Диагностика кабельных линий связи методом синтезированного видеоимпульса

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. РФ 2446407). 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 U(X) соответствует положению дефекта. Рассматриваются возможности улучшения качественных показателей диагностической аппаратуры, выполненной на основе предложенного метода путем целенаправленного выбора вида весовой функции ОД. 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 неод-нородностями 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 радиоволновой рефлектометр и и 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 квазинепрерывных зондирующих сигналов ряда различных частот. Для задач радиолокации указанный метод был предложен М.И. Финкельштейном [10] и реализован в первой в СССР СШГ1 РЛС «Аквамарин» [11]. Метод синтезированного видеосигнала [8-9] можно рассматривать как его модификацию для задач эхолокационной диагностики кабельных линий с использованием квазинепрерывных зондирующих сигналов1.

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

Существо метода состоит в следующем. На вход обследуемой линии последовательно во времени подаются квази-гармопические колебания ряда частот « е [со, - си] и регистрируются комплексные амплитуды отраженных волн. Их значения Г (а) соответствуют коэффициентам отражения

линии передачи, представленной некоторым числом участков регулярной линии (рис. 1) и сосредоточенных нерегу-лярностей.

и„.

^сир Т.

Тх

Т»

-м-

Рис, I. Исследуемая линия передачи с нерегулярностями

Входной коэффициент отражения Г11(а>) определяется как:

л»-ГО,Лг„] 0)

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

еир+в)*1 0

- коэффициенты затухания и фазы в

Т =

О е а{а) и р(в>) = % , ,

линии передачи, Уф(а>) ~ фазовая скорость волны.

Измеренные значения Г1Л{а>) умножаются на величины

епрм* ^ где х _з(]ачеиие текущей координаты в линии передачи, и суммируются:

Р-13(ш)х

Построенная таким образом конструкция как функция координаты л т.е. расстояния от начала линии передачи, представляет собой синтезированный отраженный сигнал с

узкими «пиками», пространственное положение которых соответствует координатам реально существующих нерегу-лярностей в линии передачи. В качестве иллюстрации на рис. 2. приводим принятый синтезированный сигнал.

3 10

] to

ЩЩ = \\K((o,x)ei2pwx

200

1 10

100"

Рис. 2. Синтезированный выходной сигнал для случая наличия двух н с регул я рн остей. Кабель типа витая пара UTR cat 5е, полоса частот 30-70 МГц. ] [ ере гул я рн ости; несанкционированное разветвление основной линии на расстоянии 100 м, обрыв на расстоянии ! 10 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 я).1

150

Отметим некоторые из наиболее интересных возможностей.

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

Неизбежные затухание волны, распространяющейся в линии передачи, и дисперсия приводят к непропорциональным частотным изменениям значений комплексных коэффициентов отражения Г {р,х) и, как их прямое их следствие к искажению формы и пространственного положения синтезированного отклика [/(.у). Выбором весовой функции

в виде К(&,х)=е2и(Р1°')~а^'>"*'ш', где и аДй) - час-

тотные зависимости коэффициентов фазы и затухания в обследуемой линии, указанные искажения могут быть скомпенсированы полностью (рис. 3).

Снижение уровней боковых лепестков

Синтезированный сигнал всегда представляет собой «пик», окруженный боковыми лепестками. Последние имеют выраженную структуру и а малых расстояниях до нерегулярности или малом затухании в линии передачи, или с за-плыванием лепестковой структуры при больших расстояниях и значениях коэффициента затухания. Наличие лепестковой структуры может маскировать наличие слабых нерегу-лярностей. Ослабление также может быть обеспечено соответствующим выбором весовой функции К

Рис, 3. Компенсация влияния потерь и дисперсии для случая наличия трех нерегул яркостей, а) без компенсации, б) с компенсацией.

Коэффициент фазы РJk= 1,5, затухание на центральной частоте а = 0,005 1/м, в полосе частот 30-70 МГц

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(ш), а функция U(x) — его результат. Из общих свойств интеграла Фурье следует, что спадающим к краям функциям К(ш) будут соответствовать функции U(x) с большей шириной основного «пика» и меньшими уровнями боковых лепестков, В присутствии потерь общий характер этой закономерности сохраняется. Таким образом, выбирая функцию К(ш), спадающую к краям полосы частот (ш2-ш,)7 можно существенно снизить боковые лепестки. В качестве иллюстрации на Рис. 4. приведены синтезированные сигналы при различных весовых функциях K(w).

з) I

fclO1

Рис. 4. а) Синтезированный отраженный сигнал для нерегулярности, находящейся на расстоянии 110 м в кабеле типа ви гая пара UTR cat

5е при различных весовых функциях (I - К(со,х) = const,

2- К(со,х) = ехр[-2«(л>),х]; 3 - К(ю,х) = ехр[2а(<э),я];

6) 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.

Максимально достижимая дальность обнаруживаемых дефектов ограничивается затуханием волн в линии передачи и лимитирована отношением «сигнал/шум». При фиксированных амплитудах падающих волн максимальная даль-

ность обнаружения достигается ар и выборе весовой функции в виде К(с?,х) = .

Обеспечение максимальной дальности

обнаруживаемых дефектов.

Амплитуда «пика» синтезированного сигнала U(x) при этом имеет максимально возможное значение среди любых весовых функций, а прием с использованием ее соответствует условию классической оптимальной фильтрации [И]. Платой за достижение этого эффекта является расширение «пика» U(x), 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» U(x), т.е.к снижению точности определения дальности, возможно, разрешающей способности. Поэтому в случае фиксированной весовой функции К(со) выбор ее должен быть результатом разумного компромисса.

Возможен и другой подход, допускающий различные изменения вида или параметров весовой функции в процессе обработки K(a>)—fK(co.t), либо переход к использованию двумерных весовых функций К(со)-+К(а>,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.

Возможности и особенности организации адаптивного выбора весовой функции в данной статье не рассматриваются. В качестве иллюстрации осуществления обработки с использованием двумерной весовой функции K(w.x) рассмотрим задачу обеспечения наилучшей разрешающей способности во всем диапазоне дальностей действия реф л е кто метрической аппаратуры с синтезированием сигнала. Как отмечено выше, минимальная ширина «пика», определяющая разрешающую способность (при условии компенсации влияния дисперсии) достигается при использовании весовой функции вида , Максимальная дальность обнаружения

- при весовой функции вида e'2at")', Ширина «пика» U(x), определяющая разрешающую способность, напротив, имеет наибольшее значение во втором случае, а в первом - дальность обнаружения минимальна. Отсюда следует, что выбором весовой функции в виде f 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) =1 при х<хгу(х) =0 при х,(х<х2 Иу(х) = -1 при а*)Л',, где л:; и л'2 - максимальные значения дальности обнаружения соответственно весовым функциям с у(х) =1 и у(х) = 0 соответственно. Расчетная зависимость минимально достижимой ширины «пика» U(x), в зависимости от дальности до дефекта показаны на рис. 5.

40

30

20

10

П-г

6}

А

О 200 400 600 0 200 400 600

хЗ хЗ

Рис. 5, Зависимость ширины «пика» (м) от дальности (м) в кабеле типа витая пара иТ1?.са1 5е для нерегулярности, расположенной на расстоянии 100м с использованием весовой функции вида КЧм,*) = е~а(1">хуШ при чувствительности приемника -60 (1В. Ширина полосы частот а) 40 МГц и б) 90 МГц

Заключение

Предложенный метод синтезированного сигнала может явиться основой ,тля создания рефлектометрической аппаратуры с расширенными функциональными возможностями и улучшенными техническими показателями. К числу основных достоинств следует отнести то, что различные варианты обра-бочки обеспечиваю гея чисто алгорит мическими средствами, без усложнения технических средств. Аппаратурная реализация также не предегавляег принципиальных трудностей.

Литература

1. Горохов Ü.M.. Сергеев Д.В. Рефлектометр и я во временной области http://www.svpribor.n.i/vestnik.php?id=0703020150 ! 1,

2. Тарасов H.A. Современные методы и перспективы импульсных измерений силовых кабельных линий http ://www.reis205. narod. ru/pu lsearc.htm.

3. Николаев С. Инновации в рефлектометрин и мостовых измерениях, журнал «кабель-new s» http://www.ruscable.nj/article/ 11111 о vac i i_v_ re fle kt om et ri i J_m o siovy x izm ere n iy ax.

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

5. SuketuNaik, Cynthia M. Fwse, BehrouzFarhang-Boroujeny. Multicarrier Reflectometrv . IEEE SKNSORS JOURNAL, Vol. 6, No. 3, JUNE 2006. pp. 812-818.

6. P. Tsai. Y. Chung. С. Lo, and С. Furse, "Mixed signal refleetometer hardware implementation for wire fault location," IEEE Sensors J., vol.5, no. 6, pp. 1479-1482, Dec. 2005.

7. Шустов H.П. Разработка методов и устройств диагностики направляющих линий поездной радиосвязи. Дисс. На соиск. Уч. степ, канд.техн. наук, Иркутск, 2011.

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

9. Седельников ¡O.E.. Фадеева Л.Ю. Метод синтезирования видеосигнала в задачах диагностики дефектов линий электроне ре-дачи и связи // Контроль. Диагностика, 2013. №8. - С.55-60.

9 Финкельштеин М.И. и др. Подповерхностная радиолокация. - М.: Радио и Связь, 1994. - 217 С.

10 РИТЛ «Аквамарин» http://www.ktv.nl/production/69/175/158.

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

12 Глаголев С.Ф,. Былина М.С., Дюбов A.C. Оценка неоднородное гей цепей кабелей для цифровой передачи импульсным рефлектометром // КАБЕЛЬ-news, №8, 2010.

13 Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф.. Марченко К.В . Семин A.B. Корреляционный рефлектометр со сложным зондирующим сигналом // Фотоп-Экспресс, 2004. - № 5(37).

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

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

16 Былина М.С., Глаголев С.Ф. Повышение точности определения расстояний по рефлекти граммам кабельных цепей II Кабель-News, 2011. - № 5.

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

18 Дюбов A.C. Прибор для измерения количественных и статистических характеристик внутренних нсоднородностей симметричных высокочастотных кабелей связи // Ползуновский вестник, 2010. - №2

Video synthesized method of cable lines diagnosis

Sedelnikov Yu.E., Fadeeva L.Yu., Kazan National Research Technical University (KNRTU-KAI), Russia

Abstract

The work is devoted to the diagnosis of defects in communication lines. A new method for the diagnosis of echolocation (US Pat. 2,446,407 of the Russian Federation). Its basis is used as the probe signal sequentially generated 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 and diagnosed. These complex values are multiplied by the weighting 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 the inlet and summed for all values at different frequencies. The result corresponds to the summation of the synthesized video signal reflected from the reflecting 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, made on the basis of the proposed method by targeted selection of the form of the weight function K (f). It is shown that the use of the proposed weighting allows to: perform distortion compensation of the reflected response of the presence of losses and dispersion in a transmission line, to increase the range of detection of defects and the resolving power by choosing optimal for these purposes weighting function.

Keywords: diagnosis communication cables, synthesized signal, resolution, reflectometry, cable attenuation, dispersion, heterogeneity in the transmission line, reflection coefficient, the weighting function.

References

1. Gorokhov V.M., Sergeev D.V. Time domain refleclometer http://www.svpribor.ru/vestnilcphp?id=070302015011.

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

3. Nikolaev S. Innovations in reflectometry and bridge measurements, the magazine "cable-news» http://wwwruscable.ru/article/ Innovacii_v_reHektometrii_i_mostovyx_ izmereniyax.

4. Dzhigan V.I., KocherovA.V. ReHectometer based on non-continuous signal for testing digital cable subscriber-ray lines (XDSL) /Electrosvyaz, 2006, No 3. Pp.40-43.

5. SuketuNaik, Cynthia M. Furse, BehrouzFarhang-Boroujeny. Multicarrier Reflectometry . IEEE SENSORS JOURNAL, Vol. 6, No. 3, JUNE 2006. Pp. 812-818.

6. R Tsai, Y. Chung, C. Lo, and C. Furse, "Mixed signal relectometer hardware implementation for wire fault location," IEEE Sensors J., vol.5, no. 6, pp. 1479-1482, Dec. 2005.

7. Shustov NP Development of methods and diagnostic devices-ki guide lines train radio. Irkutsk, 2011.

8. Sedelnikov YE, Fadeev L.Y. Patent 2446407 Russia. A method of fault location of power lines and communications and device for its implementation / Byul.II ch.2012 No 9. Pp. 369-370.

9. Sedelnikov YE, Fadeev L.Y. The method of synthesizing the video in the diagnostics of defects power lines and communication / Control. Diagnostics, 2013. No 8. Pp.55-60. 9. Finkelstein M. et al. Subsurface radar. Moscow: Radio and Communications, 1994. 217 p.

10 RITLA "Aquamarine» http://wwwktv.ru/production/69/175/158.

11. Tikhonov V.I. Optimal reception of signals. Moscow: Radio and Communications, 1983. 320 p.

12. Glagolev S.F, Bylina M.S., Dyubov A.S. Evaluation inhomoneities chains cables for digital transmission of TDR / CABLE-news, No 8, 2010.

13. Archangelsky V.B, Glagolev S.F, Marchenko, K.V, Semin A Correlation reflectometer with complex tip-RATE signal / Foton-Express, 2004. No 5 (37).

14. Archangelsky V.B, Glagolev S.F, Marchenko K.V. Integriruyuschy reflectometer / Foton-Express, 2005. No 3 (43).

15. Byiin AP, Bylina M.S., Glagphv S.F. Functionality TDR / Vestnik Svyazi, 2007. No 8.

16. Bylina M, Glagolev S.F Improving Accuracy of determining distances for OTDR cable circuits / Cable-News, 2011. No 5.

17. Bylina M, Glagolev S.F, Dyubov A.S. New features of the pulse method measuring cables for digital transmission systems / Electrosvyaz, 2010. No 2.

18. Dyubov A.S. Instrument for measuring quantitative and statistical characteristics of internal imperfections symmetric high communication cables / Polzunovsky Vestnik, 2010. No 2.