CC BY
354
ТЕСТИРОВАНИЕ ТРАСС СТРУКТУРИРОВАННЫХ КАБЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ
Д.А. Шилкин
Научный руководитель - Д.О. Изумрудов (ЗАО «Эврика»)
В статье рассмотрено назначение тестирования современных кабельных систем, а также описаны основные параметры, учитываемые при проверке соответствия их указанной категории и достоверности присущих им характеристик, описанных в международных, европейских или американских стандартах. Дано математическое описание основных функции, необходимое для полного и четкого представления о результатах, на основе которых делается вывод о качестве кабельных трасс.
Введение
Практически все современные информационные системы и технологии тем или иным образом связаны с необходимостью обмена информацией и использования каналов связи различных типов. Непосредственно каналы для передачи и приема информации, на основе кабельных систем должны иметь строгую иерархическую структуру. На сегодняшний день существуют три нормативных документа и стандарта, описывающих понятия, назначения, принципы построения, а также требования, предъявляемые к кабельным системам, которые получили название структурированные. Любая серьезная и перспективная структурированная кабельная система (СКС) на этапе подготовки к эксплуатации должна быть протестирована специальным оборудованием для выявления тех или иных дефектов и на соответствие заданным характеристикам, определяющихся заранее. Этот завершающий этап построения СКС имеет фундаментальное значение. От его результатов зависит как качество и долговечность установленной системы в целом, так и быстрота и мобильность передачи самой информации между оконечным оборудованием и подключенными пользователями. Основной же практический интерес для тестирования имеют линии связи на основе витых пар и оптики. Они определены в стандарте КОЛЕС 11801 и в бюллетене Т8Б-67 [1].
В данной работе дано описание параметров кабельных систем, предложенных мировыми стандартами для определения характеристики каналов на разных этапах тестирования. Приведен математический аппарат для более четкого определения каждой функции в системе результирующих данных полученных от устройства тестирования. Даны описания наиболее функциональных и удобных кабельных тестеров для медных и оптических линий.
Понятие структурированной кабельной системы
Структурированная кабельная система - это универсальная кабельная система здания, группы зданий, предназначенная для использования достаточно длительный период времени без реструктуризации.
Универсальность СКС подразумевает использование ее для различных систем:
1. компьютерная сеть;
2. телефонная сеть;
3. охранная система;
4. пожарная сигнализация.
Такая кабельная система независима от оконечного оборудования, что позволяет создать гибкую коммуникационную инфраструктуру предприятия. Избыточность подразумевает организацию новых рабочих мест без прокладки дополнительных кабельных линий, для чего СКС должна строится с запасом. Гарантированный срок эксплуатации - около 10-15 лет, что включает в себя понятие длительного использования без реструктуризации [1].
Фактически структурированная кабельная система - это совокупность пассивного коммуникационного оборудования:
1. кабель - этот компонент используется как среда передачи данных СКС. Кабель различают на экранированный и неэкранированный;
2. розетки - этот компонент используют как точки входа в кабельную сеть здания;
3. коммутационные панели - используются для администрирования кабельных систем в коммутационных центрах этажей и здания в целом;
4. коммутационные шнуры - используются для подключения офисного оборудования в кабельную сеть здания, организации структуры кабельной системы в центрах коммутации.
Для облегчения проектирования и дальнейшего обслуживания кабельной системы были разработаны международные и европейские стандарты на структурированную кабельную систему (СКС):
1. международный стандарт ISO/IEC 11801 Generic Cabling for Customer Premises;
2. европейский стандарт EN 50173 Information Technology Generic Cabling Systems;
3. американский стандарт ANSI/TIA/EIA 568-А/568-В Commercial Building Telecommunication Cabling Standard.
Стандарты призваны служить общественным интересам, устраняя недопонимание между производителями и потребителями, обеспечивая взаимозаменяемость и универсальное качество продукции, наряду с ее доступностью и грамотным использованием. Стандарты телекоммуникационной инфраструктуры зданий должны обеспечить работу разнотипного оборудования любых производителей, создание кабельных системы на этапе строительства зданий и их длительную эксплуатацию.
Категории и классы кабельной системы
При классификации кабельных систем по производительности существуют некоторые отличия, связанные с различным подходами к этому вопросу в международном ISO 11801 и американском стандарте TIA/EIA-568-А. Международный стандарт определяет классы приложений (от A до F), которые могут функционировать по данной системе, а американский стандарт специфицирует системы по максимальной частоте передаваемых сигналов (категория 3-6). Поэтому для определения кабельных систем используются как категории, так и классы.
Частота передачи ISO 11801, TIA/EIA-568-А,
сигналов, Мгц приложения Категории
0,1 класса A
1 класса B
16 класса C 3
20 4
100 класса D 5
100 класса D+ 5е
250 класса E 6
600 класса F 7
Таблица 1. Категории и классы кабельных систем
Стандарты определяют среду передачи, параметры разъемов, линии и канала, в том числе предельно допустимые длины, способы подключения проводников (последовательность), топологию и функциональные элементы СКС. В настоящее время стандарты на категорию 6 и 7 находятся в стадии доработки и утверждения, поэтому существует вероятность изменения характеристик для этих систем.
Тестирование каналов и стационарных линий СКС
Комплекс измерений параметров отдельных электрических и оптических компонентов СКС, а также смонтированных линий на их основе предназначен для определения состояния СКС, предупреждения повреждений, накопления статистических данных, используемых при разработке мероприятий по повышению надежности связи и, наконец, является обязательной процедурой перед вводом СКС в эксплуатацию. Измерения производятся в следующих случаях:
1. в процессе выполнения входного контроля отдельных компонентов перед началом работ по их монтажу;
2. при проведении приемо-сдаточных испытаний СКС;
3. во время эксплуатации кабельной системы при выполнении профилактических, аварийных и контрольных проверок.
Измерения в СКС
i
Входной контроль Эксплуатационные « Приемо-сдаточные
Профилактические Аварийные Контрольные
Рис. 1. Структура видов измерений в СКС
Передаточные характеристики трактов, которые создаются с помощью СКС для передачи сигналов различных инженерных систем, обсуждаются и оцениваются в стандарте ISO/IEC 11801:2002(E) с помощью понятий канал (англ. channel) и стационарная линия (англ. permanent link). Под каналом понимается тракт передачи сигналов по СКС от одного активного оборудования до другого. Сами вилки на концах кабелей не входят в состав канала, поскольку их влияние на систему в целом учтено разработчиками активного оборудования [2]. Под стационарной линией понимается часть тракта передачи сигналов по СКС, включающая в себя лишь стационарный кабель и соединители на его концах [2].
Основные параметры тестирования линий кабельных систем
Затухание (Attenuation) - потеря мощности сигнала. Это отношение мощности сигнала на выходе передатчика к мощности сигнала на входе приемника, выраженное в децибелах (дБ). Чем меньше затухание, тем сильнее сигнал на входе приемника, тем лучше связь.
А = lg (Pi / P2),
где Р1 - мощность сигнала на выходе передатчика, P2 - мощность сигнала на входе приемника.
Рис. 2. Распределение мощности сигнала
A = 10 lg (P1 / P2) = 10 lg (U111 / U212) =10 lg (U1 * (U1 / R1) / U2 * (U2 / R2)),
принимаем R1 = R2, таким образом, A = 10 lg (Ui2 / U22) = 20 lg (U1 / U2).
Рис. 3. Зависимость затухания от частоты сигнала
Тестирование производится для всего диапазона рабочих частот. Оценка результата тестирования для каждой пары выводится на основании наихудшего результата. Затухание канала и базовой линии является суммой затуханий, вносимых всеми их составляющими элементами: горизонтальным кабелем, оконечными и коммутационными шнурами и разъемами. Максимально допустимое затухание можно выразить следующим образом:
А 2 Аразъема + Акабеля на 100м * (-кабеля + 1,2 * 2 .¿шнуров) / 100.,
где 2 Аразъема - сумма максимально допустимых затуханий, вносимых всеми разъемами (в канале может быть до четырех разъемов, в базовой линии всегда два разъема); Акабеля на 100м - максимально допустимое затухание горизонтального кабеля на длине 100 м; —кабеля - фактическая длина горизонтального кабеля канала или базовой линии; 2 -шнуров - фактическая сумма длин всех шнуров канала или базовой линии [1].
Частота, МГц Максимально допускаемые значения A, дБ
Класс A Класс B Класс C Класс D Класс E Класс F
0.1 16,0/16,0 5,5/5,5 - - - -
1 - 5,8/5,8 4,2/4,2 4,0/4,0 4,0/4,0 4,0/4,0
16 - - 14,4/12,2 9,1/7,7 8,3/7,1 8,1/6,9
100 - - - 24,0/20,4 21,7/18,5 20,8/17,7
250 - - - - 35,9/30,7 33,8/28,8
600 - - - - - 54,6/46,6
Таблица 2. Максимально допустимые стандартом ISO/IEC 11801:2002(E) значения А, дБ, в формате канал/стационарная линия
При прохождении сигнала по витой паре создается электромагнитное поле, которое взаимодействует с сигналами, передаваемыми по соседним парам. В зависимости от того, осуществляется двунаправленная или однонаправленная передача сигнала, важно оценить влияние помех, наведенных сигналом на ближнем или на дальнем конце, по отношению к источнику сигнала [3]. Ослабление перекрестных наводок на ближнем от передатчика конце, NEXT (Near End Crosstalk loss) - это параметр двунаправленной передачи, характеризующий затухание сигнала помехи, наведенного сигналом передатчика на смежную пару. Измеряется в децибелах (дБ). Чем выше значение NEXT, тем меньше влияние помех между двумя парами проводников. Минимально допустимое значение NEXT для канала рассчитывается по формуле:
NEXT_ 20lg (ю^ЕХТкабеля / 20 + ^ ю^ЕХТразъема / 20)
где #ЕХТкабеля - минимальное переходное затухание горизонтального кабеля на длине 100 м; #ЕХТразъема - минимальное переходное затухание разъема; п - количество разъемов на ближнем конце.
Рис. 4. Однонаправленная передача сигнала
Рис. 5. Двунаправленная передача сигнала
Параметр NEXT специфицирован для всех классов и должен измеряться на обоих концах тракта. Он также не зависит от длины кабеля, а определяется только конкретным взаимным влиянием пар [2].
Рис. 6. Наводки, определяемые параметром NEXT
Частота, МГц Максимально допускаемые значения NEXT, дБ
Класс А Класс В Класс С Класс D Класс E Класс F
0.1 27,0/27,0 40,0/40,0 - - - -
1 - 25,0/25,0 39,1/39,1 60,0/60,0 65,0/65,0 65,0/65,0
16 - - 19,4/21,1 43,6/45,2 53,2/54,6 65,0/65,0
100 - - - 30,1/32,3 39,9/41,8 62,9/65,0
250 - - - - 33,1/35,3 56,9/60,4
600 - - - - - 51,2/54,7
Таблица 3. Максимально допустимые стандартом ISO/IEC 11801:2002(E) значения NEXT, дБ, в формате канал/стационарная линия
Современные высокоскоростные приложения используют одновременную передачу и прием информации по всем четырем парам. Помимо параметра NEXT , в этом
случае необходимо учитывать влияние помех на дальнем от передатчика конце линии. Ослабление перекрестных наводок на дальнем от передатчика конце, FEXT (Far End Crosstalk loss) - это параметр однонаправленной передачи, характеризующий затухание сигнала помехи, наведенного сигналом передатчика на смежную пару. Измеряется в децибелах (дБ). Чем выше значения FEXT, тем меньший уровень имеет наводка в соседних парах и тем лучше качество передачи. Тестирование проводится для двух концов кабельной цепи.
FEXT = 20lg • (Ufext/Uo), где UFEXT - амплитуда импульса наведенного на конце пары; U0 - амплитуда импульса, передаваемого по паре.
Параметр FEXT, как правило, сам по себе не измеряется на инсталлированной СКС, но используется для определения других параметров тракта на дальнем конце [2].
Рис. 7. Наводки, определяемые параметром FEXT
Для передачи информации в высокоскоростных приложениях используются одновременно несколько пар. Сигналы нескольких приложений все чаще передаются в одном многопарном кабеле. На приемник одновременно действует несколько источников помех. Поэтому вводится еще один параметр, так называемая суммарная мощность. Первый из них - это потери NEXT суммарной мощности PS-NEXT (Power sum NEXT). Параметр важен при двунаправленной передаче. Это величина наведенного на одну из пар от нескольких передатчиков нежелательного помехового сигнала, измеренного на ближнем от передатчиков конце. Тестирование NEXT суммарной мощности дает один результат на каждую пару кабеля. Результаты потерь NEXT суммарной мощности необходимо определять для обоих концов кабеля, так как передачи идут с обоих концов кабельной системы:
PSNEXT (к) = - 20lg • £ 10 -(KlNEXT (i к),
i =1, i^k
где n - число пар; PSNEXT (к) - «суммарный» параметр «возмущаемой» пары к; NEXT (i, к) - параметр NEXT для «возмущаемой» пары к и «возмущающей» пары i.
Параметр PSNEXT вычисляется (но не измеряется непосредственно) по измеренным значениям параметра NEXT [2].
Следующий параметр - это потери FEXT суммарной мощности PS-FEXT (Power sum FEXT). Параметр важен при однонаправленной передаче. Это величина наведенного на одну из пар от нескольких передатчиков нежелательного помехового сигнала, измеренного на дальнем от передатчиков конце. Тестирование FEXT суммарной мощности дает один результат на каждую пару кабеля.
PSFEXT (к) = - 20lg • £ 10 -0,1FEXT к),
г'=1,г'*к
где n - число пар; PSFEXT (к) - «суммарный» параметр «возмущаемой» пары к; FEXT (i, к) - параметр NEXT для «возмущаемой» пары к и «возмущающей» пары i.
Рис. 8. Наводки, определяемые параметром PSNEXT
Частота, МГц Максимально допускаемые значения PSNEXT, дБ
Класс D Класс E Класс F
1 57,0/57,0 62,0/62,0 62,0/62,0
16 40,6/42,2 50,6/52,2 62,0/62,0
100 27,1/29,3 37,1/39,3 59,9/62,0
250 - 30,2/32,7 53,9/57,4
600 - - 48,2/51,7
Таблица 4. Максимально допустимые стандартом ISO/IEC 11801:2002^) значения PSNEXT, дБ, в формате канал/стационарная линия
Рис. 9. Наводки, определяемые параметром PSFEXT
Существуют также параметры, которые являются опциональными при тестировании кабельных трактов. Параметр FEXT, в отличие от NEXT, зависит от длины линии на всем ее протяжении. Две линии с использованием одних и тех же элементов, но разной длины, будут иметь разные значения FEXT. Поэтому нормируется параметр - рав-ноуровневые перекрестные наводки на дальнем конце или отношение затухания к суммарным двунаправленным наводкам - ELFEXT (Equal-level Far End Crosstalk). Этот параметр выражается в децибелах (дБ) [3]. На экран сканера выводятся результаты, рассчитанные как разность между измеренными потерями FEXT и затуханием сигнала в возмущаемой паре:
ELFEXT (i, к) = FEXT (i, к) - A (к), где i - номер «возмущающей» пары; к - номер «возмущаемой» пары; А (к) - затухание «возмущаемой» пары.
Частота, МГц Максимально допускаемые значения ELFEXT, дБ
Класс D Класс E Класс F
1 57,4/58,6 63,3/64,2 65,0/65,0
16 33,3/34,5 39,2/40,1 57,5/59,3
100 17,4/18,6 23,3/24,2 44,4/46,0
250 - 15,3/16,2 37,8/39,2
600 - - 31,3/32,6
Таблица 5. Максимально допустимые стандартом ISO/IEC 11801:2002^) значения ELFEXT, дБ, в формате канал/стационарная линия
Потери суммарной мощности или же отношение затухания к суммарным однонаправленным наводкам - PSELFEXT (Power sum ELFEXT). Характеризует превышение уровня сигнала над уровнем однонаправленных наводок от всех пар. Равноуровневые перекрестные помехи на дальнем конце модели суммарной мощности - величина наведенного на одну из пар от нескольких передатчиков, нежелательного помехового сигнала, измеренного на дальнем от передатчиков конце относительно уровня принимаемого сигнала, измеренного на той же паре. Тестирование PSELFEXT суммарной мощности дает один результат на каждую пару кабеля. Результаты потерь PSELFEXT необходимо определять для обоих концов кабеля, т. к. передачи идут с обоих концов кабельной системы [3].
PSELFEXT (к) = - 10lg • £ 10 -ELFEXT (i к) 7 10,
i=1 ,1^к
где i - номер «возмущающей» пары; к - номер «возмущаемой» пары; ELFEXT (i, к) -параметр, обусловленный воздействием пары i на пару к.
Частота, МГц Максимально допускаемые значения PSELFEXT, дБ
Класс D Класс E Класс F
1 54,4/55,6 60,3/61,2 62,0/62,0
16 30,3/31,5 36,2/37,1 54,5/56,3
100 14,4/15,6 20,3/21,2 41,4/43,0
250 - 12,3/13,3 34,8/36,2
600 - - 28,3/29,6
Таблица 6. Максимально допустимые стандартом ISO/IEC 11801:2002^) значения PSELFEXT, дБ, в формате канал/стационарная линия
Соотношение затухания и переходного затухания на ближнем конце характеризует отношение «сигнал/помеха» на приемном конце линии. Другими словами ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio) означает превышение сигнала над уровнем собственных шумов для двунаправленной передачи сигналов (для сравнения ELFEXT - для однонаправленной). Отношение затухания к наводкам ACR в логарифмическом виде - это разность NEXT и затуханием сигнала линии [2].
ACR (i, к) = NEXT (i, к) - A (к), где i - номер «возмущающей» пары; к - номер «возмущаемой» пары; NEXT (i, к) - параметр NEXT, обусловленный воздействием пары i на пару к; A (к) - параметр A для пары к.
Частота, МГц Максимально допускаемые значения ACR, дБ
Класс D Класс E Класс F
1 56,0/56,0 61,0/61,0 61,0/61,0
16 34,5/37,5 44,9/47,5 56,9/58,1
100 6,1/11,9 18,2/23,3 42,1/47,3
250 - -2,8/4,7 23,1/31,6
600 - - -3,4/8,1
Таблица 7. Максимально допустимые стандартом ^0/1ЕС 11801:2002(Е) значения ДСР, дБ, в формате канал/стационарная линия
Это важнейший параметр передачи сигналов. В типичном случае (протоколы 10 BaseT Ethernet, 100 BaseT Fast Ethernet и другие) используются две пары. Передача сигналов идет в противоположных направлениях. Отсюда перекрестные или двунаправленные наводки.
Следующий параметр - отношение затухания к суммарным двунаправленным наводкам. Потери ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio) суммарной мощности PS-ACR (Power sum ACR). Параметр, характеризующий превышение уровня сигнала над уровнем двунаправленных наводок от всех пар.
PSACR (к) = PSNEXT (к) - A (к), где к - номер «возмущаемой» пары; PSNEXT (к) - «суммарный» параметр пары к; A (к) - затухание пары к.
Равноуровневые перекрестные помехи на дальнем конце модели суммарной мощности - величина наведенного от нескольких передатчиков, нежелательного помехово-го сигнала, измеренного на ближнем от передатчиков конце, на одну из пар относительно уровня принимаемого сигнала, измеренного на той же паре. Тестирование PSACR дает один результат на каждую пару кабеля [3].
Частота, МГц Максимально допускаемые значения PSACR, дБ
Класс D Класс E Класс F
1 53,0/53,0 58,0/58,0 58,0/58,0
16 31,5/34,5 42,3/45,1 53,9/55,1
100 3,1/8,9 15,4/20,8 39,1/44,3
250 - -5,8/2,0 20,1/28,6
600 - - -6,4/5,1
Таблица 8. Максимально допустимые стандартом ^0/1ЕС 11801:2002(Е) значения PSACR, дБ, в формате канал/стационарная линия
Реальная кабельная линия всегда имеет неоднородности, которые приводят к отражению электромагнитной волны, в процессе прохождения сигнала по кабелю. Обратные потери (Return Loss) - мера величины отражения сигналов, вызываемого несоответствием импедансом компонентов кабельной системы. Этот параметр определяется как отношение мощности основного сигнала к мощности обратного потока энергии. Измеряется в децибелах. Величина обратных потерь имеет особенно важное значение для работы приложений, использующих технологии синхронной двухсторонней передачи сигналов.
RL = 20lg • (|Url| / U0),
где |URL| - амплитуда отраженного импульса (по модулю); U0 - амплитуда входного импульса линии.
Стоит заметить, что поскольку для амплитуд URL < U0, то значения логарифма всегда отрицательны, что необходимо учитывать при расчете величин URL и U0 [2].
Частота, МГц Максимально допускаемые значения RL, дБ
Класс C Класс D Класс E Класс F
1 15,0/15,0 17,0/19,0 19,0/21,0 19,0/21,0
16 15,0/15,0 17,0/19,0 18,0/20,0 18,0/20,0
100 - 10,0/12,0 12,0/14,0 12,0/14,0
250 - - 8,0/10,0 8,0/10,0
600 - - - 8,0/10,0
Таблица 9. Минимально допустимые стандартом ISO/IEC 11801:2002^) значения RL,
дБ, в формате канал/стационарная линия
Наиболее распространенной причиной возникновения обратных потерь является различие волнового сопротивления у компонентов кабельного канала (розетка, патч-панель, кабель и т.д.) Поэтому рекомендуется подбирать оборудование одного производителя, обладающее одинаковыми (специально подобранными) характеристиками. Также неоднородность может возникнуть в случае нарушения шага скрутки. Это может быть следствием брака при производстве либо ошибки монтажников при протяжке кабеля, надлома жилы или слишком сильного изгиба.
Принципы тестирования кабельных систем
Конечные пользователи и проектировщики сетей постоянно планируют более высокие скорости передачи данных, возможности передачи большего количества данных, а также способность сети к гибкой и удобной переконфигурации.
Бытует мнение, что около 20 % высокоскоростных сетей не обеспечивают возможного быстродействия, что является результатом некачественной реализации кабельных систем. Это особенно хорошо заметно на примерах высокоскоростных систем, в состав которых входят Fast Ethernet, коммутируемые LAN, Gigabit Ethernet. Однако некоторые низкоскоростные системы (Ethernet, Token Ring) могут приемлемо функционировать даже при неграмотной инсталляции [4].
Тестирование сетей на основе медного кабеля
Измерительное и тестирующее оборудование СКС на основе витых пар можно подразделить на три основные группы:
1. сетевые анализаторы (Network Analyzers);
2. тестеры СКС (FTE-Field Test Analyzers);
3. электрические тестеры или мультиметры (Continuity or Cable Testers).
Сетевые анализаторы представляют собой эталонное измерительное оборудование лля диагностики и сертификации кабелей и кабельных систем. Это прецизионные крупногабаритные и дорогие (стоимостью более 20 тысяч долларов) приборы, предназначенные для использования в лабораторных условиях.
Тестеры СКС были разработаны специально для диагностики и тестирования СКС непосредственно на объекте монтажа кабельной системы (иначе, для выполнения так называемого полевого тестирования - field testing). Достаточно часто их называют кабельными сканерами (Cable Scanners). Они являются основным инструментом для оперативных измерений подсистем СКС, реализованных на основе витых пар. Эти устройства позволяют проводить комплексную проверку 4-парных кабелей, линий классов C, D, E и категорий 3, 4, 5, 6.
Электрические тестеры, или мультиметры, представляют собой простые, дешевые и широко распространенные приборы; позволяют измерять постоянные и переменные ток и напряжение, а также активное сопротивление постоянному току. Наиболее совершенные устройства данной группы дополнительно контролируют частоту, емкость, температуру полевых и биполярных транзисторов.
На сегодняшний день одна из наиболее удобных и важных функций тестирования кабельных систем - автоматизация процесса проведения измерений и интерпретация полученных результатов. Во время общего теста (режим Autotest) в течение нескольких секунд последовательно, без вмешательства оператора, измеряется ряд необходимых для проверки параметров. Результаты измерений сравниваются с требованиями стандартов или определенного сетевого протокола при его указании в явном виде, затем выдается отчет с общим выводом по результатам тестирования в виде ДА/НЕТ (Pass/Fail). Время автотеста составляет примерно 10-20 с. Многие из представленных на рынке сканеров позволяют поддерживать голосовую связь во время тестирования, что достаточно удобно при тестировании кабельной системы, распределенной по большой площади. От устройств этого типа в систему поступает сигнал, который затем сравнивается процессором сканера с пришедшим отраженным сигналом. Достаточно часто для исследования кабельной системы используется подача контрольного сигнала с определенными параметрами, благодаря чему можно достаточно точно определить характер неисправности [4].
Тестирование электрической подсистемы СКС
Принцип действия рефлектометра во временной области TDR (Time Domain Reflectometer) основан на анализе сигнала, отраженного от различных неоднородностей в линии при ее зондировании мощными импульсами тока небольшой длительности.
Электрическая волна, возбуждаемая в тестируемой линии импульсным генератором рефлектометра, при распространении в линии отражается в обратном направлении от всех точек неоднородностей. Анализатор приемника контролирует как момент прихода отраженного сигнала, так и изменение его формы во времени. Результат работы анализатора может быть представлен на дисплее графически, в виде так называемой рефлектограммы, или же в табличной форме. По времени задержки между зондирующим и приходящим импульсом рассчитывается расстояние до неоднородности, и его значения выводятся на экран.
Рефлектограммы для электрических кабелей получили достаточно широкое распространение в сетях городской и междугородной связи. Из-за трудностей анализа начального участка они эффективны только в процессе тестирования кабелей магистральных подсистем и поэтому не получили широкого распространения в технике СКС. При тестировании кабельных систем здания их роль успешно выполняют кабельные сканеры, реализующие функции рефлектометра [1].
Тестирование сетей на основе оптоволоконного кабеля
Измерительное и тестирующее оборудование СКС на основе оптоволоконных линий можно подразделить на три основные группы:
1. оптические тестеры;
2. рефлектометры;
3. визуальные локаторы.
Оптические тестеры, или измерители оптических потерь, предназначены для измерения среднего уровня мощности оптического излучения на рабочих длинных волн волоконно-оптических линий связи (850, 1300, 1550 нм) и определения затухания сигнала в кабелях и отдельных компонентах линии. Тестеры могут работать как с много-модовыми, так и с одномодовыми световодами и комплектуются одним или несколькими сменными адаптерами для подключения к вилкам разъемов различных типов.
В состав оптического тестера входят два основных прибора: измеритель оптической мощности и источник излучения.
Измерители оптической мощности (optical power meter, OPM) применяются для определения мощности оптического сигнала и затухания сигнала в линиях и каналах. В
составе конструкции измерителя имеются германиевый фотодиод с усилителем фототока, сигнальный процессор и цифровой дисплей. Фотодиод преобразует падающий на его окно световой поток в электрический ток, который обрабатывается сигнальным процессором. Результат обработки выводится на цифровой индикатор.
Стабилизированные источники излучения (Stabilized Light Source, SLS) служат для подачи в волоконно-оптический элемент оптического сигнала заданной мощности и длины волны. Постоянство выходной мощности такого источника поддерживается путем регулировки прямого тока излучателя. Часто применяются отдельные модели оптических источников и измерителей, рассчитанных на одну рабочую длину волны, для уменьшения финансовых затрат пользователей.
Оптические рефлектометры во временной области (Optical Time Domain Reflectometer, OTDR), или просто рефлектометры, являются одним из наиболее мощных средств для тестирования волоконно-оптических линий. В процессе измерения контролируемое волокно зондируют через разветвитель мощными оптическими импульсами небольшой длительности. Из-за отражений от неоднородностей возникает поток обратного рассеяния, которое интерпретируется как затухание через функцию длины [1]. Анализ данных позволяет определить местонахождение неоднородности и величины потерь. Полученные результаты представляются в форме диаграммы (рефлектограммы). Выделим особенности оптических рефлектометров во временной облаоиоляют за один цикл измерений определять целый ряд параметров - длину, затухание, неоднородности;
• допускают выполнение измерений с одного конца кабеля;
• высокие требования к качеству ввода излучения в тестируемое волокно;
• достаточно медленное время получения рефлектограммы ~30 c;
• высокая стоимость.
Оптический локатор - это упрощенный вариант рефлектометра. Принцип его действия идентичен, а упрощение достигнуто главным образом за счет отказа от графического дисплея и применения более простого программного обеспечения.
Визуализатор дефектов - одна из наиболее полезных функций локаторов и дефектоскопов. Он предназначен для выявления близких к концу кабеля (не более 5 км) обрывов и других дефектов волоконных световодов методом просветки. Основой прибора является лазер красного свечения. При подключении визуализатора к волокну в месте повреждения наблюдается красное свечение.
Современные устройства для тестирования кабельных систем
Современные устройства для тестирования кабельных систем делятся на уровни точности, которые характеризуют количество параметров, верифицируемых тестером для исследования кабеля на принадлежность определенной категории. Соответствие необходимых уровней точности для устройств тестирования на предмет исследования определенных категорий кабельных систем представлено в табл. 10.
Категория 5 (Class D) II уровень
Категория 5e (Class D+) II-e уровень
Категория 6 (Class E) III уровень
Категория 7 (Class F) VI уровень
Таблица 10. Соответствие кабельной категории уровню тестера
Fluke Networks Corporation выпустила новую серию кабельных анализаторов DTX CableAnalyzer - это платформа для тестирования, которая поддерживает не только нынешние стандарты, но пригодится для анализа сетей в будущем.
Применение новейших разработок и решений для каждого этапа комплексного тестирования значительно сократило время, необходимое для сертификации сети и проверки ее соответствия установленным стандартам. Приборы данной серии могут тестировать как системы на основе медного кабеля, так и волоконно-оптические системы.
Серия кабельных тестеров DTX гарантирует очень высокий уровень точности (Level IV), измерение параметров кабеля осуществляется в частотном диапазоне до 900 МГц, время работы от аккумуляторов - до 12 часов. Большой запас частоты обеспечивает возможность работы с сетями категории 7 (Class F). Простой и интуитивно понятный интерфейс прибора обеспечит очень быстрое конфигурирование, а с помощью поставляемого в комплекте ПО LinkWare достаточно просто создать отчет о результатах сертификации соединений. Проведение процедуры «Автотест» для категории 6 (Class E) составляет 12 секунд (для приборов DTX-1800, DTX-1200) и 30 секунд для DTX-LT. Прибор указывает местонахождение неисправности на любом расстоянии от тестера и подсказывает необходимые действия.
Опционально поставляемые оптические модули (DTX Fiber Module) хорошо защищены внутри корпуса, время выполнения процедуры «Автотест» для оптических соединений составляет 12 секунд. Поддерживается работа как с одномодовыми, так и с многомодовыми линиями связи, сертификация по классу I (TSB140) одновременно двух волоконно-оптических кабелей на двух длинах волн (850 нм и 1300 нм). Внутренняя память прибора позволяет сохранить до 250 отчетов с графиками или до 2000 отчетов в текстовом варианте, а карта расширения памяти на 16 МБ позволит сохранить еще 300 дополнительных отчетов с графиками. Благодаря встроенному USB-порту легко передать данные на компьютер. В комплектацию входит переговорное устройство, позволяющее держать связь при выполнении работ как по медному, так и по оптическому кабелю. Стоимость устройств этой серии составляет от $12000-$18000 [4].
DTX-1800
Рис. 10. Тестер Fluke Networks DTX-1800
Продукты Ideal Industries. Семейство устройств LANTEK 7G обладает возможностью работы в динамическом диапазоне частот вплоть до 1 ГГц, что позволяет тестировать сети, удовлетворяющие требованиям категорий 6, 6a, 7(Class F) и уровню точности IV. Возможно сохранение до 6000 результатов тестов. Благодаря вспомогательному оборудованию FIBERTEK Accessory и TRACETEK Accessory (технология OTDR) можно тестировать волоконно-оптические системы (одномодовые и многомодовые) на наличие неисправностей и определения их местоположения. Комплект поставки включает в себя PCMCIA-адаптер для установки компактной перепрограммируемой памяти, ко-
торая предоставляет неограниченную возможность для сохранения полученных результатов тестирования, а также для установки дополнительных опций, карту расширения памяти на 64 МБ, USB Port Flash Card Reader. Полезно наличие расширенного пользовательского интерфейса, включая контекстно-зависимую справку. Стоимость этого набора составляет в базовой комплектации $7000 и в Premium-комплектации - $8000 [4].
LAMTEK 7G
Рис. 11. Тестер Ideal Industries Lantek 7G
Продукт Acterna. LT 8600 обеспечивает уровень точности III при тестировании сетей на частотах до 300 МГц, что превышает требования для категории 6 (Class E) испытательных стандартов. Прибор поддерживает до 15 различных наборов тестов, что позволит провести глубокий диагностический анализ, включая возможность определения местоположения неисправности. Позволяет переносить результаты измерений или генерируемые профессиональные отчеты на ПК благодаря совместимому ПО. Опционально поставляемые дополнения предоставляют возможность тестирования одномо-дового и многомодового оптоволокна, а наличие речевого комплекта обеспечит дополнительные удобства в работе. Стоимость - от $7800 до $8500 [4].
LT 0600
Рис. 12. Тестер А^егпа 1_Т 8600
Рефлектометр МТБ 8000 - новая мультимодульная тестовая платформа для оптоволоконных систем. В этом приборе одновременно инсталлирован рефлектометр, оп-
тический тестер, измеритель оптической мощности, локатор визуальных дефектов, оптический микроскоп, оптическая гарнитура, OTDR. Конструктивное решение, разработанное специалистами Acterna, позволяет одновременно устанавливать в MTS 8000 большое количество сменных оптических модулей, благодаря чему пользователь получает возможность измерения всех необходимых характеристик в зависимости от типа работ. Процессор, установленный в MTS 8000, позволяет тестировать сеть по заранее предустановленным наборам тестов. Внутренняя память устройства составляет 8 МБ. Новой интересной особенностью является возможность установки жесткого диска емкостью до 6 ГБ. Для удобства и возможности оперативной работы в MTS 8000 установлены накопители FDD, CD-RW, а также USB-порты [4].
MTSС¡00
Рис. 13. Рефлектометр MTS 8000
Продукты Agilent Technologies. Переносные кабельные анализаторы WireScope 350 и FrameScope 350 предназначены для администраторов сетей. Усовершенствованные технологии тестирования позволяют свести к минимуму влияния испытательных адаптеров и добиться высокого уровня точности (превышает требования уровня III).
Рис. 14. Рефлектометр MTS 8000
Имея дружественный пользовательский интерфейс, сенсорный LCD-дисплей, диалоговые руководства и встроенный предопределенный набор тестов, прибор позволяет выполнять ряд испытаний, нажимая лишь одну кнопку. Прибор сертифицирует установленные локальные кабельные системы на соответствие проектным спецификациям стандартов категории 6 (Class E). Полезной является возможность обновления аппаратной и программной части для проведения испытаний систем более высоких кате-
горий. С помощью опциональной приставки Fiber SmartProbe можно тестировать оптоволоконные системы (как одномодовые, так и многомодовые). Результаты испытаний прибор сохраняет на сменные карты флэш-памяти. Прибор автоматически составляет профессиональные отчеты, используя программное обеспечение Scope Data Pro, входящее в комплект тестера. Используя дистанционное управление устройством, можно генерировать и сразу же отсылать отчеты о работе сети, например, в центральный офис. Использование гарнитуры позволяет координировать действия в real-time-режиме. Цены для этих устройств колеблются от $7000 до $14000 [4].
Заключение
Измерения в СКС выполняются на всех этапах строительства и эксплуатации кабельной системы и являются необходимым условием обеспечения нормального функционирования и быстрого восстановления работоспособности каналов и трактов в аварийных ситуациях.
В работе были рассмотрены все основные параметры, по которым определяют характеристики кабельной системы в соответствии с созданными стандартами. Приведен математический аппарат для более четкого представления назначения той или иной функций, измеряемой устройством тестирования. Эти данные крайне важны при чтении непосредственно самих тестов кабельных систем, при помощи которых можно сделать четкий и однозначный вывод и дать правильную характеристику установленной системе. Они позволяют корректировать и приводить в соответствие заданные на начальном этапе параметры, что, в свою очередь, продлевает срок эксплуатации СКС.
В то же время, в связи с появлением новых стандартов и классов кабельных систем, следует ожидать разработки следующего поколения тестеров с расширенным частотным диапазоном, а также более жестких требований к качеству структурированных кабельных систем.
Литература
1. Семенов А.Б., Стрижаков С.К., Сунчелей И.Р. Структурированные кабельные системы. М.: Компания АйТи, ДМК Пресс, 2004. 640 с.
2. Самарский П.А. Основы структурированных кабельных систем. М.: Компания АйТи, ДМК Пресс, 2005. 216 с.
3. http://www.adp.ru/passive/teh_doc/for_test.htm
4. http://www.cnts-net.ru/stati/statia40.dhtml
