Измерения параметров волоконно-оптических линий связи

Стр 1 из 5Следующая ⇒

Лекция 12

Измерения параметров волоконно-оптических линий связи

План:

1. Методы и средства измерения оптических характеристик ВОЛС;

2. Тенденции развития методов и средств измерения ВОЛС;

3. Приемо-сдаточные измерения и составление паспорта ВОЛС;

4. Измерение затухания оптическими тестерами;

5. Основы рефлектометрии в оптическом диапазоне;

6. Рефлектрометрические измерения параметров ВОЛС

7. Характеристики ОТДР;

8. Типы рефлектометров и их основные параметры.

Измерения характеристик кабеля, в том числе оптических характеристик ОВ, при строительстве преследует одну цель: обеспечить для кабеля данной конструкции высокую однородность параметров передачи линии вне зависимости от времени.

Поэтому тестирование кабельных линий ведется на всех этапах строительства, монтажа оборудования и эксплуатации ВОЛС.

Измерения линейно-кабельных сооружений проводятся на всех этапах их создания. От традиционных измерений на кабелях с медными жилами они отличаются только тем, что лежат в очень высокой области электромагнитного излучения (в оптическом диапазоне). Поэтому измерять параметры элементов ВОЛС начинают в научно-исследовательских лабораториях, разрабатывающих это оборудование (ОВ, кабельные конструкции, разъемы, соединители и т.п.). К ЛКС относят все элементы, включенные в тракт передачи от агрегатного блока передатчика до агрегатного блока приемника на противоположном конце линии. Эти элементы, включенные последовательно, определяют передающие свойства линейного тракта ВОЛС. Измерению подлежат параметры этих элементов, к которым относятся:

— ОВ в кабелях;

— места сварок в соединительных муфтах и панелях;

— механические соединители и шнуры;

— передающий блок с источником излучения;

— приемный блок с фотоприемником.

Основными параметрами, подлежащими измерению, являются:

— спектральная характеристика источника излучения;

— мощность излучения передатчика;

— ширина спектральной линии;

- стабильность механических соединений (повторяемость результатов, вносимых потерь и коэффициент обратного отражения);

— однородность волокон по затуханию и дисперсии;

— значение вносимого затухания при соединении строительных длин;

— чувствительность приемника.

Результаты параметров и характеристики элементов линейного тракта закладываются в принятые проектные решения и служат для определения длины участка регенерации или длины усилительного участка.

Методы и средства измерения оптических характеристик ВОЛС

Измерение основных параметров ВОЛС

Несмотря на существенные отличия принципов работы как систем ВОЛС, так и отдельных их узлов и компонентов от обычных кабельных систем с применением металлических кабелей, а также на специфику метрологического обеспечения ВОСП, общими для традиционных кабельных систем и для ВОСП остаются основные параметры, подлежащие измерению:

— мощность сигнала, вводимого в линию, дБм.

— затухание сигнала в линии, дБ.

— длина волны (мкм или нм) или частота несущего электромагнитного излучения (Гц или ТГц).

- дисперсия (расширение) импульса в тракте, пс.

— чувствительность системы передачи (дБм) при заданном коэффициенте ошибок.

Для современных ВОСП существуют оптические параметры, не присущие системам передачи по электрическому кабелю:

— ширина спектральной линии оптического излучения, нм.

— поляризационная модовая дисперсия, пс·км.

— комбинационное рассеяние, %

Измерение оптической мощности

Оптическая мощность измеряется в следующих точках ВОЛ: на передающем пункте (точка S) — выходе оптического передающего модуля (блока), то есть на оптическом интерфейсе передатчика — оптическом разъеме (чаще всего типа FC или PC) — и на входе оптического приемного блока, то есть выходе оптического разъема, которым оконцовано соответствующее волокно оптического кабеля на выходе линии (точка R).

Измерение полосы пропускания и дисперсии ОВ

Полоса пропускания (дисперсия) относится к основным параметрам ОК, определяющим информационно-пропускную способность кабеля. Для измерения полосы пропускания многомодовых кабелей могут быть использованы импульсные и частотные методы.

Импульсный метод. Метод основан на последовательной регистрации импульсов оптического излучения на выходе волокна измеряемого кабеля и на выходе его короткого отрезка, образованного за счет обрыва в начале волокна. Для измерения отбирают отрезки кабеля с известной длиной, прошедшие испытание на оптическую целостность методом обратного рассеяния. Минимальная длина кабеля указывается в стандартах или ТУ на конкретный ОК. Торцовые поверхности ОВ измеряемого кабеля должны быть перпендикулярны оси волокна и не иметь сколов и повреждений, препятствующих прохождению оптического излучения.

Частотный метод основан на сравнении зависимостей изменения сигнала на выходе волокна измеряемого кабеля и на выходе короткого его отрезка от частоты модуляции оптического сигнала.

Для измерения хроматической дисперсии одномодовых кабелей используются метод временной задержки и фазовый метод. Оба метода удовлетворяют требованиям точности и воспроизводимости результатов и одобрены МККТТ. Однако метод временной задержки реализовать сложнее, поскольку из-за того, что значения коэффициента хроматической дисперсии кабелей связи менее 1, 5 пс/(нм·км), он требует применения чрезвычайно быстродействующих устройств.

Фазовый метод более прост в реализации, поэтому чаще применяется на практике. Метод основан на измерении фазового сдвига сигнала, модулированного по интенсивности излучения, которым зондируются ОВ кабеля на различных длинах волн. Частота модуляции интенсивности обычно фиксирована и лежит в пределах 30 … 100 МГц.

Характеристики ОТДР

Динамический диапазон ОТДР определяет, какой длины волокно может быть измерено. Он измеряется в дицибелах — чем больше его значение, тем большее расстояние способен измерить рефлектометр. Контрольный импульс должен быть достаточно сильным, чтобы достичь конца тестируемого волокна, а сенсор должен быть достаточно хорошим, чтобы измерить самые слабые сигналы обратного рассеивания, поступающие с другого конца волокна. Комбинация всей импульсной мощности лазерного излучателя и чувствительности- сенсора определяет динамический диапазон: очень мощный источник и чувствительный сенсор дадут большой динамический диапазон, в то время как более слабый излучатель и сенсор средней чувствительности дадут низкий динамический диапазон.

Динамический диапазон для ОТДР определяется разницей между уровнем обратного рассеивания на ближнем конце волокна и верхней границей среднего уровня шумов у конца волокна или за ним. Большой динамический диапазон произведет чистые и ровные показания уровня обратного рассеивания у удаленного конца волокна. Маленький динамический диапазон произведет неровную траекторию на дальнем конце — точки данных, составляющие кривую уровня обратного рассеивания не построят плавную линию, а будут скачки вверх и вниз с одной точки к другой. Детали такой траектории трудно читаются. Увеличение всей выходной мощности импульса лазерного излучателя может быть выполнено двумя способами: увеличить количество излучаемого света или увеличить длительность импульса. Существуют ограничения на каждый из этих способов.

Лазерный диод имеет естественный максимальный выходной уровень, который не может быть превышен. Также высокий выходной уровень сокращает продолжительность работы лазера — он может быстрее «выгореть».

При увеличении длительности импульса происходит увеличение динамического диапазона. Расширение диапазона измерений возможно за счет использования процедуры усреднения, рисунок 12.10.

Рисунок 12.10 – Динамический диапазон оптического рефлектометра

Мертвая зона относится к месту на траектории волокна, следующему за Френелевским отражением, в котором высокий возвратный уровень отражения перекрывает низкий уровень обратного рассеивания. Конструкция сенсора ОТДР позволяет измерять низкие уровни обратного рассеивания с волокна и делает его «слепым» при большем Френелевском отражении. Этот «слепой» период длится столько же, сколько и длительность импульса.

Когда сенсор принимает высокий уровень отражения, он насыщается и уже не способен измерять низкие уровни обратного рассеивания, которые могут следовать непосредственно за отражательным событием. Мертвая зона включает в себя длительность отражения плюс время восстановления сенсора до максимальной чувствительности. Сенсоры высокого качества восстанавливаются быстрее, чем более дешевые, что сокращает их мертвые зоны. Эффект мертвой зоны может быть проиллюстрирован (рисунок 12.11) тем, что происходит в то время, когда вы смотрите на звездное небо: если нет поблизости другого света, ваши глаза становятся чувствительными и вы способны увидеть очень тусклые звезды (сравним с обратным рассеиванием). Если кто-нибудь затем наведет фонарик вам в глаза, яркий, подавляющий свет (подобно отражению Френеля) ослепляет вас и вы больше не способны увидеть звезды. Вы ничего не сможете увидеть, кроме яркого света до тех пор, пока он у вас в глазах (длительность импульса). После того, как свет убран, ваши глаза медленно привыкают к темноте, становясь более чувствительными и вы снова способны видеть низкий световой уровень звезд. Сенсор ОТДР действует так же, как наши глаза в этом примере. Период слепоты и восстановления к чувствительности обратного рассеивания является мертвой зоной.

Рисунок 12.11 - Определение мертвых зон

Поскольку мертвая зона напрямую связана с длительностью импульса, она может быть уменьшена сокращением длительности импульса. Но сокращение длительности импульса уменьшает динамический диапазон. Конструкция ОТДР должна найти компромисс между этими двумя характеристиками. Пользователь ОТДР также должен выбрать длительность импульса в зависимости от того, что важно ему увидеть: близко расположенные события или просмотреть волокно дальше.

Важность мертвых зон. Мертвые зоны возникают по всей длине волокна везде, где есть волоконный соединитель и некоторые дефекты в волокне, такие как трещины. В каждом волокне всегда есть, по крайней мере, одна мертвая зона: там, где оно подсоединено к ОТДР. Это означает, что есть промежуток в самом начале тестируемого волокна, где нельзя сделать измерения. Этот промежуток непосредственно связан с длительностью импульса лазерного излучателя. Обычные длительности импульса в диапазонах ОТДР составляют от 10 нм (наносекунды — миллиардные доли секунды) до 10000 нс. В расстояниях это выражается от двух метров до 1, 5 и более километров. Если вам нужно дать характеристику волокна, которое расположено с ближнего конца, вам нужно выбрать самую короткую, по возможности, длительность импульса. Мертвые зоны характеризуются как мертвые зоны события или мертвые зоны затухания. Мертвая зона — это расстояние после отражения Френеля до возможного следующего за ним отражения Френеля. Мертвая зона затухания — это расстояние после отражения Френеля до уровня обратного рассеивания. Мертвые зоны события всегда короче мертвых зон затухания. На рисунке 12.11 показано, как измеряются две мертвые зоны.

Существуют две характеристики разрешающей способности:

пространственная (расстояние) и потерь (уровень).

Разрешающая способность потерь — это способность сенсора различать уровни принимаемой мощности. Большинство сенсоров ОТДР способны показывать разницу до 0, 01 дБ в уровне обратного рассеивания. Эту характеристику не нужно путать с точностью уровня, о которой пойдет речь позднее. По мере удаления лазерного импульса, соответствующий сигнал обратного рассеивания становится слабее и разница между двумя уровнями обратного рассеивания с двух соседних точек измерения — или с двух измерений одной и той же точки — становится больше. Таким образом, точки данных, составляющие траекторию и находящиеся на удалении, делают ее более вертикальной, чем те, что находятся близко к рефлектометру. Это производит «зашумленную» траекторию на конце и требует некоторого усреднения импульсов измерения для того, чтобы сгладить ее. «Шум» в траектории может помешать в распознавании или измерении сварок с низкими потерями или дефектов с низкими потерями.

Пространственная разрешающая способность показывает то, как близко точки, составляющие траекторию, распределены во времени (и соотносятся в расстоянии). Она измеряется в единицах длины — высокая разрешающая способность — в 0, 5 м и низкая разрешающая способность — от 4 до 16 м. Блок управления ОТДР берет показания с сенсора о точках данных в одинаковые промежутки времени. Если он часто снимает показания с сенсора, это означает, что точки данных распределены плотно друг к другу и ОТДР может распознать плотно расположенные события в волокне. Способность ОТДР распознать конец волокна определяется пространственной разрешающей способностью: если он снимает точки данных каждые восемь метров, тогда он сможет распознать конец волокна с точностью ±8 метров. Оператор может выбрать и измерить расстояние и потери между любыми двумя точками данных. Те, которые расположены ближе, предоставят более детальную информацию. ОТДР изображает траекторию волокна в виде линии, соединяющей точки данных, и позволяет оператору помещать курсор как между точками, так и в точках. Такая интерполяция информации дает лучшую разрешающую способность дисплея, чем общая пространственная разрешающая способность (или точки данных).

Пространственная разрешающая способность сокращается в определенных местах мертвой зоной. Действительные измерения затухания производятся только от уровня обратного рассеивания до уровня обратного рассеивания. Точки данных, взятые в момент насыщения датчика (по причине Френелевского отражения), не могут быть использованы в проведении измерения потерь, поскольку датчик в это время не способен производить точные измерения. Поэтому, пространственная разрешающая способность в области Френелевского отражения хуже (низкая разрешающая способность), потому что наиболее приемлемые точки находятся до и после мертвой зоны.

Разрешающая способность измерения — расстояние между точками данных — может быть установлена на некоторых типах рефлектометров. Высокая разрешающая способность (более плотно расположенные точки данных) обеспечивает более детальную информацию о волокне, но такой контроль обычно занимает больше времени, чем контроль с меньшей разрешающей способностью. Лучшая разрешающая способность, предлагаемая ОТДР — это 0, 5 м между точками данных. Обычная разрешающая способность составляет 8 м.

Более высокая разрешающая способность позволяет с большей точностью определить местонахождение события. Например, если ОТДР снимает измерения каждые восемь метров волокна, то тогда вероятно, что излом может произойти в семи метрах после точки данных. В результате отражение Френеля начнется со следующей точки на том уровне рассеивания, который был в предыдущей точке.

Поскольку промежуток до обрыва всегда располагается на уровне обратного рассеивания в последней точке перед отражением Френеля, то действительное местонахождение обрыва будет сдвинуто на 7 м. Если разрешающую способность сократить до 0, 5 м, то местоположение отражения будет определено гораздо точнее — примерно до 0, 3 метра.

«Усиление» при сварке. Иногда при сварке двух волокон уровень обратного рассеивания в этом месте сдвигается вверх, а не вниз. С первого взгляда это можно расценить, как усиление мощности в месте сварки. ОТДР может показать даже отрицательное значение потерь на сварке. На самом же деле это показывает, что были подобраны два несоответствующих волокна, второе волокно имеет более высокий коэффициент обратного рассеивания, чем первое, поэтому оно рассеивает обратно большую часть света. Датчик ОТДР воспринимает это как более высокий уровень, чем уровень на конце первого волокна и составляет траекторию из соответствующих точек данных на экране выше предыдущего уровня. Если ту же самую сварку проконтролировать с другой стороны, то ОТДР покажет более высокие (но в пределах нормы) потери, чем величина отрицательных потерь. В этом случае реальное значение потерь на сварке — это среднее арифметическое двух показаний. То есть, если усиление в -0, 25 дБ, а в обратном направлении 0, 45 дБ, то действительные потери на сварке составят 0, 1 дБ.

Литература

1. Виноградов В.В., Котов В.К., Нуприк В.Н. Волоконно-оптические линии связи. М.: ИПК Желдориздат, 2002, 278 с.

2. Липская М.А. Волоконно-оптические линии связи. Алматы, КазАТК, 2007, 157с.

3. Липская М.А. Волоконно-оптические линии связи. Алматы, КазАТК, 2010, 173с.