На что влияет величина динамического диапазона по потоку обратного рассеяния

Динамический диапазон, «мёртвая зона» и разрешающая способность

К основным параметрам OTDR(оптических рефлектометров), правильный выбор которых позволяет оптимизировать режим измерений, относятся:

Оценку этих характеристик различают по потоку обратного рассеяния и по току Френелевского отражения.

Динамический режим

Это важнейшая из характеристик OTDR. Именно она определяет его дальность действия.

Рис.4 показана оценка динамического диапазона по потоку обратного рассеяния.

Динамический диапазон определяется тем, как далек и насколько малые объекты может просматривать OTDR в оптическом волокне.

Динамический диапазоном OTDR определяется как выражающая в дБ разность между начальным уровнем характеристики обратного рассеяния и уровня шума.

Источник

Динамический диапазон

Величина динамического диапазона зависит от параметров, устанавливаемых пользователем: длительности импульсов, времени усреднения сигнала и диапазона измеряемых длин. Так, например, при увеличении длительности импульса в 1000 раз (от τ₁ = 10 нс до τ₂ = 10 мкс) коэффициент обратного релеевского рассеяния увеличивается (по шкале рефлектометра) на 5 log (τ₁/ τ₂) = 15 дБ. Так как уровень шумов (в отсутствие сигнала) при этом не меняется, то динамический диапазон тоже увеличивается на 5 log (τ₁/ τ₂) = 15 дБ (рис. 4.5).

При увеличении времени усреднения коэффициент релеевского рассеяния не меняется, но зато уменьшается среднеквадратичное значение шума. Так как в первом приближении шум можно полагать белым (гауссовым), то его среднеквадратичное значение изменяется обратно пропорционально квадратному корню из времени усреднения сигнала. Это значит, что при увеличении времени усреднения от t₁ до t₂ уровень шума уменьшится (а динамический диа пазон увеличится) по шкале рефлектометра всего лишь на 2,5 log(t₂/t₁). Например, при увеличении времени усреднения в 100 раз (от t₁ = 1 сек, до t₂ = 100 сек) динамический диапазон увеличивается на 2.5 log(t₂/t₁) = 5 дБ (рис. 4.6). Для сравнения, при увеличении длительности импульсов от τ₁ до τ₂ динамический диапазон возрастает на два раза большую величину: 5 log (τ₁/ τ₂).

Рисунок 4.6 – При увеличении времени усреднения в 100 раз (от t₁ = 1 сек, до t₂ = 100 сек) динамический диапазон увеличивается на 2,5 log(t₂/t₁) = 5 дБ

На сегодняшний день динамический диапазон является основным параметром, по которому проводится сравнение различных моделей OTDR. Так как его величина увеличивается с увеличением длительности импульсов τ и времени усреднения сигнала t, то обычно значение динамического диапазона приводят при максимальных для данного прибора значениях τ и t. Однако эти значения у разных производителей рефлектометров могут отличаться. Для того, чтобы устранить эту неоднозначность, МЭК рекомендует при сравнении динамических диапазонов рефлектометров использовать следующие величины: τ = 10 мкс и t = 3 мин. В то же время производители рефлектометров в своих спецификациях максимальное значение динамического диапазона приводят обычно при τ = 20 мкс.

Дата добавления: 2015-09-21 ; просмотров: 1699 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Характеристика обратного рассеяния оптического волокна

Принцип действия оптических рефлектометров обратного рассеяния, работающих во временной области, основан на зондировании волокон оптическими импульсами и прямых измерениях на ближнем конце зависимости уровня мощности обратного потока от времени. Эту зависимость называют характеристикой обратного рассеяния оптического волокна или коротко – рефлектограммой. При этом ось ординат градуируют в децибелах по мощности, а ось абсцисс в единицах длины, учитывая, что отсчитываемое вдоль волокна расстояние прямо пропорционально времени.

Характеристика обратного рассеяния

Здесь участки рефлектограммы могут быть идентифицированы следующим образом:

Рассмотрим типичные формы характеристики обратного рассеяния волокна подробнее. Изменения характеристики обратного рассеяния квазирегулярных участков оптического волокна, измеряемой в пределах динамического диапазона рефлектометра, хорошо согласуются с теоретическими положениями.

(а) (б) Типичные рефлектограммы сварного соединения 0В

Характеристика обратного рассеяния сварных соединений оптических волокон также имеет вид ступеньки. Но в отличие от внутренних нерегулярностей, здесь может иметь место как уменьшение, так и увеличение уровня мощности обратного рассеяния (ступеньки «вниз» и «вверх») (рис. а,б). Это объясняется тем, что изменения уровня мощности обратного рассеяния на сварных соединениях обусловлено не только потерями, но и различием характеристик стыкуемых оптических волокон. Изменение уровня мощности обратного рассеяния на стыке двух волокон равно

p₁, p₂ – уровни мощностей потоков обратного рассеяния до и после стыка [дБ];

Знак величины Dk определяется соотношением значений k_A, k_B. Для k_A £ k_B величина Dk £ 0. Для k_A ³ k_B величина Dk ³ 0. Отсюда, с учетом (2.5), следует, что в зависимости от знака величины Dk и соотношения абсолютных значений величин а и Dk, результирующее изменение уровня мощности потока обратного рассеяния может быть как положительным, так и отрицательным. Следовательно, на стыках может иметь место, как уменьшение, так и увеличение уровня мощности потока обратного рассеяния. Следует подчеркнуть, что это справедливо только для потока обратного рассеяния. Мощность прямого потока оптического излучения не может быть увеличена пассивными элементами линии, каковыми являются стыки. При оценке затухания оптического излучения, распространяющегося в прямом направлении, по результатам измерений потока обратного рассеяния, величина Dk является методической систематической погрешностью, которую необходимо исключить.

Очевидно, что если на стыке в одном направлении переходим от волокна с меньшим значением коэффициента обратного рассеяния к волокну с большим значением коэффициента, то в другом направлении на этом же стыке переходим от волокна с большим значением коэффициента к волокну с меньшим значением коэффициента, и наоборот. Следовательно, при измерениях на линии в противоположных направлениях соотношение между k_A и k_B на стыке и соответственно знак величины Dk меняются на противоположные. Другими словами, при измерениях изменений мощности обратного рассеяния на стыке с двух сторон величина Dk входит в результаты измерений с разными знаками. Это наглядно демонстрируется на рис. 2.6 а,б, где представлены рефлектограммы, измеренные с двух концов участка, составленного из отрезковОВ, один из которых существенно отличается по характеристикам (в частности, по среднему значению коэффициента обратного рассеяния).

При , значение Dр » а и рефлектограммы стыков, полученные с двух сторон, будут совпадать. При малых потерях на стыке и существенном отличии характеристик сращиваемыхОВ, когда Dр » Dk изменения характеристик обратного рассеяния, измеренных с двух сторон линии, совпадут по величине, но будут отличаться по знаку.

(а) (б) Рис. 2.6Рефлектограммы участка оптической линии, измеренные с двух концов

Во всех случаях справедливо:

1. Если при измерении с одного конца линии, место стыка оптических волокон отображается ступенькой вверх, то на характеристике обратного рассеяния, регистрируемой с другого конца волокна, оно всегда отобразится ступенькой вниз.

2. Если на характеристике обратного рассеяния, регистрируемой с одного конца линии, место стыка отображается ступенькой вниз, то на характеристике, регистрируемой с другого конца, оно отображается либо ступенькой вверх, либо вниз.

В общем случае из-за отличия коэффициентов затухания сращиваемых волокон в точке рефлектограммы, соответствующей месту соединения волокон, изменяется угол наклона квазилинейной характеристики (рис. 2.7 а,б). Однако, как правило, при достаточно близких значениях коэффициентов затухания волокон эти изменения незначительны и заметить их на фоне флюктуации характеристики нелегко.

Если изменения параметров волокна, и, в первую очередь, показателя преломления сердцевины, приводят к существенному изменению волнового сопротивления оптической линии, то имеют место отражения. Это характерно для механических соединений оптических волокон, таких дефектов волокон как микротрещины, воздушные включения и т.п. Неоднородности отображаются на рефлектограмме как положительные выбросы оптической мощности. В общем случае рефлектограммы неоднородностей имеют вид рефлектограмм соответствующих нерегулярностей без отражений, на которые наложены импульсы отраженной мощности.

(а) (б) Рис. 2.7 Рефлектограммы участков со сварными соединениями волокон

Примеры рефлектограмм участка оптической линии с внутренней неоднородностью типа микротрещины приведены на рис. 2.8 а,б. Вносимые неоднородностью потери приводят к снижению уровня мощности обратного рассеяния на этой неоднородности и отображаются на характеристике обратного рассеяния также как и для нерегулярности без отражения ступенчатым переходом между квазилинейными характеристиками участков до и после неоднородности. Высота ступеньки Da равна затуханию на неоднородности (рис. 2.8 а).

Если потери на неоднородности равны нулю, то квазилинейная характеристика участка за неоднородностью является как бы продолжением характеристики участка до неоднородности (рис. 2.8 б).

(a) (б) Рис. 2.8 Рефлектограммы участков с локальной неоднородностью

Характеристика обратного рассеяния механических соединений оптических волокон определяется отражением и, также как и для сварных соединений, потерями на стыке и отличием характеристик обратного рассеяния сращиваемых волокон (среднего значения коэффициента обратного рассеяния, коэффициента затухания). Отсюда следует, что приведенный ранее анализ рефлектограмм сварных соединений справедлив и для механических соединений, но в последнем случае на рефлектограммах стыков добавляются импульсы отраженной мощности. Типичные характеристики обратного рассеяния участков с механическими соединениями представлены на рис. 2.9 а.б.

Рис. 2.9 Рефлектограммы участков с механическими соединениямиОВ

Отраженный сигнал во много раз превышает по мощности сигнал обратного рассеяния. Причем переход от низкого уровня сигнала обратного рассеяния к высокому уровню сигнала отражения происходит на входе фотоприемника скачком. Фотодиод, настроенный на прием обратнорассеянного потока малой мощности, не успевает адаптироваться к высокому уровню мощности отраженного потока и насыщается. Он находится в этом состоянии в течение времени воздействия отраженного импульса и вследствие инерционных процессов некоторое время после того, как оно снято. В результате на характеристике обратного рассеяния в точке, соответствующей неоднородности, образуется так называемая «мертвая» зона. Значения характеристики из этой зоны нельзя использовать для определения параметров затухания.

Если на линии есть неоднородность, то в соответствующей точке рефлектограммы есть «мертвая» зона. В том числе, в начале рефлектограммы, где отображается ввод излучения в волокно через разъемный соединитель оптического выхода рефлектометра. В этом случае говорят о «мертвой» зоне на ближнем конце. Каждая рефлектограмма начинается с выброса мощности и «мертвой» зоны, обусловленных неоднородностью на вводе (рис. 2.3).

(а) (б) Рис. 2.10 Рефлектограммы конца ОВ

Примеры участков характеристики обратного рассеяния, соответствующих концу волокна приведены на рис. 2.10 а, б. Для случая Френелевских отражений от торца волокна на рис. 2.10 а (волокно оконцовано стандартным соединителем, перпендикулярный скол волокна и т.п.). Для случая, когда, отражение оптического излучения от торца ОВ мало, на рис. 2.10 б (конец ОВ опущен в иммерсионную или абсолютно поглощающую жидкость, скол волокна выполнен в наклонной плоскости к его оси, волокно сломано). Когда работа идет на пределе динамического диапазона рефлектометра и при этом Френелевское отражение слабое, то конец волокна идентифицировать на рефлектограмме крайне сложно, так как из-за малого отношения сигнал/помеха рефлектограмма конца ОВ искажена и меняется нелинейно.

При наличии в оптической линии неоднородностей на рефлектограмме могут появляться «искусственные импульсы» или, как их еще называют «фантомы». Они возникают, если есть по меньшей мере две неоднородности с достаточно большим коэффициентом отражения. Принцип образования «искусственных импульсов» поясняет рис. 2.11. Их надо уметь отличать от отраженных импульсов. Это можно сделать, воспользовавшись следующими признаками «искусственных» импульсов.

Рис. 2.11 К образованию «искусственных импульсов»

— В линии должно быть по меньшей мере две неоднородности с большим коэффициентом отражения. Расстояние между импульсами, отраженными от этих неоднородностей равно расстоянию от дальней неоднородности до «искусственного импульса».

— Параметры аппроксимирующей прямой при прохождении через «искусственный импульс» не изменяются.

— При измерении с двух концов местоположения «искусственного импульса» на рефлектограмме соответствует двум разным точкам линии.

Наиболее сложный случай имеет место при больших коэффициентах отражения по концам линии, «фантомы», обусловленные этими неоднородностями, особенно трудно распознать. Принцип их образования поясняет рис. 2.12. Подобные «искусственные» импульсы можно отличить по следующим признакам.

— Параметры аппроксимирующей прямой на «искусственном импульсе» не меняются;

— Изменение периода развертки может приводить к изменению места положения «искусственного импульса» на рефлектограмме;

— При измерении с двух концов местоположения «искусственного» импульса на рефлектограмме соответствует двум разным точкам линии;

Рис. 2.12 К образованию «искусственных импульсов»

Рассмотрим факторы, определяющие вид характеристики обратного рассеяния оптического волокна. К ним относятся параметры оптическою волокна, характеристики зондирующего сигнала, а также параметры усреднения.

Микроизгибы оптических волокон возникают за счет свободной укладки, скрутки волокон в оптических кабелях и носят случайный характер. Это периодически распределенные вдоль длины кабеля изгибы волокон с радиусом порядка нескольких миллиметров. Они приводят к увеличению коэффициента затухания оптических волокон и, соответственно, отображаются на рефлектограмме увеличением угла наклона аппроксимирующей прямой.

Отличие характеристик обратного рассеяния одного и того же волокна, измеренных на разных длинах волн, обусловлено зависимостью затухания оптических волокон от длины волны. По этой причине измерения затуханий волокон должны выполняться на рабочей длине волны системы передачи. Однако иногда, в целях анализа состояния одномодовых волокон, при поиске мест их повреждений, представляет интерес сравнение рефлектограмм, измеренных в окнах прозрачности 1,3 мкм и 1,55 мкм. Потери Рэлеевского рассеяния снижаются с увеличением длины волны. Соответственно коэффициент затухания и потери на стыках волокон на длине волны 1,55 мкм меньше, чем на длине волны 1,3 мкм. Реакция на микроизгибы зависит от показателя преломления сердцевины, который в свою очередь, зависит от длины волны. Как следствие, изгибы изменяют групповой показатель преломления. При том коэффициент затухания изменяется за счет микроизгибов волокон в кабеле на разных длинах волн не одинаково.

Таблица 1

В таблице 1 приведен пример изменения затухания оптических волокон за счет укладки в конструкции кабеля на разных длинах волн. Основные отличия характера рефлектограмм одномодовых волокон на разных длинах волн иллюстрирует рис. 2.13.

Рис. 2.13 Рефлектограммы волокна, измеренные на разных длинах волн

Возможности анализа рефлектограмм при измерениях в окнах 1,3 мкм и 1,55 мкм поясняет таблица 2.

С увеличением длительности зондирующего импульса увеличивается мощность принимаемого сигнала (потока обратного рассеяния). Соответственно увеличивается отношение сигнал/шум и динамический диапазон. При этом, ухудшается разрешающая способность. И наоборот, уменьшение длительности зондирующего импульса уменьшает динамический диапазон и улучшает разрешающую способность.

Способ и степень усреднения определяют эффективность подавления случайных помех. В частности увеличение времени усреднения (числа усреднений) снижает уровень помехи и тем самым увеличивает динамический диапазон.

Таблица 2.

К факторам, определяющим изменения характеристики обратного рассеяния на стыках оптических волокон, следует отнести следующие.

— Потери и неоднородности, обусловленные качеством выполнения соединения (потери за счет осевого, радиального и углового смещений, непараллельности торцов волокон, плохого качества сколов и т.п.).

— Преобразование мод, перераспределение энергии между модами на нерегулярностях, к которым относятся и соединения. Этот фактор случайным образом изменяет характеристику на прилегающих к нерегулярности участках.

Дата добавления: 2015-08-11 ; просмотров: 3999 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Динамический диапазон рефлектометра

В процессе развития волоконно-оптической связи постоянно увеличивается длина волоконных линейных участков, при этом оптические рефлектометры должны обеспечивать возможность измерений свойств наиболее удалённых частей трассы. Количественной мерой такой способности является динамический диапазон рефлектометра. Он характеризует максимальное затухание в оптической линии, которая может быть протестирована.

Динамический диапазон рефлектометра определяется по шкале прибора как разница между сигналом в начале рефлектограммы и среднеквадратичным значением шумов в ее конце. Наиболее простым способом определения этого значения является оценка по абсолютному максимуму шумов, с учетом превышения уровня максимума над среднеквадратичным значением шумов. Такой подход рекомендуется в частности фирмой ANDO. Превышение уровня, согласно известномуиз радиотехники эмпирическому правилу, составляет три раза, что в пересчете к двойной логарифмической шкале рефлектометра составляет 5lg3

Для полноты картины необходимо отметить, что существуют другие способы определения уровня среднеквадратичного значения шума. Так фирма НР рекомендует фиксировать шумовую дорожку не по абсолютному максимуму шумов, а по 98% вероятности попадания в нее сигнала. Величина превышения уровня в этом случае соответственно снижается, и в предположении нормального распределения шумов составляет 1,6 дБ. Такой метод, однако, требует, строго говоря, дополнительной статистической обработки
рефлектограммы.

Определение точности измерения динамического диапазона возможно, например, с помощью численного моделирования. Результаты такого моделирования для превышения уровня максимального значения над среднеквадратичным уровнем для случайной величины, распределенной по нормальному закону, приведены на рисунке 1. Из рисунка видно, что для достаточно длинной последовательности отсчетов случайной величины (> 50 отсчетов) среднее значение превышения совпадает с величиной 2,4 дБ с точностью порядка 0,5 дБ.

При практическом определении динамического диапазона рефлектометра необходимо выбрать соответствующую длину оптической линии и установить настройки прибора в соответствии с рекомендациями фирмы производителя. Кроме того, обычно ограничивают температурный диапазон, при котором производятся измерения, в частности в рекомендациях фирмы Bellcore указан диапазон 23 ± 2°С.

На рисунке 2 приведена рефлектограмма, предназначенная для определения динамического диапазона новейшего рефлектометра AQ7250 японской фирмы ANDO со сменным оптическим блоком AQ7255, работающим на двух длинах волн 1310 нм и 1550 нм. Динамический диапазон такого блока по спецификации составляет на этих длинах волн 41,5 дБ и 39,5 дБ соответственно. Длина трассы составляла 200 км и ее конец отчетливо виден в шумах. Первый маркер устанавливался вблизи начала линейного участка рефлектограммы, в нашем случае это расстояние 5 км.

Соответственно фиксировалась поправка, учитывающая затухание оптической линии до первого маркера и составляющая в нашем случае 5 км x 0.2 дБ/км = 1 дБ. Другой маркер (в нашем случае это маркер 3) устанавливался на максимум шумов. Рассчитанный уровень среднеквадратичного значения шума, которое на 2.4 дБ ниже, показан на рефлектограмме стрелкой. Окончательный расчет динамического диапазона дает 36.7+2.4+1=40.1 дБ, что слегка превосходит значение указанное в спецификации.

Точности ради, надо отметить, что измерение динамического диапазона по рефлектограмме на Рис. 3 скорее иллюстрирует принцип, чем методику. В частности, для измерения надежнее использовать более короткие трассы (около 100 км), целесообразно также принимать меры для подавления сигнала, отраженного от дальнего торца волокна. Такие меры позволяют исключить влияние сигнала,
рассеянного в трассе, на уровень шумов прибора.

Анализ рефлектограммы на рис. 2 показывает, что рефлектометр способен производить измерения только на части линии, затухание в которой совпадает с его динамическим диапазоном. Поэтому возникает вопрос об определении запаса по динамическому диапазону (т.е. о разности между динамическим диапазоном и затуханием), необходимым для фиксирования рефлектограммы с необходимой точностью. Решить этот вопрос можно с помощью расчета избыточного шума в зависимости от запаса по динамическому диапазону. Такой расчет приведен в приложении, а его результаты представлены на рисунке:

Как видно из рис. 3, существует две принципиально различных ситуации. В том случае, если запас по динамическому диапазону превышает 10 дБ, вклад шумов рефлектометра составляет менее 0,05 дБ. При этом фактические искажения рефлектограммы определяются уже не шумами фотоприемного тракта, а поляризационными или когерентными эффектами.
Наоборот, если запас по динамическому диапазону составляет менее 5 дБ, то искажения рефлектограммы, вызваны шумом и превышают 0,5дБ. Часто это является практической границей целесообразности рефлектометрических измерений
затухания в линии.

На рефлектограмме на рис. 2 граница, где шум превышает 0,5 дБ, отмечена маркером 2. Расстояние по шкале затухания между маркерами 2 и 3 составляет в соответствии с расчетами 3 дБ. Таким образом, рефлектометр способен измерять затухания в линии с динамическим диапазоном порядка 35 дБ, что соответствует длинам трасс до 170 км. Надо заметить, что рассчитанный выше диапазон не является, в принципе, физическим пределом для данного типа прибора. Это, в частности, связано с тем, что при измерении динамического диапазона время измерений ограничивается интервалом, например, в 3 мин. При дальнейшем усреднении рефлектограммы возможно, в принципе, уменьшение шума. Другим ресурсом увеличения динамического диапазона является математическая обработка (в частности, цифровая фильтрация) сигнала, здесь, однако, приходится жертвовать пространственным разрешением рефлектограммы.

Не следует думать, что динамический диапазон рефлектометра важен только при измерении сверхдлинных трасс на магистральных линях. Наличие в приборе низкошумящего фотоприемного тракта позволяет уменьшить время усреднения сигнала и, следовательно, повысить производительность прибора на коротких, например, городских линиях. Теоретически оценить выигрыш во времени, исходя из запаса по динамическому диапазону, затруднительно, т. к. приходится учитывать большое число параметров (например, продолжительность и скважность зондирующих импульсов, частоту дискретизации и т. п.). Однако, прямые измерения показывают, что рефлектометр AQ7250 с динамическим диапазоном более 40 дБ обеспечивает минимальный уровень шумов (менее 0,02 дБ) при измерении линий длиной до 20км с шириной импульса 200 нс менее чем за 30 секунд.

Источник