Измерения в системах цифровой связи

Современные системы цифровой связи используют кабельные (электрические и волоконно-оптические), спутниковые, радиорелейные и другие линии и каналы связи. Как правило, функционирование любой линии связи обеспечивается передатчиком, каналом связи и приёмником. Для корректной работы системы требуется исправная работа всех её составляющих.

Рассмотрим виды измерений, получившие наиболее широкое распространение при эксплуатации линий и каналов связи.

Кабельные линии связи подразделяются на электрические и волоконно-оптические. Несмотря на то, что и там, и там для передачи данных используются электромагнитные колебания, применяемые технологии существенно отличаются.

Тестирование данных каналов связи осуществляется как по параметрам физического состояния – обрыв, короткое замыкание, повреждение, вносимое затухание, так и по параметрам корректности передачи данных – отсутствие битовых и кодовых ошибок при прохождении сигнала от отправителя к получателю.

Первая группа параметров контролируется с помощью оптических и электрических рефлектометров, кабельных приборов и оптических тестеров. Измерения при этом сводятся к оценке потерь уровня или мощности сигнала, а также к построению и последующему анализу рефлектограмм. Для контроля параметров второй группы используются тестеры цифровых потоков Е1 (2,048 Мбит/с), Е2 (8,448 Мбит/с), Е3 (34,368 Мбит/с), Е4 (139,264 Мбит/с), генерируемых в рамках плезиосинхронной цифровой иерархии PDH, а также тестеры потоков STM-1 (155,52 Мбит/с), STM-4 (622 Мбит/с), STM-16 (2,5 Гбит/с), STM-64 (10 Гбит/с), генерируемых в рамках системы цифровой иерархии SDH. Для передачи последних, в связи с высокими требованиями к пропускной способности, используются волоконно-оптические линии связи. Для электрических сигналов измеряются параметры импульсов кодовой последовательности на соответствие стандартизованным маскам, а также уровень фазового дрожания (джиттер), для оптических – мощность источников излучения, погрешность измерения мощности ваттметрами. Для тех и других – коэффициент битовых и кодовых ошибок. Синхронизация иерархической системы в целом реализуется с помощью серверов синхронизации времени уровня Stratum 1 и Stratum 2, основной контролируемый параметр которых – точность привязки к шкале времени UTC. К кабельным линиям связи прямое отношение имеет также кабельное телевидение стандартов DVB-C/C2. Для контроля таких линий применяются генераторы и измерительные приёмники соответствующего стандарта.

Если говорить об эфирных системах цифровой связи (сюда же можно отнести и спутниковые), то речь в первую очередь идёт о телевизионном вещании стандартов DVB-T/T2 и спутниковом вещании DVB-S/S2. Стандарт мобильного телевидения DVB-H, также как и система цифрового радиовещания DRM, в настоящее время не получили широкого распространения на территории России. Другая большая группа – системы сотовой связи, работающие в таких стандартах как GSM, GPRS, EDGE, CDMA, UMTS, HSDPA, LTE. Системы сотовой связи имели наиболее стремительное развитие. В течение небольших промежутков времени одни стандарты несколько раз сменялись другими. При этом, несмотря на широкую номенклатуру видов эфирных цифровых систем, оборудование для контроля их параметров обладает универсальностью. По сути, задачи генерации и измерения параметров сигналов могут быть реализованы на одной аппаратной базе, а дополнение такой базы новыми стандартами становится возможным через обновление программного обеспечения. Основной измеряемый параметр – уровень (мощность) сигнала. Через уровни сигнала в различных географических точках определяются зоны покрытия телевизионного передатчика или базовой станции. Отдельно стоит упомянуть системы измерений пакетной передачи данных в сотовой связи – СИПД, предназначенные для учёта трафика с последующим расчётом стоимости услуг. Данные системы производят измерение передаваемого количества информации.

Эфирные системы связи имеют свои особенности.

Во-первых, использование мощных СВЧ-сигналов ведёт к повышенным требованиям по согласованию всех участков тракта для исключения потерь полезной мощности, а тем более вреда оператору. Контроль параметров участков тракта и его компонентов осуществляется с помощью кабельных анализаторов и измерителей коэффициента стоячей волны по напряжению.

Во-вторых, возникает проблема обеспечения электромагнитной совместимости и соблюдения санитарных норм и правил. Эти задачи решаются с использованием анализаторов спектра, измерительных приёмников, антенн, измерителей напряженностей полей и плотности потока энергии. С уплотнением частотных каналов существенной стала проблема пассивной интермодуляции. Специализированного оборудования для контроля уровня пассивной интермодуляции немного. Как правило, это анализаторы параметров радиотехнических трактов с опцией измерения пассивной интермодуляции. Оборудование утверждённого типа с нормированными характеристиками по этому параметру и вовсе не встречается.

Как мы видим, отрасль связи охватывает широкую номенклатуру измеряемых параметров, при этом большая часть из них относится к измерениям времени и частоты и радиоэлектронным измерениям. Её характерной особенностью является непрерывный процесс смены одних технологий другими. Это, в свою очередь, определяет направление развития государственных метрологических служб.

В заключение данного краткого обзора хотелось бы рассказать о деятельности отдела по обеспечению единства измерений времени и частоты и радиоэлектронных измерений ФБУ «УРАЛТЕСТ» применительно к рассмотренным системам.

В целом измерительные возможности отдела охватывают практически все из вышеперечисленных средств измерений. Существенным этапом в развитии стало освоение поверки средств измерений в волоконно-оптических линиях связи и тестеров цифровых потоков. Недавно были проведены первые работы по калибровке анализаторов пассивной интермодуляции, осваивается поверка СИПД.

В конце 2017 года начата поверка измерительных антенн в диапазоне частот от 1 до 40 ГГц. В течение текущего года будут вестись работы по освоению диапазона частот ниже 1 ГГц. Далее планируется развитие в направлении измерений уровня и мощности электромагнитных излучений, речь идет о поверке измерителей напряжённости электрических и магнитных полей на частотах свыше 400 кГц (диапазон ниже 400 кГц был реализован раннее отделом обеспечения единства измерений магнитных величин), а также измерителей плотности потока энергии в диапазоне частот до 40 ГГц.

Актуальными задачами являются и менее приоритетные направления - измерения цифровых стандартов телевизионного вещания (эфирного, кабельного и спутникового) и сотовой связи, получение привязки к национальной шкале времени UTC-SU для поверки серверов синхронизации времени, расширение измерительных возможностей в части средств измерений мощности, ослабления, комплексных коэффициентов отражения и передачи.

Надо понимать, что с момента возникновения идеи до её воплощения в готовую услугу проходит в среднем два года, и это при условии наличия финансирования. Внедрение метрологических услуг «на перспективу» - дорогостоящий процесс, с большими рисками, поэтому в первую очередь мы ориентируемся на запросы заказчиков и их текущие потребности, именно они позволяют оценить востребованность услуг и наметить план развития.

Антон Вахрушев,
начальник отдела обеспечения единства измерений времени и частоты и радиоэлектронных измерений;
email: 4202@uraltest.ru