Динамічний діапазон як найважливіша характеристика рефлектометра

У процесі розвитку волоконно-оптичного зв'язку постійно збільшується довжина лінійних волоконних ділянок, при цьому оптичні рефлектометри повинні забезпечувати можливість вимірювань властивостей найбільш віддалених частин траси. Кількісним мірою такої здатності є динамічний діапазон рефлектометра. Він характеризує максимальне згасання оптичної лінії, яка може бути протестована.

Динамічний діапазон рефлектометра визначається за шкалою приладу як різниця між сигналом на початку рефлектограми та середньоквадратичним значенням шумів у її кінці. Найбільш простим способом визначення цього значення є оцінка абсолютного максимуму шумів, з урахуванням перевищення рівня максимуму над середньоквадратичним значенням шумів. Такий підхід рекомендується, зокрема, фірмою ANDO. Перевищення рівня, згідно з відомим з радіотехніки емпіричному правилу, становить три рази, що в перерахунку до подвійної логарифмічної шкали рефлектометра становить 5lg3 ~ 2,4 дБ.

Для повноти картини слід зазначити, що є інші способи визначення рівня среднеквадратичного значення шуму. Так фірма НР рекомендує фіксувати шумову доріжку не за абсолютним максимумом шумів, а по 98% ймовірності попадання в неї сигналу. Розмір перевищення рівня у разі відповідно знижується, й у припущенні нормального розподілу шумів становить 1,6 дБ. Такий метод, проте, вимагає, строго кажучи, додаткової статистичної обробки
рефлектограми.

Визначення точності вимірювання динамічного діапазону можливе, наприклад, за допомогою чисельного моделювання. Результати такого моделювання для перевищення рівня максимального значення над середньоквадратичним рівнем для випадкової величини, розподіленої за нормальним законом, наведені на малюнку 1. З малюнка видно, що для достатньо довгої послідовності відліків випадкової величини (> 50 відліків) середнє значення перевищення збігається з величиною 2, 4 дБ з точністю близько 0,5 дБ.

При практичному визначенні динамічного діапазону рефлектометра необхідно вибрати відповідну довжину оптичної лінії та встановити налаштування приладу відповідно до рекомендацій фірми виробника. Крім того, зазвичай обмежують температурний діапазон, при якому вимірюються, зокрема в рекомендаціях фірми Bellcore зазначений діапазон 23 ± 2°С.

На малюнку 2 наведена рефлектограма, призначена визначення динамічного діапазону новітнього рефлектометра AQ7250 японської фірми ANDO зі змінним оптичним блоком AQ7255, що працює на двох довжинах хвиль 1310 нм і 1550 нм. Динамічний діапазон такого блоку за специфікацією становить цих довжинах хвиль 41,5 дБ і 39,5 дБ відповідно. Довжина траси становила 200 км і її кінець виразно видно у шумах. Перший маркер встановлювався поблизу початку лінійної ділянки рефлектограми, у разі це відстань 5 км.

Відповідно фіксувалася поправка, що враховує загасання оптичної лінії до першого маркера і становить у нашому випадку 5 км x 0.2 дБ/км = 1 дБ. Інший маркер (у разі це маркер 3) встановлювався на максимум шумів. Розрахований рівень середньоквадратичного значення шуму, яке на 2.4 дБ нижче, показано на рефлектограмі стрілкою. Остаточний розрахунок динамічного діапазону дає 36.7+2.4+1=40.1 дБ, що трохи перевищує значення вказане у специфікації.

Точності заради, треба сказати, що вимірювання динамічного діапазону по рефлектограмі на Рис. 3 скоріше ілюструє принцип, ніж методику. Зокрема, для вимірювання надійніше використовувати більш короткі траси (близько 100 км), доцільно вживати заходів для придушення сигналу, відбитого від далекого торця волокна. Такі заходи дозволяють виключити вплив сигналу,
розсіяного в трасі на рівень шумів приладу.

Аналіз рефлектограми на рис. 2 показує, що рефлектометр здатний виробляти вимірювання тільки частини лінії, згасання в якій збігається з його динамічним діапазоном. Тому виникає питання про визначення запасу по динамічному діапазону (тобто про різницю між динамічним діапазоном та загасанням), необхідним для фіксування рефлектограми з необхідною точністю. Вирішити це питання можна за допомогою розрахунку надлишкового шуму в залежності від запасу динамічного діапазону. Такий розрахунок наведено у додатку, яке результати представлені малюнку:

Як видно із рис. 3, існує дві принципово різні ситуації. У тому випадку, якщо запас динамічного діапазону перевищує 10 дБ, внесок шумів рефлектометра становить менше 0,05 дБ. При цьому фактичні спотворення рефлектограми визначаються не шумами фотоприймального тракту, а поляризаційними чи когерентними ефектами.
Навпаки, якщо запас динамічного діапазону становить менше 5 дБ, то спотворення рефлектограми, викликані шумом і перевищують 0,5 дБ. Часто це є практичною межею доцільності рефлектометричних вимірів
згасання в лінії.

На рефлектограмі на рис. 2 межа, де шум перевищує 0,5 дБ, відзначена маркером 2. Відстань за шкалою загасання між маркерами 2 і 3 становить відповідно до розрахунків 3 дБ. Таким чином, рефлектометр здатний вимірювати згасання лінії з динамічним діапазоном порядку 35 дБ, що відповідає довжинам трас до 170 км. Слід зазначити, що розрахований вище діапазон перестав бути, у принципі, фізичною межею даного типу приладу. Це, зокрема, пов'язано з тим, що при вимірюванні динамічного діапазону час вимірювань обмежується інтервалом, наприклад, 3 хв. За подальшого усереднення рефлектограми можливе, в принципі, зменшення шуму. Іншим ресурсом збільшення динамічного діапазону є математична обробка (зокрема, цифрова фільтрація) сигналу, тут доводиться жертвувати просторовим дозволом рефлектограми.

Не слід думати, що динамічний діапазон рефлектометра важливий лише за вимірі наддовгих трас магістральних лініях. Наявність у приладі низькошумного фотоприймального тракту дозволяє зменшити час усереднення сигналу і, отже, підвищити продуктивність приладу на коротких, наприклад, міських лініях. Теоретично оцінити виграш у часі, виходячи із запасу по динамічному діапазону, важко, тому що доводиться враховувати велику кількість параметрів (наприклад, тривалість і шпаруватість зондувальних імпульсів, частоту дискретизації тощо). Однак, прямі вимірювання показують, що рефлектометр AQ7250 з динамічним діапазоном більше 40 дБ забезпечує мінімальний рівень шумів (менше 0,02 дБ) при вимірюванні ліній довжиною до 20 км з шириною імпульсу 200 нс менш ніж за 30 секунд.

Наприкінці хотілося б відзначити, що фірма Bellcore у своїх рекомендаціях GR-196-CORE запровадила нову характеристику рефлектометра – вимірюваний діапазон. Ця характеристика призначена визначення здатності приладу до виявлення локального дефекту поблизу кінця лінії. Дефект 0,5 дБ вважається виявленим, якщо результати вимірювань з ймовірністю 80% укладаються в інтервал ±0,1 дБ. Такі виміри вимагають спеціальних зразкових ліній з багатьма вбудованими неоднорідностями і через їхню складність поки що не повсюдно поширені, особливо в нашій країні. Орієнтовно величина вимірюваного діапазону виявляється на 4 - 6 дБ менше за величину динамічного діапазону рефлектометра.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник кабельних тестерів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/iskateli-skrytoi-provodki