Măsurarea și optimizarea semnalului optic în rețelele de fibre optice: Ghid complet și eficient

Măsurarea performanței în rețelele mici cu fibră optică nu este un lucru obișnuit. Mulți instalatori cred că, dacă echipamentele active funcționează corect după conectare, nu mai este nevoie de alte măsurători. Dar această presupunere nu este corectă. Există situații în care echipamentele conectate încep să aibă probleme după ce rețeaua sau conexiunea optică au funcționat o perioadă de timp.

Un exemplu de astfel de situație este cazul în care dispozitivele care funcționează la o lungime de undă de 1310 nm sunt înlocuite de dispozitive care utilizează lungimea de undă de 1550 nm. Se întâmplă ca atenuarea mai mare, nedetectată anterior (care este, de exemplu, consecința unei îndoiri micro sau macro a cablului / fibrei, un splice prost, un conector murdar sau o cuplă de calitate slabă) va provoca o atenuare semnificativă a semnalului la lungimea de undă mai mare.

O altă situație implică conexiunile expuse permanent la murdărie – funcționarea unei astfel de rețele implică riscul creșterii atenuării tuturor conexiunilor detașabile (conectori în cuple) cu trecerea timpului și creșterea numărului de operațiuni de conectare/deconectare, în special când nu se folosește un instrument de curățare. În astfel de instalații, trebuie să verificați atenuarea inițială a întregii căi optice și să vă asigurați că valorile nu cresc semnificativ.

Conform exemplelor de mai sus, merită să faceți cel puțin diagnosticarea de bază a conexiunilor optice – chiar și atunci când nu este solicitată de beneficiar.

Merită menționat faptul că un powermetru optic poate fi util nu numai pentru verificarea atenuării conexiunilor și legăturilor optice. Poate fi adesea utilizat pentru a verifica funcționarea corectă a echipamentelor active – dacă puterea optică generată se află în domeniul de declarat.

Nevoia de a curăța conectorii la momentul instalării fibrelor opticr este evidentă pentru unii instalatori și o procedură inutilă pentru alții care consideră că crește doar costurile de instalare (scule, cartușe de curățare, timpul necesar curățării unui număr mare de conectori). Se poate presupune că ambele părți au dreptate, dar trebuie remarcat faptul că curățarea nu va agrava niciodată parametrii și, în unele cazuri, poate economisi timpul necesar unei depanări.

În sistemele în care parametrul cheie, pe lângă atenuare, este puterea reflectată, măsurarea modului în care conectorul reflectă semnalul incident, curățarea este extrem de importantă. Chiar și o mică contaminare a conectorului poate crește semnificativ reflectanța și poate provoca o reflectare semnificativă a semnalului înapoi spre transmițător putând afecta buna funcționare a acestuia.

În rețelele locale mai mici, cum ar fi rețelele LAN cu fibră optică sau sistemele de supraveghere cu cablare pe fibre optice, module SFP și convertoare media care funcționează la 1310 nm, valoarea reflectanței conectorului nu este atât de critică. Mai mult, chiar și o atenuare mai mare pe un conector ușor murdar nu va provoca, de obicei, dispariția semnalului pe cealaltă parte. Motivul este că echipamentele utilizate în acest tip de instalații oferă de obicei un buget de energie mult mai mare decât este necesar în general. Mulți instalatori care efectuează acest tip de instalații nu folosesc niciun instrument de curățare. Se presupune că majoritatea nici nu sunt obligați să efectueze măsurători în instalațiile lor. Condiția de bază pe care trebuie să o îndeplinească este ca „sistemul să funcționeze”.

La măsurarea parametrilor rețelelor optice, curățarea conectorilor nu mai este opțională și ar trebui să fie întotdeauna efectuată. Pentru măsurători, instalatorul folosește de obicei aceleași patch-uri de măsurare, care, se murdăresc în timp. Neglijarea acestei acțiuni poate duce la distorsiuni severe ale măsurătorilor. Mai mult, în cazul măsurătorilor reflectometrice, este absolut necesar să curățați conectorul cablului de lansare care este conectat la mufa reflectometrului. Conectarea și deconectarea repetată a unui conector murdar este cea mai frecventă cauză a defectelor reflectometrului, majoritatea cărora se termină printr-o înlocuire costisitoare a conectorului de măsurare. Deteriorarea conectorului este o consecință directă a murdăririi sale. Murdăria acumulată poate zgâria mai întâi suprafața ferulei conectorului reflectometrului (în cel mai bun caz afișează „doar” rezultate mai slabe), în al doilea rând reflectă puternic impulsurile generate de dispozitiv. Dacă instalatorul alege un impuls lung și un domeniu de măsurare mare, atunci deteriorarea gravă a reflectometrului este doar o chestiune de timp.

Înainte de a achiziționa orice echipament de măsurare, instalatorul trebuie să răspundă la întrebarea de bază: care este scopul măsurătorilor. Tipul de echipamente și metodele de măsurare vor depinde de aceasta. În al doilea rând, merită luate în considerare funcții specifice care pot fi eventual utile.

Contrar aparențelor, definirea „scopului măsurării” nu este întotdeauna ușoară. Adesea, instalatorul cu puțină experiență în implementarea instalațiilor de fibră optică trebuie să furnizeze, la cerere, un „raport de măsurare” unui beneficiare, care este și mai puțin informat. Beneficiarul nu știe exact ce să ceară, iar instalatorul nu știe ce ar trebui să incluă în raportul de măsurare în cazul unei simple.

Există trei „obiective de măsurare” principale:

Echipament necesar: powermetru optic

În această situație, se presupune că la intrarea fibrei optice există un dispozitiv activ care generează un semnal la un anumit nivel de putere (adică echipamentul utilizat va fi și sursa semnalului măsurat). Folosind powermetrul optic, instalatorul poate determina nivelul semnalului pe cealaltă parte a căii optice, adică în locul instalării echipamentului receptor. O bună analogie pentru acest tip de măsurare pot fi măsurătorile făcute în instalațiile CATV, unde instalatorii verifică prin intermediul unui analizor de semnal dacă semnalul de la prizele de abonat se încadrează în intervalul specificat.

Un exemplu de instalații optice în care nivelul semnalului la receptor este o problemă cheie sunt rețelele optice pasive (PON). Un alt caz ar putea fi sistemele CATV pe fibră optică cu transmițătoare optice și componente pasive, cum ar fi cabluri, splittere, atenuatoare și receptoare optice.

Cel mai important în astfel de rețele este ca puterea optică la intrarea receptorului să se încadreze în domeniul specificat de producător. Interesant este că, deobicei, puterea se dovedește a fi prea mare decât prea mică. Este un exemplu perfect al unei situații în care se recomandă atenuarea optică, deoarece, este posibil ca sistemul să nu funcționeze. Deobicei această situație apare atunci când instalarea fibrei optice și punerea în funcțiune se fac de persoane diferite sau în etape separate.

Echipament necesar: powermetru optic, sursă laser, patchcorduri de măsurare, cuple.

Acesta este de departe cel mai frecvent caz – instalatorul dorește să verifice atenuarea totală a căii optice pentru a se asigura că nu a fost depășită. Metoda de testare prin transmisie se numește cea ce implică utilizarea unui powermetru optic a unei surse laser stabile. Raportul de măsurare va include atenuarea totală a conexiunii optice pentru lungimile de undă stabilite.
Pentru a folosi metoda de transmisie, instalatorul trebuie să știe lungimea (lungimile) de undă în care urmează să funcționeze legătura sau să măsoare pentru lungimile de undă standard. Dacă nu sunt cerințe specificate, testarea cea mai cuprinzătoare ar trebui să includă toate lungimile de undă specifice tipului de fibră utilizată, adică 850 nm și 1300 nm pentru fibrele multimode și 1310 nm, 1550 nm și 1625 nm în cazul fibrelor singlemode.

Această metodă implică conectarea unei surse laser cu putere constantă și cunoscută pe o parte și un powermetru optic pe cealaltă. Rezultatul măsurării este pur și simplu diferența dintre valorile afișate pe dispozitive. Măsurătorile folosesc cel mai adesea scara logaritmică.
Exemplu: nivelul sursei laser este de -5 dBm, powermetrul arată -10 dBm, rezultă că, atenuarea căii optice este de 5 dB.

Privind diagrama de mai sus, se poate observa că rezultatul măsurătorii include și atenuarea patchcordurilor și cuplelor utilizate. Cu cât calea optică este mai lungă și mai extinsă (adică conține un număr mare de splitări și cuple), cu atât este mai mică influența atenuării patchcordului de probă asupra rezultatului final al măsurării. Cu toate acestea, când măsurați un segment scurt de fibră optică conectorizată la ambele părți, se poate dovedi că impactul atenuării dată de patch-urile de măsurare va fi semnificativ. În caz extrem – când patch-urile sunt murdare sau deteriorate, atenuarea lor poate fi responsabilă pentru cea mai mare parte a atenuării totale.

Soluția la această problemă este calibrarea sistemului de măsurare şi setarea unui nivel de referinţă. Trebuie notat că se poate ca unele dispozitive să nu ofere o astfel de posibilitate – deobicei, powermetrele optice din gama superioară sunt dotate cu astfel de funcţii.

În acest scop, puteţi utiliza două patchcorduri cu conectori compatibili cu sursa de lumină, powermetrul și o cuplă optică. Valoarea de atenuare obținută în acest mod pe este salvată apăsând tasta „REF” (powermetru L5815) sau cu utilizarea altor mijloace responsabile pentru această funcție (de exemplu, prin apăsarea tastei „dBm” de pe powermetrul L5816). Apoi, rezultatul măsurării va fi cel corect şi va exnclude atenuarea dată de patch-urile de măsură.

Ultima problemă este interpretarea rezultatelor obținute, aceasta trebuie comparată cu valorile teoretice de atenuare pentru acea conexiune. Calculele trebuie să ia în considerare atenuarea fibrei optice la lungimea de undă măsurată, splice-uri sau cuple mecanice și conectori rapizi. Următoarele valori sunt aproximativ standard pentru elemente date:

• fibră optică pentru lungimile de undă utilizate:
• 850 nm – 3 dB/km,
• 1300 nm – 1 dB/km,
• 1310 nm – 0,35 dB/km,
• 1550 nm – 0,25 dB/km
• sudură fibră: 0,1 dB (max. 0,15 dB)
• cuplă: 0,25 dB (max. 0,3 dB)
• splice mecanic – conform fișei tehnice, totuși, practica arată că atenuarea reală este de aproximativ 0,5-0,8 dB
• alte elemente pasive – conform fișelor tehnice

Estimând atenuarea pentru calea optică prezentată în diagrama de mai sus, obținem:

• 4 cuple: 4 x 0,25 dB = 1,0 dB
• 4 suduri: 4 x 0,10 dB = 0,4 dB
• Splitter cu patru ieșiri: 6,7 dB
• 300 m + 1200 m = 1500 m fibră: 0,35 dB / km x 1,5 km = 0,52 dB (la 1310 nm)

Deci, atenuarea totală estimată este [dB]: 1,0+ 0,4 + 6,7 + 0,52 = 8,62.

Rezultatul măsurării efective nu ar trebui să difere semnificativ de calculele teoretice. Desigur, unele abateri în acest sens sunt acceptabile. Măsurarea efectuată de cele mai ieftine powermetre este are o abatere de +/- 0,35 dB sau +/- 3–5% din valoarea măsurată (aceste date pot fi găsite în fişa tehnică a aparatului). În acest exemplu, o măsurare cu powermetrul L5816 va avea o abatere de +/- 3%. Prin urmare, pentru valori de 9 dB, această eroare va fi 0,45 dB. Înseamnă că orice rezultat final în intervalul 8-9 dB este pe deplin acceptabil, cât mai aproape de valoarea teoretică. În practică, marja pentru acceptarea rezultatelor ca satisfăcătoare poate fi chiar mai largă.

Determinarea atenuării conexiunilor și a conectorilor, reflectanța conectorilor, lungimea liniei, distanțele dintre evenimentele din fibră, impactul micro- și macro-curburilor asupra parametrilor de transmisie

Echipament necesar:reflectometru OTDR, bobină de lansare.

În situația în care instalatorul trebuie să furnizeze un set mai detaliat de parametri decât atenuarea totală a căii optice, utilizarea unui reflectometru este necesitară. Acest dispozitiv avansat este conceput pentru a măsurara reflectanța (raportul dintre puterea optică reflectată și puterea optică incidentă) conectorilor și determinarea atenuării tuturor evenimentelor (perturbărilor) din calea de transmisie.

Chiar dacă reflectometrele sunt dispozitive avansate care oferă numeroase modalităţi de diagnostic, atenuarea totală a căii optice trebuie măsurată cu metoda de transmisie, adică folosind un powermetru și o sursă laser stabilă.

În primul rând, metoda garantează o precizie mai mare (spre deosebire de reflectometrie, măsoară atenuarea efectivă). Reflectometrele calculează în medie și analizează o serie de măsurători. În loc să fie măsurate direct, valorile de atenuare sunt calculate de software. Mai important, măsurătorile OTDR nu includ atenuarea ultimului eveniment din linia de fibră testată, adică de obicei conexiunea contorului la linie, care poate avea un impact semnificativ asupra atenuării totale. Această zonă moartă poate fi eliminată cu ajutorul unui cablu de lansare, ceea ce înseamnă, totuși, că măsurarea va include influența acestei conexiuni suplimentare cablu-linie.

În al doilea rând, folosind metoda de transmisie, sistemul poate fi calibrat pentru a elimina atenuarea la începutul și la punctele finale ale fibrei optice. Fiecare reflectometru este echipat cu un modul de măsurare a puterii, deci nu este nevoie să cumpărați două dispozitive separate.

Rezultatele măsurătorilor reflectometrice sunt întotdeauna prezentate în două forme: sub forma unei reflectograme (figura de mai sus) și așa-numitul „tabel de evenimente”. O reflectogramă este un grafic care arată puterea semnalului optic pe toată lungimea liniei de fibre testate. Permite tehnicianului să determine ce evenimente au loc într-o anumită cale optică și să măsoare parametrii lor de transmisie (cum ar fi atenuarea și reflectanța). Aceleași evenimente sunt, de asemenea, listate într-un tabel. Imaginea de mai sus ilustrează evenimentele tipice reprezentate de o reflectogramă:

• A – începutul liniei de fibre optice; un vârf de reflexie cauzat de conectorul de măsurare
• B – o curbă de cădere reprezentând atenuarea semnalului în fibra optică
• C – o îmbinare sau o îndoire a fibrelor
• D – un punct de conectare
• E – capătul liniei de fibră optică

După cum este vizibil în diagrame, acest tip de măsurare poate oferi informații maxime despre linia de transmisie testată. Este, de asemenea, cea mai bună metodă de identificare a cauzelor și localizărilor defecțiunilor de linie optică.

În acest exemplu particular, linia de fibră optică constă din următoarele segmente și componente care generează evenimentele detectate:

• 150 de metri (150 m și 2x 1,5 m cabluri patch, total: 153 m) de fibră de lansare (distanța de 161 m până la primul eveniment rezultă din existența unei zone moarte – distanța este calculată corect începând de la Metru 8).
• eveniment pe 161 metri, marcat de reflectometru ca o îmbinare cu atenuare de 0,26 dB. De fapt, este o conexiune a cablului de lansare cu linia măsurată. Această conexiune SC / APC de înaltă calitate cu reflectanță și atenuare foarte scăzută tipică pentru o îmbinare a fost identificată doar ca o îmbinare. În astfel de situații, unii instalatori „îmbunătățesc” reflectograma folosind special un conector murdar, astfel încât acesta să arate caracterul reflectorizant și să devină vizibil pe grafic.
• eveniment pe 333 de metri (172 de metri de fibră față de evenimentul anterior) – o conexiune detașabilă cu atenuare de 0,14 dB și reflectanță de 48,36 dB (evenimentul include și o îmbinare)
• eveniment pe 363 de metri (30 de metri de fibră față de evenimentul anterior) – conector detașabil cu atenuare de 0,32 dB și reflectanță de 47,85 dB (evenimentul include și o îmbinare)
• eveniment pe 404 de metri (41 de metri de fibră față de evenimentul anterior) – sfârșitul liniei optice analizate.

Cantitatea de informații oferită prin această metodă este cel mai mare avantaj al său. Pentru a o interpreta corect, utilizatorul trebuie să aibă cunoștințele și experiența adecvate în domeniul pregătirii măsurătorilor (setarea opțiunilor corespunzătoare în dispozitiv în funcție de tipul și lungimea liniei măsurate), precum și în analiza rezultatelor obținute. Din păcate, modurile automate în practică nu sunt foarte utile.

It is also worth adding that reflectometric measurements should be performed in two directions. Only such „cross” measurements guarantee obtaining correct values of event attenuation.

Instalatorii care încep aventura cu măsurători reflectometrice trebuie să fie conștienți de faptul că această metodă are și limitările sale. Nu fiecare eveniment va fi pe reflectogramă. Evenimente consecutive – de ex. un conector și o îmbinare sau două îmbinări realizate la o distanță mică una de cealaltă pot fi detectate ca un singur eveniment. Acest lucru se datorează așa-numitei zone moarte – pentru o perioadă de timp după fiecare eveniment, reflectometrul nu este capabil să recunoască evenimentele ulterioare. Zona se extinde odată cu creșterea puterii impulsului de lumină injectat în fibră și depinde de calitatea reflectometrului.

As an example, the attenuation dead zone (independent of pulse width) of the FHO3000 L5828 reflectometer is 6 meters. The event dead zone depends on the pulse width and in the case of testing short links with pulses from 3 ns to 20 ns, it changes from 1 meter to about 6 meters.
Therefore, in theory the reflectometer will not be able to detect events located closer than 7–12 m apart. However, these are theoretical values – in practice the distances may be slightly larger due to deviating from the manufacturer’s assumptions on event reflectance (the worse the reflectance, the larger the dead zone after the event).

Apariția zonei moarte este principalul motiv pentru care sunt utilizate cablurile de lansare. Acestea sunt conectate între reflectometru și linia măsurată, astfel încât măsurarea corectă a liniei să fie posibilă chiar de la început.

Niciun eveniment pe o reflectogramă nu poate rezulta dintr-o calitate foarte bună a componentelor individuale ale căii optice. Având în vedere faptul că reflectometrul detectează evenimente pe baza cantității de lumină reflectată de componente (reflectanță), conexiunile APC perfect realizate pot fi neobservate de dispozitiv. Valoarea minimă de reflectanță pentru acest tip de conector este de 55 dB. Componentele de bună calitate au valoarea la 60 dB sau chiar peste 70 dB. Aceasta înseamnă că conectorul reflectă o milionime (60 dB) de lumină incidentă, iar reflectometrul trebuie să înregistreze și să interpreteze această situație! Chiar și echipamentele de cea mai înaltă clasă pot avea probleme cu detectarea unor valori atât de mici. O situație similară se aplică îmbinărilor de fuziune. Tehnologia de îmbinare prin fuziune este atât de avansată astăzi încât atenuarea unei îmbinări bine realizate este adesea aproape de 0 dB. Asemenea modificări mici de atenuare nu pot fi înregistrate nici de dispozitivele de măsurare cele mai sensibile.

Instalatorii fără experiență pot avea probleme cu interpretarea unor astfel de cazuri. Ei pot crede că lipsa anumitor evenimente se datorează utilizării de echipamente de măsurare inadecvate sau abilităților insuficiente în pregătirea măsurătorii. Deși astfel de motive sunt posibile, în mod paradoxal, o astfel de „măsurare ciudată” poate fi un semn al unei instalații bine realizate. Baza judecății aici ar trebui să fie conștientizarea acțiunilor întreprinse, cunoașterea parametrilor echipamentelor utilizate și capacitatea de a interpreta rezultatele obținute.