ES2345793T3 - Procedimiento y dispositivo de analisis de redes de cables electricos mediante secuencias pseudoaleatorias. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de prueba de una red de cables que comprende al menos una unión de la que parten N tramos secundarios (N superior o igual a 2), comprendiendo el procedimiento las operaciones siguientes: - inyectar en la red, en varios puntos de inyección Ei, secuencias pseudoaleatorias de señales digitales PNi(t), - recoger, en uno o varios puntos de observación Sj, señales temporales compuestas Rj(t) generadas por la circulación de las secuencias emitidas y sus reflexiones en las discontinuidades de impedancia de la red, - calcular una función de correlación Kij(τ), en cada uno de los puntos de observación Sj y para cada punto de inyección Ei, representando esta función, en función de un retardo variable τ, un valor de correlación temporal entre, por una parte, la señal compuesta Rj(t) presente en ese punto de observación y, por otra parte, secuencias pseudoaleatorias PNi(t-τ) idénticas a las secuencias PNi(t) que se inyectan a los diferentes puntos aunque retardadas con el retardo variable τ, - buscar valores característicos de τ para los que la curva de correlación Kij(τ) presenta un pico, - determinar las posiciones de defectos del cable en función de los valores característicos hallados para cada correlación Kij(τ), - no estando las secuencias pseudoaleatorias inyectadas a los diferentes puntos correlacionadas entre sí.

Description

Procedimiento y dispositivo de análisis de redes de cables eléctricos mediante secuencias pseudoaleatorias.

La invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo de análisis de cables eléctricos en red, para la detección, la caracterización y la localización de defectos en los cables de esa red.

Los cables eléctricos en cuestión pueden ser cables de transmisión de energía o cables de comunicación, en instalaciones fijas (red de distribución, red de comunicación interior o exterior) o móviles (red de energía o de comunicación en un avión, un barco, un automóvil, etc.). Los cables pueden ser de todo tipo: coaxiales o bifilares, en líneas paralelas o en pares torsionados, blindados o no, etc., siempre que la velocidad de propagación de las señales en estos cables pueda conocerse. Estas redes pueden organizarse según diferentes topologías conocidas: en bus, árbol, mallada, en anillo, estrella, lineal, o mixtas de estas diferentes topologías.

Los defectos en cuestión son defectos que pueden afectar al funcionamiento eléctrico de los circuitos de los que los cables forman parte y que pueden tener consecuencias a veces muy críticas (averías de sistemas eléctricos en un avión por ejemplo), o incluso defectos que pueden generar directamente inicios de incendio (cortocircuitos, arcos eléctricos en ambiente seco o en presencia de humedad, etc.). Es importante poder detectar estos defectos para remediarlos a tiempo.

Se comprende que el problema de la detección de los defectos es tanto más importante cuanto más largas y más complejas son las redes de cables eléctricos o cuanto más difícil sea acceder a ellas (cables enterrados, por ejemplo). Por ello es por lo que se han concebido sistemas de detección y de localización a distancia, que funcionan a partir de un extremo del cable. Los métodos utilizados son métodos denominados de reflectometría, en los que una señal inyectada en un extremo de un cable se propaga en ese cable y una parte de la amplitud de la señal se refleja en el lugar del defecto, debido a la discontinuidad de impedancia que la señal encuentra en ese lugar. Si se conoce la velocidad de propagación de las señales en el cable (relacionada con su impedancia característica), la medida de la duración que separa la onda emitida de la onda reflejada da una indicación de la distancia entre el extremo del cable y el defecto.

En los métodos de reflectometría temporal (TDR para "Time-Domain Reflectometry"), se inyecta una onda electromagnética en el cable en forma de un impulso de tensión, de un escalón de tensión, u otro. La onda reflejada en el lugar de la discontinuidad de impedancia se detecta en el lugar de la inyección y se mide la separación temporal entre los frentes emitidos y recibidos. La posición del defecto se determina a partir de esta separación, y la amplitud y la polaridad del impulso reflejado dan una indicación del tipo de defecto (circuito abierto, cortocircuito, defecto resistivo, u otro).

Existen también métodos de reflectometría en el dominio frecuencial (FDR para "Frequency Domain Reflectometry"), que consisten en inyectar en la entrada del cable una sinusoide vodulada en frecuencia de manera continua o por escalones y en medir la separación de frecuencia o de fase entre la onda emitida y la onda reflejada. La solicitud de patente publicada WO 02/068968 describe un método de reflectometría en el dominio frecuencial. En una variante denominada SWR para "Standing Wave Reflectometry", se detectan los nodos y antinodos de una onda estacionaria generada por la combinación de una onda incidente y de su reflexión.

Los métodos de reflectometría en el dominio frecuencial son eficaces para analizar un cable sencillo. Son difícilmente utilizables cuando el cable comprende derivaciones. Los métodos de reflectometría en el dominio temporal pueden utilizarse incluso con derivaciones aunque el análisis de las señales reflejadas es difícil debido a la presencia de reflexiones múltiples.

También se ha propuesto, en la solicitud de patente publicada WO 2004/005947, un método a la vez temporal y frecuencial que consiste en inyectar una señal vodulada linealmente con una envolvente de amplitud gaussiana.

También se han propuesto métodos de reflectometría con ensanchamiento de espectro, en el artículo "Spread Spectrum Sensors for Critical Fault Location on Live Wire Networks" de Cynthia Furse y otros, en Journal of Structural Control and Health Monitoring, Volumen 12, Edición 3-4, 2005. Se transmite una señal en forma de un código pseudoaleatorio de bajo nivel por una red, incluso cuando está en servicio; esta señal y su eco reflejado por el defecto eventual se correlacionan con desfases temporales variables para establecer una curva de correlación en función del tiempo. Esta curva presenta picos de correlación con desfases temporales relacionados con la posición de los defectos y de las uniones y/o derivaciones de la red. Este sistema está particularmente adaptado a la detección de defectos intermitentes puesto que puede funcionar incluso mientras se utiliza la red; ahora bien, los defectos intermitentes pueden perfectamente producirse sólo cuando la red está en servicio y desaparecer cuando ya no lo está (por ejemplo, un defecto que se produjera mientras un avión está volando pero que desaparece en el suelo). Este método puede utilizarse para cables que comprenden derivaciones, aunque conserva ambigüedades: no se sabe en qué ramal se encuentra un defecto detectado. La patente US 5 369 366 describe un método de este tipo.

El artículo de Eiji Nishiyama y Kenshi Kuwanami en la revista IEEE 2002 0-7803-7525-4/02 págs. 465 a 468 describe brevemente un método que utiliza la inyección de secuencias pseudoaleatorias en uno o varios puntos de una red lineal sencilla en bucle cerrado.

Un método similar pero que utiliza simplemente las señales o el ruido natural que circulan en el cable, y no un código pseudoaleatorio inyectado en la entrada del cable, se ha propuesto en el artículo de Chet Lo y Cynthia Furse "Noise-Domain Reflectometry for Locating Wiring Faults" publicado en IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol. 47 n.º 1 febrero de 2005. Se detectan picos de fuerte correlación en un proceso de correlación de la señal con ella misma. Este método presenta el mismo defecto que el anterior, es decir, que no permite resolver fácilmente las ambigüedades de posición cuando hay varios ramales.

La invención tiene como objetivo ayudar a resolver las ambigüedades de determinación de posición de defectos de los métodos anteriores, concretamente en los cables que presentan una estructura en T (también denominada estructura en Y), es decir que comprenden al menos una derivación.

Para conseguirlo, la invención propone un procedimiento de prueba de una red de cables que comprende al menos una unión de la que parten N tramos secundarios (N superior o igual a 2), comprendiendo el procedimiento las operaciones siguientes:

- inyectar en la red, en varios puntos de inyección Ei, secuencias pseudoaleatorias de señales digitales PNi(t),

- recoger, en uno o varios puntos de observación Sj, señales temporales compuestas Rj(t) generadas por la propagación de las secuencias emitidas y sus reflexiones en las discontinuidades de impedancia de la red,

- calcular una función de correlación Kij(\tau), en cada uno de los puntos de observación Sj y para cada punto de inyección Ei, representando esta función, en función de un retardo variable \tau, un valor de correlación temporal entre, por una parte, la señal compuesta Rj(t) presente en ese punto de observación y, por otra parte, secuencias pseudoaleatorias PNi(t-\tau) idénticas a las secuencias PNi(t) que se inyectan a los diferentes puntos aunque retardadas con el retardo variable \tau,

- buscar valores característicos de \tau para los que la curva de correlación Kij(\tau) presenta un pico,

- determinar las posiciones de defectos del cable en función de los valores característicos hallados para cada correlación Kij(\tau),

- no estando las secuencias pseudoaleatorias inyectadas a los diferentes puntos correlacionadas entre sí.

Así, en lugar de inyectar una misma secuencia en varios puntos de la red, se inyectan secuencias diferentes y no correlacionadas entre sí. Por secuencias no correlacionadas, se entiende secuencias o bien completamente decorrelacionadas, o bien poco correlacionadas, es decir que su intercorrelación en función de un retardo \tau no produce ningún pico de correlación significativo de amplitud comparable al pico de autocorrelación de una secuencia con ella misma. Dicho de otro modo la correlación de dos secuencias poco correlacionadas produce esencialmente ruido y no picos de correlación característicos tales como los generados por una secuencia y la reflexión de esta misma secuencia en una discontinuidad de impedancia de la red.

Las secuencias pueden ser secuencias denominadas secuencias pseudoaleatorias de tipo M, o también "secuencias pseudoaleatorias de longitud máxima"; son secuencias producidas por una cascada de n registros con desfase con una ejecución de bucles repetidos de la cascada en ella misma y ejecución de bucles repetidos intermedios a partir de la salida de ciertos registros en medio de la cascada (en inglés "Linear Feedback Shift Register" o LFSR).

La pequeña correlación puede obtenerse concretamente estableciendo secuencias digitales pseudoaleatorias de longitud diferente (establecidas por generadores que tienen números de registros diferentes), o secuencias que tienen tasas de transmisión de bits suficientemente diferentes, cuya razón no es un entero y es preferentemente

- un número irracional,

- o en última instancia una fracción racional de números enteros.

Las secuencias también pueden decorrelacionarse por naturaleza eligiendo secuencias pseudoaleatorias ortogonales, tales como códigos utilizados para la separación de los canales de satélites de GPS o para la separación de canales de telecomunicaciones por ensanchamiento de espectro (códigos de Gold por ejemplo).

Pueden generarse secuencias pseudoaleatorias a partir de polinomios característicos de grado n (siendo n igual al número de registro del LFSR). Para aprovechar al máximo las capacidades y generar secuencias de longitud máxima, el polinomio característico deberá ser irreductible y en este caso el periodo del LFSR será igual a T0 = 2^{n} - 1 (expresado en números de bits de la secuencia). Para una longitud de secuencia dada y una tasa de transmisión dada, puede obtenerse una pequeña correlación eligiendo polinomios característicos diferentes. En la práctica, se requiere un número n mínimo de registros para que los polinomios se decorrelacionen entre sí. Por ejemplo si:

- n = 4 sólo existen dos polinomios característicos primitivos, y no están suficientemente decorrelacionados entre sí;

- n = 6: existen 6 polinomios característicos primitivos;

- a partir de n = 8 los polinomios característicos son de longitud suficiente para estar todos decorrelacionados entre sí.

Un criterio para evaluar si dos secuencias están suficientemente decorrelacionadas entre sí es medir si su razón de intercorrelación (nivel del pico máximo de intercorrelación de dos secuencias diferentes/nivel del pico máximo de autocorrelación de la misma secuencia) es normalmente inferior a del 5 al 10%:

[MáxIntercorrelación-MínIntercorrelación]/[MáxAutocorrelación]<=0,10

El dispositivo de puesta en práctica de este procedimiento comprende por tanto al menos dos fuentes de secuencias pseudoaleatorias de señales digitales no correlacionadas entre sí y adecuadas para conectarse en dos puntos de una red que va a probarse, medios de sincronización de las fuentes entre sí, un dispositivo de detección de la señal compuesta presente en al menos un punto de la red, y medios de cálculo de la función de correlación entre esa señal y cada una de las secuencias pseudoaleatorias retardadas con un retardo variable (\tau).

Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto tras la lectura de la descripción detallada siguiente y que se realiza en referencia a los dibujos adjuntos en los que:

- la figura 1 representa a modo de ejemplo una red de cables con derivación que se desea analizar;

- la figura 2 representa un reflectograma temporal tradicional susceptible de aparecer durante un análisis de la red por inyección de un impulso;

- la figura 3 representa un generador de secuencia pseudoaleatoria de tipo M;

- la figura 4 representa la función de autocorrelación temporal de una secuencia pseudoaleatoria de tipo M;

- la figura 5 representa una secuencia pseudoaleatoria temporal PN(t);

- la figura 6 representa una señal compuesta R(t) procedente de la propagación de la secuencia pseudoaleatoria en una red;

- la figura 7 representa un ejemplo de curva de correlación temporal K11 (\tau) entre una señal tal como la de la figura 6 y una secuencia pseudoaleatoria que la ha generado;

- la figura 8 representa las funciones de correlación temporal Kii(\tau) entre la señal compuesta presente en cada extremo de la red y la secuencia pseudoaleatoria respectiva inyectada en este mismo extremo;

- la figura 9 representa las funciones de correlación temporal Kij(\tau) entre las señales compuestas Rij(t) recogidas en un extremo y las secuencias pseudoaleatorias inyectadas en este extremo y en los otros extremos.

\vskip1.000000\baselineskip

En la figura 1, se ha representado esquemáticamente una red con una unión y dos derivaciones, que tiene tres tramos T1, T2 y T3. Los tramos T2 y T3 tienen un extremo de entrada conectado a un punto de unión A situado en un extremo de salida del tramo T1. Así, si se sigue la red partiendo de un extremo de entrada E1 de ésta, se encuentra sucesivamente una longitud de cable L1 del tramo T1, después una unión en A, y, según que se siga por el tramo T2 o el tramo T3, respectivamente una longitud de cable L2 del tramo T2 hasta su extremo de salida E2, o una longitud de cable L3 del tramo T3 hasta su extremo de salida E3.

Se trata en este caso de un ejemplo sencillo de red en T (o Y). Los tramos considerados y representados por un trazo pueden estar constituidos por un hilo conductor revestido o un par de hilos revestidos o un cable coaxial. Esta red puede servir indiferentemente para transportar energía o señales de comunicación de la entrada E1 hacia las salidas E2 y E3, o en sentido contrario desde una salida E2 o E3 hacia la otra salida o hacia la entrada E1. Por este motivo se denominará en lo sucesivo "extremos" de la red a las entradas y a las salidas E1, E2, E3, sabiendo que cada una de ellas puede desempeñar tanto un papel de entrada como un papel de salida y esto en la utilización normal de la red o durante la búsqueda de defectos de la red; debe observarse que la búsqueda de defectos puede perfectamente, en la presente invención, realizarse al mismo tiempo que la utilización normal.

Los extremos de tramos E1, E2, E3 pueden estar en circuito abierto, o en cortocircuito, o cargados por una impedancia adaptada o no adaptada. Si hay adaptación de impedancia no hay reflexión de las señales de prueba en estos extremos. Si hay cortocircuito, no hay transmisión más allá del cortocircuito y hay reflexión en negativo. Si hay circuito abierto, hay reflexión sin o casi sin atenuación. Si hay desadaptación de impedancia, hay reflexión parcial.

En los métodos clásicos de detección de defectos, se aplicaría normalmente un impulso de prueba a partir de la entrada E1, y se recogería en esta misma entrada un dibujo de señales denominado "reflectograma temporal"; el reflectograma es el trazado de una curva que representa la evolución de una amplitud de tensión obtenido en la entrada E1 en el transcurso del tiempo.

La figura 2 representa un reflectograma de este tipo para el cable de la figura 1, con el tiempo en abscisas y una amplitud de tensión en ordenadas. El impulso de entrada, a la izquierda en el diagrama, es un impulso positivo de corta duración con respecto a las duraciones de propagación en los cables para que los impulsos reflejados no se mezclen con el impulso emitido. Los impulsos reflejados son, en primer lugar, un impulso de reflexión negativo en la unión; la unión crea una desadaptación de impedancia en la que la impedancia vista es más pequeña que la impedancia característica del cable, de ahí la amplitud negativa de la señal reflejada. Después, se halla un impulso positivo reflejado por el extremo en circuito abierto (impedancia elevada) del tramo T2, después un impulso que parece emitido por un trayecto de ida y vuelta entre la unión A y el extremo E2 del segundo tramo. Después se produce un impulso debido a la reflexión en el extremo E3 del tercer tramo. A continuación, aparecen los impulsos procedentes de otras reflexiones múltiples o combinadas, por ejemplo, un impulso resultante de la reflexión, en el extremo del tramo T2, de un impulso ya reflejado por el extremo del tercer tramo. Los primeros impulsos son los más significativos, los otros son más difíciles de aprovechar.

Si un defecto está presente en uno de los tramos, puede tener como efecto el desplazamiento de ciertos impulsos o simplemente añadir impulsos al diagrama de la figura 2. Por tanto, no es fácil interpretar la existencia de un defecto y encontrar la localización del defecto a partir de un reflectograma de este tipo.

En el procedimiento según la invención no se inyecta un impulso en un punto sino que se inyectan secuencias pseudoaleatorias de señales binarias, en varios puntos de la red (preferentemente los extremos existentes E1, E2, E3), estando las diferentes secuencias decorrelacionadas entre sí.

Una secuencia pseudoaleatoria está constituida por una serie, más o menos larga, de bits cuya distribución es aleatoria, siendo esta distribución tal que una correlación de esta secuencia con la misma secuencia retardada con un tiempo \tau da un pico de correlación muy estrecho alrededor de \tau = 0; fuera de ese pico estrecho (ancho prácticamente igual a la duración de dos bits de la secuencia), el valor de correlación es nulo o en todo caso muy pequeño respecto a la amplitud del pico.

Una secuencia de este tipo se produce generalmente por la puesta en cascada de varios registros con desfase, la ejecución de bucles repetidos de la cascada respecto a ella misma, y operaciones O-Exclusivo y/o ejecución de bucles repetidos intermedios a partir de las salidas de los registros.

Entre las secuencias pseudoaleatorias, hay concretamente las secuencias denominadas secuencias M o secuencias de longitud máxima, que, a partir de n registros en cascada, forman secuencias de longitud 2^{n}-1 bits. La figura 3 representa un ejemplo con 6 registros en cascada que constituyen un LFSR o registro con desfase lineal con ejecución de bucle (del inglés "Linear Feedback Shift Register"). Por ejemplo, con 6 registros se producen secuencias periódicas de 63 bits, de una duración del orden de un microsegundo aproximadamente si la tasa de transmisión de bits es aproximadamente de 50 Mbps (megabits por segundo). Tales secuencias son utilizables en el procedimiento según la invención.

La figura 4 representa la correlación de una secuencia M con esta misma secuencia retardada con un tiempo variable \tau (en abscisas). El cálculo de la correlación proporciona una señal casi nula excepto para un valor de \tau en un intervalo muy estrecho (ancho igual a la duración de dos bits) en el que presenta un pico elevado; el centro del pico está situado a \tau=0, para el que la correlación es máxima. Si la secuencia vuelve a emitirse periódicamente, existe evidentemente un pico de correlación en cada periodo. Se prefiere la emisión de secuencias periódicas si las secuencias son bastantes cortas, puesto que esto favorece la correlación entre la secuencia y las señales que circulan en el cable.

El periodo temporal de una secuencia se define de la manera siguiente:

1

donde n es el número de registros o el grado del polinomio característico y D la tasa de transmisión de la secuencia.

Para obtener secuencias decorrelacionadas entre sí, pueden elegirse secuencias:

- de tasa de transmisión diferente y de grado n idéntico;

- de tasa de transmisión idéntica y de grado n diferente;

- o, según un modo de realización preferido de la invención, secuencias de grado n idéntico y de la misma tasa de transmisión, eligiendo polinomios característicos primitivos diferentes para cada LFSR.

La figura 5 representa a modo de ilustración una secuencia binaria pseudoaleatoria PN(t) emitida a 50 Mbps y durante 1 microsegundo.

Una secuencia binaria pseudoaleatoria de este tipo puede emitirse en un extremo de una red como por ejemplo la entrada E1 de la red de la figura 1. Se propaga en la red, pierde un poco de su energía, puede hallar discontinuidades de impedancia (uniones, derivación, cortocircuitos, circuitos abiertos, cargas no adaptadas, defectos en el cable), puede reflejarse parcialmente en estas discontinuidades, puede propagarse en parte más allá, encontrar otras discontinuidades, etc. y llegar a los diferentes extremos de la red, incluido el extremo de salida en el que se ha inyectado.

De estos fenómenos de propagación con pérdidas y reflexiones parciales resulta que una señal compuesta reaparece en la entrada E1, y esta señal compuesta, analógica más que digital, es la superposición de la secuencia inicialmente inyectada y de varias señales que representan cada una la misma secuencia aunque retardada y atenuada por las propagaciones y reflexiones sucesivas.

La resultante de estas secuencias idénticas aunque de niveles variables y de retardos diferentes produce una señal compuesta tal como, por ejemplo, la de la figura 6. Si se correlaciona esta señal compuesta presente en la entrada E1 con la secuencia inicial inyectada en esta entrada, retardando ésta con una duración variable \tau, puede trazarse una curva de correlación en función del retardo \tau. Va a hallarse un pico de correlación máximo para una duración \tau=0 si se toma como referencia de retardo 0 el instante en el que la secuencia se inyecta en la entrada, puesto que la secuencia inyectada está presente sin desfase en este instante, y un nuevo pico de correlación máxima en cada periodo T0 de inyección de nueva secuencia si la secuencia se inyecta periódicamente; el pico a \tau = 0 proviene del hecho de que la señal medida es la suma de la señal emitida y de la señal recibida aunque se debe al sistema de medición; y van a hallarse otros picos de correlación cada vez que una reflexión o una sucesión de reflexiones devuelve en la entrada E1 una señal que comprende semejanzas de estructura binaria con la secuencia inicial.

Más bien que graduar las abscisas de la curva de correlación en retardo \tau, se la puede graduar en distancia L a lo largo de la red a partir del punto de inyección de la secuencia, siendo la correspondencia L=Vp.\tau/2, donde Vp es la velocidad de propagación de las señales digitales en la red y estando el factor 1/2 para tener en cuenta el hecho de que el trayecto de la secuencia comprende una ida y vuelta entre el punto de inyección y el punto de discontinuidad.

La figura 7 representa un ejemplo de una curva de correlación K11 (\tau) de este tipo en el caso de un tramo de línea sencilla de longitud L1 en circuito abierto en sus extremos. La abscisa es la distancia L= Vp.\tau/2 entre el extremo de inyección E1 y el otro extremo, y la ordenada es el valor de correlación K11 (\tau), entre la secuencia inyectada en el extremo E1 y la señal recogida en E1. El primer pico de correlación corresponde al instante de inyección, es decir un retardo \tau = 0. La secuencia se inyecta periódicamente con un periodo T0 (correspondiente a una distancia L0=Vp.T0/2) y se observa por tanto otro pico de correlación máxima en L0. Los otros picos representan el retorno de la secuencia tras la reflexión en el segundo extremo del tramo tras la inyección de una secuencia; se sitúan por tanto a una distancia L1 de cada pico de inyección. La graduación en ordenadas es arbitraria.

La función de correlación se obtiene mediante cálculo, a partir de la señal compuesta temporal digitalizada R1 (t) presente en E1 y a partir de la secuencia pseudoaleatoria PN1 (t) cuya estructura, longitud y tasa de transmisión (50 Mbps por ejemplo) se conocen.

El coeficiente de correlación K11 (\tau), en ordenadas de la figura 7, es el resultado del cálculo de correlación que es la integración, sobre una duración T que parte de un instante -T/2 y que va hasta un instante +T/2, del producto de la secuencia pseudoaleatoria PN1 (t-\tau) inyectada en E1 por la señal compuesta R1(t) recogida en E1:

2

T puede corresponder a uno o varios periodos de secuencias sucesivas.

Es esta función de correlación la que puede presentar los picos visibles en la figura 7, siendo la variable de abscisa L= Vp.\tau/2.

Este cálculo es válido para cualquier red y a partir de cualquier punto de inyección, siempre que se observe la señal compuesta en el propio punto de inyección.

En la red sencilla de la figura 1, que se supone sin defectos, si los extremos E2 y E3 se adaptan en impedancia se hallará un pico de correlación en el tiempo 0 y un pico que refleja la reflexión en la unión A. Si los extremos E2 y E3 no estuvieran adaptados, se hallarían otros picos que reflejan las discontinuidades de impedancia; normalmente, si los ex-
tremos E2 y E3 estuvieran en circuito abierto, se tendría al menos un pico de correlación para cada uno de los valores

\tau_{a} = 2L1/Vp a causa de la unión A

\tau_{b} = 2(L1+L2)/Vp debido al extremo E2

\tau_{c} = 2(L1+L3)/Vp debido al extremo E3

Si hay un defecto a una distancia Ld de la entrada E1, se tendría al menos un pico de correlación para un retardo correspondiente a la propagación en una distancia 2Ld, es decir a \tau_{d} = 2Ld/Vp. La existencia de un pico de este tipo no permite saber fácilmente dónde está el defecto puesto que Ld es superior a L1 (defecto más allá de la unión A).

Sin embargo, esta señal inyectada en E1 genera en E2 y E3 otras señales compuestas que tienen una semejanza con la señal digital inyectada PN1 (t), y estas señales R2(t), R3(t) pueden correlacionarse con la secuencia inyectada para dar picos de correlación que también dan información acerca de la estructura de la red o que confirman las indicaciones dadas por la primera función de correlación K11 (\tau).

Así, si se realiza la correlación entre R2(t) y PN1 (t) debe observarse un pico de correlación en un instante \tau_{L1+L2} = (L1+L2)/Vp puesto que ese retardo \tau_{L1+L2} es el tiempo empleado por la secuencia para llegar directamente desde el extremo E1 hasta el extremo E2 (tomándose el retardo \tau= 0 con la misma referencia que para la primera correlación). Asimismo debe observarse un pico de correlación entre la señal compuesta R3(t) en E3 y la secuencia PN1(t) emitida en E1, estando este pico centrado en un instante \tau_{L1+L3} = (L1+L3)/Vp.

Pero de igual manera, también pueden inyectarse en los extremos E2 y E3 otras dos secuencias pseudoaleatorias PN2(t) y PN3(t), y puede correlacionarse la señal compuesta R1(t) presente entonces en el punto E1 con cada una de estas secuencias pseudoaleatorias, para llegar a funciones de correlación respectivas K21(\tau) que es la correlación de la señal compuesta R1(t) presente en E1 con la secuencia PN2(t) emitida en E2, y K31(\tau) que es la correlación de la señal compuesta R1(t) presente en E1 con la secuencia PN3(t) emitida en E3. Si la referencia de retardo \tau=0 se toma en el mismo instante de referencia (instante de inyección de la secuencia PN1(t)), entonces se debería ver aparecer en las funciones de correlación K21 (\tau) y K31 (\tau) respectivamente un pico de correlación en un instante \tau_{L1+L2} = (L1+L2)/Vp y un pico en un instante \tau_{L1+L3} = (L1+L3)/Vp, suponiéndose la red sin defectos entre E1, E2, y E3.

Según la invención, estas otras secuencias pseudoaleatorias no se correlacionan entre sí ni se correlacionan con la primera, para que las funciones de correlación calculadas permitan distinguir completamente de dónde vienen las secuencias que dan lugar a picos de correlación.

Más en general, van a tomarse por tanto N puntos de inyección Ei, que son normalmente los extremos accesibles de la red (pero que podrían ser otros puntos), e inyectar en ellos N secuencias pseudoaleatorias de señales binarias no correlacionadas entre sí, PNi(t), variando i de 1 a N; van a efectuarse cálculos de correlación entre cada secuencia PNi(t) y cada una de las señales compuestas Rj(t) que aparecen en K puntos de observación Sj, variando j de 1 a K. Los puntos de observación son preferentemente los puntos de inyección. De estos cálculos se deduce a continuación información más precisa (es decir, menos ambigua) que la información dada por los picos de correlación de la única secuencia PN1 (t).

En un punto de observación Sj, se efectúan los cálculos de correlación siguientes, para algunos o todos los índices i y j asociados a los puntos de inyección y a los puntos de observación:

3

incluido evidentemente el cálculo para i=j, es decir:

4

Estos cálculos permiten trazar curvas de correlación en función de \tau y hallar picos de correlación.

Si las secuencias pseudoaleatorias inyectadas fueran las mismas, se llegaría, en el caso de la red de la figura 1 supuesta sin defectos, a curvas de correlación difíciles de interpretar; en efecto, a un punto de observación llegan secuencias propagadas que pueden provenir de cualquier punto de inyección puesto que todas contienen intrínsecamente una forma resultante de una misma secuencia inicial. Los picos de correlación son por tanto numerosos y ambiguos.

Pero si las secuencias pseudoaleatorias presentan una intercorrelación nula o muy pequeña entre sí, las diferentes correlaciones con las señales compuestas son distinguibles unas de otras. Las diferentes funciones de correlación calculadas en un mismo punto de observación Sj harán aparecer por separado picos resultantes de los diferentes puntos de inyección de las secuencias. Es con respecto a ese punto de inyección que se medirán las posiciones de las discontinuidades de impedancia.

El diagrama de la figura 8, siempre trazado en el caso de la red de la figura 1, sin defectos y con sus extremos adaptados en impedancia, muestra la superposición de las curvas de correlación Kii(\tau), llevadas a un mismo origen \tau = 0. La curva en trazo continuo corresponde a una secuencia inyectada en E1 y observada en E1; la curva en trazo de puntos corresponde a una secuencia inyectada en E2 en el mismo momento y observada en E2; y la curva en trazos discontinuos corresponde a una secuencia inyectada en E3 y observada en E3. El tramo L1 es de 15 metros, los tramos L2 y L3 son de 20 m y 22 m respectivamente. La graduación de las abscisas es en distancia entre el punto de observación y un defecto (es decir, que la graduación en abscisas no representa la duración de propagación real \tau correspondiente al pico sino la mitad de esta duración).

Los picos correspondientes a la reflexión en la unión A son en este caso de signo negativo. Se halla un pico para la correlación con la secuencia PN1(t) observada en E1, a una distancia de 15 metros correspondiente a la longitud L1 del tramo T1, un pico para la correlación con la secuencia PN2(t) observada en E2, a una distancia de 20 m correspondiente a la longitud L2 del tramo T2, y un pico para la correlación con la secuencia PN3(t) observada en E3, a una distancia de 22 m correspondiente a la longitud L3 del tramo T3.

Los picos de signo positivo son los picos de autocorrelación en la entrada y provienen de la periodicidad de la inyección de la secuencia pseudoaleatoria. Las secuencias PN1(t), PN2(t) y PN3(t) son duraciones diferentes y por tanto de periodicidades diferentes. La decorrelación se realiza en este caso de una manera tal que las secuencias binarias PN1(t) a PN3(t) son de duraciones diferentes, lo que explica las tres posiciones diferentes de los picos de autocorrelación; estas duraciones diferentes se obtienen o bien mediante secuencias de estructura idéntica aunque de tasa de transmisión de bits diferente, o bien mediante secuencias de longitudes diferentes en número de bits, por tanto de estructuras diferentes, y de tasa de transmisión de bits idéntica o diferente.

En el ejemplo de la figura 8, las secuencias son de tasas de transmisión diferentes respectivamente PN1(t): 50 Mbps, PN2 (t): 55 Mbps, y PN3(t): 60 Mbps.

La decorrelación de las secuencias también puede obtenerse eligiendo secuencias de duración idéntica y periodo idéntico, pero cuyos polinomios característicos son diferentes para cada LFSR. En este caso, los picos de autocorrelación K11(\tau), K22(\tau) y K33(\tau) se superpondrían en cada periodo de inyección de la señal.

La figura 9 representa todas las funciones de correlación correspondientes a un único punto de observación que es el extremo E1, en presencia de la inyección simultánea de secuencias diferentes PN1(t), PN2(t) y PN3(t) respectivamente en los tres extremos E1, E2, E3. Estas funciones se representan en el caso de presencia de un defecto en el tramo L2.

Para la legibilidad directa de la figura 9, debe observarse que se han utilizado graduaciones de abscisas diferentes según que la función de correlación representada sea una correlación con una señal reflejada (correlación de tipo Kii(\tau)) o una correlación con una señal transmitida directamente sin ida y vuelta (correlación de tipo Kij(\tau) siendo i diferente de j). Para una correlación sólo de ida, la graduación en distancia corresponde a la duración de propagación (L=Vp.\tau); para una correlación con una señal en ida y vuelta, la graduación en distancia corresponde a la mitad de la duración de propagación (L=Vp.\tau/2). Se trata en este caso de un sencillo artificio de presentación del diagrama, que permite colocar todos los picos de correlación en lugares que corresponden a distancias físicas (en el cable) medidas en la ida, en vez de colocar ciertos picos en posiciones correspondientes a una duración de ida y vuelta mientras que otros se colocaría en posiciones correspondientes a una duración de ida.

En la figura 9, la curva en trazo continuo, graduada en distancias correspondientes a \tau/2, corresponde a la función de correlación K11 (\tau) entre la secuencia PN1(t) inyectada en E1 y la señal compuesta R1 (t) observada en E1. Hay un pico de autocorrelación de partida a t=0, y otro a L0 correspondiente al periodo de inyección T0 de las secuencias. La longitud L0 en el gráfico corresponde a VpT0/2. Hay un pico intermedio negativo a la longitud L1 (15 m) como en la figura 8, correspondiente a la posición de la unión A. Pero también hay un pico a aproximadamente 25 m. Se deduce de esto que hay un defecto más allá de la unión A, en el tramo T2 o el tramo T3, a una distancia Ld (de aproximadamente 10 m) de la unión A, defecto que genera una reflexión hacia la entrada E1.

La curva en trazos de puntos, graduada en distancias correspondientes a \tau, corresponde a la función de correlación K21 (\tau) entre la secuencia PN2(t) inyectada en E2 y la señal compuesta R1(t) observada en E1. Esta curva no presenta prácticamente ningún pico de correlación; esto quiere decir que la señal inyectada en E2 no llega o prácticamente no llega a la entrada E1; se concluye de esto que el defecto cuya existencia se ha constatado por la curva K11(\tau) es un cortocircuito que interrumpe la propagación hacia el extremo E2.

Por tanto, el defecto es probablemente un cortocircuito en el tramo T2 a la distancia Ld de aproximadamente 10 metros de la unión A.

La tercera curva, en trazos discontinuos, igualmente graduada en distancias correspondientes a \tau, corresponde a la función de correlación K31 (\tau) entre la secuencia PN3(t) inyectada en E3 y la señal compuesta R1 (t) observada en E1. Esta curva presenta un pico positivo a la distancia L3+L1 (37 metros) mostrando un trayecto directo (sin defectos) de la secuencia del extremo E3 al extremo E1. También presenta un pico negativo a una distancia de aproximadamente 57 metros. Este pico resulta aparentemente de la propagación siguiente del extremo E3 hacia el extremo E1: propagación en el tramo T3 (L3: 22 m), reflexión parcial en A hacia el tramo T2, propagación en T2 hasta el defecto (Ld: 10 m), retorno del defecto a la unión (Ld: 10 m), y propagación en el tramo T1 (L1: 15 m). En total L3+2Ld+L1 = 57 metros.

La función de correlación K31 (\tau) confirma por tanto sin ambigüedad la presencia del defecto en el tramo T2, su naturaleza de cortocircuito, y su posición.

También pueden calcularse y trazar las funciones de correlación no representadas K22(\tau), K33(\tau) como en la figura 8. En la curva K22(\tau) se verá aparecer un pico a una distancia L2-Ld, debido al defecto, en lugar del pico a la distancia L2; en la curva K33(\tau) se verá aparecer también el pico a la distancia L3 aunque también un pico a L3+Ld. Estas curvas pueden servir para confirmar las observaciones anteriores realizadas en la figura 9.

Y también pueden trazarse las funciones de correlación K23(\tau) y K32(\tau). En el ejemplo del defecto indicado anteriormente, no se vería nada en estas curvas debido al defecto en cortocircuito en el tramo T2, que impide cualquier propagación de E2 hacia E3 o a la inversa.

Por último, evidentemente pueden trazarse las curvas K12(\tau) y K13(\tau) aunque se comprenderá que son redundantes con las curvas K21 (\tau) y K31(\tau).

Para poner en práctica la invención, es necesario generar secuencias pseudoaleatorias decorrelacionadas entre sí; hay varias maneras de obtener esta decorrelación, como se ha indicado anteriormente.

En primer lugar, si las secuencias binarias son más largas, es más fácil decorrelacionarlas entre sí que si son más cortas. Son preferibles secuencias de 64 bits o más.

A continuación, se diseñan ciertos generadores de secuencias pseudoaleatorias para permitir la producción de secuencias ortogonales entre sí, es decir, que presentan una intercorrelación nula o muy pequeña por principio sea cual sea el desfase temporal entre las secuencias. Los códigos pseudoaleatorios de Gold son un ejemplo de esto. Tales códigos se conocen ampliamente en las técnicas de posicionamiento por satélite en las que se utilizan para separar los canales entre sí.

Por otra parte, las secuencias pseudoaleatorias de tipo M (secuencias denominadas "de longitud máxima") generadas por una cascada de n registros están muy poco correlacionadas entre sí si tienen longitudes (en número de bits) diferentes, es decir, si el número de registros de la cascada es diferente de una secuencia a la otra.

Asimismo, las secuencias pseudoaleatorias de tipo M están muy poco correlacionadas entre sí y son por tanto muy convenientes si tienen tasas de transmisión de bits diferentes, incluso si tienen la misma longitud en número de bits. Las tasas de transmisión no deben ser múltiples entre sí y, si es posible, su razón no debe ser demasiado sencilla cuando esta razón es un número racional: una razón entre tasas de transmisión igual a una fracción racional simplificada es conveniente si el numerador y el denominador son suficientemente elevados; dicho de otro modo, debe evitarse una razón entre números demasiado pequeños como 2/3 ó 3/4; se prefiere una razón de 7/8 o una razón entre números más grandes. Una razón igual a un número irracional es deseable a condición evidentemente de que no esté muy próxima a los números que deben excluirse según se indicó anteriormente (número entero, fracción racional de numerador y denominador demasiado pequeños). Un número irracional que difiere en al menos un 5% respecto a uno de los números que deben excluirse es muy conveniente para una secuencia de al menos 64 bits. Por ejemplo, se han elegido tasas de transmisión de 50, 55 y 60 Mbps para el análisis de la red en la figura 9.

La puesta en práctica de la invención también comprende medios de adquisición de las señales compuestas, de digitalización de estas señales y de cálculo de las funciones de correlación. Según un modo de realización preferido de la invención, las fuentes utilizadas para generar las diferentes secuencias pseudoaleatorias son de tasa de transmisión fija e idéntica, por motivos de sincronización y de distribución de los relojes. La decorrelación se obtiene utilizando polinomios característicos distintos.

El número de registros n se adapta en función del problema que vaya a tratarse, y en particular de la longitud de la red, así como del periodo de prueba deseado.

La invención permite detectar, caracterizar y localizar defectos de una red de cable, incluso si tiene una topología compleja. Permite además identificar la topología exacta en ausencia de defectos (medidas precisas de longitudes de tramos, etc.). El análisis de la red puede realizarse durante la utilización normal de la red, en particular para redes de transporte de energía, aunque también para redes de comunicaciones, a condición no obstante de que las tasas de transmisión de bits de las secuencias pseudoaleatorias sean suficientemente diferentes de las tasas de transmisión de comunicaciones normales de la red.

En el caso de una red de topología más compleja que la de la figura 1, el medio de diagnóstico se compone de un cierto número de sistemas según la invención tales como los descritos anteriormente, distribuidos en lugares cuidadosamente elegidos en la red para que puedan vigilar subredes de topología más sencilla, haciendo referencia, por ejemplo, a la de la figura 1.

Claims (9)

1. Procedimiento de prueba de una red de cables que comprende al menos una unión de la que parten N tramos secundarios (N superior o igual a 2), comprendiendo el procedimiento las operaciones siguientes:

-

inyectar en la red, en varios puntos de inyección Ei, secuencias pseudoaleatorias de señales digitales PNi(t),

-

recoger, en uno o varios puntos de observación Sj, señales temporales compuestas Rj(t) generadas por la circulación de las secuencias emitidas y sus reflexiones en las discontinuidades de impedancia de la red,

-

calcular una función de correlación Kij(\tau), en cada uno de los puntos de observación Sj y para cada punto de inyección Ei, representando esta función, en función de un retardo variable \tau, un valor de correlación temporal entre, por una parte, la señal compuesta Rj(t) presente en ese punto de observación y, por otra parte, secuencias pseudoaleatorias PNi(t-\tau) idénticas a las secuencias PNi(t) que se inyectan a los diferentes puntos aunque retardadas con el retardo variable \tau,

-

buscar valores característicos de \tau para los que la curva de correlación Kij(\tau) presenta un pico,

-

determinar las posiciones de defectos del cable en función de los valores característicos hallados para cada correlación Kij(\tau),

-

no estando las secuencias pseudoaleatorias inyectadas a los diferentes puntos correlacionadas entre sí.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque las secuencias son secuencias denominadas "de longitud máxima" o secuencias M producidas por una cascada de n registros con desfase con ejecución de bucles repetidos.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque las secuencias pseudoaleatorias tienen tasas de transmisión de bits diferentes.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque la razón entre las tasas de transmisión de bits de dos secuencias pseudoaleatorias es un número irracional, o una fracción racional de números enteros.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizado porque las secuencias pseudoaleatorias tienen des longitudes, en número de bits, diferentes.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque las secuencias pseudoaleatorias son secuencias ortogonales entre sí, que presentan por naturaleza una intercorrelación mutua prácticamente nula sea cual sea su desfase temporal.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque cada secuencia pseudoaleatoria corresponde a un polinomio característico primitivo de grado n.

8. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la razón de intercorrelación entre dos secuencias es inferior al 10%:

[MáxIntercorrelación-MínIntercorrelación]/[MáxAutocorrelación]<=0,10

9. Dispositivo de prueba de una red de cables que comprende al menos una unión de la que parten N tramos secundarios (N superior o igual a 2), caracterizado porque comprende al menos dos fuentes de secuencias pseudoaleatorias de señales digitales no correlacionadas entre sí y adecuadas para conectarse en dos puntos de una red que va a probarse, medios de sincronización de las fuentes entre sí, un dispositivo de detección de la señal compuesta presente en al menos un punto de la red, y medios de cálculo de la función de correlación entre esa señal y cada una de las secuencias pseudoaleatorias retardadas con un retardo variable (\tau).