INVESTIGATION OF ERROR OF OPTICAL FIBER LOSS MEASUREMENT ON FIBER OPTIC LINK

Full Text

Сновной тенденцией развития современных систем телекоммуникаций является применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), представляющих собой совокупность активных и пассивных устройств, предназначенных для передачи информации на расстояние по волоконно-оптическим линиям передачи (ВОЛП). ВОЛП - это вид направляющей системы, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам (ОВ) [1-2]. Убедительные успехи, которые демонстрируют в этой области страны Западной Европы, Северная Америка и Япония, доказывают безусловную перспективность разработок в этом направлении. В России введены в эксплуатацию такие международные ВОСП, как «Россия - Дания», «Россия - Турция - Италия», «Россия - Япония - Южная Корея» и т.д., осуществляется планомерная цифровизация сетей связи на базе ВОЛП как на региональных уровнях, так и в масштабах страны. В свете происходящих перемен неуклонно повышается роль и значение работ в сфере метрологического обеспечения измерения параметров ВОЛП, повышения точности и надежности полученных результатов. Наиболее универсальным и разработанным методом контроля параметров ВОЛП, рекомендованным МСЭ-Т, ГОСТ РФ, в настоящее время является метод обратного рассеяния [3-4]. Он находит применение при определении регулярности и коэффициента затухания ОВ, измерения затухания смонтированной волоконно-оптической линии, отдельных ее участков, затухания сварных и механических соединений ОВ, расстояний до неоднородностей оптической линии, длины оптического кабеля (ОК) и т.д. Все параметры ВОЛП определяются по реф-лектограмме, представляющей собой зависимость уровня потока обратного рассеяния от расстояния. Основными параметрами ВОЛП, измеряемыми в процессе строительства и эксплуатации, являются: затухание соединений ОВ, отдельных участков и целиком смонтированной оптической линии, ко -эффициент затухания на регулярных участках. В процессе обработки рефлектограмм выполняются процедуры линейной аппроксимации регулярных участков, по результатам которых вычисляются указанные характеристики ВОЛП. Квазирегуляр-ные участки рефлектограмм заменяются гипотетическими линейными зависимостями вида: у = а + Ьх, (1) что для случая анализа потока обратного рассеяния преобразуется как а(х) = с-ах, (2) где а(х) - уровень потока обратного рассеяния в анализируемой точке, дБ; с - постоянная, определяющая уровень потока обратного рассеяния в начале аппроксимируемого участка, дБ; а - коэффициент затухания, дБ/км; х - расстояние до анализируемой точки, км. Затухание а между двумя произвольно выбранными точками оптической линии определяется как разность уровней а(х) в начале а(хг) и конце а(х2) измеряемого участка. При этом «ід =а(х2 -Xj), (3) где х1 - расстояние до начала измеряемого участка, км; х2 - расстояние до конца измеряемого участка, км; а - коэффициент затухания - параметр b аппроксимирующей прямой (1), дБ/км. При определении параметров аппроксимирующих прямых используются методы: - двух точек - в случае измерения затухания на смонтированном участке; - метод наименьших квадратов - в случае измерения затухания и коэффициента затухания на «квазирегулярном» участке. В первом случае параметры аппроксимирующих прямых определяются из соотношений а = v, >Ъ — -У\ У2~У1 Х2~Х\ (4) где у1 и у2 - уровни обратнорассянного потока, соответствующие началу и концу аппроксимируемого участка, дБ; х1 и х2 - по-прежнему расстояния до начала и конца указанного участка, км. Во втором случае те же параметры определяются соотношениями [4] a_yzf=i(*p-*£f=1(yP; ъ= Ц=\хіУі пхУ . 1г«=1х2-и(х)2 ’ Х"=1Ц2)-иО)2 (5) «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 4, 2013 30 Баскаков В. С., Косова А. Л., Прокопьев В.И. где yi и xi - координаты границ интервалов разбиения аппроксимируемого участка, дБ и км соответственно; (n - 1) - число участков разбиения. Таким образом, при определении параметров аппроксимирующих прямых в обоих случаях необходимо знание координат yi и xi рефлектограмм в заданных точках. Погрешность измерения расстояния xi в основном определяется неточностью задания показателя преломления сердцевины ОВ. Этот параметр ОВ устанавливается оператором в процессе выбора режима работы оптического рефлектометра с погрешностью не хуже 0,001%, которой в дальнейшем можно пренебречь. Остановимся подробнее на погрешности измерения уровней yi обратнорассеянного потока. Особенностью метода обратного рассеяния является то, что параметры затухания рассчитываются по результатам линейной аппроксимации участков рефлектограммы, на которой в любой точке присутствует некоторый уровень шума [3]. Следовательно, в соотношениях (4) и (5) уровни yi измеряются с погрешностью, которая приводит к погрешности определения параметров аппроксимирующих прямых и, как следствие, к погрешности вычисления характеристик оптической линии (3). На рис. 1 представлены рефлектограммы фрагмента оптической линии, полученные при различных значениях отношения «сигнал /помеха» (SNR). Рис. 1. Типичные рефлектограммы фрагмента оптической линии при различных SNR Определим абсолютную погрешность Дш ; дБ, измерения уровня потока обратного рассеяния в произвольной точке рефлектограммы с учетом наличия шума А = \а +а \ — а , ш |_с iu\ с ’ где ас - абсолютный уровень сигнала; дБ, в заданной точке рефлектограммы при отсутствии шума oc=101g(P/P), а,+а„= lOlg^iS. О Рс - мощность потока обратного рассеяния в анализируемой точке, Вт; Р0 = 10-3, Вт - абсолютный нулевой уровень мощности сигнала в анализируемой точке на зашумленной рефлектограмме, дБ; Рш - мощность шума, Вт. Тогда Дш =101gРс +Рш -101g^ = 101g[l + ^]. Po Po Pc С учетом того, что SNR - 51g — = -51g — > Рш Pc можно записать Рщ _2Q-5m/5 Pc ‘ Окончательно будем иметь Ди=10И1 + 10-"т5],дБ. (6) График зависимости Дш ; дБ, от SNR представлен на рис. 2. Он позволяет оценить погрешность измерения уровня сигнала у. от воздействия помехи. Величина Дш может принимать значения от 0,01 дБ при SNR > 12 дБ до 1,5 при SNR < 2 дБ [56]. Очевидно, что данная погрешность приводит к погрешности определения параметров аппроксимирующих прямых (4)-(5) и, следовательно, к погрешностям измерения характеристик ВОЛП. і і а ь s і» SNR, [дБ] Рис. 2. Зависимость абсолютной погрешности определения уровня обратного рассеяния от отношения «сигнал/помеха» «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 4, 2013 Баскаков В.С., Косова А.Л., Прокопьев В.И. 31 Рекомендации [4] по корректному выбору величины SNR справедливы на этапе идентификации рефлектограмм, но не позволяют оценить погрешности измерений и дать ответы на следующие вопросы: - какова погрешность измерения затухания локальной неоднородности при выполнении указанных требований и произвольных значениях SNR; - какова погрешность измерения интегральных характеристик оптической линии (например коэффициент затухания) при различных SNR; - каким образом влияет протяженность «ква-зирегулярных» участков на погрешность измерения параметров ОВ. При измерении затухания ВОЛП и ее фрагментов согласно (3) необходимо определять коэффициенты затухания соответствующих участков. При измерении потерь на соединениях ОВ также возникает необходимость в определении коэффициентов затухания прилегающих участков [4]. На рис. 3 представлен фрагмент «зашумленной» рефлектограммы оптической линии, содержащий сварное соединение ОВ и результаты линейной аппроксимации прилегающих «квазире-гулярных» участков с использованием четырехточечной схемы расстановки маркеров. На рис. 3 приняты следующие обозначения: 1 - аппроксимирующие прямые при SNR > 15 дБ; 2 - аппроксимирующие прямые при SNR<4 дБ; Дп — Аах+Аа2 - погрешность измерения потерь, возникающая вследствие воздействия шума. Рис. 3. Принцип определения потерь на сварном соединении ОВ Измерение затухания ВОЛП в процессе эксплуатации осуществляется с целью контроля соответствия параметров ОВ действующим нормам [5]. При этом определяется разность текущего значения параметра а(і) и соответствующего ан по нормам: А = [а(£) - а„]. Указанный подход справедлив как при оценке затухания отдельных участков ВОЛП, коэффициента затухания, так и затухания соединений ОВ. Затем задается минимальная величина отклонения Amjn , при которой делается вывод о деградации измеряемого параметра. Как правило, принимается Атгв= 0,5а„. Для принятия корректного решения о несоответствии характеристик оптической линии нормам на ранних стадиях их деградации необходимо выполнение условия [6-7]: Да(0 = 0,5А„ (7) где Аа(ї) - погрешность измерения текущего значения параметра оптической линии. Изложенное свидетельствует о необходимости исследования влияния шумов рефлектограмм (SNR) и протяженности «квазирегулярных» участков на погрешности измерения затуханий волоконно-оптических линий. Экспериментальные исследования указанных погрешностей производились в соответствии с структурной схемой на рис. 4 Рис. 4. Структурная схема измерения параметров ВОЛП На схеме рис. 4 приняты следующие обозначения: 1 - оптический рефлектометр НР Е6000А; 2 -патчкорд; 3 - регулируемый оптический аттенюатор EXFO FVA-600; 4 - катушка со стандартным одномодовым волокном SMF-28e™ фирмы «Corning» длиной 20 км; 5 - сварочное соединение двух одномодовых волокон; 6 - катушка со стандартным одномодовым волокном SMF-28e™ фирмы «Corning» длиной 4 км. Параметры измерений: длина волны оптической несущей 1550 нм; длительность зондирующего импульса 100 нс; диапазон расстояний (дальность) 40 км; время усреднения 30 с. Рис. 5. Зависимости абсолютной погрешности измерения коэффициента затухания от условий измерений «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 4, 2013 32 Баскаков В. С., Косова А. Л., Прокопьев В.И. По схеме рис. 4 проводились многократные измерения коэффициента затухания а, [дБ/км] и затухания сварных соединений а [дБ] при различных значениях SNR и протяженности «ква-зирегулярных» участков L Оценка «сверху» погрешности Аа однократного измерения коэф-фициента затухания определялась в соответствии с соотношением: А а = \а — а. дБ/км; (8) математическое ожида- 1 ” где: ä = -'Y_tai - П i=i ние результатов многократных измерений ко -эффициента затухания при SNR > 12 дБ и -Бку> 1500 м, дБ/км; п = 10 - объем выборки; а. - результат 7-го измерения, дБ; а. - результат измерения при заданных значениях SNR и Lкото-рому соответствует максимальное отклонение от аст; дБ. На рис. 5 представлены зависимости Аа от SNR, полученные при различных значениях L На рис. 6 представлены зависимости Аа от SNR, полученные при различных значениях L . Рис. 6. Зависимости абсолютной погрешности измерения затухания соединения ОВ от условий измерений Пунктиром на рис. 5-6 показан принцип определения условий проведения измерений, позволяющих обеспечить уровень погрешностей Аа и Аа, отвечающих требованиям (7). Результаты экспериментальных исследований позволяют объективно оценить погрешность измерений затухания ВОЛП, выполненных в различных условиях. Это дает возможность корректно выявить деградацию характеристик оптической линии на ранних стад

About the authors

V. S Baskakov

Email: baskakov@psati.ru

A. L Kosova

Email: kosova_al@mail.ru

V. I Prokopjev

References

Supplementary files