Динамічний діапазон як найважливіша характеристика рефлектометра

Динамічний діапазон оптичного 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. Кількісною 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. Найпростішим 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 емпіричним правилом, становить три рази, що в перерахунку до подвійної логарифмічної шкали рефлектометра дорівнює 5lg3 ≈ 2,4 дБ.

Для повноти картини слід зазначити, що існують й інші способи визначення середньоквадратичного рівня шуму. Так, фірма HP рекомендує фіксувати шумову доріжку не за абсолютним максимумом шумів, а за 98% імовірності потрапляння сигналу в неї. Розмір перевищення рівня в цьому випадку відповідно знижується і за припущення нормального розподілу шумів становить близько 1,6 дБ. Такий метод, однак, вимагає додаткової статистичної обробки рефлектограми.

Рис. 1. Перевищення максимального рівня шуму над середньоквадратичним значенням для випадкової величини з нормальним законом розподілу.

Визначення точності вимірювання динамічного діапазону можливе, наприклад, за допомогою чисельного моделювання. Результати такого моделювання наведені на рис. 1. З рисунка видно, що для достатньо довгої послідовності відліків випадкової величини (понад 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 виробника. Крім того, зазвичай обмежують температурний діапазон, у якому проводяться вимірювання. Наприклад, у рекомендаціях Bellcore зазначено діапазон 23 ± 2 °С.

Рис. 2. Рефлектограма для визначення динамічного діапазону рефлектометра ANDO AQ7250.

На рис. 2 наведена рефлектограма, призначена для визначення динамічного діапазону рефлектометра AQ7250 японської компанії ANDO зі змінним оптичним блоком AQ7255, що працює на довжинах хвиль 1310 нм і 1550 нм. Динамічний діапазон такого блоку за специфікацією становить 41,5 дБ і 39,5 дБ відповідно.

Довжина траси становила 200 км, і її кінець чітко проглядається в області шумів. Перший маркер встановлювався поблизу початку лінійної ділянки рефлектограми - на відстані 5 км. Відповідно фіксувалася поправка, що враховує згасання оптичної лінії до першого маркера і в даному випадку становить 5 км × 0,2 дБ/км = 1 дБ.

Інший маркер встановлювався на максимум шумів. Розрахований рівень середньоквадратичного значення шуму, який на 2,4 дБ нижчий, показаний на рефлектограмі стрілкою. Остаточний розрахунок динамічного діапазону дає: 36,7 + 2,4 + 1 = 40,1 дБ, що трохи перевищує значення, вказане у специфікації.

Для більш точного вимірювання доцільно використовувати коротші траси довжиною близько 100 км та вживати заходів щодо придушення сигналу, відбитого від далекого торця волокна. Це дозволяє виключити вплив розсіяного сигналу на рівень шумів фотоприймального тракту.

Аналіз рефлектограми на рис. 2 показує, що рефлектометр здатний проводити вимірювання лише тієї частини лінії, загасання якої не перевищує його динамічний діапазон. Тому виникає питання визначення запасу за динамічним діапазоном, тобто різниці між динамічним діапазоном приладу та фактичним загасанням лінії.

Рис. 3. Вплив запасу динамічного діапазону на величину шумових спотворень рефлектограми.

Як видно з рис. 3, існують дві принципово різні ситуації. Якщо запас динамічного діапазону перевищує 10 дБ, внесок шумів рефлектометра становить менше 0,05 дБ. У цьому випадку спотворення рефлектограми визначаються переважно поляризаційними або когерентними ефектами.

Якщо ж запас динамічного діапазону менший за 5 дБ, спотворення рефлектограми, викликані шумами, перевищують 0,5 дБ. Саме ця величина часто вважається практичною межею доцільності рефлектометричних вимірювань згасання в лінії.

На рефлектограмі рис. 2 межа, де шум перевищує 0,5 дБ, позначена маркером 2. Відстань за шкалою згасання між маркерами 2 та 3 становить близько 3 дБ. Таким чином, рефлектометр здатний вимірювати згасання лінії з динамічним діапазоном близько 35 дБ, що відповідає довжині трас до 170 км.

Слід зазначити, що цей діапазон не є фізичною межею можливостей приладу. Під час вимірювання динамічного діапазону час усереднення зазвичай обмежується інтервалом близько 3 хвилин. Подальше усереднення рефлектограми дозволяє додатково зменшити рівень шуму. Іншим способом збільшення динамічного діапазону є математична обробка сигналу, зокрема цифрова фільтрація, хоча при цьому доводиться жертвувати просторовою роздільною здатністю рефлектограми.

Не слід вважати, що високий динамічний діапазон важливий лише для вимірювання наддовгих магістральних ліній. Наявність низькошумного фотоприймального тракту дозволяє суттєво скоротити час усереднення сигналу та підвищити продуктивність вимірювань на коротких міських лініях.

Практичні вимірювання показують, що рефлектометр ANDO AQ7250 з динамічним діапазоном понад 40 дБ забезпечує рівень шумів менше 0,02 дБ під час вимірювання ліній довжиною до 20 км із шириною зондувального імпульсу 200 нс менш ніж за 30 секунд.

Наприкінці варто зазначити, що компанія Bellcore у рекомендаціях GR-196-CORE запровадила нову характеристику рефлектометра - вимірюваний діапазон. Вона призначена для оцінки здатності приладу виявляти локальні дефекти поблизу кінця лінії. Дефект величиною 0,5 дБ вважається виявленим, якщо результати вимірювань із ймовірністю 80% потрапляють в інтервал ±0,1 дБ.

Такі випробування потребують використання спеціальних еталонних ліній із вбудованими неоднорідностями, тому через складність поки що не набули широкого поширення. Орієнтовно величина вимірюваного діапазону виявляється на 4-6 дБ меншою за динамічний діапазон оптичного рефлектометра.

купити кабельний тестер в Україні