Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах

С. И. Боридько, Н. В. Дементьев, Б. Н. Тихонов, И. А. Ходжаев



Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах

2-е издание

Допущено УМО по образованию в области информационной безопасности в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»




Москва
Горячая линия - Телеком
2012

УДК 621.372
ББК 32.842
  М54
А в т о р ы : С. И. Боридько, Н. В. Дементьев, Б. Н. Тихонов, И. А. Ходжаев
Р е ц е н з е н т ы : доктор техн. наук, профессор А. П. Фисун; кафедра систем информационнотелеметрического и метрологического обеспечения ВА РВСН им. Петра Великого

М54 Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах. Учебное пособие / Под общей редакцией Б. Н. Тихонова. -2-е изд., стереотип. - М.: Горячая линия-Телеком, 2012. - 360, с.: ил. ISBN 978-5-9912-0245-9.
        Рассмотрены основы метрологии, методы и средства электрорадиоизмерений, вопросы квалиметрии, стандартизации и оценивания соответствия. Рассмотрены вопросы автоматизации измерений, а также оценивание и поддержание качества радиоэлектронных изделий в процессе эксплуатации. Материал соответствует требованиям действующих нормативных документов в области метрологии, стандартизации, сертификации и технического регулирования, а также современным тенденциям развития теории измерений и измерительной техники.
        Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», будет полезно студентами, обучающимися по направлениям «Телекоммуникации» и «Радиотехника» и специалистам.
ББК 32.842
Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru
Учебное издание
Боридько Сергей Иванович, Дементьев Николай Васильевич, Тихонов Борис Николаевич, Ходжаев Ильмир Абдуллаевич,

МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
Учебное пособие
Редактор Ю. Н. Чернышев Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова Обложка художника В. Г. Ситникова

  Подписано в печать 26.01.12. Формат 60x90/16. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 23,5. Тираж 500 (1-й завод 100 экз.)
ISBN 978-5-9912-0245-9                  © С. И. Боридько, Н. В. Дементьев,
Б. Н. Тихонов, И. А. Ходжаев, 2007, 2012
© Издательство «Горячая линия-Телеком», 2012

            Предисловие








    Активное внедрение радиоэлектроники во все сферы человеческой деятельности неизбежно сопровождается расширением потребностей в электрорадиотехнических измерениях. Трудно представить современные сложные радиоэлектронные изделия, которые можно разрабатывать и эксплуатировать без проведения измерений, необходимых для оценивания их качества и технического состояния. Более того, производство и эксплуатация новой современной радиоэлектронной аппаратуры во многих случаях предполагает опережающее развитие новых, более совершенных методов и средств измерений для оценивания технологических и эксплуатационных показателей этой аппаратуры.
    Электрорадиотехнические измерения находят широкое применение в телекоммуникационных системах при оценивании технического состояния радиоэлектронных устройств, качества приема, обработки, защиты и передачи информации с использованием технических средств, а также на объектах информатизации при инструментальном оценивании эффективности защиты информации. Для подготовки специалистов по вопросам метрологического обеспечения и радиотехнических измерений в указанных областях и предназначено настоящее учебное пособие.
    Структура изложения учебного материала соответствуют задаче системной подготовки специалистов по специальности «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» и учебной дисциплине «Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах».
    Учебное пособие состоит из трех частей, включающих 17 глав. Материал подготовлен коллективом авторов: С.И. Боридько, Н.В. Дементь-вым, Б.Н. Тихоновым, И.А. Ходжаевым. Общее редактирование проведено Б.Н. Тихоновым.
    В первой части пособия рассматриваются вопросы общей метрологии. Во второй части излагаются основные методы и средства радиотехнических измерений. Третья часть учебного пособия посвящена основам квалиметрии, технического регулирования, стандартизации и сертификации.
    В настоящее время в Российской Федерации по вопросам обеспечения единства измерений, технического регулирования, стандартизации, сертификации внедряются новые нормативные документы. В связи с этим взгляды на указанные вопросы еще не полностью установились и в

Предисловие

ближайшие годы могут уточняться. Понимая это, авторы все-таки старались при изложении учебного материала учесть появившиеся и внедряющиеся в теоретическую и прикладную метрологию новации. Учитывались также рекомендации международных организаций в области метрологии, стандартизации и сертификации. Авторы с глубокой благодарностью примут любые замечания и пожелания и при необходимости учтут их при последующей переработке учебного материала.
    Авторы благодарят О.Л. Ходжаеву за помощь при подготовке рукописи к изданию.

ЧАСТЬ I




ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

Физические величины, средства и методы их измерения









        1.1. Физические величины. Единицы величин

    В окружающем человека мире существует большое количество различных объектов, явлений, процессов. Для отличия одного объекта (явления, процесса) от другого или нахождения их общности используют некоторую качественную философскую категорию, называемую свойством объекта. Для количественного описания свойств объектов используют понятие «величина», которая не существует сама по себе, а только совместно с объектом, обладающим этими свойствами. Различают физические величины, свойственные материальным объектам, и нефизические величины, свойственные нематериальным объектам (явлениям, процессам), рассматриваемым, например, в социологии, философии.
    Физическая величина — это свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
    Так, например, «сила тока» как физическая величина в качественном отношении является характеристикой различных радиоэлектронных изделий. Вместе с тем количественное значение силы тока, протекающего по цепям каждого изделия, может быть различным.
    Для установления различия в количественном содержании данного свойства в анализируемых объектах (явлениях, процессах) введено понятие размера физической величины.
    Размер физической величины— это некоторое количественное содержание физической величины, присущее конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Истинный размер физической величины существует объективно, независимо от того, знаем мы его или нет (например, сопротивление конкретного проводника или ток в конкретной электрической цепи).
    Вместе с тем на практике понятие «размер» для количественного оценивания содержания физической величины не используется, так

Физические величины, средства и методы их измерения

7

как не содержит прямой количественной оценки. Для этого применяют понятие «значение физической величины». Значение физической величины — это количественная оценка размера физической величины, представленная в виде некоторого числа принятых для нее единиц (например, значение сопротивления проводника 5 Ом или значение силы тока 8 А).
    Различают истинное значение физической величины, идеально отражающее свойство объекта, действительное, найденное экспериментально, достаточно близкое к истинному значению, которое можно использовать вместо него, и измеренное значение, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерения.
    Совокупность величин, связанных между собой зависимостями, образуют систему физических величин, в которой имеются основные и производные величины. Основная физическая величина — это величина, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы. Производная физическая величина — это величина, входящая в систему и определяемая через основные величины этой системы.
    Важной характеристикой физической величины является ее размерность (dim). Размерность — это выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин и отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным единице.
    Размерность основной величины относительно самой себя равна единице, т.е. формула размерности основной величины совпадает с ее символом. Например: размерность длины dim / = L; размерность массы dimm = M; размерность времени dimt = T.
    Показатель размерности физической величины — это показатель степени, в которую возведена размерность основной физической величины, входящая в размерность производной физической величины.
    Конкретная размерность производных величин определяется на основе соответствующих уравнений физики (см. приложение 1). Например, мощность — физическая величина (P), характеризующая скорость совершения работы A за интервал времени f.P = A/t. Учитывая, что работа A равна произведению силы F на элементарное перемещение / (A = Fl), а сила F = ma, где m — масса, a — ускорение (dim a = l/t²), получаем
ml?            „     ..
P=—-      dim P = L² MT -.
t³
    Большинство физических величин являются размерными, т.е. такими, в размерностях которых хотя бы одна из основных величин возведена в степень с показателем, не равным нулю.
    Величина называется безразмерной, если в ее размерность входят основные величины в степени с показателем, равным нулю. Безразмерные (относительные) величины представляют собой отношение данной

Раздел 1

физической величины к одноименной, применяемой в качестве исходной (например, коэффициент трансформации).
    Физические величины в зависимости от множества размеров, которые они могут иметь при изменении в ограниченном диапазоне, подразделяют на непрерывные (аналоговые) и квантованные (дискретные). Аналоговая величина может иметь в заданном диапазоне бесконечное множество размеров. Квантованная величина имеет в заданном диапазоне только счетное множество размеров.
    Физические величины могут быть постоянными или переменными во времени. При измерении постоянной во времени величины достаточно определить одно ее мгновенное значение. Переменные во времени величины могут иметь квазидетерминированный или случайный характер изменения.
    Квазидетерминированная физическая величина — это величина, для которой известен вид зависимости от времени, но не известен измеряемый параметр этой зависимости. Случайная физическая величина — величина, размер которой изменяется во времени случайным образом.
    Физические величины делят на активные и пассивные. Активные величины (например, ЭДС источника электрического тока) способны без вспомогательных источников энергии создавать сигналы измерительной информации. Пассивные величины (например, электрическое сопротивление) сами не могут создавать сигналы измерительной информации. Для этого их нужно активизировать с помощью вспомогательных источников энергии.
    Числовые значения измеряемых физических величин зависят от используемых единиц измерений этих величин. Единица физической величины— это конкретная физическая величина, определенная и принятая по соглашению, с которой сравниваются другие величины того же рода.
    Чтобы избежать произвола в результатах измерений, т.е. обеспечить единство измерений, единицы физических величин устанавливают по определенным правилам и закрепляют законодательным путем. Исторически сложилось так, что единицы физических величин объединяются в системы. Система единиц физических величин — это совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин, образованная в соответствии с принятыми принципами. В России в установленном порядке допускаются к применению единицы величин Международной системы единиц (СИ), принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендованные Международной организацией законодательной метрологии.
    Различают основные, производные, кратные, дольные, когерентные, системные и внесистемные единицы.
    Основная единица системы единиц — единица основной физической величины, выбранная при построении системы единиц.
    Метр — длина пути, проходимая светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 доли секунды.
    Килограмм—единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.

Физические величины, средства и методы их измерения

9

    Секунда — время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующим переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия-133.
    Ампер — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2-10⁻⁷ Н.
    Кельвин — единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.
    Моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.
    Кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 ЛО¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
    Предусмотрены также две дополнительные единицы.
    Радиан — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.
    Стерадиан — телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.
    Основные и дополнительные единицы СИ обеспечивают универсальность этой системы, так как они являются единицами физических величин, отражающих основные свойства материального мира, и дают возможность образовывать производные единицы для любых физических величин во всех отраслях науки и техники.
    Производная единица системы единиц — единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или же с основными и уже определенными производными.
    Например, единица мощности, выраженная через единицы СИ, 1 Вт = м² • кг • с⁻³. Основные и некоторые производные единицы СИ, используемые в электрорадиотехнике, приведены в приложении 1.
    Наряду с единицами СИ Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» допускает применение внесистемных единиц, т.е. единиц, не входящих ни в одну из существующих систем. Принято выделять несколько видов внесистемных единиц:
  • единицы,допускаемые наравне с единицами СИ (минута, час, сутки, литр и др.);
  • единицы, применяемые в специальных областях науки и техники (световой год, парсек, диоптрия, электрон-вольт и др.);
  • единицы, изъятые из употребления (миллиметр ртутного столба, лошадиная сила и др.).
    К числу внесистемных относят также кратные и дольные единицы измерения, имеющие иногда собственные наименования, например единица массы — тонна (т). В общем случае десятичные, кратные и доль

Раздел 1

ные единицы образуются с помощью множителей и приставок. Наименования и обозначения множителей и приставок приведены в приложении 2.

        1.2.        Воспроизведение и хранение информации о размерах единиц физических
        величин

    Решение одной их основных задач метрологии — обеспечение единства измерений достигается как за счет точного воспроизведения, хранения и передачи размеров установленных единиц физических величин, так и за счет применяемых средств измерения.
    Единицы физических величин в настоящее время воспроизводят с помощью специальных технических средств, называемых эталонами.
    Эталон единицы величины — это средство измерений, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины.
    Эталоны единиц классифицируют по ряду признаков (рис. 1.1); по точности воспроизведения единиц и подчиненности различают первичные, вторичные и специальные эталоны. По назначению вторичные эталоны разделяют на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.
    Международный эталон принимается по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами. Например, международный прототип килограмма.
    Первичным называется эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью.
    Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы величины в особых условиях, когда прямую передачу размера единицы от


Рис. 1.1. Классификация эталонов