибочной работы. EFS (%) – errors free seconds - процент времени, свободного от ошибок - то же, что и предыдущий параметр, только выраженный в процентах по отношению к общему времени с момента начала тестирования. ES –errors seconds - длительность поражения сигнала ошибками, количество секунд с ошибками - параметр показывает интервал времени поражения всеми видами ошибок в канале, находящемся в состоянии готовности. ES связан с другими параметрами простым соотношением: AS=ES+EFS. ES (%)–errors seconds - процент поражения сигнала ошибками - параметр связан с EFS (%) соотношением: ES (%) + EFS (%) = AS (%). ESR –errors seconds rate - коэффициент ошибок по секундам с ошибками - параметр, практически равный ES (%). LOSS – loss of signal seconds - длительность потери сигнала (с) - параметр характеризует интервал времени, в течение которого сигнал был потерян. PATL – pattern loss - количество потерь тестовой последовательности - параметр, характеризующийся числом потерь тестовой последовательности, появившихся с момента начала теста. PATLS – pattern loss seconds - продолжительность времени потери тестовой последовательности - общее время потери тестовой последовательности с момента начала теста. SES – several errors seconds - продолжительность многократного поражения ошибками, количество секунд, пораженных ошибками (с) - SES - интервал времени, измеряемый в секундах, пораженный ошибками несколько раз. В это время частота битовых ошибок 8

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

составляет BER>10-3. Подсчет SES производится только во время готовности канала. Из определения видно, что SES -составная часть параметра ES. Вторая интерпретация параметра SES связана с измерениями по блоковым ошибкам, тогда SES определяется как односекундный интервал времени, содержащий более 30% блоков с ошибками. Можно сказать, что во время подсчета параметра SES качество канала чрезвычайно плохое. Поэтому параметр SES является очень важным и входит в перечень обязательных к измерению параметров ИКМ рекомендаций G.821 и М.2100/М.550. SES (%) - several errors seconds - относительная продолжительность многократного поражения ошибками - тот же параметр, выраженный в процентах. SESR - several errors seconds rate - коэффициент ошибок по секундам, пораженным ошибками - параметр, практически равный SES (%). SLIP – см. CLKSLIP. SLIPS – или. CLKSLIPS clock slips seconds - продолжительность тактовых проскальзываний -параметр характеризуется общим временем с наличием синхронных управляемых проскальзываний. UAS – unavailability seconds - время неготовности канала (с) - время неготовности канала начинает отсчитываться с момента обнаружения 10 последовательных интервалов SES и увеличивается после каждых следующих 10 последовательных интервалов SES. Счет UAS обычно начинается также с момента потери цикловой синхронизации или сигнала. Этот параметр связан со всеми предыдущими параметрами и определяет стабильность работы цифрового канала. UAS (%) - unavailability seconds - относительное время неготовности канала предыдущий параметр, выраженный в процентах. 4.3. Тестовые последовательности Для организации измерений с отключением канала используется генератор и анализатор тестовой последовательности, подключенные к разным концам цифрового канала. Между генератором и анализатором тестовой последовательности существует синхронизация по тестовой последовательности, т.е. процедура, в результате которой анализатор

имеет

возможность

предсказания

следующего

значения

каждого

принимаемого бита. В практике используются два типа тестовых последовательностей - фиксированные и псевдослучайные последовательности (ПСП, PRBS – Pseudorandom Binary Sequence). 9

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Фиксированными

последовательностями

являются

последовательности

чередующихся повторяемых комбинаций битов. В качестве примера рассмотрим альтернативную фиксированную последовательность типа 1010, в которой после каждого 0 идет 1. Процедура синхронизации тестовой последовательности в этом случае может быть чрезвычайно проста: анализатор заранее запрограммирован на ожидание альтернативной последовательности, при приеме 1 он предсказывает появление в качестве следующего бита 0, и в случае приема 1 делается вывод о битовой ошибке. Реальная процедура синхронизации несколько сложнее, поскольку требуется проверка, не является ли первый принятый бит ошибочным. Для этого производится проверка правильной синхронизации в течение нескольких последовательных групп битов (блоков), при этом сама процедура синхронизации аналогична. Такая процедура синхронизации представляет собой процедуру без указания на начало цикла. Вторым способом синхронизации фиксированной тестовой последовательности является процедура с указанием начала цикла, согласно которой начало цикла задается специальным битом или последовательностью битов (ниже называемым битом f). В практике могут использоваться обе процедуры синхронизации тестовой последовательности. В последнее время производители склоняются к максимально широкому внедрению процедуры с указанием начала цикла, поскольку в этом случае синхронизация тестовой последовательности осуществляется в течение нескольких циклов - порядка 8-16 переданных битов. Исключение составляют постоянные фиксированные последовательности 0000 и 1111, где процедура с указанием начала цикла не имеет смысла. В современной практике используются следующие фиксированные тестовые последовательности: 1111 - все единицы. Фиксированная последовательность единиц, которая используется обычно для расширенного и стрессового тестирования канала. Например, если последовательность послана в неструктурированном потоке Е1 (Е1 – поток двоичной информации ИКМ со скоростью передачи данных 2Мбит/с – 32 канала Е0 по 64 Кбит/с), то это будет понято как сигнал неисправности (AIS). 1010 - альтернативная, фиксированная последовательность из чередующихся нулей и единиц. Последовательность может передаваться без указания или с указанием начала цикла - f01010101. 10

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

0000 - все нули. Фиксированная последовательность нулей, используемая обычно для расширенного и стрессового тестирования канала. FOX. Фиксированная последовательность FOX используется в приложениях передачи данных. Перевод последовательности в ASCII является предложением "Quick brown fox.". Синхронизация

последовательности

осуществляется

правильным

переводом

предложения. Ниже приведена последовательность: 2A, 12, А2, 04, 8А, AА, 92, С2, D2, 04, 42, 4A, F2, ЕА, 72, 04, 62, F2, 1А, 04, 52, AА, В2, 0A, CA, 04, F2, 6А, А2, 4А, 04, 2А, 12, А2, 04, 32, 82, 5А, 9А, 04, 22, F2, Е2, 04, 8С, 4С, СС, 2C, AC, 6C, ЕС, 1С, 9С, 0С, В0, 50 1 - 3 - одна единица на три бита. Промышленный стандарт 1 в 3-х используется для расширенного и стрессового тестирования канала. Последовательность передается с указанием на начало цикла: f010 1 - 4 - одна единица на четыре бита. Промышленный стандарт 1 в 4-х используется для расширенного и стрессового тестирования канала. Последовательность передается с указанием на начало цикла: f0100 1 - 8 - одна единица на восемь битов. Промышленный стандарт 1 в 8-ми используется для расширенного и стрессового тестирования канала. Последовательность передается с указанием на начало цикла: f01000000 3 - 24 - три единицы на 24 бита. Промышленный стандарт 3 в 24-х используется для расширенного и стрессового тестирования канала. Последовательность передается с указанием на начало цикла: f 0100 0100 0000 0000 0000 0100 Кроме перечисленных стандартных фиксированных последовательностей, могут использоваться произвольные слова и предложения. Процедура синхронизации и анализа битовых ошибок может быть организована на основе указания на начало цикла или на основе проверки правильности перевода слов и предложений. Вторая процедура наиболее часто используется в практике. Использование фиксированных последовательностей в последнее время рекомендовано главным образом для стрессового тестирования аппаратуры

кодирования/декодирования.

Поэтому

часто

используются

тестовые

последовательности с множеством нулей. Как известно, при передаче двоичной последовательности наличие последовательности из нескольких нулей равносильно отсутствию сигнала (0 часто передается сигналом нулевой амплитуды). В результате генерации последовательностей с множеством нулей можно проанализировать работу канала в случае естественного пропадания сигнала. Пример 4.1. В системах ИКМ (поток Е1) в недавнем прошлом использовался 11

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

линейный код AMI, в котором отсутствует устойчивость битовой синхронизации в случае появления длинных последовательностей нулей. (AMI – Alternate Mark Inversion, биполярное линейное кодирование двоичных импульсов, когда нули передаются нулевым уровнем напряжения, а единицы импульсами 1В с чередующейся полярностью). В результате возникает задача анализа частоты сбоев битовой синхронизации измеряемого канала с кодированием AMI. Для измерений обычно используются последовательности с длинными последовательностями нулей: 1-4, 1-8 или 3-24. Длинная последовательность нулей в этом случае создает возможность сбоя битовой синхронизации, фиксируемого как битовые ошибки при передаче единиц. Пример 4.2. Неустойчивость битовой синхронизации в случае появления длинных последовательностей нулей кодирования AMI было преодолено в современном коде ИКМ-систем HDB3, где используется процедура инверсии шестого нуля в алгоритме кодирования (последовательность из шести нулей заменяется специальным символом, передающим информацию о полярности импульса, соответствующей этой последовательности). Работоспособность этой процедуры можно проверить при помощи фиксированных последовательностей с длинными последовательностями нулей: 1 - 8 или 3-24. Кроме того, стабильность битовой синхронизации может быть проверена генерацией последовательности 0000. Вторым направлением стрессового тестирования является анализ систем передачи с заполнением. Пример 4.3. В некоторых ИКМ системах сбой аппаратуры на удаленном конце при организации транзита приводит к процедуре заполнения потока Е1 единицами. Эта процедура используется для имитации сбоя: передатчик генерирует последовательность 1111 и анализирует сигнал AIS, передаваемый принимающей стороной. Пример 4.4. Наличие систем с заполнением требует с особенной осторожностью использовать при измерениях фиксированные последовательности. В некоторых случаях фиксированная последовательность может совпасть с последовательностью заполнения, что может привести к ошибочным результатам. Так, например, известен случай анализа спутникового канала по параметру ошибки (BER). При анализе использовалась альтернативная последовательность 1010, которая совпала с последовательностью заполнения выходного канала передачи данных от модема. В результате даже после пропадания радиочастотного спутникового канала, анализатор выдавал результат по параметру ошибки BER=10-5. Для того, чтобы избежать подобных ситуаций, рекомендуется использовать 12

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

фиксированные последовательности в виде слов или предложений (например, применение последовательности FOX в описываемом примере сразу идентифицировало неготовность канала), или ПСП. Псевдослучайные последовательности характеризуются количеством регистров сдвига, используемых при генерации (N) с длиной цикла последовательности L=2N -1. Структура псевдослучайной последовательности связана со схемой генератора ПСП, представленной на рис. 4.2

D1

D2

DN-1

Выход

DN

Рис. 4.2. Генератор псевдослучайной последовательности В основе принципа работы генератора ПСП лежит процедура сверточного кодирования с использованием N регистров сдвига с одной обратной связью перед регистром N. Это эквивалентно кодеру сверточного кодирования с полиномом (порождающим

многочленом)

DN+DN-1+1.

Соответственно

длина

кодированной

последовательности зависит от количества регистров сдвига и составляет 2N-1. Процедура предусматривает циклическое повторение последовательности через 2N-1 тактовых импульсов (эквивалентно, битов). Большее количество регистров определяет меньшую повторяемость последовательности. Для

анализа

принимаемой

ПСП

используются

два

типа

анализаторов

псевдослучайной последовательности, схемы которых представлены на рис. 4.3 и 4.4. Наиболее часто используется метод анализа ПСП последовательности с обратной связью (рис. 4.3). В этом случае синхронизация последовательности осуществляется следующим образом: петля обратной связи размыкается, производится загрузка данных в регистры сдвига до полного заполнения, затем петля обратной связи замыкается и производится синхронизация по тестовой последовательности. Вторым методом построения анализатора ПСП является метод без обратной связи, в котором обратная связь является разомкнутой (рис. 4.4). Этот метод в настоящее время практически не используется и признан устаревшим. Основным недостатком его является наличие процессов подавления данных при измерениях каналов с высоким параметром ошибки. Метод был разработан для случаев низкого параметра ошибки в предположении,

13

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

что сами ошибки возникают случайным образом и описываются нормальным распределением.

Управление синхронизацией Вход

D1

DN-1

DN

Ошибки (подсчет и отображение) Рис. 4.3. Анализатор ПСП с обратной связью, метод побитового измерения ошибок Вход

D1

DN-1

DN

Ошибки (подсчет и отображение) Рис. 4.4. Анализатор ПСП без обратной связи Современные системы передачи используют алгоритмы кодирования и принципы передачи, приводящие к появлению всплесков ошибок, когда ошибки возникают в виде пакетов. В этом случае алгоритм анализа без обратной связи дает нестабильную работу. В дальнейшем при описании анализа ПСП мы будем исходить из принципов анализа с обратной связью. Типы псевдослучайных последовательностей, используемые в современной практике: 2е23

-

стандартная

формируется

из

2е23-1

23-фазного

псевдослучайная регистра

последовательность

сдвига

без

битов.

ограничения

Сигнал

нулей.

Эта

последовательность соответствует техническому стандарту ITU O.151. Получила распространение для тестирования высокоскоростных цифровых каналов первичной сети (например, каналов SDH). 2е20

-

стандартная

2е20-1

псевдослучайная

последовательность

битов.

Сигнал 14

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

формируется

из

20-фазного

регистра

сдвига

без

ограничения

нулей.

Эта

последовательность соответствует техническому стандарту ITU O.151. 2е15

-

стандартная

2е15-1

псевдослучайная

последовательность

битов.

Сигнал

формируется из 15-фазного регистра сдвига без ограничения нулей. Последовательность может содержать до 14 нулей в строке. Последовательность получила наиболее широкое распространение для анализа каналов PDH с относительно невысокой скоростью передачи. 20ITU - стандартная 2е20-1 псевдослучайная последовательность битов. Сигнал формируется из 20-фазного регистра сдвига без ограничения нулей. Последовательность соответствует техническому стандарту ITU O.153. Однако эта последовательность отличается от 2е20 последовательности, потому что используются разные механизмы обратной

связи

при

выдаче

посредством

регистров

сдвига.

20ITU

подавляет

последовательности из более чем 18 нулей, в отличие от 14 нулей в 2e20. 2047 - короткая ПСП. Сигнал формируется из 11-фазного регистра сдвига без ограничения нулей. Стандартный 2047-битный код получил широкое распространение для анализа вторичных сетей передачи данных, приложений IDN и ISDN. 511 - короткая ПСП. Сигнал формируется из 9-фазного регистра сдвига без ограничения нулей. Стандартный 511-битный код получил широкое распространение для анализа вторичных сетей передачи данных, в частности он соответствует техническому стандарту ITU V.52. 127 - короткая ПСП. Сигнал формируется из 7-фазного регистра сдвига без ограничения нулей.

Стандартный

127-битный

код

получил

распространение

для

анализа

низкоскоростных каналов передачи данных (например, модемных каналов). 63 - самая короткая ПСП, применяемая в практике измерений. Сигнал формируется из 6фазного регистра сдвига без ограничения нулей. Стандартный 63-битный код получил распространение для анализа низкоскоростных каналов передачи данных (например, модемных каналов). Основными характеристиками ПСП являются: •

длина последовательности в битах;

•

вид полинома, соответствующая конфигурация регистров генератора и анализатора ПСП;

•

спектральный состав сигнала, зависящий от скорости передачи в канале. Спектральный состав сигнала ПСП схематически представлен на рис. 4.5. В

зависимости от скорости передачи данных в канале используются ПСП различной длины: 15

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

чем больше скорость, тем большая длина последовательности допускается. Рекомендация ITU-Т O.151 определяет значения используемых длин ПСП в зависимости от скорости цифровой передачи в канале согласно табл. 4.1. Кроме рекомендации O.151 существует также рекомендация по выбору тестовой последовательности для канала 64 кбит/с - 211-1, приведенная из рекомендации О.152. мощность ∆f=fb/(2N-1)

частота fb

2fb

Рис. 4.5. Спектральный состав ПСП ТАБЛИЦА 4.1. Рекомендованные в О.151 длины тестовых последовательностей ПСП Скорость кбит/с 64 2048 8448 34368 139264

передачи, Длина бит 215-1 215-1 215-1 223-1 223-1

ПСП, Конфигурация кодера, Спектральное расстояние полином ∆f, Гц D15+D14+1=0 D15+D14+1=0 D15+D14+1=0 D23+D18+1=0 D23+D18+1=0

I,95 62,5 257,8 4,1 16,6

Основным требованием, предъявляемым к спектральному расстоянию ∆f, является возможность успешной синхронизации при наличии на приемной стороне узкополосной цепи синхронизации от входящего потока. В этом случае требуется малое расстояние между двумя гармониками принимаемого сигнала. В случае большого расстояния может возникнуть джиттер (фазовое дрожание) регистров сдвига. Механизм возникновения джиттера довольно простой: длинная последовательность нулей, характерная для ПСП большой длины, приводит к накоплению фазовой ошибки за время ее передачи, в результате появляется джиттер. Такой джиттер обусловлен алгоритмом работы генератора 16

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

ПСП, его структура зависит от конфигурации генератора. Для того чтобы избежать появления джиттера регистров сдвига, используются рекомендованные ПСП. 4.4. Методы вычисления параметров ошибок в цифровых каналах Помимо технологии выбора тестовой последовательности и параметров измерений, которые могут значительно влиять на результаты измерений, рассмотрим еще один фактор, существенно влияющий на результаты измерений - алгоритм подсчета результатов. Как видно из раздела 4.2., основными параметрами при измерении цифрового бинарного канала являются BITS (количество ошибочных битов), BER (параметр ошибки по битам) и ES (количество секунд, пораженных ошибками). Все остальные параметры являются производными этих трех параметров. Выше описывалась методология подсчета количества ошибочных битов. Рассмотрим теперь методы вычисления параметра BER и параметра ES. 4.4.1. Методы расчета параметра BER Параметр BER считается основным параметром тестирования любых цифровых каналов и систем, т.к. он определяет функцию распределения вероятности возникновения ошибки в цифровом канале. Таким образом, параметр BER является наиболее распространенной статистической характеристикой качественных параметров канала. По отношению к измеряемым величинам этот параметр является вторичным и вычисляется на основании данных о количестве принимаемых ошибок в тестовой последовательности в различные периоды времени. Поэтому необходимо говорить о методах расчета параметра BER по данным о количестве ошибок. Как было показано выше, существует несколько алгоритмов анализа ошибок в принимаемом потоке с ПСП. Рассмотрим теперь, как по данным об ошибках рассчитывается параметр BER. На рис. 4.6 представлены три основных алгоритма такого расчета. Известно, что в процессе измерения существует две точки синхронизации измерений: начало измерения и время, при котором достигается заданный порог ошибки (на рисунке - 100 ошибок). Выбор параметра BIT ERR =100 основан на предположении нормального распределения возникновения ошибок. В этом случае относительная 17

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

погрешность измерений определяется как: η=1/√⎯N, где N - количество ошибок. Учитывая, что для большей части эксплуатационных измерений относительная погрешность в 10% является вполне допустимой, в качестве границы интервала синхронизации может быть выбрано время, соответствующее BIT ERR = 100.

Ошибки 0

1

2

…

15

16

…

99

100

…

156

2

…

15

16

…

99

100

…

156

Начало измерения

Метод 1 Ошибки 0

1

Начало измерения

106

107

синхронизация

синхронизация 1.56×10-6

Метод 2

Ошибки 0

1

2

…

15

16

…

99

100

…

156

…

99

100

…

156

Начало измерения 1.6×10-6

Метод 3 Ошибки 0

1

2

…

15

16

Начало измерения 6.4×106

1.56×10-6

Рис. 4.6. Методы измерения параметра BER Следует отметить, что предположение о нормальном законе распределения возникновения ошибок будет уместным в случае независимого возникновения ошибок. Однако, как уже отмечалось, в современных цифровых каналах передачи имеется 18

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

тенденция к группировке ошибок, т.е. моменты возникновения ошибок коррелируют с некоторыми внешними факторами и не являются независимыми. Этот эффект является крайне нежелательным еще и по той причине, что независимые ошибки намного лучше поддаются исправлению с помощью корректирующих кодов. Для декорреляции ошибок в цифровом канале в современных системах связи (например, в LAN по стандартам IEEE 802.x)

используется

скремблирование

информации:

при

мультиплексировании

информационные биты канальных сигналов перетасовываются во времени. Очевидно, что при этом после демультиплексирования ошибочные биты в канальных сигналах оказываются значительно менее зависимыми друг от друга. Таким образом, все время измерений разбивается на два интервала: от начала измерений до точки BIT ERR=100 и после этой точки. Соответственно различаются три метода подсчета BER. Первый метод - расчет отношения BER после приема первых 100 ошибок, что автоматически гарантирует высокую точность измерения (лучше 10%). Однако от начала измерения до получения результата необходимо некоторое (иногда достаточно большое время). Второй метод - возможность расчета отношения непосредственно после начала измерения без привязки к количеству принятых битовых ошибок. В этом случае для обеспечения точности измерений расчет отношения делается после приема определенного количества битов (на рисунке - 106), а точность измерения определяется пороговым значением количества принятых битов. Обычно предполагается, что точность на порядок хуже обратного значения количества принятых битов (в примере рис. 4.6 точность измерения BER = 10-5 сразу после начала расчета отношения). В отличие от первого метода этот метод обеспечивает определенное время начала отображения результата измерений, не связанное с количеством ошибок. С точки зрения алгоритма проведения эксплуатационных измерений по параметру ошибки, многие из которых носят иногда оценочный характер, такая методика подсчета является наиболее эффективной и получила наибольшее распространение. Отрицательной стороной методики является необходимость учета количества переданных/принятых битов ПСП при анализе результата. Это связано с тем, что отношение вычисляется математически без указания точности измерений в каждый конкретный момент. Например, если прибор показывает BER = 10-12 при общем количестве принятых битов 108, то необходимо констатировать - измерение параметра BER лучше 10-7, но не лучше, поскольку этим значением ограничена точность измерения. В методе 1 такой ситуации не может возникнуть, поскольку измерение делается заведомо 19

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

с точностью 10% и лучше. Третий метод, используемый в некоторых индикаторах, предусматривает вычисление BER точно после приема 100 ошибочных битов. Этот метод является модификацией метода 1 со свойственными ему негибкостью в отображении результатов эксплуатационных измерений и необходимостью ожидания до индикации результата. Таким образом, наибольшее распространение в современной практике получил метод 2, однако его применение обычно не обеспечивает автоматического учета точности измерений, что необходимо учитывать при проведении эксплуатационных тестов. 4.4.2. Методы расчета параметра ES Вторым наиболее часто используемым параметром (вторым по важности после BER) при анализе цифровых каналов является параметр количества секунд с ошибками (ES). Если параметр BER определяет средний интегральный уровень качества цифровой передачи в канале, то параметр ES и, в особенности, дополнительный к нему параметр EFS определяет долю общего времени, в течение которого канал является свободным от ошибок, т.е. время, в течение которого оператор гарантирует бесперебойную цифровую передачу по каналу. Таким образом, этот параметр является крайне важным для операторов цифровых систем передачи, первичной и вторичных сетей. Это его особенное значение обусловило то, что параметр ES вошел во все основные рекомендации и нормы на параметры цифровых каналов (например, в рекомендации ITU-Т G.821, G.826 и М.2100). По отношению к измеряемому параметру - количеству принятых ошибочных битов, параметр ES также как и параметр BER является вторичным. Метод его подсчета тесно связан с определениями, даваемыми этому параметру в европейской (одобренной ITU-Т) и американской практике. В европейской практике параметр EFS определяется как все односекундные интервалы времени, не содержащие ошибок в течение интервала измерений. С точки зрения методики подсчета ES, это определение означает использование асинхронного метода, представленного на рис. 4.7. Асинхронный метод предусматривает разделение всего времени измерений на интервалы по 1 с и подсчет количества интервалов, в течение которых принималась одна или несколько битовых ошибок. В американской практике измерений получил распространение метод синхронного 20

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

подсчета

ES,

согласно

которому

секундой,

пораженной

ошибками,

называется

односекундный интервал, следующий за появлением ошибки. В результате измерение параметра ES синхронизируется со временем появления ошибок.

Ошибки по времени

Асинхронный подсчет

ES

Синхронный подсчет

ES

ES

ES

ES

ES

ES

ES

ES

Рис. 4.7. Методы подсчета параметра ES Как видно из рис. 4.7, применение двух описанных методов к реальной ситуации дает различные результаты. Точный анализ показывает, что методы дают близкие результаты только в предположении малого параметра ES и нормальной функции распределения вероятности возникновения ошибки. В случае возникновения ошибок в виде пакетов разница в параметрах, измеренных разными методами, может достигать 18%. Следует также учесть, что проведенные рабочими группами ITU-Т исследования показали: большая часть цифровых систем передачи (в особенности радиочастотные системы передачи с различными методами помехозащищенного кодирования) при работе дает именно пакетное распределение ошибок. Каждый

метод

имеет

свои

преимущества

и

недостатки.

Несомненным

преимуществом асинхронного метода измерения является простота его реализации в конкретных приборах. Преимуществом метода синхронного подсчета является его инвариантность относительно выбора времени начала измерения, что приводит к следующим важным следствиям: •

результаты, полученные разными приборами одновременно на одном канале, точно совпадают;

•

результаты, полученные при измерениях в различных частях цифрового канала, точно

21

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

совпадают при условии, что канал не вносит дополнительных ошибок; •

результаты, полученные методом синхронного подсчета, более отражают смысл измерения ES как общего времени негарантированной цифровой передачи, и могут использоваться операторами для гибкого регулирования тарифной политики и т.д. Таким образом, использование метода синхронного подсчета параметра ES

представляет оборудование систем передачи в более выгодном свете, однако результаты таких измерений являются инвариантными к времени начала теста и учитывают возможное распределение ошибок в виде пакетов. Основным недостатком синхронного метода подсчета параметра ES является вторичное значение другого важного параметра - EFS. Действительно, в контексте методологии синхронного измерения ES параметр EFS невозможно определить явно, только как производную параметра ES. 4.5. Методология измерений без отключения канала Для проведения измерений без отключения цифрового канала используются алгоритмы анализа избыточного циклового кода. Алгоритм такого анализа представлен на рис. 4.8. Блок данных

Аппаратура передачи

полином

полином деление

остаток

Блок данных

деление

Аппаратура передачи остаток

Сравнение остатка от деления с CRC - кодом Рис. 4.8. Алгоритм использования избыточного циклового кода Информационный поток, передаваемый затем по цифровому каналу, разбивается на несколько блоков данных фиксированного размера. Для каждого блока данных

22

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

выполняется операция деления последовательности битов на полином заданного вида (в зависимости от типа кода). В результате деления образуется остаток, который передается вместе с блоком данных в составе цикла (кадра) в канале. Процедура деления потока данных на блоки и передача их с рассчитанным остатком от деления приводит к необходимости использования в аппаратуре передачи цикловой структуры. Таким образом, измерения параметров ошибки без отключения канала возможны только для систем передачи с цикловой структурой. Остаток от деления передается в составе цикла в виде контрольной суммы (CRC – кода). На приемной стороне делаются аналогичные вычисления остатка от деления. Результат расчета сравнивается с переданной контрольной суммой. В случае расхождения результатов делается вывод о наличии битовой ошибки в блоке. Операция деления обычно выполняется аппаратно линейными цепями на основе регистров сдвига и сумматоров по модулю 2. Схема деления входной последовательности на полином вида х6+х+1 (код 1000011) представлена на рис. 4.9. Если, например, на вход схемы будет подан полином 10-го порядка, то после десяти тактов работы схемы в регистрах будет записан остаток от деления.

вход

D1 1

D2

D3

D4

D5

X1

D6 X6

Рис. 4.9. Схема деления входной последовательности на полином х6+х+1. Как видно из описанной методологии, блок анализируется в целом, несколько битовых ошибок в составе блока приводят к регистрации одной ошибки в блоке. Таким образом, ошибки в составе одного блока не локализуются. Кроме того, допустима ситуация компенсации ошибок друг друга. Как следствие, параметры BER и CRC ERR при измерениях могут не совпадать друг с другом. Точность измерений без отключения канала параметра ошибки эквивалента измерениям BLER и зависит не от количества переданных битов, а от количества переданных блоков, т.е. точность ниже. Единственным и главным преимуществом методики измерения без отключения канала является возможность измерения на реально работающем канале, несущем

23

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

рабочий трафик. Для целей эксплуатационного мониторинга качества цифровых систем передачи возможность таких измерений очень важна, что и обусловило широкое распространение этой методологии измерений. В настоящее время именно такие алгоритмы

измерений

используются

во

встроенных

системах

самодиагностики

современных цифровых систем передачи и во вторичных сетях передачи данных. В зависимости от типа цикловой структуры используются различные типы цикловых кодов, некоторые из которых представлены в табл. 4.2. Пример 4.5. Пример расчета контрольного остатка (CRC – кода) Передаваемый блок: 1110010101 Тип полинома: X6+X+1 (код 1000011) Рассмотрим расчет контрольной суммы СРС-6 1110010101000000 Остаток

1000011

1

110001 1000011

2

100000 1000011

3

000011 000000

4

00011 000000

5

00111 000000

6

011100 000000

7

111000 1000011

8

110011 1000011

9

100101 1000011

10

001001

Передаваемые 6 битов последовательности CRC –6: 001001. ТАБЛИЦА 4.2. 24

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Основные типы кодов, используемые для измерения параметра ошибки без отключения каналов Тип кода

Используемый полином

Контрольная

Использование для измерений

сумма, бит CRC-6

Х6+Х+1

6

CRC-4

Х4+Х+1

4

Е1

CRC-16

Х16+Х12+Х5+1

16

HDSL(high-bit-rate digital subscriber line), V.41, Frame Realy (ОВ сеть с

DS1(самый низкоскоростной стандарт – 1.5 Мбит/с)

ретрансляцией кадров, упрощенный контроль

CRC-32

32 Х32+Х26+Х23+Х22 16 12 11 +Х +Х +Х +Х10 +Х8+ Х7 +Х6 +Х4 +Х2 + +Х+1

ошибок) , ISDN SMDS(switched multi-megabit data service), LAN (например, LAN по стандартам IEEE 802.x)

4.6. Объективность измеренных результатов 4.6.1. Проблема выбора времени проведения измерения Помимо алгоритма подсчета параметров ошибок в цифровом канале на результаты измерений может оказывать существенное влияние время проведения измерений, причем как длительность этого времени, так и выбор времени проведения тестов по отношению к загруженности трафиком сети. Проблемы выбора параметров длительности проведения тестов связаны с необходимостью объективации результатов измерений. Действительно, при анализе параметров многоканальной системы передачи, в которой для измерений задействована лишь часть емкости, возникают два основных вопроса: "Действительно ли измеренные параметры соответствуют всей системе передачи или только каналу, в котором проводятся измерения?" и "Будут ли сохраняться результаты измерений постоянными в течение суток?". Ответы на эти вопросы тесно связаны с проблемой выбора времени проведения измерений и анализом инвариантности полученных результатов.

4.6.2. Коэффициент достоверности измеренных величин Предположим, что в течение определенного времени проведения измерения в

25

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

цифровом канале зарегистрировано N ошибок. Возникает вопрос, насколько достоверным является измеренный результат. Для оценки достоверности обычно используется статистическая модель со случайным возникновением ошибок. В этом случае может быть рассчитан коэффициент достоверности результата, т.е. среднее отклонение от измеренной величины. В табл. 4.3 приведены коэффициенты достоверности для различного количества измеренных ошибок. Коэффициент достоверности позволяет оценить реальный параметр ошибки в предположении наихудшего варианта и широко используется в методологии измерений цифровых каналов. ТАБЛИЦА 4.3. Коэффициент достоверности измеренных результатов Количество ошибок 2 5 10 20 50 100 200 500

измеренных Статистическая достоверность измерения ошибок 95% 90% 70% 3,2 2,6 1,8 2,1 1,85 1,4 1,7 1,55 1,25 1,45 1,35 1,16 1,26 1,2 1,09 1,18 1,15 1,06 1,12 1,1 1,08 1,06

Пример 4.6. Например, при анализе цифровой системы передачи со скоростью 2048 кбит/с было измерено в течение 1 минуты 200 ошибок, что соответствует 1,63×10-6. Статистически средний уровень ошибок может быть с вероятностью 95% на 12% выше, а BER = 1,83 ×10-6. 4.6.3. Влияние времени проведения измерения При

проведении

измерений

полученные

результаты

могут

существенно

варьироваться по времени суток, что связано с влиянием трафика в системе передачи. Результаты, измеренные в часы неиспользуемой сети, сильно отличаются от результатов, измеренных в периоды пиковой нагрузки. Если предполагается подобная ситуация, для объективности используются методы долговременного анализа в течение суток. Это единственный корректный способ объективации результатов, поэтому он является основой для разработки методологии измерений цифровых каналов. В результате основные рекомендации, связанные с методологией измерения параметров цифрового 26

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

канала, включают обязательные требования долговременных измерений. При анализе радиочастотных систем передачи, где имеют место сезонные изменения параметров среды передачи, требуются долговременные измерения в течение 30 дней. В реальной практике долговременные измерения выполняются только для проведения приемо-сдаточных испытаний систем передачи. Для устранения проблем и эксплуатационного тестирования обычно выполняются кратковременные измерения, в этом случае объективация результатов выполняется методом оценки с использованием коэффициента достоверности (см. выше). При этом точное значение параметра BER остается неизвестным, а имеются лишь оценочные значения. 4.7. Методы нормирования параметров цифровых каналов Эксплуатационные измерения параметров цифровых каналов первичной сети выполняются обычно в контексте соответствия или несоответствия результатов определенным нормам этих параметров. Для правильного понимания этих норм важно рассмотреть методы нормирования параметров цифровых каналов. 4.7.1. Гипотетическая модель цифрового тракта К основным показателям качества цифровых систем передачи и коммутации относятся параметры ошибки и готовности канала. В рамках международных стандартов были приняты следующие основные параметры качества цифровых систем передачи: BER - параметр ошибок, ES -количество секунд, пораженных ошибками, EFS -количество секунд, свободных от ошибок, SES - количество секунд, несколько раз пораженных ошибками, AS - количество секунд готовности канала и UAS - количество секунд неготовности канала. Как было отмечено выше, параметры EFS, SES, AS и UAS могут иметь как абсолютное, так и процентное выражение. В настоящем разделе мы коснемся норм, которые предъявляются к перечисленным параметрам в зависимости от типа цифрового канала. Стандартизация и нормирование параметров качества цифровых каналов велось исторически двумя комитетами в составе МСЭ - МККТТ, ныне ITU-T, и МККР, ныне ITUR. Стандартизация параметров качества потребовала создания моделей цифровых систем передачи и коммутации, так называемых гипотетических моделей или условных эталонных цифровых трактов, для которых затем были разработаны нормы на 27

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

параметры качества. В результате работы комитетов была сформирована единая гипотетическая модель на основании подхода к сетям ISDN (Integrated Service Digital Networks 2 Мбит/с), т.е. цифровым сетям с доведением цифрового потока от абонента до абонента без аналого-цифровых преобразований. Такая модель получила одобрение МККТТ и носит название эталонного международного коммутируемого соединения ISDN (Hypothetical Reference Connection - HRX), длина которого была принята равной 27500 км с возможностью включения в ее состав секции радиочастотной системы передачи длиной 2500 км, параметры которой регламентированы МККР, разработавшим гипотетическую модель радиочастотной цифровой системы передачи (Hypothetical Reference Digital Path HRDP). Гипотетическая модель МККР была применена для разработки норм на радиорелейные и спутниковые системы передачи. Таким образом, в настоящее время все нормы на параметры цифровых каналов ориентированы на две гипотетических модели HRX и HRDP, связанные друг с другом тем, что в состав HRX входит HRDP. Обе модели значительно повлияли не только на стандартизацию норм, но и на саму технологию организации измерений, в частности на параметры времени проведения измерений. Ниже обе модели будут рассмотрены с учетом соответствующих норм на параметры качества. При рассмотрении моделей нас будут в первую очередь интересовать методы нормирования параметров цифровых каналов, а не сами эти параметры. Нормы на параметры цифровых каналов могут быть найдены в соответствующих рекомендациях МККТТ и МККР, а также в отечественных приказах, в частности в Приказе 92 от 10.08.96 "Нормы на электрические параметры цифровых каналов и трактов магистральной и внутризоновой первичных сетей". Сейчас будут рассмотрены только принципы создания самих норм. 4.7.2. Гипотетическая модель ISDN (HRX) Гипотетическая модель ISDN предполагает нормирование параметров качества для общего цифрового канала ОЦК 64 кбит/с, сформированного системами передачи и коммутации ISDN. Нормы качества разработаны для составного канала ОЦК от абонента до абонента. При разработке норм МККТТ основывался на следующих соображениях: 1. Услуги цифровой связи будущего предполагается предоставлять на основе технологии ISDN, поэтому ISDN была выбрана как "эталонная сеть". 2. В качестве основных показателей были выбраны параметры ошибок и готовности, 28

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

поскольку именно они влияют на качественные параметры передачи речевой информации и данных пользователя. 3. Хотя голосовой трафик более распространен, чем трафик ISDN, требования к нормам качества резонно строить на основе ISDN, так как предполагается, что сеть ISDN будет использоваться для передачи сервисной информации даже для услуг телефонной связи обычного качества. Поэтому сеть ISDN должна соответствовать универсальным нормам. В

результате

рассмотрения

параметров

качества

была

сформирована

гипотетическая модель тракта ISDN, представленная на рис. 4.10.

Эталонная точка Т

Эталонная точка Т

27500 км 1250 км

25000 км

1250 км

LE

Местное качество

LE

Среднее качество

Высокое качество

Среднее качество

Местное качество

Рис. 4.10. Международное эталонное коммутируемое соединение (HRX) За основу был взят цифровой тракт общей протяженностью 27500 км. Тракт был разбит на участки местного качества, среднего качества и высокого качества. Была установлена максимальная протяженность участков от абонента до цифровой системы передачи магистральной первичной сети - 1250 км и протяженность цифрового тракта магистральной первичной сети - 25000 км. Тракт от абонента до магистральной первичной сети включает в себя участок местного качества (от точки Т до ближайшего коммутационного узла (LE)) и участок среднего качества от коммутационного узла до узла магистральной первичной сети, где могут использоваться системы передачи местной первичной сети или системы коммутации вторичных сетей. Полученная таким образом модель описывает нормы на параметры качества международного

коммутируемого

соединения

IDN/ISDN

(HRX).

Нормы

на

характеристики ошибок в таком международном соединении содержатся в рекомендации ITU-T G.821.

29

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

По времени было предложено разделить требования к параметрам ошибки на три категории: для минут низкого качества (категория А), для пораженных ошибками секунд SES (категория Б) и для секунд с ошибками ES (категорий В). Эти категории качества каналов представлены в табл. 4.4 вместе со сформированными применительно к модели HRX нормами на параметры ошибок в составном цифровом канале 64 кбит/с. ТАБЛИЦА 4.4. Три категории качества ITU-T для международного соединения ISDN 64 кбит/с (G.821) Часть

Нормы на BER

Условия

-6

А

BER < 10 при То = 1 мин

Б

BER < 10-3 при То = 1 с

В

BER = 0 при То = 1 с (EFS)

Больше 90% одноминутных интервалов имеют 38 или менее ошибок Больше 99,8% односекундных интервалов имеют менее 64 ошибок

Больше 92% секунд

Общее время измерений Т = 1 месяц Примечания к таблице: 1. Термины "минуты низкого качества", "секунды, пораженные ошибками" и "секунды с ошибками"

использованы

эксплуатационных

норм.

в Их

качестве

удобной

использование

не

и

краткой

означает

классификации

приемлемости

или

неприемлемости этого уровня качества. 2. Одноминутные интервалы получены после исключения времени неготовности и сильно пораженных ошибками секунд из общего времени и последующего последовательного группирования остальных секунд в блоки по 60 секунд. Базовые односекундные интервалы получают исходя из фиксированного периода времени. 3. Временной интервал, на котором определяются процентные нормы, не нормирован, так как этот период может зависеть от конкретного применения. В качестве стандартного предлагается период порядка одного месяца. 4. По практическим соображениям при скорости 64 кбит/с минута, содержащая четыре ошибки (что соответствует коэффициенту ошибок 1,04х10-6), не считается минутой низкого качества. Однако это не следует рассматривать как снижение нормы коэффициента ошибок. 5. Секундой неготовности канала считается секунда, в течение которой было

30

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

отмечено более 64 ошибок.(После 10 SES подряд). 6. Для проведения практических измерений обычно используют 10-минутные интервалы, однако обсуждается альтернативный подход с использованием 5-минутных интервалов. Помимо деления на три категории качества каналов было сделано разделение по параметрам готовности канала, представленное на рис. 4.11.

Общее время проведения измерения Т Время неготовности канала

Время готовности канала

Неготовность изза высокого BER

Другие причины неготовности

Рис. 4.11. Разделение времени работы канала по параметрам его готовности (G.821) Разделение времени работы канала по категориям готовности и неготовности в зависимости от различных причин позволило затем сформулировать нормы на основные параметры качества цифровой передачи для периода готовности. Эти параметры нашли отражение в рекомендации G.821. Таким

образом,

был

сформулирован

следующий

подход

к

методологии

нормирования параметров цифровых каналов на основе HRX: 1. Все время использования канала делится на три категории по параметрам готовности и неготовности канала, и формулируются требования к этим параметрам. 2. Для времени готовности канала формулируются параметры качества цифровой передачи в зависимости от категории качества соединения (для интервалов высокого качества ES и SES нормы формируются отдельно). Эта методология нашла применение при разработке национальных (в том числе и отечественных) норм на цифровые каналы и тракты, и, как будет показано ниже, при нормировании параметров для эталонной модели HRDP. Обычно нормы на параметры цифрового тракта учитывают тип передаваемого в нем трафика. Так, например, рекомендация G.821 определяет следующие параметры BER

31

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

для канала, по которому передаются речь и данные: ТАБЛИЦА 4.5. Нормы по параметру ошибок BER для международного соединения ISDN То = 1 мин для передачи речи

То = 1 с для передачи данных

BER в интервале 1 мин % минут готовности BER в интервале 1 с % секунд готовности >10-6 <10-6

< 10%

>0

< 8%(ES)

> 90%

0

> 92%(EFS)

Как видно из таблицы, описанные выше методы нормирования, использованы здесь полностью. 4.7.3. Гипотетическая модель радиочастотной системы передачи (HRDP) Требования по параметрам готовности и параметрам канала цифровой передачи международного соединения ISDN (HRX) получили развитие при разработке норм на параметры радиочастотных трактов систем передачи на основе гипотетической модели тракта радиосистемы HRDP. На основании данных рекомендации G.821 были сформулированы следующие основные параметры HRDP: 1. Длина HRDP была принята равной 2500 км. 2. Поскольку для HRX было установлено требование по параметру BER магистрального участка высокого качества - 1 ошибка на 1010 на километр, то для тракта HRDP было установлено

значение

параметра

ошибки

2,5×10-7,

не

включая

вклад

мультиплексирующего оборудования. Было установлено, что такое значение параметра BER должно выполняться в течение 99% от общего времени работы канала. 3. МККТТ устанавливает норму на параметр EFS от LЕ до LЕ равную 95%. Соответственное нормирование параметра EFS для HRDP дало значение EFS = 99,5%. 4. Окончательные требования по параметру BER были определены в рекомендации МККР 594, где были установлены следующие требования: BER > 10-7 не более, чем 1% времени любого месяца; BER > 10-3 не более, чем 0,05% времени любого месяца. Как видно, принципы нормирования, описанные в предыдущем разделе, использовались при формулировании норм на параметры HRDP.

32

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

4.7.4. Пересчет параметров гипотетической модели в параметры реального канала Методология нормирования параметров цифровых каналов с использованием гипотетических моделей включает не только разработку норм на параметры эталонных трактов, но и методику пересчета параметров эталонного тракта в параметры реального канала. Анализ применяемых в настоящее время методов пересчета показывает, что с этой целью наиболее часто используется принцип линейной аппроксимации результатов по длине реального участка. В качестве примера рассмотрим методологию пересчета, описанную в докладе 930 МККР по расчету параметров реальной радиочастотной системы передачи. В соответствии с предлагаемой методикой параметры радиочастотной системы длиной L могут быть найдены следующим образом: BER > 1/2500×10-7 не более, чем L/2500 (%) времени любого месяца; BER > 10-3 не более, чем L/2500×0,05 (%) времени любого месяца. Анализ

методики

расчета

параметров

цифровых

трактов,

изложенной

в

отечественном Приказе 92, также показывает, что используются методы линейной аппроксимации (в ряде случаев с весовыми коэффициентами). 4.7.5. Недостатки линейной аппроксимации. Дальнейшее развитие методологии нормирования параметров цифровых каналов Сформулируем основные положения, используемые современной методологией нормирования цифровых каналов. 1. В основе нормирования лежит использование гипотетических моделей эталонных соединений в современных сетях. 2. Для каждой такой модели формулируются основные параметры в соответствии с категориями качества канала, параметрами готовности и типами трафика, передаваемыми в канале. 3. Параметры реального цифрового канала рассчитываются на основании параметров эталонного соединения методом линейной аппроксимации. Как видно из этих положений, нормирование параметров цифровых каналов в настоящее время использует предположение о случайном распределении возникающих в канале

ошибок,

что

допускает

линейную

аппроксимацию

результатов.

Этим 33

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

обуславливается методология нормирования и измерений основных параметров, которая основана на асинхронном методе измерений основных параметров цифрового канала. В то же время, как уже отмечалось выше, ряд систем передачи, используемых в современных сетях, имеют отличные от гауссова распределения возникающих ошибок, так как последние возникают в виде пакетов и не описываются в полной мере современной принятой методологией их нормирования и измерения. Поэтому в настоящее время идет процесс обсуждения новой методологии нормирования и измерения цифровых каналов, учитывающих произвольные распределения возникновения ошибок. 4.8. Утвержденные методологии G.821/G.826/М.2100 Выше были рассмотрены основные подходы к созданию методологии, их достоинства и недостатки. В этом разделе мы рассмотрим утвержденные методы измерений параметров цифровых каналов, применяемые в современной практике. Эти методы нашли в основном отражение в трех рекомендациях ITU-Т-G.821, G.826 и М.2100 (М.2101). 4.8.1. МетодологияG.821 Рекомендация G.821 была впервые опубликована в 1980 г. и определила параметры качества международного соединения HRX. В основных чертах она рассмотрена выше при описании гипотетической модели эталонного международного коммутируемого соединения. Здесь необходимо добавить, что рекомендация определяет нормирование всех параметров качества к скорости ОЦК-64 кбит/с и предусматривает измерение следующих параметров: ES, EFS, SES, DGRM (DM) и UAS. Измерение параметров выполняется согласно схеме, представленной на рис. 4.12.

34

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Измерение ошибки

ES

UAS

EFS

DM

SES

Рис. 4.12. Алгоритм измерения параметров G.821 Измерения основаны на подсчете количества ошибок. Сначала идет разделение всего времени проведения измерений на время готовности и время неготовности канала, в результате выделяется параметр UAS. Затем во время готовности канала производится подсчет секунд с ошибками ES, автоматически рассчитывается параметр EFS. Для секунд с ошибками рассчитывается параметр BER и вычисляется параметр SES. На основе анализа SES рассчитывается параметр DM. Основным недостатком методологии G.821 является необходимость ее расширения для определения параметров цифровых систем передачи со скоростями выше 64 кбит/с. 4.8.2. Методология G.826 Методология рекомендации G.826, впервые опубликованной в 1993 г., является развитием методологии G.821 и учитывает ее недостатки. Основными принципами методологии являются: • применимость к цифровым системам передачи со скоростями выше 64 кбит/с, • учет основных скоростей передачи, используемых в современных цифровых системах PDH/SDH, • определение параметров измерений без отключения канала, т.е. ориентация на эксплуатационные измерения работающих систем. Параметры, измеряемые в методологии G.826, связаны с измерениями без отключения канала, т.е. с анализом параметра ошибки по блокам. Согласно G.826 предусмотрено измерение следующих параметров: EB, ES, SES, BBE. Результатами измерений являются различные параметры ESR,SESR, BBER. Рекомендацией G.826 установлены следующие допустимые значения параметров (табл. 4.6):

35

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

ТАБЛИЦА 4.6. Параметры цифровых систем передачи по G.826 Скорость, Мбит/с 1,5 – 5

5 - 15

Размер блока, бит 2000 –

15 - 55

55- 160

160 - 3500

2000 - 8000 4000 - 20000

6000 - 20000

15000-30000

8000 ESR

0,04

0,05

0,075

0,16

не определено

SESR

0,002

0,002

0,002

0,002

0,002

BBER

З×10-4

2×10-4

2×10-4

2×10-4

1×10-4

Схема измерений параметров согласно методологии G.826 представлена на рис. 4.13. Согласно рекомендациям G.821 и G.826 определяется время проведения измерений 30 дней. Этот период обеспечивает корректную объективацию результатов измерения, включая специфические особенности радиочастотных цифровых систем передачи. На практике измерения в течение такого длительного периода проводятся довольно редко. Обычно для эксплуатационных измерений считается достаточным для объективации проведения измерений в течении 24 часов, что определено в рекомендации М.2100.

Мониторинг ошибок Дефекты

Аномалии AS определяет

контролирует

SES

EB Более 30 %

ES

Рис. 4.13. Алгоритм измерения параметров G.826 4.8.3. Методология эксплуатационных измерений М.2100/М.2101 Методология М.2100/М.2101 была разработана с целью расширения методики G.821/G.826

для

целей

эксплуатации.

Отличительной

особенностью

методик

36

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

М.2100/М.2101 является ориентация на индикационные измерения, когда в качестве результатов измерения делается вывод о прохождении/не прохождении теста, а не получаются количественные величины параметров. В качестве основных параметров для измерений выбраны параметры SES и ES. Рекомендация М.2100 была впервые опубликована в 1993 г. и определила параметры пороговых значений для проведения измерений для цифровых систем передачи PDH. Развитие технологии цифровой первичной сети и внедрение технологии SDH привело к необходимости доработки методологии и появления рекомендации М.2101, где определены пороговые значения для проведения измерений систем передачи SDH. Второй важной особенностью методологии М.2100/М.2101 является уменьшение времени проведения измерений до 15 минут с последующими измерениями в течение 24 часов, если результат кратковременного измерения окажется в "средней зоне" (рис. 4.14).

ES

G.821/G826

M2100

Не прохождение

Не прохождение

Прохождение

"Средняя зона" Результат нуждается в уточнении Прохождение

Рис. 4.14. Методика индикационных измерений М.2100 Наконец, третьей отличительной особенностью

методологии

М.2100/ М.2101

является использование не одного как в G.821/G.826, а двух пороговых значений для выделения "средней зоны" (рис. 4.14). Если результат измерения попадает в "среднюю зону", он нуждается в дополнительном уточнении методами долговременного анализа. 4.8.4. Параметры ошибок и методы их измерений по Приказу №92 Приказ Госкомсвязи №92 от 10.08.96 "Нормы на электрические параметры цифровых каналов и трактов магистральной и внутризоновой первичных сетей"

37

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

представляет единственный действующий российский стандарт, определяющий нормы на параметры ошибок в каналах и трактах цифровой первичной сети. С точки зрения описанных выше подходов к методологии, Приказ №92 является объединением перечисленных выше норм. Перечень параметров ошибок, описываемый Приказом, представлен на рис. 4.15. Все нормы на параметры цифровой первичной сети в Приказе разделены на две группы: долговременные и оперативные нормы. Долговременные нормы в свою очередь отдельно формулируются для каналов первичной сети (ОЦК) и для трактов PDH. В соответствии

с

международными

стандартами

нормы

на

параметры

ОЦК

сформулированы на основе G.821, нормы на параметры трактов PDH – на основе рекомендации G.826. Методология оперативных (эксплуатационных) измерений создана на основе методологии М.2100, М.2110, М.2120. В Приказе №92 нашли отражение различная интерпретация параметров ES и SES по G.821 и G.826. Для разделения параметров ES и SES для канала и тракта используются префиксы ESK и EST соответственно. Соответственно описанным выше методологиям, для долговременных и оперативных измерений определен набор измеряемых параметров. Стандарт определяет нормы по каждому параметру и методы расчета параметров для реальной системы передачи.

Нормы Приказа №92 Долговременные Нормы на канал

Параметры методологии G.821: ES,SES,ESR, SESR,UAS

Оперативные Нормы на тракты

Параметры методологии G.826: ES,SES,ESR, SESR, BBE, BBER,UAS

Параметры методологии М.2100, М.2110, М.2120: ES,SES,ESR,SESR, UAS

Рис. 4.15. Методология измерений Приказа №92 Необходимо отметить, что параметры, определенные в этом стандарте, не

38

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

включают дополнительные производные параметры ошибок. Таким образом, реальные возможности измерительных приборов и методик, лежащих в основе Приказа, оказываются несколько шире, предусмотренных Приказом. 4.9. Методология измерений параметров аналого-цифровых преобразований ИКМ 4.9.1. Значение методологии измерений аналого-цифровых преобразователей Выше рассматривалась в основном методология измерения параметров цифровых каналов. В то же время отечественная сеть до последнего времени представляет собой в основном аналоговую сеть. В результате, развитие цифровых телекоммуникаций в той или иной степени включает в себя оборудование аналого-цифровых преобразователей для стыка с аналоговыми подсистемами и для сопряжения с аналоговым оборудованием пользователя. Последнее наиболее существенно, поскольку не теряет актуальности на этапе развития цифровых систем связи. Поэтому ниже будет рассмотрена методология измерений аналоговых каналов и сигналов аналоговой телефонии в контексте анализа аналого-цифровых преобразователей ИКМ, как наиболее часто встречаемых типов АЦП, поскольку современная концепция построения первичной сети полностью ориентирована на технологию цифровых систем передачи с использованием ИКМ-технологии для преобразования аналоговых сигналов. На рис. 4.16 представлена схема участка современной цифровой сети, в которой используются АЦП, и схематически показаны методы организации измерений. выход

Аналоговый тестовый прибор

АЦП

Аналоговый сигнал

ИКМ преоб разова тель

вход

ЦАП ИКМ преоб разова тель

Цифровой канал передачи

ЦАП

Аналоговый сигнал

АЦП выход

Цифровой тестовый прибор

вход

Рис. 4.16. Схема организации измерений аналого-цифровых преобразователей ИКМ

39

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Как видно из рисунка, на представленном участке имеются аналоговые и цифровые каналы, а также ИКМ-преобразователи, обеспечивающие переходы между ними. Для измерений в такой системе могут использоваться аналоговые и цифровые измерительные приборы. В случае необходимости для сопряжения приборов с каналами используются АЦП и ЦАП конверторы. Из рисунка видны возможные схемы организации измерений аналого-цифровых преобразователей - А-А (аналог - аналог), А-Ц (из аналогового канала в цифровой канал) и Ц-Ц (измерения в цифровом канале). Рассмотрим основные особенности выполнения измерений по этим схемам. 4.9.2. Методы измерений аналоговых каналов Как было сказано выше, несмотря на то, что общей тенденцией развития современных систем связи является переход к цифровым методам передачи и коммутации, методология измерений параметров аналоговых сигналов по-прежнему существенна. Переход к цифровым сетям связи значительно расширил задачи методологии применительно к системам передачи/коммутации. В то же время оконечные сигналы современных систем связи - сигналы в абонентских телефонных каналах, остались в подавляющем большинстве аналоговыми. Даже в наиболее развитых странах доля речевого трафика на сетях связи составляет более 90%. Этот речевой трафик передается абоненту в виде аналогового сигнала в полосе от 300 Гц до 3400 Гц (полоса канала ТЧ), следовательно, для анализа конечного качества работы сети требуется анализ этого аналогового сигнала. На примере эволюции методологии измерений канала ТЧ можно увидеть, как внедрение новых технологий влияет на параметры и принципы "старых" классических измерений. В последние годы измерения каналов ТЧ изменились в соответствие с новыми факторами работы систем связи: во-первых, широкое внедрение систем цифровой передачи привело к появлению новых источников воздействия на параметры аналоговых сигналов (например, возникли шумы квантования). Во-вторых, расширение номенклатуры услуг, использующих каналы ТЧ, в частности, широкое внедрение принципов факсимильной и модемной передачи данных привело к необходимости учитывать некоторые параметры аналоговых сигналов, до тех пор не учитывавшихся. В результате методология измерений изменилась в соответствии с новыми условиями работы сетей и новыми требованиями к каналам ТЧ и в настоящее время в целом устоялась. Она полностью стандартизирована как международными, так и 40

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

отечественными стандартами, хотя некоторые вопросы до последнего времени обсуждаются как в зарубежной, так и в отечественной технической прессе. Эволюцию методологии измерений каналов ТЧ наиболее наглядно можно проследить на примере методов измерения шумов. Измерение

шумов

является

основополагающим

измерением

при

анализе

аналоговых сигналов. Эта, казалось бы, простая задача потребовала целой эволюции в подходе к измерениям шумов. Первые анализаторы шумов в телефонных линиях использовали принцип равномерного измерения шумов во всей полосе от 0,3 до 3,4 кГц. Однако

вскоре

было

обнаружено,

что

человеческое

ухо

обладает

свойством

избирательности по отношению к принимаемому акустическому сигналу. Стало очевидно, что для корректного измерения шумов необходим анализ взвешенного шума с учетом человеческого восприятия. Так, появился фильтр с АЧХ в виде кривой С (рис. 4.17), структура которой была определена исследованиями IEEE. Однако фильтр с равномерной полосой оказалось невозможным исключить из технологии измерений, поскольку фильтр С в несколько раз ослабляет сигнал на низких (в районе 50 Гц) частотах и не может быть использован для поиска индуктивных помех. Таким образом, технология измерений потребовала уже двух фильтров. Работы МККТТ в области исследований восприятия человеком акустических сигналов привели к результатам, отличным от результатов IEEE. На основании результатов МККТТ был создан псофометрический фильтр, который является альтернативой фильтру С и официально стандартизирован для Европы и России. Как

было

сказано

выше,

широкое

внедрение

принципов

цифрового

мультиплексирования на основе ИКМ привело к тому, что в каналах ТЧ появились шумы квантования. Их измерения потребовали особенно тщательной подготовки методики, поскольку шумы квантования не появляются в системе, где нет активного сигнала. Единственным приемлемым решением оказалось воздействовать на канал специальным аналоговым сигналом - опорным сигналом QD в диапазоне от 350 до 550 Гц и для анализа полученных шумов квантования использовать специальный фильтр с полосой 2600 Гц и центральной частотой 2100 Гц, получивший название фильтра шумов квантования или фильтра QD. Следующим

шагом

в

развитии

методологии

измерений

шумов

стала

необходимость анализа эффектов появления эха в телефонном канале. Здесь также была разработана методика воздействия на канал одночастотным сигналом 1020 Гц и анализа эхо-сигнала режекторным фильтром. Дальнейшее развитие спецификации на измерения в канале ТЧ потребовало дополнительно введения ряда фильтров для анализа шумов, 41

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

представленных в табл. 4.7. и рис. 4.17.

Гц Рис. 4.17. Фильтры, обычно используемые при анализе каналов ТЧ ТАБЛИЦА 4.7. Основные измерения в каналах ТЧ и соответствующие фильтры Измерения Уровень и частота Шумы Переходные помехи Фазовый и амплитудный джиттер Возвратные потери (потери на отражение) Интермодуляция Селективный уровень Шумы квантования

Фильтры ФВЧ с частотой 50-60 Гц, ФНЧ с частотой 10 кГц для снижения влияния АМ - помех Фильтр С, псофометрический. Селективный перестраиваемый. Широкополосный фильтр 3 кГц. Фильтр Баттерворта 15 кГц Селективный фильтр, фильтр С со специальной фазовой характеристикой Перестраиваемые фильтры для измерения джиттера в различных диапазонах Фильтры взвешенных шумов для имитации источников шумов в канале ФНЧ на 520, 1900 и 2240 Гц Перестраиваемые фильтры 3, 10, 30, 100 Гц П-образные фильтры с шириной полосы 200 и 2600 Гц

Помимо развития методологии в направлении создания фильтров для измерения

42

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

шумов квантования, сама методология измерений аналоговых каналов претерпела значительные изменения. Для измерения фазовых шумов требуется определенная стимуляция канала, в результате измерения делаются по методу "воздействие-отклик". Большое количество параметров измерения в современных аналоговых каналах, необходимость автоматизации измерений и сокращения времени проведения тестов для различных параметров стимулировали применение сложных аналоговых сигналов для стимуляции канала. На рис. 4.18 представлен общий вид сложного сигнала, используемого в современном анализе аналоговых каналов по параметру группового времени запаздывания (ГВЗ) (рекомендация О.81). Как это видно из рисунка, для обеспечения быстрой синхронизации тестового сигнала в нем используются три варианта модуляции.

Модуляция 41.66 Гц

Модуляция 166.6 Гц

Рис. 4.18. Сложный сигнал для анализа аналогового канала по параметру ГВЗ 4.9.3. Влияние шумов квантования на параметры тестовых аналоговых сигналов При наличии шумов квантования воздействие их на аналоговый сигнал сильно зависит от распределения исследуемого сигнала по амплитуде. В результате вопрос о выборе тестового сигнала для анализа шумов квантования и проведения измерений других параметров составного канала, использующего ИКМ-преобразования, становится непростым. Помимо описанных выше методов, использующих специальные фильтры, для анализа шумов квантования могут использоваться одночастотный (синусоидальный) сигнал или гауссов шум в качестве представления речевого сигнала. Анализ шумов квантования и эффектов компандирования в этом случае выполняется на основании соответствия полученных результатов определенным маскам.

43

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Влияние ИКМ-преобразователей на параметры шумового и одночастотного сигналов тем более существенны, что эти два типа сигналов используются при измерении других параметров шума, усиления и т.д. В результате методики проведения измерений на составном канале, включающем участки аналого-цифровых преобразований, должны учитывать влияние шумов квантования на параметры тестового сигнала. В качестве примера рассмотрим влияние процесса компандирования на параметры одночастотного сигнала. На рис. 4.19. показана характеристика компандера по А-закону. Здесь имеет место процесс неравномерного усиления шумов квантования в зависимости от уровня сигнала (рис. 4.20). Такая неравномерность усиления (квантования) должна учитываться при проведении ряда измерений (например, при анализе АЧХ составного канала методом простого одночастотного тестирования). Анализ параметров усиления (квантования) должен выполняться при анализе работы компандера.

Рис. 4.19. Характеристика компандера по А- Рис. 4.20. Неравномерное усиление шумов закону квантования при компандировании сигнала (А-закон) Особенности усиления шумов должны учитываться особенно при измерении отношения сигнал/шум в канале. Для одночастотного сигнала отношение сигнал/шум определяется маской G.714 (рис. 4.21). В случае стимуляции канала шумовым сигналом с гауссовым распределением, отношение сигнал/шум различается для аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований (рис. 4.22).

44

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Рис. 4.21. Характеристика отношения Рис. 4.22. Характеристика отношения сигнал/шум (S/N) для компандера А-закона сигнал/шум (S/N) для компандера А-закона и тестового сигнала в виде Гауссова шума и одночастотного тестового сигнала 4.9.4. Методология измерений А-Ц (аналог-цифра) Различные методы А-Ц и Ц-А измерений используются обычно для оптимизации тестирования методами полуканальных измерений. Действительно, если тестовый сигнал можно генерировать в аналоговой форме, а анализировать в цифровой, для некоторых приложений

такие

измерения

представляют

собой

возможность

повышения

эффективности измерений, в особенности при анализе ИКМ-преобразований и мультиплексорного оборудования. Влияние процессов квантования в этом случае является существенным при разработке методики пересчета данных полуканальных тестов в результаты анализа на всем канале.

аналог

Тх

Цифровой канал

Полуканальные измерения А-Ц

Rх

аналог

Полуканальные измерения Ц-А Измерения А-А на всем канале

Рис. 4. 23. Метод полуканальных измерений

45

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Рассмотрим методологию полуканальных измерений по принципу А-Ц или Ц-А, представленную на схеме рис. 4.23. В качестве примера методики пересчета результатов рассмотрим измерение параметра усиления на участках А-Ц и Ц-А. Казалось бы естественным предположить, что измеренное усиление на участке А-А является суммой усилений, измеренных на участках А-Ц и Ц-А. однако, из-за наличия неравномерности квантования в АЦП/ЦАП ИКМ-канала это не так. Дело в том, что устройства АЦП/ЦАП измерительного цифрового прибора (см. рис. 4.16) должны выполнять преобразование аналоговых сигналов в цифровые и обратно по линейному закону (без компандирования). Иначе такой цифровой прибор потеряет свою универсальность, например, с его помощью уже невозможно будет проконтролировать характеристику компандера ИКМ-канала. Таким образом, при выполнении измерений на половине канала (А-Ц или Ц-А) необходимо учитывать наличие в составном канале квантованного усиления и квантовых шумов. В качестве еще одного полезного результата рассмотрения возможности измерений с аналоговой

и цифровой стороны ИКМ-преобразователей можно привести сводную

таблицу параметров аналоговых и цифровых каналов, которые могут анализироваться в разных комбинациях измерений А-Ц (табл. 4.8). ТАБЛИЦА 4.8. Типичные измерения параметров ИКМ-преобразователей Вид измерения

Комбинация измерений Измерения А-А А-Ц Ц-А Ц-Ц уровня частоты времени Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х уровень Х Х

Затухание Уровень Максимальный кодирования Смещение по кодеру Нарушение связности канала Перекрестные помехи Шум незанятого канала Неравномерность запаздывания Монитор цикловой структуры Параметр ошибок Анализ сигнализации

Х

Х Х

Х Х

Х Х Х

Х Х Х

Х Х Х

Х Х Х Х

Х Х

Х

Х

Х Х

Х Х

46

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ (Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1999, 196 с., гл.7) 5.1. Понятие джиттера, его классификация и влияние на параметры качества цифрового канала Переход к цифровым методам передачи и коммутации помимо преимуществ, обусловленных новыми технологиями связи, вызвал множество проблем, специфически связанных с принципами передачи сигналов в цифровом виде. Новым и очень важным классом задач в теории и практике цифровых телекоммуникаций являются задачи дискретизации и восстановления сигналов, синхронизации сети и ее стабильности. В этом разделе нас будет интересовать методология измерений параметра, непосредственно связанного с тестированием систем синхронизации - джиттера. Джиттером или фазовым дрожанием называется явление фазовой модуляции принимаемого сигнала (как аналогового, так и цифрового). На практике получили распространение два основных подхода к определению джиттера - в терминах фазы и в терминах частоты. Учитывая, что параметры частоты и фазы связаны простым соотношением, оба подхода эквивалентны. Подход к описанию джиттера в терминах фазовой нестабильности принимаемого цифрового сигнала является распространенным теоретическим описанием процесса. Распространение этого подхода привело к появлению определений джиттера как фазового дрожания. Однако для целей практического измерения параметров джиттера, его рассмотрение в терминах фазы оказалось неудобным, что связано объективными трудностями фазовых измерений. В результате появилось прикладное рассмотрение джиттера как вариации частоты принимаемого сигнала. В этом случае основными параметрами джиттера становятся его амплитуда и частота. Такое рассмотрение получило широкое практическое применение в методиках измерений и в технологии анализа результатов. Естественно, вариации фазы связаны с вариациями частоты интегральным соотношением, поэтому оба рассмотрения в этом смысле эквивалентны. В дальнейшем рассмотрение параметров будет строиться в терминах частоты. Рассмотрим функцию нестабильности частоты принимаемого цифрового сигнала (рис. 5.1). 1

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

частота

время

Рис. 5.1. Нестабильность частоты принимаемого цифрового сигнала Как известно, частота принимаемого сигнала характеризуется своим средним значением f и девиацией ∆f. Предположим, что имеет место модуляция, при которой изменение частоты происходит периодически с периодом Т. Тогда, связав частоту модуляции с периодом изменения частоты fd = 1/Т , различают два типа изменений частоты: • быстрые колебания частоты, характеризующиеся fd > 10 Гц и получившие название собственно джиттера (в отечественной терминологии фазового дрожания); • медленные колебания частоты с fd < 10 Гц, получившие название вандера (в отечественной терминологии дрейфа фазы). Необходимость разделения девиации частоты на джиттер и вандер связана с тем, что эти два параметра обычно возникают вследствие разных причин и по-разному влияют на параметры качества цифровой передачи. В современной технологии получила распространение практика измерения амплитуды джиттера в единицах времени: абсолютных (обычно, в микросекундах) или в приведенных единицах - единичных интервалах (Unit Interval - UI). Единичным интервалом называется время, необходимое для передачи одного бита информации при заданной скорости передачи. Иными словами: J = 1/∆f, [мкс]; J=∆fT = ∆f / fd, [UI]. В дальнейшем, по возможности, мы будем использовать приведенные единицы как наиболее часто встречающиеся. Рассматривая влияние джиттера на параметры качества сигналов современных телекоммуникаций, необходимо отметить, что это влияние проявляется в двух направлениях. • В случае передачи оцифрованного аналогового сигнала наличие джиттера приводит к

2

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

тому, что восстановленный сигнал оказывается неравномерно дискретизированным, что может привести к значительным нарушениям в структуре аналогового сигнала. В основном такое влияние джиттер оказывает на параметры систем с частотным разделением

И

аналоговые каналы сетей IDN. Учет влияния джиттера в этом случае

зависит от его структуры: регулярный или нерегулярный джиттер. В случае постоянного (регулярного) джиттера, обусловленного обычно процессами мультиплексирования и регенерации, его влияние предсказуемо, носит аддитивный характер и компенсируется регенераторами и мультиплексорами. Нерегулярный (случайный) джиттер не может быть скомпенсирован и рассматривается как аддитивный шум. Исследования показали его связь с параметрами теплового шума и возможность накопления по мощности в составном цифровом канале. Наиболее существенным считается процесс накопления регулярного

джиттера,

поскольку

регулярный

джиттер

аккумулируется

быстрее

нерегулярного. • При передаче данных в цифровой форме джиттер, непосредственно связанный с нарушениями в синхронизации цифрового потока, приводит к двум эффектам: - в процессе регенерации, нарушения в синхронизации приводят к флуктуациям моментов

времени

считывания

дискретов

относительно

моментов

времени,

соответствующих максимальному уровню сигналов на выходе демодулятора. В результате, снижается пороговый уровень работы по шумам, что приводит к появлению битовых ошибок. С точки зрения принятого нами разделения, такое влияние в большей степени связано с джиттером (не вандером); - на выходе асинхронных мультиплексоров (т.е. на входе в коммутационную станцию) наличие джиттера в системе синхронизации может привести к переполнениям эластичных буферов и проскальзываниям с потерями цикловой синхронизации, что приводит к значительной деградации качества связи. Обычно проскальзывания вызываются вандером. 5.2. Причины возникновения джиттера и его типы Существует несколько основных причин возникновения джиттера, которые влияют на его структуру и воздействуют на параметры качества систем связи. В частности, возникновение в системе регулярного и нерегулярного джиттера обусловлено различными причинами.

3

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

5.2.1. Регулярный и нерегулярный джиттер, связанный с внешними условиями Регулярный (системный) джиттер обычно коррелирован с передаваемыми последовательностями битов. Поскольку задержки при передаче сигналов в скремблерах и кодерах обычно зависят от типа принимаемой/передаваемой последовательности, процессы в мультиплексорах и регенераторах могут вызывать регулярный джиттер. Второй причиной возникновения регулярного джиттера могут быть нарушения в канале передачи, в частности связанные с наличием перекрестным помех, которые также вносят регулярный,

коррелированный

с

последовательностями

битов

джиттер.

Обычно

регулярный джиттер в этом случае возникает при неправильной работе эквалайзеров (появление межсимвольной интерференции) или нарушениях в настройке цепей восстановления данных и характерен в большей степени для радиочастотных систем передачи. Нерегулярный джиттер обычно обусловлен электромагнитным воздействием и помехами от внешних источников сигнала, таких как шум, отражения, перекрестные помехи или помехи по цепям питания и другим источникам ЭМП. В этом случае обычно спектр сигнала дает информацию об источнике мешающего сигнала. Интерференция с цепями питания 50 Гц и другими низкочастотными сигналами обычно легко идентифицируется, тогда как поиск источника помех от компьютерных и вычислительных систем связан с анализом в диапазоне порядка 60 МГц и представляет определенные сложности. Кроме перечисленных причин возникновения джиттера в системах связи, имеется ряд причин, непосредственно связанных с технологией цифровых телекоммуникаций. Такой джиттер возникает из-за алгоритмов, реализованных в цифровых системах передачи. Соответственно, такой джиттер является алгоритмическим. 5.2.2. Джиттер стаффинга В технологии плезиохронной цифровой передачи (PDH) принята методика выравнивания входящих в мультиплексор потоков за счет вставки битов (методика битового стаффинга), которая производится в определенные промежутки времени считывания информации из эластичного буфера. Рассмотрим детально этот процесс. Для того, чтобы процесс битового стаффинга мог работать, информация, поступающая в приемный эластичный буфер мультиплексора, принимается со скоростью, меньшей 4

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

скорости передачи. Поэтому двумя основными принципами битового стаффинга являются: 1. скорость считывания из приемного эластичного буфера должна быть больше скорости записи в буфер; 2. вставка битов (стаффинг битов) должна производиться в заранее установленные интервалы времени для обеспечения эффективного удаления стаффинговых битов. В результате, битовый стаффинг приводит к тому, что даже в случае, если входящий

в

мультиплексор

поток

был

идеально

дискретизирован,

на

выходе

мультиплексора поток будет содержать значительный джиттер выравнивания (justification jitter). Этот джиттер компенсируется на приемной стороне эластичным буфером приемника, принцип работы которого основан на использовании петли ФАПЧ. После удаления

стаффинговых

битов

ФАПЧ

подстраивается

под

среднюю

скорость

принимаемой информации и производит считывание с этой скоростью. Для наиболее полной компенсации стаффингового джиттера используются узкополосные петли ФАПЧ. Однако, несмотря на узкополосность петли ФАПЧ имеют конечную полосу, поэтому поток на выходе содержит стаффинговый джиттер, обычно имеющий регулярную структуру. Помимо описанного случая возникновения джиттера, на практике джиттер в системах PDH имеет более сложную структуру, связанную с алгоритмом внесения стаффинговых битов только в определенные временные интервалы, которые могут не совпадать с кратностью разности скоростей. В качестве примера процессов, происходящих в приемном буфере, рассмотрим передачу/прием цифрового потока в системе PDH в случае, если частота вставки стаффинговых битов кратна разности частот приема/передачи приемного буфера мультиплексора. В этом случае имеем стаффинг с отношением S, выражаемом в виде дроби с числителем 1 (рис. 5.2). При этом стаффинг равномерный и, обычно, в приемном демультиплексоре

хорошо

компенсируется.

Выходящий

поток

будет

содержать

стаффинговый джиттер, обусловленный только конечной полосой петли ФАПЧ.

5

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

Опорная фаза

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Порог по стаффингу 1 UI

Рис. 5.2. Стаффинг с отношением S = 1/3 В случае если частота вставки не кратна разности частот приема/передачи, знаменатель

стаффингового

отношения

будет

выражаться

дробным

числом.

В

зависимости от того, находится ли дробная часть {S} в пределах 0≤{S}≤0.5 или 0.5≤{S}≤1 структура стаффинга будет различной (рис. 5.3). Таким

образом,

если

стаффинговое

отношение

не

является

простым

целочисленным отношением, что является более вероятным, к стаффинговому джиттеру добавляется джиттер, обусловленный некратностью скоростей или джиттер ожидания (Waiting-Time jitter). Его пиковая амплитуда обычно равна Jmax=(n-1)/m для отношения S = п/т. Опорная фаза

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2

3

4

5

6

7

8

9

Порог по стаффингу 1 UI Макс. амплитуда джиттера, обусловленного некратностью

Опорная фаза

0

1

Порог по стаффингу 1 UI Макс. амплитуда джиттера, обусловленного некратностью

Рис. 5.3. Стаффинг с отношением {1/S}=3/7 (сверху) и {1/S}=4/7 (снизу).

6

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

5.2.3. Джиттер в системах SDH. Джиттер по смещению указателей и джиттер загрузки Технология SDH предусматривает использование для процессов выравнивания скоростей алгоритма смещения указателей, что можно рассматривать как процедуру байтового стаффинга (поскольку размер указателя составляет один байт или восемь битов). Смещение указателя приводит к появлению импульсного джиттера в 24 бита (в настоящее время смещаются сразу все (три) байта указателя). Затем этот джиттер компенсируется компонентами системы. Такой джиттер называется джиттером по смещению указателей (pointer jitter). Для компенсации рассинхронизации входящего потока при загрузке плезиохронного трафика в виртуальный контейнер SDH используется часть заголовка - указатели. В случае необходимости увеличить количество цифровых данных, загружаемых в один контейнер (вариант, когда скорость принимаемых данных выше стандартной), из указателя удаляется один байт (теперь 3) и вместо него загружаются данные. Такое смещение указателей называется отрицательным смещением. Если принимаемый мультиплексором

поток

имеет

скорость

ниже

стандартной,

для

компенсации

рассинхронизации необходимо уменьшить количество цифровых данных, загружаемых в один контейнер. В этом случае в поле полезной нагрузки вставляется указатель. Такое смещение указателя называется положительным смещением. Указание на смещение указателя передается в составе указателя предыдущего указателя. В результате при выгрузке плезиохронного трафика смещение указателя будет эквивалентно всплеску джиттера на 24 UI. Этот импульсный джиттер должен быть компенсирован частично мультиплексором ввода/вывода (МВВ), однако полностью компенсировать джиттер практически невозможно, и он сохраняется в передаваемом по сети SDH трафике. Кроме джиттера по смещению указателей, в системах SDH имеет место джиттер загрузки (mapping jitter), который связан с процессами стаффинга, имеющего место при загрузке плезиохронного сигнала в систему SDH. В процессе выгрузки сигнала PDH из SDH возникает джиттер загрузки, аналогичный джиттеру PDH. 5.3. Необходимость измерений джиттера Методология измерений джиттера и вандера до сих пор находится в стадии 7

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

формирования. Если параметры ошибки в цифровом составном канале могут быть легко рассчитаны, то процессы формирования и передачи джиттера в составном цифровом канале, несмотря на глубокие исследования в этой области, до сих пор до конца не разрешены. В связи с этим возникает необходимость практического изучения норм на джиттер в составном канале, а также исследования реальных ситуаций и процессов на сетях. Кроме этого, в последнее время с развитием систем SDH потребовалось дополнительное исследование процессов формирования алгоритмического джиттера и анализ допустимых норм на уровень алгоритмического джиттера в системах SDH. Сложность методологии измерений джиттера привела к полемике относительно необходимости эксплуатационных измерений этого параметра при обслуживании сетей связи. Для обоснования необходимости измерений джиттера следует отметить, что этот параметр, также как и параметры фазовой стабильности и фазовых шумов, представляет большое значение для современных телекоммуникаций. Как говорилось выше, джиттер в системе передачи может привести к существенному снижению устойчивости работы системы передачи к шуму и привести к увеличению параметра BER. Если тестирование параметра по BER дает в этом случае лишь индикационное понимание типа "хорошее/плохое качество", то измерения джиттера обеспечивают поиск и обнаружение причины деградации качества. Безусловно, джиттер здесь выступает как вторичный параметр по отношению к основному параметру качества - BER, однако данные измерений джиттера могут быть использованы для превентивных мер по обеспечению качества цифровой передачи. В некоторых случаях высокий уровень джиттера приводит к сбою в цепях ФАПЧ приемников, в результате возникают битовые ошибки в виде отдельных ошибок или даже последовательностей ошибок разной длины. В этом случае измерения уровня джиттера обеспечивают непосредственную локализацию причины деградации качества. Наконец, одним из эффектов накопленного в составной системе передачи джиттера является то, что его воздействие на параметры системы передачи могут не проявляться в течение долгого времени. В результате небольшое увеличение джиттера или изменение другого параметра приводит к резкому ухудшению параметров качества. Такой эффект порогового воздействия параметров вообще характерен для цифровых систем передачи, но особенно он существенен для джиттера. Противники измерений джиттера выдвигали следующие аргументы в защиту своей позиции. 8

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

1. Джиттер в цифровых системах передачи является вторичным параметром и связан с параметром качества цифровой передачи только косвенно. 2. Наибольшая полемика велась относительно возможных превентивных мер при обнаружении джиттера. Действительно, можно ли каким-либо способом устранить последствия джиттера? Что должен делать оператор, если он обнаружил джиттер в канале, не соответствующий норме? Вероятный ответ - ничего. Действительно, если джиттер приводит к ошибкам в цифровой системе передачи, это означает, что приемные петли ФАПЧ не обеспечивают достаточной устойчивости к джиттеру в канале, решением здесь может быть либо устранение джиттера, либо замена петли ФАПЧ. Ни то, ни другое в реальной практике невозможно. 3.

Алгоритмический

джиттер

в

системах

PDH

и

SDH

вызван

процессами

рассинхронизации входящих потоков в мультиплексоры ввода/вывода. Поэтому можно рассматривать джиттер как вторичный параметр по отношению к параметрам системы синхронизации. В результате возникла концепция "измерения системы синхронизации вместо измерений джиттера". 4. Особенно острая полемика относительно необходимости измерений джиттера велась при разработке методологии эксплуатационных измерений систем SDH. Здесь джиттер намного выше, чем алгоритмический джиттер, связанный с битовым стаффингом, и имеет ярко выраженную импульсную структуру при сильном воздействии на параметры системы цифровой передачи. Суть вопроса состояла в том, необходимо ли его мерить непосредственно как параметр сигнала или достаточно измерить уровень смещения указателей, непосредственно связанный с параметром джиттера, а затем пересчитать полученный результат в уровень джиттера на выходе. Трудности анализа полемики связаны еще и с тем, что она велась в основном компаниями, реализовавшими и не реализовавшими возможности измерений джиттера в своих приборах и системах, таким образом, эту полемику трудно было назвать объективной. Следует отметить, что обе стороны не отрицали актуальности контроля джиттера как параметра функционирования современной цифровой системы передачи. Вопрос состоял в целесообразности измерений джиттера при эксплуатации, когда необходимо измерять не все наиболее существенные параметры, а только те, которые должны помочь оператору в обслуживании сети. Важность джиттера как эксплуатационного параметра как раз и была поставлена под сомнение. Защитники концепции измерений джиттера доказывали необходимость эксплуатационных измерений этого параметра, противники 9

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

измерений отводили измерениям джиттера область системных измерений вместе с измерениями фазовой стабильности и параметров фазовых шумов. Также необходимо отметить, что относительно необходимости эксплуатационных измерений вандера такой полемики не было, поскольку сама методология измерений вандера достаточно проста и может быть реализована в портативных эксплуатационных тестерах. Как обычно, в таких случаях вопрос был решен рыночными методами - в настоящее время на международном рынке присутствуют оба класса приборов: мощные анализаторы с функцией анализа джиттера и портативные эксплуатационные приборы с функцией измерения только вандера. Наличие на рынке обоих классов оборудования дает возможность операторам выбирать между функциональностью и стоимостью. В отечественной практике полемики относительно эксплуатационных измерений джиттера не было. При разработке норм на параметры каналов PDH и SDH джиттер был включен как обязательный параметр измерений. Это привело к ряду негативных явлений: • часть оборудования международных фирм - производителей оказалась выброшенной с рынка России, что повлекло за собой монополизм оставшихся нескольких фирм; • операторы были вынуждены для проведения измерений закупать мощные анализаторы, что не для всех операторов оказалось возможным. В результате многие операторы вынуждены были вообще отказаться от измерений параметров PDH/SDH, хотя могли бы выполнить более 80% измерений с использованием портативных приборов. 5.4. Общая методология измерений джиттера Рассматривая общую методологию измерений джиттера, необходимо еще раз отметить, что она до сих пор не установилась, в этом разделе мы рассмотрим некоторые принципы методологии измерений, которые наиболее часто используются в современной практике. Как было описано выше, основными параметрами джиттера являются амплитуда и частота. Джиттер измеряется как пиковая величина отклонения фазы (частоты), приведенная к длине периода передачи данных. Основной единицей джиттера является единичный интервал UI. Использование относительных единиц UI позволяет сравнивать параметр джиттера для каналов различных уровней иерархии PDH/SDH. Для точного измерения джиттера необходимо точно определить ширину полосы измерений. В противном случае невозможно оценить влияние джиттера на параметры 10

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

системы передачи в силу различных на разных частотах свойств прохождения джиттера по

каналам

связи

и

различной

степени

воздействия

на

информационные

и

синхронизирующие сигналы. Наиболее естественным способом организации измерений джиттера в этом случае можно было бы считать спектральный анализ джиттера с использованием частотно-селективного приемника. Однако такой метод измерения джиттера не нашел распространения в практике эксплуатационных измерений, так как его реализация в приборах оказалась слишком дорогой. В настоящее время метод спектрального анализа используется в нескольких измерительных системах для лабораторного анализа джиттера. В практике эксплуатационных измерений получила распространение методика, состоящая из двух измерений, различающихся используемыми фильтрами. Этот метод измерений дает меньше информации о джиттере, чем спектральный анализ джиттера, однако он позволяет получить важные результаты и экономически более эффективен. Метод был одобрен ITU-T, который разработал рекомендации по параметрам фильтров. Для проведения измерений были определены фильтры, обеспечивающие измерения низкочастотных и высокочастотных компонентов джиттера (фильтры НР1 и НР2 соответственно). Параметры фильтров представлены на рис. 5.4.

1K

10K

1000K

1K

10K

1000K

Рис. 5.4. Фильтры, использующиеся при измерениях джиттера При измерениях джиттера различают измерения: •

собственного джиттера системы передачи;

•

максимально допустимого джиттера (MTJ);

•

передаточной характеристики джиттера (JTF). Отдельной группой измерений являются измерения вандера. Ниже эти группы измерений будут рассмотрены подробно.

11

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

5.5. Устройство анализатора джиттера Структурная схема анализатора джиттера представлена на рис. 5.5.

Выход демодулятора Внешний сигнал

Конвертор данные/син хронизация

Фазовый детектор

Внешняя

Внешняя синхронизац ия (для измерений вандера)

Фильтр (HP-LP)

пиковый детектор

дисплей

Внутр.

ФАПЧ (внутр. генератор синхронизации)

ФАПЧ

Фильтр LP 10 Гц

TIE, MTIE

Рис. 5.5. Устройство анализатора джиттера (вандера) Внешний

сигнал,

содержащий

джиттер,

может

содержать

длинные

последовательности нулей. Поэтому на входе анализатора джиттера ставится конвертор данные/сигнал синхронизации, который преобразует произвольный цифровой сигнал в сигнал

с

регулярно

последовательность

изменяющимся

1010).

В

основе

состоянием устройства

(например, конвертора

альтернативную лежит

принцип

быстродействующей петли ФАПЧ. В результате конвертор обеспечивает выделение информации о джиттере на фазовом детекторе, однако сам конвертор вносит собственный джиттер

некоторого

уровня.

Для

измерения

джиттера

используется

опорный

фазостабильный сигнал. Для его первичной обработки в состав анализатора включена медленная петля ФАПЧ, определяющая фазу внутреннего генератора синхросигнала (опорного сигнала фазового детектора). Зависимость параметра джиттера от времени получается путем простого сравнения фаз двух сигналов. Полученная информация фильтруется, данные о положительном и отрицательном джиттере обрабатываются отдельно. ФВЧ 10 Гц выделяет сигнал для измерения вандера. Для обнаружения импульсного джиттера в системах SDH используется цифровая фильтрация с высоким

12

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

разрешением. Некоторые компании используют аналоговые фильтры джиттера. В

ЭТОМ

случае время обработки данных сильно увеличивается, точность измерений уменьшается, вероятна ситуация, когда анализатор, построенный на таком принципе, не обеспечивает измерения импульсного джиттера. Обычно функция зависимости джиттера от времени доступна для дальнейших процессов обработки с выхода демодулятора. В этом случае подключение селективного милливольтметра или анализатора спектра к выходу демодулятора дает возможность точного спектрального анализа джиттера. 5.6. Измерение собственного джиттера системы передачи Собственным джиттером системы передачи называется уровень джиттера на выходе системы при наличии фазостабилизированного сигнала (сигнала без джиттера) на входе системы. Нормы на уровень собственного джиттера в цифровых системах передачи PDH/SDH определяется ITU-T в рекомендациях G.823, G.783 и G.825. Собственный джиттер в цифровой системе передачи должен находиться в пределах маски на джиттер, представленной на рис. 5.6. Нормы на параметры маски зависят от уровня иерархии канала и представлены в соответствии с перечисленными рекомендациями в табл. 5.1. Как видно из рисунка и таблицы, допустимый уровень собственного джиттера на высоких частотах в цифровых системах передачи довольно низкий.

Амплитуда джиттера А0 (UIPP) (peak-to- А1 peak) А2 f0

f1

f2

f3

f4

Частота джиттера

Рис. 5.6. Маска на нормы уровня собственного джиттера в цифровой системе передачи Измерения собственного джиттера могут относиться к каналу или участку цифровой системы передачи и отдельному устройству.

13

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

ТАБЛИЦА 5.1 Нормы на параметры маски рис. 5.6. в зависимости от скорости передачи Скорость, кбит/с

UIрр

UIрр

f1, кГц

f2, кГц

f3, кГц

F4, кГц

от f1 до f2 от fЗ до f4 рекомендация G.823 (для систем PDH)

2048

1,5

0,2

0,02

2,4

18

100

8448

1,5

0,2

0,02

0,4

3

400

34368

1,5

0,15

0,1

1,0

10

800

139 264

1,5

0,075

0,2

5

10

3500

рекомендация G.783 (для систем SDH) 2048

0,4

0,075

0,02

2,4

18

100

8448

0,4

0,075

0,1

1,0

10

800

139264

0,4

0,075

0.2

5

10

3500

рекомендация G.825 (для систем SDH) STM-1

1,5

0,15

0,5

65

1300

STM-4

1,5

0,15

1

250

5000

STM-16

1,5

0,15

5

1000

20000

(STM – синхронный транспортный модуль – стандартный цифровой канал в системе SDH) Измерения собственного джиттера выполняются с использованием сигнала реальной или имитируемой нагрузки. Наиболее часто измерения выполняются с имитацией реальной нагрузки. В этом случае в качестве имитирующего сигнала используется сигнал ПСП. В результате возникают широкие возможности совмещения измерений джиттера и измерений параметра ошибки с отключением канала. Наиболее часто такая технология измерений используется при проведении приемо-сдаточных испытаний каналов системы передачи. Измерения

собственного

джиттера

с

использованием

реальной

нагрузки

выполняются обычно при эксплуатационном мониторинге каналов. Целесообразность измерений с реальной нагрузкой объясняется тем, что при этих измерениях исключается фактор влияния генератора ПСП на параметр джиттера. Метод измерения заключается в демодуляции джиттера нагрузки на выходе сетевого стыка, его избирательной фильтрации и измерении эффективного или амплитудного значения синусоидального джиттера. Схема организации измерений представлена на рис. 5.7. Дополнительный 14

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

синтезатор, показанный на рис. 5.7, служит для более точного определения используемых при измерении частот. Дополнительный анализатор спектра обеспечивает детальный спектральный анализ выходного джиттера.

Реальный трафик

Измеряемый тракт

Приемник цифрового сигнала

Генератор цифрового сигнала

Измеряемое оборудование

Анализатор джиттера

Измерительный фильтр

вольтметр Синтезатор частоты

Анализатор спектра

Рис. 5.7. Схема организации измерений собственного джиттера Основным фактором влияния на измерения параметров собственного джиттера является влияние самого измерительного прибора на результат. Как было показано выше, измеряемые параметры джиттера могут быть очень малыми, поэтому основным требованием, предъявляемым к анализатору джиттера, является малый уровень собственного джиттера. Современный дизайн цепей позволяет достичь высокой фазовой стабильности модулей анализатора - порядка 1 mUI. Некоторые фирмы - производители в качестве анализаторов джиттера используют анализаторы с собственным джиттером в 50 mUI и более. Такой собственный джиттер не дает возможности проведения реальных измерений джиттера системы. Собственный уровень джиттера оказывает сильное влияние на результаты измерений. Проблема заключается в том, что собственный джиттер прибора и измеренный джиттер системы передачи суммируются сложным образом в зависимости от спектра и фазы сигнала. Современный уровень технологии не позволяет создать анализатор с параметром собственного джиттера, равным 0 UI, поэтому собственный джиттер прибора всегда влияет на результаты измерений. Для компенсации собственного джиттера прибора ряд фирм - производителей используют программные вычислительные

15

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

процедуры при обработке данных. Такой метод оказывается неэффективным, поскольку измеряемый джиттер зависит не только от качества цепей анализатора, но и от цикловой структуры потока и состава сигнала нагрузки. В результате методика программной компенсации приводит к значительной погрешности измерений, ошибкам при измерении, невоспроизводимости результатов. Таким образом, единственным способом достижения точности при измерениях джиттера является высокое качество анализатора, обеспечивающего малый уровень собственного джиттера. Это основная причина того, что измерения джиттера резко увеличивают стоимость анализатора и его габариты. Реализовать в должной мере измерения джиттера в портативных и дешевых приборах оказывается практически невозможным. 5.7. Измерение максимально допустимого джиттера Проверка работоспособности цифрового канала или тракта при максимально допустимом входном джиттере (Maximum Tolerable Jitter - MTJ) производится путем подачи на вход канала измерительного сигнала с заданным уровнем джиттера. Значение и частота стрессового джиттера устанавливаются в соответствии с нормами на максимально допустимый

размах

синусоидального

фазового

дрожания

на

входе.

Измерения

производятся на выходе канала или тракта при одновременном измерении параметра ошибки. Схема измерения допустимого значения джиттера на входе цифрового канала, тракта или аппаратуры представлена на рис. 5.8. Параметр MTJ определяется как амплитуда синусоидального джиттера, который, будучи поданным на вход тракта или аппаратуры, вызывает заданное ухудшение показателя ошибок. Поэтому основу схемы измерений, представленную на рис. 5.8, составляет генератор цифровых сигналов (обычно генератор ПСП), на вход которого подается сигнал от синтезатора с преобразованием АМ/ФМ, что эквивалентно внесению джиттера. На выходе принимаемый цифровой поток измеряется при помощи анализатора цифрового канала с фиксированием ошибок в канале. Методика измерений довольно проста. • На измеряемое оборудование/канал подается тестовый сигнал (обычно ПСП) с внесенным джиттером на определенной частоте. • Затем амплитуда вносимого джиттера варьируется, а на выходе измеряемого 16

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

оборудования/канала измеряется параметр ошибки. • По одному из описанных ниже критериев делается вывод о максимально допустимом джиттере для данной частоты. • Измерения повторяются для другой частоты. • В результате получается зависимость амплитуды максимально допустимого джиттера (MTJ) от частоты для данного измеряемого оборудования, которая и является предметом измерений.

Хронирующий сигнал

Генератор шума

Синтезатор частоты

Синтезатор частоты с АМ/ФМ

сумматор

аттенюатор

Генератор джиттера

Тестируемое оборудование

Генератор цифровых сигналов (ПСП)

Анализатор джиттера

Приемник цифровых сигналов

Рис. 5.8. Схема организации измерений параметра MTJ (по критерию увеличения BER) Нормированное ухудшение показателя ошибок может выражаться в виде двух критериев: увеличения коэффициента ошибок по битам (BER) и момента появления ошибок. При проведении измерений необходимо рассмотреть оба критерия, поскольку допуск на входное фазовое дрожание измеряемого объекта определяется, в основном, двумя факторами: • способностью схемы восстановления синхросигнала точно восстанавливать этот сигнал из информационного потока с джиттером и, возможно, с другими ухудшениями качества (искажение импульсов, переходное влияние, шум и т.д.). Для определения MTJ по этому фактору необходимо подключить к входу генератора джиттера восстановленный синхросигнал с соответствующего выхода тестируемого оборудования; • способностью выдерживать динамически меняющуюся скорость входного цифрового информационного сигнала.

17

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

Критерий увеличения BER позволяет определять воздействие джиттера на схему восстановления хронирующего сигнала приемника, что очень важно для оценки первого фактора. Критерий появления ошибок рекомендуется для оценки второго фактора. Ниже рассмотрим оба метода. 5.7.1. Метод по критерию увеличения параметра BER Критерий увеличения BER для измерений MTJ определяется как амплитуда джиттера (на заданной частоте), удваивающего BER, что обусловлено определенным уменьшением отношения сигнал/шум. Процедура метода разделяется на два этапа. На первом этапе определяются два значения BER в зависимости от отношения сигнал/шум в эталонных точках измеряемого канала. При нулевом джиттере к сигналу добавляется шум или сигнал ослабляется до получения нужного первоначального BER. Затем шум или затухание сигнала снижается до момента, когда BER уменьшится в 2 раза. На втором этапе на определенной частоте в испытательный сигнал вводится джиттер до момента получения первоначально выбранного значения BER. Введенный эквивалентный джиттер представляет собой точную и воспроизводимую меру параметра MTJ. Второй этап метода повторяется для достаточного количества частот, чтобы измерение точно показывало постоянный допуск синусоидального входного джиттера для испытываемого объекта в используемом диапазоне частот. Измерительное устройство должно обеспечивать генерирование сигнала с изменяемым джиттером, получение необходимого отношения сигнал/шум в информационном сигнале и измерение BER испытываемого объекта. На рис. 5.8 представлена схема измерения, применяемая для метода по критерию увеличения BER. Аппаратура, обозначенная пунктирными линиями, используется дополнительно. Дополнительный частотный синтезатор обеспечивает более точное определение частот, используемых для измерения. Дополнительный анализатор джиттера может применяться для контроля амплитуды вырабатываемого фазового дрожания. 5.7.2. Метод с использованием критерия появления ошибок Критерий появления ошибок для измерения MTJ определяется как наибольшая амплитуда джиттера на заданной частоте, обеспечивающая в конечном счете не более двух секунд с ошибками. Секунды суммируются в последовательных 30-секундных 18

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

интервалах, в течение которых амплитуда джиттера возрастала. Рассматриваемый метод заключается в изменении частоты вносимого джиттера и в определении критической амплитуды допустимого джиттера для каждой частоты и амплитуды фазового дрожания испытательного сигнала, обеспечивающего соблюдение критерия появления ошибок. Метод включает в себя следующие операции: • исключение «переходной области» амплитуды джиттера, в которой прекращается безошибочная работа; • измерение отдельных секунд с ошибками в течение 30 с для каждого увеличения амплитуды джиттера, начиная с "переходной области"; • определение для каждой частоты наибольшей амплитуды джиттера, при которой суммарное число секунд с ошибками не превышает двух. Процесс повторяется для числа частот, достаточного для того, чтобы измерение точно отражало допустимый для испытываемого объекта синусоидальный входной джиттер в заданном диапазоне частот. Анализатор при этом должен вырабатывать сигнал с управляемым джиттером и измерять количество секунд с ошибками, обусловленных этим джиттером (схема на рис.5.9.).

Анализатор MTJ Генератор тестового сигнала

Измеритель ошибок

Тестируемое оборудование

Генератор джиттера

Рис. 5.9. Схема организации измерений параметра MTJ (по критерию появления ошибок)

5.7.3. Структура маски MTJ Рассмотрим форму маски на максимально допустимый уровень джиттера (MTJ) и различные факторы, влияющие на ее форму. В большинстве анализаторов (MTJ) форма маски задается самим оператором в зависимости от типа измеряемого оборудования. Сделаем это на примере мультиплексора/демультиплексора ввода/вывода системы PDH, схема которого представлена на рис. 5.10. 19

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

Мультиплексор Побитовое чередование.

Сигнал идентификации цикла (Frame Alignment Signal – FAS) и сигналы управления Базовый сигнал 2048 кбит/с (1)

Ссылка вызова (call reference CR)

Буферная память (BS)

стаффинг

Тактовый генератор 8448кГц

8448 кбит/с

Восстановление такта ...

Такт считывания 2112 кГц

...

Базовый сигнал 2048 кбит/с (4)

Ссылка вызова (call reference CR)

Буферная память (BS)

стаффинг

Демультиплексор Восстановле ние такта. Анализ FAS.

8448 кбит/с

Побитовое размещение

данные

данные Буферная память

Такт записи 2112кГц такт

кодер

1 ФАПЧ

Индикатор бита выравнивания

данные 2048 кбит/с

Такт чтения 2048 кбит/с

........................ данные

данные Буферная память

Такт записи 2112кГц такт

кодер

1 ФАПЧ

Индикатор бита выравнивания

данные 2048 кбит/с

Такт чтения 2048 кбит/с

Рис. 5.10. Схема мультиплексора/демультиплексора ввода/вывода системы PDH Состав характеристики MTJ мультиплексора/демультиплексора определяется многими факторами. На низких частотах основным фактором влияния является ширина полосы

ФАПЧ

демультиплексора.

Для

увеличения

устойчивости

работы

демультиплексора к джиттеру на входе мультиплексора используется эластичный буфер. Вторая "ступенька" определяется процессами стаффинга и его вкладом в параметр джиттера. Поскольку полоса стаффинга сравнительно узкая (несколько килогерц), его влияние будет доминировать в средней зоне характеристики. Наконец, третья "ступенька"

20

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

характеристики

определяется

влиянием

цепи

восстановления

синхронизации

демультиплексора. Все три перечисленных характеристики вошли в состав требований к устойчивости к джиттеру мультиплексоров PDH. Эти требования были определены ITU-T в рекомендациях серии G.7хх. Маска MTJ ITU-T представлена на рис. 5.11.

Полоса ФАПЧ демультиплексора

Амплитуда джиттера А0

Полоса входной цепи мультиплексора

Буфер мультиплексора

Полоса подстройки мультиплексора А1

Буфер демультиплексора Полоса подстройки демультиплексора

А2

f0

f1

f2

f3

f4

Частота джиттера

Рис. 5.11. Параметр MTJ по синусоидальному джиттеру мультиплексора PDH 5.8. Измерение передаточной характеристики джиттера Передаточная характеристика джиттера (JTF – Jitter Transfer Function) определяется как приведенная разность между джиттером на выходе и джиттером на входе устройства/канала: JTF(fi)=20lg{[Jout(fi) – Jin(fi)]/ Jin(fi)} Также как и параметр MTJ, параметр JTF измеряется на определенной частоте. В качестве примера на рис. 5.12. представлена схема измерения параметра JTF мультиплексора SDH. Анализатор JTF в этом примере входит в состав анализатора SDH. Анализатор SDH Цикл STM-N

STM-N

Генератор джиттера Анализатор джиттера

Мультиплексор ввода/вывода Каналы Е1/Е2/Е3/Е 4

STM-N

Рис. 5.12. Схема измерений параметра JTF

21

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

Принцип организации измерений достаточно прост: во входящий цифровой поток добавляется джиттер определенной амплитуды и анализируется джиттер на выходе. Вариация частоты дает характеристику зависимости параметра JTF от частоты. На результаты измерений существенное влияние оказывают собственный джиттер устройства/канала и джиттер, вносимый анализатором JTF. В отличие от маски MTJ маска JTF представляет собой две зависимости для верхнего и нижнего уровней JTF. Реальная кривая параметра JTF должна располагаться между двумя кривыми маски (рис. 5.13.).

JTF 0 dB

f

Рис. 5.13. Вид маски параметра JTF Наличие нижней границы маски JTF объясняется характером взаимодействия джиттера в сигнале передаваемых данных и сигнале синхронизации. Битовые ошибки возникают, когда временное соотношение между данными и скоростью отсчета, определяемой из данных, нарушается. Джиттер данных в пределах полосы пропускания цепей ФАПЧ на входе системных компонентов почти полностью добавляется к синхросигналу, поэтому временное соотношение между тактом и данными сохраняется. Джиттер становится критичным, если его частоты близки к частотам раздела или выходит за пределы полосы пропускания ФАПЧ. В этом случае только часть джиттера данных передается синхросигналу, приводя к искажению временного соотношения. Очевидно, что попытки подавить джиттер на низких частотах, в полосе работы ФАПЧ, нарушат нормальную работу этих устройств.

22

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

5.9. Вопросы методологии измерений джиттера составного канала Выше рассматривалась методология измерений джиттера для простых участков цифровых систем передачи и отдельных устройств в составе таких каналов. В реальной практике обычно приходится иметь дело с составными каналами цифровых систем передачи. В этом случае практически невозможно определить точно нормы на джиттер. Это обусловлено самой природой джиттера и его связью с фазовыми характеристиками распространения сигнала. При разработке методологии измерений параметров джиттера в составном канале цифровых систем передачи обычно рассматриваются модели взаимовлияния параметров различных систем передачи. На основании анализа рассмотренных процессов разрабатываются нормы на параметры цифровой системы передачи и методология их измерений. Таким образом, общая методология измерений параметров джиттера в составном канале находится пока в стадии исследования. Можно выделить лишь несколько основных подходов к рассмотрению джиттера в составном канале. 1. При разработке норм на параметры джиттера в канале последние должны специфицироваться в зависимости от скорости цифровой передачи. 2. Джиттер не обязательно накапливается в цифровой системе по заданному закону. Некоторые устройства в цифровой системе передачи, такие как оборудование TDM (Time Division Multiplexing), мультиплексоры и т.д., могут выступать в роли компенсаторов джиттера. 3. Если джиттер во входящем потоке превышает допустимый параметр MTJ устройства, в системе могут возникнуть битовые ошибки. Поэтому при рассмотрении цифровой системы передачи необходимо рассчитывать вероятность превышения джиттером предела MTJ. 4. Длина участков цифровой системы передачи практически мало влияет на параметр джиттера, гораздо сильнее на этот параметр влияет состав системы передачи и характеристики входящих в нее устройств. Практически все перечисленные выше параметры устройств (собственный джиттер, MTJ и JTF) оказывают влияние на суммарный параметр джиттера в составном канале. 5.10. Методология измерений вандера Как уже отмечалось выше, при разработке методологии эксплуатационных 23

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

измерений на цифровых системах передачи имела место полемика относительно целесообразности измерений джиттера. Это было связано со сложностью методологии измерений и вторичным влиянием джиттера на параметры цифровой системы передачи. Важным вопросом также был вопрос об устранении последствий влияния джиттера (воздействие джиттера практически невозможно компенсировать в процессе эксплуатации системы связи). Относительно методологии измерений вандера такой полемики не было, что связано с простотой самой методологии и возможностью ее реализации в портативных приборах. Кроме этого, важность параметра вандера состоит в том, что этот параметр имеет явную эксплуатационную ценность, а последствия вандера можно компенсировать в отличие от последствий джиттера. Действительно, вандером называется изменение частоты принимаемого сигнала с большим периодом. Поскольку период изменения частоты достаточно большой, то уровень вандера может фиксироваться визуально при измерениях частоты цифровой передачи. Рассмотрим методологию измерений параметра вандера. Для этого вновь обратимся к рассмотрению процесса изменения частоты передаваемого/принимаемого сигнала (рис. 5.14). Основным результатом воздействия джиттера на цифровые устройства является сбой в работе петлей ФАПЧ и, как следствие, возникновение ошибок цифровой передачи. Исключить такие ошибки без изменения параметров ФАПЧ или устранения причины возникновения джиттера практически невозможно. В результате возникает парадоксальная ситуация, когда можно сказать, что параметр не в норме, но точно ответить, насколько он влияет на параметры качества цифровой передачи и сделать чтолибо нельзя. Как следствие, возникают определенные сомнения в ценности параметра джиттера для целей эксплуатации.

Частота

Размер эластичного буфера

Максимальная частота

f Минимальная частота Т

Время

Рис. 5.14. Влияние вандера на параметры цифровой системы передачи

24

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

В отличие от джиттера вандер приводит к переполнению буферов приемных устройств и проскальзываниям. Поскольку в случае вандера речь идет об изменении частоты принимаемого сигнала с большим периодом, невозможно каким-либо способом препятствовать прохождению вандера по цепям устройств передачи информации. Такой эффект называют "прозрачной трансляцией" вандера по сети. Основное воздействие вандера связано с системой синхронизации. Выделенный синхросигнал из принимаемого потока, содержащего вандер, может привести к существенной деградации параметров системы синхронизации, поэтому системные измерения параметров вандера делаются при анализе систем синхронизации. При

эксплуатации

цифровых

систем

передачи

анализ

вандера

делается

параллельно с анализом частоты передачи информации. Вандер в этом случае рассматривается как периодическое колебание частоты передачи. Для более детального рассмотрения влияния вандера рассмотрим механизм возникновения проскальзываний. Проскальзыванием называется повторение или исключение группы символов в синхронной или плезиохронной последовательности двоичных символов в результате различия между скоростями считывания и записи в буферной памяти. Механизм возникновения проскальзываний достаточно прост и представлен на рис. 5.15.

Цифровое устройство 1 Тактовый генератор f1

Скорость передачи f1

Цифровое устройство 2

Скорость передачи f2

Эластичный буфер

Тактовый генератор f2

Рис 5.15. Механизм возникновения проскальзываний Цифровое устройство 1 генерирует цифровой сигнал с частотой f1, этот сигнал также с частотой f1 записывается в оперативную память эластичного буфера, из которого считывается приемным цифровым устройством 2 с частотой f2. Частоты передачи и считывания определяются частотой задающих тактовых генераторов соответственно). В случае если f1>f2, буфер постепенно переполняется, что приводит к потере информации в размере емкости буфера, возникает положительное проскальзывание. Если же f1
(повторное

считывание),

что

приведет

к

ошибке

-

отрицательному

25

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

проскальзыванию. В отсутствие эластичного буфера проскальзывания возникают по мере накопления фазового сдвига сигналов передачи и приема. В этом случае в зависимости от среднего уровня рассинхронизации будут возникать битовые проскальзывания, т.е. ошибки в считывании бита. Современные цифровые сигналы в области связи структурированы (как правило, на циклы или кадры), битовые проскальзывания будут нарушать цикловую синхронизацию, в то время как с точки зрения алгоритмов взаимодействия цифровых устройств, наиболее желательным являются цикловые проскальзывания, которые приводят к потере цикла информации, однако не приводят к нарушению цикловой синхронизации. Так, например, одно битовое проскальзывание приводит в современных цифровых АТС к потере до трех циклов информации, что необходимо для восстановления цикловой

синхронизации.

Такие

проскальзывания

называются

неуправляемыми.

Эластичные буферы используются для управления проскальзываниями с целью сохранения цикловой синхронизации. Рассмотрим теперь влияние вандера. Фактически влияние вандера будет означать периодическую вариацию частоты f1 в схеме на рис. 5.15. Поскольку эта вариация периодическая, то эластичный буфер будет сначала заполняться в течение полупериода вандера, затем опустошаться. В случае большого размера эластичного буфера памяти вандер не окажет воздействия на параметры цифрового канала. Отсюда следует важный вывод: последствия вандера могут быть компенсированы путем расширения размера эластичного

буфера

памяти.

Это

является

очевидным

аргументом

в

пользу

рассмотрения вандера как важного эксплуатационного параметра, который не только позволяет обнаружить причину деградации качества связи, но и предпринять определенные меры по ликвидации такой деградации. Минимальный размер буфера, необходимый для компенсации вандера можно определить согласно T /2

H = 2 ∫ ( f 2 − f1 (t ))dt. 0

Поскольку буфер начинает заполняться с середины, в выражение введен коэффициент 2. Фактически значение интеграла соответствует площади под кривой рис. 5.14. Таким образом, вандер представляет собой важный параметр эксплуатационных измерений. Рассмотрим теперь методы его измерения.

26

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

Эксплуатационные измерения связаны с параллельными измерениями частоты принимаемого сигнала и ее вариации - вандера. В большинстве портативных анализаторов PDH до последнего времени было реализовано только измерение частоты без анализа его вариации, и только в последнее время появились несколько анализаторов с функцией измерения вандера, включающих измерение помимо частоты принимаемого сигнала еще двух параметров: максимальной и минимальной частоты за период измерений. Три параметра - текущая частота, максимальная частота и минимальная частота - позволяют оперативно идентифицировать наличие или отсутствие вандера в системе передачи. Для оценки уровня вандера используется анализ эквивалентных битовых проскальзываний, т.е. проскальзываний в пересчете на 1 бит буфера, вызванных увеличением или уменьшением частоты. Анализ периода вандера в этом случае производится визуально, по индикатору измерительного устройства. В спецификации измерений включены параметры частоты принимаемого сигнала, максимальной (MAX) и минимальной (MIN) частоты, общего количества битовых проскальзываний (CLKSLIP), положительного (+WANDR) и отрицательного (-WANDR) вандера в абсолютных единицах времени или в UI. Помимо описанных выше методов эксплуатационной оценки параметров вандера для анализа систем синхронизации получили широкое распространение методы точного анализа параметров вандера. К таким параметрам относятся ошибка временного интервала (Time Interval Error - TIE) и максимальная ошибка временного интервала (Maximum Time Interval Error - MTIE). Измерение этих параметров производится по схеме, представленной на рис. 5.5., и требует внешнего источника синхронизации, в качестве которого обычно используется лабораторный источник GPS. Сигнал с выхода фазового детектора через ФВЧ 10 Гц поступает на анализатор параметров TIE и MTIE. Рассмотрим произвольный синхросигнал, который сравнивается с эталонным (рис. 5.16). С определенным шагом дискретизации измеряется значение TIE. Параметр TIE измеряется в течение всего времени измерений Т. Введем параметр интервала измерений S, за который осуществляется оценка максимального пикового отклонения параметра TIE. Этот параметр получил название MTIE (максимальной ошибки временного интервала МОВИ). Таким образом,

27

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

MTIE = TIEmax|S − TIEmin|S.

Рис. 5.16. Отображение параметров TIE и MTIE по отсчетам с выхода фазового детектора Очевидно, что значение параметра MTIE зависит от размера интервала S. Обычно в качестве характеристики синхросигнала используется зависимость MTIE(S), которая является одной из основных характеристик источников синхронизации. Параметр TIE не представляет нормативной ценности для анализа параметров синхросигналов. Поскольку для измерений параметров MTIE обычно используются интервалы наблюдений S в 1с или более, на этот параметр оказывают влияние как вандер, так и джиттер, однако обычно амплитуда джиттера намного меньше, так что ею можно пренебречь для широкого диапазона случаев. Таким образом, основным фактором, влияющим на параметр MTIE, является вандер. Параметры TIE и MTIE определяются в международных стандартах как показано на рис. 5.17. Угол наклона пунктирной прямой на этом рисунке соответсвует разности частот синхросигнала тестируемого канала и внешнего (опорного) синхросигнала. Отклонение кривой TIE от этого пунктира соответствует нестабильности фазы тестируемого синхросигнала.

28

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 5. МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДЖИТТЕРА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

Интервал измерений Рис. 5.17. Определение параметров Т1Е и МТ1Е

29

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ВИДЕ ДИАГРАММ

6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ВИДЕ ДИАГРАММ (Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ. 1999. 196 с. Гл. 5.) Помимо достаточно хорошо известных методов представления аналоговых сигналов с использованием осциллограмм и спектрального анализа, в методологии измерений цифровых сигналов широкое распространение получило представление в виде специальных

диаграмм,

что

определяется

дискретной

природой

сигналов.

При

проведении измерений получили распространение два основных класса диаграмм: диаграммы физических параметров цифрового сигнала, к которым относятся глазковые диаграммы и диаграммы состояний, а также алгоритмические диаграммы, к которым относятся древовидные диаграммы и различные виды диаграмм Треллиса. Диаграммы физических параметров используются для анализа как простых бинарных цифровых сигналов, так и сложных сигналов современных цифровых телекоммуникаций - многоуровневых (таких как сигналы линейного кодирования ISDN и т.д.) и модулированных сигналов (применяемых в радиочастотных системах передачи и системах радиосвязи). Алгоритмические

диаграммы

используются

для

анализа

сигналов

дифференциальных модуляций и современных алгоритмов кодирования информации. Ниже будут рассмотрены принципы представления сигналов в виде диаграмм и даны принципы анализа сигналов с использованием этих диаграмм. Варианты конкретного использования диаграмм для анализа работы различных устройств и приложений будут рассмотрены в следующем разделе. 6.1. Глазковые диаграммы Для анализа параметров цифрового сигнала часто используются глазковые диаграммы. Глазковые диаграммы могут с успехом использоваться как при проведении лабораторных измерений (системное оборудование), так и для эксплуатационных измерений. По своей структуре глазковые диаграммы являются модификацией осциллограмм, с той только разницей, что используют периодическую структуру цифрового сигнала. Для построения двухуровневой глазковой диаграммы (рис. 6.1) битовый поток 1

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ВИДЕ ДИАГРАММ

подается на осциллограф, в то время как синхронизация внешней развертки производится от битового потока с частотой fb. В случае построения многоуровневых диаграмм сигнал должен проходить через многоуровневый конвертор, а синхронизация производится от символьного потока с частотой fS. Для калибровки глазковой диаграммы сигнал часто подают в обход фильтра, ограничивающего диапазон сигнала.

Генератор ПСП

Многоуров невый конвертор

данные

Прямое соединение

синхронизация

Осциллограф

фильтр Внешняя развертка

Символьная синхронизация fs Битовая синхронизация fb

Рис. 6.1. Схема построения глазковой диаграммы В этом случае возникает диаграмма в виде прямоугольника (рис. 6.2 сверху). Фильтр,

ограничивающий

полосу

передаваемого

сигнала,

вносит

существенные

изменения в форму импульса, в результате чего возникает диаграмма в виде "стандартного глаза" (на рис. 6.2 снизу - "бинарный глаз"). Как отмечалось выше, глазковые диаграммы используют периодическую структуру цифрового сигнала. За счет внешней синхронизации развертки, получаемые осциллограммы волнового фронта сигнала накладываются друг на друга с периодом одного отсчета. В результате проведения измерений с накоплением получается глазковая диаграмма, на которую по оси Y откладывается амплитуда сигналов по уровням. В качестве примера формирования глазковой диаграммы может быть использован рис. 6.2, где показан процесс формирования диаграммы цифрового бинарного сигнала без ограничений и с ограничениями на передаваемую полосу (с фильтром). Этот пример позволяет реально продемонстрировать механизм формирования глазковой диаграммы. Реальная осциллограмма сигнала (например, двухуровневого цифрового сигнала) "разрезается" посимвольно в соответствии с тактовыми импульсами синхронизирующего генератора, а затем глазковая диаграмма "складывается" из полученных кусков. В 2

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ВИДЕ ДИАГРАММ

идеальном случае при отсутствии цепей фильтрации в результате такого сложения получится квадрат ("квадратный глаз" представлен на рисунке сверху). Однако глазковая диаграмма реального сигнала будет значительно отличаться от квадрата, поскольку будет содержать

в

себе

составляющие

нарастания

фронта

сигнала,

спада

фронта,

прямоугольный импульс будет иметь форму колокола, в результате получится диаграмма, более похожая на глаз (на рисунке снизу). Код Без фи льтра С филь тром

000

001

010

011

100

101

110

111

сумма

Рис. 6.2. Глазковая диаграмма бинарного сигнала без фильтрации и с фильтрацией Исследование

глазковых диаграмм

позволяет провести детальный

анализ

цифрового сигнала по параметрам, непосредственно связанным с формой фронта импульса: параметра межсимвольной интерференции (ISI), джиттера передачи данных и джиттера по синхронизации. Пример глазковой диаграммы представлен на рис. 6.3 (компьютерная имитация).

Рис. 6.3. Глазковая диаграмма цифрового сигнала, прошедшего через фильтр

3

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ВИДЕ ДИАГРАММ

Детальный анализ показывает, что трасса двухуровневого сигнала на глазковой диаграмме в точках времени, соответствующих точкам отсчета, проходит точно через нормированные значения +1 и -1, следовательно, ISI на предлагаемом рисунке отсутствует. В то же время для различных трасс пересечение с временной осью происходит в разные временные промежутки. Максимальная ширина области пересечения с временной осью определяется как пиковое фазовое дрожание или джиттер передачи данных Djрр. Джиттер Djрр измеряется обычно в единицах времени или как отношение к интервалу передачи символа Djрр /TS. Пиковый джиттер, представленный на рисунке составляет 35% и соответствует фильтру с коэффициентом ограничения спектра α=0,3. Следует отметить, что Djрр является обычно следствием ограниченной полосы каналов. Например, расчет показывает, что для фильтра с коэффициентом ограничения спектра α=0,2 джиттер передачи данных составляет уже 48%, т.е. чем меньше коэффициент ограничения спектра (альфа-фактор) канала, тем больше джиттер. Сам по себе джиттер передачи данных является следствием объективных процессов преобразования сигналов и деградации качества связи не вызывает. Однако его комбинация с джиттером по синхронизации или постоянным сдвигом частоты передачи может привести к существенным нарушениям качества. Пример 6.1. В качестве иллюстрации воздействия джиттера по системе синхронизации на модулированный сигнал рассмотрим глазковую диаграмму модема с модуляцией 64 QAM, широко применяемой в радиочастотных системах передачи (рис. 6.4). Предположим, что уровень джиттера по системе синхронизации Cjрр=6% относительно периода сдвига символа TS, а уровень идеального сигнала равен 100 мВ. Тогда, как видно из рис. 6.4, наличие джиттера в системе синхронизации приведет к уменьшению интервала разрешения до 70 мВ. Это фактически эквивалентно деградации производительности системы на 3 дБ, что, само собой, уже существенно. Добавим, что в предлагаемой на рис. 6.4 компьютерной имитации использовался фильтр с фактором сглаживания α=0,2. Более узкополосные сигналы, имеющие меньший фактор сглаживания, оказываются более чувствительными к джиттеру

по

синхронизации.

Наиболее

же

чувствительными

являются

многоуровневые системы с модуляцией 64 или 256 QAM.

4

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ВИДЕ ДИАГРАММ

12 9 6 3 0 -3 -6 -9 12 Рис. 6.4. Глазковая диаграмма 64 QAM, α = 0.2, Cjpp = 6% 6.2. Диаграммы состояний Если аналоговый сигнал представляет собой непрерывную функцию изменения состояний, то цифровой сигнал может быть представлен в виде нескольких дискретных состояний, которые проходит сигнал. В связи с этим возникает задача анализа этих дискретных состояний с учетом используемых в современных телекоммуникациях принципов цифровой модуляции сигнала. Для этого комплексная амплитуда сигнала обычно представляется в полярных координатах. Если представить сигнал в виде суммы синфазного (сигнал I) и смещенного на 90° относительно синфазного (сигнал Q) сигналов, то полученное представление будет являться графиком в координатах I-Q. Учитывая, что в современных системах радиосвязи широкое распространение получили различные типы фазовых модуляций, полученная диаграмма будет представлять собой набор точек, соответствующих дискретным состояниям модулированного сигнала (рис. 6.5). Такие диаграммы получили название диаграмм состояний - диаграммы сигнала в полярных координатах с накоплением, цифровой сигнал проходит на диаграмме состояний характерные для него точки. Цифровая форма сигнала определяет точечную структуру диаграммы состояний (конечное количество состояний сигнала). Для каждого типа модуляции, диаграмма состояний своя и несет информацию о параметрах тракта в целом, работе модемов,

5

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ВИДЕ ДИАГРАММ

эквалайзеров и других устройств, принимающих и передающих модулированные сигналы.

BPSK

π/4 DQPSK

DQPSK

32QAM GMSK

16QAM

Рис. 6.5. Примеры диаграмм состояний сигналов с различными типами модуляции Особое значение имеют диаграммы состояния для анализа модулированных сигналов, поскольку в принятой технологии построения фазовых модуляторов и демодуляторов

используется

принцип

разделения

цифрового

сигнала

на

две

составляющие I и Q. Поэтому очень эффективно использование диаграмм состояний для анализа работы модемов фазовой модуляции. В следующем разделе об измерениях на цифровых радиочастотных системах передачи мы рассмотрим вопрос об отображении влияния различных параметров систем передачи на диаграммы состояний. Диаграммы состояний и глазковые диаграммы анализируют амплитудно-фазовые характеристики сигналов, однако, различие в методах представления приводит к тому, что оба типа диаграмм сигналов взаимно дополняют друг друга. Глазковые диаграммы наиболее эффективны при анализе изменений в структуре формы (фронта) сигнала, тогда как диаграммы состояний являются хорошим средством для анализа процессов модуляции и демодуляции. В следующем разделе мы рассмотрим случаи, когда неисправности в радиочастотном тракте, наглядно видны на глазковых диаграммах и практически не обнаруживаются на диаграммах состояний, и наоборот.

6

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ВИДЕ ДИАГРАММ

6.3. Алгоритмические диаграммы - диаграмма Треллиса и древовидная диаграмма В практике современных телекоммуникаций встречается класс задач, когда для анализа работы цифровой системы необходимо иметь представление не о состояниях сигнала, а о динамике изменения этих состояний. Такие задачи встречаются при анализе процессов кодирования (в первую очередь помехозащищенного сверточного кодирования современных радиочастотных систем передачи) и анализе дифференциальных методов модуляции, в которых передача цифровой информации осуществляется не сигналом, а сменой одного сигнала другим. Для решения задачи анализа динамики изменений состояний цифрового сигнала наиболее часто используется диаграмма Треллиса, представляющая собой одну из модификаций диаграммы состояний. Основное отличие диаграммы состоит в том, что помимо состояний цифрового сигнала на диаграмме показывается траектория изменений состояний. Реже для анализа используются древовидные диаграммы, представляющие собой дерево смены состояний. Обычно для анализа работы кодека измеряемая диаграмма сравнивается с теоретической диаграммой и данными, передаваемыми в канале в двоичном представлении. В результате выполняется анализ правильности работы алгоритма кодека. Необходимо подчеркнуть, что речь идет именно об алгоритмическом тестировании, т.е. проверке правильности работы алгоритма, для анализа параметров деградации качества связи алгоритмические диаграммы неприменимы. В

качестве

примера

алгоритмических

диаграмм

рассмотрим

алгоритмы

сверточного кодирования, применяемого в радиочастотных системах передачи и спутниковых каналах связи. На рис. 6.6 представлена схема сверточного кодера со скоростью кодирования 1/2 и длинной кодового ограничения К = 3 (К – число выходных символов, определяемое входным символом, то же, что и длина блочного кода. При этом минимальное кодовое расстояние равно 5). g2=1⊕ D ⊕ D2 Входящие данные

S1

S2

(c1,c2)

S3 g1=1 ⊕ D2

Рис .6.6 Схема кодера сверточного кода (1/2, К=3) 7

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ВИДЕ ДИАГРАММ

Для этой схемы на каждый входной символ вырабатывается два символа выходной последовательности (с1 и с2), которые последовательно считываются через коммутатор на каждый такт входного сигнала – оба. Выходные символы являются линейными функциями поступающего информационного символа и комбинации, записанной в двух первых разрядах регистра сдвига (S1 и S2). Соответствующие диаграммы Треллиса в различных типах представления показаны на рис. 6.7 и 6.8, а древовидная диаграмма показана на рис. 6.9.

такты состояния a=00

t1

t2

t3

t4

00

00

00

00

11

11

11

11

11

b=10

00

01

01

10 10

01

00

01

10 10

d=11

11 11

00 10

t6 00

11

01 c=01

t5

10 10

01

01

Рис. 6.7. Временная диаграмма Треллиса для кодера на рис.6.6. Временная диаграмма Треллиса состоит из узлов и ветвей (ребер). Число ветвей, исходящих из узла, равно основанию кода. Число узлов равно 2К-1. Единичному символу сообщения приписываются штриховые линии, а нулевому – сплошные. Выходные символы записываются над ветвями. Надписи около узлов описывают логическое состояние регистров кодирующего устройства – в данном примере – регистров S1 и S2. Каждой входной информационной последовательности соответствует определенный путь. Выходная кодовая последовательность формируется путем считывания комбинаций над ветвями при прослеживании данного пути. Диаграмма состояний Треллиса представляет ту же структуру, но без развертки по времени.

8

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ВИДЕ ДИАГРАММ

c1c2 00

c1c2 11 b=10

а=00 c1c2 01

c1c2 10

c1c2 00

d=11 c1c2 01

c1c2 11

c=01 c1c2 10

Рис. 6.8. Диаграмма состояний Треллиса для кодера на рис. 6.6.

Рис. 6.9. Древовидная диаграмма для кодера на рис. 6.6.

9

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ (Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1999. 196 с. гл. 10; Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники./ кн. вторая. М.: Сов. радио, 1968. 504 с. гл. 3; Астайкин А.И., Астайкин М.А., Помазков А.П. Радиоизмерения на СВЧ. Саров. РФЯЦВНИИЭФ, 1996. 335 с. гл. 5, 8) 7.1. Особенности радиочастотных измерений Радиочастотные измерения представляют собой большой класс измерений, связанных с анализом радиочастотных каналов и систем беспроводной связи. К радиочастотным системам передачи относятся все средства связи, использующие в качестве среды передачи радиоэфир. К таким средствам относятся два типа систем передачи - радиорелейные и спутниковые системы. Поскольку структурные схемы обоих типов систем передачи аналогичны, измерительные технологии для обоих типов практически

одинаковы.

Однако

имеются

некоторые

различия,

обусловленные

диапазонами измерений и условиями распространения сигнала. Так, для радиоизмерений радиорелейных систем передачи существенным фактором является оценка параметра ослабления сигнала, связанного с отражением от земли (затухание при многолучевом прохождении сигнала), в то время как для систем спутниковой связи большее значение имеет задержка распространения сигнала. Оценка влияния доплеровского сдвига по частоте оказывается существенной для систем спутниковой радиосвязи, но не существенна для радиорелейных систем передачи и т.д. Еще один тип радиочастотных систем – беспроводные LAN – существенно отличается от первых двух типов тем, что в этих системах используются сигналы малой мощности, и ретрансляторы обычно не применяются. Далее измерения в локальных беспроводных сетях рассматриваться не будут. Структурная схема цифровой первичной сети, использующей радиочастотные средства, представлена на рис. 7.1. Согласно схеме радиочастотные измерения входят составной частью в комплекс измерений на первичной сети. Из технологии радиочастотных измерений исключаются измерения параметров цифровых трактов системы передачи, так как они связаны с анализом цифровой первичной сети вне зависимости

от

среды

распространения

сигнала.

Поэтому

вопросы

измерений 1

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

непосредственно цифровых параметров каналов (такие, как измерение параметров ошибки)

далее

рассматриваются

только

в

контексте

совместных

измерений

радиочастотных систем передачи. Соответственно, из радиочастотных измерений частично исключаются измерения каналообразующей аппаратуры, преобразующей цифровые каналы первичной сети в радиосигналы. Здесь измерения будут касаться только процессов модуляции и демодуляции цифрового сигнала.

Рис. 7.1. Структурная схема организации радиочастотных измерений на первичной сети Основу радиочастотных измерений составляют измерения радиоэфира, связанные с анализом электромагнитной обстановки во всем спектре, используемом системой передачи. В настоящее время с развитием систем радиосвязи радиочастотный ресурс рассматривается как достояние государства. Поэтому особенно важными становятся измерения по оценке эффективности использования радиоэфира. В основе радиочастотных систем передачи лежит использование ретрансляторов, для систем спутниковой связи - это спутниковый ретранслятор, для радиорелейных систем передачи - ретрансляторы РРЛ. Анализ работы узловых радиочастотных устройств - ретрансляторов - является существенной частью проведения радиочастотных измерений и составляет следующий уровень радиочастотных измерений. Помимо ретрансляторов необходимо анализировать и другие компоненты радиочастотных

трактов,

влияющих

на

характеристики

канала

передачи:

2

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

модуляторов/демодуляторов, усилителей, фильтров, задающих генераторов, антенных систем и фидерных линий. После анализа ретрансляторов и компонентов радиочастотного тракта обычно производится анализ радиочастотных трактов систем передачи в целом. Эти измерения являются результирующими. В дальнейшем материал будет структурирован от измерений радиоэфира до технологии комплексных измерений радиочастотных трактов. 7.2. Измерения радиоэфира Использование радиочастотного ресурса в нашей стране осуществляется на основе международных соглашений, Регламента электросвязи, национального законодательства: Закона о связи, закона о СМИ и т.д., регионального законодательства, Указов президента РФ

и

Постановлений

правительства.

Контролирующими

органами

являются

Государственный комитет по электросвязи, Управление Госсвязьнадзора, имеющие региональные представительства. Измерения радиочастотной обстановки выполняются различными системами контроля радиочастотного ресурса, в основе которых лежит один и тот же метод измерений - анализ спектра сигнала во всем исследуемом диапазоне. При этом различие систем определяется следующими факторами: • пространственным размещением анализаторов; • используемыми приемными антеннами; • структурой сети сбора и обработки информации об электромагнитной обстановке; • различными алгоритмами оптимизации измерений. Системы контроля радиочастотного ресурса выполняют комплексный анализ электромагнитной обстановки с привязкой на местности. В результате таких измерений получаются данные в виде карт распределения интенсивности электромагнитного поля в различных диапазонах. В настоящее время действует обязательное условие привязки результатов измерений к электронной карте местности с помощью системы GPS по технологии GIS. В зависимости от региона охвата различают системы радиоконтроля: • национального (федерального) значения, выполненные по стандартам Международного Союза Электросвязи (ITU); • местного значения (область, регион), совместимые с национальными системами контроля, однако охватывающие меньший район; 3

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

• локальные для анализа электромагнитной обстановки на локальной площадке (например, на месте установки ретранслятора или приемо-передающей станции). 7.2.1. Национальные системы радиоконтроля В настоящее время для России задача создания национальной системы радиоконтроля является особенно актуальной в связи с вступлением нашей страны в европейское экономическое сообщество. Одним из требований при этом выступает принятие законодательства в области использования радиочастотного спектра и развертывание сети контроля и управления использованием радиочастотного ресурса страны. Построение глобальных систем радиоконтроля - важная национальная программа, требующая соглашений на уровне правительств. Это очень сложная комплексная программа, в которой учитываются основные тенденции в развитии систем радиосвязи и радиовещания.

В

табл.

7.1.

приведены

основные

тенденции

в

использовании

радиочастотного ресурса и соответствующие требования к национальным системам контроля радиоэфира. ТАБЛИЦА 7.1. Тенденции в использовании радиочастотного ресурса и требования к национальным системам контроля радиоэфира Основные тенденции Увеличение VHF/UHF

Требования к системам радиоконтроля

загрузки (30

МГц

диапазонов Необходимость -

3

ГГц), диапазона

увеличение количества сигналов

мобильного

VHF/UFH,

радиоконтроля

в

мониторинга

поскольку

этом

системы

диапазоне

имеют

ограниченную зону действия Использование

цифровых

типов Необходимость

модуляции

применения

цифровых

приемников радиосигнала

Развертывание

национальных

частных сетей радиосвязи

и Необходимость уменьшения взаимных помех от сетей различных операторов и нелегального использования радиочастотного спектра

Увеличение

количества

лицензий, Переход к технологии лицензирования на основе

замедление процесса лицензирования распределенных баз данных (БД)

4

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Для решения перечисленных задач системы радиоконтроля национального значения должны включать подсистемы управления спектром и мониторинга спектра. Подсистема управления спектром должна решить следующие задачи: • обеспечение планирования использования радиочастотного ресурса федеральными органами власти; • создание и постоянное обновление баз данных по выдаваемым лицензиям на право использования ресурса; • управление финансовыми поступлениями за использование радиочастотного ресурса. Подсистема управления спектром решает, в первую очередь, организационноправовые вопросы контроля радиочастотного ресурса страны. Подсистема мониторинга спектра решает технические задачи, к которым относятся: • поиск возможных источников и причин взаимных помех во всем используемом диапазоне; • проверка соответствия сигналов существующим нормам и лицензиям; • определение нелегальных передатчиков и источников помех. Структура системы национальной системы радиоконтроля представлена на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Структура национальной системы радиоконтроля Подсистема управления спектром включает в себя единую национальную базу данных (БД) состояния электромагнитной обстановки по регионам, БД по лицензиям, а также рабочие места операторов центра контроля электромагнитной обстановки. Подсистема мониторинга спектра включает в себя стационарные, мобильные и

5

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

портативные точки мониторинга спектра. Эти точки объединяются через сеть передачи данных, а информация концентрируется в областных центрах обработки информации, из которых затем передается в федеральный центр для окончательной обработки, хранения, планирования и оптимизации использования радиочастотного ресурса. Таким образом, национальные системы радиоконтроля индивидуальны для каждой страны. Поэтому практически невозможно сравнить технические характеристики этих систем. Можно только констатировать, что подобные системы в мировой практике создавались такими фирмами, как Hewlett-Packard, Rohde & Schwarz, Thompson-CSF, Racal,, Lucas-Zeta и Tadirran. 7.2.2. Системы радиоконтроля областного и местного значения Эти системы отличаются от описанных только размером сети передачи данных. Как правило, системы областного и местного значения используются областной администрацией и крупными операторами сетей радиосвязи для контроля и оптимизации использования различных участков спектра. Системы радиоконтроля областного и местного значения обычно строятся по принципу радиальной топологии с центром обработки данных и связанными с ним стационарными и мобильными точками мониторинга спектра. Привязка к географическим координатам в точках мониторинга, как и

в

национальных

системах

радиоконтроля,

осуществляется

навигационными

спутниковыми средствами (например, с использование глобальной навигационной системы - Global Position System - GPS). В отличие от национальных систем радиоконтроля, системы областного и местного значения не включают набор приемников всего

используемого

спектра,

поскольку

основной

задачей

является

контроль

использования определенной его части. В мировой и отечественной практике получил широкое распространение опыт применения таких систем региональными управлениями органов контроля за использованием радиочастотного ресурса. Помимо специальных систем по контролю за использованием радиочастотного ресурса к системам областного и местного значения можно отнести системы анализа зон покрытия услугами беспроводных сетей радиосвязи. Операторы сетей беспроводной радиосвязи, в первую очередь, сотовых сетей, используют такие системы для анализа эффективности загрузки выделенного им радиочастотного ресурса, а также для анализа зон уверенного приема сигналов базовых станций сети. Обычно такие системы отличаются от систем радиоконтроля меньшей функциональностью радиоизмерений и 6

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

существенно меньшей стоимостью. Так, для эффективной работы системы регионального контроля необходим анализ спектра в контролируемом диапазоне, для анализа зон уверенного

приема/передачи

достаточно

измерений

селективным

приемником,

настроенным на рабочий диапазон. Однако в настоящее время функциональность систем анализа зон уверенного приема растет, в состав таких систем включаются анализаторы спектра, в результате чего можно относить их к специальным системам радиоконтроля регионального значения. Следует отметить, что это не тенденция, а насущная необходимость,

т.к.

результаты

измерений

напряженности

поля

в

заданной

географической точке и на заданной частоте должны быть сертифицированы, расчет зон обслуживания и зон мешания должен проводиться по утвержденным методикам (формулы из учебника Альперта, Гинзбурга, Фейнберга ничуть не хуже, но не имеют законной силы), а выполнять измерения и делать расчеты может только организация, получившая на это лицензию от Госкомсвязи. В качестве примера приведем текст протокола измерений, выполненных лабораторией радиоконттроля управления Госсвязьнадзора по Нижегородской области 23.06.95 в районе здания ОРТПЦ по заказу Нижегородской телерадиокомпании. "Утверждаю" Начальник управления Госсвязьнадзора по Нижегородской области П.И. Деулин "28"06.1995 г. ПРОТОКОЛ Измерений напряженности электромагнитного поля телевизионных каналов в г. Нижнем Новгороде на ул. Белинского, 9. Измерения проводились 23.06.95 г. с 9.00 до 11.00 прибором SMV-8,5 (№ 07303 свид. Гос. Поверки № 504 от 02.03.95.) на антенны DP-1 и DP-3, установленные на высоте 3 м. Результаты измерений медианного значения напряженности электромагнитного поля, пересчитанные на высоту 10 метров, приведены в таблице.

7

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

ТАБЛИЦА Номер ТВ канала

Напряженность поля, дБ Е видео Гор./Верт.

Е звук. Сопр. Гор./Верт.

поляризация

Поляризация

1

49/47

58/50

2

123/114

112/105

3

Не прослушивается

4

127/120

110/107

5

61/54

44/41

6

Не прослушивается

7

114/101

95/86

8

41/не прослуш.

26/не прослуш.

9 10

Не прослушивается 113/104

11

104/96 Не прослушивается

12

104/99

94/79

21

53.5/57.5

Не прослушивается

31

63/55

55/52

40

47/44

46/50

Измерения провели: Инженер

/Рязапов Ш.Т./

Инженер

/Виноградов В.В./

7.2.3. Системы радиоконтроля локального назначения Системы контроля электромагнитной обстановки (ЭМО) локального значения представляют собой прибор (обычно анализатор спектра с необходимым набором антенн) для определения параметров радиоэфира при размещении источника радиосигнала. Такие системы используются обычно для анализа базовых станций систем радиосвязи перед установкой, радиорелейных станций, наземных станций спутниковой связи и т.д. Основными задачами локального анализа ЭМО являются: • определение соответствия выделенного радиочастотного ресурса заданным техническим

8

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

условиям (отсутствие в выделенном ресурсе нелицензированных источников сигнала); • оптимизация размещения источника радиосигнала на заданном участке; • локализация возможных источников помех, которые могут привести к нарушению радиосвязи. Системы локального радиоконтроля могут применяться на этапе эксплуатации систем радиосвязи для контроля использования выделенного ресурса и анализа электромагнитной обстановки в рабочем диапазоне системы. Как уже отмечалось, основу локальных систем радиоконтроля составляют анализаторы спектра, которые следует разделять на высокоточные стационарные и портативные. Высокоточные анализаторы спектра используются для проведения измерений ЭМО при размещении узловых станций систем радиосвязи или аппаратуры передачи (наземные станции спутниковой связи и радиорелейные станции). Портативные анализаторы спектра служат для настройки антенн абонентских терминалов систем спутниковой связи и систем радиосвязи, а также для индикации и грубой локализации источников помех. Как правило, эти анализаторы имеют низкую точность, малый динамический диапазон, узкий спектр и выполнены с питанием от аккумуляторов для проведения работ в полевых условиях. В качестве примера приведем характеристики высокоточного и портативного анализаторов спектра, которые в принципе можно купить. НР-71209А: мин. частота – 100 Гц; макс. частота – 40 ГГц; точность измерений частоты: 11 Гц (на частоте 10МГц). 1,8 кГц (на 18 ГГц); мин. разрешение в полосе – 10 Гц; макс. разрешение в полосе – 300 кГц; шаг разрешения по полосе – 10 %; уровень фазовых шумов – (-108) дБ/Гц; мин. развертка – 1 Гц; мин. скорость сканирования – 10 мс; мин. отображаемый шум – (-138 дБ); логарифмическое преобразование (приращение/диапазон) – 0.7дБ/90дБ; нестабильность по ПЧ – 0.8 дБ. НР-Е4411А: мин. частота – 9 кГц; макс. частота – 1.5 ГГц; разрешающая способность – 1кГц; мин. уровень - -120 дБм; макс. уровень - +30 дБм; маркеры, сохранение результата. 7.3. Измерение характеристик ретрансляторов Как следует из рис. 7.1, следующим уровнем после анализа характеристик радиоэфира является анализ характеристик ретрансляторов или активных устройств передачи сигнала. От работы ретранслятора напрямую зависят параметры радиочастотных 9

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

трактов и, следовательно, выходные параметры каналов первичной сети, поэтому анализ параметров работы ретрансляторов является важным при проведении комплексных измерений. В радиорелейных линиях передачи ретрансляторами являются приемопередающие и регенераторные станции радиорелейной связи (они так и называются - ретрансляторы (РТР)), в системах спутниковой связи в роли ретранслятора выступает спутник связи. Внутренняя структура ретранслятора представлена на рис. 7.3.

Приемная антенна

усилитель

ПЧ1

демодулятор Исправление ошибок модулятор

Приемная антенна

усилитель

ПЧ

ПЧ2

усилитель

Передающая

усилитель

антенна

Передающая

антенна

Рис.7.3. Внутренняя структура ретранслятора с восстановлением сообщения (сверху) и без восстановления (снизу) При ретрансляции сигнала всегда происходит перенос сигнала на другую несущую частоту. Кроме того, в цифровых системах передачи в ретрансляторе обычно производится восстановление передаваемого сообщения, коррекция ошибок и обратная процедура – модуляция, перенос на новую несущую и усиление сигнала. Анализ работы компонентов ретранслятора аналогичен анализу работы этих компонентов в любой части цифрового тракта и будет рассмотрен далее. Работа ретранслятора в целом эквивалентна работе усилителя (с учетом переноса сигнала на другую несущую), поэтому анализ параметров ретранслятора как активного устройства радиочастотных трактов во многом сходен с анализом усилителя СВЧ. Основными группами измерений являются измерения амплитудно-частотной

10

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

характеристики

ретранслятора,

характеристик

усиления,

фазово-частотной

характеристики и измерения шумов. 7.3.1. Измерения АЧХ ретранслятора АЧХ

ретрансляторов

определяет

зависимость

коэффициента

усиления

ретранслятора от частоты (в базовой полосе частот), а также работу ретранслятора в заданном диапазоне и его частотный ресурс. Схема организации измерений достаточно проста и представлена на рис. 7.4.

Сканирующий генератор

Анализатор спектра, селективный вольтметр

Ретранслятор

Рис. 7.4. Измерение АЧХ ретранслятора Измерения АЧХ ретрансляторов выполняется анализаторами спектра в паре с генератором. До последнего времени для этой цели также использовались селективные измерители мощности (селективные вольтметры), имеющие более высокую точность измерения амплитудных характеристик, однако в последнее время наметилась тенденция перехода к использованию анализаторов спектра в качестве средств измерений радиочастотных

характеристик.

Связано

это

с

тенденцией

к

универсализации

измерительных приборов. С этой же тенденцией связана и интеграция в анализаторы спектра

сканирующих

генераторов

для

проведения

автоматических

измерений

ретрансляторов и радиочастотных трактов по схеме "работа на себя". 7.3.2. Измерения линейности усиления ретрансляторов Линейность усиления измеряется, как правило, анализаторами спектра или селективными измерителями мощности в паре с генераторами и представляет собой зависимость уровня выходного сигнала от сигнала на входе. Схема измерений полностью аналогична схеме рис. 7.4., однако в этом случае генератор производит сканирование не

11

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

по частоте, а сканирование по мощности (амплитуде) сигнала. При этом снимается амплитудная

характеристика

восстановлением

сообщения

ретранслятора. такие

измерения

Очевидно, неуместны.

для

ретрансляторов

Помимо

с

амплитудной

характеристики нелинейность работы ретранслятора, как и любого другого линейного устройства,

характеризуется

коэффициентом

нелинейных

искажений,

который

определяется как отношение суммарной мощности высших гармоник, появившихся в спектре выходного сигнала, к мощности основной гармоники выходного сигнала (линейной копии входного). Этот параметр измеряется с помощью спектроанализатора путем последовательных измерений амплитуд всех нелинейных продуктов нелинейного преобразования, содержащихся в спектре выходного сигнала, или специализированным прибором. Линейность радиочастотных трактов является важным параметром, поскольку ее нарушение (нелинейность) приводит к ряду нежелательных эффектов: • возникновению комбинационных помех; • возникновению паразитной модуляции сигнала; • снижению выходной мощности при работе в режиме многостанционного доступа с частотным разделением (МДЧР) в спутниковых системах; • подавлению слабого сигнала сильным. Оценка параметров нелинейности ретрансляторов - важная и интересная задача математического моделирования, опирающегося на данные измерений, так как это помогает прогнозировать различные процессы, происходящие в радиотракте, что особенно важно для спутниковых систем связи, где один и тот же ретранслятор используется большим количеством наземных станций. В практике эксплуатации комплексное моделирование ретранслятора обычно не делается, однако данные о нелинейности усиления используются для анализа уровня интермодуляционных искажений и для выбора допустимого уровня мощности передачи, определяя тем самым диапазон линейности ретранслятора или его энергетический ресурс. Учитывая, что нелинейность усилительного тракта приводит к появлению интермодуляционных помех в радиочастотных трактах, измерения характеристик усиления могут производиться как на основной частоте, так и на частотах гармоник различного порядка. На практике для оценки эффектов нелинейности усилительных трактов производят измерения характеристики усиления на первой гармонике, реже на первой и третьей, а затем расчетными методами выстраивают передаточную характеристику усилительного 12

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

тракта ретранслятора. Для проведения точного расчета передаточной характеристики ретранслятора также необходимы измерения фазовой характеристики усилителя на первой гармонике. 7.3.3. Измерение фазово-частотных характеристик ретранслятора Из фазово-частотных характеристик для измерения наиболее существенной является групповое время задержки - ГВЗ, которое представляет собой первую производную фазово-частотной характеристики: η = -dθ/dω, где θ - фазовый сдвиг сигнала. Непосредственное измерение зависимости фазового сдвига от частоты и последующее дифференцирование полученной зависимости реализуется, как правило, для систем с низким уровнем фазовых шумов (например, для тестирования кабельных систем). В системах радиосвязи в канале присутствуют фазовые шумы, вносящие

при

дифференцировании

значительную

погрешность

в

измерения

(пропорционально производной фазового шума по частоте, которая в зависимости от природы шумов может даже превысить ГВЗ). Таким образом, измерение ГВЗ методом дифференцирования для систем радиосвязи является некорректным. Существует

несколько

основных

методов

измерения

ГВЗ,

связанных

с

использованием: тестового сигнала АМ, двухчасготного сигнала, тестового сигнала ФМ. Принцип измерения легко понять, проанализировав векторную диаграмму сигнала АМ. Сравнение методик измерений с различными типами сигналов приводит к следующим выводам. 1. Реализация методики с использованием двухчастотного сигнала в качестве тестового затруднена, поскольку требует спектрального анализа, независимого измерения фазовых сдвигов двух сигналов и получения относительного фазового сдвига одного сигнала относительно другого. Поскольку речь идет об относительном измерении, погрешность такого измерения будет в два раза выше, чем при использовании модулированного сигнала. Кроме этого, схема реализации измерений в данном случае сложнее, а требования к оборудованию выше, поскольку основным условием является выделение сигналов двух близких частот. Все перечисленное приводит в выводу о практической нецелесообразности предлагаемой методики. 2. Выбор между методиками использования АМ и ФМ сигналов можно осуществить из

13

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

чисто практических соображений. Реализация обеих методик эквивалентна, однако в практике систем радиосвязи обычно используется ФМ, поскольку этот тип модуляции более устойчив к ошибкам в канале. Ошибки в канале, не учитываемые методической погрешностью, тем не менее, являются существенными. Все это приводит к выводу о предпочтении методики использования тестового сигнала ФМ для измерения ГВЗ спутникового канала. Дальнейшее развитие технологии автоматического измерения ГВЗ привело к различным методикам с использованием композитных сигналов. Согласно этой методике в состав передатчика входят два генератора: генератор частотно-модулированного сигнала, управляющий сканирующим генератором РЧдиапазона. Таким образом, ЧМ-генератор задает режим сканирования и является в то же время модулирующим, в результате на выходе получается композитный сигнал в виде набора несущих, меняющихся во времени. Этот сигнал проходит через ретранслятор или радиочастотный тракт и анализируется затем специализированным программным обеспечением анализатора спектра системы. В результате использования композитного сигнала такая система обеспечивает измерения ГВЗ по радиочастоте с разнесением передатчика и приемника. Кроме того, динамически изменяющийся во времени композитный сигнал обеспечивает автоматическое измерение ГВЗ с высокой степенью точности и за короткое время. В результате измерений по этой методике автоматически могут измеряться параметры АЧХ и ГВЗ ретранслятора. В качестве примера на рис. 7.5 приведены соответствующие кривые зависимости неравномерности АЧХ и ГВЗ в радиочастотном тракте радиорелейного ретранслятора, измеренные системой НР 11758V.

Рис. 7.5. Измеренные результаты - зависимости АЧХ и ГВЗ для радиорелейного ретранслятора

14

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Кривая АЧХ представлена пунктирной линией, кривая зависимости ГВЗ от частоты представлена сплошной линией. Анализ параметров АЧХ и ГВЗ выполняется маркерным методом, или измеряется разница между пиковыми значениями этих параметров в измеряемом диапазоне. Так, на рисунке над графиком указаны значения от пика до пика АЧХ (AF) в единицах дБ и ГВЗ (GD) в нс. 7.3.4. Измерение шумов ретранслятора Измерения шумов включают в себя измерения интегральной мощности шумов, отношения сигнал/шум для заданного сигнала, распределения шумов и измерения фазовых шумов ретранслятора. Все перечисленные измерения чрезвычайно важны как при разработке ретрансляторов, так и при комплексном анализе радиочастотных трактов. Эта группа измерений будет рассмотрена ниже. 7.4. Измерения характеристик компонентов радиочастотного тракта 7.4.1. Основные параметры для измерений участков радиочастотного тракта В настоящем разделе описаны технологии проведения измерений различных участков (компонентов) радиочастотного тракта. Схема типичного радиочастотного тракта представлена на рис. 7.6. В состав тракта входят следующие компоненты: кодер, модулятор, фильтр ПЧ, конвертор по линии вверх, фильтр РЧ, антенное устройство, ретранслятор и среда распространения сигнала, фильтр РЧ приемника, конвертор по линии вниз, фильтр ПЧ, демодулятор и декодер. Все перечисленные составные части радиочастотного тракта можно разделить с точки зрения организации измерений на следующие типовые устройства: усилитель, фильтр и модулятор/демодулятор. На рисунке также показаны основные факторы, влияющие на параметры радиочастотного

тракта

и

на

результирующий

параметр

функционирования

радиочастотных систем передачи - параметр ошибки (BER). Рассматривая эти параметры, можно выделить соответствующие им группы измерений участков радиочастотного тракта: • контроль возможных нарушений работы модемов приводит к необходимости измерений параметров модуляции; • учет возможной нелинейности в усилительных элементах приводит к необходимости 15

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

контроля усилителей и измерения характеристик усиления этих элементов; • определение вероятности межсимвольной интерференции требует анализа фильтров ПЧ и РЧ; • определение уровня деградации качества связи в радиочастотных системах передачи, которые могут быть вызваны фазовыми шумами передающего тракта и тепловым шумом приемника; влияние этих факторов настолько велико, что измерения шумов обычно выделяются в отдельный класс измерений.

Рис. 7.6. Схема типичного радиочастотного тракта передачи и факторов, влияющих на параметры тракта Следует отметить, что комплексные измерения участков радиочастотного тракта, которые описаны ниже, производятся в полном объеме при заводских испытаниях аппаратуры. При эксплуатации обычно выполняется только часть описываемых измерений, которые сводятся только к диагностике различных устройств и локализации причины снижения параметров качества работы системы передачи. Как

известно,

основным

параметром

эффективности

работы

цифровой

радиочастотной системы передачи является зависимость параметра BER от отношения

16

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

сигнал/шум в системе. Этот параметр является характеристикой системы, поскольку не зависит от параметров рабочего сигнала, а только от оборудования тракта и его размещения. Зависимость BER от отношения сигнал/шум является постоянной характеристикой каждого конкретного тракта, хотя может значительно меняться для разных трактов. Это обусловлено влиянием параметров, связанных с установкой и настройкой оборудования цифровой системы передачи. Зная зависимость BER = f(C/N) и измеряя параметры сигнала в радиочастотном тракте, можно оценить вклад тех или иных участков и цепей на общее ухудшение качества в системе передачи (напомним, что параметр ошибки BER является наиболее важной характеристикой качества любой цифровой системы передачи). Обычно при проведении измерений радиочастотных систем передачи и цифровых радиоканалов сетей радиосвязи знание зависимости BER=f(C/N) позволяет полностью охарактеризовать инсталлированную систему с учетом субъективных особенностей установки, затем при проведении измерений в процессе эксплуатации измеряется параметр отношения сигнал/шум, на основании которого можно оценивать значение BER в цифровом канале. Рассмотрим основные эксплуатационные измерения компонентов цифровых радиочастотных систем передачи. Как будет показано ниже, в измерениях компонентов радиочастотного

тракта

широко

применяются

различные

методы

представления

цифровых сигналов, описанные подробно в разделе 6, в частности, методы использования глазковых диаграмм и диаграмм состояний. 7.4.2. Измерения параметров модулятора/демодулятора Для измерения параметров модема используют анализаторы, обеспечивающие измерение сигналов в виде диаграмм состояния, поскольку последние дают наиболее полную информацию о структуре и изменениях параметров цифровой модуляции. Возможные варианты нарушений работы модема рассмотрены ниже на примере сигналов с цифровой модуляцией 16 QAM (квадратурная амплитудная модуляция с 16-ю состояниями), которая часто используется в цифровых радиорелейных системах передачи. Поскольку основные варианты нарушений работы модулятора и демодулятора представляются в виде отклонений на диаграмме состояний и глазковой диаграмме, вначале на рис. 7.7 приведем соответствующие диаграммы для штатной работы модема с использованием сигналов модуляции 16 QAM.

17

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Рис. 7.7. Диаграмма состояний (слева) и диаграмма глазковой (справа) штатного режима работы системы с модуляцией 1 б QAM На диаграмме состояний наглядно видно влияние шумов, которое приводит к размыванию точек состояния. На глазковой диаграмме ясно различимы 3 диаграммы в виде пары "глаз", поскольку модуляция 16 QAM - 3-уровневая. Рассмотрим различные варианты нарушений работы модулятора/демодулятора и соответствующие им диаграммы. Среди всех возможных вариантов неисправностей в элементах радиочастотного тракта, неисправности в работе модулятора/демодулятора наиболее трудно локализовать, поэтому они рассматриваются более подробно. Потеря синхронизации в канале Глобальная неисправность/отключение демодулятора или нарушение фазовой синхронизации может привести к нарушению согласования между модулятором и демодулятором и пропаданию сигнала в системе передачи. В этом случае диаграмма состояний представляет собой случайное распределение сигналов по трем уровням модуляции (третий внешний уровень на рисунке показан отдельными состояниями), "глаз" глазковой диаграммы закрывается полностью (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Потеря синхронизации в канале на диаграмме состояний (слева) и глазковой диаграмме (справа)

18

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Нарушение ортогональности I и Q векторов демодулятора Одной из распространенных неисправностей в работе модема является нарушение работы демодулятора, когда вектора I и Q полярных координат демодулятора не строго ортогональны. Это приводит к несоответствию состояний ортогональной сетке координат на диаграмме состояний (рис. 7.9). Эта неисправность может сопровождаться или не сопровождаться ошибкой фазовой синхронизации в цепи восстановления несущей. В случае отсутствия ошибки результат воздействия этой неисправности на глазковую диаграмму сводится к закрыванию "глаза" на диаграмме по сигналу I и отсутствию какого-либо изменения на диаграмме Q. При наличии ошибки "глаза" обоих диаграмм будут закрыты. Необходимо отметить, что анализ одной только глазковой диаграммы не позволяет установить причину неисправности, поскольку эта диаграмма полностью совпадает с глазковой диаграммой при наличии высокого уровня аддитивных шумов в канале.

Рис. 7.9. Эффект нарушения ортогональности сигналов I и Q в демодуляторе на диаграмме состояний (слева) и на глазковой диаграмме (справа) Достоверное определение причины неисправности в этом случае может дать только диаграмма состояний. Устранение описанной неисправности требует подстройки демодулятора в части ортогональности сигналов I и Q. На диаграмме состояний рис. 7.9 отмечено наличие ошибки фазовой синхронизации в 2,3 град. Неправильное установление параметров уровней модуляции/демодуляции

Рис. 7.10. Несбалансированность по амплитуде сигнала на диаграмме состояний

19

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

На рис. 7.10 показана типичная диаграмма состояний в случае ошибки в установлении

уровней

модуляции/демодуляции.

Это

может

быть

связано

с

нелинейностью модулятора или нарушением работы цифро-аналогового преобразователя. 7.4.3. Анализ работы усилителей и фильтров Анализ работы усилителей представляет собой отдельную и крайне важную задачу при проектировании и заводских испытаниях систем радиосвязи. Для этой цели обычно используются скалярные и векторные анализаторы цепей (Network Analyzers). Основными параметрами для измерения работы усилителей в составе радиочастотного тракта являются измерения шумов, вносимых усилителями, и измерений параметров нелинейности усилительных участков. Перегрузка усилителя по амплитуде может привести к переходу в нелинейный режим и, как следствие, резкому увеличению вероятности ошибки в цифровой системе передачи. Уже знакомые методы представления сигналов в виде глазковой диаграмм и диаграмм состояния могут быть использованы как индикаторы неисправности или выхода из режима усилителя и позволяют быстро локализовать причину деградации качества нелинейность усилительного тракта. На рис. 7.11 представлены диаграмма состояний и глазковая диаграмма при перегрузке усилителя на лампе бегущей волны (ЛБВ) на 3 дБ. Появление интермодуляционных эффектов, таких как АМ/ФМ - преобразование, и повышение количества ошибок приводят к закрытию "глаза" глазковой диаграммы (размывание картины).

Рис. 7.11. Нелинейные искажения сигнала на диаграмме состояний и на глазковой диаграмме Как правило, при диагностике причин снижения параметров качества радиосвязи достаточно локализовать участок деградации, чтобы затем настроить систему. Обычно

20

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

характеристики усилительных элементов приведены в технической документации и описанные неисправности могут возникнуть только при неправильной установке параметров работы системы передачи. Устранить причину деградации качества можно путем снижения уровня сигнала на входе соответствующего усилителя для обеспечения его работы в линейном режиме. Таким образом, для диагностики и настройки отдельных усилительных

элементов

радиочастотного

тракта

описанных

измерений

вполне

достаточно. Качественный контроль АЧХ и ФЧХ усилителей и фильтров можно провести с помощью глазковой диаграммы. Плохая фильтрация сигналов может приводить к нарушениям в форме сигналов и повышению уровня межсимвольной интерференции в канале и, как следствие, увеличению параметра ошибки цифровой системы передачи. Наилучшую оценку эффектов, связанных с нарушением работы фильтров, дает глазковая диаграмма. Плохая фильтрация сигнала приводит к тому, что сигналы, представленные на глазковой диаграмме становятся искаженными по форме, "глаз" глазковой диаграммы теряет форму и размывается. Эта нестабильность глазковой диаграммы имеет место только при неправильной работе фильтров (соответственно неправильной АЧХ и ФЧХ усилителей), поэтому использование этих диаграмм дает исключительно эффективные результаты при локализации неисправностей в фильтрах радиочастотного тракта. На диаграмму состояний эффекты, связанные с нарушением АЧХ и ФЧХ элементов тракта, влияния практически не оказывают. Особенностью современных радиочастотных систем передачи является повышение требований к точности параметров их работы, в том числе и к параметру шумов. Высокий уровень шумов приводит к межсимвольной интерференции и увеличивает параметр ошибки. На диаграммах состояния и глазковой диаграмме это выражается в увеличении размера точек отображения состояния и эффекта "закрывания глаз".

Рис. 7.12. Высокий уровень шумов на диаграмме состояний и на глазковой диаграмме

21

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Существенно,

что

влияние

шумов

не

вносит

эффекта

геометрической

трансформации диаграмм. Диаграммы, соответствующие отношению сигнал/шум в 15 дБ, представлены на рис. 7.12. Можно провести сравнение этих диаграмм с диаграммами рис. 7.7, поскольку они относятся к одной и той же системе передачи. Измерение шумов различных устройств в составе радиочастотного тракта выполняется на этапе эксплуатации для локализации точки повышенного уровня шумов. Учитывая, что собственные шумы различных устройств радиочастотного тракта малы, для измерения используют дифференциальные методы. Для этого в тестируемый сигнал подмешивают интерферирующий одночастотный сигнал и затем производят измерения шумов по разности интерферирующего сигнала и шума. Этот метод получил большое распространение при измерении шумов малой мощности. Соответствующая диаграмма состояний и глазковая диаграмма для модуляции 16 QAM с отношением сигнал/интерференция C/I=15 дБ представлены на рис. 7.13.

Рис. 7.13. Измерение шумов на фоне интерферирующего одночастотного сигнала Следует отметить, что измерения фазовых шумов методами глазковой диаграммы и диаграммы состояний выполнить практически невозможно. Низкий уровень фазовых шумов компонентов радиочастотного тракта, а также необходимость точного измерения фазовых характеристик тестируемого устройства привели к необходимости выделить методики измерений фазовых шумов в отдельный класс измерительных технологий. Как уже отмечалось в начале этого раздела количественные измерения параметров усилителей и фильтров требуют привлечения специализированных приборов. Измерения АЧХ и ФЧХ линейных цепей проводится по простой схеме, представленной на рис. 7. 14.

22

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Генератор тестового сигнала

Тестируемое устройство

Анализатор

Опорный сигнал

Рис. 7. 14. Схема измерения параметров усилителей и фильтров Генератор тестового сигнала вырабатывает гармонический сигнал, медленно перестраиваемый по частоте. В анализаторе происходит измерение амплитуды выходного сигнала и нормирование ее на амплитуду опорного сигнала. При перестройке по всему частотному диапазону получается АЧХ устройства. В качестве ФЧХ отображается сигнал с выхода фазового детектора анализатора. Измерения нелинейных свойств усилителей (и активных фильтров) проводятся по той же схеме. Для получения амплитудной характеристики усилителя на заданной частоте входной сигнал медленно перестраивается по амплитуде. Для получения коэффициента нелинейных искажений измеряется амплитуда сигнала с выхода синхронного детектора анализатора, для которого в качестве опорного сигнала последовательно используются высшие гармоники опорного сигнала. При измерении уровня собственных шумов усилителя к его входу подключается согласованная нагрузка, а на выходе измеряется средняя мощность выходного сигнала в виде стационарного гауссова шума. Можно показать, что несмещенной и асимптотически эффективной оценкой дисперсии (средней мощности в условных единицах) такого процесса является величина

~2 = 1 σ 2T

T T

∫ ∫ R(t , u)x(t ) x(u)dtdu,

−T −T

где R(t,u) – автокорреляционная функция шумового процесса. Для белого шума, очевидно, 1 ~ Px = limT → ∞ 2T

T

∫ x (t )dt. 2

−T

Из этого выражения следует оптимальная схема измерителя средней мощности шума (рис. 7. 15.)

23

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

x(t)

Входное устройство

усилитель

Квадратор (квадратич. детектор)

Интегратор (ФНЧ)

Индикатор

Рис. 7. 15. Схема измерителя средней мощности шума Для измерения фазовых шумов такая схема должна быть подключена к выходу фазового детектора, опорным сигналом которого будет входной сигнал усилителя, поступающий от высокостабильного источника тестового сигнала. Серьезной проблемой измерения шумовых характеристик активных устройств является обычно весьма низкий уровень шума, вполне сравнимый с уровнем собственных шумов

измерительного

устройства.

Снижение

уровня

собственных

шумов

измерительного устройства невозможно в силу физических ограничений, поэтому для компенсации действия собственного шума измерителя применяют увеличение времени измерений (радиометрический прием сигналов). При этом компенсация собственных шумов радиометра производится путем вычитания постоянного напряжения из выходного сигнала (компенсационная схема) либо модуляцией/демодуляцией измеряемого сигнала (модуляционный метод). Следует отметить, что фазовые шумы активных элементов радиотракта, (кроме низкочастотного фликкер-шума) являются следствием действия в устройстве аддитивного эквивалентного тепловому шума. При этом дисперсия (средняя мощность) амплитудного и фазового шумов связана простым соотношением (см. раздел 3), и необходимость в специальных измерениях фазового шума может возникнуть только при исследовании его спектра, т.е. Обнаружения частотных диапазонов с аномально высокими фазовыми шумами. Измерения частотного распределения шумов – спектральной плотности мощности шумового процесса – является весьма актуальной задачей. Обычно при ее решении используют узкополосную фильтрацию или спектральную плотность мощности шумового процесса вычисляют как фурье - преобразование от автокорреляционной функции шума. Оптимальной оценкой автокорреляционной функции является величина T − | τ| / 2

1 RT (τ) = x(t − τ / 2) x(t + τ / 2)dt , | τ |≤ T . 2T − | τ | −T +∫|τ| / 2 Измерители автокорреляционных функций случайных процессов строятся по 24

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

различным принципам: умножения, суммирования и возведения в квадрат, разложения в ряд по ортогональному базису, знаковой корреляции и т.д. На рис. 7. 16. представлена схема измерений по принципу умножения.

x(t)

Регистрирую щее устройство

усредни тель усредни тель

усредни тель

τ

τ

…

τ

Рис. 7. 16. Схема измерения автокорреляционных функций случайных процессов 7.4.4 Измерение параметров задающих генераторов приемника/передатчика Важным параметром измерений радиочастотных систем передачи с цифровой модуляцией

является

фазовое

дрожание

сигнала

задающего

генератора

приемника/передатчика - джиттер. Наличие джиттера в системе передачи может значительно увеличить выходной параметр ошибки. Для анализа джиттера генераторов эффективно используют диаграмму состояний, поскольку глазковая диаграмма к нему нечувствительна. Соответствующая диаграмма состояний в канале с фазовым джиттером представлена на рис. 7.17. Для устранения проблем, связанных с наличием джиттера, обычно производят дополнительные измерения параметров работы задающих генераторов и устраняют неисправность.

25

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Рис. 7.17. Наличие фазового джиттера на диаграмме состояний Как уже говорилось в этом разделе, очень важной характеристикой генератора является в первую очередь низкочастотный фазовый шум. Измерения спектра низкочастотных фазовых шумов генератора возможно только с использованием эталонных источников сигнала с собственным уровнем фазовых шумов много меньшим измеряемого шума. 7.4.5. Измерения антенных систем Антенные системы в составе радиочастотного тракта систем передачи играют важную роль. Основные параметры, характеризующие работу антенных систем, делятся на две группы: параметры подведения энергии и параметры излучения. Параметры излучения:

коэффициент

усиления,

диаграмма

направленности,

поляризационные

характеристики обычно невозможно измерить в процессе эксплуатации (на реальной позиции). Такие измерения производятся на антенных полигонах или в безэховых камерах на этапе производства антенн. Параметры подведения энергии: входной импеданс, КСВн, потери в фидерной линии могут быть измерены в процессе эксплуатации на реальной позиции. Для этого применяются измерители КСВн панорамные или измерительные линии. Панорамный измеритель КСВн состоит из свип-генератора, двух направленных ответвителей с детекторными секциями и индикаторного блока. Отражение от входа антенны и потери в фидерной линии являются весьма важными для эксплуатации параметрами, определяющими работоспособность радиоканала. Для работы систем передачи с цифровыми типами модуляции необходим малый уровень возвратных потерь (КСВн в рабочем диапазоне). Так, для РРЛ, использующих модуляцию 64 QAM, рекомендованным уровнем подавления возвратных потерь от антенны является 25 дБ или более.

26

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

7.5. Комплексные измерения радиочастотных трактов

Все перечисленные выше измерения ретрансляторов и устройств радиочастотного тракта производятся для того, чтобы добиться наименьшего параметра ошибки в системе передачи. Как уже отмечалось, основным параметром цифровых систем передачи, использующих радиочастотный тракт, является параметр ошибки BER. Поэтому окончательные параметры радиочастотной системы передачи всегда определяются в виде функциональных зависимостей от BER. Так, например, зависимость BER от отношения сигнал/шум в радиочастотной системе передачи - практически наиболее важный параметр, так как позволяет учесть вклад всех устройств тракта. Поскольку обычно каждое из устройств в составе радиочастотного тракта вносит вклад в общий параметр ошибки, комплексные измерения радиочастотных трактов производятся после пошаговых измерений устройств в составе тракта или с учетом известных параметров этих устройств (например, на основе данных о характеристиках устройств, прилагаемых в технических описаниях). Параметры комплексных измерений радиочастотных трактов в той или иной степени связаны с вопросами распространения сигнала по тракту в зависимости от внешних условий, поскольку включают не только измерение оконечных характеристик тракта, но и параметров устойчивости его работы к условиям распространения сигнала в тракте. Ниже рассмотрены основные параметры, измеряемые в радиочастотных системах передачи для тонкой настройки системы. 7.5.1. Спектральный анализ канала радиочастотной системы передачи, анализ использования выделенного системе ресурса Первой важной группой измерений радиочастотных систем передачи является спектральный анализ трактов системы. Выше уже описывался класс задач и соответствующих измерительных технологий, связанных с анализом радиочастотного ресурса системы - системные измерения, связанные с контролем за использованием радиочастотного спектра со стороны операторов и различных органов власти (например, отделений Госсвязьнадзора). В

этом

разделе

рассмотрены

аналогичные

измерения

с

точки

зрения 27

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

эксплуатационных тестов радиочастотных систем передачи. Действительно,

помимо

задачи

общего

контроля

за

использованием

радиочастотного ресурса существует эксплуатационная задача анализа использования ресурса, отведенного под каждую конкретную систему передачи. Такие измерения чрезвычайно важны на этапах приемосдаточных работ и эксплуатации. Законодательство в области использования радиочастотного ресурса предусматривает строгий контроль за его использованием в части, выделенной под заданную систему передачи. Органы контроля обязаны пресекать незаконное использование ресурса и обеспечивать электромагнитную совместимость различных радиочастотных средств связи. Штрафные санкции за нарушения в области ЭМС достаточно высоки, чтобы побудить операторов самих контролировать использование выделенного им ресурса. Помимо чисто юридических причин, анализ спектра работающей радиочастотной системы передачи имеет значительную эксплуатационную ценность. Отказ и нарушения в работе любых устройств в составе тракта радиочастотной системы передачи обычно отражается на результатах спектрального анализа тракта. Обычно это выражается в появлении субгармоник, паразитных сигналов, нарушении спектрального состава сигнала. В результате, спектральный анализ позволяет сразу сделать вывод о работоспособности системы, и в случае нарушений ее работы, определить причину возникших нарушении. Вторым направлением спектрального анализа рабочего сигнала системы передачи является поиск и устранение причин интерференции между соседними каналами. В этом случае спектр рабочего сигнала заданного канала системы передачи должен находится в пределах маски допустимых значений. На рис. 7.18 представлена форма маски допустимой загрузки спектра в соответствие с нормами FCC (Federal Communication Commission, USA) на канал радиочастотной системы передачи с полосой 30 МГц. Вместе с маской показан спектр сигнала 8PSK (90 Мбит/с). Как видно из рисунка, для обеспечения работы системы требуется использование фильтров в рабочей полосе канала. Это требование обусловлено необходимостью

избежать

возможности

интерференции,

в

первую

очередь,

интерференции между соседними каналами системы передачи. Для измерений используются анализаторы спектра с возможностью установки необходимых масок на допустимый спектр рабочего сигнала (рис. 7.19). При измерениях используются стандартные или задаваемые оператором маски, а в результате измерений выводятся данные о соответствии или несоответствии сигнала маске и об уровне мощности рабочего сигнала. 28

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Измерения, направленные на поиск и устранение причин интерференции между соседними каналами, выполняются на выходе конвертора по линии вверх или на входе конвертора по линии вниз. В обоих случаях анализатор спектра включается через пассивный ответвитель.

Рис. 7.18. Маска FCC на канал РРЛ с полосой 30 Рис. 7.19. Измерение параметров загрузки МГц ресурса - анализатор НР 11758V 7.5.2. Измерения частоты и мощности Эксплуатационные измерения часто связаны с необходимостью измерений параметров частоты и мощности рабочего сигнала системы передачи. Такие измерения выполняются в различных частях цифровой системы передачи. Не описывая подробно точки включения приборов и выводы, которые можно сделать на основе измерений этой группы, остановимся на основных методах эксплуатационных измерений. Наиболее часто используемым методом измерений параметров частоты и мощности рабочего сигнала является использование специализированных приборов частотомера и измерителя мощности. Использование этих двух приборов стало классическим для радиочастотных систем передачи. Однако такой метод имеет один важный недостаток - в некоторых случаях необходимо делать параллельные измерения обоих параметров. Учитывая эту необходимость, ряд фирм - производителей измерительной техники начали выпуск совмещенных приборов, в которых объединяются функции частотомера и измерителя мощности, специально для радиочастотных систем передачи. Вторым направлением развития технологии измерений частоты и мощности 29

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

рабочего сигнала является широкое использование для этой цели анализаторов спектра с функциями маркерных измерений. Маркер обеспечивает перемещение по спектральной характеристике с одновременным отображением значений параметров частоты и мощности сигнала. Для расширения возможностей измерений параметров мощности современные

анализаторы

спектра

обеспечивают

сглаживание

спектральной

характеристики, фильтрации шумов и т.д. В качестве примера на рис. 7.20 представлены маркерные измерения спектральной характеристики канала. На спектрограмме отображены результаты измерений мощности в дБм и частоты в МГц.

Рис. 7.20. Результаты маркерных измерений параметров частоты и мощности рабочего сигнала Недостатком маркерных измерений обычно признается их недостаточная точность, однако эта точность достаточна для эксплуатационных измерений, что и обусловило широкое применение анализаторов спектра при эксплуатации радиочастотных систем передачи. 7.5.3. Методы измерения зависимости параметра ошибки от отношения сигнал/шум Как было упомянуто выше, основной характеристикой тракта радиочастотной системы передачи является зависимость параметра ошибки BER от отношения сигнал/шум (C/N) в радиочастотном канале. Если рассмотреть теоретическую и практическую зависимости BER = f(C/N) , то можно убедиться (рис. 7.21), что последние отличаются от теоретической зависимости тем, что для заданного значения BER требуется

30

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

большее значение C/N. Это связано с различными причинами ухудшения параметра в трактах ПЧ и РЧ (см. пример 7.1). Необходимо отметить, что для практических зависимостей BER =f(C/N) характерен остаточный BER, связанный с неидеальностью параметров устройств, входящих в тракт передачи.

Рис. 7.21. Типичные зависимости BER = f(C/N) Зависимость BER = f(C/N) является основной характеристикой для данного тракта радиочастотной системы передачи. На основе ее можно определить необходимое отношение сигнал/шум, гарантирующее заданное качество радиочастотной системы передачи. Пример 7.1. Различные участки радиочастотного тракта могут вносить разный вклад в ухудшение характеристики BER = f(C/N) относительно ее теоретического значения. Вклады, вносимые трактами промежуточной и радиочастоты, сравнимы между собой. В качестве примера рассмотрим распределение фактора ухудшения (энергетический бюджет деградации) типичной радиочастотной системы передачи со скоростью 90 Мбит/с.

31

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Причины ухудшения параметра BER =f(C / N)

Уровень ухудшения. дБ

УХУДШЕНИЕ В ТРАКТЕ ПЧ: Ошибки по фазе и амплитуде модулятора

0.1

Межсимвольная интерференция, связанная с работой фильтров

1.0

Присутствие фазовых шумов

0.1

Процедуры дифференциального кодирования/декодирования

0.3

Джиттер

0.1

Избыток полосы шумов демодулятора

0.5

Другие причины (температурная нестабильность, эффекты 0.4

старения и т.д.) Итого в тракте ПЧ:

2.5

УХУДШЕНИЕ В ТРАКТЕ РЧ:

Эффекты нелинейности и преобразования АМ/ФМ

1.5

Ухудшения, связанные с ограничением полосы пропускания канала и ГВЗ

0.3

Интерференция в смежных каналах

1.0

Ухудшения, связанные с эффектами затухания и появления эхо0.2

сигналов Итого в тракте РЧ:

3.0

ВСЕГО В СИСТЕМЕ ПЕРДАЧИ:

5.5

В современной практике существует несколько методов измерения зависимости BER = f(C/N), из которых следует выделить два основных метода: более традиционный, связанный с внесением дополнительного затухания в тракт РЧ, и более современный, связанный с точным внесением шумов в тракт приема. Традиционный метод измерения параметра BER =f(C/N) представлен на рис. 7.22 и основан на использовании в РЧ тракте приемника перестраиваемого аттенюатора, посредством которого вносится дополнительное затухание, а стабильность сигнала приема принимается постоянной в течение времени измерений.

32

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Рис. 7.22. Использование перестраиваемого аттенюатора для измерения характеристики BER=f(c/N)) Уровень сигнала и шума измеряют измерителем мощности. Измерение шумов в тракте ПЧ без фильтрации дает значение, большее реальной мощности шумов в рабочей полосе тракта (за счет зеркального канала преобразователя частоты). Поэтому при измерениях мощности используются дополнительные фильтры, настроенные на рабочую полосу частот. Параметр ошибки измеряется анализатором цифровых каналов. Основной недостаток метода - предположение постоянной мощности рабочего сигнала в течение всего периода измерений. В реальных условиях достичь этого практически невозможно. Нестабильности принимаемого сигнала могут быть связаны с затуханием, обусловленным природными явлениями (дождь, нагревание атмосферы и т.д.). Такие природные явления приводят к значительным вариациям параметров среды передачи - радиоэфира. Как следствие, мощность рабочего сигнала может изменяться на 1 -2 дБ даже в течение дня со стабильной погодой. Практически, это минимальный уровень флуктуаций мощности сигнала в открытом радиоканале. Анализ зависимости BER от уровня принимаемого сигнала в современных цифровых системах передачи показывает, что данная характеристика имеет высокую крутизну, поэтому уменьшение уровня принимаемого сигнала даже на 1 дБ может привести к увеличению уровня BER, вносимого системой передачи, на порядок. В результате вариации параметра С естественно варьируется и отношение C/N, что уменьшает точность измерений характеристики BER = f(C/N), в течение длительного промежутка времени. Из описанных в главе 4 методов измерения параметра BER 33

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

очевидно, что долговременные измерения BER = f(C/N) вполне естественны в практике, особенно в случае измерений малого значения параметра BER (например, при измерении характеристики фонового BER). Таким образом, метод с использованием перестраиваемого аттенюатора не обеспечивает необходимую точность измерений при малых значениях параметра BER. Современная практика телекоммуникаций предъявляет все более строгие требования к трактам системы передачи, поэтому измерения малых значений BER становятся все более существенными. Для выполнения измерений малых значений параметра BER был разработан интерференционный метод, представленный на рис. 7.23.

Рис. 7.23. Интерференционный метод измерения характеристики BER=f(C/N) В основе метода лежит использование специального прибора - анализатора и имитатора параметра C/N - для измерения уровня мощности принимаемого сигнала при внесении заданного уровня шумов, обеспечивающих точное значение параметра C/N. В отличие от метода, описанного выше в случае вариации параметра мощности принимаемого сигнала, прибор автоматически регулирует уровень вносимых шумов. Поэтому данный метод обеспечивает высокую точность измерений характеристики BER=f(C/N) вплоть до уровня параметра BER= 10-12. 7.5.4. Измерение параметров неравномерности ФЧХ и группового времени задержки Неравномерность

фазово-частотной

характеристики

тракта

определяется

34

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

групповым временем задержки (ГВЗ) и представляет собой важный параметр, поскольку непосредственно влияет на уровень искажений при передаче широкополосных радиочастотных сигналов, например, передаваемых по РРЛ. Следует отметить, что анализ по параметру ГВЗ ретранслятора и радиочастотного тракта представляют собой равнозначные задачи и решаются одинаковыми методами. Поэтому все рассмотренные выше схемы измерений, измерительное оборудование и методы верны и для комплексных измерений радиотракта. Групповое время задержки измеряется при проведении приемосдаточных испытаний спутниковых каналов и РРЛ и учитывает возможные отклонения в работе передатчика, приемника, антенных устройств и условий распространения сигнала. На практике наибольшее распространение получил метод измерения по промежуточной частоте (ПЧ), однако в случае анализа работы спутниковых средств связи, когда необходимо исключить влияние модемного оборудования, производят аналогичные измерения на радиочастоте (РЧ). Современные методики, реализованные в приборах ведущих фирм - производителей, обеспечивают также проведение измерений как на ПЧ, так и на РЧ, а также возможность проведения измерений в системах с переносом сигнала по спектру, таких как спутниковые системы связи. В этом случае методика инвариантна относительно частотного диапазона работы передатчика и приемника. 7.5.5. Анализ работы эквалайзеров Особенность радиочастотных систем передачи по сравнению с кабельными системами состоит В ТОМ, что, используя в качестве среды передачи сигналов радиоэфир, эти системы не имеют точных его характеристик. Характеристики металлического или оптического кабелей со временем меняются незначительно, а параметры радиоэфира постоянно, в результате даже описать полностью условия распространения сигнала по радиоканалу можно только статистическими методами. В последнее время к стабильности параметров каналов цифровых систем передачи предъявляются довольно жесткие требования. Поэтому в практике разработки современных радиочастотных систем передачи получили широкое

распространение

различные устройства

и методы

выравнивания и автоподстройки сигнала в зависимости от изменений условий его распространения по радиочастотному тракту. Эти устройства получили название эквалайзеров. В связи с широким внедрением методов цифровой модуляции высоких порядков, 35

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

таких как 64 QAM, разработчики столкнулись с трудностями точной настройки модуляторов/демодуляторов и других устройств в составе радиочастотного тракта. В этом случае эквалайзеры выступают и как элементы компенсации возможных нелинейностей в устройствах радиочастотного тракта передачи. В практике современных радиочастотных систем передачи встречаются два основных вида затухания, связанного с факторами распространения сигнала по радиочастотному тракту: линейное затухание и затухание, связанное с многолучевым прохождением сигнала. Линейные искажения в структуре сигнала, связанные с этими двумя типами затухания, равно как и любые другие, компенсируются эквалайзерами. В основе работы любого эквалайзера лежит использование узкополосного режекторного фильтра для устранения пораженного участка спектра рабочего сигнала, в связи с чем анализ работы эквалайзера связан с измерениями параметров именно этого фильтра. В качестве основного параметра измерений выступает зависимость глубины фильтрации от частоты при заданном параметре BER, получившая в различных обзорах название кривой M или кривой W (рис. 7.24).

Рис. 7.24. Кривая М канала с эквалайзером и без эквалайзера Для получения кривой М обычно имитируются различные условия прохождения сигнала, которые компенсируются эквалайзером, и в процессе компенсации строится кривая. Развитие измерительных технологий привело к выбору сценария имитации, наиболее просто реализованного в приборе, а именно имитацию многолучевого прохождения сигнала. Все остальные методы создания неравномерности в структуре рабочего сигнала были либо дорогостоящими, либо недостаточно точными. Схема измерений представлена на рис. 7.25.

36

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Рис. 7.25. Использование имитатора многолучевого прохождения сигнала для анализа работы эквалайзера В результате измерений получаются диаграммы в виде двусторонних кривых М (рис. 7.26). На рисунке представлены два типа кривых М: безгистерезисная кривая М (слева) и кривая М с гистерезисом (справа).

Рис. 7.26. Пример измеренных кривых М Безгистерезисная

кривая

показывает

способность

фильтра

эквалайзера

обеспечивать глубину фильтрации на заданной частоте, достаточную для выравнивания структуры сигнала. Кривая с гистерезисом показывает производительность фильтра при его реальной работе в случае необходимости сначала увеличения, а затем уменьшения параметра глубины фильтрации. На практике оба типа кривых существенны для анализа работы эквалайзера.

37

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

7.5.6. Измерения параметров устойчивости к линейному затуханию и затуханию, связанному с многолучевым прохождением сигнала Как уже отмечалось выше, в практике современных радиочастотных систем передачи встречаются два основных вида затухания, связанного с факторами распространения сигнала по радиочастотному тракту: линейное затухание и затухание, связанное с многолучевым прохождением сигнала. Рассмотрим эти два фактора и их влияние на параметры радиочастотного тракта. Линейное затухание представляет собой частотно независимое равномерное уменьшение амплитуды сигнала с ростом расстояниея распространения сигнала. Уменьшение сигнала приводит к уменьшению отношения сигнал/шум (рис. 7.27), и как следствие, к увеличению параметра ошибки в цифровой системе передачи.

Рис. 7.27. Пример линейного затухания Линейное затухание обычно обусловлено природными факторами распространения радиочастотного сигнала, такими как дождь и снег, и проявляется обычно на высоких частотах. Для компенсации линейного затухания используют эквалайзеры в составе передатчика/приемника. Параметры эквалайзера, компенсирующего линейное затухание, можно

измерить,

используя

перестраиваемые

аттенюаторы

согласно

схеме,

представленной на рис. 7.22. Явление затухания, связанное с многолучевым прохождением сигнала, относится только к радиорелейным системам передачи и схематично представлено на рис. 7.28. В радиорелейной системе передачи помимо основного (прямого луча) возникают еще два вторичных. Один луч - вследствие переменного коэффициента рефракции в атмосфере, он, как правило, имеет место летом в условиях высокой температуры. Другой вторичный луч - вследствие отражения сигнала от поверхности земли, он обусловлен широкой диаграммой направленности антенны передатчика. Если в первом случае в результате интерференции вторичного луча рефракции и основного луча возникает 38

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

затухание, зависящее от частоты, то во втором случае в результате интерференции с основным лучом возникает устойчивая картина биений, и, как следствие, затухание и неравномерности в спектре сигнала (рис. 7.29).

Рис. 7.28. Явление многолучевого прохождения сигнала

Рис. 7.29. Примеры неравномерностей в структуре рабочего сигнала, вызванных явлением многолучевого прохождения Так как явление многолучевого прохождения существенно зависит от длины участка ретрансляции и частоты рабочего сигнала, то при проектировании РРЛ с большими участками ретрансляции обычно используют частотный диапазон ниже 15 ГГц, в то время как для более высокого диапазона обычно проектируют участки ретрансляции малой длины. Этим достигается снижение влияния многолучевого прохождения сигнала и линейного затухания, связанного с изменением погодных условий.

39

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Проблема оценки влияния многолучевого прохождения сигнала заключается в его нерегулярности и непредсказуемости. Основным эффектом, связанным с многолучевым прохождением сигнала, является возникновение вследствие интерференции картины биений с характерными узлами и пучностями. В случае попадания узла на центральную частоту рабочего сигнала, возникает значительное ухудшение параметров радиочастотной системы передачи. Структура картины биений связана с факторами распространения рабочего сигнала (такими как состав атмосферы, коэффициент рефракции, температура и т.д.), в результате чего биения обычно возникают нерегулярно, а картина биений имеет нестабильную форму. При

возникновении

многолучевого

прохождения

возникает

значительное

ухудшение параметров радиочастотной системы передачи, появляется межсимвольная интерференция, в результате увеличивается параметр BER. В настоящее время возрастают требования к параметрам стабильности работы радиочастотных систем передачи. Это обуславливает объективную необходимость учитывать

явление

многолучевого

прохождения

сигнала

при

приемосдаточных

испытаниях системы передачи, а также при проектировании последней. Методология измерений явлений, связанных с многолучевым прохождением сигналов, является довольно новой отраслью измерительных технологий. Практические измерения параметров многолучевого прохождения начали внедряться только в конце 80х начале 90-х годов. На диаграмме состояний явления затухания, связанного с многолучевым прохождением сигнала, видны в виде эллипсов, отображающих перекрестные помехи сигналов I и Q (рис. 7.30.). На глазковой диаграмме явление многолучевого прохождения сигнала отражается смещением центров "глаз" от центра к краям.

Рис. 7.30. Диаграмма состояний и глазковая диаграмма при многолучевом прохождении сигнала Следует отметить, что диаграмма состояний и глазковая диаграмма не обеспечивают всей 40

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

необходимой спецификации измерений. Для проведения практических измерений эффективности компенсации явления многолучевого прохождения сигналов используют методы, которые согласуются с методами компенсации. Как уже описывалось выше, прогнозировать появление фактора многолучевого прохождения сигнала практически невозможно. В результате учет воздействия этого фактора обычно выполняют методами стрессового воздействия, т.е. путем имитации явления многолучевого прохождения сигнала. В связи с высокой важностью учета его влияния на цифровые радиочастотные системы передачи в конце 70-х годов были выполнены глубокие изыскания в области возможных методов моделирования явления. В результате в начале 80-х годов сформировалось две основных модели имитации многолучевого прохождения сигнала: двухлучевого и трехлучевого прохождения. Принцип

моделирования

двухлучевой

модели

сводится

к

теоретически

обоснованному предположению, что затухание связано с двухлучевой интерференцией, причем интерферирующий луч имеет задержку по распространению сигнала (это верно как для луча рефракции, так и для луча отражения). В результате применения такого рассмотрения возможны два случая: основной луч имеет большую амплитуду; интерферирующий луч превосходит по амплитуде основной. Во втором случае явление получило название явления многолучевого прохождения c неминимальной фазой. В результате применения простой двухлучевой модели можно получить следующие результаты измерения параметров АЧХ и ГВЗ радиочастотного канала в случае минимальной и неминимальной фаз (рис. 7.31). На рис. 7.31 а) представлены характеристики АЧХ и ГВЗ канала в случае минимальной фазы на рис. 7.31 б) - в случае неминимальной фазы. Следует отметить, что двухлучевая модель оказалась не совсем точной, поскольку не описывала явления амплитудной модуляции и возникновение слабых картин биений в пределах рабочего диапазона. В результате таких явлений амплитуда сигнала отклоняется в пределах рабочего диапазона даже в случае, если узел биений находится вне диапазона. Такие явления не учитываются двухлучевой моделью, что обусловило создание трехлучевой модели, более точно описывающей реальные эффекты многолучевого прохождения сигнала. Эта модель позволила учесть эффект смещения амплитуды (рис. 7.32), однако, сама по себе, оказалась довольно сложной. Поэтому в современной практике измерений используются обе модели: двухлучевая - для проведения качественных измерений и трехлучевая - для проведения точных измерений. Следует отметить, что двухлучевая модель с высокой степенью точности применима к 50% 41

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

радиочастотных систем передачи.

Рис. 7.31. Характеристики неравномерности Рис. 7.32. Характеристики неравномерности АЧХ и ГВЗ для двухлучевого прохождения АЧХ и ГВЗ для трехлучевого прохождения сигнала сигнала Имитация многолучевого прохождения сигнала получила широкое применение в современных технологиях радиочастотных измерений, поскольку оказалась очень простой при реализации ее в приборах. В результате, методы имитации многолучевого прохождения сигнала используются не только для оценки устойчивости радиочастотной системы передачи к этому явлению, но и для стрессового тестирования различных устройств в составе радиочастотного тракта, в частности, эквалайзеров. Ниже мы рассмотрим еще одну группу измерений, где широко используется такая имитация.

42

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

7.5.7. Тестирование систем резервирования в трактах переключателей и систем DADE Широкое применение на практике получили два основных метода исключения влияния многолучевого прохождения сигнала на параметры качества систем передачи. Один метод состоит в поиске оптимального пути распространения сигнала, для чего осуществляют разнесенный прием сигнала с автовыбором более мощного канала приема (рис. 7.33). На антенны приемника приходят в этом случае два сигнала - искаженный из-за многолучевого прохождения и неискаженный. Выбор сигнала (адаптация) осуществляется методом максимальной амплитуды. Второй путь исключения влияния многолучевого прохождения - это метод компенсации с использованием эквалайзеров.

Рис. 7.33. Резервирование антенных устройств приемника для поиска наилучшего пути распространения сигнала Для

проведения

измерений

эффективности

компенсации

многолучевого

прохождения за счет пространственно разнесенных антенн используются специальные анализаторы затухания со встроенным эквалайзером (Diversity Antenna Delay Equalization - DADE). Схема такого измерения представлена на рис. 7.34. Помимо схемы с использованием специального анализатора параметров DADE переключатель DADE равно как и другие радиосистемы, удобно тестировать при помощи имитатора многолучевого прохождения сигнала, описанного в предыдущем разделе. В этом случае имитатор выступает как устройство, вносящее определенные параметры нестабильности в основной или интерферирующий луч, и затем проверяется система переключения (например, с одного луча на другой, в случае, если мощность интерферирующего луча больше мощности основного).

43

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Рис. 7.34. Измерения DADE Схема использования имитатора представлена на рис. 7.35 (Ф - фильтр, Г генератор несущей, треугольником обозначен усилитель).

Рис. 7.35. Имитация многолучевого прохождения сигнала и анализ работы переключателя. В результате проведения измерений анализируется матрица функционирования системы передачи в зависимости от характера внешнего воздействия (рис. 7.36). В качестве внешних воздействий выступают глубина возникающего узла и его расположение. Нарушения в матрице функционирования в случае, если стрессовое воздействие находилось в пределах допустимых норм штатной эксплуатации, говорит о нарушении работы переключателей. В современных РРЛ для компенсации многолучевого прохождения сигналов в основном используются эквалайзеры. Поэтому имитаторы многолучевого прохождения получили

широкое

распространение.

Они

выпускаются

основными

фирмами44

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

производителями измерительной техники в качестве специальных программ к системам для анализа РРЛ или как отдельные приборы.

Рис. 7.36. Матрица функционирования при проведении стрессовых измерений 7.5.7. Анализ интермодуляционных помех Последней важной группой комплексных радиочастотных измерений трактов систем передач является анализ интермодуляционных сигналов в канале. Данный вид интермодуляции связан с процессами мультиплексирования и демультиплексирования, а также с нелинейностью устройств в составе тракта. Обычно интермодуляционные искажения имеют сравнительно малый уровень - менее 40 дБ относительно рабочего сигнала. Тем не менее, контроль интермодуляционных искажений и устранение их причин обеспечивает в ряде случаев решение проблемы интерференции в смежных каналах. Для анализа интермодуляций используют анализаторы спектра (рис. 7.37).

Рис. 7.37. Пример анализа интермодуляционных искажений на выходе усилителя КОНЕЦ

45