Динамический диапазон как важнейшая характеристика рефлектометра

Динамический диапазон оптического 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 её конце. Наиболее простым способом определения этого значения является оценка по абсолютному максимуму шумов с учётом превышения уровня максимума над среднеквадратичным значением шумов. Такой подход рекомендуется, в частности, фирмой ANDO. Превышение уровня, согласно известному из радиотехники эмпирическому правилу, составляет три раза, что в пересчёте к двойной логарифмической шкале рефлектометра составляет 5lg3 ≈ 2,4 дБ.

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

Рис. 1. Превышение максимального значения шума над среднеквадратичным уровнем для случайной величины с нормальным распределением.

Определение точности измерения динамического диапазона возможно, например, с помощью численного моделирования. Результаты такого моделирования приведены на рисунке 1. Из рисунка видно, что для достаточно длинной последовательности отсчётов случайной величины (более 50 отсчётов) 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 производителя. Кроме того, обычно ограничивают температурный диапазон, при котором производятся измерения. В частности, в рекомендациях Bellcore указан диапазон 23 ± 2 °С.

Рис. 2. Рефлектограмма для определения динамического диапазона рефлектометра ANDO AQ7250.

На рисунке 2 приведена рефлектограмма, предназначенная для определения динамического диапазона рефлектометра AQ7250 японской фирмы ANDO со сменным оптическим блоком AQ7255, работающим на длинах волн 1310 нм и 1550 нм. Динамический диапазон такого блока по спецификации составляет 41,5 дБ и 39,5 дБ соответственно.

Длина трассы составляла 200 км, и её конец отчётливо виден в области шумов. Первый маркер устанавливался вблизи начала линейного участка рефлектограммы, в данном случае на расстоянии 5 км.

Соответственно фиксировалась поправка, учитывающая затухание оптической линии до первого маркера и составляющая 5 км × 0,2 дБ/км = 1 дБ. Другой маркер устанавливался на максимум шумов. Рассчитанный уровень среднеквадратичного значения шума, который на 2,4 дБ ниже, показан на рефлектограмме стрелкой. Окончательный расчёт динамического диапазона даёт 36,7 + 2,4 + 1 = 40,1 дБ, что немного превышает значение, указанное в спецификации.

Следует отметить, что измерение динамического диапазона по рефлектограмме на рис. 2 скорее иллюстрирует принцип, чем полноценную методику. Для более надёжных измерений рекомендуется использовать более короткие трассы длиной около 100 км и принимать меры для подавления сигнала, отражённого от дальнего конца волокна. Это позволяет исключить влияние рассеянного сигнала на уровень шумов прибора.

Анализ рефлектограммы показывает, что рефлектометр способен производить измерения только на той части линии, затухание которой соответствует его динамическому диапазону. Поэтому возникает вопрос об определении запаса по динамическому диапазону, то есть разности между динамическим диапазоном прибора и затуханием линии, необходимой для получения рефлектограммы с требуемой точностью.

Рис. 3. Зависимость уровня шумовых искажений от запаса по динамическому диапазону.

Как видно из рисунка 3, существует две принципиально различные ситуации. 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 фотоприёмного тракта, а поляризационными или когерентными эффектами.

Если запас по динамическому диапазону составляет менее 5 дБ, то искажения рефлектограммы, вызванные шумом, превышают 0,5 дБ. Часто это является практической границей целесообразности рефлектометрических измерений затухания в линии.

На рефлектограмме рис. 2 граница, где шум превышает 0,5 дБ, отмечена маркером 2. Расстояние по шкале затухания между маркерами 2 и 3 составляет около 3 дБ. Таким образом, рефлектометр способен измерять затухание линии с динамическим диапазоном порядка 35 дБ, что соответствует длинам трасс до 170 км.

Следует отметить, что рассчитанный выше диапазон не является физическим пределом для данного типа прибора. Это связано с тем, что при измерении динамического диапазона время измерения обычно ограничивается интервалом около 3 минут. При дальнейшем усреднении рефлектограммы возможно снижение уровня шумов. Другим способом увеличения динамического диапазона является математическая обработка сигнала, в частности цифровая фильтрация, однако в этом случае приходится жертвовать пространственным разрешением рефлектограммы.

Не следует думать, что динамический диапазон рефлектометра важен только при измерении сверхдлинных трасс магистральных линий. Наличие в приборе низкошумящего фотоприёмного тракта позволяет уменьшить время усреднения сигнала и повысить производительность прибора на коротких, например городских, линиях.

Теоретически оценить выигрыш по времени, исходя из запаса по динамическому диапазону, затруднительно, поскольку необходимо учитывать большое количество параметров, включая длительность и скважность зондирующих импульсов, частоту дискретизации и другие характеристики. Однако практические измерения показывают, что рефлектометр AQ7250 с динамическим диапазоном более 40 дБ обеспечивает минимальный уровень шумов менее 0,02 дБ при измерении линий длиной до 20 км с шириной импульса 200 нс менее чем за 30 секунд.

В заключение следует отметить, что фирма Bellcore в рекомендациях GR-196-CORE ввела новую характеристику рефлектометра - измеряемый диапазон. Эта характеристика предназначена для определения способности прибора обнаруживать локальный дефект вблизи конца линии. Дефект величиной 0,5 дБ считается обнаруженным, если результаты измерений с вероятностью 80% укладываются в интервал ±0,1 дБ.

Такие измерения требуют специальных эталонных линий со встроенными неоднородностями и из-за сложности пока не получили широкого распространения. Ориентировочно величина измеряемого диапазона оказывается на 4-6 дБ меньше величины динамического диапазона оптического рефлектометра.

купить кабельный тестер в Украине