Измерения в телекоммуникационных системах

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

А.В. Аминев, А.В. Блохин

Измерения
в телекоммуникационных 
системах

Рекомендовано 
методическим советом УрФУ
в качестве учебного пособия для студентов, 
обучающихся по специальности 090106 — 
Информационная безопасность 
телекоммуникационных систем

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2018

2-е издание, стереотипное

УДК 004.71(075.8)
ББК 32.968я73
          А62

Рецензенты:
кафедра общепрофессиональных дисциплин Уральского технического института связи и информатики (филиал) Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики 
(зам. зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. Н. В. Будылдина); 
д-р техн. наук, проф. Т. В. Чирков (ООО «Прософт-Системы»)

Под общей редакцией проф. А. В. Блохина

Аминев,  А. В.
Измерения 
в 
телекоммуникационных 
системах 
[Электронный 
ресурс]: 
учеб. 
пособие / А. В. Аминев, 
А. В. Блохин. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. 
ун-та, 2018. — 224 с.

ISBN 978-5-9765-3620-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1317-4 (Изд-во Урал. ун-та)

Излагаются основные сведения о современных методах и средствах измерений параметров телекоммуникационных систем. Наряду с традиционными электрорадиоизмерениями, такими как измерения тока, напряжения, мощности, частоты, фазового сдвига, радиопомех, спектров сигналов, 
параметров элементов электрических цепей, рассматриваются средства измерений, предназначенные для обслуживания и эксплуатации только телекоммуникационных систем.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Информационная безопасность телекоммуникационных систем». Будет полезным для других направлений подготовки и специальностей, таких как «Радиотехника», «Радиоэлектронные системы», «Средства 
связи с подвижными объектами», «Сети связи и системы коммутации».

Библиогр.: 11 назв. Табл. 6. Рис. 125.

УДК 004.71(075.8)
ББК 32.968я73

© Уральский федеральный 
     университет, 2015

          А62

ISBN 978-5-9765-3620-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1317-4 (Изд-во Урал. ун-та)

Предисловие

З

начение измерений в жизни и развитии человеческого общества 
трудно переоценить. Любая отрасль науки и техники немыслима без измерений. Важную роль играют измерения и в технике телекоммуникационных систем (ТКС), где количественная и качественная оценки различных физических явлений осуществляются 
с помощью средств измерений. Успешное решение научных и технических проблем, разработка и изготовление аппаратуры ТКС, интенсификация и автоматизация производства, обеспечение высокой 
надежности и эффективности средств связи невозможны без использования высококачественной измерительной аппаратуры.
Бурное развитие современных ТКС стало причиной появления целого класса новых измерительных приборов (анализаторов протоколов, оптических рефлектометров и т.д.). Этот класс измерительной 
техники отличается от традиционных средств специфической специализацией и применением, что привело к появлению новой отрасли 
измерений, условно называемой измерительными технологиями, которые предъявляют новые требования и подходы к методам и средствам измерений.
Измерительная техника ТКС развивается в направлении автоматизации и убыстрения процесса измерений, повышения точности 
измерений и расширения пределов измеряемых величин, разработки новых измерительных приборов с высокой точностью и надежностью измерений. Особое место в развитии техники измерений занимает разработка методов и приборов для производства измерений без 
нарушения связи.
Кроме того, развитие современной измерительной техники идет 
в основном по пути ее высокой специализации, поэтому к услугам 
специалистов ТКС предлагается измерительная техника для обслуживания и эксплуатации только систем связи и коммуникаций, и ее 
уже невозможно использовать для других областей измерительной 
деятельности.

Предисловие

В последние годы более половины мирового телекоммуникационного рынка занимают соответствующие программные средства. 
Программное обеспечение современных ТКС обновляется в среднем раз в два года, радикально меняя возможности ТКС. Это, в свою 
очередь, приводит к появлению нового поколения специализированных средств измерений.
Условно номенклатуру измерительного оборудования, использующегося для проведения измерений в ТКС, можно разделить на следующие основные группы:
— общая измерительная техника;
— техника для радиочастотных измерений;
— измерительное оборудование и средства измерений волоконно- 
оптических линий связи;
— аппаратура для измерений в цифровых линиях связи;
— оборудование и средства измерений параметров электромагнитных сигналов в ТКС.
Все вышеперечисленные группы измерительного оборудования 
рассматриваются в учебном пособии.
Авторы надеются на то, что с общими вопросами методов и средств 
измерений, погрешностей измерений, обработки результатов измерений, организационно-правовых основ обеспечения единства измерений, основ квалиметрии, технического регулирования и стандартизации студенты, изучающие курс измерений в ТКС, ознакомлены ранее 
в курсе «Метрология, стандартизация и сертификация» [1].
Большое внимание в учебном пособии уделено не только номенклатуре традиционного оборудования электрорадиоизмерений, используемого в технике ТКС, но и новому классу оборудования, необходимому для контроля и эксплуатации первичной и вторичной сетей 
цифровой передачи информации.
Авторы благодарны профессору А.П. Мальцеву и доценту А.С. Лучинину за полезные советы при обсуждении существа, трактовки и изложения некоторых вопросов на этапе подготовки рукописи учебного пособия к изданию.

Введение

Т

елекоммуникационные системы и сетевые технологии являются в настоящее время той движущей силой, которая обеспечивает развитие мировой цивилизации. Практически нет области 
производственных и общественных отношений, которая не использовала бы возможности современных технологий на базе телекоммуникационных систем и сетей. ТКС используются в настоящее время 
в любой области предметной деятельности человечества. Возьмем, 
например, электросвязь. Вот некоторые ее применения:
— телефонная связь (аналоговая, цифровая, мобильная);
— телеграфная связь;
— сети передачи данных;
— факсимильная связь;
— документальная электросвязь;
— цифровые сети интегрального обслуживания;
— широкополосные и интеллектуальные сети;
— цифровые коммутационные системы с программным управлением;
— интегральные информационные системы управления предприятиями электросвязи;
— мобильные сети;
— локальные сети;
— глобальные сети;
— спутниковые сети.
Что же измеряют в перечисленных выше системах и сетях при их 
производстве, оценке технического состояния, обслуживании, оценивании качества обработки, защиты и передачи информации и эксплуатации? К числу измеряемых параметров и характеристик в ТКС 
следует отнести:
— силовые параметры сигналов (постоянные и переменные напряжения и токи);
— энергетические параметры сигналов (мощность, шумовые параметры радиоэлектронных устройств, уровни передачи, рабочего затухания, рабочего усиления);

Введение

— временные и частотные параметры сигналов (частота, период 
колебаний, фазовые сдвиги, фазовое дрожание цифрового сигнала, форма импульсов, анализ кодовых групп, анализ спектра, 
нелинейные искажения, параметры модулированных сигналов);
— параметры электрических цепей (сопротивление, индуктивность, емкость, добротность);
— параметры волоконно-оптических линий связи (коэффициент 
затухания, анализ неоднородностей, дисперсия);
— техническая диагностика и анализ протоколов и интерфейсов 
в цифровых линиях связи.
Это далеко не полный список параметров и характеристик, с которыми приходится сталкиваться специалисту при проведении измерений в ТКС.
Для измерения указанных выше параметров зачастую используют традиционные электрорадиоизмерительные приборы и устройства, выпускаемые отечественной промышленностью и постоянно 
совершенствующиеся. Однако специфика ТКС требует применения узкоспециализированных измерительных приборов и устройств, 
предназначенных для проведения измерений только в ТКС. К таким 
средствам измерений можно отнести оптические измерители мощности, источники оптических сигналов, анализаторы протоколов, 
рефлектометры, дефектоскопы, анализаторы спектра и др. Парк узкоспециализированных средств измерений пополняется в основном 
за счет зарубежных поставок.
Основная задача учебного пособия — научить правильно и обоснованно выбирать метод измерения и измерительные приборы, обеспечивающие наилучшую достоверность проводимого измерения, 
производить само измерение и обрабатывать результаты измерений 
с учетом имеющихся погрешностей.

Глава 1.  
Стандартные узлы средств измерения

Б

ольшинство современных средств измерения (СИ), используемых в практике измерений в ТКС, состоят из одинаковых 
стандартных структурных узлов. В измерительную цепь СИ эти 
узлы включаются для каждого конкретного устройства по-разному, 
в зависимости от функционального назначения СИ, реализующего 
тот или иной алгоритм, а также в зависимости от структурной схемы 
СИ, реализующей тот или иной метод измерения. К стандартным узлам относятся масштабные измерительные преобразователи, преобразователи мгновенных значений напряжений и токов, аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, генераторы 
электрических сигналов, микропроцессоры, индикаторы. В различных цифровых СИ дискретные значения измерительных сигналов 
могут быть представлены для последующей обработки или индикации в виде кодовых комбинаций, которые также стандартизированы 
для большинства СИ.
Все указанные выше стандартные узлы СИ имеют нормированные 
метрологические характеристики. Промышленное производство этих 
узлов унифицировано и осуществляется в строгом соответствии с государственными стандартами.

1.1. Масштабные измерительные преобразователи

Масштабные измерительные преобразователи предназначены для 
изменения размера физической величины в заданное число раз. К преобразовательным устройствам, осуществляющим функции масштабного преобразования, принято относить шунты, добавочные резисторы, делители напряжения, измерительные трансформаторы тока 
и напряжения, измерительные усилители.

Глава 1. Стандартные узлы средств измерения 

Шунты предназначены для расширения пределов измерения по току 
и представляют собой калиброванные 
резисторы (меры). Схема включения 
шунта к измерительному прибору (ИП) 
показана на рис. 1.1.

Сопротивление шунта выбирается 
таким, чтобы большая часть тока протекала по шунту. Конкретное сопротивление шунта можно определить из равенства

IпрRпр = IшRш,

откуда

Rш = Rпр (Iпр/Iш).

Учитывая, что Ix = Iпр + Iш, можно записать

R
R
I
I

R

I
I

R

n

x

x
ш =
ж

и
з
ц

ш
ч =
=
пр
ш

пр

пр

пр

/
1
1
1
.
(1.1)

Коэффициент n = Ix/Iпр принято называть коэффициентом шунтирования. Из выражения (1.1) следует n = (Rш + Rпр)/Rш.
Шунты применяют в основном с магнитоэлектрическими измерительными механизмами в цепях постоянного тока. На переменном 
токе сопротивление шунта и сопротивление измерительного механизма при изменении частоты измеряемого сигнала изменяются неодинаково, что приводит к дополнительной погрешности.
Конструктивно различают внутренние и наружные шунты. Внутренние шунты применяют обычно в амперметрах для измерения 
небольших токов (до 30 А). Они располагаются, как правило, внутри 
корпуса прибора. Наружные (внешние) шунты используют с приборами для измерения больших токов (до 6000 А). В этом случае мощность, рассеиваемая шунтом, не нагревает прибор.
Основные параметры шунтов регламентируются. По точности различают следующие классы шунтов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5. Класс точности означает допустимое отклонение сопротивления шунта от его 
номинального значения, выраженное в процентах.

Рис. 1.1. Схема включения 
шунта

Rпр 

ИП

Rш 

Rн 
Ux 

Ix 

Iпр 

Iш 

1.1. Масштабные измерительные преобразователи

Добавочные резисторы предназначены для расширения пределов 
измерения по напряжению ИП, т.е. они ограничивают ток в цепи 
ИП и позволяют использовать его для измерения больших значений 
напряжения.
Добавочные резисторы включают последовательно с ИП (рис. 1.2).

Rпр 

ИП

Rд1 

Ux 

Iпр 

Uпр 

Rд2 

Uдоб 

Рис. 1.2. Схема включения добавочного резистора

Расширение пределов измерения прибора за счет добавочного резистора принято оценивать коэффициентом расширения (множителем шкалы) m = Ux /Uпр.
Сопротивление добавочного резистора Rд можно определить исходя из равенства

Ux = Uпр + Uдоб = Iпр Rпр + Iпр Rдоб,

откуда

Rдоб = Ux /Iпр – Rпр = (Ux /Uпр – 1)Rпр = (m – 1)Rпр.

Добавочные резисторы выполняют обычно однопредельными для 
щитовых приборов и многопредельными — для переносных. По точности добавочные резисторы подразделяют на классы: 0,02; 0,05; 0,1; 
0,2; 0,5. Класс точности добавочных резисторов определяется отношением абсолютной погрешности значения сопротивления ΔR к его 
номинальному значению Rном:

d = ±
Ч
DR
Rном
100 % .

Делители напряжения предназначены для уменьшения напряжения в определенное число раз.

Глава 1. Стандартные узлы средств измерения 

Основными показателями делителей напряжения являются коэффициент деления (коэффициент передачи) Kд; частотный диапазон, 
в котором сохраняется постоянство Kд; допускаемая мощность рассеивания; погрешность деления.
Схемы наиболее распространенных делителей напряжения представлены на рис. 1.3.

а

Uвх 

Rн 

R1 

R2 
Uвых 

Uвх 

Cн 

C1 

C2 

Uвых 

Uвх 

Rн 

R1 

R2 

б
в

C2 

C1 

Cн 

Uвых

Рис. 1.3. Схемы делителей напряжения:

а — резистивного; б — емкостного; в — с корректирующими элементами

Коэффициент деления для простейшего резистивного делителя 
(рис. 1.3, а) можно записать в виде

K
U
U
R

R
R

д
вых

вх
=
=
+

2

1
2

.
(1.2)

При относительно невысоком сопротивлении нагрузки коэффициент деления Kд зависит от сопротивления нагрузки Rн, и в формуле (1.2) вместо R2 нужно использовать

R
R R
R
R
2
1
2
2
* =
+
(
)
н .

Коэффициент деления для емкостного делителя (рис. 1.3, б) определяется нижеприведенным выражением при условии, что С2 значительно меньше Сн. Если же это условие не выполняется, то расчет ведется с учетом Сн:

K
C

C
C

д =
+

1

1
2

.
(1.3)

Емкостные делители используют в высокочастотных цепях, так 
как они обладают свойствами неизменности коэффициента деления 
в диапазоне до сотен мегагерц.