屏蔽效能监测系统

邓 超

（北京盟力星科技有限公司，北京　100123）

1　引言

电磁泄漏是指电子设备的杂散（寄生）电磁能量通过导线或空间向外扩散。电子设备的电磁泄漏通常通过辐射和传导两种途径向外传播。辐射泄漏是杂散电磁能量以电磁波形式透过设备外壳、外壳上的各种孔缝、连接电缆等辐射出去；传导泄漏是杂散电磁能量通过电源线、信号线、地线，甚至下水管道和暖气管道等各种线路传导出去。任何处于工作状态的电子信息设备，都存在不同程度的电磁泄漏，这是无法摆脱的电磁学现象。在满足一定条件的前提下，运用特定的仪器均可以接收并还原这些信息。因此，一旦所泄漏的信息是涉密的，这些泄漏就会威胁到信息安全。

2　系统介绍

随着窃听技术的不断升级，通信电缆在使用过程中可能出现外力破坏屏蔽层，保证通信状态正常，但是窃据电磁信号，达到信息丢失的情况。因此“电缆屏蔽层连通情况”是每条通信电缆的必测项目。本系统可以监测电缆屏蔽层连通情况，一旦有外力破坏，可以判断故障位置，实时上报告警信息。

2.1　测量技术

2.1　.1 反射特性参数

矢量反射系数Γ定义为反射信号电压和入射信号电压之比。

式中，| |是反射系数的幅值，它等于反射电压和入射电压幅值之比；∠ 是反射系数的相位，它等于反射电压和入射电压的相位差。常用于表征反射特性的另外两个参数是回波损耗（RL）和电压驻波比（VSWR），它们均是标量，与反射系数的幅值| |有如下关系。

电缆蔽层发生破损，必然导致局部特性阻抗的不连续，阻抗的不连续又将反映在该点对信号的反射特性上。矢量反射系数与传输线阻抗的关系表述为下式。

式中，Z0是电缆的特性阻抗，ZL是破损处的阻抗。

2.1　.2 点频测量

向被测电缆施加一个频域激励（特定频率的正弦波信号），测量反射的频域响应特性（矢量反射系数）。点频测量是屏蔽效能监测的基础测量动作，屏蔽效能监测的粗测模式，就是由几个频点的点频测量构成的。

2.1.3扫频测量

在特定的频段内，按特定的频率步距，逐频点进行频域测量，得到一个频段的反射频域响应特性（通常需要512或1024个频点的数据）。频域扫描是电子测量仪器（如矢量网络分析仪等）的典型测量 方式，屏蔽效能监测的精测模式，实质上就是频域扫描。

图1　

2.1.4逆向傅里叶变换

频域和时域之间的关系可以通过傅立叶理论来描述。对反射频率响应特性进行逆向傅立叶变换，可以获得时域上的反射冲激响应特性。

图2　

2.1.5主要技术指标

表1　

测量范围：测量范围与扫频的频率步距△f成反比，下表是几种频率步距下的传输和反射测量范围（假定介质电磁波速度为2×108m/s）。

范围分辨率：

以频率步距10kHz为例，对应的传输测量范围是15000m，假定数据点数为1024，则范围分辨率为14.66m。

2.2　测量条件

2.2.1电缆的拓扑图

图3　

根据拓扑结构把电缆简单地分为无分支缆、有分支缆两类。出于配线的需要，有的电缆中间会有交接箱等接续设备，遇有如下图这样的情况，需要把交接箱前后的缆段A、缆段B作为两条独立的电缆予以考虑。

图4　

缆屏蔽层的接地方式：屏蔽层局端接地，末端不接地

2.2.2屏蔽效能系统的配置情况

主机端口内屏蔽 效能终端的基本连接方式有：V型、Y型、总线型，以及由基本连接方式任意组合而成的复合连接方式。

图5　

2.3　测量方式选择

鉴于支撑系统运行的线路资源、供电通信能力的局限，将屏蔽效能的监测功能分解为两种工作模式：粗测模式和精测模式。粗测模式用以判断电缆屏蔽层是否发生故障；精测模式用以屏蔽层故障的定位。

2.3.1粗测模式

粗测是例行测量，类似于分电系统的巡检。参与粗测的硬件：高速测量主机，屏蔽效能测量控制器。高速测量主机向屏蔽效能测量控制器下发粗测指令，屏蔽效能测量控制器根据指令执行粗测。粗测只对矢量反射系数进行几个典型频率的点测，在基本满足对屏蔽层故障情况初步判断要求的前提下，粗测的特点是最大限度地简化测量动作，减少电力、时间、通信的开销。按3个频点每频点32比特计算，单次粗测的数据量为96比特。粗测模式的特点比较好地适应了现有系统供电、通信能力的现状，便于与分电系统的衔接与融合。具体的粗测动作是：在几个预定的典型频点测量矢量反射系数，屏蔽效能测量控制器将粗测数据经高速测量主机上传平台，平台将一条电缆的最新粗测数据与正常状态的粗测数据进行比对，以初步判断电缆是否发生屏蔽层故障。如果一条电缆连续几次的粗测 结果均显示发生屏蔽层故障，平台将安排对该电缆进行精测。

2.3.2精测模式

精测是针对性测量，主要针对例行粗测中初步判断发生故障的电缆进行。参与精测的硬件：高速测量主机，屏蔽效能测量控制器。由于精测要执 行几百上千个频率点的扫频，电力消耗大，以现有线路的供电能力，精测不可能频繁进行，因此只能作为必要时才执行的针对性测量。按 每个终端持续可用供电能力1毫安，执行精测任务耗电50毫安计算，假定每次精测任务用时1分钟，则单个终端执行精测的时间间隔应不小于50分钟；产生的数据量大，按512个频点每频点32比特计算，一次精测的数据量为16384比特，现有的分电系统无法承载如此大量的数据传输，需要支持高速数据通信的屏蔽效能主机配合，才能实现原始数据的有效上传。精测模式具体的动作是：高速测量主机向屏蔽效能测量控制器下发精测指令，终端根据预先确定的频段和频率步距，扫频测量矢量反射系数，并将扫频精测数据经中速主机上传平台，平台对精测数据做逆向傅里叶变换，得到电缆反射特性的时域波形，将新测得的 时域波形与正常状态的时域波形比对，并结合屏蔽层典型故障信息数 据库，判断屏蔽层发生故障的位置。

参与精测的主体是高速测量主机和屏蔽效能测量控制器，但需要分电系统的 主机和终端给予配合，如在精测期间分电主机停止巡检、分电终端保护静默等，配合动作的内容和时机由平台统一协调。

2.4　实际测量数据

表1　

2.5　系统灵敏度

本系统基于扫频反射方法实现对电缆屏蔽层故障的判断和定位，电缆某个位置的屏蔽层不同程度的破损会导致该位置的分布阻抗发生变化，从而产生不同大小的反射信号，终端通过测量该反射信号的强度和相位，实现对破损的检测和定位；在本系统中，主要有以下前提条件：

完好的电缆屏蔽层与线芯之间的分布阻抗在测量信号的频段内相对连续（已经验证）。

电缆接头屏蔽罩与测量线芯之间的分布阻抗与正常电缆屏蔽层和线芯之间的分布阻抗差异不大（完整接头屏蔽罩对测量信号的反射较小）；（已经验证）。

进而，系统测量灵敏度问题的关键是：屏蔽层不同程度的破损与屏蔽层完整条件下的分布阻抗的差异。

当前电缆屏蔽层破损的模拟测试主要是在接头出进行，分为以下几种情况：

屏蔽层完好。

屏蔽层中度破损（半个屏蔽罩接续）。

屏蔽层重度破损（屏蔽层跳线接续）。

屏蔽层完全断开。

经过现场试验数据的分析，可以得出，屏蔽层中度、重度破损两种情况下，在测量信号频段内，与屏蔽层完好的情况相比，造成的分布阻抗差异不大，进而导致反射信号强度也不大，最终导致前两种情况下的有效测量距离较短；

而屏蔽层完全断开的情况与屏蔽层完好的情况相比，造成的分布阻抗差异很大，进而导致反射信号强，有效测量距离也较远，基本满足使用需求。

屏蔽层中度、重度破损情况下有效测量距离较短的问题，可以通过调整测量信号的扫频参数，对故障点反射信号强度、电缆及接头的衰减、接头反射信号强度、故障点距离终端的距离，这四个参数对测量信号的影响进行平衡，从而优化测量效果，但是经过现场多次调节和验证，该方法的优化效果并不能完全解决该问题。若要完全解决该问题，需要确认客户对系统测量“灵敏度”的具体量化要求，并通过进一步对终端硬件的优化实现。

3　主要产品及说明

3.1　高速测量主机

根据平台的指令，屏蔽效能测量控制器进行精测。

接收屏蔽效能测量控制器上报的精测数据，并上传平台。

3.2　屏蔽效能测量控制器

根据高速测量主机的指令，并与高速测量主机配合完成粗测任务。

根据高速测量主机的指令，并与高速测量主机配合完成精测任务。

根据工作状态担负末端线路和分电终端的控制任务。

图6　硬件示意图

3.3　连通套管（选配）

外层绝缘防水护套管。

3.4　平台相关功能

线路切换控制。

粗测控制和数据处理。

数据滤波，简单的数据比对。

精测控制和数据处理。

数据滤波，逆傅里叶变换，与历史数据比对。

电缆数据结构的建立和维护。

数据结构的建立主要立足服务于故障定位。

根据测量数据实现电缆（屏蔽层）故障定位。

其它的平台常规功能。

数据的存储、查询、呈现等。

[1]姚世全.电磁兼容标准实施指南 .北京：中国标准出版社，1999.