Что измеряет рефлектометр оптический
Как мы изобретали оптический рефлектометр
История про высокий порог входа, забеги по граблям и уверенность в завтрашем дне, а также про оптику, схемотехнику и немного про FPGA. На КДПВ — то, что получилось, работает и используется в production, а ниже — рассказ про процесс создания этого «чуда враждебной техники».
В одно хмурое зимнее утро декабря 2007 года маркетологи небольшой компании, занимающейся разработкой электроники, решили, что пора таки сделать свой OTDR. Чтобы был недорогой и, как минимум, не хуже зарубежных с достойными характеристиками.
Сказано — сделано! Проекту дали отмашку на старт и начались исследования, поиски решений и эксперименты. Планы, графики, изучение специальной литературы, параметров, особенностей, возможностей и характеристик аналогичных устройств.
Обязательно нужно отметить, что:
Введение
Попробую рассказать и показать на пальцах зачем нужны рефлектометры, на каких принципах они работают, а также про основные параметры этих измерительных приборов.
Сегодня никого не удивишь высокой скоростью передачи (хотя кому-то и 100 Мбит/с — быстро). Земной шар уже не одно десятилетие опутывают оптическими кабелями, по которым гоняют огромный трафик с гигантской скоростью. 10/40/100G в связке с DWDM с потенциальной полосой 16 терабит/с в одном волокне толщиной с волос — вот на чём держится современный интернет, облака и прочие гуглы-амазоны. Окей, не только на этом, но волоконная оптика всё равно остаётся основной физической средой передачи для таких скоростей.
Мир несовершенен, и кабель в любой момент может быть повреждён: перерублен, разорван, пережат и т.д., и т.п. Хорошо, если это где-то рядом и видно невооружённым глазом: например, иногда можно обнаружить дикий экскаватор, разрывающий пасть льва оптику рядом с вашим датацентром. А если разрыв под водой или под землёй? Прокладывать новый или доставать старый кабель, чтобы найти неисправность, не то, чтобы дорого, а очень дорого. Правильные действия — локализовать проблему и сварить разорванное волокно.
Как найти место повреждения, если длина участка трассы — десятки и сотни километров, и физически добраться до каждого метра кабеля невозможно? Вот тут на помощь и приходит оптический рефлектометр (OTDR, Optical Time-Domain Reflectometer) — прибор, при помощи которого можно найти место неисправности и определить качество сварки и соединительных разъёмов на расстоянии до… километров и с точностью до… метров/сантиметров. Расстояние и точность зависят от характеристик конкретного прибора. И цена прибора тоже очень хорошо зависит.
Disclaimer: конечно, разрыв — это лишь один из нескольких типов проблем, возникающих при эксплуатации ВОЛС (волоконно-оптических линий связи), но я не ставлю своей целью подробно рассказать о всех параметрах оптических волокон: есть хорошие книги на русском и английском языках (см. в списке литературы ниже), а также отличная статья на Хабре.
Итак, основные параметры оптических рефлектометров:
Принципы работы OTDR
(совсем примитивно, без углубления в теорию)
Примем как факт, что физика распространения света в оптическом волокне такова, что луч отражается и от оболочки кабеля, и от каждой точки среды распространения, а также от всех неоднородностей на своём пути. Естественно, отражается по-разному и в разные стороны. Нас будет интересовать отражение в обратном направлении, отражение от неоднородностей и ослабление сигнала.
Скорость прохождения луча по волокну примерно в полтора раза меньше скорости света в вакууме. Зная скорость и измерив время между передачей импульса в волокно и приёмом отажённого сигнала, можно однозначно вычислить расстояние до точки отражения.
Световой сигнал, проходящий по волокну, теряет свою мощность. Ослабление мощности (затухание) светового сигнала зависит, в том числе, от длины волны. Если правильно измерить мощность отражённых от удалённых точек волокна импульсов и построить график, то можно получить характеристику трассы — рефлектограмму.
Рефлектограммы
В статье, которая упоминается выше, есть много красивых цветных графиков с рефлектограммами, метками и прочими характеристиками, но смысл у всех картинок один — на них показано изменение мощности отражённого светового луча с увеличением расстояния от начала оптического кабеля.
(расстояние на горизонтальной шкале условно, километров должно быть
больше)
По икс — расстояние, по игрек — отношение мощности отражённого сигнала к мощности переданного. Окей, для тех кто придирается, 5 десятичных логарифмов этого отношения — те самые децибелы, а пять, а не десять — потому, что сигнал проходит двойной путь — туда и обратно. Сигнал убывает по экспоненте, поэтому при логарифмировании получается прямая линия. Кстати, про логарифмирование попозже расскажу отдельно.
Высокие всплески в начале и в конце графика — отражённый сигнал от начала и от конца на границе сред воздух/волокно.
Измерения обычно проводят для двух длин волн — 1310 и 1550 нанометров. Для измерений в PON/FTTH используют сигнал с длиной волны 1625 нм. Коэффициент затухания для разных длин волн разный, это видно на рефлектограммах и может быть определён по углу наклона прямых (как бы) участков графика. Естественно, у разных производителей кабеля коэффициент затухания тоже отличается, и чем он меньше, тем лучше, но порядок очень похож: примерно 0.19 dB на 1 км для волны 1550 нм и 0.33 dB/км для 1310 нм. На рисунке — две рефлектограммы для одного и того же кабеля, сделанные на разных длинах волн:
(расстояние на горизонтальной шкале условно, километров должно быть больше)
Так как рефлектометром пользуются с одного конца кабеля, то измеряют отражённый сигнал, который будет ослаблен ещё на 33 dB на обратном пути и, значит, мощность вернувшегося луча, прошедшего путь в 200 км (туда сто и обратно сто) уменьшится почти в 4 миллиона раз: туда на 33 dB меньше, обратно ещё на 33 db меньше, итого 66 dB (1/(10^-6.6)=3’987’071.7).
Смысл в том, что сигнал на входе приёмника рефлектометра изменяется в большом диапазоне: от десятков миллиВатт до долей наноВатт. А по току — от десятков миллиампер до пикоампер.
На практике к коэффициенту ослабления сигнала добавляются, как минимум, потери на соединительном разъёме и на внутренних сплиттерах. То есть, при проектированиии нужно предусмотреть больший диапазон изменения сигнала. Кстати, для рефлектометров есть понятия номинального рабочего и номинального динамического диапазона. Рабочий, как можно догадаться, меньше.
Зная затухание в кабеле и динамический диапазон прибора по паспорту, можно понять, какое расстояние способен промерить рефлектометр. У обычного магистрального рефлектометра это 36/34 dB. Посчитаем расстояние:
36 dB / 0.33 dB/км = 109 км для длины волны 1310 нм
и
34 dB / 0.19 dB/км = 178 км для длины волны 1550 нм
(пользователи рефлектометров меня опять поправят, что фактически меньше)
В качестве измерительного сигнала используются импульсы заданной длины (от 3 наносекунд до 20 микросекунд). На коротких трассах измерения производятся при помощи коротких импульсов, на длинных, соответственно, длинными. Чем длиннее импульс, тем больше его мощность и тем дальше можно будет видеть его отражение от неоднородностей кабеля и тем более длинную трассу можно «прострелить».
Используем короткие импульсы — получаем высокое разрешение, длинные — дальнобойность. На самом деле, это несколько упрощённо, но, надеюсь, позволяет понять общие проблемы и сложности, возникающие у операторов рефлектометра в процессе выбора параметров: нужен компромисс между разрешающей способностью, дальнобойностью и длительность измерений.
Длиннее импульс — больше мощность и можно промерить очень длинный тракт. Кстати, бесконечно длинный импульс сделать не получится, т.к. нужно отражённый сигнал измерять, а для этого источник излучения должен быть выключен. Да и излучатели расчитаны на импульсный режим работы с определённой скважностью. Если уменьшить период между импульсами или светить очень долго, то можно запросто сжечь лазерный диод, а это, как минимум, дорого и вредно для окружающей среды.
(Длина импульса — это время, в течение которого светит лазерный светодиод. Период — время между импульсами, когда светодиод выключен. В нулевую версию передатчика мы поставили диод от dvd-привода, заклеив синей изолентой линзу и после включения эту изоленту мастерски, с дымом и шипением прожгли насквозь.)
Процесс разработки
Так получилось, что сначала рефлектометр в течение четырёх лет разрабатывала одна команда, на четвёртом году параллельно и в срочном порядке начали создание альтернативной версии, и в этой заметке идёт повествование о приключениях второй команды. Про первый вариант тоже немного расскажу, но потом.
Постановка задачи: сделать электронное устройство — оптический рефлектометр с динамическим диапазоном 35/37 децибел (а не 34/36, чтобы было больше, чем у конкурентов) и мёртвой зоной по событию — не более 1 метра.
После предварительного анализа и расчётов пришли к выводу, что основные
компоненты системы будут такими:
И пр. — это набор сплиттеров, КЗДС (комплект деталей защиты сростка), волокно компенсатора мёртвой зоны, FC-разъём для подключения к измеряемой трассе. Про системы питания и охлаждения тоже не забываем.
Ещё немного исходных данных
Передатчик: нужна большая мощность — ставим в схему мощный излучатель. При этом он должен быть и мощным и быстрым, чтобы работать на коротких импульсах, но не до такой степени мощным, чтобы можно было спички лазерным лучом поджигать или волокно плавить. Расчёты расчётами, но в конце концов пришли к тому, что излучателей на рынке не так много и решили устанавливать с такими же параметрами, как у других производителей приборов. Длиной и периодом импульсов будем управлять от FPGA.
Оптическая часть: два излучателя и сплиттеры 50/50, внешний коннектор — FC.
Приёмная часть: большой динамический диапазон — нужен соответствующий усилитель, и соответствующее АЦП.
Вычислительная часть: в измеряемом тракте всегда будет присутствовать шум (тепловые шумы в волокне, внутренние шумы компонентов прибора, наводки и пр.). От шума можно избавиться традиционным способом — путём усреднения: суммируем N одинаковых измерений и делим на N. Усреднять значения, полученные с АЦП будем в FPGA, хранить — во внешней оперативной памяти.
Стараемся по максимуму использовать готовые компоненты. Например, усилитель с переменными коэффициентами усиления. Впрочем, как раз этот дивайс нам не пригодился.
Блок-схема
Блок-схема раз (неправильная). Логарифмируем
В общем, примерно так:
Для упрощения на рисунке показан только один излучающий диод. В реальном устройстве их два (1310 и 1550 нм, мощность 50 и 40 мВт) или даже три (1625 нм). Сплиттера, вносящего затухание 3 dB, тоже на этой картинке нет.
Лавинный фотодиод — NR8300FP-CC — с типовым коэффициентом умножения M=40 (300 евро за шт.). Зачем лавинный фотодиод и почему нельзя обойтись обычным? Потому что отражённый сигнал, прошедший большое расстояние настолько слаб, что обычный pin-фотодиод просто не будет генерировать ток и нечего будет оцифровывать. А лавинный фотодиод умеет дополнительно усиливать принятый сигнал, на картинке показана зависимость коэффициента умножения лавинного диода от обратного напряжения и от температуры:
Ещё в этом варианте приёмника есть два канала усиления, работающих параллельно. Один с широкой полосой пропускания (600MHz), другой с большим динамическим диапазоном (100 dB-range 10nA-1mA).
А также АЦП (аналого-цифровой преобразователь) — двухканальный, 14-разрядный, 65 MSPS (mega-samples per second), с которого оцифрованные данные поступают на ПЛИС (FPGA), где выполняется усреднение, а потом — передача на верхний уровень, в управляющий процессор.
Кроме того, как уже говорилось, FPGA управляет длительностью импульсов, генерируемых лазерным диодом.
Первый старт
Ура! Схему начертили, плату развели, смонтировали, написали тестовые прошивки для FPGA, управляющие устройством скрипты и начали тестирование.
Передатчик тестировали отдельно, приёмник — вместе с передатчиком.
… Продолжение следует
Продолжение — в следующей заметке, примерно через неделю. И так очень длинно получилось. В следующих главах расскажу про:
Спасибо, что дочитали первую часть истории до конца!
Принцип работы оптического рефлектометра (OTDR):
как он устроен, принцип действия и примеры реальных измерений
Краткое вступлениеДля того, чтобы эффективно применять оптический рефлектометр на практике, необходимо понимать принцип его работы. Как работает оптический рефлектометр? Из каких компонентов состоит? Что происходит во время измерения? Ответы на эти вопросы мы подробно рассмотрим в данной статье. Кроме того, мы расскажем о важных аспектах применения оптических рефлектометров при проведении реальных измерений. Конструкция типичного оптического рефлектометраПеред тем, как мы начнём разбираться, что же у рефлектометра находится внутри, давайте посмотрим что у него есть снаружи. На фотографии ниже показан оптический рефлектометр серии Anritsu MT9083x2, который конструктивно очень похож на большинство современных рефлектометров. В лёгком портативном корпусе находятся: мощный микропроцессор, цветной экран с высоким разрешением, аккумуляторная батарея для длительной автономной работы и, собственно, сам рефлектометр, разъёмы которого расположены на верхней части корпуса под защитными пластиковыми крышками.
Внешний вид типичного современного оптического рефлектометра.
Коннекторы типичного современного оптического рефлектометра. Принцип работы оптического рефлектометраВнутри оптического рефлектометра расположены три главных элемента (лазер, разветвитель и приёмник), которые обеспечивают проведение измерений параметров оптоволокна и от которых зависят характеристики рефлектометра и его точность. Взаимодействие основных элементов рефлектометра показано на этой схеме.
Главные элементы измерительного тракта оптического рефлектометра. Все три элемента есть в этом коротком обучающем видео, иллюстрирующем принцип работы рефлектометра с помощью анимации. В видео показано как измерительные импульсы формируются с помощью лазерного светодиода, как они попадают в основное волокно с помощью оптического разветвителя и как отражённые от различных неоднородностей волокна обратные импульсы возвращаются к фотоприёмнику рефлектометра. Демонстрация принципа работы оптического рефлектометра. На фотографии ниже показано как всё это выглядит в реальности. Здесь представлена главная плата современного одномодового оптического рефлектометра, который работает на длинах волн 1310 нм и 1550 нм. На этой фотографии цифрами обозначены три главных элемента рефлектометра (лазеры, разветвитель и приёмник), а также его входной коннектор, к которому подключается измеряемое оптоволокно.
Обратите внимание, что измерение всех отражений от одного зондирующего светового импульса не позволит построить полноценную рефлектограмму. Мощность одного импульса очень мала и при измерении его отражений регистрируется большое количество случайного шума. Для того, чтобы максимально снизить эффект шума и получить чистую рефлектограмму, приходится выполнять измерение некоторое время, обычно от 10 до 20 секунд. За это время оптический рефлектометр успевает отправить в волокно тысячи зондирующих световых импульсов и измерить отражение каждого из них. После чего он выполняет усреднение, анализ и отображение результатов в виде графика рефлектограммы и таблицы событий, которая располагается под графиком. Для примера, на этом скриншоте показан результат измерения параметров одномодового волокна длиной 1,0970 км, которое выполнялось с помощью компактного рефлектометра EXFO MaxTester 720B. В этом волокне обнаружена плохая сварка с потерями 0,146 дБ, находящаяся на расстоянии 1,0319 км от начала тестируемого волокна. Она отмечена на рефлектограмме как событие №2.
Результат измерения параметров одномодового оптоволокна длиной 1 097 метра. Что важно знать, когда Вы только начинаете работать с оптическим рефлектометромПри работе с оптическим рефлектометром всегда необходимо помнить о двух вещах: 2. Входной коннектор рефлектометра очень легко повредить, но потом сложно и дорого ремонтировать. Центральная часть коннектора представляет собой керамический цилиндр диаметром 2,5 мм. В центре этого цилиндра расположена сердцевина оптического волокна, по которой проходит излучение. Диаметр сердцевины одномодового волокна составляет 9 мкм (это менее одной сотой доли миллиметра). Любая грязь или микроцарапина в центральной части коннектора может вывести прибор из строя. Сам то рефлектометр будет работать, но свет в волокно нормально проходить уже не сможет. Грязь ещё можно отчистить, хоть это и не просто, но если появятся царапины, то придётся проводить ремонт. Чтобы входной коннектор рефлектометра всегда был в отличном состоянии, очищайте любой патчкорд, который собираетесь к нему подключить, прямо перед самим подключением. Кроме того, можно один раз подключить к рефлектометру небольшой патчкорд с розеткой-адаптером на втором конце и больше его не отключать. При таком методе, в процессе работы, будет царапаться второй конец патчкорда, а разъём рефлектометра останется целым.
Настройка оптического рефлектометра для проведения измеренийТеперь перейдём непосредственно к измерениям. Подключают оптический рефлектометр к проверяемому волокну с помощью переходного патчкорда (обычно трёхметрового) или компенсационной катушки (длиной от 300 до 500 метров). Что использовать: короткий патчкорд или длинную катушку? Это зависит от Ваших целей: если просто хотите найти повреждение в оптоволокне, то можно использовать короткий патчкорд, а если планируете получить сертификат на оптические волокна, то придётся измерять с двумя катушками (по одной на каждом конце волокна), к тому же измерение каждого волокна необходимо будет провести в двух направлениях. Важно чтобы тип волокна патчкорда или катушки совпадал с проверяемым волокном. Например, если тестируете одномодовое волокно на длинах волн 1310 нм и 1550 нм, то надо использовать одномодовые патчкорды или катушки со стандартным G.652 волокном. Если тестируете на длинах волн 850 нм и 1300 нм многомодовое волокно с сердцевиной 50 мкм, то соединительные патчкорды или катушки также должны быть из многомодового волокна того же типа с сердцевиной 50 мкм. Когда всё правильно подключено, можно начинать измерять. Перед запуском первого измерения, необходимо выбрать нужные длины волн и грамотно задать начальные настройки рефлектометра: измеряемое расстояние, длительность зондирующих импульсов и общее время измерения на одной длине волны. На фотографии ниже показано как выглядят эти настройки на экране рефлектометра EXFO MaxTester 720B. Любой другой рефлектометр, независимо от производителя и конкретной модели, также будет иметь эти настройки. Они могут выглядеть иначе или быть спрятаны в меню, но длины волн, расстояние, импульс и длительность являются базовыми параметрами и их всегда можно установить в любом рефлектометре.
Перед запуском измерения, необходимо грамотно задать начальные настройки рефлектометра. Рассмотрим каждую из этих четырёх базовых настроек оптического рефлектометра подробнее. Длины волн. Это самая простая настройка. В 99% случаев одномод измеряют на длинах волн 1310 и 1550 нм, а многомод на длинах волн 850 и 1300 нм. Исключение составляют рефлектометры для PON с тремя длинами волн 1310/1490/1550 нм, а также улучшенный поиск макроизгибов на длинах волн 1310/1625 нм и измерения на активных волокнах (обычно используют 1625 нм, реже 1650 нм), но на практике такие рефлектометры встречаются не часто. Так что, если Вы измеряете одномодовые волокна, то устанавливайте 1310 и 1550 нм, а если многомодовые, то 850 и 1300 нм. Правда, если нужно просто определить длину волокна или место обрыва, то для ускорения можно выбрать только одну длину волны. Измеряемое расстояние. Главное правило, которому надо следовать при установке расстояния: на рефлектограмме всегда должен быть виден конец оптической линии. Если у Вас линия 500 метров, устанавливайте расстояние 1,25 км. Если у Вас линия 4 км, устанавливайте расстояние 5 км. Это важно для автоматической обработки рефлектограммы самим прибором. Если рефлектометр не видит конца оптического волокна, ему будет трудно рассчитать положение переотражений света в оптоволокне и на рефлектограмме могут появиться ложные события (например фантомные пики). Поэтому всегда проводите измерение полной длины волокна, плюс небольшой запас по расстоянию. Если точная длина волокна неизвестна, проведите быстрое измерение на одной длине волны и на большом расстоянии, так Вы узнаете длину волокна. Общее время измерения. Чем больше время измерения, тем более точной будет рефлектограмма и на ней будет меньше случайного шума. Все характеристики самого рефлектометра, указанные в его документации, проверяются при времени измерения, равном 180 секунд для каждой длины волны. При проведении поверки или калибровки оптического рефлектометра также используется время измерения 180 секунд. Но на практике, чтобы быстро выполнить работу, в большинстве случаев устанавливают время измерения в интервале от 10 до 30 секунд для каждой длины волны. Если волокон много (несколько сотен на одном объекте), они короткие (до 2-3 км) и у Вас качественный рефлектометр, то можно устанавливать длительность измерения 10 секунд. Проведение измерений с помощью оптического рефлектометраДля примера, на этой фотографии показана рефлектограмма и таблица событий для бухты одномодового оптоволокна длиной 25 км с двумя компенсационными катушками длиной 500 метров каждая, одна из которых была подключена между рефлектометром и бухтой, а вторая на дальнем конце бухты. Рефлектограмма состоит из двух отдельных графиков: серый график с меньшим наклоном для длины волны 1550 нм и чёрный график (он выделен как активный) для длины волны 1310 нм. На рефлектограмме сама бухта начинается на событии 2 и заканчивается на событии 3. В таблице событий, расположенной сразу под рефлектограммой, синий маркер установлен на строчку с измеренными характеристиками этой бухты: реальная длина волокна 25 330 метров, полные потери в волокне бухты 8,2 дБ, затухание 0,324 дБ/км.
Рефлектограмма и таблица событий для бухты одномодового оптоволокна длиной 25 км. А вот так выглядит рефлектограмма имитатора PON сети, содержащего три сплиттера: 2 шт. с коэффициентом деления 1х8 и 1 шт. с коэффициентом деления 1х2. Рефлектограмма измерена при неактивном волокне на двух длинах волн (1310 нм и 1550 нм). Измерения проводились со стороны подключения абонента с помощью рефлектометра EXFO MaxTester 730C. Длительность тестового импульса равнялась 1 000 нс, а для уменьшения шума, было установлено большое время усреднения, равное 180 секунд. На этой рефлектограмме первый делитель 1х8 находится на расстоянии 500 метров и отмечен как событие №2. Второй делитель 1х8 находится на расстоянии чуть более 1,5 км (событие №4). Третий делитель 1х2 (событие №5) находится на расстоянии около 2,1 км. Подробнее про тестирование PON смотрите в этой статье.
Рефлектограмма PON сети, содержащей три сплиттера с общим коэффициентом деления 128. Дополнительная информация по этой темеНа этой странице подробно описан принцип работы оптического рефлектометра, рассказано о том, как он устроен, приводятся подробные рекомендации по выбору начальных настроек и проведению измерений. Чтобы ещё лучше ориентироваться в моделях современных оптических рефлектометров и их возможностях, смотрите главную страницу отдельных серий оптических рефлектометров. Также смотрите специальную статью, посвящённую сравнению пяти моделей оптических рефлектометров для измерения пассивных оптических сетей в процессе строительства. Если Вам необходима подробная информация по ценам или техническая консультация по выбору оптимального рефлектометра для Вашей задачи, просто позвоните нам или напишите нам по E-mail и мы с радостью ответим на Ваши вопросы. Поделиться в соцсетях:
|
|
Краткое вступление
