Что такое оптический рефлектометр
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!
Рефлектометр. Виды и устройство. Работа и применение. Как выбрать
Рефлектометр представляет собой специальное устройство, которое предназначено для нахождения дефектов в кабельных линиях с помощью локационного метода. За счет того, что данный прибор направляет импульсы по проводу, можно находить и классифицировать разрывы, короткое замыкание и другие типы повреждений. Появление подобных приборов было вызвано использованием цифрового формата и отказом от аналоговой передачи данных. Поэтому появилась нужда в качественной передаче информации, ведь в аналоговой телефонии было достаточно того, что абонент просто слушает другого. Шумы и трески на линии считались обычным явлением.
Однако сигнал цифрового качества должен доставляться полностью, наличие проблем с кабелем может приводить к потере части информации, вследствие чего связь имеет нестабильность. Поэтому и появилась необходимость проверять и исправлять минусы кабелей, а значит без рефлектомерных устройств здесь не обойтись. При помощи таких приборов удается быстро обнаружить и устранить проблемы с кабелем.
Рефлектометр имеет два основных вида. Одни модели используются для проводов, другие применяются для оценки параметров оптических кабелей, передающих сигнал с большой скоростью и минимальными потерями. Поэтому рефлектометры классифицируются на импульсные и оптические устройства.
Импульсные также имеют два основных вида. Это определяется тем, для чего они применяются. Устройства для проводов могут классифицироваться на узкополосные и широкополосные. Вид прибора зависит от того, какой тип приемного блока применяется в их конструкции. В большинстве случаев применяется узкополосный блок. Вызвано это тем, что в этом случае задействуется узкополосный усилитель, что позволяет снизить мощность, в том числе и цену устройства.
Широкополосные устройства, используемые для кабелей, позволяют снизить степень шумов до минимальных показателей. Данный параметр лучше всего подойдет для использования прибора на большой дальности. Это вызвано тем, что в устройстве нет схемы выборки хранения, что свойственно узкополосным приборам. В то же время следует учитывать, что невозможно использовать подобные устройства на коротких расстояниях, так как нет возможности подать импульс на малую дальность. Широкополосное устройство работает по принципу измерения скорости прямого движения импульса, а также скорости обратного перемещения, при встрече с неоднородностью в кабеле.
Оптические используются для оптических кабелей. В целом они довольно схожи с импульсными приборами, однако у них есть некоторые отличия. Главная особенность оптических приборов в том, что по кабелю отправляется не электроимпульсы, а световые импульсы. Данный прибор можно задействовать с целью диагностических работ при проверке линий связи, включая проверку сигнальных и силовых проводов.
Исходя из мощности, дальность применения этих приборов может составлять в пределах 10000-50000 метров. С их помощью можно найти обрывы, определить наличие короткого замыкания, отводов и так далее. К тому же рефлектометр можно подключить к ПК, что позволяет сохранить итоги измерений и провести их обработку.
Устройство
Оптический рефлектометр имеет следующие основные элементы:
Импульсный лазер создает световые импульсы определенной мощности и длительности. Данные параметры зависят от блока управления, который задает ток накачивания для лазера. Лазер вырабатывает импульсы, которые по времени составляют от одной наносекунды до 10 микросекунд.
Импульсы, создаваемые блоком управления, имеют частоту, которая задается вручную, любо определяется автоматизированным способом в зависимости от длины исследуемого участка кабеля. В тот же момент времени на блок обработки направляются синхронизирующие импульсы.
Световые импульсы направляются на кабель через разветвитель, который имеет входящие и выходящие порта. Через входные порты соединяются лазер и преобразователь. А через выходной порт подключается кабель, который исследуется.
Обратный сигнал, который возвращается из кабеля, принимается фотоприемником преобразующего устройства. В результате происходит преобразование оптических сигналов в электрические.
Чтобы увеличить полученный сигнал, применяется предусилитель, который монтируется вместе с фотоприемником.
Далее сигнал направляется в блок обработки. В нем электросигнал обрабатывается, после чего создается рефлектограмма, которая направляется на дисплей. К тому же в указанном блоке выполняется обработка рефлектограммы и проводятся измерения. В современных устройствах блок обработки включает цифровой блок и преобразователь, который переводит аналоговый сигнал в цифровой.
Чтобы снизить уровень шумов и расширить диапазон, в блоке обработки накапливаются данные от огромного количества отраженных сигналов. Преобразованная рефлектограмма направляется на дисплей или блоки автообработки, после чего на дисплее высвечиваются итоги измерений. Они могут сохраняться в памяти или сравниваться с другими данными, которые хранятся в памяти.
Принцип действия
Если вкратце, то пользователю необходимо подсоединить прибор к исследуемому кабелю, после чего нажать кнопку. Все остальное прибор делает сам и выводит полученный результат на экран. Останется только проанализировать полученную информацию и устранить возникшую проблему. При необходимости рефлектометр можно подсоединить к ПК, чтобы сохранить полученные результаты или провести сравнение с уже имеющейся информацией.
Применение
Рефлектометр позволяет:
Рефлектометр может применяться для:
Как выбрать
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) в наше время широко используются в сфере телекоммуникаций. Для измерения параметров и диагностики состояния ВОЛС основным прибором является оптический рефлектометр (англ. OTDR, Optical Time Domain Reflectometer).
В этой статье мы рассмотрим:
Как работает оптический рефлектометр
Если очень упрощенно, то рефлектометр посылает в оптоволокно световые (зондирующие) импульсы и измеряет обратное излучение.
Обратное излучение, регистрируемое рефлектометром, возникает в результате трех основных физических причин:
Если более подробно, то во время работы рефлектометра происходит следующее:
Функции рефлектометра
Современные OTDR — это сложные цифровые приборы, которые позволяют проводить в автоматическом режиме целый комплекс измерений:
Конструкция оптического рефлектометра
Типичный оптический рефлектометр обычно выглядит примерно так:
Широкое распространение получили также портативные приборы OTDR, которые меньше и легче, например, оптический рефлектометр Signal Fire S3:
Как мы уже увидели, для функционирования рефлектометра необходимы лазерный светодиод, оптический разветвитель и фотоприемник. Они обычно объединены в оптическом модуле рефлектометра.
Кроме того, современный OTDR комплектуется:
В зависимости от функционала, в рефлектометре могут быть разъемы не только для подключения проверяемого волокна, но также:
Отметим, что функции источника лазерного излучения и измерителя оптической мощности могут осуществляться и через один OTDR-порт.
Посмотрим на примерах. На этом рефлектометре марки VIAVI мы видим (слева направо): порт OTDR для подключения активной линии, обычный порт OTDR, два USB-порта, коннектор для VFL.
На компактном и недорогом Signal Fire S3 три порта: VFL (локация дефектов), OTDR (собственно, рефлектометрия) и OPM (измеритель оптической мощности).
Некоторые модели оснащаются модулями для подключения по Wi-Fi, Bluetooth.
Как правило, большинство представленных на рынке OTDR выполнены в виде самостоятельного устройства, но встречаются оптические рефлектометры, изготовленные в виде приставки/платы для компьютера (ноутбука) или же для мобильных устройств.
Виды оптических рефлектометров
По модульности
Некоторые бренды выпускают модульные рефлектометры. Это более дорогие, мощные и многофункциональные устройства, часто конструктивно выполнены в виде приставки для ноутбука, которая подключается к нему с использованием различных интерфейсов. Большое преимущество таких приборов — это наличие сменных модулей, которые предназначены для различного вида дополнительных исследований и измерений, и которые можно докупать отдельно по мере необходимости.
В «полевых условиях» такие рефлектометры позволяют выполнить ряд необходимых измерений и показать предварительные результаты, однако при подключении к ноутбуку такой прибор превращается в полноценную платформу для анализа параметров ВОЛС.
По функциональности
Здесь сложно провести четкое разграничение по видам, так как рынок предлагает большое разнообразие моделей. Можно выделить 2 основные категории:
По мобильности
С функциональностью тесно связан и такой параметр, как мобильность рефлектометра. Профессиональное лабораторное оборудование обычно не пригодно для «полевых измерений», т. к. имеет крупные габариты и вес и зависимо от питания электросети. А компактный OTDR с минимально необходимым набором функций помещается в руке и удобен для тестирования сети в полевых условиях.
Кроме того, мобильные приборы всегда комплектуются аккумулятором с хорошим запасом емкости.
По видам измерений
Многофункциональные OTDR имеют дополнительные разъемы для подключения двух или трех видов волокна. Часто это модели из верхнего ценового диапазона.
Однако большинство рефлектометров на рынке узкоспециализированы и предназначены для тестирования чего-то одного:
Это удобно, если вы не хотите переплачивать за функции, которые не нужны в вашей работе.
Технические характеристики оптических рефлектометров
Как правило, в спецификациях на оптические рефлектометры мы можем увидеть множество различных характеристик и параметров прибора. Например, это может выглядеть так:
Попробуем разобраться, что они обозначают и какие из них существенны при настройке и эксплуатации прибора.
Критерии выбора оптического рефлектометра
При выборе OTDR, особенно если эта задача стоит впервые, у неподготовленного покупателя могут возникнуть вопросы и даже проблемы по выбору прибора из огромного ассортимента, который есть на этом рынке. Итак, на какие факторы и характеристик требуется обратить внимание в первую очередь?
Рефлектограмма: как ее получить и проанализировать
Типичная рефлектограмма, которая выводится на монитор портативного прибора выглядит примерно так:
Как мы видим, в верхней части построен график с результатами измерений линии, внизу обозначена таблица с «событиями». Для понимания, как расшифровываются все эти пики и ступеньки на рефлектограмме, давайте посмотрим вот такую шпаргалку:
График рефлектограммы построен на осях расстояния и оптической мощности.. Это позволяет определять уровень затухания сигнала после каждого зарегистрированного на рефлектограмме события, а также расстояние до него.
Специалисты, как правило, сохраняют рефлектограмму в памяти прибора (файлы формата SOR, Standard OTDR Record) для дальнейшего детального анализа уже на компьютере с помощью специального софта. Провести замеры на объекте может и не очень квалифицированный специалист, а вот заниматься анализом полученной рефлектограммы должен опытный инженер. Дело в том, что в автоматическом режиме не все события фиксируются OTDR, например, в некоторых случаях специалист может добавить в таблицу с помощью функций программного обеспечения какое-либо событие в ручном режиме. Если же в таблице появилось ошибочно найденное событие, то его можно будет вручную удалить.
Для того, чтобы рефлектограмма получилась качественной и содержала объективные результаты измерений, перед началом тестирования специалистам необходимо установить удлинительную катушку в точке подключения рефлектометра (для измерения потерь на первом коннекторе). А на другом конце оптоволокна нужно подключить коммутационный кабель (для фиксирования потерь в дальнем соединителе). Удлинительная катушка и коммутационный кабель должны быть такого же типа, как и исследуемое волокно.
Как правило, для удобства хранения, удлинительные катушки помещаются в специальные контейнеры (длина катушки может составлять и 100-150 метров, и 1 км, в зависимости от длины тестируемого кабеля).
Также рекомендуется проводить снятие рефлектограммы в противоположных направлениях или переходить в ручной режим для получения уточненных данных.
Советы по использованию оптических рефлектометров
Если вы используете прибор впервые, то предварительно необходимо изучить техническую документацию на него и пройти обучение по его использованию на практике.
Необходимо учесть следующую информацию:
Надеемся, что наша статья оказалась полезной для знакомства принципами работы оптических рефлектометров и методами их применения на практике. Специалисты компании Lantorg проконсультируют вас по всем вопросам и окажут помощь в выборе прибора.