СССН

Для анализа параметров аналоговых каналов, а как частный случай, каналов тональной частоты в  СССН, к сожалению, до сих пор широко используются узкоспециализированные измерительные приборы, причем весьма старого парка. Все эти приборы только в комплексе обеспечивают оценку параметров аналогового канала, что не всегда удобно, относительно долго и затруднительно, да и все параметры напрямую определить не удается. Есть другие альтернативные подходы к исследованию параметров каналов ТЧ, когда для определения параметров используют средства, работающие на сети связи и обладающие некоторым измерительным функционалом, но не предназначенные для этого [12]. Однако наиболее правильный подход к анализу аналоговых каналов и абонентских сетей, построенных на их основе, это использование комплексного метода – тонального тестирования, измерения импульсно-частотной характеристики и рефлектометрии. В настоящее время на рынке присутствуют приборы как отечественных, так и зарубежных производителей, в полной или частичной мере осуществляющие комплексный подход: например, DLM-9, DLM-20 фирмы W.G., К.3301 фирмы Siemens, SunSet MTT с модулем SSMTT-6В от SunriseTelecom, ТДА-3, TDA-5 фирмы "Аналитик-ТС", малогабаритные приборы фирмы «Связьприбор» АКТЧ и ТЧ-ПРО, ИПКТЧ для расширенного диапазона от ООО «Балтприборсервис» и т.д. Для анализа параметров цифрового канала, где неисправность возникает чаще на логическом уровне (канальном, сетевом, иногда даже транспортном), чаще всего используются анализаторы протоколов. Специализированные, многофункциональные приборы, осуществляющие комплексный подход к анализу каналов связи, автоматизирующие определенные измерительные процедуры, позволяющие упростить работу технического персонала - это современная альтернатива устаревшим измерительным приборам, что подтверждается в [12].

Возрастание количества измерений  на каналах связи, нарастание сложности  аппаратуры, приводит к появлению  задач оперативной оценки параметров каналов, выбора пригодных для работы каналов, удовлетворяющих определенным требованиям; требуется установление различного вида соединений в различных  режимах работы испытываемой аппаратуры, контроль по заданному критерию качества установленных соединений, отслеживание ситуаций, приводящих к сбою в работе аппаратуры, мониторинг на различных  участках организованного тракта связи, сбор статистики удачных и неудачных  результатов проведенных проверок (тестов). Наблюдается значительный рост трудоемкости и стоимости измерений, проводимых при испытании новой  аппаратуры связи и ее опытной  эксплуатации. Следовательно, требуется  создание специализированных автоматизированных средств измерений.

В данной статье предлагается концепция построения распределенной информационно-измерительной сети (ИИС), основным элементом которой  будет автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс (ИВК), для использования  на сетях связи специального назначения. Это требует от подобной системы  качества, оперативности и отсутствия возможного влияния на информационную безопасность сетей связи. Далее  для обозначения распределенной ИИС будет использоваться определение  «автоматизированная контрольно-измерительная  сеть».

Рассмотрим структуру  распределенной автоматизированной контрольно-измерительной  сети, назначение и функционирование отдельного элемента сети. Весь тракт  прохождения сигналов разбивается  на контрольные участки (рис. 1), на которых  определяются контрольные точки.

Рис. 1 Структура распределенной автоматизированной контрольно-измерительной  сети

Контрольные точки объединяются на коммутационное поле, где осуществляются все манипуляции с сигналами  путем последовательного или  параллельного подключения к  информационным и управляющим цепям  специальной аппаратуры связи (СА), станционных стыков и т.д. Основу контрольного участка составляет автоматизированный программно-аппаратный комплекс или  ИВК, состоящий из одного или нескольких измерительно-вычислительных модулей (ИВМ) и рабочего места оператора (РМО). РМО реализуется на основе ПЭВМ на базе ноутбука и является современным решением, сочетающим высокие технические характеристики и требования мобильности. ИВМ является микроконтроллерной системой с определенными функциональными вычислительными задачами, широкой периферией и буфером памяти. РМО и ИВМ общаются между собой через беспроводные приемо-передатчики, использующие инфракрасный (ИК) канал.

ИК канал выбран из соображений  мобильности и информационной безопасности, что, к примеру, при организации  испытаний и эксплуатации аппаратуры специальной связи на различных  режимных объектах является важным условием. Преимущества и недостатки такого способа  передачи информации не раз описывались  в различных публикациях, например, [15],[16]. Однако в данном приложении недостатки, связанные с ограниченностью  распространения радиоволн ИК-диапазона пределами помещения, скорее являются достоинствами с точки зрения информационной безопасности. В то же время, информационные сигналы, передаваемые в этом диапазоне, не подвержены влиянию электромагнитных помех и сами не являются источником помех. При этом сохраняется мобильность и независимость РМО от ИВМ, так ненаправленное излучение позволяет принимать и передавать информационные и управляющие сигналы в пределах помещения с учетом переотражений.

РМО должно обеспечивать настройку  программы проведения испытаний, измерительных  режимов, визуализацию результатов  измерительных процедур, накопление статистики, анализ собранных данных, программирование алгоритмов поведения  в режимах контроля. РМО обменивается информацией с ИК-приемо-передатчиком через USB или Ethernet соединение. РМО с приемо-передатчиком являются центральным узлом сети.

ИВМ представляет собой модуль с микроконтроллерным ядром, буфером  памяти, аналого-цифровыми преобразователями  АЦП и цифро-аналоговыми преобразователями  ЦАП, коммутационным полем. В качестве микроконтроллерного ядра берется  микроконтроллер фирмыAtmel – ATXMEGA128A1 [17].

Микроконтроллерное ядро осуществляет измерительные процедуры  и контроль в соответствии с программой, полученной из РМО. С использованием процессорных мощностей микроконтроллерного  ядра производится сигнатурный анализ поступающей информации, оценка событий. Алгоритмы сигнатурного анализа  основаны на математических моделях  регистров сдвига с обратными  связями и их линейных и нелинейных модификаций [18]. Поступающая с контрольных точек информация оцифровывается посредством АЦП и передается на сигнатурный анализатор. Используя один из алгоритмов [18] анализатор из полученной информации выделяет сигнатуру, по которой определяет с учетом базы данных сигнатур ошибочная она или нет. Соответственно, в зависимости от решения и с учетом запущенной программы, сигнатура либо игнорируется, либо устанавливает соответствие с известными проблемами из базы данных сигнатур, либо запускаются контрольно-измерительные процедуры, позволяющие выявить причину появления ошибочной сигнатуры. Например, в сетях с коммутацией каналов с учетом нескольких переприемных участков могут возникать эхо-сигналы, причем их частота может смещаться относительно реальных сигналов, эти особенности влияют на устойчивость работы цифровых систем связи. Поэтому, запуская эффективную процедуру оценки параметров эхо-сигналов [5], можно оперативно выяснить причину сбоев в работе аппаратуры. После чего ошибочную сигнатуру можно сохранить в базе данных как идентифицированную. Для того чтобы, в случае появления ошибочной сигнатуры, отследить участок в тракте прохождения информации, где возможно были ее потери либо искажения вся поступающая информация накапливается в буфере памяти. После его переполнения она затирается по принципу FIFO (firstinput, first output). ЦАП используется для реализации тестовых сигналов измерительных процедур в составе с генератором псевдослучайных последовательностей ПСП. Коммутационное поле используется для коммутации контрольных точек в соответствии с заданной программой и режимом работы. ИВМ сопрягается с ИК-приемо-передатчиком через асинхронный последовательный интерфейс.

Микроконтроллерное ядро, в данном случае ATXMEGA128A1 [21], имеет богатую периферию (78 портов ввода/вывода, интерфейсы I2C, USART, SPI), ЦПУ 32 МГц (со встроенной системой ФАПЧ, позволяющей увеличить частоту в 2 раза), и что важно, 16 встроенных высокоскоростных 12-ти разрядных АЦП и 4 ЦАП, и также 24 канала ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Все это «богатство» сужает размеры ИВК, грубо, до масштабов одного микроконтроллера с минимальным количеством дополнительных элементов. Другими словами, первичные измерительные преобразователи можно подключать к микроконтроллеру практически непосредственно, либо через буферы или гальваническую развязку. Количество портов ввода/вывода позволяет подключить к контроллеру графическое средство отображения, например, LCD и средства ввода информации, например, клавиатура. Для воздействия на объект все необходимое также имеется «на борту», ЦАП и ШИМ позволяют реализовать как синтез гармонических сигналов разного вида, так и управление аналоговыми устройствами в реальном времени. Внутренняя шина прямого доступа к памяти (DMA), расширенная система прерываний, все это позволяет значительно ускорить обработку информации микроконтроллером, приближая его микропроцессору. Можно отметить, что при частоте 32МГц, есть возможность организовать цифровую обработку сигналов, например, быстрое преобразование Фурье для спектрального анализа. К тому же можно организовать передачу данных между встроенными периферийными устройствами без вмешательства ЦПУ или использования DMA. Этим гарантируется 100%-ая предсказуемость и малое время реагирования. До 8 одновременных событий или условий прерывания в периферийных устройствах могут автоматически инициировать действия в других периферийных устройствах.

Наличие в ATXMEGA128A1 восьми асинхронных/синхронных последовательных интерфейсов USART, четырех 2-х и 3-х проводных интерфейсов I2C, четырех SPI, и встроенного инфракрасного приемо-передатчика по стандарту IrDA позволяет сделать вывод, что агрегатирование элементов ИИС на основе этого микроконтроллера можно произвести без каких-либо затруднений.

На основе предложенной микроконтроллерной системы можно построить недорогую, многофункциональную наращиваемую распределенную автоматизированную контрольно-измерительную  сеть. Реализация такой сети (рис. 2), функционирующей с учетом алгоритмов специальных контрольных и измерительных  методик должны позволить свести решение обозначенных в статье задач  к простым и легко выполнимым процедурам. К тому же, разработка, развитие и внедрение подобной распределенной автоматизированной контрольно-измерительной  сети является перспективной задачей  совершенствования СССН.