В.М. Горохов, Д.В. Сергеев

ЦИФРОВОЙ ВЕЙВЛЕТ - РЕФЛЕКТОМЕТР

РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ

Импульсные рефлектометры, работающие во временной области (в западной литературе TDR - Time Domain Refctometry), в настоящее время являются наиболее распространенными приборами и выпускаются множеством различных производителей. Типичные отечественные представители этого семейства - рефлектометры серии Р5 (ЭЛЕКТРОАППАРАТ, Брянск); Рейс-105 и Рейс-205 (СТЕЛЛ, Брянск); РИ-10М и РИ-20М (ЭРСТЕД, Санкт-Петербург), ИРК-ПРО Альфа, Дельта-ПРО DSL (СВЯЗЬПРИБОР, Тверь) и пр. Принцип работы таких рефлектометров основан на посылке в кабель прямоугольного зондирующего импульса и наблюдении задержанного эхо-сигнала, отраженного от неоднородности волнового сопротивления. Основными информативными результатами являются форма эхо-сигнала и его задержка. По величине задержки можно найти расстояние до дефекта. Сама задержка определяется как время от начала зондирующего импульса до начала эхо-сигнала. Вот здесь то и кроется основная проблема. В идеальных условиях, когда кабель хороший (лучше магистральный) или короткий, все просто. Надо поставить один курсор на начало импульса, второй - в начало эхо-сигнала и считать показания.

Идеальный случай для импульсной рефлектометрии.

Для не очень хороших городских кабелей ТПП длиной несколько километров картина может стать достаточно загадочной. Даже от открытого конца кабеля эхо-сигнал требует предварительного усиления в несколько десятков децибел. В случаях с использованием длинных зондирующих импульсов это приводит к следующей типичной картине:

Обычный тяжелый случай

Попробуйте найти не то что начало самого эха, но даже просто идентифицировать его наличие. На приведенной рефлектограмме распознать конец кабеля удалось только по двум причинам. Во-первых, измерители знали примерное расстояние, и, во-вторых, просили оператора на дальнем конце несколько раз замкнуть и разомкнуть кабель. Такой подход, естественно, не годится при поиске реальной неисправности. Если еще учитывать, что всегда присутствуют шумы, то ситуация становится предельно сложной.

Причиной возникновения данной проблемы является прямоугольный зондирующий импульс. С целью увеличения разрешающей способности производители рефлектометров стараются сделать фронты импульса как можно короче. Посылаемый в линию обычным рефлектометром прямоугольный импульс обладает широким, а точнее неограниченным спектром. Этот импульс, пройдя через кабель и возвратившись обратно после отражения, имеет форму, далеко не похожую на прямоугольную - фронт и спад сильно завалены, а порой их просто нет. Вместо первоначальной формы можно наблюдать какой-то практически неразличимый "горбик". Это происходит из-за дисперсии скорости сигнала и неограниченности спектра прямоугольного импульса. Параметры любого реального кабеля частотно зависимы. Амплитудно- и фазо-частотная зависимости приводят к тому, что различные частоты распространяются по кабелю с разной скоростью - это и есть дисперсия скорости сигнала.

Дисперсия сильно влияет на сигнал с широким спектром. Чем шире спектр сигнала, тем больше влияние дисперсии на его форму и наоборот.

Простой прямоугольный импульс при прохождении через кабель искажается до неузнаваемости, и для его обнаружения требуется большое мастерство и опыт измерителя. Производители пытаются как-то помочь измерителям, вводя новые функции. Так, в Рейс-205 (СТЕЛЛ, Брянск) и Дельта-ПРО DSL (СВЯЗЬПРИБОР, Тверь) реализованы схемы с двуполярными зондирующими импульсами, призванными убрать постоянную составляющую и тем самым устранить "лыжи" на рефлектограмме. Чтобы помочь определить начало эхо-сигнала в приборе К6Р-5 (ЭЛЕКТРОАППАРАТ, Брянск) возможно вычисление производных первого и высших порядков отраженного сигнала по времени. К сожалению, с точки зрения математики, операция дифференцирования, проводимая над дискретными отсчетами, не является корректной и приводит к резкому увеличению уровня шума в эхо-сигнале. Все меры, принимаемые производителями оборудования, в целом, не в состоянии изменить общей картины, определяемой самим методом:

Достоинства метода	Недостатки метода
Простота	Трудность идентификации эхо-сигнала Неопределенная ошибка при позиционировании измерительного курсора на начало эхо-сигнала

РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ

Прямоугольный импульс слишком простой и его трудно различить на фоне помех. Появилась идея сделать зондирующий импульс предельно сложным и заставить сам прибор искать характерный эхо-сигнал по "особым приметам", как в детективах. В приборе AnCom A7 (АНАЛИТИК-ТС, Москва) и ряде других приборов используются не одиночные зондирующие импульсы, а псевдослучайные последовательности. Естественно, отраженный сигнал имеет аналогичную структуру и может быть обнаружен известными методами цифровой обработки. При этом на экран самого прибора выводится результат такой обработки. Сама рефлектограмма очень похожа на картинку обычного рефлектометра, но работа с ней принципиально отличается. Если в обычной рефлектометрии курсоры необходимо позиционировать на слабо определенных местах начала импульса и эха, то в ПСП-рефлектометрии позиционирование производится по вершинам рефлектограммы, что представляется принципиальным плюсом. Однако, наряду с несомненными достоинствами, этот метод имеет и принципиальный недостаток, связанный опять со спектром зондирующего импульса. Использование ПСП-последовательностей значительно увеличивает и без того широкий спектр прямоугольного импульса. Отсюда возникают те же проблемы, что и в обычной рефлектометрии.

Достоинства метода	Недостатки метода
Наличие характерных признаков сигнала позволяет до некоторой степени автоматизировать поиск отражений на фоне помех.	Предельно широкий спектр зондирующего импульса приводит к расплыванию характерных признаков и ограничивает динамический диапазон рефлектометра.

СИНУСОИДАЛЬНАЯ РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ

Широкий спектр обычной и ПСП-рефлектометрии приводит к "замыливанию" сигнала при прохождении через кабель. Для устранения такого эффекта были разработаны рефлектометры, работающие в частотной области (FDR - Frequency Domain Reflectometry) и использующие в качестве тестового сигнала простой синус. Пример такого устроиства - Cell Master MT8212B (ANRITSU).

Синусоидальный сигнал имеет предельно узкий спектр и его форма не искажается при прохождении через линейные системы, каковым и является кабель. Как же можно использовать неограниченный во времени синус для измерения времени прохождения сигнала и определения расстояния до места повреждения в кабеле. Было придумано два способа: фазовый и частотный.

Фазовый метод

Метод очень похож на классический способ определения скорости звука, изучаемый на лабораторных занятиях в технических вузах по курсу физики.
Блок схема прибора, реализующая фазовый метод, представлена на следующем рисунке:

Схема фазового метода

Суть метода заключается в следующем.

В кабель посылается синусоидальный сигнал. Сигнал доходит до дефекта и отражается назад в прибор с запаздыванием. При этом фаза отраженного сигнала отличается от посланного. На выходе синхронного детектора появляется некий постоянный уровень, зависящий от уровня отраженного сигнала, его фазы и затухания в кабеле. В основном, интересна зависимость от фазы и, следовательно, от расстояния до дефекта. Проводят аналогичные измерения для множества частот и результаты с синхронного детектора запоминают. В памяти появляется зависимость детектированного сигнала от частоты, аналогичная показанной на рисунке:

Информация, накопленная в памяти

Разница напрямую связана с расстоянием до места отражения сигнала Lx :

,здесь v - скорость распространения электромагнитной волны в кабеле. Проще всего найти с помощью спектрального анализа. Если в кабеле не одно повреждение, то будет соответственно в детектированном сигнале не одна частота, а несколько. После спектроанализатора "рефлектограмма" будет иметь примерно такой вид:

Результат обработки

Достоинства метода	Недостатки метода
Теоретически высокая «дальнобойность».	Невозможно определить тип дефекта. Все дефекты выглядят совершенно одинаково.

Частотный метод

Блок-схема прибора, реализующего частотный метод, показана ниже.

Частотный метод

Синусоидальный генератор с быстроменяющейся по линейному закону частотой (свип-генератор) выдает свой сигнал в проверяемую линию. В месте неоднородности волнового сопротивления сигнал отражается и возвращается обратно в прибор с задержкой. К этому времени генератор успевает немного изменить свою частоту. Оба сигнала поступают в смеситель (перемножитель), на выходе которого появляются комбинационные частоты. Фильтр низких частот выделяет только разностные составляющие, которые подаются на спектроанализатор. В результате на экране появляется спектрограмма с пиками на характерных частотах, связанных со скоростью свипирования частоты и расстояниями до мест повреждения кабеля.

Достоинства метода	Недостатки метода
Теоретически высокая «дальнобойность».	Невозможно определить тип дефекта. Все дефекты выглядят совершенно одинаково. Сложность реализации.

ВЕЙВЛЕТ РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ

Подводя итог очень сжатому обзору существующих методов локации неоднородностей кабеля можно сказать, что существует два класса приборов:

• рефлектометры с зондирующим импульсом, имеющим предельно широкий частотный спектр, которые позволяют в удовлетворительных условиях локализовать неисправность и определить ее тип;


• рефлектометры на основе синусоидального сигнала с предельно узким спектром, позволяющие локализовать неоднородность в тяжелых условиях, но неспособные распознать ее тип.

В приборе ИРК-ПРО Гамма (СВЯЗЬПРИБОР, Тверь), наряду с классическим, реализован новый подход, основанный на использовании в качестве зондирующего сигнала набор вейвлет-функций. Вейвлеты представляют собой фундаментальный класс функций строго детерминированных как во времени, так и по спектру. Схема измерения практически совпадает со стандартной для обычной импульсной рефлектометрии. Принципиальная разница заключается в системе регистрации. В отличие от импульсной рефлектометрии, где на экран выводится зависимость напряжения на кабеле от времени и измеритель сам пытается обнаружить эхо-сигналы на фоне различных искажений и шумов, в вейвлет-рефлектометре отображается результат математической обработки. Дело в том, что зондирующий вейвлет-сигнал обладает не только строго ограниченным спектральным составом, но и набором вполне уникальных особых примет, позволяющих выделить отдельные эхо-сигналы методами цифровой обработки. Это позволяет увеличить как чувствительность метода, так и разрешающую способность.

При сравнении двух рефлектограмм, снятых на кабеле связи обычным и вейвлет-рефлектометром, видно, что вейвлет-рефлектограмма более чувствительна к обрыву. Кроме того, на ней различима "муфта", которую не "заметил" обычный рефлектометр.

Сравнение обычного и вейвлет рефлектометров (линейный масштаб).

Впрочем, правильно "прочесть" рефлектограмму - это, хотя и важный, но только первый этап работы. Следующий шаг заключается в локализации неоднородности. В обычном рефлектометре при определении расстояния до неоднородности курсор устанавливают на начало отраженного импульса. Это "начало" приходится определять "на глаз", что вызывает затруднение в случае сглаженного импульса. Ошибка позиционирования неизбежна. В вейвлет-рефлектометре место, где рефлектограмма имеет локальный максимум (минимум), и есть та неоднородность кабеля, от которой происходит отражение сигнала. Таким образом, для определения расстояния необходимо устанавливать курсоры на локальные экстремумы рефлектограммы, а они, в отличие от начала "заваленного" фронта обычного рефлектометра, легко определяются даже на глаз. Но и это не все. Процесс распознавания неоднородностей (муфт и дефектов) по максимуму или минимуму позволяет реализовать алгоритм автоматического определения неоднородностей и расстояний в вейвлет-рефлектометре.

Большой динамический диапазон измерительной схемы позволяет наблюдать рефлектограмму в логарифмическом масштабе. На одном экране можно видеть и мощный зондирующий импульс, и мелкие локальные неоднородности вдоль всего кабеля, не пользуясь усилением. При этом динамический диапазон наблюдения составляет 100 дБ.

Окно вейвлет-рефлектометра в логарифмическом масштабе. Рядом с измерительным курсором отображается относительный уровень сигнала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перечисленные особенности вейвлет-рефлектометра открывают новые дополнительные возможности для измерителя на линии. Именно им предстоит судить о достоинствах и недостатках предложенного метода. (СВЯЗЬПРИБОР начал серийное производство комбинированного прибора ИРК-ПРО Гамма).

Особенно интересна идея реализации сразу двух рефлектометров в одном приборе. У измерителя появляется возможность сравнения результатов, и возникают дополнительные предпосылки для более детального анализа проблемы. В условиях недостаточно полной паспортизации и запущенности кабельного хозяйства это особенно ценно.