Некоммерческое акционерное общество

Алматинский университет энергетики и связи

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

 

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

 Сборник задач

для магистрантов  специальности  6М071900 -

Радиотехника, электроника и телекоммуникации)

 

 

 

Алматы 2011 

Составители: Клочковская Л.П., Самоделкина С.В. Методы и средства измерений в телекоммуникационных системах. Сборник задач для магистрантов  специальности 6М071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС, 2011 - 43 с. 

 

В сборнике задач рассматриваются  различные методы измерений параметров оборудования телекоммуникационных систем, приведены задачи по расчетам технических характеристик аппаратуры на  основе результатов измерений .

Ил. 19, табл .23, библиогр.11  

 

Рецензент:  доцент Е.В. Ползик.

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 г.

         © НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

 

Осн. план 2011., поз.176

 

Введение 

Качество выполняемых измерений во многом определяет работу устройств связи. Результаты измерений позволяют выявлять отклоне­ния параметров аппаратуры проводной и радиосвязи от установлен­ных норм и своевременно принимать меры для ее нор­мального функционирования.

Характерной тенденцией развития современных сетей связи явля­ется переход от аналоговых к цифровым системам передачи и комму­тации. Цифровая техника идет по пути совершенствования элемент­ной базы, использования новых носителей и новых технологий пере­дачи информации. В технологии измерений и контроля современных средств связи все большую роль играют компьютерная техника и соз­даваемые на ее базе системы мониторинга и администрирования. Использование новой техники предполагает внедрение новых мето­дик измерения параметров передачи и применения новых контроль­но-измерительных приборов, постоянное совершенствование норма­тивной документации.

Такое бурное развитие техники связи требует от обслуживающего персонала постоянного обновления и совершенствования своих знаний.

В сборнике рассматриваются принципы построения измеритель­ных приборов, основные методы электрических измерений параме­тров оборудования  электро- и радиосвязи, а также частоты и спектров сигналов.

Приводятся задачи, позволяющие определить технические характеристики аппаратуры по результатам измерений.

 

1 Измерение параметров сигналов в линиях связи

 

1.1 Измерение затуханий и усилений

 

Уменьшение мощности гармонического сигнала, передаваемого через четырехполюсник, оценивается величиной затухания (соб­ственного или рабочего). Увеличение мощности оценивается рабо­чим усилением.

Характеристическое затухание, для точного контроля которого необходимо соблюдать на всех частотах условие Zн = Zс2, измеряется гораздо реже, чем рабочее затухание, определяющее режим работы в конкретных рабочих условиях. В реальных трактах передачи практи­чески невозможно обеспечить точное согласование сопротивлений источника сигнала (ИС) и приемника сигнала (ПС) с характеристи­ческими сопротивлениями четырехполюсника (ИЧ). Рабочее затуха­ние и рабочее усиление определяют условия передачи сигналов через четырехполюсник при несогласованных с ним сопротивлениях источника и приемника сигнала (см. рисунок 1.1)

 

Рисунок  1.1 -  Схема включения четырехполюсника

 

Рабочее затухание определяется выраженным в логарифмиче­ских единицах отношением полной мощности, которую источник гармонического сигнала (генератор) с выходным сопротивлением ZГ может отдать на согласованную с ним нагрузку (см рисунок 1.2, а), к полной мощности, которую этот источник отдает приемнику (нагрузке) с сопротивлением Zн (см. рисунок 1.2, б) через данный четырех­полюсник, дБ.

Рисунок 1.2 - Схема определения рабочего затухания (усиления)

 

Так как к выходу генератора подключена согласованная нагрузка (см. рисунок 1.2, а), то U1 = Е/2:

 

 

Если РН > Р1 , то рабочее затухание отрицательно, что соответству­ет усилению мощности. Рабочее усиление является обратным отно­шением тех же мощностей:

 

 

Как видно из приведенных соотношений, знать характеристиче­ские сопротивления четырехполюсника нет необходимости. В рабо­чих условиях четырехполюсник включен между источником сигнала и его приемником. Для обеспечения требуемой точности измерений рабочего затухания и усиления необходимо, чтобы сопротивление измерительного генератора zГ по модулю и углу было равно выходно­му сопротивлению источника сигнала, а сопротивление нагрузки  zн – входному сопротивлению приемника ZГ = ZИС; Zн=ZИС. Это условие трудно выполнимо, так как измерительные генераторы имеют чисто активное сопротивление. Так как углы входных и выходных сопротивлений элементов трактов стремятся сделать малы­ми, то для достижения возможной точности измерений достаточно соблюдения условий равенства активных сопротивлений генератора и нагрузки — модулям сопротивлений источника и приемника сигнала RГ = ZИС , Rн =ZПС.

Вносимое затухание выраженное в логарифмических единицах отношение полной мощности Р1, которую источник гармонического сигнала (генератор) с сопротивлением zГ отдает приемнику (нагрузке) с сопротивлением zн при непосредственном подключении, к полной мощности Р2, которую получает приемник от этого источника через данный четырехполюсник (см.рисунок 1.3).

 

 

Рисунок 1.3 – Схемы определения вносимого затухания

 

Вносимое затухание определит­ся выражением

 

Вносимое усиление

 

 

При выполнении измерений вносимого затухания и усиления сопротивления генератора и нагрузки выбирают из тех же условий, что и при измерении рабочего затухания.

 

Задача 1

Для измерения рабочего затухания в линии ко входу линии подключен генератор стандартных сигналов с выходным сопротивлением Zr, так как линия связи согласованная, то Zr= Zн. напряжение на выходе генератора Е. при этом на нагрузке выделяется напряжение Uн. Необходимо определить рабочее затухание в линии связи.

 

Таблица 1 – Исходные данные для задач 1,2

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Е, мВ

100

120

150

110

125

115

140

135

145

125

Zr, Ом

50

100

75

60

70

110

90

60

80

85

Uн, мВ

80

40

45

20

65

40

65

120

120

100

Пример расчета

 

1) Е = 95 мВ; Uн = 85 мВ;  Zr= Zн = 50 Ом.

 

     

 

то есть, не ослабление, а усиление сигнала.

 

2) Е = 60 мВ; Uн = 10 мВ;  Zr= Zн = 75 Ом.

 

 

то есть, в линии ослабление сигнала.

 

Задача 2

Для измерения рабочего затухания в линии ко входу линии подключен генератор стандартных сигналов с выходным сопротивлением Zr, так как линия связи согласованная, то Zr= Zн. напряжение на выходе генератора Е. при этом на нагрузке выделяется напряжение Uн. Определить затухание через отношение полной мощности, отдаваемой генератором в нагрузку Р1, к мощности, получаемой в нагрузке Рн.

 

Пример расчета

1) Е = 95 мВ; Uн = 85 мВ;  Zr= Zн = 50 Ом.

 

 

 

 

то есть, не ослабление, а усиление сигнала.

 

2) Е = 60 мВ; Uн = 10 мВ;  Zr= Zн = 75 Ом.

 

 

 

 

то есть, в линии ослабление сигнала.

 

Задача 3

Генератор стандартных сигналов, вырабатывающий полную мощность с помощью линии связи  подключен к приемнику с получаемой мощностью Р2 при непосредственном подключении к нагрузке Zн. Определить величину затухания, вносимого фидером.

 

Таблица 2 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Р1, мВт

500

400

450

300

350

325

250

275

325

425

Р2, мВт

100

200

300

150

250

300

225

250

275

350

Zн, Ом

100

70

75

50

60

80

90

85

95

65

 

Задача 4

При прохождении сигнала от передатчика к антенне через фидер происходит ослабление сигнала. Выходная мощность передатчика Рвых. На воде антенны измерено напряжение Uвх, сопротивление антенны Zа.

Определить величину затухания, вносимого фидером.

 

Таблица 3 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Рвых, мВт

1000

500

400

800

700

350

450

525

900

750

Uвх, мВ

80

40

100

95

120

10

40

200

100

50

Zа, Ом

75

50

100

75

50

65

80

90

55

60

 

 

Пример расчета

Рвых = 950 мВт;  Uвх = 100мВ; Zа = 50 Ом.

 

 

1.2 Измерение переходного затухания

 

Переходное затухание характеризует степень взаимных влияний между четырехполюсниками: физическими цепями, фактами, каналами.

Переходным затуханием называется выраженное в логарифмиче­ских единицах отношение полной мощности Р, гармонического сиг­нала на входе влияющего четырехполюсника, к полной мощности РП переходного тока в нагрузке четырехполюсника, подверженного влиянию, при нагрузке четырехполюсников на согласованные (характеристические) сопротивления.

Различают переходное затухание на ближнем и дальнем концах (см. рисунок 1.4).

 

Рисунок 1.4 – Переходное затухание

 

Переходное затухание на ближнем конце, дБ,

 

 

Переходное затухание на дальнем конце, дБ,

 

 

или

 

Четырехполюсники могут иметь различные характеристические сопротивления со стороны входа и выхода. Для того чтобы исключить влияния отражений при измерении переходных затуханий, четырех­полюсники должны быть нагружены на характеристические (волно­вые) сопротивления Zнi = Zсi. При комплексных значениях сопротив­ления Zсi это невыполнимо. Поэтому в качестве нагрузок применяют резисторы с активным сопротивлением, равным модулю характери­стическому Zнi = Zсi.

 

Задача 5

Генератор,  включенный на входе симметричного кабеля имеет выходное сопротивление  Z11 и вырабатывает выходную мощность Рвых. В результате переходного затухания на ближнем конце соседней жилы появилось напряжение помехи UП1. На входе линии, подверженной влиянию включен источник сигнала с выходным сопротивлением Z21.

Определить переходное затухание на ближнем конце линии Аб.

 

Таблица 4 – Исходные данные для задач 5, 6

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Рвых, мВт

500

400

450

300

350

475

375

275

250

320

Z11, Ом

75

50

100

75

50

100

90

80

60

70

UП1, мВ

20

20

12

30

40

40

35

35

20

40

Z21, Ом

50

40

75

55

60

70

80

75

65

50

UП2, мВ

10

12

10

15

30

12

12

25

15

30

Z22, Ом

50

55

60

70

75

80

65

70

75

80

 

Пример расчета

Рвых, = 400 мВт; Z11 = 72 Ом; UП1 = 10 мВ;  Z21 = 50 Ом.

 

 

 

 

Задача 6

На выходе кабельной линии, подверженной влиянию,  измерено напряжение помехи UП2 на нагрузке Z22.

Определить переходное затухание на дальнем конце линии.

 

Пример расчета

Рвых, = 400 мВт; Z11 = 72 Ом; UП2 = 15 мВ;  Z22 = 60 Ом.

 

 

 

 

1.3 Методы контроля оптических кабелей

 

Метод обратного рассеивания широко используется при строительстве и эксплуатации волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), т.к. позволяет одновременно и быстро на одном конце измерять несколько параметров оптического волокна (ОВ) с достаточной для большинства измерительных задач точностью. В методе обратного рассеивания регистрируется временное изменение потока рассеянного назад излучения, возникающего при прохождении по нему зондирующего сигнала, вследствие отражения от рассеянных и локальных неоднородностей. Метод позволяет измерять затухание ОВ, распределения локальных неоднородностей по длине ОВ, включая место обрыва, оценивать величину дисперсии ОВ и затухания в соединительных муфтах ВОЛС, что позволяет судить о качестве монтажа оптической линии. Данный метод применяется в работе рефлектометра (см. рисунок 1.5).

ГИ (1) вырабатывает импульсы, которые затем преобразуются в ЛД (2) в оптические зондирующие импульсы путем модуляции оптической несущей по интенсивности. Зондирующие импульсы через ОР Y-типа (3), устройство ввода (оптический разъем 4) поступают в исследуемое ОВ (5). Из-за флуктуаций показателя преломления сердцевины вдоль ОВ, отражений от рассеянных и локальных неоднородностей, распределенных по всей длине ОВ, возникает поток обратного рассеивания. Поток обратного рассеивания через ОР поступает на вход чувствительного ФП, где преобразуется в электрический сигнал.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – генератор зондирующих импульсов (ГИ);

2 – источник оптического излучения (ЛД);

3 – оптический разветвитель (ОР);

4 – исследуемое волокно (ОВ);

5 – фотоприемное устройство (ФП);

6 – блок управления математической обработки (БУМО);

7 – устройство отображения (УО).

 

Рисунок 1.5 – Структурная схема рефлектометра

 

Сигнал с выхода ФП после специальной обработки в БУМО подается в канал вертикального отклонения УО, вызывая соответствующие изменения характеристики по вертикальной оси Y. Вертикальная ось градуируется в дБ. Отклонение горизонтальной оси X происходит под действием пилообразного напряжения развертки, которая запускается импульсами ГИ. В результате этого абсцисса характеристики прямо пропорциональна времени задержки сигнала относительно момента посылки зондирующего импульса. Поскольку групповой показатель преломления сердцевины, а значит, и групповая скорость распространения оптического сигнала в ОВ известны, горизонтальная ось X градуируется в единицах длины. Построенная зависимость уровня потока обратного рассеивания от рассеяния (времени) называется характеристикой обратного рассеяния или рефлектограммой.

БУМО согласовывает работу ГИ и УО, синхронизируя запуск генератора развертки импульсами ГИ. БУМО создает возможность наблюдения рефлектограммы полностью или по фрагментам (масштабирование). Также БУМО обеспечивает регистрацию и занесение в память реализаций зависимостей мощности обратного рассеяния от времени и их усреднение. При этом, на УО либо последовательно выводятся регистрируемые реализации характеристики обратного рассеяния (режим «реального времени»), либо, после заданного числа усреднений (времени усреднения), - усредненная рефлектограмма.

БУМО осуществляет управление работой OTDR по заданной программе, обработку данных, а также ряд сервисных функций (работа с файлами, печать и т.п.).

К основным параметрам оптических рефлектометров, правильный выбор которых позволяет оптимизировать режим измерений, относятся:

-     динамический диапазон;

-     «мертвая» зона;

-     разрешающая способность.

Рабочий динамический диапазон рефлектометра формируется разностью между собственным динамическим диапазоном потока обратного рассеяния (ПОР) и суммой двойного затухания измеряемой линии – затухание потока рэлеевского рассеяния, а также потерями изоляции при вводе зондирующего импульса в ОВ и выводе обратного излечения.

Потери при вводе и выводе излучения в ОВ в среднем составляют 6…10 дБ, затухание рэлеевского рассеяния – 40 дБ. Собственный динамический диапазон рефлектометра равен 80…90 дБ. Следовательно, рабочий динамический диапазон затухания составляет

.

Можно специальными приемами увеличить диапазон измеряемого затухания ВОЛС рефлектометром до 15…30 дБ. Но при этом нужно использовать сложные зондирующие сигналы или проводить дискретизацию и накопление сигналов ПОР. Это приводит к возрастанию времени измерения до нескольких минут.

Разрешающая способность определяется пределами измерения затухания (динамического диапазона) и длины измеряемого кабеля.

Важным параметром является мертвая зона. Существует два значения этого параметра: мертвая зона до первого соединения определяет минимальную дистанцию, необходимую для различения двух соединителей и, в то же время, мертвая зона до первого сварочного узла определяет минимальную дистанцию, необходимую для различения одного отражающего узла и одного неотражающего.

Рассеянный световой импульс, распространяющийся по ОВ, затухает по экспоненциальному закону

 

,

 

где  – коэффициент затухания, определяемый поглощением;

 – коэффициент затухания, определяемый рассеиванием света;

z – расстояние точки измерения от начала ОВ;

Р0 – начальный уровень сигнала.

Начальный уровень сигнала определяется величиной отражения от переднего торца ОВ, а на экране осциллографа регистрируются зависимости интенсивности потока обратного рассеяния ПОР от расстояния вдоль волокна. На рисунке 1.6 приведены типичные формы осциллограмм потока обратного рассеяния.

 

Кривые: а – идеальное ОВ, б – реальное ОВ.

 

Рисунок 1.6 – Типичные формы осциллограмм обратного рассеяния

 

Зависимость а соответствует идеальному световоду и характеризуется плавным уменьшением интенсивности ПОР. Линия б имеет вид, характерный для нерегулярных (неоднородных) световодов. На однородных участках интенсивность уменьшается по экспоненте (кривая 1). Скачки 2 вызываются дефектами в световоде или в месте его сварки и разъеме ОК. Скачки затухания пропорциональны потерям в данной точке ОВ. Локальные инородные примеси в ОВ или пузырьки воздуха вызывают отражения, ПОР которых имеет вид выбросов 3. Конец световода характеризуется отраженным сигналом в форме 4. Для хорошо преломляющих поверхностей коэффициент отражения равен 0,04, а для неровных и загрязненных граничных поверхностей он уменьшается до 10–4. При несогласованных разъемах или сращивании ОВ форма сигнала отражения и затухания имеет вид импульса 5. При сварке ОВ с разными ПОР появляется скачок 6, который может быть положительным в случае большей величины обратного рассеяния на втором отрезке ОВ по сравнению с первым. На однородных участках ОВ вид кривой ПОР представляет собой спадающую экспоненту. Скачок затухания пропорционален вносимым потерям в данной точке ОВ. Неоднородности по длине ОВ вызывают отражения, которые имеют вид выбросов.

Инструментальные погрешности метода обратного рассеяния определяются погрешностью отсчета по осциллограмме уровней измеряемого потока рассеяния (±0,1…0,3 дБ), а также погрешностями значений текущих координат ОВ z1 и z2. В некоторых приборах с целью уменьшения погрешностей определение расстояний осуществляется в цифровой форме с помощью встроенных в прибор специализированных микропроцессоров.

  

Рефлектограмма идеального ОВ, дБ

 

,

 

где Р0 – мощность светового потока в начале волокна, дБ;

;   Z измеряется в км.

 

Задача 7

Во время измерения характеристик идеального ОВ на экране  рефлектометра появляется изображение рефлектограммы. Начертить  изображение  рефлектограммы идеального ОВ, учитывая, что в конце световода появляется  скачок мощности , характеризующий отражение.

 

Таблица 5 – Исходные данные

Варианты

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Р0, дБ

80

90

70

60

50

65

75

55

85

90

z, км

15

10

12

11

13

11

16

14

15

16

αп, дБ

0,32

0,37

0,32

0,38

0,48

0,35

0,42

0,5

0,5

0,4

αр, дБ

0,2

0,2

0,21

0,25

0,2

0,2

0,21

0,3

0,25

0,2

n

0,87

0,91

0,89

0,95

0,88

0,92

0,9

0,86

0,93

0,94

 

Для построения необходимо взять не менее 5 точек по длине световода.

 

Пример расчета.

Р0=90 дБ, z=20 км, αп=0,3 дБ, αр=0,2 дБ,n = 0,9

 

zi, км

0

4

8

12

16

20

P(z), дБ

90

84,8

79,6

74,4

69,2

64

 

Рисунок 1.7 – Рефлектограмма идеального ОВ

Задача 8

Во время измерения характеристик реального ОВ на экране  рефлектометра появляется изображение рефлектограммы. Требуется построить рефлектограмму реального световода (неоднородного) используя данные, характеризующие различные неоднородности световода.

Рефлектограмма реального ОВ строится согласно типичной форме осциллограммы ПОР (см. рисунок 1.8). На однородных участках интенсивность ПОР уменьшается по экспоненте (параллельно рефлектограмме идеального световода).

 

Таблица 6 – Исходные данные

Участок световода

Однородный участок

Дефект в световоде

Примеси в световоде

Конец светово-да

Несогласованный разъем

Сварка световода с разными ПОР

Варианты

Р0, дБ

1

60

0…3; 3,3…8

8,1…12

3,0…3,3

8…8,1

14,9

10,1

13+

2

70

0…2; 2,2…5

5,1…9

2…2,2

9…9,1

9,9

5,1

8­­–

3

50

0…4; 4,2…6

6,1…8,1

4…4,2

6…6,1

11,9

8,1

10+

4

64

0…3; 3,1…4

4,2…6

4…4,2

3…3,1

8,9

6,1

7–

5

60

0…5;  5,2…7

7,1…8,5

5…5,2

7…7,1

12,9

8,5

9+

6

75

0…7;  7,2…9

9,3…11

7…7,2

9…9,1

10,9

8,2

10–

7

65

0…3;  3,2…8

8,1…12,2

3…3,2

8…8,1

15,9

12,2

13+

8

55

0…2,5;  2,6…6

6,1…10

2,5…2,6

6…6,1

13,9

10

12–

9

65

0…2;  2…4

4,1…5

4…4,1

5…5,1

7,9

6

7+

0

70

0…3,5;  3,6…6

3,5…3,6

6…6,1

9,4

7

8–

Примечание: 1) цифры показывают длину световода от начала (км); 2) обозначение «13+» показывает положительный скачок при большей величине ПОР на втором отрезке ОВ по сравнению с первым; «13–» – отрицательный скачок при меньшей величине ПОР на втором отрезке ОВ по сравнению с первым.

 

Пример расчета

Для z = 20км; Р0 = 70дБ;

участок 1: 0…5 км, 5,1…12 км, 12,1…15 км;

участок 2: 5…5,1 км;

участок 3: 12…12,1 км;

участок 4: 19,9 км;

участок 5: 14 км;

участок 6: 17– км.

 

Рисунок 1.8 – Рефлектограмма реального световода

 

 

1.4 Измерение параметров волоконно-оптических кабелей

 

Наиболее важными измерениями для ВОЛС являются измерения параметров оптических волокон, мест сопряжения кабелей, возможных неоднородностей кабеля. При эксплуатации ВОК особое значение дол­жно уделяться тому, чтобы оптическое волокно (ОВ) в кабелях не пов­реждалось из-за воздействия факторов окружающей среды — таких, как температурные перепады, механические нагрузки и диффузия влаги.

Основным ограничением для передачи информации по волокон­но-оптической линии связи является затухание оптического сигнала по мере его распространения по волокну.

Затухание α, дБ, оптического волокна длиной L определяется выражением:

 

 

где Р(0) — мощность света направляемых мод, введенная в начале световода;

Р(L) — мощность света, оставшаяся на расстоянии L от начала.

Затухание можно измерить несколькими методами, отличающими­ся технологией калибровки и точностью измерения. Для выполнения измерения требуются стабилизированный источник излучения — SLS (Stabilized Light Source) и измеритель оптической мощности - ОРМ (Орtiсаl Роwеr Меter) рисунок  1.9. Задача заключается в определении разности мощности сигнала, поданного в линию, и мощности сигнала, полученного на ее выходе. Следует иметь в виду, что из-за различия условий распространения излучения в каждом направлении измерение необходимо выполнять и обоих направлениях на участках регенерации.

 

 

Рисунок 1.9 - Схема измерения затухания

 

Имеются два способа выполнения измерений по методике с использованием проходящего света: метод обрыва и метод вносимых потерь.

Метод обрыва относится к группе методов разрушающего контро­ля, имеет высокую точность и применяется чаще всего в лаборатор­ных исследованиях при производстве ВОК. Рекомендуется при изме­рениях на коротких оптических волокнах. При методе обрыва определяется световая мощность в двух точках световода: L1,L2. При проведении измерений световая мощность Р сначала измеряется на конце в точке L2 (км). Затем на передающем конце отрезают фрагмент волокна — длиной 1 — 1,5 м (L1 ), скалывают его конец и с помощью адаптера на волокне измеряют уровень сигнала. Уровень в точке L1 принимают за входной уровень. Разность двух уровней дает искомое значение затухания. Коэффициент затухания α световода рассчитывается по формуле:

 

 

Величина затухания по всей длине световода определится выражением

 

α = P(L1) – P(L2),(дБ).

 

Метод вносимых потерь. Согласно ГОСТ 26599—85, оптическими вносимыми потерями называют отношение суммарной мощности оптического излучения на входных оптических полюсах компонента ВОСП (Рвх) к суммарной мощности оптического излучения на выходных полюсах компонента ВОСП, выраженное в децибелах (Рвых). При методе вносимых потерь измеряется световая мощность на дальнем конце испытуемого световода, которая затем сравнивается со световой мощностью на конце короткого отрезка световода. Такой отрезок световода служит эталоном, но которому выполняется калибровка, и он должен быть сопоставим с испытываемым световодом по структуре и характеристикам. Во время проведения измерений необходимо добиться того, чтобы усло­вия возбуждения для эталонного отрезка были одинаковыми, на­сколько возможно, с условиями ввода для испытываемого отрезка световода. Из-за этих ограничений точность и воспроизводимость метода вносимых потерь менее предпочтительны, чем при исполь­зовании метода обрыва. Затухание линии определится выражением

 

αвн = Pвх Pвых,(дБ).

 

Погрешность этого метода выше, чем метода обры­ва.

 

Задача 9

Определить затухание оптического волокна, если при измерении методом обрыва в точке L1 мощность сигнала P(L1), а в точке L мощность  P(L2).

 

Таблица 7 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

L1, м

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,1

1,2

1,3

1,4

L2, км

6

8

10

12

9

7,5

8,6

11

13

14

P(L1), дБ

-0,1

 

-,0,3

 

-,021

 

-0,32

 

-0,22

 

P(L1), мВт

 

0,9

 

0,96

 

0,92

 

0,81

 

0,966

P(L2) , дБ

 

-2,6

 

-3,5

 

-2,4

 

-1,5

 

-2

P(L2) ,мВт

0,575

 

0,5

 

0,565

 

0,478

 

0,6

 

 

Пример расчета

L1= 1,2 м;

L2= 10 км;

P(L1)= - 0,2 дБ;

P(L2) = 0,6 мВт.

 

Мощность сигнала в точке L1

 

P(L1) = - 0,2 дБ = 10-0,2/10= 0,954 мВт.

 

Километрическое затухание

 

 

Мощность сигнала в точке L2

 

P(L2) = 0,6мВт = 10 lg 0,6 = - 2,2 дБ.

 

Затухание по всей длине световода

 

α  = P(L1)- P(L2)= -0,2- (-2,2)= 2 дБ.

 

Проверка решения:

 

 

 

Задача 10

При измерении затухания в световоде методом вносимых потерь на конце эталонного отрезка световода Lэтал световая мощность Рэтал. Чтобы получить такую мощность, на вход эталонного отрезка подано оптическое излучение мощностью Рвх, при этом на эталонном отрезке затухание α.

Необходимо на вход испытуемого световода длинной Lисп подать световой сигнал такой мощности, чтобы километрическое затухание на нем было не больше  α (αи.с. ≤  α).

Определить требуемую величину мощности излучения на входе и выходе испытуемого световода для выполнения условия  αи.с. ≤  α.

 

Таблица 8 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Lэтал, км

9

10

8

8,5

9,5

9

10

8

9,5

10,5

Lисп, км

90

100

80

85

95

90

100

80

95

105

Pэтал, дБ

-1,8

 

-1,9

 

-2,1

 

-2

 

-2,2

 

Pэтал, мВт

 

0,63

 

0,645

 

0,616

 

0,66

 

0,6

α, дБ

0,19

0,19

0,2

0,2

0,21

0,21

0,18

0,18

0,22

0,22

 

Пример расчета.

Рэтал = - 2 дБ; Lэтал = 10 км; Lисп = 100 км;  αи.с. =  α = 0,2 дБ.

 

Затухание эталонного световода длиной 10 км

 

.

 

Подставляем известные числовые значения в данную формулу.

 

Рэтал = - 2 дБ = 10-2/10 = 0,63 мВт.

    

 

Отсюда    

Затухание испытуемого световода

 

 

      

 

Отсюда .

 

 

2 Измерение параметров приемников телекоммуникационных систем

 

Измерение параметров приемника (ПРМ) позволяет оценить его эффективность и пригодность для данного рода службы. К основным измеряемым параметрам относятся чувствительность и избиратель­ность.

 

2.1 Измерение чувствительности

 

Чувствительностью приемника называется его способность при­нимать возможно слабые сигналы. Мерой чувствительности является уровень входного сигнала.

Чувствительность нельзя выразить одной цифрой, так как приме­няется несколько определений чувствительности и несколько методов для ее измерения. Это вытекает из зависимости чувствительности от многих факторов и большого влияния на нее условий работы ПРМ.

Реальная чувствительность Ер определяется минимальным уров­нем входного сигнала, при котором получается номинальная выход­ная мощность при допустимом отношении мощности сигнала (Рс) и мощности шума на выходе приемника (Рш). Это отношение выража­ется в децибелах и определяется

 

     или    , дБ.

 

Структурная схема для измерения реальной чувствительности ПРМ приближенным методом представлена на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1 - Схема измерения чувствительности методом отношения  сигнал/шум

 

На вход приемника, у которого отключается шумоподавитель, от генератора подается нормальный испытательный сигнал и частотой, равной присвоенной частоте канала радиостанции, модулированный частотой 1000 Гц и с номинальной девиацией. Регулятором громкости приемника устанавливают по милливольтметру напряжение, соответствующее номинальному значению мощности приемника, определяемому по формуле

 

 

где Rн – сопротивление нагрузки, для которого задается стандартная мощность.

Отключают модуляцию генератора и, не изменяя положения регу­лятора громкости, устанавливают выходное напряжение генератора таким, чтобы получить отношение полезного сигнала на нагрузке приемника при номинальной девиации к напряжению шума при выключенной модуляции вход­ного сигнала равным 20 дБ. Уровень сигнала на входе прием­ника определяет его чувствитель­ность.

Зависимость выходкой мощ­ности полезного сигнала и мощ­ности шума от уровня входного сигнала ЧМ приемника показана на графике рисунка 2.2. Как видно из графика, реальная чувстви­тельность приемника определяется регулировкой входного сигнала при заданном соотношении мощности полезного сигнала и шума сигнал/шум.

Рисунок 2.2 – Зависимость выходной мощности  полезного сигнала и шума от уровня входного ЧМ-сигнала

Задача 11

При измерении мощности сигнала, выделенной на нагрузке  приемника, требуется определить напряжение полезного сигнала  Uст на выходе приемника, соответствующее номинальному значению мощности приемника.

 

Таблица 9 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Рст, мВт

500

150

250

350

400

500

100

50

375

425

Rн, Ом

75

50

75

50

75

75

50

50

75

75

 

Задача 12

Используя результаты измерения и расчета из предыдущей задача, определить напряжение шума на выходе приемника, если отношение напряжения полезного сигнала на нагрузке при номинальной девиации к напряжению шума равно 20 дБ.

 

Задача 13

Построить зависимость выходной мощности полезного сигнала и мощности шума от уровня входного сигнала ЧМ приемника. Мощность шума определяется по формуле  Рш=k∙Рвых.

По построенному графику определить величину реальной чувствительности, которая соответствует значению Uвх при отношении мощности полезного сигнала к мощности шума, равной 20 дБ (см. рисунок 2.2)

 

Таблица 10 – Исходные данные

Вариант

1, 6

2, 7

3, 8

4, 9

5, 0

Uвх, мкВ

0

10

25

50

75

Рвых, мВт

20

300

500

800

800

k

0,1

0,03

0,01

0,004

0,002

 

2.2 Измерение избирательности

 

Избирательностью приемника называется его способность выде­лять желательный сигнал среди других сигналов, одновременно поступающих на его вход.

Нежелательные сигналы и радиопомехи могут оказывать влияние не только на приемную антенну, но и на различные цепи приемника.

Методы, применяемые для испытания избирательности, подраз­деляются на односигнальные и многосигнальные.

Односигнальная избирательность прежде всего зависит от количе­ства и добротности резонансных контуров и их настройки. Односиг­нальная избирательность определяется при воздействии на вход радиотракта только одного сигнала — полезного либо мешающего. Количественно односигнальная избирательность оценивается отно­шением, показывающим, во сколько раз усиление радиотракта или отдельного каскада приемника для полезного сигнала больше, чем усиление для мешающего сигнала.

На прак­тике снимают так называемую транспонированную кривую изби­рательности, представляющую со­бой зависимость входного напря­жения от изменения частоты при постоянной величине выходного напряжения (см.рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Транспонированная характеристика избирательности

 

На графике Uвх/Uр — нормированное напряжение (Uр— напряжение на резонансной частоте).

Для измерения кривой избирательности применяется генератор сигналов с точной установкой выходного напряжения, которое может изменяться в широких пределах, имеющий возможность точного отсчета небольших изменений частоты. Вольтметр подключают к выходным каскадам приемника. Так как напряжение измеряется на выходе усилителя низкой частоты, в качестве входного сигнала необходимо применять модулированный сигнал, ширина спектра которого не должна превышать ширину полосы пропускания испы­тываемого приемника.

Односигнальная избирательность может характеризовать ослабле­ние помех по соседнему и зеркальному каналам, а также каналу на промежуточной частоте.

Измерение ослабления сигналов на этих частотах определяют сле­дующим образом.

На измерительном генераторе устанавливают частоту, соответ­ствующую рабочей частоте приемника f0. На вход приемника подает­ся модулированный сигнал с уровнем, равным чувствительности при­емника, а на его выходе развивается стандартная мощность при заданном отношении сигнал/шум. Затем, не изменяя настройки приемника, от генератора подают колебания на частоте соседнего канала fс.к.= f0 ± Δ f. Увеличивают выходное напряжение генератора Е0 таким образом, чтобы получить на выходе приемника напряжение, соответ­ствующие стандартной мощности Uвых = Uст. Измеряют выходное напряжение генератора (Еск).

Ослабление сигнала соседнего канала определяют по формуле

дБ.

 

Избирательность по соседнему каналу  определяется по формуле

 

,

 

где Qэ – эквивалентная добротность резонансного контура тракта промежуточной частоты;

Δfсос – расстройка частоты  по соседнему каналу.

Для определения избирательности по зеркальному каналу не изменяя настройки приемника, от генератора подают сигнал с частотой зеркального канала fз.к.=f0+2fпр   и промежуточной частотой fпр. Уровень сигнала увеличивают до получения на выходе приемника напряжения Uвых = Uст Измеряют значения Езк и Епр и  определяют ослабление частоты зеркального канала ξзк и промежуточной ξпр.

 

           

 

Задача 14.

Для определения избирательности по зеркальному каналу была снята резонансная характеристика тракта радиочастоты  приемника. Рассчитать избирательность по зеркальному каналу, определить частоту  помехи зеркального канала, указать диапазон рабочих частот.

 

Таблица 11 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Е0,   мВ

40

60

70

30

100

50

55

75

80

65

Езк, мВ

80

90

210

75

200

100

110

110

120

130

fпр, кГц

465

1600∙103

10400

465

1590∙103

10400

1300∙103

10400

465

10400

f0,  кГц

4

3000

100

25

7500

110

6200

91

0,3

105

 

Частота зеркального канала fз.к.=f0+2fпр ;

 

Задача 15

Рассчитать   избирательность по соседнему каналу, определить частоту помехи соседнего канала.

  

Таблица 12 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Е0,   мВ

20

30

40

50

10

25

35

45

55

15

Еск, мВ

20

33

50

50

30

50

50

60

75

30

fск, кГц

5

28000

250

9

30000

240

25000

210

9

200

f0,  кГц

4

3000

100

25

7500

110

6200

91

0,3

105

 

Задача 16

Построить резонансную характеристику избирательной системы тракта радиочастоты приемника. Определить избирательность по зеркальному каналу.

 

Таблица 13 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Qэ

50

200

150

60

200

160

200

140

15

150

f0, МГц

4

3000

100

25

7500

110

6200

91

0,3

105

fпр, МГц

0,465

1600

10,4

0,465

1590

10,4

1300

10,4

0,465

10,4

 

Ослабление по зеркальному каналу определяется по формуле

 

 

где Δf – расстройка частоты, Δf =± k∙ fпр, кГц (k = 0; 0,2; 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2; 2,5).

Избирательность по зеркальному каналу определяется по формуле

 

, дБ.

 

Задача 17

Построить резонансную характеристику избирательной системы тракта промежуточной приемника. Определить избирательность по соседнему каналу.

 

Таблица 14 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Qэ

10

15

20

25

10

15

20

25

30

20

fпр, МГц

0,465

1600

10,4

0,465

1590

10,4

1300

10,4

0,465

10,4

Δfсос0, кГц

5

28000

250

9

30000

240

25000

210

9

200

 

Ослабление помехи соседнего канала определяется по формуле

 

 

где Δfсос=k∙ Δfсос0  (k = 0; 0,2; 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2; 2,5).

Избирательность по соседнему каналу определяется по формуле

 

дБ.

 

3 Измерение параметров передатчиков телекоммуникационных систем

 

3.1 Измерение коэффициента стоячей волны

 

Согласование сопротивлений в трактах передачи энергии радио­технических устройств существенно влияет на качество работы пере­датчиков, приемников и всего канала связи в целом, так как энергия, отдаваемая в нагрузку, зависит от согласования этой нагрузки с вол­новым сопротивлением линии связи. Например, при плохом согласо­вании антенные фидерной линией передачи в ней появляются отражения и отдаваемая передатчиком мощность уменьшается. В линии возникают как падающие, так и отраженные волны. В зависимости от характера и величины нагрузки в линии устанавливается один из трех режимов: бегущих, стоячих или смешанных волн.

Рассмотрим эти режимы. Пусть имеется линия передачи с волно­вым сопротивлением Z0, по которой передается электромагнитная энергия от генератора синусоидального напряжения к нагрузке с сопротивлением Zн. Будем полагать, что внутреннее сопротивление генератора равно волновому сопротивлению линии Z0 , т.е. ZГ = Z0.

1 Режим 1 бегущих волн устанавливается при нагрузке линии активным сопротивлением, равным ее волновому , т.е. Zн = Rн = Z0. В этом случае существует полное согласование: в линии распростра­няется поток падающей волны, движущейся от генератора к нагрузке,­ полностью поглощаемый нагрузкой. Отраженная волна, движущаяся от нагрузки к генератору, отсутствует

2 Режим стоячих волн устанавливается при коротком замыкании
(КЗ) линии Zн = 0 или при холостом ходе (XX)
Zн = ∞, а также при
нагрузке линии реактивным сопротивлением
Zн = ХL и Zн = ХС. Здесь
отсутствует односторонний поток энергии в сторону нагрузки. При
КЗ линии амплитуда отраженной волны равна падающей, а фаза
отраженной волны противоположна фазе падающей. В месте КЗ
образуется первый узел напряжения, затем узлы повторяются по
длине линии по направлению к генератору через расстояние
l = λ/2, а
пучность через
l= λ/4.

3 Режим смешанных волн устанавливается при нагрузке активным сопротивлением, неравным волновому сопротивлению линии
(
Rн¹Z0), или произвольным комплексным сопротивлением (Zн = Rн ± jXн ). При этом режиме амплитуда падающей волны больше
амплитуды отраженной, энергия переносится в сторону нагрузки и
часть ее поглощается нагрузкой. Напряжение вдоль линии изменяется от
Uмин  до Uмакс.

Расстояние от сечения линии, где включена нагрузка, до перво­го минимума напряжения в сечении линии по направлению к генера­тору l0 зависит от нагрузки.

Отсюда следуют выводы:

-     при отсутствии согласования в линии возникают смешанные или стоячие волны, приводящие к снижению или полному прекра­щению передачи энергии от источника к потребителю;

-     наличие стоячих волн может привести к пробою в высоковольт­ных фидерах передатчиков в местах образования пучностей;

-     если нагрузкой является измерительный прибор, то отсутствие согласования приводит к появлению систематической ошибки при измерениях.

Мера согласования линии с нагрузкой характеризуется следующи­ми коэффициентами: отражения (Г), стоячей (КСВ) и бегущей (КБВ) волн.

Коэффициент отражения определяется отношением амплитуды отраженной от нагрузки волны к амплитуде падающей. При чисто активной нагрузке Хн = 0:

 

 

Коэффициент стоячей волны определяется соотношением макси­мального и минимального значений напряжения в линии и равен

 

 

Коэффициент бегущей волны

 

 

В режиме бегущих волн Г = 0, КСВ = КБВ = 1.

 

В режиме стоячих волн Г = 1, КСВ = ∞, КБВ = 0. В режиме смешанных волн эти коэффициенты могут принимать любые значения в следующих пределах:

0 < Г < 1,      1 < К с < ∞,      0 < К< 1.

В диапазоне СВЧ измерение КСВ можно осуществить с помощью направленных ответвителей (НО), позволяющих измерять напряже­ние падающей и отраженной волн. Направленные ответвители выполняются с использованием волноводов или полосковых линий. Простейший направленный ответвитель на волноводах показан на рисунке 3.1, а. Он состоит из двух связанных волноводных линий: глав­ной, которая включается в тракт передачи энергии от источника к нагрузке, и добавочной, связанной с основной двумя отверстиями, расположенными на расстоянии четверти длинны волны (λ/4) друг от друга. Добавочная линия нагружена на согласованную нагрузку и индикатор для измерения напряжения (или мощности).

 

Рисунок 3.1 - Схематическое изображение направленных ответвителей на волноводных линиях (а) и полоскового (б)

 

Если инди­катор включить в правом конце добавочной линии, то он измеряет напряжение падающей волны (изображенной на рисунке сплошной линией). Как видно из рисунка, пути распространения падающей волны к индикатору через оба окна связи будут равны, и колебания придут в одинаковой фазе. Колебания отраженной волны от нагруз­ки основной линии (на рисунке изображена пунктирной линией), пройдя через оба окна связи, будут иметь разность хода, равную половине длинны волны и, следовательно, придут к индикатору в проти­воположных фазах. При включении индикатора в левом конце доба­вочной линии, он будет измерять напряжение отраженной волны, так как здесь колебания отраженной волны складываются, а падающей вычитаются.

 

Задача 18

При измерении с помощью направленного ответвителя максимальное показание индикатора напряжения Umax, а в положении «отраженная» Umin.

Определить возможна ли качественная передача сигнала, если норма КБВ в фидере между передатчиком и антенной  0,3.

 

Таблица 15 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Umax,мкВ

100

120

150

130

175

150

90

120

200

180

Umin,мкВ

30

40

70

10

80

110

80

20

100

30

 

Пример расчета

Umax = 100 мкВ; Umin = 20 мкВ.

 

Г = Umin/ Umax = 20/100 = 0,2;

 

 

значит качественная передача возможна.

 

Задача 19

Фидер с волновым сопротивлением Z0 нагружен на антенну с входным сопротивлением Rн.

Определить КБВ и сделать вывод о качестве передачи, если норма на КБВ равна 0,45.

 

Таблица 16 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Z0,Ом

50

60

100

30

40

80

130

100

60

70

Rн,Ом

75

100

60

50

60

120

130

80

90

140

 

Пример расчета

 

Z0 = 75 Ом;   Rн =50 Ом.

 

значит качественная передача возможна.

 

Задача 20

Каким должно быть показание индикатора при согласовании фидера с выходом передатчика и антенной, если известны выходная мощность передатчика Рвых, волновое сопротивление фидера R0?

 

 

Таблица 17 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Рвых,мВт

500

400

300

150

250

375

600

550

350

450

R0,Ом

75

80

60

50

60

85

100

150

75

65

 

Пример расчета

Рвых = 500 мВт;   R0 = 50 Ом.

 

мкВ.

 

 

3.2 Измерение девиации частоты СВЧ-передатчика

 

На РРЛ с частотным уплотнением многоканальное сообщение передается с помощью частотной модуляции несущей передатчика. Согласно рекомендации МККР для различного числа каналов используется определенное значение девиации частоты, называемое эффективным значением девиации частоты. Для  определения этой величины использовался измерительный уровень модулирующего сигнала и .

В каждом конкретном случае необходимо рассчитать девиацию частоты и сравнить со значением, рекомендованным МККР (см. таблицу 19)

 

Таблица 19 – Эффективное значение девиации частоты на канал , кГц(согласно рекомендациям МККР)

Максимальное число каналов, n

Эффективное значение девиации частоты , кГц

12, 24

35

60, 120

50, 100, 200

240, 300, 600, 960

200

1260

140, 200

1800, 1920

140

2700

140, 100

 

Эффективная девиация частоты на один канал  определяется по формуле

 

,

 

где Рк.ср.   - измерительный уровень модулирующего сигнала в дБ,

n – количество каналов, передаваемых в многоканальном сообщении.

 

  

Задача 21

Определить действительное значение девиации частоты, учитывая погрешность измерения и показания пикового вольтметра, шкала которого проградуирована в единицах девиации – килогерцах.

 Рассчитать эффективную девиацию частоты и сравнить с измеренным значением с учетом погрешности измерений.

 

Таблица 20 – Исходные данные для задач 21,22

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Число каналов, N

12

24

120

240

60

300

960

600

1260

960

Измеренное значение девиации частоты , кГц

105

114

60

210

105

205

210

190

150

205

Погрешность измерения девиации частоты, %

+5

­–10

+8

+6

­­­­–9

–6

+10

+7

–7

–8

Измерительный уровень модулирующего сигнала Рк.ср.,  мВт

1

5

10

15

20

25

18

8

4

2

 

При сравнении измеренной величины с учетом погрешности с расчетной сделать вывод о соответствии рекомендациям МККР.

 

Пример расчета

, n = 200.

Эффективная девиация частоты на один канал

 

 

Измеренное значение девиации частоты 50 кГц. С учетом погрешности измерений  +5% определяем действительное значение девиации частоты передатчика

 

 

Таким образом, для данного уровня сигнала измеренное значение девиации частоты превышает эффективное значение, следовательно спектр ЧМ-сигнала на выходе передатчика не будет соответствовать норме.

 

Задача 22

Рассчитать спектр ЧМ сигнала при измеренной и эффективной величине девиации частоты, указать различие спектров. Построить спектр согласно рекомендациям МККР.

Ход выполнения расчета

Определение индекса частотной модуляции.  Используя значение  эффективной девиации частоты на один канал из предыдущей задачи рассчитывается индекс частотной модуляции по формуле

 

,

 

где  .

В зависимости от полученного индекса модуляции по графикам  функций Бесселя (рисунок 3.2) определить число и амплитуды частотных составляющих ЧМ-сигнала для двух значений девиации частоты: эффективного и измеренного.

 

Рисунок 3.2 – Графики функции Бесселя первого рода

 

Пример расчета

N=2700, , ,

, .

Коэффициенты Бесселя для :

По полученным данным строим спектр ЧМ сигнала (см.рисунок 3.3.)

 

 

 

 

Рисунок 3.3 – Спектр ЧМ сигнала одного канала

 

3.3 Измерение мощности передатчиков

 

Измерение мощности представляет собой важную энергетическую задачу. Значение мощности, отдаваемой выходными каскадами передатчика в антенно-фидерный тракт, является одним из важнейших показателей, обеспечивающих дальность действия канала связи.

В цепях постоянного тока мощность Р0 определяется одним из следующих выражений:

 

                               ,

 

где I0 и U0 — значения постоянного тока через нагрузочный резистор сопротивлением R и падения напряжения на нем.

Мощность, потребляемую нагрузкой, можно определить косвен­ными методами с помощью амперметра и вольтметра или прямым способом с помощью электродинамического ваттметра.

В цепях переменного синусоидального тока измеряют среднее за период значение активной мощности:

 

 

На высоких и сверхвысоких частотах антенно-фидерные линии проявляют себя как длинные линии с распределенными параметрами, в которых в зависимости от степени согласования могут возникать смешанные и стоячие волны. В результате, произведение действующих значений токов и напряжений для различных сечений фидера неодинаково, т.е. U1I1 ¹  U2I2 (см. рисунок 3.4), поэтому методы измерения мощности, используемые на низких частотах, не применимы.

1— максимальное значение напряжения;

2 — максимальное значение тока.

Рисунок 3.4 – . Диаграммы распределения тока и напряжения в линии.

 

На высоких и сверхвысоких частотах методы измерения мощности передатчиков основаны на преобразо­вании электромагнитной энергии в энергию какого-либо другого вида, удобного для измерения и фиксации показывающим прибором. Самыми распространенными являются тепловые методы: калориметрический (при измерении больших мощностей) и метод, основанный на изменении сопротивления терморезистора (для малых и сред­них мощностей).

При настройке каскадов передатчика измеряют мощность, погло­щаемую нагрузкой или проходящую к нагрузке. В соответствии с этим существуют ваттметры поглощаемой мощности (классификация МЗ-) и проходящей мощности (классификация М2-).

Поглощаемую мощность измеряют, когда надо определить мощность, отдаваемую источником в согласованную нагрузку. В этом случае реальная нагрузка обычно заменяется эквивалентной, которая входит в комплект ваттметра, т.е. нагрузкой передатчика является сам ваттметр (см.рисунок 3.5, а)

 

Рисунок 3.5 – Способы измерения мощности: поглощаемой (а) и проходящей (б)

 

При измерении мощности передатчика, работающего на реальную нагрузку, в процессе эксплуатации используется метод проходящей мощности. Принцип измерения основан на ответвлении некоторой части мощности в измерительное устройство, которое слабо связано с линией передачи. Основная же часть энергии поступает в реальную нагрузку (см. рисунок 3.5, б).

 

Измерение поглощаемой мощности

Метод вольтметра. Мощность измеряют косвенным методом путем измерения напряжения на резисторе с известным сопротивлением. К выходу передатчика подключают эквивалент антенны в виде согласованного нагрузочного сопротивления Rн и вольтметр. Мощность вычисляют по формуле

 

,

 

где U — показания вольтметра.

В качестве эквивалента сопротивления применяют прецизионные резисторы: проволочные, углеродистые, объемные, поверхностные.

Если вольтметр имеет среднеквадратический детектор, то шкала может быть проградуирована в единицах мощности.

При значении КСВ — 1,5 в линии относительная погрешность из-за рассогласования составляет 12...20 %. Следовательно, такие приборы фактически служат индикаторами излучаемой передатчиком мощности. Так как в передатчиках радиостанций связи по техническим данным не требуется более точных измерений мощности, этот метод измерения нашел широкое практическое применение.

Метод термистора. Основан на изменении сопротивлений боло­метра или термистора под влиянием мощности СВЧ. Применяется для измерения мощностей от единиц микроватт до единиц ватт.

Болометр представляет собой вольфрамовую или платиновую нить, заключенную в стеклянный баллончик, заполненный инертным газом.

Термистор представляет собой бусинку (или диск), спрессованную из смеси окиси марганца, кобальта, никеля, покрытую тонким слоем стекла. Бусинка помешена в стеклянный баллончик с двумя жесткими выводами.

Термисторный ваттметр состоит из приемного преобразователя, в котором размешены болометр или термистор и элементы согласования, измерительного узла в виде моста постоянного тока и отсчетного устройства с цифровой или стрелочной индикацией. Приемный преобразователь в зависимости от диапазона частот выполняется в виде отрезка коаксиальной или волноводной линии.

Волноводный приемный преобразователь (см.рисунок 3.6) представляет собой отрезок короткозамкнутого прямоугольного волновода, в конце которого помещен терморезистор. Для настройки согласования терморезистора с волноводом предусмотрен поршень (П).

 

Рисунок 3.6 – Термисторный метод измерения мощности

 

Терморезистор одновременно включается в цепь СВЧ-тракта и в цепь постоянного тока — одно из плеч моста. Развязка цепей обеспечивается конденсатором, размещенным в одном из патрубков.

Измерение сопротивления терморезистора, а следовательно, и мощности производится с помощью моста, в одно плечо которого включен терморезистор, а в остальные — постоянные резисторы, сопротивления которых равны сопротивлению терморезистора в рабочей точке. В диагональ моста включен микроамперметр. Перед началом измерений мост уравновешивают, добиваясь нулевых показаний индикатора. Затем на вход преобразователя полается измеряемая мощность, мост выходит из равновесия и в диагонали моста появляется напряжение, которое фиксируется прибором, проградуированным в единицах мощности.

 

Измерение проходящей мощности

Для измерения проходящей мощности приборы включаются в линию передачи между источником сигнала (выходные каскады передатчика) и нагрузкой (антенно-согласующим устройством). Их включение не должно вызывать ослабление и искажение электромагнитного поля в основной линии передачи. Несоблюдение этих требований приводит к значительной погрешности измерений и наруше­нию работы передатчика.

Для измерения проходящей мощности используют рефлектометры на основе волноводных направленных ответвителей  и на основе токового трансформатора (см.рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 –  Рефлектометр на основе токового трансформатора

 

Трансформатор Т1 является датчиком тока. Первичная обмотка Т1 имеет один виток, вторичная — n витков, намотанных на карбонильном кольце. Напряжение на вторичной обмотке равно 2UТ, и обмотка имеет отвод от середины. Иногда вторичную обмотку выполняют из двух отдельных обмоток, каждая с напряжением UТ. На емкостном делителе С1 и С2 создается напряжение Uс, значительно меньшее, чем на линии. Данные Т1, R1 и делителя С1/С2 выбирают таким образом, чтобы при согласованной нагрузке Zн =Rн = Z0 напряжение Uс= Uт. Балансировка для уравнивания напряжений осуществляется изменением С1. Диод VD1 выпрямляет ток падающей волны, а диод VD2 — отраженной.

Вторичная обмотка включена таким образом, что при подключении выхода передатчика к разъему XI, а нагрузки (АФУ) — к разъему Х2, к диоду VD1 прикладывается суммарное напряжение Uс + Uт., а к диоду VD2— разностное. При согласованной нагрузке отраженная волна отсутствует и напряжение на VD2 равно нулю.

Измерения с реальной нагрузкой производятся следующим обра­зом. Сначала в положении переключателя S1 «Падающая» резистором RЗ добиваются максимальных показаний индикатора РА. Затем переводят переключатель в положение «Отраженная» и отсчитывают величину, соответствующую значению отраженной волны, а, следова­тельно, определяют значение коэффициента отражения Г. Затем рассчитывают КСВ.

Например, максимальное показание прибора РА было 100 мкА. В положении «Отраженная» показания прибора 20 мкА, что соответствует значению Г = 20/100 = 0,2. Коэффициент стоячей волны равен

Кс = (1 +0,2)/(1  - 0,2) = 1,5.

Прибор может быть проградуирован в значениях КСВ.

Для измерения мощности переключательS1 оставляют в положение «Падающая» при максимальном  показании индикатора РА. Зная величину сопротивления нагрузки, можно рассчитать проходящую мощность от передатчика.

 

Задача 23

Измерить проходящую мощность от передатчика к нагрузке, если известны максимальное показание прибора Iмакс (мкА), сопротивление нагрузки Rн (Ом), погрешность измерений ΔР (%).

Рассчитать действительную мощность с учетом погрешности.

 

Таблица 21 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Iмакс (мкА)

100

90

85

150

80

110

115

190

200

130

Rн (Ом)

75

50

90

50

100

40

45

55

50

60

ΔР (%).

+15

-18

+20

-12

+16

-18

+19

-19

+20

-20

 

Пример расчета.

 Iмакс=100 мкА; Rн = 75Ом , ΔР = +20 %.

Тогда  

 

 

 

Задача  24

Измерить мощность, проходящую к нагрузке методом вольтметра. Определить КБВ, КС В линии, качество передачи при заданной норме на КБВ. Прибор показывает напряжение U (В). Эквивалент нагрузки имеет сопротивление Rн (Ом) – проволочный резистор. Норма на КБВ:  КБВн при волновом сопротивлении линии Z0 (Ом)

 

Таблица 22 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

U (В)

0,5

1

4

2

0,4

0,8

0,7

0,6

1,5

2

Rн (Ом)

5

10

50

40

100

45

30

70

55

15

Z0 (Ом)

50

75

100

80

90

75

50

60

100

50

КБВн

0,3

0,4

0,5

0,35

0,45

0,3

0,4

0,6

0,7

0,5

Пример расчета.

Показание прибора U = 2 В. Сопротивление эквивалента нагрузки

Rн =10 Ом. Волновое сопротивление линии Z0 = 50 Ом. Норма на КБВн = 0,3.

 

Тогда мощность, проходящая к нагрузке

 

.

 

При этом коэффициент отражения

 

 .

 

Коэффициент стоячей волны

 

.

 

Коэффициент бегущей волны

 

 

Вывод: при сравнении полученного значения КБВ с нормой КБВ<КБВн. Это значит, что мощности падающей волны недостаточно для получения выходной мощности передатчика, соответствующей техническим данным.

 

Задача 25.

Измерить мощность, поглощаемую нагрузкой, методом  вольтметра, если прибор показывает напряжение U (В), линия передачи имеет волновое сопротивление Z0 (Ом).

Определить действительное значение сопротивления эквивалента нагрузки и действительное значение поглощаемой мощности, если эквивалент нагрузки имеет относительную погрешность ΔRн (%). Линия передачи согласована.

Определить значение КБВ. Сделать выводы .

 

Таблица 23 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

U (В)

4

2

1

0,5

0,4

0,8

1,5

2

0,6

0,7

Z0 (Ом)

75

50

80

75

50

90

50

75

80

50

ΔRн (%)

+0,02

-0,5

+0,1

-0,2

+0,5

-1,0

+0,02

-0,5

+0,1

-0,2

Пример расчета.

Показание прибора U = 2 В. Волновое сопротивление линии Z0 = 50 Ом. Погрешность эквивалента нагрузки ΔRн = +0,1%.

Действительное значение сопротивления эквивалента нагрузки определяется по формуле:

 

 

Действительное значение поглощаемой нагрузкой мощности

 

 

Коэффициент отражения

 

.

 

Коэффициент стоячей волны

 

.

 

Коэффициент бегущей волны

 

 

Вывод: при отсутствии погрешности  сопротивления эквивалента нагрузки в согласованной линии передачи КСВ = КБВ = 1. Полученный в расчете результат неравенства КБВ и КСВ подтверждает влияние погрешности сопротивления эквивалента нагрузки на режим работы линии.

  

Список литературы 

1.        Ракк М.А.,. Мельникова Л.Я, Лабецкая Г.П., Кульбикаян Х.Ш. Измерения в технике связи: Учебник для вузов, М., 2008. - 566 с.

2.        Бакланов И.Г. Технология измерений в современных телекоммуникациях. -М.: ЭКО-Трендз, 2001. -  139 с.

3.        Бакланов И.Г. Технология измерений первичной сети. Часть  1.Системы Е1,PDH, SDH.- М.: ЭКО-Трендз, 2002.-  142 с.

4.        Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. – М.: ЭКО-Трендз, 2002. -196 с.

5.        Бакланов И.Г. ISDN и FRAME RELAY: Технология и практика измерений. - М.: ЭКО-Трендз, 2002. -   187 с.

6.        Клаассен   К.Б.   Основы   измерений.   Электронные   методы   и   приборы   в измерительной технике.- М.: Постмаркет, 2000. - 352 с.

7.         Иванов А.Б. Волоконная оптика:  компоненты, системы передачи, измерения - М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 2001.- 460с.

8.        Контроль качества в телекоммуникационных системах / Под ред. Иванова А.Б.- М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 2001. - 336 с.

9.                 Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Уч. Для вузов. -2-е изд., перераб. И доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА,  2004. - 204 с.

10.         Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Основы метрологии. - М.: ИПК Изд-во стандартов,2003- 157 с.

11.         Самоделкина С.В., Клочковская Л.П. Методы и средства измерения в телекоммуникационных системах. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ для магистрантов  специальности 6М071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АИЭС, 2010 - 27 с.

 

Содержание

 

Введение

3

1 Измерение параметров сигналов в линиях связи

1.1 Измерение затуханий и усилений

3

3

1.2 Измерение переходного затухания

8

1.3 Методы контроля оптических кабелей

10

1.4 Измерение параметров волоконно-оптических кабелей

16

2 Измерение параметров приемников телекоммуникационных систем

20

2.1 Измерение чувствительности

20

2.2 Измерение избирательности

22

3 Измерение параметров передатчиков телекоммуникационных систем

3.1 Измерение коэффициента стоячей волны

26 

26

3.2 Измерение девиации частоты СВЧ-передатчика

30

3.3 Измерение мощности передатчиков

33

Список литературы

41