Оценка динамического диапазона

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 34Следующая ⇒

В логарифмических единицах (дБ и дБм) (мы их выделяем в тексте жирным курсивом) динамический диапазон рефлектометра равен полуразности между мощностью, рассеянной назад в начале волокна, pс и эквивалентной шумовой мощностью на входе фотоприемника pш (мощностью света при которой отклик фотоприемника равен

среднеквадратичному значению шума):

D rms =

p с - p ш . Мощность, рассеянная назад в начале

волокна, pс выражается через мощность источника излучения pи (введенную в волокно), потери в ответвителе h и коэффициент обратного релеевского рассеяния q, как: p с = p и -h + q. А эквивалентная шумовая мощность на входе фотоприемника pш выражается через пороговую чувствительность фотоприемника pпр и b – выигрыш в отношении сигнал/шум за счет усреднения импульсов: pш = pпр – b. В результате получаем выражение

D r m s =

p и -h + q - p п р + b ,

(2.1)

После того, как в рефлектометре установлен соответствующий оптический модуль, мощность источника излучения pи, пороговая чувствительность фотоприемника pпр и величина потерь в ответвителе h являются уже заданными величинами. Пользователь может влиять только на коэффициент обратного релеевского рассеяния q (изменяя длительность импульсов) и на выигрыш b (изменяя время усреднения импульсов).

Коэффициент обратного релеевского рассеяния (его значение приводится в спецификации на волокно) у разных производителей волокон отличается на несколько дБ. Для оценки обычно используют значение

æ t [нс] ö

è ø

q = -80дБ +10 log ç 1[нс] ÷ ,

(2.2)

где t – длительность импульсов. В большинстве моделей OTDR длительность импульсов можно менять от 10 нс до 10 мкс, что позволяет увеличить коэффициент обратного релеевского рассеяния на 30 дБ и, соответственно, динамический диапазон рефлектометра на 15 дБ.

Выигрыш в отношении сигнал/шум b (в предположении, что шум белый)

пропорционален квадратному корню из числа усредняемых импульсов:

b = 10 log N .

Учитывая, что на обработку затрачивается около 10 % времени, число этих импульсов

N = 0.9t ,

где t – время усреднения, а Т – период следования импульсов. В результате

получаем, что выигрыш в отношении сигнал/шум равен

b = 5 log 0.9t .

Таким образом, для

оценки величины динамического диапазона надо знать не только время усреднения импульсов t, но и период их следования Т. Период следования импульсов можно оценить, используя тот факт, что при измерении величины динамического диапазона OTDR разработчики рекомендуют подключать к нему волокно длиной 25 км (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Динамический диапазон определяется при длине волокна 25 км, длительности импульса 10 мкс и времени усреднения сигнала 3 мин

Как известно для того, чтобы импульсы, отраженные от начала и конца волокна не накладывались друг на друга, диапазон измеряемых длин должен быть на 10...20 % больше длины волокна. Для оценки положим, что диапазон измеряемых длин устанавливается равным 30 км. Учитывая, что коэффициент пропорциональности между временем запаздывания и длиной волокна равен 10 мкс/км, находим, что период следования импульсов Т равен 300 мкс. При этом число импульсов, усредняемых за время t = 3 мин.,

равно

N = 0.9t = 0.9 ×180 = 5.4 ×105 , а выигрыш в отношении сигнал/шум: b = 10 log

N @ 29 дБ.

T 3 ×10-4

Оценим типичное значение величины динамического диапазона рефлектометра. При этом, как уже говорилось, следует полагать, что t = 10 мкс, t = 3 мин и Т = 300 мкс. Мы уже нашли, что при этих параметрах: q = –40 дБ и b = 29 дБ. Потери при двукратном проходе через 3 дБ ответвитель h примерно равны 6 дБ. Далее положим, что pи = 20 дБм. При большей мощности импульсов света в волокне становятся заметными искажения, вызванные нелинейным рассеянием света в волокне (эффекты Рамана и Бриллюэна) и уменьшается срок службы лазера и фотоприемника. Фотоприемник состоит из лавинного фотодиода и трансимпедансного усилителя (операционный усилитель с отрицательной обратной связью). Такой усилитель обеспечивает большой динамический диапазон, низкий уровень шумов и позволяет легко изменять величину коэффициента усиления и ширину полосы усилителя.

В OTDR фотоприемник может работать в трех различных режимах: в стандартном режиме, в режиме максимального динамического диапазона (узкая полоса частот) и в режиме максимального разрешения (широкая полоса частот). При t = 10 мкс фотоприемник

работает обычно режиме максимального динамического диапазона (полоса частот ~ 1 МГц). При типичном значении пороговой чувствительность лавинного фотодиода 10–14 Вт/Гц1/2 и

ширине полосы 1 МГц получаем, что pпр = –80 дБм. Подставляя в (2.1) значения: pи = 20 дБм,

p -h + q - p + b

h = 6 дБ, q = –40 дБ, pпр = –80 дБм и b = 29 дБ находим:

D r m s =

и пр

= 41, 5 дБ.

Зависимость Drms от времени усреднения сигнала, и длительности импульсов приведена на рис. 2.7.

Заметим, что приведенная нами оценка динамического диапазона не является предельной. Оптические потери в схеме можно уменьшить почти на 5 дБ, используя вместо ответвителя циркулятор (значительно более дорогое устройство). Мощность источника можно увеличить до 23 дБ (прежде чем станут, заметны нелинейные искажения). Можно также улучшить и пороговую чувствительность, так как в рассмотренном нами примере она почти на 10 дБ хуже квантового предела. Так в последних моделях OTDR динамический диапазон удалось увеличить до 50 дБ.

Рис. 2.7. Зависимость динамического диапазона рефлектометра D rms

от времени усреднения t и длительности импульсов t

Для сравнения в таблице № 2.1 приведены значения динамических диапазонов излучательных модулей mini-OTDR производства компании Agilent. Как видно из этой таблицы, наибольший динамический диапазон 42/41 дБ (при t = 10 мкс и l = 1310/1550 нм) обеспечивает оптический модуль Е6008В, предназначенный для использования в магистральных линиях. Такой большой динамический диапазон достигается, в первую очередь, за счет использования более мощного лазера. Заметно меньшую величину динамического диапазона (30 дБ) обеспечивает оптический модуль Е6004А, предназначенный для использования в городских линиях. В нем используется менее мощный лазер, служит этот модуль дольше и стоит намного меньше чем Е6008В.

Таблица № 2.1 . Техническ ие харак теристики Е60 00 С с ра зличными о птическ ими мо д уля ми

(динамическ ий диапазон Drms измерен при времени усредн ения t = 3 мин)

М арка модуля

Е 6004А

Е 6003А

Е 6003В

Длина волны, нм

1310/1550*25

1310/1550±25

Тип волокна

Одномодовое

Применение

Городские линии

Городские и магистральные

Длительность импульса

10 нс

100 нс

1 мкс

10 мкс

10 нс

100 нс

1 мкс

10 мкс

10 нс

100 нс

1 мкс

10 мкс

20 мкс

Динамический диапазон, дБ

13/13

18/18

23/23

30/30

19/17

24/22

30/29

35/34

19/17

24/22

30/29

38/37

40/39

М арка модуля

Б5001А

Е 6005А

Е 6008В

Длина волны, нм

1310±25

850/1300±30

1310/1550±25

Тип волокна

Одномодовое

Многомодовое

Одномодовое

Применение

Городские линии

Локальные сети

Магистральные линии

Длительность импульса

10 нс

100 нс

1 мкс

10 мкс

10 нс

100 нс

1 мкс

10 мкс

10 нс

100 нс

1 мкс

10 мкс

20 мкс

Динамический диапазон, дБ

19/17

26/22

-/28

-/34

24/22

29/27

35/34

42/41

45/43

Величина динамического диапазона рефлектометра, измеренная при t = 10 мкс и t = 3 мин., используется при сравнении различных типов OTDR. Измерения же часто проводятся при меньшем значении длительности импульсов и меньшем времени усреднения. Так, например, при входном и предмонтажном контроле оптических кабелей измерения проводятся обычно при t = 100 нс и t = 15 сек. При этом используется оптический модуль с динамическим диапазоном 30…35 дБ.

Конструируют mini-OTDR обычно в виде двух модулей: базового и оптического модуля. Модульный дизайн OTDR позволяет пользователю устанавливать в своем рефлектометре оптические модули с различным динамическим диапазоном, соответственно, с различной стоимостью. Казалось бы, что во всех случаях можно было бы использовать только один оптический модуль с максимальным динамическим диапазоном, но тогда существенно возрастает цена и уменьшается срок службы рефлектометра. Для сравнения, стоимость одного оптического модуля с динамическим диапазоном порядка

45дБ близка к стоимости минимальной конфигурации рефлектометра (основной блок и оптический модуль с динамическим диапазоном порядка 35 дБ).

Рабочий диапазон

Возможность обнаружения малой неоднородности ограничивается мертвой зоной в начале рефлектограммы и шумами фотоприемника в конце рефлектограммы. Поэтому при измерениях используется только часть динамического диапазона рефлектометра (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Рабочий диапазон D р

Компания Bellcore (теперь Telecordia) определяет величину рабочего диапазона (Bellcore measurement range) Dр как максимальные потери, которыми может обладать участок линии передачи между OTDR и измеряемой неоднородностью с потерями 0.5 дБ

(рис. 2.9). При этом результаты 4-х (из 5-и) измерений потерь в этой неоднородности не должны отличаться от 0.5 дБ более чем на 0.1 дБ.

Рис. 2.9. Рабочий диапазон D р определяется как разница между уровнем сигнала в начале рефлектограммы и уровнем сигнала в том месте рефлектограммы, где можно измерить локальное изменение потерь на 0.5 дБ с точностью 0.1 дБ.

Для измерения величины Dр необходимо создать в волокне не отражающую неоднородность с потерями равными 0.5 дБ. Эта неоднородность должна быть удалена от конца волокна на расстояние, большее ширины мертвой зоны по затуханию. Компания Telecordia разработала такой имитатор потерь в сростке волокон (рис. 2.10). В нем используется 3 дБ ответвитель, оптический аттенюатор и две катушки с волокном. На рефлектограмме в месте расположения имитатора потерь видны ступеньки в точках удаленных от начала волокна, соответственно, на расстояния L0, L1, L2. На расстоянии L0 находится ответвитель, а на расстояниях L1 и L2 концы волокон намотанных на катушки. На концах волокон для того, чтобы избавится от сигнала, вызванного отражением от торца, сделаны петли диаметром порядка 1 см. Ступенька в точке L1 имитирует потери в сварном соединении волокон aи.

Рис. 2.10. Имитатор потерь в сростке волокон и его рефлектограмма

Величины ступенек в точках L0 и L1 зависят от коэффициента пропускания аттенюатора ТА. При ТА = 0 свет проходит только через порты ответвителя 1 и 2 и распространяется только в катушке S2 с более длинным волокном. Поэтому ступенька наблюдается только в точке L0, где расположен ответвитель, и в точке L2 на конце волокна

S2. При увеличении ТА от 0 до 1 ступенька в точке L0 уменьшается от 3 дБ до 1.5 дБ, а в точке L1 потери aи увеличиваются от 0 дБ до 1.5 дБ. Зависимость aи от А = –10logTA изображена на рис 2.11.

Рис. 2.11. Зависимость потерь в имитируемом сварном соединении волокон a и

от потерь, вносимых оптическим аттенюатором А = –10logT A

Хотя рабочий диапазон более достоверно характеризует возможность измерения малых потерь, но требует применения более сложного оборудованиия и больших временных затрат (таблица № 2.2) и, поэтому практически не используется.

Таблица № 2.2 . Сравнение динамическо го и раб о чего диапазо на.

Ди на мический диапазон D r ms

Рабочий диапазон D p

• Легко измерить • Для измерений нужна только катушка с волокном • Хорошая повторяемость результатов измерений • Малые временные затраты • Достаточно одного измерения • Невысокая точность оценки возможности измерений малых потерь в сварных соединениях волокон

• Трудно измерить • Для измерений необходимо специальное оборудование • Результаты измерений требуют специальной обработки • Большие временные затраты • Для того, чтобы удовлетворить требованиям спецификации, необходимо провести не менее 4-х измерений • Высокая точность оценки возможности измерений малых потерь в сварных соединениях волокон

Отношение сигнал/шум

При выборе модели OTDR пользователь, прежде всего, должен оценить, исходя из величины полных потерь в линии, требуемую величину динамического диапазона рефлектометра. Основным критерием при этом является возможность обнаружения и измерения потерь в сростках волокон, находящихся в конце линии. Задача формулируется следующим образом: оценить величину динамического диапазона рефлектометра Drms, необходимую для обнаружения потерь в сростках волокон, величиной a при полных потерях в линии, равных А (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Схема поясняющая постановку задачи в определении требуемой величины динамического диапазона:

найти величину D rms и сходя из заданных значений А и а

Так как возможность измерения малых потерь ограничивается, прежде всего, шумами рефлектограммы DB, то задача сводится к нахождению зависимости величины этих шумов от отношения сигнал/шум в рефлектограмме В. Отношение сигнал/шум В выражается через мощность, рассеянную в точке z назад в рефлектометр Рс и эквивалентную шумовую мощность на входе фотоприемника Рш.

B = 5 log P c =

P ш

p c - p ш ,

(2.3)

Шумы рефлектограммы (или, как часто говорят, неопределенность рефлектограммы)

)

также выражается через отношение Рс/Рш: DB+ = 5log[(Рс + Pш)/Pс] и DB– = 5log[Рс/(Рс – Pш)].

- B

(

Исключив с помощью (2.3) отношение Рс/Рш выразим DB+ и DB– через В: DB+ = 5 log 1 + 10 5

и DB-

= -5 log (1 -10- B 5 ). Зависимости DB

и DB–

от В приведены на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Зависимость шумов рефлектограммы от отношения сигнал/шум

Как видно из рис. 2.13, шумы рефлектограммы быстро уменьшается с увеличением отношения сигнал/шум. Причем при малом значении сигнал/шум (В < 5) неопределенность отклика асимметрична (DB+ < DB–). При В > 5 неопределенность отклика симметрична и

DB @ DB

º D @ 2P ш

- B

@ 2 ×10 5.

Это означает, что на не слишком зашумленном участке

+ -

рефлектограммы (как раз там, где можно будет измерить малое приращение потерь) шумы рефлектограммы (в логарифмической шкале) распределены так же, как и в линейной шкале (примерно по нормальному закону). При этом среднеквадратичное значение шумов рефлектограммы экспоненциально убывает с увеличением отношения сигнал/шум.

Следующая часть задачи состоит в нахождении величины отношения сигнал/шум в рефлектограмме. Как видно из (2.3), уровень В = 0 совпадает с уровнем среднеквадратичного значения шумов в отсутствие сигнала (рис. 2.12). Теперь надо найти, как изменяется величина В = (pс – pш)/2 при увеличении pс. Проблема состоит в том, что величина В может изменяться не только за счет изменения pс но и за счет изменения pш, так pш зависит, вообще говоря, от уровня засветки фотоприемника.

В конце рефлектограммы расчет величины отношения сигнал/шум существенно

упрощается. На этом участке уровень засветки фотоприемника мал и pш не зависит от pс.

Действительно, сигнал в конце рефлектограммы превышает уровень шумов фотоприемника

только за счет того, что происходит многократное усреднение сигнала. При этом выигрыш в отношении сигнал/шум, как было показано в §3, может достигать 30 дБ. Это значит, что вплоть до уровня, находящегося по шкале рефлектометра на 15 дБ выше уровня В = 0 дБ, можно полагать, что pш не зависит от pс и равно значению получаемому в отсутствие сигнала. В этом приближении отношение сигнал/шум будет изменяться пропорционально изменению величины pс. Поэтому, если положить, что на вертикальной шкале рефлектометра положение нуля совпадает со среднеквадратичным значением шумов фотоприемника в отсутствие сигнала, то по ней можно отсчитывать величину отношения сигнал/шум в единицах дБ.

В качестве иллюстрации рассмотрим, как изменяются отношение сигнал/шум и огибающие шумовой дорожки в рефлектограмме (В+ = В + DB+ и В– = В – DB–) в зависимости от расстояния до точки рассеяния импульсов света в волокне z. При этом будем полагать, что потери постоянны по длине волокна и нет отражения от торцов волокна. В таком волокне рассеянная назад мощность изменяется по линейному закону: pс(z) = pс(0) – az. Учитывая, что Drms = (pс(0) – pш)/2, получаем зависимость отношения сигнал/шум от z: B(z) = Drms – az. Огибающие шумовой дорожки в рефлектограмме с помощью (2.3) выражаются через В(z): B+(z) = 5log(1 + 10B(z)/5) и B_(z) = 5log(10B(z)/5 – 1). Зависимости B+(z), B–(z) и B(z) при Drms = 15 дБ и a = 0.25 дБ/км представлены на рис. 2. 14

Рис. 2.14 Модель рефлектограммы волокна с постоянными по длине потерями

Теперь остается найти зависимость требуемой величины отношения сигнал/шум В от величины потерь в сварном соединении волокон а. Как известно, обнаружить малый сигнал на фоне шумов можно только с определенной вероятностью. Так, вероятность того, что измеренная величина потерь, лежит в интервале ±DВ (rms шума) равна 68 %, а вероятность того, что она лежит в интервале ±2DВ равна 95%. Полагая, что величина потерь в сварном соединении волокон а равна 2DВ, с помощью приближенного соотношения DВ » 2Рш/Рс и выражения (2.3) найдем требуемую величину отношения сигнал/шум

B = 5 log 4

(2.4)

Зависимость требуемой величины отношения сигнал/шум от величины потерь в сварном соединении волокон изображена на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Зависимость требуемой величины отношения сигнал/шум от величины потерь в сварном соединении волокон.

Рассмотрим пример (рис. 2.16). Пусть имеется линия длиной 150 км с потерями в волокне 0.20 дБ/км. Полные потери в ней А = 0.20 дБ/км × 150 км = 30 дБ. Оценим величину динамического диапазона рефлектометра, необходимого для измерения потерь в сварных соединениях волокон порядка 0.02 дБ. Из рис. 2.15 находим, что отношение сигнал шум в конце рефлектограммы В должно быть около 12 дБ. Отсюда получаем, что Drms = А + В =

30 + 12 = 42 дБ.

Рис. 2.16. Пример расчета динамического диапазона рефлектометра, необходимого для измерения потерь в сварных соединениях волокон порядка 0.02 дБ в линии передачи с полными потерями 30 дБ.

Шумы в начале рефлектограммы

При оценке отношения сигнал/шум в конце рефлектограммы мы исходили из условия, что уровень засветки фотоприемника мал и, поэтому шумы фотоприемника не зависят от мощности излучения. Однако в начале рефлектограммы уровень засветки фотоприемника уже нельзя полагать малым. На этом участке рефлектограммы преобладающими становятся шумы, вызванные флуктуациями мощности излучения. Эти флуктуации обусловлены, в основном, двумя эффектами: когерентным рассеянием света в волокне и поляризационной анизотропией волокна и ответвителя.

Рассмотрим в начале шум, вызванный когерентным рассеянием света. В каждый момент времени на фотоприемник приходит волна, рассеянная с участка волокна равного полуширине импульса света в волокне. Она представляет собой сумму волн, рассеянных в отдельных релеевских центрах (флуктуациях показателя преломления волокна). Причем в зависимости от длины когерентности источника излучения суммируются или амплитуды этих волн или их мощности. Когда длина когерентности лазерного диода превышает ширину импульса света в волокне, то наблюдается эффект когерентного рассеяния света и надо суммировать амплитуды волн. Амплитуду такой суммарной волны можно представить как сумму векторов со случайной амплитудой и фазой (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Сложение векторов со случайными амплитудами и фазами

При когерентном рассеянии света суммарная амплитуда волны изменяется вдоль волокна случайным образом от своего максимального значения до нуля. В этом случае относительная флуктуация мощности рассеянной волны - порядка единицы и рефлектограмма сильно зашумлена. Однако длина когерентности лазерного диода, используемого в качестве источника излучения в OTDR (~ 1...10 мм), обычно заметно меньше полуширины импульса света в волокне. Так, например, для самого короткого

импульса длительностью t = 10 нс полуширина импульса равна: t v r

= 10 нс ´ 0,1 м/нс = 1 м.

Волны, рассеянные с участков волокна, отстоящих друг от друга на расстоянии большем длины когерентности, уже не интерферируют между собой. Поэтому при расчете мощности суммарной волны нужно суммировать не амплитуды, а мощности этих волн. При этом относительная флуктуация мощности рассеянных волн уменьшается до величины

порядка 1

, где N – число некоррелированных центров рассеяния в волокне. Когерентные

шумы могут быть видны на начальном участке рефлектограммы, где вклад собственных шумов фотоприемника пренебрежимо мал. Причем, в отличие от шумов фотоприемника, их нельзя уменьшить, увеличив время усреднения сигнала.

Оценим величину когерентных шумов для типичного источника излучения в OTDR. К

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 466; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!