Автоматизация измерений, проводимых в рамках

исследований каналов связи

Шишков Антон Игоревич

г. Орёл

Аннотация: в данной статье представлены различные существующие

способы автоматизации измерений, проводимых в рамках исследования

каналов

связи

и

их

характерные

особенности,

а

также

приведен

сравнительный

анализ

измерительного

оборудования

и

программных

продуктов, используемых для автоматизации измерений.

Ключевые

слова:

автоматизация,

измерительно-вычислительный

комплекс, исследования каналов связи, программный продукт.

Введение

Постоянно

растущий

парк

электронно-вычислительной

техники,

обрабатывающей различную информацию, требует наращивания объемов

исследований каналов связи. Увеличивать же пропорционально штат

инженеров-исследователей, по вполне понятным причинам, не всегда

представляется

возможным.

Помимо

этого,

возрастание

количества

измерений, нарастание сложности аппаратуры, повышение требований к

точности, расширение использования математических методов обработки

результатов измерений и обнаружения ошибок приводит к значительному

росту

трудоемкости

и

стоимости

измерений

и

требует

создания

специализированных автоматизированных средств измерений.

Таким образом, автоматизация процесса измерения характеристик

канала связи является естественным решением проблемы. При этом очень

важно, чтобы при переходе на автоматизированные аппаратно-программные

комплексы не страдало качество исследований.

При

рассмотрении

и

сравнении

параметров

и

возможностей

автоматизированных средств контроля следует внимательно сопоставлять

эти данные с тем, что непосредственно требуется измерять и в каких

пределах. Особенно внимательно нужно относиться к тому, какие именно

метрологические свойства подтверждены документами о присвоении типа

средства измерения.

Стоит уделить должное внимание и совместимости средств измерения,

их возможности работать в составе одного измерительного стенда. В этом

смысле имеет прямой смысл отдавать предпочтение средствам измерения

одного производителя. Именно такие средства измерения, обычно, не просто

совместимы,

но

и

способны

работать

в

комбинациях,

что

весьма

благоприятно сказывается на стоимости приборного обеспечения.

К этим же свойствам средств измерения относится и схожесть

пользовательских интерфейсов, единство (функциональное, по драйверам,

визуальное) и отсутствие конфликтов управляющего ПО для средств

разработки одного производителя.

1.

Способы автоматизации измерений проводимых в рамках

исследования каналов связи

1.1 Основные направления автоматизации измерений:

1) разработка средств измерений, в которых все необходимые

регулировки выполняются автоматически, либо вообще не требуются;

2)

замена

косвенных

измерений

прямыми,

и

создание

многофункциональных комбинированных приборов;

3) разработка панорамных измерительных приборов;

4) применение микропроцессоров (МП) и разработка на их основе

приборов со встроенным интеллектом;

2

5)

разработка

измерительно-вычислительных

комплексов

(ИВК),

имеющих в своем составе процессоры с необходимым периферийным

оборудованием и программным обеспечением;

6) создание на базе ИВК как универсального ядра информационных

измерительных систем (ИИС).

1.2. Применение микропроцессоров в измерительных приборах

В измерительных приборах МП выполняет следующие функции:

1) управление процессом измерений, отдельными узлами и прибором в

целом;

2) обработка измерительной информации, преобразование результатов

измерений и представление их на экране дисплея в различных форматах;

3)

автоматическая

коррекция

систематических

погрешностей

с

использованием математических моделей;

4)

расширяет

функциональные

возможности

прибора

(например

современные цифровые осциллографы помимо временных и амплитудных

измерений позволяют измерять частотные параметры, проводить анализ

спектров сигналов, статических характеристик и так далее);

5) диагностика неисправностей и самокалибровка.

1.3. Измерительно-вычислительные комплексы

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) – автоматизированное

средство измерений, имеющее в своем составе микропроцессоры (МП) с

необходимым

периферийным

оборудованием,

измерительные

и

вспомогательные

устройства,

управляемые

от

МП,

и

программное

обеспечение комплекса.

3

Номенклатура входящих в ИВК компонентов и определяет конкретную

область его применения. Но независимо от области применения ИВК должны

выполнять следующие функции:



измерение электрических величин;



управление процессом измерений;



управление воздействиями на объект измерения;



представление оператору результатов измерения в заданной

форме.

Для выполнения этих функций ИВК должен обеспечивать восприятие,

преобразование

и

обработку

сигналов

от

первичных

измерительных

преобразователей (датчиков или приборов), управление ими и другими

компонентами,

входящими

в

состав

ИВК,

а

также

выработку

нормализованных сигналов воздействия на объект измерения, оценку

точности измерений и представление результатов измерений в стандартной

форме.

ИВК по назначению классифицируются на:

1)

типовые

–

для

решения

широкого

круга

типовых

задач

автоматизации измерений, испытаний и так далее;

2)

специализированные

–

для

решения

уникальных

задач

автоматизации измерений;

3)

проблемные

–

для

решения

широко

распространенной,

но

специфической задачи автоматизации измерений.

В состав ИВК входят технические и программные компоненты.

Программные компоненты включают в себя системное и общее прикладное

программное обеспечение.

В

зависимости

от

конкретных

требований

проектируются

одноуровневые и многоуровневые ИВК. В одноуровневых ИВК вся

измерительная

периферия

соединена

непосредственно

с

интерфейсом

4

центрального

процессора.

В

многоуровневых

ИВК

вычислительная

мощность распределена между различными уровнями.

1.4. Информационно-измерительные системы

Информационно-измерительная

система

(ИИС)

–

совокупность

функционально объединенных измерительных, вычислительных и других

технических

средств,

предназначенная

для

получения

измерительной

информации, ее преобразования и обработки с целью представления в

удобном

потребителю

виде,

либо

автоматического

осуществления

логических функций контроля, диагностики и идентификации.

В зависимости от назначения и выполняемых функций ИИС делятся:

1) измерительные системы;

2) системы автоматического контроля;

3) технической диагностики.

4) распознавание образцов (идентификации).

Для ИИС характерна не только автоматизация таких процедур как

регистрация, сбор и передача результатов измерений, но и проведение

измерительного

эксперимента

при

активном

воздействии

на

объект

исследования

в

соответствии

с

принятым

планом.

Оператор

имеет

возможность вмешиваться в ход эксперимента и корректировать его в

режиме диалога.

Типовые устройства ИИС определяются структурой используемого

ИВК. Дополнительными являются следующие устройства:



датчики,

непосредственно

воспринимающие

от

объекта

исследования измеряемые величины и преобразующие их в изменение

какого-либо параметра электрического сигнала или цепи;

5



нормализующие

преобразователи,

необходимые

для

преобразования неунифицированных сигналов датчиков в унифицированные

аналоговые или цифровые сигналы;



коммутаторы,

осуществляющие

поочередное

подключение

входных сигналов на общий выход.

1.5. Агрегатирование средств измерений

Агрегатирование – это метод стандартизации, который позволяет

создавать новые изделия путем компоновки их из ограниченного числа

унифицированных функциональных частей (деталей, блоков, узлов или

приборов).

Важное значение для внедрения агрегатирования имеет совместимость,

которая

подразделяется

на

информационную,

энергетическую,

конструктивную, метрологическую, эксплуатационную и совместимость

надежности.

Интерфейс регламентирует правила обмена всеми видами информации

между устройством, образующие какую-либо систему. Он включает в себя

аппаратные средства и протокол.

Протокол – совокупность правил, устанавливающих единые принципы

взаимодействия подсистем.

Применительно

к

ИВК

и

ИИС

интерфейс

обеспечивает

информационную совместимость входящих в них аппаратных средств.

Основные классификационные признаки интерфейсов:



способ соединения средств измерений и автоматизации ;



способ передачи информации;



принцип обмена информации;



режим передачи информации

6

Наиболее эффективным способом и часто применяемым на практике

является

агрегатирование.

Работы проводят высококвалифицированные

специалисты, имеющие высшее радиофизическое образование, закончившие

специальные курсы повышения квалификации. Все это позволяет быстро и

качественно выполнять большие объемы работ по проведению исследований

каналов связи.

2.

Анализ измерительного оборудования, используемого в рамках

проведения исследований каналов связи

Прогресс в разработке твердотельных ВЧ- и СВЧ-приборов привел к

освоению очень широкого диапазона частот — до десятков ГГц и выше.

Свой

вклад

в

увеличение

скорости

передачи

информации

внесла

оптоэлектроника. Уже первые светодиоды и лазерные диоды непрерывного

излучения позволяли осуществлять модуляцию светового излучения просто

изменением величины прямого тока диода. Однако полоса частот модуляции

при этом не превышала десятков МГц. Еще в начале 80-х годов ХХ века в

СССР

были

созданы

лазерные

излучатели,

генерирующие

импульсы

излучения с частотами в сотни МГц,

огромный прогресс достигнут в

разработке световолоконных кабелей.

Это

открыло возможности

для

применения таких устройств в

высокоскоростных кодоимпульсных, в том числе космических, системах

связи различного назначения. Однако для их всестороннего тестирования

были нужны уже генераторы импульсов в виде пачек и образцов (паттернов)

с максимальной тактовой частотой от долей до единиц ГГц.

В настоящее время разработка генераторов импульсов несколько

отстает от разработки осциллографов, поскольку в генераторах приходится

использовать более высоковольтные и более сильноточные активные

7

приборы (например транзисторы), чем в осциллографах. В осциллографах

уже применяются специализированные интегральные схемы, позволяющие

довести частоту выборок в серийных устройствах до 100 Гвыб/c. Но они

работают при малых рабочих напряжениях и токах, недостаточных для

построения выходных каскадов импульсных генераторов.

2.1. Генераторы серии AWG7000(5000) компании Tektronix

Одними из первых серийных скоростных генераторов сложных

сигналов были цифровые генераторы серии AWG7000 компании Tektronix

(рис. 1). Они являются довольно громоздкими и тяжелыми стационарными

приборами. Это не удивительно, если учесть их уникальные характеристики:

они предназначены для формирования сложных сигналов произвольной

формы методом прямого цифрового синтеза при рекордных во время их

создания значениях скорости выборки, достигающих 20 Гвыб/c у старейшей

модели этой серии AWG7102.

Рис. 1 – Внешний вид генераторов серии AWG7000

Генераторы

имеют

встроенный

персональный

компьютер

с

операционной системой Windows XP. Это позволяет использовать для

задания нужных форм импульсов программы компьютерной математики,

8

такие как Excel, MATLAB и Mathcad. Их можно устанавливать прямо на

жесткий диск компьютера генератора.

Новая серия генераторов AWG5000 (рис. 2) фирмы Tektronix построена

на

основе

платформы

AWG7000.

Новые

приборы

двух-

или

четырехканальные. Выход каждого канала дополнен двумя маркерными

выходами цифровых сигналов. Кроме того, возможно расширение числа

цифровых выходов до 28. Таким образом, при разработке новой серии был

сделан упор на увеличение числа каналов и получение смешанных сигналов.

Это позволяет использовать генераторы при отладке сложных систем, для

испытания которых нужны одновременно аналоговые и цифровые сигналы.

Совместно с генераторами могут использоваться цифровые осциллографы

смешанных сигналов, получившие в последние годы бурное развитие.

Рис. 2 – Внешний вид генераторов серии AWG5000

Максимальная частоты выборки у генераторов AWG5000 ограничена

значениями 0,6 или 1,2 Гвыб/c, что на порядок меньше, чем у генераторов

серии AWG7000. Это значит, что генераторы серии AWG5000 не рассчитаны

на очень высокие частоты сигналов. Максимальный размер памяти отсчетов

сигналов — 16 Мбайт с возможностью расширения до 32 Мбайт. Разрешение

по вертикали соответствует 14 бит, но уменьшается при применении

маркерных выходов, полезных при генерации многоканальных смешанных

сигналов.

9

Приборы обеспечивают выходной сигнал с амплитудой до 4,5 В или до

9 В при дифференциальном выходе при сопротивлении нагрузки 50 Ом и

времени нарастания прямоугольных импульсов 0,95 нс (при отсчете на

уровнях 10 и 90% от амплитуды). Сигнал на маркерных выходах имеет

амплитуду до 3,7 В на нагрузке 50 Ом и время нарастания до 300 пс (на

уровнях 20 и 80% от амплитуды) при уровне сигнала до 1 В. Аналоговая

полоса частот у этих генераторов с фильтром равна 250 МГц, без фильтра —

350 МГц.

2.2. Генераторы импульсов/ паттернов фирмы Agilent Technologies

Лидером в разработке высококлассных скоростных и сверхскоростных

цифровых устройств (генераторов, цифровых осциллографов и анализаторов

спектра) стала корпорация Agilent Technologies.

Наименее высокочастотным является генератор 8114A (рис. 3) с

частотой повторения импульсов 1 Гц–15 МГц. Отличительная черта этого

генератора — большая амплитуда, составляющая до 100 В на нагрузке 50 Ом

для «чистых» импульсов положительной и отрицательной полярности.

Базовая линия импульсов устанавливается в диапазоне –2–25 В. Устройство

является генератором импульсов общего назначения.

Рис.3 – Генератор мощных импульсов общего назначения 8114А

Из

генераторов

импульсов/паттернов

самым

высокочастотным

является 81134 (рис. 17) с диапазоном частот импульсов 15 МГц–3,3 ГГц.

10

Частота задается с разрешением в 1 Гц и точностью до 50 ppm. Амплитуда

импульсов генератора на нагрузке 50 Ом — 50 мВ–2 В с разрешением 10 мВ.

Рис. 3 – Генератор СВЧ-импульсов/паттернов 81134А

2.3 Сверхширокополосные цифровые осциллографы компании

Agilent Technologies

Для

всестороннего

исследования

и

тестирования

сверхширокополосных систем и линий связи наряду с источниками сигналов/

паттернов (генераторов) необходимы сверхширокополосные анализаторы

сигналов. Обычно они строятся на основе наиболее широкополосных

цифровых осциллографов с расширенным программным обеспечением. В

настоящее время анализаторы представлены осциллографами реального

времени и стробоскопическими осциллографами.

Рис.4 – Семейство цифровых осциллографов и анализаторов компании

Agilent Technologies

Долгое время осциллографы реального времени удавалось реализовать

до максимальных частот в 12–20 ГГц, и большой вклад в это внесла

11

корпорация Tektronix. Расширение полосы с 12 до 20 ГГц удалось достичь

коррекцией

амплитудно-частотной

характеристики

(АЧХ)

в

ходе

преобразования аналогового сигнала в цифровой с помощью DSP. Затем

LeCroy, развивая свою фирменную технологию DBI, совершила рывок,

расширив полосу осциллографов реального времени до 30 ГГц. Она

разделила

эту

полосу

на

две

подполосы,

осуществила

цифровые

преобразования в двух каналах для этих подполос, а затем объединила

полосы и таким образом создала осциллографы реального времени с

рекордной полосой частот 0–30 ГГц. Однако эти методы, расширяя полосу

исследуемых частот, одновременно приводили к заметному возрастанию

уровня собственных шумов (амплитудного джиттера) осциллографов.

В связи с этим важным следует признать прорыв фирмы Agilent

Technologies в разработке сверхширокополосных осциллографов реального

времени

с

расширенной

до

32

ГГц

аналоговой

полосой

частот

и

одновременно с получением низкого уровня собственных шумов. Такие

осциллографы имеют в 2–3 раза меньшие максимальные частоты, чем у

лучших стробоскопических осциллографов, но они намного удобнее в работе

и могут использоваться для исследования неповторяющихся сигналов.

При этом частота дискретизации достигает значения 80 Гвыб/c и

вплотную

приближается

к

частоте

стробирования

стробоскопических

осциллографов (90–100 ГГц). Новая серия осциллографов описана в каталоге

фирмы

Agilent

2010г.

Серия

представлена

пятью

цифровыми

запоминающими

осциллографами

DSO

90000X

и

5

анализаторами

последовательных данных DSA 90000X.

12

Рис.5 – 32-Ггц анализатор реального времени серии DSA 90000X

Приборы имеют полосу аналоговых частот в реальном масштабе

времени от 0 до 16; 20; 25; 28 и 32 ГГц.

2.4 Анализаторы сигналов на базе стробоскопических осциллографов

Agilent

Не так давно был обновлен состав серии 86000 стробоскопических

осциллографов фирмы Agilent — выпущена новая модель цифрового

анализатора последовательных данных 86100 D Infiniim DSA–X Wide

Bandwidth Oscilloscope Mainframe. Внешний вид прибора показан на рис. 6.

С соответствующими опциями приборы 86107A обеспечивают аналоговую

полосу пропускания в 15; 25 и даже 48 ГГц

Рис. 6 – Анализатор 86100 D Infiniim DSA–X Wide Bandwidth

Oscilloscope Mainframe

13

Рис. 7 – Стробоскопический осциллограф/анализатор 86100С

Уникальные характеристики описанные приборы приобрели не только

за счет совершенных аппаратных средств, но и за счет построения их на

платформе мощного персонального компьютера и установки специального

программного обеспечения. К примеру, анализатор 86107A выполнен на

основе компьютера с двухъядерным микропроцессором фирмы Intel Core 2

Duo с частотой 3,06 ГГц. Прибор имеет жесткий диск с объемом 160 Гбайт,

что достаточно для хранения не только поставляемого с осциллографом

программного обеспечения, но и установки множества программ как фирмы

Agilent, так и сторонних производителей. Широко распространенным

явлением

стало

применение

совместно

с

цифровыми

приборами

(генераторами

и

осциллографами)

матричной

системы

компьютерной

математики MATLAB.

Модульная конструкция стробоскопических осциллографов позволяет

легко создавать разные варианты исполнения этих мощных приборов,

максимальная частота исследуемых сигналов которых может достигать 90

ГГц .

Несмотря на внушительные характеристики новейших цифровых

осциллографов и анализаторов сигналов различного типа, остро стоит вопрос

о дальнейшем расширении полосы их рабочих частот. По имеющимся

данным, в настоящий момент завершена разработка уже 6-го поколения

14

технологии DBI, которая позволяет вдвое расширить полосу пропускания и

довести ее у двухканальных цифровых осциллографов реального времени до

60 ГГц. Однако первые серийные осциллографы и анализаторы на основе

этой технологии планируется разработать примерно через два года. Другой

важный вопрос — снижение стоимости приборов — пока не нашел

эффективного решения: устройства для отмеченных применений очень

дорогие, их цена порой превышает $200 000. В разработке генераторов уже

давно актуальной является задача освоения пикосекундного диапазона

времен нарастания, спада и длительностей импульсов. В последние годы

решение этой задачи существенно продвинулось вперед. И здесь также

важным является снижение стоимости таких генераторов.

3.

Анализ программных продуктов, используемых для

автоматизации измерений в рамках специальных исследований

Проведение исследований каналов связи является очень кропотливой

работой,

в

которую

входит

огромное

количество

манипуляций

с

измерительным

оборудованием.

Из

чего

следует

необходимость

автоматизации

измерений.

К

сожалению

не

каждое

программное

обеспечение

может

обеспечить

достаточное

удобство

в

управление

измерительным оборудованием. Ниже приведен анализ документации и

отзывы на известные программные обеспечения,

которые бы могли

участвовать в управлении измерительного оборудования, при проведении

исследований каналов связи.

Первым проанализированным программным обеспечением был Matlab.

Это среда, которая включает в себя множество процедур и функций, которые

необходимы инженеру и научному работнику для проведения специальных

исследований. Математический аппарат, использующийся в данной среде,

предельно приближен к современному математическому аппарату инженера

15

и ученого. Одной из отличительных особенностей системы Matlab является

наличие наглядного и эффективного средства составления программных

моделей

которая

значительно

увеличивает

работоспособность

с

использованием Matlab. Основным недостатком данной среды является ее

дороговизна.

GNU Octave – свободная система для математических вычислений, при

этом синтаксис языка схож с синтаксисом языка Matlab. Другими словами

это свободный аналог Matlab. У данного бесплатного аналога есть

достаточно много достоинств, в частности возможность запуска файлов

формата .mat. Однако, главным недостатком данной программы является то,

что Octave это консольная программа, без графической оболочки, то есть без

возможности строить схемы путем перетаскивания блоков.

Jigrein

–

редактор

чертежей

технических

систем,

инструмент

конфигурирования математических ядер. Данная программа также является

коммерческой, она является своего рода аналогом программы VisSim.

Достоинствами данной программы является ее индивидуальный интерфейс и

возможность строить схемы, а также проводить запуск в окне браузера.

Несмотря на это, недостатком данного продукта является то, что данные,

после работы с ними нельзя будет куда-либо выгрузить и сохранить, что

заметно ухудшает мнение о данном программном обеспечении.

Matlab Compiler Runtime – это набор dll-библиотек для полной

поддержки языка Matlab без его установки. Данный набор, по своей сути,

позволяет на устройствах, на которых нет установленной коммерческой

версии Matlab, запускать программы с выгрузкой данных рассчитанных с

помощью данного набора библиотек, простыми словами эти библиотеки

содержать математическое ядро, компилятор языка Matlab. Основным,

схожим недостатком с другими программами, данного набора библиотек

остается отсутствие графической оболочки.

16

Scilab/Xcos – это мощное открытое окружение для инженерных и

научных расчётов, при этом это самый полный общедоступный аналог

Matlab. В состав пакета входит утилита, позволяющая конвертировать

документы Matlab в Scilab. Xcos — инструменты для редактирования

блочных диаграмм и симуляции (аналог средств составления программных

моделей

в

пакете

Matlab).

Достоинства

Scilab:

открытость;

функциональность;

большое

количество

справочной

информации;

программирование

алгоритмов

через

встроенный

процедурный

язык;

поддержка языков высокого уровня, т.е. программирование без жёсткой

привязки к языку; работа в режиме интерпретатора; малый объём,

занимаемый на жёстком диске. Недостаток заключается лишь в одной

характеристике, малом количестве инструментов в Xcos для построения

схем, что усложняет разработку и управление специфическими и сложными

системами.

Помимо анализа документаций и отзывов на данные программы также

были изучены документации на такие коммерческие продукты как VisSim;

LabView, являющиеся достаточно серьезными и известными программными

продуктами,

обладающими

огромным

количеством

достоинств

и

возможностей, но при этом достаточно дорогими.

В таблице 1 представлены результаты анализа всех рассмотренных

программных

обеспечений

с

учетом

их

явных

достоинств

(+),

незначительных достоинств (+/-) и недостатков (-):

Таблица 1 – Сравнительная характеристика ПО

ПО

Параметр

Интерфейс

Возможности

Адаптивный

контроллер

Управляемость

Цена

Matlab

+

+

+

+

-

GNU Octave

-

+/-

-

-

+

Jigrein

+/-

+/-

-

+/-

-

Matlab Compiler

-

+/-

+/-

+/-

+

17

Runtime

Scilab/Xcos

+

+

+/-

-

+

VisSim

+/-

+/-

+/-

+/-

-

LabView

+/-

+

+/-

+

-

В результате анализа и изучения документаций по всем перечисленным

программным обеспечениям было выявлено, что у всех этих программ есть

те или иные недостатки, то есть идеальная программа для моделирования

сложной технической системы на данный момент пока не разработана. Как

видно среда Matlab среди всех проанализированных продуктов обладает

наибольшим количеством достоинств, единственным недостатком является

лишь ее дороговизна.

18