Диагностика кабельных линий связи методом синтезированного видеоимпульса

У

Диагностика кабельных линий связи методом синтезированного видеоимпульса

Ключевые слова: диагностика кабелей связи, синтезированный сигнал, разрешающая способность, рефлектометрия, затухание в кабеле, дисперсия, неоднородность в линии передачи, коэффициент отражения, весовая функция.

Работа посвящена диагностике дефектов в линиях связи. Предложен новый способ эхолокационной диагностики (Пат. РФ2446407). Его основу составляет использование в качестве зондирующего сигнала последовательно формируемых во времени гармонических колебаний ряда различных частот с последующей совместной обработкой принятых отраженных сигналов. Для каждой из них измеряются значения комплексного коэффициента отражения на входе участка диагностируемой линии. Указанные величины умножаются на комплексные весовые множители, фаза которых соответствует фазе коэффициента отражения на входе линии при условии КЗ на расстоянии Х от ее входа и суммируются для всех значений на различных частотах. Результат суммирования соответствует синтезированному видеосигналу, отраженному от отражающей точки в линии с координатой X. Максимум функции и(Х) соответствует положению дефекта. Рассматриваются возможности улучшения качественных показателей диагностической аппаратуры, выполненной на основе предложенного метода путем целенаправленного выбора вида весовой функции КО. Показано, что использование предложенной весовой обработки позволяет: осуществить компенсацию искажений отраженного отклика из-за наличия потерь и дисперсии в линии передачи, увеличить дальность обнаружения дефектов и разрешающую способность путем выбора оптимальной для этих целей функции весовой обработки.

Седельников Ю.Е., Фадеева Л.Ю.,

Казанский национальный исследовательский технический университет

Введение

В настоящее время для диагностики кабельных линий широко применяются рефлектометры — приборы, построенные на принципе регистрации сигналов, отраженных неоднородностями в линии передачи. В указанных приборах используются как различные типы зондирующих сигналов (импульсные, непрерывные синусоидальные, многочастотные, частотно модулированные, псевдослучайные и др.), так и способы обработки отраженных сигналов с целью извлечения информации (в частотной, во временной области). Несмотря на значительный прогресс, работы в направлении совершенствования средств радио-волновой рефлектометрии продолжаются [1-7,12-18]. К числу новых подходов, направленных на улучшение качественных показателей средств диагностики кабельных линий, относится метод синтезированного видеоимпульса [8-9]. Метод допускает ряд модификаций, использование которых обещает улучшение ряда показателей средств эхолокационной диагностики кабельных линий. Настоящая работа имеет целью демонстрацию указанных возможностей.

Метод синтезированного видеоимпульса

В основу метода положено искусственное формирование сигнала, отраженного от объекта локации, путем взвешенного суммирования отраженных сигналов, соответствующих излучению набора квазинспрсрывных зондирующих сиг налов ряда различных частот. Для задач радиолокации указанный метод был предложен М.И. Финкельштейном [10] и реализован в первой в СССР СШП РЛС «Аквамарин» [11]. Метод синтезиро-

ванного видеосигнала [8-9] можно рассматривать как его модификацию для задач эхолокационной диагностики кабельных линий с использованием квазинепрерывных зондирующих сигналов1.

Существо метода состоит в следующем. На вход обследуемой линии последовательно во времени подаются квазигармонические колебания ряда частот со е [<а, - (о\ и регистрируются комплексные амплитуды отраженных волн. Их значения Г(со) соответствуют коэффициентам отражения линии передачи, представленной некоторым числом участков регулярной линии (рис. 1) и сосредоточенных нерегулярностей.

и»

Рис. 1. Исследуемая линия передачи с нерегулярностями

Входной коэффициент отражения Г (о) определяется как:

гю(а>) = у[[ти1г21\

где [Т2,] — матрицы передачи участков с нерегулярностями (обрыв, замыкание, несанкционированное подключение и т.д.). [Ти] — матрицы передачи участков регулярной линии длиной х,.

Г. =

Ш+а)х1

0

ИР '

1...

Также просматривается близость его к методу, предложенному в работе [5].

а(са) и р(оз) = (о/ — коэффициенты затухания и

/ "ф С)

фазы в линии передачи, Уф((о) - фазовая скорость волны. Измеренные значения 1 ’ (&>) умножаются на вели-

/2^(й)х ..

чины е , где х - значение текущей координаты в

линии передачи, и суммируются:

/2 ${ф)х

U(x) - je

Гм((И,х)(І£М

3x10

2x10

1x10

so

90

100

xO

110

U(x) = | JК(а>,хУт*)х rex(a},x)d(0

нальным частотным изменениям значений комплексных коэффициентов отражения Г (&>, х) и, как их прямое их

следствие к искажению формы и пространственного положения синтезированного опашка (7(х). Выбором весовой функции в виде К(а),х) = е2итю)-°^+аРМ1, где рРи») и аР(а>) - частотные зависимости коэффициентов фазы и затухания в обследуемой линии, указанные искажения могут быть скомпенсированы полностью (рис. 3).

Построенная таким образом конструкция как функция координаты х т.е. расстояния от начала линии передачи, представляет собой синтезированный отраженный сигнал с узкими «пиками», пространственное положение которых соответствует координатам реально существующих нерегулярностей в линии передачи. В качестве иллюстрации на рис. 2. приводим принятый синтезированный сигнал.

120

Рис. 2. Синтезированный выходной сигнал для случая наличия двух нерегулярностей. Кабель типа витая пара UTR eat 5е, полоса частот 30-70 МГц. Нерегулярности: несанкционированное разветвление основной линии на расстоянии 100 м, обрыв на расстоянии 110 м

В указанном методе удачно сочетаются достоинства классических методов рефлектометрии с обработкой сигналов во временной и частотной областях. Помимо вполне очевидных (отсутствие «мертвой зоны», широкий динамический диапазон) в нем заложены большие возможности для улучшения целого ряда технических характеристик, причем, достигаемыми только алгоритмическим методом, путем модификации описанной выше базовой процедуры синтезирования, т.е. без усложнения аппаратуры. Улучшение тех или иных показателей, характеризующих процесс диагностики обеспечивается путем использования специально подобранных весовых

функций К(со, х):

Отметим некоторые из наиболее интересных возможностей.

Компенсация искажений отраженного сигнала вследствие затухания волн в линии передачи и дисперсии

Неизбежные затухание волны, распространяющейся в линии передачи, и дисперсия приводят к непропорцио-

Рис. 3. Компенсация влияния потерь и дисперсии для случая наличия трех нерегулярностей: а) без компенсации; б) с компенсацией. Коэффициен т фазы [?/£= 1,5, затухание на цен тральной частоте а = 0,005 1/м, в полосе частот 30-70 МГц

Снижение уровней боковых лепестков

Синтезированный сигнал всегда представляет собой «пик», окруженный боковыми лепестками. Последние имеют выраженную структуру на малых расстояниях до нерегулярности или малом затухании в линии передачи, или с заплыванием лепестковой структуры при больших расстояниях и значениях коэффициента затухания. Наличие лепестковой структуры может маскировать наличие слабых нерегулярностей. Ослабление также может быть обеспечено соответствующим выбором весовой функции К((й, х).

Ключом для выбора вида весовой функции может служить следующее. В отсутствие потерь и дисперсии выражение (4) при одиночной нерегулярности по своей структуре представляет собой преобразование Фурье функции К (а)), а функция 17(х) — его результат. Из общих свойств интеграла Фурье следует, что спадающим к краям функциям К(со) будут соответствовать функции и(х) с большей шириной основного «пика» и меньшими уровнями боковых лепестков. В присутствии потерь общий характер этой закономерности сохраняется. Таким образом, выбирая функцию К(со), спадающую к краям полосы частот (шт-ш/), можно существенно снизить боковые лепестки. В качестве иллюстрации на рис. 4. приведены синтезированные сигналы при различных весовых функциях К(а>).

а) 1

071

ОН

Возможен и другой подход, допускающий различные изменения вида или параметров весовой функции в процессе обработки К(о})—*К((а,1), либо переход к использованию двумерных весовых функций К(а>)—*К((о,х). В первом случае речь идет об осуществлении различных вариантов адаптивной обработки, основанной на динамическом изменении весовой функции. Во втором - об использовании жесткой программы обработки, согласно которой обеспечивается наилучшие компромиссные показатели в пределах заданного диапазона дальностей при изменении расстояния до наблюдаемого дефекта.

Рис. 4. а) Синтезированный отраженный сигнал для нерегулярности, находящейся на расстоянии 110 м в кабеле типа витая пара UTR cat 5е при различных весовых функциях:

(1 — К (о, х) = const, 2 — К (го, х) = ехр[— 2а(а>), х],

3 - К(т,х) = ехр[2а(<а),х]; б) весовые функции

«Платой» при этом является некоторое расширение «пика» и, следовательно, ухудшение разрешающей способности. В зависимости от конкретных условий, выбор указанной весовой функции может быть результатом некоторого компромисса между расширением «пика» и снижением уровня боковых лепестков.

Обеспечение максимальной дальности

обнаруживаемых дефектов

Максимально достижимая дальность обнаруживаемых дефектов ограничивается затуханием волн в линии передачи и лимитирована отношением «сигнал\шум». При фиксированных амплитудах падающих волн максимальная дальность обнаружения достигается при выборе весовой функции в виде К(со,х) — е~2аРІ‘а)х. Амплитуда «пика» синтезированного сигнала Щх) при этом имеет максимально возможное значение среди любых весовых функций, а прием с использованием ее соответствует условию классической оптимальной фильтрации [11]. Платой за достижение этого эффекта является расширение «пика» и (іс), т.е. ухудшение точности определения положения дефекта и разрешающей способности

Оптимизация весовой обработки

Как показано выше, выбором вида весовой функции можно добиться существенного улучшения ряда показателей, характеризующих цели диагностики линий передачи. При этом улучшение одних показателей с неизбежностью сопровождается ухудшением других из них. Например, при использовании весовых функций спадающего типа снижение уровней боковых лепестков приводит к нежелательному расширению «пика» Щх), т.е.к снижению точности определения дальности, возможно, разрешающей способности. Поэтому в случае фиксированной весовой функции К(а>) выбор ее должен быть результатом разумного компромисса.

200 400 600

х.",

Рис. 5. Зависимость ширины «пика» (м) от дальности (м) в кабеле типа витая пара ПТЯса! 5с для нерегулярности, расположенной на расстоянии 100м с использованием весовой функции

— „2ог

при чувствительности приемника

вида К(а>,х) = е

-60 сШ. Ширина ПОЛОСЫ частот: а) 40 МГц; б) 90 МГц

Возможности и особенности организации адаптивного выбора весовой функции в данной статье не рассматриваются. В качестве иллюстрации осуществления обработки с использованием двумерной весовой функции К(а>,х) рассмотрим задачу обеспечения наилучшей разрешающей способности во всем диапазоне дальностей действия рефлектометрической аппаратуры с синтезированием сигнала. Как отмечено выше, минимальная ширина «пика», определяющая разрешающую способность (при условии компенсации влияния дисперсии) достигается при использовании весовой функции вида е2а(т)х. Максимальная дальность обнаружения — при весовой функции вида е 2а,'а)х. Ширина «пика» Щх), определяющая разрешающую способность, напротив, имеет наибольшее значение во втором случае, а в первом -дальность обнаружения минимальна. Отсюда следует, что выбором весовой функции в виде е2а(Ш>*у<^х), где у(х) изменяется от +1 при минимальной дальности до -1 при максимальной можно обеспечить наилучшее разрешение во всем диапазоне дальностей.

В целях наглядности ограничимся тремя градациями: у(х) -\ при X < Х1,у(.х) -0 при < Х2 иу(х) =-1 при

.Х/Х,, где X/ и - максимальные значения дальности обнаружения соответственно весовым функциям с у(х) = 1 и у(х) — 0 соответственно. Расчетная зависимость минимально достижимой ширины «пика» 17(х), в зависимости от дальности до дефекта показаны на рис. 5.

Заключение

Предложенный метод синтезированного сигнала может явиться основой для создания рефлектометрической аппаратуры с расширенными функциональными возможностями и улучшенными техническими показателями. К числу основных достоинств следует отнести то, что различные варианты обработки обеспечиваются чисто алгоритмическими средствами, без усложнения технических средств. Аппаратурная реализация также не представляет принципиальных трудностей.

Литература

1. Горохов В.М.. Сергеев ДВ. Рефлектометрия во временной области http://www.svpribor.ru/vestnik.php?id=0703020l50l 1.

2. Тарасов Н.А. Современные методы и перспективы импульсных измерений силовых кабельных линий http://www.rcis205.narod.nl/pulsearc.htm.

3. С. Николаев. Инновации в рефлектометрии и мостовых измерениях, журнал «кабель-news» http://www.ruscable.ru/ articlc/Innovaciivrcflcktomctriiimostovyxizmercniyax.

4. Джиган В.И., Кочеров А.В. Рефлектометр на основе непрерывного сигнала для тестирования кабелей цифровых абонентских линий (XDSL) // Электросвязь, №3, 2006. С.40-43.

5. SuketuNaik, Cynthia М. Furse, BehrouzFarhang-Boroujeny. Multicarrier Reflectometry . IEEE Sensors Journal, Vol. 6, No.3, June 2006. pp. 812-818.

6. P. Tsai, Y. Chung, C. fx>, and C. Furse, “Mixed signal reflectometer hardware implementation for wire fault location”, IEEE Sensors Journal, Vol.5, No. 6, pp. 1479-1482, Dec. 2005.

7. Шустов Н.П. Разработка методов и устройств диагностики направляющих линий поездной радиосвязи. Дисс. На соиск. Уч. стсп. канд.тсхн. наук, Иркутск 2011.

8. Пат.2446407 РФ. Способ определения места повреждения линий электропередачи и связи и устройство для его осуществления / Ю.Е. Седельников, Л.Ю. Фадеева // Бюл.ІІ 4.2012 №9. С.369-370.

9. Седельников Ю.Е., Фадеева Л.Ю. Метод синтезирования видеосигнала в задачах диагностики дефектов линий электропередачи и связи // Контроль. Диагностика, 2013. —№8. -С.55-60.

10. Финкелъштейн М.И. и др. Подповерхностная радиолокация. - М.: Радио и Связь, 1994. - 217 с.

I I. РИТЛ «Аквамарин» http://www.ktv.ru/production/ 69/175/158.

12. Тихонов В.И. Оптимальный приём сигналов. — М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.

13. Глаголев С.Ф., Былина М.С., Дюбов А С. Оценка неоднородностей цепей кабелей для цифровой передачи импульсным рефлектометром // КЛБЕЛЬ-news, №8, 2010.

14. Архангельский В.В.. Глаголев С.Ф., Марченко К.В.. Семин А.В. Корреляционный рефлектометр со сложным зондирующим сигналом // Фотон-Экспрссс, № 5(37), 2004.

15. Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф., Марченко К.В. Интегрирующий рефлектометр // Фотон-Экспресс. №3(43), 2005.

16. Былин А.Р., Былина М.С., Глаголев С.Ф. Функциональные возможности импульсных рефлектометров // Вестник связи, №8, 2007.

17. Былина М.С., Глаголев С.Ф. І Іовьмпение точности определения расстояний по рефлектограммам кабельных цепей // Кабель-News, №5, 2011.

18. Былина М.С., Глаголев С.Ф., Дюбов А.С. Новые возможности импульсного метода измерений параметров кабелей для цифровых систем передачи // Электросвязь, №2, 2010.

19. Дюбов А.С. Прибор для измерения количественных и статистических характеристик внутренних неоднородностей симметричных высокочастотных кабелей связи // Ползуновский вестник, №2, 2010.

Synthesized video pulse method in the cable lines diagnosis

Sedelnikov Yu.E., Fadeeva L.Yu., Kazan State Technical University

Abstract. Work is devoted to the diagnosis of defects in communication lines. A new method for diagnosis of echolocation (Patent RF 2446407). Its basis is used as a sounding signal generated sequentially in time series of harmonic oscillations of different frequencies, followed by a joint processing of received reflected signals. For each of these values measured complex reflection coefficient at the input line section diagnosed. These values are multiplied by a complex weight factors, the phase of which corresponds to the phase of the reflection coefficient at the input line provided on the short-circuit distance X from its input and summed for all the values at different frequencies. Result of the sum corresponds to the synthesized video signal reflected from the reflective point in line with the coordinate X. Maximum function U(X) corresponds to the position of the defect. The possibilities of improving the quality indicators of diagnostic equipment designed on the basis of the proposed method by selecting the type of targeted weighting function K(f). It is shown that the use of the proposed weighting allows you to: implement distortion compensation reflected the response due to the presence of losses and dispersion in the transmission line, increase the range of defect detection and resolution by selecting optimal for these purposes, the weighting function.

Keywords: diagnosis of communication cables, syntheszed signal, resolution, leflectometry, cable attenuation, dispersion, heterogeneity in the transmission line, reflection coefficient, the weight function.

References

1. GorokhovVM., SergeevD.V.Time-domain reflectometry. http://www.svpribor.ru/vestnik.php?id=070302015011.

2. Tarasov NA. Modern methods and perspectives pulsed measurements of power cable lines. http://www.reis205.narod.ru/pulsearc:.htm.

3. S. Nikolaev. Innovation and bridge reflectometry measurements magazine "cable-news". http://www.ruscable.ru/article/Innovacii_v_ieflektometrii_i_mostovyx_izmereniyax.

4. Djigan VI, KocherovA.V Reflectometer based on a continuous signal cable testing digital subscriber line (XDSL). Electrosvyaz, No3, 2006. pp. 40-43.

5. SukefuNaik, CynthiaM. Furse, BehrouzFarhang-Boroujeny. Multicarrier Reflectometry . IEEE Sensors Journal, vol. 6, No. 3, June 2006. pp. 812-818.

6. IP Tsai, Y Chung, C Lo, and C Furse. Mixed signal reflectometer hardware implementation for wire fault location," IEEE Sensors Journal, vol.5, No. 6, pp. 1479-1482, Dec. 2005.

7. Shustov N.II Development of methods and devices for diagnostic guide lines train radio. Diss., Irkutsk 2011.

8. Pat.2446407 Russia. Method of determining the location of the damage power and communication lines and apparatus for its implementation / Y.E. Sedelnikov, L.Y Fadeev / Byul.II ch.2012 No9. pp. 369-370.

9. Sedelnikov YE., Fadeev L.Y Method for synthesis of video in the diagnostics of defects power and communication lines / Control. Diagnostics, 2013. No8. pp.55- 60.

10. Finkelstein Ml Subsurface radar, etc. Moscow, 1994. 217 p.

11. RITLA "Aquamarine". http://www.ktv.ru/production/69/175/158.

12. Tikhonov VI Optimal reception of signals. Moscow, 1983. 320 p .

13. Glagolev S.F, Bylina M.S., DyubovA.S Rating inhomogeneities chain cables for digital transmission pulse reflectometer / CABLE-news, No8, 2010.

14. Arkhangebkiy VB., Glagolev S.F, Marchenko K.V, Semin A.V Correlation Reflectometer with complex probing signal / Photon Express. No5 (37), 2004.

15. Arkhangesky VB., Glagolev S.F, Marchenko K.V. Integrating reflectometer / Photon Express. No3(43), 2005.

16. Bylin A.R., Bylina M.S., Glagolev S.F Functionality OTDR pulse / Vestnik svyazi. No8, 2007.

17. Bylina M.S., Glagolev S.F Improving the accuracy of determining distances to trace cable circuits. / Cable-News. No5, 2011.

18. Bylina M.S., Glagolev S.F, Dyubov AS New features of the pulse method for measuring the parameters of cable digital transmission systems / Electrosvyaz. No2, 2010.

19. Dyubov AS Instrument for measuring quantitative and statistical characteristics of internal imperfections symmetric high communication cables / Polzunovskiy Vestnik. No2, 2010.