МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ • Ксендзов Александр Валентинович кафедра РТУ, ауд. 412 а лаб. корп. Гр. 718, 719, 7112 • Лекций – 32 часа • Лабораторных работ – 16 часов (4 х4 лаб. раб. ) Методические указания к лаб. работам - 3998 • Экзаменъ Учебно-методический комплекс (с) Дуров А. А. , каф. РТУ

Список рекомендуемой литературы а) основная литература: • • 1. Хромой Б. П. Метрология и измерения в телекоммуникационных системах: учебник для вузов. Т. 1 -2, 2006, 2008. 2. Боридько С. И. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: учебное пособие для вузов. – М. : Горячая линия – Телеком, 2007. – 352 с. 3. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: учеб. пособие для вузов / Б. П. Хромой, А. В. Кандинов. , А. Л. Сенявский и др. ; под ред. Б. П. Хромого. - М. : Радио и связь, 1986. - 424 с. 4. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: учебник для вузов / В. И. Нефёдов, А. С. Сигов, В. К. Битюков, В. И. Хахин, Е. В. и др. ; под ред. В. И. Нефёдова и А. С. Сигова. - М. : Высш. школа, 2005. -599 с. 5. Кушнир Ф. В. , Савенко В. Г. , Вернин С. М. Измерения в технике связи: учебник для вузов. - М. : Связь, 1976. – 432 с. 6. Методы измерений в системах связи. И. Г. Бакланов. М: Радио и связь. ИТЦ “Эко-Тренз”, 1999 г. 7. Метрологическое обеспечение систем передачи: учеб. пособие для вузов / Б. П. Хромой, А. Л. Сенявский и др. ; под ред. Б. П. Хромого. - М. : Радио и связь, 1991. - 392 с

б) дополнительная литература: • • • 1. Уайндер С. Справочник по технологиям и средствам связи. Пер. с англ. М. : Мир. 2000. 429 с. 2. Бакланов И. Г. Тестирование и диагностика систем связи. М. : Эко-Трендз. 2001. 264 с. 3. Метрология в технике радиосвязи / А. Ф. Пионтковская, В. К. Богданова, А. П. Волоснов, Э. В. Тетиевская; Под ред. А. Ф. Пионтковской. М. : Радио и связь, 1983. 184 с. 4. Болтон У. Карманный справочник инженера-метролога. М. : Изд. дом «Додэка-XXI» . 2002. 384 с. 5. Валитов Р. А. , Сретенский В. Н. Радиотехнические измерения. Методы и техника измерений в диапазоне от длинных до оптических волн. М. : Сов. радио. 1970. 721 с. 6. ГОСТ 8. 009 -84. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений. 7. РД 50 -453 -84. Методический материал по применению ГОСТ 8. 009 -84. Изд. стандар-тов. 1988 г. 8. Технологии измерений в первичной сети. Части 1 и 2. И. Г. Бакланов. М: , Радио и связь. ИТЦ “Эко-Тренз”, 2000 г. 9. Петраков А. В. , Лагутин В. С. Защита абонентского телетрафика. Радио и связь, 2002. 504 с. 10. Емельянов Ю. А. , Крупнов А. Е. , Мамзелев И. А. Сертификация оборудования и услуг связи. Под ред. В. Б. Булгака, И. А. Мамзелева. М. : ЗАО «Рикел» . 1999. 248 с.

Предмет и задачи дисциплины • Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. • Фундаментальная (теоретическая) метрология разрабатывает фундаментальные основы метрологии (общая теория измерений; единицы физических величин и их системы; методы и средства измерений; методы определения точности измерений, основы обеспечения единства измерений; эталоны и образцовые средства измерений; методы передачи размеров единиц от эталонов рабочим средствам измерений ). • Законодательная метрология устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений в интересах общества. • Практическая (прикладная) метрология разрабатывает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии. • Квалиметрия – наука о количественном оценивании качества объектов.

Основы квалиметрии • Квалиметрия – наука о количественном оценивании качества объектов. • Качество – это свойство (совокупность свойств) объекта, обусловливающих его пригодность для использования по назначению. • Свойство – это объективная особенность, проявляющаяся при создании объекта и его эксплуатации. • Показатели качества – качественные характеристики одного или нескольких свойств. Бывают единичные и комплексные (групповые, обобщенные, интегральные). • (например, комплексным показателем надежности РЭС является наработка на отказ). • Экономические показатели отражают техническое совершенство (материалоемкость, трудоемкость, цена и т. д. ). • Эргономические показатели определяют соответствие изделия требованиям к форме, размерам, взаимному расположению элементов и т. д.

• Эстетические показатели характеризуют рациональность формы, совершенство исполнения и т. д. • Показатели технологичности характеризуют степень принятых конструктивно-технологических решений (затраты труда, средств, материалов и др. ). • Показатели транспортабельности характеризуют приспособленность изделия к транспортированию и среднюю продолжительность подготовки к транспортированию. • Экологические показатели характеризуют уровень вредных воздействий на окружающую среду. • Показатели безопасности характеризуют особенности изделия, определяющие безопасность обслуживающего персонала при его эксплуатации. • Показатели стандартизации и унификации характеризуют насыщенность стандартными, унифицированными и оригинальными составными частями. • Патентно-правовые показатели характеризуют степень новизны технических решений и возможность беспрепятственной реализации изделия в стране и за рубежом.

Методы измерения показателей качества • Можно разделить на две большие группы: • - эвристические – это субъективные методы, основанные на сборе и обработке экспертных данных; • - неэвристические – основаны на использовании выявленных взаимосвязях между параметрами объектов, их индивидуальными показателями, а также других объективных данных об их значениях. • • Эвристические методы По виду информации: Экспертные методы; Экспертно-статистические; Эвристической классификации. По характеру информации получаемой от экспертов: Социологические; Органолептические.

• Экспертные методы предполагают использование экспертов для определения весомости показателей качества. • Экспертно-статистические методы решают задачу определения показателей качества на основе достаточно большой выборки объектов. • Методы эвристической классификации заключаются в разбиении экспертами группы объектов на несколько классов. Объекты каждого класса имеют равные комплексные показатели. • Неэвристические методы • Измерительный метод – объективный метод определения показателей качества. Реализуется использованием технических средств измерений. • Регистрационный метод – на основе наблюдений и подсчете числа определенных событий (наработка на отказ, среднее время восстановления и др. ). • Расчетный метод – на основе известных теоретических и эмпирических зависимостей показателей качества от технических параметров.

• Надо различать оценивание и оценку. • Оценивание – процедура принятия решения о качестве. • Оценка – это числовая характеристика показателя качества. • Совокупность единичных показателей качества может быть задана или выбирается экспертами. При экспертном оценивании отдельные показатели качества могут быть исключены как незначимые, могут быть добавлены новые показатели. Важным этапом оценивания качества является ранжирование – определение значений весовых коэффициентов единичных показателей качества. • При определении состава экспертной комиссии должны быть отобраны высококвалифицированные эксперты, способные принимать объективные решения. Предварительно проводится обучение методике проведения экспертизы. • Количественно качество эксперта определяется отношением числа случаев, когда его мнение совпало с результатом экспертизы, к общему числу экспертиз, в которых он участвовал.

Основные понятия метрологии • Измерение - процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. • Единство измерений - состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. • Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. • Точность измерений - одна из характеристик качества измерений, отражающая близость их результатов к нулю погрешности результата измерения.

• Средство измерения - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. По техническому назначению средства измерений подразделяются на - меры, - измерительные преобразователи, - измерительные приборы, - вспомогательные средства измерений, - измерительные установки, - измерительные системы. • Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для получения значения измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Их делят на аналоговые и цифровые.

Классификация измерений

• По способам получения результатов различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения. • • Прямым методом измерений называют метод, искомое значение величины получают непосредственно. В качестве примера можно привести измерение напряжения вольтметром. Косвенным методом измерений – называют метод, при котором искомое значение физической величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно. Например, затухание, вносимое четырехполюсником, обычно вычисляют по измеренным значениям входного и выходного напряжений. Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых и искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнения) масс различных сочетаний гирь. Для определения значения исходных величин число уравнений должно быть не меньше числа величин. Совместные измерения - производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения функциональной связи между ними. Например, сопротивление измерительного резистора при температуре 20 о. С и температурные коэффициенты сопротивления, находят по результатам прямых измерений его сопротивления при различных температурах.

Измерения классифицируются также по используемому методу измерения - совокупности приемов использования принципов и средств измерений. Различают следующие методы измерений. • • Метод непосредственной оценки, в котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерения. Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод имеет следующие модификации: нулевой метод, метод замещения, метод дополнения, дифференциальный метод. Нулевой метод - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Метод дополнения - метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению. Дифференциальный метод – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.

По способу выражения результатов измерений принято различать абсолютные и относительные измерения. - Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Примером абсолютного измерения является измерение силы тока в амперах. - Относительным называют измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Примером относительного измерения является измерение коэффициента отражения в линии, коэффициента усиления каскада или устройства.

Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность измерений • Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Например, измерение мощности с использованием термоэлектрического эффекта. • Погрешность измерений - отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. • Истинное значение физической величины – значение, которое идеальным образом отражает свойства объекта в качественном и количественном отношениях. Истинное значение неизвестно (иначе не было бы смысла проводить измерения), и по этой причине в метрологии используют так называемое действительное значение, которое приближается к нему в степени достаточной для практических целей. • Точность измерения – качество измерения, отражающее близость к нулю погрешности результата измерения. Считают, что чем меньше погрешность измерения, тем выше его точность.

• Правильность измерений - качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей (т. е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит от того технического состояния, в котором находились средства измерений при проведении эксперимента. • Достоверность измерения - степень доверия к результатам измерений. Измерения, для которых известны вероятностные характеристики отклонения результатов от истинного значения, относятся к категории достоверных. • Сходимость измерений – качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполненных в одинаковых условиях. • Воспроизводимость измерений - качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах).

Планирование измерительного эксперимента. Модели объекта и измерительных сигналов • Всякая измерительная процедура выполняется с целью экспериментального исследования свойств изучаемого объекта. При правильной постановке эксперимента, он, прежде всего, должен быть спланирован. • Последовательные этапы планирования и проведения эксперимента представлены на схеме.

Модели объекта и измерительных сигналов • Разрабатывая методику измерений, мы фактически имеем дело с моделью объекта, которая не является абсолютно точной и не отражает всех его свойств. • При моделировании используются процедуры абстрагирования и идеализации. Эта особенность моделирования особенно существенна, когда речь идет о сложных системах, поведение которых зависит от большого числа взаимосвязанных факторов различной природы. К таким системам, безусловно, относятся системы телекоммуникаций. • При проведении измерений в технике связи широко используются измерительные сигналы. Выбор типа измерительного сигнала, определяется теми свойствами объекта, которые необходимо изучить. Например, если объектом является усилитель аналоговых сигналов, то вероятнее всего в качестве генератора следует применить генератор гармонического сигнала с соответствующим диапазоном частот и с требуемой амплитудой сигнала.

• Выбирая сигнал, мы выбираем фактически его модель, так как невозможно создать генератор, вырабатывающий абсолютно точно гармонический сигнал. Допустимые отклонения формы реального сигнала определяются поставленной измерительной задачей. • Последним звеном является измерительный прибор – анализатор отклика исследуемого объекта на измерительный сигнал. Его выбор определяется тем параметром выходного сигнала, который несет в себе искомую информацию об исследуемом объекте. • Результатом проведенной работы будут данные о свойствах исследуемого объекта, точность и достоверность которых в значительной степени будут зависеть от того, насколько измерительный сигнал соответствует принятой модели.

Пример – измерение АЧХ фильтра • Пусть нам предстоит измерить АЧХ полосового фильтра. • В этом случае в качестве источника сигнала используется перестраиваемый по частоте генератор гармонического сигнала, а качестве измерительного прибора обычный вольтметр. • Для измерения затухания на частоте ω1 необходимо установить сигнал на входе исследуемого объекта- Uвх и измерить сигнал на выходе - Uвых.

• Затухание, вносимое фильтром, определится из соотношения: • S = 20 lg Uвх/ Uвых • Предположим, что входной сигнал определяется выражением Uвх= 100 sin ω1 t. Будем считать, что амплитуда сигнала составляет 100 м. В. Поскольку на частоте ω1 затухание составляет 60 д. Б (т. е. сигнал ослабляется в 1000 раз), измерительный прибор должен показать напряжение 0, 1 м. В. • Предположим, что измерительный сигнал, вырабатываемый генератором, в действительности не является чисто гармоническим и содержит вторую гармонику, т. е. • Uвх= Uвх1+ Uвх2= 100 sin ω1 t +2 sin 2ω1 t. • Как видно из выражения, амплитуда второй гармоники составляет всего 2 м. В и, следовательно, на первый взгляд не сможет повлиять на результат измерения, т. к. составляет всего 2% от величины основного сигнала. Но затухание для неё составляет всего 1 д. Б, и амплитуда на выходе фильтра 2/1, 12=1, 78 м. В. Таким образом, вторая гармоника на выходе устройства оказалась больше основной. Если пренебречь основной гармоникой, то можно считать, что прибор покажет напряжение 1, 78 м. В. , следовательно, затухание окажется равным • S= 20 lg 100/ 1, 78 = 35 д. Б.

Основные модели измерительных сигналов