Лабораторна робота №1

ДОСЛІДЖЕННЯ ВИТОКУ МОВНОЇ ІНФОРМАЦІЇ В ЛІНІЯХ ЗВ’ЯЗКУ

Мета: вивчення принципів будови та роботи імпульсних вимірювачів неоднорідностей ліній зв’язку. Дослідження різного роду неоднорідностей кабелів зв’язку.

1. Теоретичні відомості

Актуальність захисту телефонних переговорів поставила задачу розпізнавання і пошуку пристроїв знімання інформації для їх подальшої нейтралізації. В даний час ринок виробів спеціальної техніки представлений широким вибором приладів, що дозволяють з тим або іншим ступенем достовірності знаходити наявність прослуховуючих пристроїв, встановлених на телефонній лінії.

За принципом дії прилади виявлення підслуховуючих пристроїв можна умовно розділити на наступні групи:

§ Пристрої контролю напруги лінії.

§ Пристрої контролю сигналів на телефонній лінії.

§ Пристрої аналізу неоднорідності телефонної лінії.

§ Пристрої аналізу несиметрії лінії.

§ Пристрої аналізу нелінійності параметрів лінії.

Пристрої контролю напруги лінії утворюють найчисленнішу групу приладів виявлення, представлених на ринку спецтехніки. Прилади даної групи реєструють зміну напруги лінії за допомогою компараторів або вольтметрів. При цьому, якщо напруга на лінії змінюється на достатню величину, то робиться висновок про гальванічне підключення до лінії. Основним недоліком всіх приладів даної групи є те, що вони повинні бути встановлені на “чисту” лінію, тобто виявляються тільки нові гальванічні підключення до лінії. Наприклад, всі прилади даної групи успішно виявляють “піднімання” трубки паралельного телефону у момент проведення переговорів по лінії або підключення до лінії “нових” телефонних закладок з живленням від лінії (послідовних з опором більше 0,5 кОм, паралельних з опором менше 10 кОм). При вимірюванні напруги лінії за допомогою вольтметрів або компараторів слід враховувати “природні” коливання напруги лінії в межах до 1В, залежність параметрів лінії від температури, вологості, стану устаткування АТС, опору перехідних колодок і інших чинників. Часто аналізатори напруги лінії вбудовують як складові частини в складніші прилади захисту переговорів по телефонній лінії (наприклад, в генератори перешкод). До таких приладів можна віднести: TRTD-061, TSU-3000, SI-2002 і т.д. У будь-якому випадку чутливість приладів контролю напруги лінії невисока і обмежена нестабільністю параметрів телефонної лінії. Заміна телефонного апарату вимагає перенастроювання приладу, а при першому підключенні необхідна перевірка лінії на “чистоту” іншими технічними засобами.

Принцип дії пристроїв контролю сигналів на телефонній лінії будується на частотному аналізі сигналів, що є в дротяних лініях (електромережа, телефонна ліні, кабельні лінії сигналізації і т.д.). Як правило, прилади цієї групи працюють в діапазоні частот 40 Гц...10 МГц, мають високу чутливість (на рівні 20 мкВ), розрізняють модуляцію прийнятого сигналу, що приймається, мають можливість контролю прийнятої інформації. За допомогою даних приладів можна легко встановити факт передачі інформації по лінії зв’язку, “ВЧ-нав’язування” і ін. До таких приладів можна віднести TRTD-061, TSU-3000, SI-2002 і ін. Основним недоліком приладів даної групи відносно телефонної лінії є виявлення вузького класу прослуховування пристроїв. Контроль сигналів на телефонній лінії часто виконують складніші багатофункціональні прилади (наприклад OSCOR-5000, CPM-700 і ін.).

Пристрої аналізу несиметрії лінії. Принцип дії приладу базується на визначенні різниці опорів дротів лінії по змінному струму і визначенні витоку по постійному струму між дротами лінії. Вимірювання проводяться відносно нульового дроту електромережі. Прилад не вимагає “чистої” лінії при роботі. Чутливість його досить висока для виявлення практично будь-яких закладок контактно підключених до лінії. Прилад знаходить послідовно включені прослуховуючі пристрої з внутрішнім опором більше 100 Ом, паралельні із струмом споживання більше 0,5 мА. Прилад має і ряд недоліків. При початковій несиметрії лінії (наприклад, за рахунок тривалої і розгалуженої проводки всередині будівлі, наявності скруток, відведень, контактних з’єднань і т.п.) прилади даної групи помилково указують на наявність послідовно підключеного прослуховуючого пристрою. Зміна параметрів лінії через зміну кліматичних умов, неідеальність телефонної лінії, витоки за рахунок застарілого устаткування АТС і т.д. приводять до помилкового “визначення” паралельно підключеного прослуховуючого пристрою. І, нарешті, використання як “третій” дріт нульової шини електромережі при несправності в приладі може привести до виходу з ладу устаткування АТС, телефонної лінії.

В останні декілька років з’явилися пристрої аналізу нелінійності параметрів лінії, принцип дії яких базується на аналізі нелінійності імпедансу телефонної лінії. У свою чергу в цій групі приладів існують дві підгрупи. Це прилади, що визначають нелінійність двохдротяної знеструмленої лінії і прилади, що працюють на реальній телефонній лінії. Прилади, що визначають нелінійність двохдротяної знеструмленої лінії володіють високою чутливістю і дозволяють визначати практично будь-які нелінійні пристрої знімання інформації, підключені до лінії. Істотним недоліком таких приладів відносно телефонної лінії є невелика дальність виявлення, обмежена фізичною доступністю до дротів лінії і необхідністю відключення телефонної лінії від АТС на час перевірки. Ці особливості експлуатації не дозволяють проводити оперативний контроль телефонної лінії і обмежують дальність перевірки. Прилади найбільш придатні для періодичних перевірок знеструмлених відрізків ліній (телефонних, електромережа, сигналізація) усередині будівлі. Прилади, що працюють на реальній телефонній лінії, володіють меншою чутливістю в порівнянні з приладами попередньої підгрупи. Відбувається це через те, що перешкоди, спеціальні сигнали АТС, наведення промислової частоти, присутні на лінії, реально не дозволяють одержати таку ж чутливість. Проте їх чутливість цілком достатня для виявлення практично всіх відомих прослуховуючих пристроїв з живленням від телефонної лінії, що мають нелінійний характер імпедансу. З другого боку, можливість роботи на реальній телефонній лінії, оперативність проведення контролю (не більше 5 хвилин) без порушення нормального функціонування лінії, максимально можлива дальність виявлення прослуховуючих пристроїв (від Вашого ТА до АТС), необов’язковість “чистої” лінії на момент підключення приладу, відсутність залежності результатів перевірки лінії від реактивних неоднорідностей, неякісних контактів (скручувань), витоків струму, роблять прилади другої підгрупи найпривабливішими при експлуатації.

2. Пристрій аналізу неоднорідності лінії зв’язку

2.1. Види неоднорідностей та їх вплив на якість зв’язку

Виникаючі по різних причинах неоднорідності й ушкодження негативно позначаються на роботі ліній зв’язку. До найбільш характерних ушкоджень, які зустрічається на кабельних і повітряних лініях зв’язку, відносяться: обрив проводів, коротке замикання між проводами кола, пониження ізоляції між проводами кола або між дротом і землею, замикання дроту на землю і т.д. (рис.1).

Рис. 1. Види ушкоджень у лініях зв’язку: a) Z_B=Z_H; p=0; б) Z_B>Z_H; p>0;
в) Z_B<Z_H; p<0.

Такі дефекти, як зміна розмірів і форми кабельних провідників, а також відстаней між ними по довжині лінії, аналогічно, та непостійність електричних властивостей матеріалу провідників та ізоляції одержали назву конструктивних неоднорідностей. Неоднорідності існують як всередині будівельної довжини кабеля, так і у місцях з’єднання двох або більше будівельних довжин (з’єднувальних муфтах). Перші називаються внутрішніми, другі – стиковими неоднорідностями. Стикові неоднорідності, як правило, перевищують внутрішні. Всі зазначені неоднорідності викликають зміну хвильового опору лінії по її довжині.

Будь-яку неоднорідну лінію можна представити як складену з окремих однорідних ділянок. Електромагнітна хвиля, сформована при поширенні по такому колі сигналу з амплітудою U₃ (рис. 2,а), частково відбивається від місць стрибкоподібної зміни хвильового опору (зосередженої неоднорідності), повертається до початку кола і фіксується у вигляді відбитого сигналу U_відб (рис. 2, б, в), а частина, що залишилася, проходить до навантаження. Зазвичай в колі є декілька неоднорідностей, що приводять до багаторазового відбиття хвилі як в сторону генератора, так і в сторону навантаження. Сума всіх хвиль, які поширюються в сторону джерела сигналу, створить зворотній потік енергії. Надходячи на вхід кола, зворотній потік викликає частотні коливання вхідного опору лінії, затрудняючи узгодження його з вихідним опором передавальних апаратур (генератора) і викликаючи додаткові втрати і амплітудно-частотні спотворення сигналу.

Сума всіх хвиль, що відчули парне число відбиттів, утворить попутний потік енергії, що поширюється по колі разом з основним сигналом і спотворює його форму. При цьому істотно спотворюється спектр сигналу і особливо його фазова складова. Особливо страждає від попутного потоку якість телевізійної передачі, для якого відповідність фазових спектрів, переданих по лініях зв’язків і прийнятих на їх кінці сигналів, є визначальним чинником. Для нормальної передачі телевізійних сигналів величина попутного потоку в коаксіальних лініях зв’язку повинна становити не більше 1% від основного, а відхилення вхідного опору від норми, обумовлене відбиттями від неоднорідностей, не повинне перевищувати 0,3%. Амплітудно-частотні спотворення спектра сигналу, обумовлені впливом попутного потоку, позначаються в основному на якості телефонного зв’язку. Однак у симетричних кабелях зв’язку, по яких здійснюється телефонна передача, попутний потік, як правило, не має істотного значення. Зате зворотній потік помітно підсилює перехідну телефонну розмову.

Рис. 2. Характер відбитих імпульсів:

а - форма зондувального імпульсу, б - форма зондувальних і відбитого імпульсів з додатною полярністю, в - форма зондувального імпульсу з додатною полярністю і відбитим імпульсом з від’ємною

Враховуючи сказане вище, на всіх етапах створення кабельної лінії - при виробництві кабелю, при будівництві і експлуатації магістралі - повинен здійснюватися контроль за внутрішніми та стиковими неоднорідностями ВЧ-кабелів зв’язку. З появою ушкоджень у лінії зв’язку визначення характеру та місця цих ушкоджень із метою негайного їх усунення є досить важливим завданням експлуатації кабельних і повітряних ліній зв’язку.

Для дослідження неоднорідностей, а також визначення характеру і місця ушкодження в лініях зв’язку застосовуються різні методи вимірювання, які основані на постійному (наприклад, за допомогою приладів ПКП-3, ПКП-4, ПКП-5) і змінному струмі. Вибір методу вимірювання залежить від характеру ушкодження, від необхідної точності і тривалості вимірювання. Імпульсний метод відноситься до вимірювань на змінному струмі. Хоча він у деяких випадках менш точний, аніж інші методи, однак з його допомогою можна виявити зазначені вище неоднорідності і ушкодження за порівняно короткий час, що має велике значення при експлуатації кабельних магістралей. Зазвичай з появою ушкодження імпульсним методом з’ясовують його характер і місце, а потім за допомогою інших методів уточнюють відстань до місця ушкодження.

2.2. Імпульсний метод вимірювання неоднорідностей ліній зв’язку

Імпульсний метод вимірювання повітряних і кабельних ліній зв’язку ґрунтується на явищі часткового або повного відбиття електромагнітних хвиль у місцях зміни (неоднорідності) хвильового опору кола. Ці зміни виникають у результаті порушень технології виробництва симетричних і коаксіальних кабелів, а також внаслідок механічних та електричних ушкоджень кола при прокладанні, монтажі і експлуатації ліній зв’язку.

Принцип імпульсних вимірювань полягає в тому, що у вимірювану лінію подаються короткочасні імпульси напруги (зондувальні імпульси), які, поширюючись по лінії, частково відбиваються від неоднорідностей хвильового опору і повертаються до місця, звідки були послані. Зондувальний імпульс і відбиті сигнали відтворюються на екрані електронно-променевої трубки з часовою розгорткою променя. Крива, що спостерігається на екрані ЕПТ, називається імпульсною характеристикою лінії. На імпульсній характеристиці відбиті сигнали будуть зміщені за часом відносно зондувального імпульсу пропорційно відстані до неоднорідності (ушкодження). Вимірюючи інтервал часу t між моментом посилки зондувального імпульсу в лінію і моментом приходу відбитого від неоднорідності імпульсу та знаючи швидкість v поширення електромагнітної енергії (імпульсу) у даній лінії, можна обчислити відстань l від місця виміру до неоднорідності за формулою

(1)

Швидкість поширення імпульсу (електромагнітної енергії) по лінії визначається її первинними параметрами і дорівнює груповій швидкості електромагнітної хвилі. Для високих частот (> 40 кГц), де можна знехтувати дисперсією, групова швидкість практично не залежить від частоти і збігається з фазовою швидкістю, що визначається зі співвідношення

(2)

де L - індуктивність кола, Гн/км; С - ємність кола, Ф/км; v - швидкість поширення електромагнітної енергії у вільному просторі (с=3•10⁵ км/с); e - відносна діелектрична проникність ізоляції кабелю.

На практиці для оцінки швидкості поширення електромагнітної енергії в лінії часто використається поняття коефіцієнта укорочення довжини хвилі. Коефіцієнт укорочення довжини хвилі характеризує зменшення швидкості поширення електромагнітної енергії в лінії в порівнянні зі швидкістю поширення енергії у вільному просторі

, (3)

де e - діелектрична проникливість ізоляції кабеля.

На високих частотах і для високодобротних ліній зв’язку, коли можна зневажити активними первинними параметрами передачі R і G у порівнянні з реактивними L і С, коефіцієнт укорочення, як випливає з (2), чисельно дорівнює квадратному кореню з ефективної діелектричної проникності ізоляції кабелю.

Разом із вищезгаданими параметрами при імпульсних вимірюваннях часто користуються поняттям часу затримки, визначеного як час проходження фронту хвилі по відрізку лінії довжиною в один кілометр:

(4)

Імпульсний метод дозволяє визначати не тільки відстань до місця ушкодження, але й характер ушкодження, тому що залежно від характеру ушкодження на імпульсній характеристиці досліджуваного кола отримуються викиди різної полярності. Дійсно, амплітуда U_відб відбитого імпульсу пов’язана з амплітудою U₃ зондувальних імпульсів виразом

(5)

де р={Z_H–Zb) I {Z_H+Zb) – коефіцієнт відбиття в місці ушкодження, а – коефіцієнт згасання кола, l – відстань до місця ушкодження, Z_B – хвильовий опір кола і Z_H – опір навантаження в місці ушкодження.

Опір навантаження в місці ушкодження визначається характером неоднорідності. При ушкодженні ізоляції (див. рис.1,а) величина цього параметра визначається за формулою

(6)

де R_ізол – опір ізоляції.

У випадку зосередженої омічної асиметрії величиною AR (поганий контакт, кабельна вставка, окислення дроту) (див. рис.1,б) маємо

(7)

Для комбінованого ушкодження (див. рис. 1,в) величина опору навантаження в місці ушкодження визначається як

(8)

У випадку конструктивної неоднорідності Z_B і Z_H – хвильові опори попередньої зосередженої неоднорідності та наступного за нею ділянок кола відповідно. Терміном “зосереджена неоднорідність” підкреслюється, що відстань Δ l, на якому відбувається зміна хвильового опору кола (область локалізації неоднорідності), повинне задовольняти співвідношенню Δ l<<λ, де λ – довжина електромагнітної хвилі в колі зв’язку (у лініях зв’язку ця умова, як правило, виконується). У випадку Δ l>>λ, неоднорідність є розподіленою або плавною, відбиття від неї вкрай малі і їх можна не враховувати. Відмітимо також, що неоднорідність і ушкодження відрізняються між собою тільки величиною (ступенем) зміни хвильових властивостей кола зв’язку. Якщо неоднорідність приводить до неприпустимого погіршення якості зв’язку, то вона вважається ушкодженням. Такі ушкодження, як обрив і коротке замикання, є граничними значеннями неоднорідностей.

З виразу (5) випливає, що при відсутності ушкоджень (R_m = ¥; D R = 0) Z_H = Z_B, коефіцієнт відбиття р дорівнює нулю і відбиття імпульсу в крапці l не відбувається (див. рис. 2,а).

При обриві ( D R = ¥; Z_H = 0; р = 1) або збільшенні послідовного опору, наприклад, поганому контакті ( D R > 0; Z_H > Z_B; 0 <р< 1) коефіцієнт відбиття має додатні значення (р > 0). Відбитий імпульс має однакову полярність із зондувальної і на імпульсній характеристиці кола ушкодження буде відзначено викидом нагору (див. рис. 2,б).

При короткому замиканні (R_ізол = ¥; Z_H = 0; р = -1) або ушкодженні ізоляції, витоку (R_ізол < ¥; Z_H < Z_В; -1 <p < 0) коефіцієнт відбиття має від’ємні значення (р < 0). Полярності зондувальних і відбитого імпульсів протилежні і на імпульсній характеристиці кола ушкодження буде відзначено викидом униз (див. рис. 2,в).

У випадку ушкодження лінії в декількох місцях її імпульсна характеристика має відповідне число викидів.

Імпульсні характеристики, зображені на рис. 2,а, б, в, є ідеальними. Для реальної лінії через наявність у ній різного роду неоднорідностей технологічного характеру (внутрішніх і стикових) імпульсна характеристика має звивисту форму з безліччю дрібних імпульсів різної полярності. При наявності ушкоджень у лінії на ці дрібні імпульси накладаються імпульси з більшою амплітудою.

Таким чином, знак (полярність) відбитого імпульсу відображає характер неоднорідності (ушкодження), вказуючи на характер зміни хвильового опору в місці знаходження неоднорідності (ушкодження) у порівнянні з номінальним хвильовим опором: в сторону збільшення, що характерно для обриву і збільшення послідовного опору, або убік зменшення, що характерно для короткого замикання і витоку. Для того щоб відрізнити обрив від збільшення послідовного опору та коротке замикання від витоку (зменшення опору ізоляції), необхідно оцінити амплітуду відбитого імпульсу, оскільки вона залежить за інших рівних умов від величини неоднорідності, змінюючись від нуля при відсутності неоднорідності до максимуму при обриві й короткому замиканні. У загальному випадку амплітуда відбитого імпульсу залежить не тільки від величини неоднорідності (чим більше неоднорідність, тим більше амплітуда відбитого імпульсу), але, як випливає зі співвідношення (5), також від відстані до місця неоднорідності і згасання a досліджуваної лінії. Чим більша ця відстань і згасання лінії, тим сильніше слабшає зондувальний імпульс і тим менша амплітуда відбитого імпульсу. Якщо в лінії немає ушкоджень, і вона навантажена на опір, рівний її хвильовому опору Z_В, то посилає імпульс, який, повністю поглинається лінією та опором навантаження й ніяких відбиттів імпульсу спостерігатися не буде.

Імпульсний метод визначення характеру і місця ушкодження (неоднорідності) реалізується способом зондування лінії не тільки коротким відеоімпульсом, але й одиничним перепадом напруги. Метод зондування кабелю коротким відеоімпульсом застосовується в основному для пошуку і визначення місця розташування ушкодження й окремих великих неоднорідностей. При цьому відбувається відбиття відеоімпульсу від початку й кінця неоднорідності, що рівносильно одержанню похідної розподілу неоднорідностей кабелю. Проте ефективність цього методу різко знижується при наявності в лінії складних неоднорідностей - наступних один за одним декількох протяжних неоднорідностей, плавної зміни хвильового опору уздовж лінії та ін.

Метод зондування кабелю одиничним перепадом напруги дає повну картину зміни хвильового опору уздовж лінії. Використовуючи одночасно обидва методи, можна одержати більш повну інформацію про стан лінії шляхом порівняння імпульсних характеристик, отриманих різними методами зондування.

Перевагами імпульсного методу вимірювань є: швидкість вимірювань, можливість визначення будь-якого виду ушкодження, включаючи ушкодження, що мають нестійкий у часі характер, можливість визначення одночасно декількох ушкоджень, наявних на лінії.

Недоліками імпульсного методу є його порівняно невисока точність і слабка чутливість до зниження опору ізоляції, тому що навіть при значному зниженні її в порівнянні з нормами величина опору ізоляції в багато разів більше хвильового опору кола й тому майже не впливає на вхідний опір Z_вх ушкодженої ділянки кола. Імпульсним методом можна визначити місце ушкодження ізоляції тільки при перехідному опорі в ньому не більше 2 кОм. Тому імпульсний метод не виключає, а доповнює інші методи визначення місць ушкодження кіл ліній зв’язку на постійному і змінному струмах, і в деяких ситуаціях дає більш точні результати. Цей метод застосовується в тих випадках, коли його використання найбільш ефективне або він є єдино можливим методом проведення вимірювань.

Похибка визначення відстані до місця ушкодження імпульсним методом на симетричних кабельних лініях зв’язку не перевищує 2% від дійсної відстані до місця ушкодження, а на повітряних лініях зв’язку – 2% від довжини вимірюваної лінії.

Виконуються імпульсні виміри за допомогою спеціальних приладів - імпульсних вимірників неоднорідностей ліній.

Імпульсні прилади для вимірів на кабельних лініях підрозділяються на два типи: прилади для оцінки величини неоднорідності та кінцевих значень хвильового опору коаксіальних пар, і прилади для визначення місця і характеру ушкодження. За допомогою імпульсних приладів першого типу на заводі після виготовлення коаксіального кабелю, а також при прокладанні й монтажі його на магістралі ведеться контроль за величиною неоднорідності кабелю (у заводських умовах неоднорідність перевіряють на будівельних довжинах, у процесі монтажу й експлуатації - на ділянках довжиною до 9 км). Прилади другого типу в основному використаються в процесі експлуатації ліній зв’язку.

Прилади, призначені для визначення характеру і місця ушкодження на кабельних лініях зв’язку, як правило, мають широкі можливості та дозволяють проводити виміри на різних типах кабелів довжиною від одиниць метрів до десятків кілометрів. До таких приладів відносяться Р5-1, Р5-1А, Р5-5, Р5-8, Р5-9, Р5-10, Р5-11, Р5-13.

3. Використання приладу Р5-10 для виміру параметрів ліній зв’язку

Дата добавления: 2015-11-14