Тестирование и диагностика в инфокоммуникационных системах и сетях: курс лекций, компьютерные лабораторные работы и практикум, задание на самостоятельную работу

А.М. Голиков 

 

 

 

ТЕСТИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА 

 В ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ И СЕТЯХ 
 

 

Учебное пособие  

для специалитетета: 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и 

комплексы 

Курс лекций, компьютерные лабораторные работы и практикум, 

задание на самостоятельную работу  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск 

 
 
 
 
 

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего 

профессионального образования 

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 

 

 

 

 

А.М. Голиков 

 

 

 

ТЕСТИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА 

 В ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ И СЕТЯХ 

 

 

Учебное пособие  

для специалитетета: 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы 

Курс лекций, компьютерные лабораторные работы и практикум, задание  

на самостоятельную работу  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2016 

 

 

Голиков А.М.  

      Тестирование и диагностика  в инфокоммуникационных системах и сетях. Учебное 

пособие для специалитета: 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы. Курс лекций, 

компьютерные лабораторные работы и практикум, задание на самостоятельную работу / 

А.М.Голиков. – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2016. – 436 с.: ил. 

— (Учебная литература для вузов)            

 

           

          Учебное пособие предназначено для направления подготовки специалистов по 

направлению 
11.05.01 
- 
Радиоэлектронные 
системы 
и 
комплексы. 
Дисциплина 

"Тестирование и диагностика в инфокоммуникационных системах и сетях " (ТиДвИКСиС) 

относится к числу дисциплин специализации рабочего учебного плана для подготовки 

инженеров по специальности 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы 

(специализация 2. Радиоэлектронные системы передачи информации). Целью преподавания 

дисциплины является изучение основных закономерностей передачи информации в 

цифровых телекоммуникационных системах. 

Основной задачей дисциплины является формирование у студентов компетенций, по
зволяющих самостоятельно проводить математический анализ физических процессов в ана
логовых и цифровых устройствах формирования, преобразования и обработки сигналов, 

оценивать реальные и предельные возможности пропускной способности и помехоустойчи
вости телекоммуникационных систем и сетей. 

В курсе ТиДвИКСиС принят единый методологический подход к анализу и синтезу 

современных телекоммуникационных систем и устройств на основе вероятностных моделей 

сообщений, сигналов, помех и каналов в системах связи. Предусмотренные программой 

курса ТиДвИКСиС знания являются не только базой для последующего изучения 

специальных дисциплин, но имеют также самостоятельное значение для формирования 

инженеров по специальности 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы. 

  

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................... .. 5 

1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ ........................................................  5 

2. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ...........................................................................  64 

3. ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ .............................................................101 

 4. ИЗМЕРЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ  ...................135 

5. МЕТРОЛОГИЯ В NI LabVIEW.......................................................................................213 

6. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ..........240 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................257 

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................257 

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................................258 

П1. Компьютерный практикум...........................................................................................258 

П2. Компьютерные лабораторные работы.........................................................................328 

П3. Задание на самостоятельную работу...........................................................................396 

 

 

 

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Основной задачей дисциплины является формирование у студентов компетенций, по
зволяющих самостоятельно проводить математический анализ физических процессов в ана
логовых и цифровых устройствах формирования, преобразования и обработки сигналов, 

оценивать реальные и предельные возможности пропускной способности и помехоустойчи
вости телекоммуникационных систем и сетей. 

В курсе ТиДвИКСиС принят единый методологический подход к анализу и синтезу 

современных телекоммуникационных систем и устройств на основе вероятностных моделей 

сообщений, сигналов, помех и каналов в системах связи. Предусмотренные программой 

курса ТиДвИКСиС знания являются не только базой для последующего изучения 

специальных дисциплин, но имеют также самостоятельное значение для формирования 

инженеров по специальности 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы. 

В учебном пособии представлен курс лекций, компьютерые лабораторные работы, 

копьютерный практикум и задание на самостоятельную работу студентов. Учебное пособие 

содержит пять глав и три приложения -  Глава 1. Методы измерений в системах связи, Глава 

2. Радиочастотные измерения, Глава 3. Измерения электрических кабелей,   

 Глава 4. Измерения волоконно-оптических систем передачи , Глава 5. МЕТРОЛОГИЯ В 

NI 
labview, 
Глава 
8. 
Измерительная 
техника 
телекоммуникационных 
систем. 

ПРИЛОЖЕНИЯ: П1. Компьютерный практикум, П2. Компьютерные лабораторные работы, 

П3. Задание на самостоятельную работу. 

 

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ 

 
Методы представления сигналов цифровых систем связи 
 

1. Особенности представления цифровых сигналов. Методы представления 

сигналов в виде диаграмм 

Поскольку основной темой настоящей книги является описание технологии измерений 

цифровых телекоммуникационных систем, в первую очередь необходимо рассмотреть мето
ды анализа цифровых сигналов Отличие цифровых сигналов от аналоговых заключается в их 

дискретной структуре. Если параметры аналоговых сигналов меняются в используемом 

диапазоне непрерывно, то параметры цифровых сигналов изменяются дискретно, в этом со
стоит основное отличие цифровых сигналов от аналоговых. Такая особенность цифровых 

сигналов позволяет использовать для их анализа ряд специфических методов, рассматривае
мых в этой главе. 

Помимо достаточно хорошо известных методов измерения аналоговых сигналов с ис
пользованием осциллограмм и спектрального анализа, в методологии измерений цифровых 

сигналов широкое распространение получили специальные диаграммы, что определяется 

дискретной природой сигналов При проведении измерений используются два основных 

класса диаграмм- диаграммы физических параметров цифрового сигнала, к которым относят
ся глазковые диаграммы и диаграммы состояний, а также алгоритмические диаграммы, к 

которым относятся древовидные диаграммы и различные виды диаграмм Треллиса. 

Диаграммы физических параметров используются для анализа как простых бинарных 

цифровых сигналов, так и сложных сигналов современных цифровых телекоммуникаций- 

многоуровневых (таких как сигналы линейного кодирования ISDN и т.д) и модулированных 

сигналов (применяемых в радиочастотных системах передачи и системах радиосвязи) 

Алгоритмические диаграммы используются для анализа сигналов дифференциальных 

модуляций и современных алгоритмов кодирования информации [1]. 

 

Глазковые диаграммы 

Для анализа параметров цифрового сигнала часто используются глазковые диаграммы, 

как при проведении лабораторных измерений (системное оборудование), так и эксплуатаци
онных По своей структуре глазковые диаграммы являются модификацией осциллограмм, с 

той только разницей, что используют периодическую структуру цифрового сигнала 

Для построения двухуровневой глазковой диаграммы (рис 1.1) цифровой (битовый) 

поток подается на осциллограф, в то время как синхронизация внешней развертки 

производится от битового потока с частотой 
df . При построении многоуровневых диаграмм 

сигнал должен проходить через многоуровневый конвертер, а синхронизация производится 

от символьного потока с частотой 
Sf . Для калибровки глазковой диаграммы сигнал часто 

подают в обход фильтра, ограничивающего диапазон сигнала. В этом случае возникает 

диаграмма в виде прямоугольника (рис 1.2, слева). Фильтр, ограничивающий полосу 

передаваемого сигнала, вносит существенные изменения в форму импульса, в результате 

чего возникает диаграмма в виде "стандартного глаза" (на рис. 1.2, справа - "бинарный глаз") 

Глазковые диаграммы используют периодическую структуру цифрового сигнала. За счет 

внешней синхронизации развертки получаемые осциллограммы волнового фронта сигнала 

накладываются друг на друга с периодом одного отсчета. В результате проведения 

измерений с накоплением получается глазковая диаграмма, на которую по оси Y 

откладывается амплитуда сигналов по уровням (рис 1.3) 

 

 

Рис. 1.1. Построение глазковой диаграммы 

Процесс формирования диаграммы цифрового бинарного сигнала без фильтрации и с 

фильтрацией на передаваемую полосу (рис. 1.2) позволяет реально продемонстрировать ме
ханизм формирования глазковой диаграммы. Реальная осциллограмма сигнала (например, 

двухуровневого цифрового сигнала) "разрезается" посимвольно в соответствии с тактовыми 

импульсами синхронизирующего генератора, а затем глазковая диаграмма "складывается" из 

полученных кусков. В идеальном случае при отсутствии цепей фильтрации в результате та
кого сложения получится квадрат ("квадратный глаз", представлен на рисунке внизу слева). 

Однако глазковая диаграмма реального сигнала значительно отличается от квадрата, по
скольку содержит составляющие нарастания фронта и спада фронта сигнала, прямоугольный 

импульс имеет форму колокола. В результате получится диаграмма, более похожая на глаз 

(на рисунке внизу справа). 

Рис. 1.2. Глазковая диаграмма сигналов без фильтрации и с фильтрацией 

 

Исследование глазковых диаграмм позволяет провести детальный анализ цифрового сиг
нала по параметрам, непосредственно связанным с формой волнового фронта: параметру 

межсимвольной интерференции (ISI), джиттеру передачи данных и джиттеру по 

синхронизации. 

Пример глазковой диаграммы представлен на рис. 1.3 (компьютерная имитация). Трасса 

двухуровневого сигнала на глазковой диаграмме в точках времени, соответствующих точкам 

отсчета, проходит точно через нормированные значения +1 и -1, следовательно ISI (межсим
вольная интерференция) на рисунке отсутствует. В то же время различные трассы пересека
ются с временной осью в разные временные промежутки. Максимальная ширина области 

пересечения с временной осью определяется как пиковое фазовое дрожание или джиттер 

передачи данных Djpp, Джиттер передачи данных измеряется обычно в единицах времени или 

как отношение к интервалу передачи символа Djpp/Ts. Пиковый джиттер, представленный на 

рисунке, составляет 35%. Следует отметить, что джиттер передачи данных является следст

вием ограниченной полосы каналов. Например, расчет показывает, что для фильтра с коэф
фициентом ограничения спектра 
2,0


 джиттер передачи данных составляет уже 48%, т.е. 

чем меньше коэффициент ограничения спектра (альфа-фактор) канала, тем больше джиттер 

передачи данных. Сам по себе джиттер передачи данных является следствием объективных 

процессов преобразования сигналов и деградации качества связи не вызывает. Однако его 

комбинация с джиттером по синхронизации или постоянным сдвигом частоты передачи мо
жет привести к существенным нарушениям качества. 

 

 

Рис. 1.3. Глазковая диаграмма цифрового сигнала, проходящего через фильтр с 

коэффициентом ограничения спектра а=0,3 (компьютерная имитация) 

Диаграммы состояний 

Если аналоговый сигнал - это непрерывная функция изменения состояний, то цифровой 

сигнал может быть представлен в виде нескольких дискретных состояний, которые проходит 

сигнал. В связи с этим возникает задача анализа этих дискретных состояний с учетом ис
пользуемых в современных телекоммуникациях принципов цифровой модуляции сигнала. 

Для этого комплексная амплитуда сигнала обычно представляется в полярных координатах 

(комплексной амплитудой сигнала называется его часть, отделенная от гармонической функ
ции, например, для сигнала S = A{t)elwt, A(t) - комплексная амплитуда сигнала). Если пред
ставить сигнал в виде суммы синфазного (сигнал 7) и смещенного на 90° относительно син
фазного (сигнал Q) сигналов, то полученное представление будет являться графиком в коор
динатах I-Q. В современных системах радиосвязи широкое распространение получили раз
личные типы фазовых модуляций. Диаграмма представляет собой набор точек, соответст

вующих дискретным состояниям модулированного сигнала (рис. 1.5). Такие диаграммы на- 

зваются диаграммами состояний. 

Диаграммы состояний представляют собой диаграммы сигнала в полярных координатах 

с накоплением, цифровой сигнал проходит на диаграмме состояний характерные для него 

точки. Цифровая форма сигнала определяет точечную структуру диаграммы состояний (ко
нечное количество состояний сигнала). Для каждого типа модуляции диаграмма состояни 

своя и несет информацию о параметрах тракта в целом, работе модемов, эквалайзеров и дру
гих устройств, принимающих и передающих модулированные сигналы. 

 

Рис. 1.5. Примеры диаграмм состояния основных типов модуляции 

 

Диаграммы состояния имеют особое значение для анализа модулированных сигналов так 

как в принятой технологии построения фазовых модуляторов и демодуляторов используется 

принцип разделения цифрового сигнала на две составляющие / и Q (например, на рис. 1.6 

представлена схема модулятора квадратурной амплитудной модуляции QAM).