Уровень оптического сигнала в чем измеряется
9
Тестирование волоконно-оптических систем
Введение
После установки волоконно-оптической системы крайне важно тщательно ее протестировать, чтобы убедиться в соответствии техническим требованиям проекта. Тестирование волоконно-оптической системы как во время установки, так и при вводе системы в эксплуатацию является обязательной частью проекта. Проводимые приемочные испытания определят, является ли окончательно установленный кабель цельным и стабильным, были ли причинены какие-нибудь повреждения при установке кабеля, правильны ли вычисленные на этапе проектирования значения потерь соединений, коннекторов, длины волокна и т. д. и работает ли окончательно установленная система с должной производительностью..
Если система была тщательно спроектирована, а затем правильно установлена, результаты приемочного теста обычно показывают лучшие значения производительности, чем проектные параметры (в предположении, что придерживались консервативного подхода к проектированию). В редких случаях связь будет хуже, чем проектировалась. Это может быть из-за неожиданных потерь вследствие избыточных изгибов. В течение срока службы показатели линии связи также будут ухудшаться, что должно быть принято в расчет при проектировании. Во время приемочных испытаний будет также подтвержден учитываемый для этих непредвиденных потерь запас надежности.
Данная глава рассматривает требования к тестированию волоконно-оптических кабелей и передающего и приемного оптического оборудования. В первой части главы изучаются фундаментальные понятия, характерные для оптических измерений. Во второй части подробно исследуются основные волоконно-оптические тесты и оборудование. В заключение обсуждается ряд других, менее распространенных тестов, связанных с характеристиками окончательно установленных систем.
9.1. Фундаментальные понятия оптических измерений
9.1.1. Оптическая мощность
Основной единицей измерения, используемой в волоконной оптике, является мощность света. Как и электрическая мощность, оптическая мощность измеряется в ваттах.
Свойства света похожи на электрические. Световая энергия, как и электрическая энергия, теоретически принимает форму синусоидальных волн. Поэтому основные компоненты математических формул, использующихся для вычисления связанных с мощностью электрических измерений, могут также использоваться для вычисления связанных с мощностью оптических измерений.
К оптическим измерениям применяются следующие аналогии.
• Мощность является мерой скорости передачи энергии (где энергия Q измеряется в Джоулях). То есть:
• Мощность является функцией напряжения (U) и тока (I). У световой волны есть электрический компонент и магнитный компонент, что аналогично компонентам напряжения и тока в электрической энергии. Поэтому для электрической энергии:
для световой энергии:
• Световая энергия прямо пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны. Мощность электрической энергии прямо пропорциональна квадрату амплитуды напряжения или тока.
В случае световой энергии сопротивление фактически является проницаемостью стекла. Для света общая энергия Q вычисляется по формуле
Мощность света обычно измеряется и указывается в децибелах. Обсуждение в разделе 2.3, касающееся измерения в децибелах, относится также к оптическим измерениям.
Оптический передатчик передает сигнал в форме импульсов. Уровень мощности передаваемого сигнала постоянно меняется. Можно измерить мгновенное пиковое значение или среднее значение этой мощности. Это показано на рис. 9.1.
Рис.9.1. Мощность полученного сигнала
Мощность также прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине электромагнитной волны (С = λ х f). Теоретически свет представляется в форме крошечных частиц, называемых фотонами, которые излучаются атомами при переходах электронов между энергетическими уровнями, окружающими атомы. С возрастанием частоты (то есть снижением длины волны) пропорционально увеличивается энергия фотона. o Фактически это означает, что для возбуждения электрона для излучения фотона с высокой частотой необходимо больше энергии, чем для излучения фотона с низкой частотой. Следовательно, поскольку измерение оптической энергии есть мера потока фотонов в единицу времени, оптическая мощность прямо пропорциональна частоте и обратно тропорциональна длине волны. Эта зависимость описывается законом Планка:
9.1.2. Измерение мощности
Различные материалы, использующиеся при производстве детекторов света, чувствительны к различным длинам волн. Например, кремниевые детекторы интенсивно отвечают на сигналы 850 нм, тогда как детекторы из арсенида индия и галлия (InGaAs) дают сильные ответы на сигналы 1300 и 1550 нм. Поэтому детекторы света, используемые для целей измерений, должны быть откалиброваны для той частоты, которую они измеряют.
Детекторы обеспечивают линейный ответ лишь в ограниченном динамическом диапазоне уровня входного сигнала. Поэтому они должны быть откалиброваны для определенного применения и ожидающегося на входе в детектор из волоконно-оптического кабеля диапазона мощностей.
Время ответа детектора в экспонометре очень большое по сравнению со скоростью входных импульсов. Поэтому большинство экспонометров калибруется для измерения средней мощности.
9.1.3. Оптическая и электрическая полоса пропускания
Полоса пропускания определяется в двух разновидностях, оптической и электрической. Оптической полосой пропускания называют наивысшую частоту модуляции, при которой мощность оптической системы снижается на 3 дБ по сравнению с оптической мощностью на более низкой частоте. Из-за процесса преобразования в оптическом детекторе световой энергии в электрическую снижение оптической мощности на 3 дБ дает снижение электрической мощности на 6 дБ. При измерении электрической полосы пропускания используются те же правила, что и для оптической; электрическая полоса пропускания определяется снижением мощности на 3 дБ. Поэтому при необходимости измерения оптической полосы пропускания нужно помнить, что детектор покажет снижение электрической мощности на-6 дБ. Оборудование измерения мощности компенсирует это и покажет правильное значение оптической мощности. Процесс измерения оптической полосы пропускания обсуждается в разделе 9.3.3.
Уровень оптического сигнала в чем измеряется
Региональные представители:
2.1 Общая терминология.
Для дальнейшего рассмотрения темы PON необходимо определиться с терминологией, а конкретно с вопросами: что такое оптический бюджет мощности и оптический бюджет потерь, в чём измеряется оптическая мощность и что такое дБм, какие номинальные значения мощности и затуханий в сети PON и как всё это считать.
дБм – децибел на милливатт, единица измерения мощности в оптических системах передачи данных. Отличается от децибела тем, что уровень эталонного сигнала всегда равен 1мВт. Формула перевода мощности в дБм: А = 10logX, где А – значение в дБм, log – десятичный логарифм, X – значение переводимой мощности в мВт.
Оптический бюджет мощности – разница между значением мощности передатчика и чувствительности приёмника на разных концах линии связи. Измеряется в дБ. Стандартный оптический бюджет PON класса 2 составляет 25дБ гарантированно (допустимые значения оптического бюджета мощности находятся в диапазоне 25…30дБ).
Затухание – процесс потери мощности светового сигнала в линии связи. Сигнал в линии связи затухает как естественным образом, так и за счёт неоднородностей в волокне, сплиттеров, перегибов, механических повреждений, механических разъёмов, сварок, температуры окружающей среды. Измеряется затухание в дБ/км для волокна и в дБ для всего остального. Стандартное затухание в волокне на длине волны 1310нм составляет 0.36дБ/км, на длине волны 1550нм – 0.22дБ/км. Стандартное затухание на механическом соединении типа SC/UPC-SC/UPC составляет около 0.5дБ, на сварке – 0.05дБ. Основное затухание в PON-сеть вносят делители (сплиттеры) – затухание на них может быть от 4дБ до 21дБ (зависит от количества выходов делителя).
Оптический бюджет потерь – суммарное затухание от источника сигнала до самого удалённого приёмника сигнала. Измеряется в дБ. Максимальный оптический бюджет потерь в PON равен оптическому бюджету PON.
Уровень оптического сигнала в чем измеряется
Ответы на вопросы по тестированию оптического волокна.
Ниже приведен список вопросов, которые нам нередко задают на курсах повышения квалификации.
Измерения мощности в оптическом волокне.
Стандарты: ГОСТ26814-86, FOTP-95
Единицы измерения мощности.
В чем заключается отличие между «дБм» и «дБ»?
потери (дБ) = 10 lg (мВт1/мВт2)
Если мы измеряем абсолютные уровни, измеренные по отношению к 1 милливатту (мВт), то они выражаются в «дБм», и вычисляются следующим образом:
Уровень мощности (дБм) = 10 lg (мВт/1 мВт)
Какой уровень мощности должен быть на выходе источника при измерениях?
Это зависит от типа источника. При тестировании хорошего кабеля, выходная мощность должна находиться в следующих диапазонах:
Лазер (кабельное телевидение): от +20 до 0 дБм (в одномодовом волокне)
Какой уровень мощности должен быть на входе приемника?
Это зависит от сети и типа источника. При измерении на дальнем конце кабеля, выходная мощность находится, как правило, в следующих диапазонах:
Что такое бюджет потерь?
Какова обычная погрешность измерителей мощности?
Оптические измерители мощности, которые прошли поверку в соответствии с методикой МИ2505-98 (стандарт России), измеряют оптические потери с погрешностью примерно ± 0.2 dB или 5 %.
Являются ли дорогие измерители мощности более точными по сравнению с дешевыми?
Дорогие измерители обычно имеют лучший динамический диапазон и больше сервисных возможностей, но не лучшую абсолютную погрешность измерения.
Если источник прибора слегка отличается по длине волны от стандартной рабочей длины волны, не добавляет ли это ошибку в измерения?
Длина волны большинства источников не известна человеку, производящему измерения. Если использовать измерители, калиброванные на нескольких специфичных длинах волн, то их можно протестировать по тому же самому стандарту и получить более близко коррелированные измерения на источниках неизвестных длин волн. Часто при первичной поверке на прибор выдается свидетельство, в котором указан коэффициент поправки для других длин волн, на который надо умножать полученные при измерениях значения.
Зачем надо использовать передающий кабель, включаемый между источником и тестируемым кабелем?
Передающий кабель применяется для того, чтобы обеспечить условия, необходимые для ввода излучения в измеряемый кабель. Такой кабель должен соответствовать размеру волокна и типу коннектора тестируемого кабеля, и быть проверен на величину потерь для их учета при измерениях.
Почему нельзя подключать тестируемый кабель непосредственно к источнику?
Источники имеют большой разброс по введению света в волокно, что вызывает нежелательные погрешности при измерениях потерь. Кроме того, вводимая мощность может значительно изменяться с каждым включением в зависимости от юстировки коннектора волокна и коннектора источника.
Каковы потери в высококачественном передающем или приемном кабеле?
Хороший передающий или приемный кабель должен иметь затухание меньше чем 0.5 dB при измерении с одной стороны.
Всегда ли для проверки одномодового волокна необходим лазерный источник?
Для коротких одномодовых соединительных кабелей длиной до 5 км можно использовать светодиод. Длинные одномодовые кабели при измерении потерь будут иметь очень большие потери из-за широкого спектра светодиода, вызывающего более высокие потери в верхней и нижней частях его спектра. Например, для предотвращения интерференции, вызванной когерентным светом лазера, стандарт FOTP-171 рекомендует использовать светодиодные источники.
Что такое приемный кабель?
Каковы должны быть потери в кабеле? Как определить являются ли проведенные измерения правильными?
Потери в коннекторах составляют 0,5 дБ для состыкованной пары.
Потери в стыках составляют 0,2 дБ на стык
Многомодовое: 3 дБ/км 850 нм, 1 дБ/км 1300 нм
Одномодовое: 0,4 дБ/км 1300 нм, 0,3 дБ/км 1550 нм
Например: 1.5 км многомодовой линии с 3 соединениями на 850 нм:
Потери = (1,5 км X 3 дБ/км) + (3 коннектора X 0,5 дБ)
Потери = 4,5дБ + 1,5 дБ = 6 дБ
Не проще ли использовать для измерения потерь оптический рефлектометр?
Методика измерения с помощью рефлектометра не кореллируется с измерениями при помощи тестера. Так как источник и измеритель представляют собой пару, работающую точно так же как осуществляется передача сообщений, то все стандарты рекомендуют использовать для измерения потерь измеритель и источник.
Зачем тогда использовать рефлектометр?
Как просмотреть кабель внутри мертвой зоны, расположенной рядом с рефлектометром?
Как измерить оптическое затухание отражения?
Оптическое затухание отражения проверяются специальным методом, называемым рефлектометром непрерывного оптического излучения ( OCWR ), который применяется только для коротких соединительных шнуров. Если его использовать на проложенном кабеле, то общее обратное рассеяние волокна подавит отражение от коннектора. Двадцать км волокна дают такое же самое обратное рассеяние как и коннектор с обратными потерями 20 dB, и будет невозможно определить источник обратного рассеяния. Для определения возвратных потерь необходимо использовать OTDR (оптический рефлектометр временной области).
Насколько точны измерения такие измерения?
Погрешность измерения оптического затухания отражения очень высока, приблизительно ± 1 dB. Это вызвано тем, что отражение очень мало по сравнено с тестирующим сигналом, создающим шумовые проблемы, и сильно влияет на измерения в коннекторе измерительного прибора. Чтобы минимизировать погрешность поддерживайте коннектор в чистоте, проверяйте его с помощью микроскопа и в случае необходимости заново полируйте. Нельзя проводить измерения с разрешающей способностью 0.01 dB при погрешности измерений ± 1 dB.
Нет, специальные приборы не нужны. Хороший измерительный прибор можно получить, используя лазерный источник излучения, измеритель мощности и ответвитель.
В волоконной оптике грязь необходимо полностью исключить. Воздушнокапельные частицы с размерами равными размерам сердцевины одномодового волокна, особенно кварцевые могут царапать коннекторы:
1. Закрывайте коннекторы пылезащитными колпачками, если в данный момент не используете их.
2. Для чистки используйте этиловый спирт, так как некоторые растворители могут воздействовать на эпоксидную смолу. Ватные тампоны и ткань оставляют за собой потоки. Некоторые растворы для очистки оставляют следы, которые обычно притягивают и удерживают грязь.
3. Все » аэрозоли » сегодня содержат жидкие частицы. Они не оставит следов, если Вы:
1. держите их совершенно ровно при распылении и
2. перед использованием распыляете струю в течение 3-5 секунд для удаления каких-либо жидкостей из сопла. НИКОГДА не используйте сжатый воздух из шланга (в них всегда присутствуют частицы масел) и не очищайте своим дыханием (дыхание полно влаги, не говоря уже о микробах!)
4. Используйте специальные салфетки, пропитанные этиловым спиртом.
5. Фотодиоды измерителей мощности должны также иногда очищаться,
Измерение оптической мощности в FTTx и PON
Оптическая мощность, или мощность оптического излучения – это основополагающий параметр оптического сигнала. Она выражается в Ваттах (Вт), милливаттах (мВт), микроваттах (мкВт). А также логарифмических единицах – дБм.
Для измерения уровня оптической мощности используются специальные измерительные приборы – измерители оптической мощности. Методика измерений мощности в классических оптических сетях (построенных по топологии “точка-точка”) и сетях PON существенно отличаются, что приводит к применению различных по принципу действия измерительных приборов.
Измерение мощности в сетях FTTx
Для измерения уровня мощности сигнала в таких сетях применяются стандартные измерители мощности с одним входом. Для того чтобы провести измерение, необходимо:
Рисунок 1 – подключение прибора при измерении мощности в сетях FTTx
Измерение оптической мощности в PON сети
В связи с тем, что в PON сети от оператора к абонентам передается одновременно информация на двух длинах волн (1490 нм и 1550 нм), то измерить мощность сигнала на каждой из них возможно только по очереди и с применением дополнительных фильтров, что не всегда удобно. Кроме того, обратный канал (от абонентов к оператору) построен по принципу временного разделения каналов и оборудование каждого из абонентов работает только малую часть времени. (Принцип передачи информации в PON сети описано подробно в статье). В результате, если попытаться измерить мощность, передаваемую от абонента к оператору PON сети, при помощи стандартного измерителя (как на рис 1), то получим значение, указанное в столбце Std PM таблицы на рисунке 2
Рисунок 2 – сравнение результатов измерений оптической мощности на длине волны 1310 нм в PON сети при помощи стандартного и специализированного измерителей мощности
Обратите внимание на различия в результатах измерения стандартным и специализированным измерителем. Ошибка измерений стандартного измерителя вызвана тем, что он выдает среднее значение мощности за период измерений, вместе с тем как специализированный прибор измеряет мощность только в момент, когда абонентское оборудование активно и идет передача информации.
Специализированный измеритель мощности в PON сетях включается в разрыв, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3 – способ подключения измерителя мощности PON
В отличии от стандартного измерителя, измеритель PON отображает одновременно уровни всех проходящих через него сигналов: на длине волны 1310 нм; 1490 нм; 1550 нм. Вместе с тем, многие измерители PON имеют также возможность установки пороговых значений, в результате чего тестер кроме числового значения будет делать вывод в виде “ПРОШЕЛ/НЕ ПРОШЕЛ”.
Рисунок 4 – результаты измерений измерителя мощности PON
Поэтому, при проведении измерения мощности сигналов в PON сети рекомендуется:
Вебинар на тему “Методики измерения параметров ВОЛС”
Измерения на ВОЛС
Когда говорят об измерениях ВОЛС, прежде всего имеют в виду измерения оптических потерь в волокне. Действительно, в первую очередь именно потери мощности излучения (а не дисперсия) становятся определяющим критерием, ограничивающим длину ретрансляционного участка линии связи. Информация, полученная в результате измерения уровня мощности сигнала в линии, понимание того, как меняется мощность этого сигнала, дает возможность судить о качестве построенной ВОЛС. И правильно получать эту информацию, уметь её интерпретировать и обрабатывать — очень важный момент в работе специалистов, имеющих дело с волоконно-оптической техникой.
Различают несколько направлений деятельности, связанных с ВОЛС, где возникает задача проведения измерений:
Комплекс измерений, которые необходимо проводить при строительстве линий связи — самый обширный. На этапе строительства параметры линии измеряются наиболее тщательно. Результаты заносятся в протоколы и оформляются в виде исполнительной документации на построенную ВОЛС, которая, в свою очередь, служит важнейшим документом, на основании которого ведется дальнейшая эксплуатация этой ВОЛС. Именно качество исполнительной документации, точность указанных в ней данных и определяет удобство и правильность работы с линией связи.
Измерения в процессе эксплуатации обычно подразумевают периодический контроль состояния линии связи. Проводятся они согласно регламенту, принятому в той организации, которая эту линию эксплуатирует. Они могут производиться в автоматическом режиме, когда за состоянием линии следит специальный программно-аппаратный комплекс, получающий информацию с оптических датчиков. В некоторых случаях достаточно измерений в «ручном» режиме, когда инженер сам проверяет линию с помощью измерительного оборудования. Но и в том, и в другом случае, крайне важна квалификация персонала, ответственного за состояние линии, его умение разобраться в том, что с ней происходит.
Под обслуживанием ВОЛС обычно понимается деятельность, направленная на поддержание линии связи в рабочем состоянии. Обслуживание производится на основании договора между владельцем линии и некоей обслуживающей организацией. Как правило, в рамках договора такая организация обязана не только следить за работоспособностью линии, но и устранять аварийные ситуации, которые на ней могут возникнуть. В таких случаях измерения проводятся с целью локализации повреждения, выяснения его характера, позволяют оперативно это повреждение устранить.
Причины потерь в оптоволокне
Потери измеряют в децибелах (дБ) и описывают отношение сигнала прошедшего через линию и сигнала, введенного в линию. Потери в линии связи будут всегда, избавиться от них невозможно, поэтому требуется принять меры, чтобы их минимизировать. Причин возникновения этих потерь много и необходимо точно понимать их характер:
Оптическое волокно (ОВ) служит хорошей средой для распространения оптического сигнала. Но даже в этой замечательной среде, а именно в кварцевом стекле, из которого изготовлена сердцевина волокна, всегда содержатся примеси, включения, из-за которых волокно теряет часть проходящего по нему света. Точечные области, в которых сконцентрированы эти примеси, служат источником рассеяния полезного сигнала и, соответственно, вызывают частичную его потерю. Поскольку распределение примесей по длине ОВ можно считать равномерным, то и свет будет равномерно ослабевать по мере прохождения по ОВ. При этом с ростом длины волны излучения способность рассеивать у волокна уменьшается. Почему бы тогда не использовать самую большую длину волны, чтобы обратить в ноль рассеяние света? К сожалению, начиная с некоторого значения длин волн в волокне появляется ещё одна составляющая затухания, а именно — инфракрасное поглощение света, то есть, преобразование оптической энергии в тепловую. А это снова потери! Результатом действия двух этих причин будет сумма потерь от каждой из них. Минимума потери в ОВ достигают при передаче сигнала на длине волны 1550 нм.
Потери света в волокне описываются величиной, называемой километрическим затуханием (т. е. величина потерь на единицу длины ОВ) и выражаются в дБ/км.
В настоящее время для λ = 1550 нм стандартным значением затухания в одномодовом ОВ считается α = 0,19–0,22 дБ/км. В зависимости от марки ОВ это значение может быть разным. Поэтому, когда выбираете кабель для будущей трассы, этот параметр важно знать и учитывать. Например, в кабельной продукции «Инкаб» используется исключительно волокно фирмы Corning®, а это дает понимание того, что у волокна в кабеле будет иметь всегда заранее известное значение затухания. Затухания волокна марки Corning SMF-28 ULTRA, которая выбрано заводом «Инкаб» в качестве основной, составляет всего лишь 0,18 дБ/км.
Следующей причиной потерь служат изгибы ОВ. Принято разделять их на два типа — микро- и макроизгибы. В первом случае речь идет о незначительном, но неизбежном изгибе волокон при размещении их в кабеле. Этот изгиб присутствует по всей длине кабеля и проконтролировать его мы не в состоянии, но, к счастью, его вклад в потери ничтожен. Второй случай гораздо серьёзнее. Потери при макроизгибах появляются уже по вине человека, который работает с волоконно-оптическим кабелем. Основная причина изогнутого волокна в построенной ВОЛС — неправильно проложенный кабель. В некоторых случаях — нарушения при монтаже кросса или муфты. Чем больше изгиб, тем больше потери. Причиной появления потерь на месте изгиба служит простое физическое явление — угол падения света на границу раздела сердцевины и оболочки превышает критический и часть излучения выходит из сердцевины. При этом, чем больше длина волны, тем больше будет величина потерь.
Потери на сварных соединениях появляются, в основном, из-за несовпадения сердцевин соединяемых волокон, которая может быть вызвана нарушением геометрии сечения ОВ. В этом случае ответственность за качество сварных несёт, если можно так выразиться, сварочный аппарат. Именно технология юстировки волокон перед сваркой, распознавание компьютером сварочного аппарата местоположения сердцевин ОВ и определяет качество сварки в плане потерь. Разные марки волокон могут иметь разные диаметры сердцевин, разные допуски на эксцентриситет и аппарат должен уметь с ними работать. При этом, разумеется, необходимо соблюдение всех сопутствующих требований к подготовке ОВ к сварке, чтобы соединение не имело дополнительных дефектов. Любой дефект сразу же переводит сварное соединение в разряд некачественного, даже без измерений. Качественным же сварное соединение обычно считается, если потери не превышают 0,05 дБ (на длине волны 1550 нм). Необходимо также помнить, что потери на стыке оцениваются только при измерении с двух сторон.
Потери на разъёмных соединениях, проще говоря — на разъёмах, вносят потери гораздо большие, нежели на сварках ОВ. За счёт того, что между поверхностями коннекторов всегда присутствует небольшой воздушный зазор, на соединение теряется гораздо больше полезного сигнала. Величину потерь, допустимых на таком соединении, принято считать равной 0,5 дБ. При этом надо понимать, что складывается эта величина из потерь на поверхностях двух коннекторов, и каков вклад каждого из них, точно определить невозможно. Величину потерь на коннекторе контролируют на производстве, но, как показывает практика, и здесь не всегда достигается хороший результат, поскольку серийное производство оптических шнуров подразумевает выборочный контроль. Поэтому для подключения измерительных приборов к тестируемой линии рекомендуется использовать прецизионные шнуры, которые проходят поштучный контроль и соответствуют более высоким требованиям. Среди продукции ООО «СвязьСтройДеталь» такие шнуры представлены серией HS (High Solution).
Все перечисленные составляющие потерь в ВОЛС могут дать представление о том, на что можно рассчитывать, проектируя будущую линию связи. Имея информацию о составе будущей линии, о марке кабеля, который собираемся использовать, о строительных длинах, из которых будет состоять трасса, о количестве сварных сростков ОВ, о количестве коннекторов в линии, можно подсчитать так называемый оптический бюджет линии. Как его рассчитывать, читайте в нашем отдельном материале.
Приборы для измерения потерь в оптическом волокне
Для контроля качества волоконно-оптических линий связи путем измерения в них потерь необходимо и достаточно применения двух типов измерительной аппаратуры. Это оптические тестеры (OLTS — Optical Loss Test Set), позволяющие измерять полные потери в линии и оптические рефлектометры (OTDR — Optical Time Domain Reflectometer), с помощью которых можно измерять распределение потерь вдоль линии.
Отличие в их применении заключается в том, что при использовании тестера необходимо использовать два устройства и подключаться к обоим концам линии, в то время как рефлектометр для измерения нужно подключать к линии только на одном конце. Разница обусловлена различными принципами измерения потерь. Оптический тестер, который в общем случае представляет из себя комплект из двух устройств — источника оптической мощности и измерителя оптической мощности, — проводит прямые измерения, то есть для определения потерь сравнивается уровень мощности на входе в линию и на выходе из неё. Разница в дБ и будет искомым результатом. Рефлектометр же, будучи подключенным только с одного конца ВОЛС, зондирует волокно тестовыми импульсами и получает отклик в обратном направлении, вызванный обратным рассеянием в волокне. Анализируя этот отклик, процессор рефлектометра рассчитывает, сколько оптической мощности теряет сигнал в каждой точке ОВ. Такой вид определения потерь можно назвать косвенным. Именно с этим, с погрешностью косвенного метода, связаны некоторые приближения в подсчёте полных потерь в линии. Этим же объясняется и превосходство по точности оптических тестеров. Помимо этого, тестером можно измерять потери в линиях любой протяжённости (от 0 м), в то время как рефлектометр не позволяет оценить потери в коротких, порядка нескольких метров волокнах (оптические шнуры). Эта особенность работы будет рассмотрена далее.
Принимая во внимания перечисленные отличия, можно описать задачи, которые решаются двумя этими типами приборов:
Тестер:
Рефлектометр:
Измерения рефлектометром и его принцип работы
Рис. 1. Структурная схема рефлектометра.
На рис. 1 показана схема OTDR, по которой наглядно можно пояснить принцип работы рефлектометра. Как правило, в состав прибора входят два основных блока. Базовый модуль содержит основной корпус, дисплей, органы управления и самую важную часть — процессор. Второй блок — оптический, в нём располагается электроника, отвечающая за генерацию оптических сигналов, источник излучения и различные оптические порты.
В измерительный порт вставляется коннектор оптического шнура (патч-корда), которым прибор подключается к тестируемому волокну линии. При запуске процесса измерения процессор даёт команду на формирование зондирующего импульса определенной мощности и длительности. Генератор формирует его в электрической форме, лазерный диод преобразует его в оптическое излучение определенной длины волны и посылает в линию. Импульс проходит через оптический порт и распространяется далее в волокне линии. В каждой точке ОВ свет испытывает рассеяние. Совсем незначительная часть света рассеивается во все стороны, причём бОльшая его часть рассеивается в обратном направлении. Эта часть возвращается по волокну обратно и, пройдя входной порт, через ответвитель попадает на фотоприёмник. Этот элемент обладает очень высокой чувствительностью, что позволяет ему улавливать сигнал, в тысячи раз ослабленный по сравнению с уровнем мощности зондирующего импульса. Сигнал регистрируется на протяжении определенного времени, оцифровывается (АЦП) и анализируется процессором. Результатом обработки этого цифрового сигнала будет некая зависимость уровня мощности от времени. Для удобства временная шкала пересчитывается в шкалу расстояний и на экран выводится результирующая кривая, характеризующая уровень обратного рассеяния в каждой точке тестируемого ОВ. Эта кривая называется рефлектограммой.
Состав рефлектограммы
Рис. 2. Общий вид рефлектограммы
На рис. 2 можно увидеть рефлектограмму, содержащую несколько характерных участков, соответствующих различным неоднородностям в ОВ. Эти неоднородности принято называть событиями.
Чтобы получить значения потерь, возникающих в той или иной части линии, необходимо прежде всего правильно интерпретировать всё, что видно на этой кривой.
Основными типами событий можно назвать следующие:
На практике можно столкнуться с различными вариациями и комбинациями этих событий и умение их корректно идентифицировать — задача иной раз не из лёгких. Но упростить себе жизнь можно, получив рефлектограмму красивого, информативного вида. Для этого следует придерживаться некоторых правил и правильно установить параметры прибора.
Самое главное правило при работе с OTDR — аккуратное обращение с вводным коннектором. Следует помнить, что в корпусе прибора установлен точно такой же коннектор (как правило, типа UPC), какой вставляем в измерительный порт снаружи. Но за одним исключением — если повредим коннектор патч-корда, всегда можно взять новый патч-корд. Коннектор, установленный в оптическом тракте прибора, заменить не сможем. При его повреждении придётся обращаться в сервис. Поэтому перед началом измерений рекомендуется убедиться в чистоте всех коннекторов, в случае загрязнений очистить все торцевые поверхности. Для этих целей рекомендуется использовать специальные чистящие приспособления. После окончания измерений все коннекторы закрываются колпачками, измерительный порт — специальной крышечкой.
Для контроля чистоты коннекторов наилучшим решением будет использование специального компактного микроскопа. Но он достаточно дорог. Поэтому в его отсутствие можно сделать оценку по следующему признаку. Если, начав измерения, видим на рефлектограмме область ввода, схожую с изображением на рис. 3, можно смело утверждать — на каком-то из коннекторов осталась грязь.
Рис. 3. Область ввода в случае загрязнения («лыжа»).
Необходимо извлечь коннектор патч-корда, провести чистку и при последующем подключении картинка будет иметь такой же вид, как на рис. 4.
Рис. 4. Область ввода с чистыми коннекторами.
Если коннекторы чистые, необходимо произвести настройку параметров измерения.
Перечислим эти параметры и поясним, на что они влияют:
Оптические рефлектометры могут производить измерения на различных длинах волн. Как правило, длины волн выбираются производителями в соответствии с рабочими диапазонами (окнами прозрачности) оптических волокон.
Хотя километрическое затухание в ОВ различно на разных длинах волн, принципы и методы проведения измерений являются одинаковыми для всех длин волн. Если для отчёта не требуется предоставить результаты измерений на нескольких длинах волн, достаточно провести измерения с λ = 1550 нм.
Под диапазоном измеряемых длин понимается длина волокна, которую рефлектометр будет изображать на рефлектограмме. Правило довольно простое — необходимо установить этот диапазон таким, чтобы на рефлектограмме уместилась вся линия целиком. Если линия будет обрываться на середине, это будет считаться недопустимым результатом.
Длительность импульса — один из самых ключевых и неоднозначных параметров. Дело в том, что при увеличении его длительности, можно обнаружить такой эффект, как увеличение так называемых «мёртвых зон» после отражающих неоднородностей. Мёртвой зоной называют участок рефлектограммы, на котором нельзя получить никакой информации об истинном уровне обратного сигнала. Связано это с тем, что всё время, которое испускается зондирующий импульс, рефлектометр будет получать и отклик от него. Этот отклик будет иметь вид резкого всплеска. И чем длиннее импульс, тем дольше будет этот всплеск перекрывать любые события, следующие за этим отражением. На рис. 5 приведены рефлектограммы, полученные на одной и той же линии, но с разными tимп.. При самом большом импульсе мы уже не «видим» сварного соединения на расстоянии 540 м от начала линии.
Рис. 5. Сравнение мёртвых зон при импульсах разной длительности.
Почему бы тогда не ставить всегда длительность импульса на минимум? В этом и заключается коварная особенность этого параметра — при уменьшении длительности импульса обнаружим, что уровень обратного сигнала из линии падает настолько быстро, что обращается в шум, не достигая конца линии. Наглядно это показано на рис. 6, где приведены рефлектограммы, снятые с линии довольно большой протяжённости, и с импульсами разной длины.
Видим, что короткие импульсы начинают искажаться и превращаются в шумы, делая часть рефлектограммы совершенно непригодной для измерения.
Рис. 6. Измерение с разной длительностью импульсов линии большой длины.
Варьируя этим параметром, в итоге можем получить результат, который нас интересует в конкретном случае: либо получить высокую детализацию и разглядеть события, находящиеся вблизи друг от друга, либо увидеть линию целиком и точно измерить потери по затуханию на линейных участках.
Кстати, с появлением мёртвой зоны на вводе связано ограничение по минимальной измеряемой длине волокна, упомянутое в начале статьи. Рефлектометр практически не способен различить длину волокна порядка 1–2 метров, поскольку даже у самых совершенных моделей эта начальная мёртвая зона составляет порядка 3 метров.
Также начальной мёртвой зоне можно приписать невозможность измерения потерь на коннекторе ближнего к измерителю кросса. Если уровень обратного сигнала после коннектора отчётливо видно, то каким был уровень до него — не позволяет мёртвая зона. Для борьбы с этим применяются так называемые согласующие кабели, представляющие из себя катушки волокна, имеющие длину, как правило, от 200 м до 1 км. Такая катушка оконечена разъёмами и ставится в оптический тракт между прибором и тестируемой линией. В результате получим рефлектограмму вида, изображенного на рис. 7.
Рис. 7. Рефлектограмма, полученная с применением согласующего кабеля.
Зная уровень сигнала до разъема на кроссе и уровень после него, определяем, сколько децибел сигнал потерял на этом разъёме.
Следующим установочным параметром является коэффициент преломления кварцевого стекла сердцевины. Для нас этот параметр правильнее будет определить как величину, показывающую, во сколько раз скорость света в вакууме превышает скорость света в волокне. Это отношение используется прибором для расчёта расстояний, которые проходит в ОВ зондирующий импульс.
И последний параметр — время усреднения. В режиме работы OTDR с усреднением происходит запоминание результатов от всех зондирующих импульсов, которые прибор посылает в линию и дальнейшее усреднение этих результатов. Это позволяет улучшить вид рефлектограммы, сглаживая линейные участки, особенно на линиях большой длины. Чем больше время усреднения, тем больше результатов будет накоплено и тем более гладкий вид будет иметь кривая. Но вместе с увеличением этого времени, увеличивается общее время, которое уйдет на измерения. Особенно это актуально при измерениях линий, содержащих большое число волокон.
Помимо режима работы «с усреднением» в рефлектометре есть режим «в реальном времени». В этом случае рефлектометр постоянно зондирует ОВ импульсами и результат каждого отклика выводит на экран. В этом случае вид кривой получается неустойчивым, колеблющимся и непригодным для снятия показаний. Использование такого режима удобно, когда необходимо определить место обрыва в линии или для идентификации нужного волокна.
Смотрите обзоры рефлектометров на канале ВОЛС.Эксперт в Ютубе