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

А.М. Голиков 

 

 

 

ТЕСТИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА 

 В ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ И СЕТЯХ 
 

 

Учебное пособие  

для специалитетета: 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и 

комплексы 

Курс лекций, компьютерные лабораторные работы и практикум, 

задание на самостоятельную работу  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск 

 
 
 
 
 

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего 

профессионального образования 

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 

 

 

 

 

А.М. Голиков 

 

 

 

ТЕСТИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА 

 В ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ И СЕТЯХ 

 

 

Учебное пособие  

для специалитетета: 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы 

Курс лекций, компьютерные лабораторные работы и практикум, задание  

на самостоятельную работу  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2016 

 

 

Голиков А.М.  

      Тестирование и диагностика  в инфокоммуникационных системах и сетях. Учебное 

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

компьютерные лабораторные работы и практикум, задание на самостоятельную работу / 

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

— (Учебная литература для вузов)            

 

           

          Учебное пособие предназначено для направления подготовки специалистов по 

направлению 
11.05.01 
- 
Радиоэлектронные 
системы 
и 
комплексы. 
Дисциплина 

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

относится к числу дисциплин специализации рабочего учебного плана для подготовки 

инженеров по специальности 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы 

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

дисциплины является изучение основных закономерностей передачи информации в 

цифровых телекоммуникационных системах. 

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

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

В курсе ТиДвИКСиС принят единый методологический подход к анализу и синтезу 

современных телекоммуникационных систем и устройств на основе вероятностных моделей 

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

курса ТиДвИКСиС знания являются не только базой для последующего изучения 

специальных дисциплин, но имеют также самостоятельное значение для формирования 

инженеров по специальности 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы. 

  

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

 

 

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 

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

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

В курсе ТиДвИКСиС принят единый методологический подход к анализу и синтезу 

современных телекоммуникационных систем и устройств на основе вероятностных моделей 

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

курса ТиДвИКСиС знания являются не только базой для последующего изучения 

специальных дисциплин, но имеют также самостоятельное значение для формирования 

инженеров по специальности 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы. 

В учебном пособии представлен курс лекций, компьютерые лабораторные работы, 

копьютерный практикум и задание на самостоятельную работу студентов. Учебное пособие 

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

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

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

NI 
labview, 
Глава 
8. 
Измерительная 
техника 
телекоммуникационных 
систем. 

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

П3. Задание на самостоятельную работу. 

 

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ 

 
Методы представления сигналов цифровых систем связи 
 

1. Особенности представления цифровых сигналов. Методы представления 

сигналов в виде диаграмм 

Поскольку основной темой настоящей книги является описание технологии измерений 

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

дискретной структуре. Если параметры аналоговых сигналов меняются в используемом 

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

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

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

сигналов широкое распространение получили специальные диаграммы, что определяется 

дискретной природой сигналов При проведении измерений используются два основных 

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

которым относятся древовидные диаграммы и различные виды диаграмм Треллиса. 

Диаграммы физических параметров используются для анализа как простых бинарных 

цифровых сигналов, так и сложных сигналов современных цифровых телекоммуникаций- 

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

сигналов (применяемых в радиочастотных системах передачи и системах радиосвязи) 

Алгоритмические диаграммы используются для анализа сигналов дифференциальных 

модуляций и современных алгоритмов кодирования информации [1]. 

 

Глазковые диаграммы 

Для анализа параметров цифрового сигнала часто используются глазковые диаграммы, 

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

той только разницей, что используют периодическую структуру цифрового сигнала 

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

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

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

сигнал должен проходить через многоуровневый конвертер, а синхронизация производится 

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

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

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

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

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

Глазковые диаграммы используют периодическую структуру цифрового сигнала. За счет 

внешней синхронизации развертки получаемые осциллограммы волнового фронта сигнала 

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

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

откладывается амплитуда сигналов по уровням (рис 1.3) 

 

 

Рис. 1.1. Построение глазковой диаграммы 

Процесс формирования диаграммы цифрового бинарного сигнала без фильтрации и с 

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

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

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

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

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

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

(на рисунке внизу справа). 

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

 

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

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

синхронизации. 

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

двухуровневого сигнала на глазковой диаграмме в точках времени, соответствующих точкам 

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

пересечения с временной осью определяется как пиковое фазовое дрожание или джиттер 

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

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

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

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

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

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

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

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

 

 

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

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

Диаграммы состояний 

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

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

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

Для этого комплексная амплитуда сигнала обычно представляется в полярных координатах 

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

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

зваются диаграммами состояний. 

Диаграммы состояний представляют собой диаграммы сигнала в полярных координатах 

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

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

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

 

Рис. 1.5. Примеры диаграмм состояния основных типов модуляции 

 

Диаграммы состояния имеют особое значение для анализа модулированных сигналов так 

как в принятой технологии построения фазовых модуляторов и демодуляторов используется 

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

представлена схема модулятора квадратурной амплитудной модуляции QAM). 

Рис. 1.6. Структурная схема модулятора QAM 

Диаграммы состояний и глазковые диаграммы анализируют амплитудно-фазовые ха
рактеристики сигналов, однако различие в методах представления приводит к тому, что оба 

типа диаграмм сигналов взаимно дополняют друг друга. Глазковые диаграммы наиболее 

эффективны при анализе изменений в структуре волнового фронта сигнала, тогда как 

диаграммы состояний являются хорошим средством для анализа процессов модуляции и де
модуляции. 

Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что и в том и в другом случае диаграмма формируется 

с накоплением данных, т.е. суммой параметров, измеренных через определенные проме
жутки времени. Поэтому фактором, определяющим использование обоих типов диаграмм, 

является цифровая природа сигнала. Для анализа аналоговых сигналов глазковые диаграммы 

и диаграммы состояний не имеют особого смысла. 

 

Алгоритмические диаграммы - диаграмма Треллиса и древовидная диаграмма 

В практике анализа работы цифровой системы встречается класс задач, когда необхо
димо иметь представление не о состояниях сигнала, а о динамике изменения этих состояний. 

Такие задачи встречаются при анализе процессов кодирования (в первую очередь помехоза- 

щищенного сверточного кодирования современных радиочастотных систем передачи) и ана
лизе дифференциальных методов модуляции, в которых передача цифровой информации 

осуществляется не сигналом, а сменой одного сигнала другим. 

Для анализа динамики изменений состояний цифрового сигнала наиболее часто ис
пользуется диаграмма Треллиса, являющегося одной из модификаций диаграммы состояний. 

На этой диаграмме помимо состояний цифрового сигнала показывается траектория