屏蔽效能監測系統

鄧 超

（北京盟力星科技有限公司，北京　100123）

1　引言

電磁泄漏是指電子設備的雜散（寄生）電磁能量通過導線或空間向外擴散。電子設備的電磁泄漏通常通過輻射和傳導兩種途徑向外傳播。輻射泄漏是雜散電磁能量以電磁波形式透過設備外殼、外殼上的各種孔縫、連接電纜等輻射出去；傳導泄漏是雜散電磁能量通過電源線、信號線、地線，甚至下水管道和暖氣管道等各種線路傳導出去。任何處于工作狀態的電子信息設備，都存在不同程度的電磁泄漏，這是無法擺脫的電磁學現象。在滿足一定條件的前提下，運用特定的儀器均可以接收并還原這些信息。因此，一旦所泄漏的信息是涉密的，這些泄漏就會威脅到信息安全。

2　系統介紹

隨著竊聽技術的不斷升級，通信電纜在使用過程中可能出現外力破壞屏蔽層，保證通信狀態正常，但是竊據電磁信號，達到信息丟失的情況。因此“電纜屏蔽層連通情況”是每條通信電纜的必測項目。本系統可以監測電纜屏蔽層連通情況，一旦有外力破壞，可以判斷故障位置，實時上報告警信息。

2.1　測量技術

2.1　.1 反射特性參數

矢量反射系數Γ定義為反射信號電壓和入射信號電壓之比。

式中，| |是反射系數的幅值，它等于反射電壓和入射電壓幅值之比；∠ 是反射系數的相位，它等于反射電壓和入射電壓的相位差。常用于表征反射特性的另外兩個參數是回波損耗（RL）和電壓駐波比（VSWR），它們均是標量，與反射系數的幅值| |有如下關系。

電纜蔽層發生破損，必然導致局部特性阻抗的不連續，阻抗的不連續又將反映在該點對信號的反射特性上。矢量反射系數與傳輸線阻抗的關系表述為下式。

式中，Z0是電纜的特性阻抗，ZL是破損處的阻抗。

2.1　.2 點頻測量

向被測電纜施加一個頻域激勵（特定頻率的正弦波信號），測量反射的頻域響應特性（矢量反射系數）。點頻測量是屏蔽效能監測的基礎測量動作，屏蔽效能監測的粗測模式，就是由幾個頻點的點頻測量構成的。

2.1.3掃頻測量

在特定的頻段內，按特定的頻率步距，逐頻點進行頻域測量，得到一個頻段的反射頻域響應特性（通常需要512或1024個頻點的數據）。頻域掃描是電子測量儀器（如矢量網絡分析儀等）的典型測量 方式，屏蔽效能監測的精測模式，實質上就是頻域掃描。

圖1　

2.1.4逆向傅里葉變換

頻域和時域之間的關系可以通過傅立葉理論來描述。對反射頻率響應特性進行逆向傅立葉變換，可以獲得時域上的反射沖激響應特性。

圖2　

2.1.5主要技術指標

表1　

測量范圍：測量范圍與掃頻的頻率步距△f成反比，下表是幾種頻率步距下的傳輸和反射測量范圍（假定介質電磁波速度為2×108m/s）。

范圍分辨率：

以頻率步距10kHz為例，對應的傳輸測量范圍是15000m，假定數據點數為1024，則范圍分辨率為14.66m。

2.2　測量條件

2.2.1電纜的拓撲圖

圖3　

根據拓撲結構把電纜簡單地分為無分支纜、有分支纜兩類。出于配線的需要，有的電纜中間會有交接箱等接續設備，遇有如下圖這樣的情況，需要把交接箱前后的纜段A、纜段B作為兩條獨立的電纜予以考慮。

圖4　

纜屏蔽層的接地方式：屏蔽層局端接地，末端不接地

2.2.2屏蔽效能系統的配置情況

主機端口內屏蔽 效能終端的基本連接方式有：V型、Y型、總線型，以及由基本連接方式任意組合而成的復合連接方式。

圖5　

2.3　測量方式選擇

鑒于支撐系統運行的線路資源、供電通信能力的局限，將屏蔽效能的監測功能分解為兩種工作模式：粗測模式和精測模式。粗測模式用以判斷電纜屏蔽層是否發生故障；精測模式用以屏蔽層故障的定位。

2.3.1粗測模式

粗測是例行測量，類似于分電系統的巡檢。參與粗測的硬件：高速測量主機，屏蔽效能測量控制器。高速測量主機向屏蔽效能測量控制器下發粗測指令，屏蔽效能測量控制器根據指令執行粗測。粗測只對矢量反射系數進行幾個典型頻率的點測，在基本滿足對屏蔽層故障情況初步判斷要求的前提下，粗測的特點是最大限度地簡化測量動作，減少電力、時間、通信的開銷。按3個頻點每頻點32比特計算，單次粗測的數據量為96比特。粗測模式的特點比較好地適應了現有系統供電、通信能力的現狀，便于與分電系統的銜接與融合。具體的粗測動作是：在幾個預定的典型頻點測量矢量反射系數，屏蔽效能測量控制器將粗測數據經高速測量主機上傳平臺，平臺將一條電纜的最新粗測數據與正常狀態的粗測數據進行比對，以初步判斷電纜是否發生屏蔽層故障。如果一條電纜連續幾次的粗測 結果均顯示發生屏蔽層故障，平臺將安排對該電纜進行精測。

2.3.2精測模式

精測是針對性測量，主要針對例行粗測中初步判斷發生故障的電纜進行。參與精測的硬件：高速測量主機，屏蔽效能測量控制器。由于精測要執 行幾百上千個頻率點的掃頻，電力消耗大，以現有線路的供電能力，精測不可能頻繁進行，因此只能作為必要時才執行的針對性測量。按 每個終端持續可用供電能力1毫安，執行精測任務耗電50毫安計算，假定每次精測任務用時1分鐘，則單個終端執行精測的時間間隔應不小于50分鐘；產生的數據量大，按512個頻點每頻點32比特計算，一次精測的數據量為16384比特，現有的分電系統無法承載如此大量的數據傳輸，需要支持高速數據通信的屏蔽效能主機配合，才能實現原始數據的有效上傳。精測模式具體的動作是：高速測量主機向屏蔽效能測量控制器下發精測指令，終端根據預先確定的頻段和頻率步距，掃頻測量矢量反射系數，并將掃頻精測數據經中速主機上傳平臺，平臺對精測數據做逆向傅里葉變換，得到電纜反射特性的時域波形，將新測得的 時域波形與正常狀態的時域波形比對，并結合屏蔽層典型故障信息數 據庫，判斷屏蔽層發生故障的位置。

參與精測的主體是高速測量主機和屏蔽效能測量控制器，但需要分電系統的 主機和終端給予配合，如在精測期間分電主機停止巡檢、分電終端保護靜默等，配合動作的內容和時機由平臺統一協調。

2.4　實際測量數據

表1　

2.5　系統靈敏度

本系統基于掃頻反射方法實現對電纜屏蔽層故障的判斷和定位，電纜某個位置的屏蔽層不同程度的破損會導致該位置的分布阻抗發生變化，從而產生不同大小的反射信號，終端通過測量該反射信號的強度和相位，實現對破損的檢測和定位；在本系統中，主要有以下前提條件：

完好的電纜屏蔽層與線芯之間的分布阻抗在測量信號的頻段內相對連續（已經驗證）。

電纜接頭屏蔽罩與測量線芯之間的分布阻抗與正常電纜屏蔽層和線芯之間的分布阻抗差異不大（完整接頭屏蔽罩對測量信號的反射較小）；（已經驗證）。

進而，系統測量靈敏度問題的關鍵是：屏蔽層不同程度的破損與屏蔽層完整條件下的分布阻抗的差異。

當前電纜屏蔽層破損的模擬測試主要是在接頭出進行，分為以下幾種情況：

屏蔽層完好。

屏蔽層中度破損（半個屏蔽罩接續）。

屏蔽層重度破損（屏蔽層跳線接續）。

屏蔽層完全斷開。

經過現場試驗數據的分析，可以得出，屏蔽層中度、重度破損兩種情況下，在測量信號頻段內，與屏蔽層完好的情況相比，造成的分布阻抗差異不大，進而導致反射信號強度也不大，最終導致前兩種情況下的有效測量距離較短；

而屏蔽層完全斷開的情況與屏蔽層完好的情況相比，造成的分布阻抗差異很大，進而導致反射信號強，有效測量距離也較遠，基本滿足使用需求。

屏蔽層中度、重度破損情況下有效測量距離較短的問題，可以通過調整測量信號的掃頻參數，對故障點反射信號強度、電纜及接頭的衰減、接頭反射信號強度、故障點距離終端的距離，這四個參數對測量信號的影響進行平衡，從而優化測量效果，但是經過現場多次調節和驗證，該方法的優化效果并不能完全解決該問題。若要完全解決該問題，需要確認客戶對系統測量“靈敏度”的具體量化要求，并通過進一步對終端硬件的優化實現。

3　主要產品及說明

3.1　高速測量主機

根據平臺的指令，屏蔽效能測量控制器進行精測。

接收屏蔽效能測量控制器上報的精測數據，并上傳平臺。

3.2　屏蔽效能測量控制器

根據高速測量主機的指令，并與高速測量主機配合完成粗測任務。

根據高速測量主機的指令，并與高速測量主機配合完成精測任務。

根據工作狀態擔負末端線路和分電終端的控制任務。

圖6　硬件示意圖

3.3　連通套管（選配）

外層絕緣防水護套管。

3.4　平臺相關功能

線路切換控制。

粗測控制和數據處理。

數據濾波，簡單的數據比對。

精測控制和數據處理。

數據濾波，逆傅里葉變換，與歷史數據比對。

電纜數據結構的建立和維護。

數據結構的建立主要立足服務于故障定位。

根據測量數據實現電纜（屏蔽層）故障定位。

其它的平臺常規功能。

數據的存儲、查詢、呈現等。

[1]姚世全.電磁兼容標準實施指南 .北京：中國標準出版社，1999.