Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к дипломному проекту: диплом содержит 78 страниц, 37 рисунков, 10 таблиц и одно приложение.

Данный дипломный проект посвящен «разработке фотоприемного измерительного блока устройства для тестирования волоконно-оптических сетей доступа».

Наиболее часто встречаются понятия: затухание, волоконно-оптический кабель, волоконно-оптические линии связи, оптическое излучение, фотодиод, логарифмический каскад, преобразователь тока в напряжение, блок коммутации

В данном дипломном проекте проведены обзор существующих методов измерения, ознакомление с основными характеристиками оптических кабелей (затухания, дисперсия), обоснован выбор структурной схемы фотоприемного измерительного блока, устройства для измерения затухания одномодовых волоконных световодов. Также разработаны вопросы по обеспечению безопасности жизнедеятельности, произведены технико-экономические расчеты.



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

1.1 Проблемы тестирования домовых оптических сетей

1.2 Фазы развития проекта FTTx

1.3 Измерения в процессе развертывания сети FTTx в строительстве

1.4 Измерение параметров пассивных оптических сетей

1.5 Применение оптических рефлектометров

1.6 Методы тестирования оптического кабеля

1.7 Потери вследствие макроизгибов волокна

2. РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ТЕСТЕРА

2.1 Постановка задачи

2.2 Общая структурная схема устройства

3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО БЛОКА

4. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

4.1 Расчет измерительного тракта

4.2 Расчет тракта опорного сигнала

4.3 Расчет полосового фильтра

4.3.1 Расчет полосового фильтра на частоте f_o = 2000 Гц

4.3.2 Расчет полосового фильтра на частоте f_o = 1000 Гц

4.3.3 Расчет полосового фильтра на частоте f_o = 270 Гц

4.4 Расчет линейного детектора

4.5 Принципиальная схема фотоприемного измерительного блока

5. КОНСТРУКЦИЯ УСТРОЙСТВА И РАБОТА С НИМ

5.1 Внешний вид устройства

5.2 Проверка устройства

5.3 Методы измерения затухания

6. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЙТЕЛЬНОСТИ

6.1 Анализ характеристик волоконно-оптического тестера

6.2 Анализ трудовой деятельности человека

6.3 Мероприятия по технике безопасности

7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

7.1 Расчет полной себестоимости по статьям затрат

7.1.1 Расчет материальных затрат

7.1.2 Расчет затрат на оплату труда

7.1.3 Социальные выплаты

7.1.4 Прочие расходы

7.2 Расчет отпускной цены измерительного блока

7.3 Расчет отпускной цены прибора

7.4 Технико-экономические показатели

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ

Развитие телекоммуникационных сетей в России, как и в других странах, в первую очередь основывается на использовании оптических кабелей связи.

Началом масштабного применения ОКС в России можно считать реализацию крупнейшим оператором связи России - ОАО «Ростелеком» - проекта трансроссийской линии связи, национальной цифровой транспортной линии международной и междугородней оптической связи. Примерно с 1996 года развитие магистральной и внутризоновой сетей ведется с применением ОКС, на этих сетях практически полностью прекратилось применение МКС при новом строительстве.

Основные свойства ОК - широкополосность, высокая помехозащищенность, малые потери, большая длина регенерационных участков, незначительная масса и габаритные размеры, а также постоянно снижающая стоимость - определили их быстрое внедрение во всех отраслях связи.

Одновременно стали быстро развиваться те области электроники и машиностроения, которые обеспечивают создание ОК и компонентов ВОСП.

При строительстве и вводе в эксплуатацию ВОЛС, в том числе и приемо-сдаточных испытаний элементарных кабельных участков и линий передач без оптических усилителей, необходимо проведение измерений общего затухания и распределения затухания вдоль кабеля - основных параметров, обеспечивающих качество передачи информации в ВОСП.

На отечественном рынке представлен ряд тестеров зарубежных фирм, но в связи с большой стоимостью остро возникла необходимость в разработке дешевых отечественных малогабаритных оптических тестеров.

В первой главе рассматриваются методы измерения затухания волоконно-оптических линий связи.

Во второй главе дипломного проекта рассматривается разработка общей структурной схемы устройства 3х волнового тестера.

В третьей главе рассматривается разработка структурной схемы измерительного блока.

В четвертой главе рассматривается расчет элементов принципиальной схемы, в который входит расчет измерительного тракта, расчет тракта опорного сигнала, расчет полосового фильтра на трех частотах и расчет линейного детектора. Также в этой главе разработана принципиальная схема фотоприемного измерительного блока с описанием ее работы.

В пятой главе рассматривается разработка конструкции измерительного блока и работа с ним, измерение оптической мощности и проверка устройства.

Шестая глава дипломного проекта посвящена мероприятиям по охране труда и безопасности жизнедеятельности.

Седьмая глава посвящена технико-экономическим расчетам, в которой был произведен расчет отпускной цены приемного блока и устройства в целом.

1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

1.1 Проблемы тестирования домовых оптических сетей

Домовые оптические сети FTTx (в частности, с использованием технологии PON) - самый перспективный вариант систем абонентского широкополосного доступа (ШПД). Реализовать все требования по скорости доступа (концепция tripleplay предполагает минимум 30-50 Мбит/с на абонента) можно только с использованием ВОЛС. Поэтому рано или поздно все абонентские сети должны быть переведены на оптику, а все остальные технологии, по сути, только переходные варианты.

Тормозят распространение FTTx стоимость решения и длительность процесса модернизации сетей. Стоимость решения неуклонно снижается, и ее сдерживающее влияние столь же неуклонно уменьшается. Временной же фактор более существенный: провести коренную реконструкцию кабельной абонентской инфраструктуры в одночасье невозможно. Кабельные абонентские системы городов создавались на протяжении 50-100 лет, и полная замена их на оптику - даже при наличии финансирования и доброй воли со стороны операторов - может занять 20-30 лет. Но эти обстоятельства не умаляют ценности технологии FTTx, а наоборот, подчеркивают ее.

1.2 Фазы развития проекта FTTx

FTTx/PON уже сегодня позиционируется как технология массового внедрения, т.е. технология, охватывающая более 10-15% населения того или иного города или региона. Понимание массовости технологии очень важно с точки зрения подхода к эксплуатации и измерениям. Дело в том, что по мере развития технологии изменяется понимание задач проекта и само отношение к системе ШПД у службы эксплуатации. А именно:

На этапе подготовки проекта технология малоизучена, непонятна, поэтому измерительная компонента велика, хотя и ориентирована на лабораторные испытания. Нет совместимости между разными устройствами, стандарты «дышат», помехоустойчивость не выявлена и нуждается в проверке, трактовка спецификаций разными производителями различается, оборудование сырое и т.п. Выявить все негативные факторы можно только в лабораторных условиях, тем более что эксплуатационных приборов на этом этапе нет.

Рис. 1.1 Типичная структура сети FTTH

На этапе пробного внедрения задачи мало меняются, все по-прежнему сводится к лабораторным исследованиям с той только разницей, что они переносятся в полевые условия.

На этапе внедрения появляется система эксплуатации и встает проблема эксплуатационных измерений. Малое количество абонентов позволяет на начальном этапе проводить полное тестирование каждого абонента. Ничего опасного в этом нет, если только накопленный опыт не «бетонируется» в объемных инструкциях, которые не применимы при массовом внедрении. В середине фазы внедрения нередко появляется миф о том, что «все дело в веревках». «Веревки» рассматриваются обобщенно: для ADSL это абонентские пары, для FTTx - проложенные волокна, для сотовых сетей и WiMAX - радиоэфир. Возникает иллюзия, что если несущая среда, «веревки», в порядке, то вся система ШПД должна работать нормально. Объективный эксплуатационный опыт массовых проектов ADSL и GPRS показывает, что такое мнение - не более чем миф, и миф вредный.



Рис. 1.2 Варианты загрязнения коннектора

На этапе массового внедрения о полномасштабных измерениях нужно забыть. У инженеров нет времени возиться с каждым абонентом, так как есть план подключений. Если на предыдущем этапе служба эксплуатации накопила внушительный опыт и выделила три-четыре параметра, существенных для абонентов сети, то на этапе массового внедрения процесс можно сделать управляемым, тратя на контроль этих параметров 10-15 минут при каждом подключении. В противном случае измерения вообще не будут проводиться, процесс внедрения ШПД пойдет хаотически, что неизбежно приведет к коллапсу проекта.

Технология FTTx/PON проходит все эти стадии. Но у нее есть отличия:

* Внедрение FTTx/PON требует серьезной реконструкции абонентской кабельной системы. Здесь нет возможности использовать уже существующие среды передачи сигналов (абонентские пары в ADSL, радиоэфир в WiMAX, инфраструктуру сети сотовой связи в 3G и пр.). По сути, кабельная сеть создается с нуля. Это удлиняет фазу внедрения и отодвигает начало массового внедрения. С технологической точки зрения это требует включения измерений в процесс развертывания и пуско-наладки кабельной сети.

* Сам факт коренной модернизации и нового строительства сети, с одной стороны, требует серьезного отношения и больших инвестиций в проект FTTx, с другой - позволяет службе эксплуатации заранее почувствовать дыхание массового проекта.



Рис. 1.3 Варианты видеомикроскопов без дисплея (а), с дисплеем (б), способ подключения (в)

FTTx/PON - самая долгоживущая технология, поэтому необходимость модернизации такой сети возникнет не скоро. FTTx/PON медленнее проходит все фазы проекта, медленнее входит в силу и становится массовой, но зато медленнее и устаревает.

Рассмотрим теперь принципы организации измерений в сетях FTTx/PON с учетом специфики каждого этапа.

1.3 Измерения в процессе развертывания сети FTTx в строительстве

Большая часть измерений в процессе развертывания сети FTTx выполняется в полевых условиях и ориентирована на портативные эксплуатационные приборы. Измерения эти должны выполняться инженерами, имеющими специальный опыт работы с ВОЛС. Обычно у оператора таких специалистов мало, если они есть вообще. Поручать измерения низкоквалифицированному персоналу - большая ошибка, так как восстанавливать сеть после неграмотной эксплуатации дорого и сложно. В этой ситуации оператор может либо быстро наладить процесс обучения, либо передать развертывание сети квалифицированной компании-подрядчику, имеющей опыт работы с ВОЛС.

Важнейшая характеристика оптической кабельной сети - затухание сигнала от передатчика до приемника. Иногда этот показатель называют бюджетом линии. Он зависит от нескольких факторов, таких как:

Рис. 1.4 Применение двух OLTS для проведения паспотризации кабельной сети

Рис. 1.5 Применение автоматизации в методике с двумя OLTS

* параметры передатчика: излучаемая мощность, температура, изменение уровня сигнала в процессе эксплуатации оборудования;

* параметры коннектора: тип и качество соединения;

* параметры кабеля: потери сигнала, влияние температуры;

* параметры приемника: чувствительность детектора;

* другие параметры: надежность оборудования, скорость восстановления, резервирование и пр.

Не все перечисленные параметры нуждаются в контроле в процессе эксплуатации. Но среди них есть группа, контролировать которую нужно обязательно, - параметры коннектора. Коннектор - это место, где чаще всего происходят изменения в уже проложенной кабельной системе, и именно здесь нарушения наиболее вероятны. Воистину связь - наука о контактах.



Контроль оптических разъемов

Таблица 1

Ожидаемые значения ORL для FTTx, дБ

Длина абонентской линии, м	Длина волны
	1310 нм	1490 нм	1550 нм
50	53	56	57
300	46	50	50
500	44	47	48
1000	41	45	46

Один из ключевых факторов, влияющих на бюджет линии FTTx/PON, - чистота коннекторов. Например, пылинка размером 1 микрон в одномодовом кабеле уменьшает сигнал на 1% (0,05 дБ). Но еще опаснее пыль и грязь в сетях кабельного ТВ, где используются мощные источники сигнала до +30 дБм (1 Вт). Здесь пыль и грязь становятся источником нагревания такой мощности, что оптический интерфейс может расплавиться.

Негативные изменения могут вызывать не только грязь или пыль. Это могут быть следы изопропилового спирта, жир от рук, масло, следы геля, чернил на жировой основе (рис. 1.2) или любая комбинация этих факторов.

Для диагностики качества и чистоты поверхности коннектора применяются эксплуатационные микроскопы либо видеомикроскопы. Использовать видеомикроскопы (рис. 1.3) в проектах FTTx предпочтительнее, поскольку они дают более объективную картину состояния коннектора и меньше утомляют инженера, которому за смену иногда нужно просмотреть сотни таких коннекторов.

1.4 Измерение параметров пассивных оптических сетей

Задача любой волоконно-оптической сети - обеспечение высокоскоростной и безошибочной передачи данных. Правильное измерение параметров сети во время монтажа позволяет снизить временные и финансовые затраты на выявления таких дефектов, как загрязнённые или повреждённые разъемы, дефекты сварки и другие неисправности до того, как они нарушат работу сети.

Существует три основных вида измерений, которые должны быть выполнены во время монтажа PON:

· измерение оптических потерь на отражение (ORL - opticalreturnloss);

· измерение потерь в линии;

· измерение характеристики линии с помощью рефлектометра.

Применение анализаторов оптического затухания

Рис. 1.6 Применение OTDR для проведения измерений FTTx/PON

Для паспортизации развертываемой кабельной сети FTTx используют приборы двух основных типов: анализаторы оптического затухания (OpticalLossTestSet, OLTS) и оптические рефлектометры (OTDR).

Самый популярный и простой метод паспортизации основан на применении анализаторов оптического затухания. С их помощью можно измерить два ключевых показателя качества оптического волокна:

* затухание в линии;

* уровень возвратных потерь (ORL).

ORL - это величина, определяемая отношением мощности светового потока, введённого в волокно, к мощности сигнала вернувшегося из оптической линии к источнику излучения.

Большая величина ORL может вызывать значительные флуктуации выходной мощности лазера, интерференцию в приёмнике, снижать отношение уровня несущего сигнала к шуму, что приведёт к искажению видеосигналов, а также к повышению частоты появления ошибок в цифровых системах.

Потери можно измерить с помощью источника и измерителя оптической мощности. Или с использованием измерителя оптических потерь (OLTS - opticallosstestsets), который состоит из источника и измерителя. Некоторые из современных тестеров могут измерять ORL, длину линии и затухание в автоматическом режиме.

При выборе измерителя оптических потерь следует учесть следующее:

· Автоматический режим измерения снижает время измерения и риск ошибок оператора;

· Большой динамический диапазон измерителя позволяет измерять компоненты сети с большим затуханием (например, сплиттер);

· Тестирование PON, особенно построенных на «старых» волокнах, необходимо проводить на двух или трёх (1310/1490/1550 нм) длинах волн.

Измерения проводятся с помощью двух приборов OLTS в два этапа. Первый этап - калибровка каждого прибора по параметру ORL, т.е. измерение уровня ORL с использованием служебного соединительного кабеля. Цель - определение минимального уровня ORL, который можно измерить. Ограничивающим фактором может выступать качество коннектора и особенности проложенного кабеля.

Таблица 2

Преимущества и недостатки применения двух приборов класса OLTS

Преимущества	Недостатки
Измерения затухания и ORL выполняются с помощью одного прибора	Требуются два инженера
Есть возможность идентификации волокна	Между инженерами должна быть телефонная связь
Оба параметра измеряются с двух сторон	Один инженер должен переходить от одного терминала к другому
Возможна идентификация макроперегибов при тестировании на длинах 1550 и 1310 нм за счет дополнительного теста на 1625 нм	В случае обнаружения неисправности или макроперегиба нужно дополнительно использовать OTDR

Второй этап - собственно измерения. В результате могут быть сформированы таблицы значений, связанных с длиной абонентских участков. В качестве возможных предельных норм показателей ORL в табл. 1 приведены значения возвратных потерь для разных длин абонентской линии при двух коннекторах в линии (в системе FTTH в линии может быть четыре коннектора, каждый из которых способен внести ORL до 40 дБ).

В процессе тестирования системы FTTx пара приборов OLTS используется в каждом «плече» сети для измерения затухания и ORL (рис. 1.4).

Указанный метод имеет свои преимущества и недостатки (табл. 2).

Для оптимизации процедуры измерений используют средства автоматизации. Они позволяют перейти от схемы «точка-точка» к схеме «точка-многоточка», где один из приборов фактически стационарно устанавливается в точке объединения кабелей после сплиттера (рис. 1.5), и выполнять измерения силами одного инженера. Важным фактором является реализация в приборах автоматической системы отчетности, которая больше соответствует процессу массового строительства, когда один инженер за смену должен обслуживать по несколько десятков волокон.

1.5 Применение оптических рефлектометров

Альтернативным методом паспортизации кабельной сети является применение оптических рефлектометров (OTDR), которые благодаря обеспечиваемой ими возможности проведения измерений с одной стороны одним инженером широко используются службами эксплуатации ВОЛС операторов связи. В отличии от измерителя оптических потерь, который измеряет общее затухание всей линии, рефлектометр позволяет измерить распределение потерь вдоль линии (рис. 7). Рефлектометр посылает мощный импульс света в волокно и измеряет отражённый сигнал. Каждое событие в линии (будь то оптический компонент или неисправность) вызывает либо отражение, либо затухание, либо то и другое. Рефлектометр снимает характеристику через определённые промежутки времени, определяя расстояние до каждого события.

Рис. 1.7 Типичная рефлектограмма

Рефлектометр может определять дефекты сварки, неисправности в коннекторах, обрывы волокна и макроизгибы, а также позволяет измерить дискретную составляющую потерь на отражение.

Макроизгибами принято называть изгибы волокна с радиусом меньше минимально допустимого радиуса. При этом возникают дополнительные потери, существенно влияющие на общее затухание оптической линии.

Макроизгибы являются нежелательными событиями и могут быть легко определёны, если сравнивать потери на трёх длинах волн: 1310, 1490 и 1550 нм, т.к. макроизгибы вносят большее затухание на большей длине волны (1550 нм). Лучше всего определяются макроизгибы на 1625 нм.

Для измерения параметров и поиска неисправностей в PON, рефлектометр должен иметь три длины волны (1310, 1490 и 1550 нм), короткий импульс и большой динамический диапазон.

Таблица 3

Преимущества и недостатки применения одного прибора класса OTDR

Преимущества	Недостатки
Возможно измерение параметров затухания и ORL	ORL измеряется от ONT, т.е. в направлении, обратном распространению видеосигнала
Возможно проводить измерения в распределенных кабельных системах	Инженер должен переходить от одного терминала к другому
Возможна идентификация макроперегибов при тестировании на длинах волн 1550 и 1310 нм за счет дополнительного теста на 1625 нм	Инженер должен иметь высокую квалификацию для правильной интерпретации результатов
Высокая скорость измерений
Быстрый поиск неисправности в случае обрыва
Требуется только один инженер

Все отдельные волокна между OLT и сплиттером могут быть протестированы со стороны ONT с использованием одного OTDR. В процессе тестирования измеряется затухание в каждом волокне, а также обнаруживаются макроперегибы, которые ухудшают качество передачи сигнала.

Особенность сетей FTTx - малые по сравнению с магистральными ВОЛС длины волокон. Может оказаться, что мертвая зона OTDR не позволяет выявить негативное влияние коннектора. В таком случае рекомендуется использовать тестовый кабель длиной 300-500 м.

Применение OTDR для контроля сетей FTTx требует тщательной настройки измерений и оптимизации прибора под задачи указанных сетей. Причиной тому - широкое применение в сетях FTTx (в первую очередь в сетях PON) кабельных систем древовидной топологии. Если OTDR не оптимизирован под задачи тестирования PON, сигналы от разных «плеч» древовидной системы могут мешать друг другу, в результате чего полученные трассировки рефлектограмм окажутся бесполезными. На измерениях отрицательно сказывается и присутствие сплиттеров в тестируемом канале. Потери тестового оптического сигнала в процессе его отражения на сплиттере приводят к появлению характерной «ямы» на рефлектограмме, так что рефлектометр должен иметь достаточный динамический диапазон для отображения состояния кабеля после сплиттера.

Применение OTDR имеет свои преимущества и недостатки (табл. 3).



1.6 Методы тестирования оптического кабеля

В документации к приборам OMNIScanner компания Микротест описывает методы A, B и C для получения эталонного значения при тестировании волоконно-оптической линии и, соответственно, методы A, B и C проведения тестирования. Правильнее было бы назвать эти 3 метода даже не методами, а методиками, поскольку отличаются они только количеством и последовательностью подключения волоконно-оптических перемычек, используемых в процессе работы. В первоисточнике (стандарт ANSI/TIA/EIA-526-14A, Optical Power Loss Measurements Of Installed Multimode Fiber Cable Plant) эти методы приведены под названиями методов соответственно двух, одной и трех перемычек.

Метод А: при установке эталонного значения используются 2 перемычки и 1 соединитель. Для проведения теста необходимо удалить соединитель и разместить тестируемый сегмент между перемычками, использовавшимися для установки эталонного значения (см. рисунок 1.8).

Рис. 1.8

Таким образом, вы исключаете из рассмотрения 2 соединительных кабеля, зато в результатах тестирования будут отражены характеристики дополнительного соединения - точки подключения тестируемого сегмента с одного из концов. Метод предполагает, что вносимыми ею потерями можно пренебречь.

Метод В: при установке эталонного значения используется одна перемычка, подключаемая к обоим модулям прибора. Для проведения тестирования с одного конца соединение размыкается, добавляется еще одна перемычка, тестируемый сегмент размещается между двумя перемычками (см. рисунок 1.9).

Рис. 1.9

Таким образом, вы исключаете из рассмотрения одну перемычку, зато в результатах измерений будут отражены характеристики длины кабеля второй перемычки и 2-х дополнительных точек соединения. Метод предполагает, что вносимыми ими потерями можно пренебречь. Следует отметить, что за внесение дополнительных потерь ответственны в основном точки соединения, поскольку дополнительные длины кабелей дают потери на несколько порядков меньше.

Метод С: при установке эталонного значения используется 3 перемычки и 2 соединителя. Для тестирования средняя перемычка удаляется, на ее место заводится тестируемый сегмент (см. рисунок 1.10).

Рис. 1.10

Таким образом, из рассмотрения исключаются характеристики всех точек соединения и всех перемычек. Метод предполагает, что, хотя средняя перемычка использовалась при установке эталонного значения и не использовалась при тестировании, разницей в характеристиках можно пренебречь.

Кроме этих методов Микротест описывает еще возможности установки эталонного значения и тестирования для конфигурации кабеля, замыкаемого в петлю. Все описанные методики, так или иначе, являются приближенными - в одних случаях точки соединения и участки кабеля недоучитываются, в других - переучитываются, поэтому сложно однозначно отдать какому-либо методу предпочтение. Метод В (метод одной перемычки) применяется при тестировании многомодовых инсталляций в соответствии с требованиями стандарта ANSI/TIA/EIA-568A. Метод С полезен в тех случаях, когда тестируются кабельные сегменты, не включающие патч-панели, адаптеры и перемычки, или в обратной ситуации, когда тестируется весь канал. Если производитель компонент, на основе которых построена система, рекомендует использовать какой-то конкретный метод - лучше следовать его рекомендации.

1.7 Потери вследствие макроизгибов волокна

Потери на макроизгибы обусловлены изменением геометрии луча при изгибах оптического кабеля. Рассмотрим появление таких потерь на примере световода со ступенчатым профилем показателя преломления (рис. 1.11).

Рис. 1.11 Возникновение потерь на изгибах кабеля

На изгибе луч образует угол падения <₁, а следовательно, нарушается условие полного внутреннего отражения (<_c). Такой луч преломляется и рассеивается в окружающем пространстве (оболочке).

В многомодовых градиентных световодах моды высших порядков, распространяющиеся вблизи границы сердечник-оболочка, имеют малые значения угла падения ₁, поэтому при сворачивании такого световода в круг в первую очередь теряются именно эти моды.

Затухание за счет макроизгибов рассчитывается по формуле

,

где - коэффициент, определяющий вид профиля показателя преломления; 2а - диаметр сердечника световода; R - радиус изгиба.

Изгибы одномодовых волокон вызывают непрерывную утечку мощности из моды. Эти непрерывные потери рассчитываются по формуле

,

где - длина волны, соответствующая значению нормированной частоты .

Потери от микроизгибов возникают в результате случайных отклонений волокна от его прямолинейного состояния (рис. 1.12). Размах таких отклонений составляет менее 1 мкм, а протяженность - менее миллиметра. Подобные случайные отклонения могут появляться в процессе наложения защитного покрытия и изготовления из стекловолокон кабеля, в результате температурных расширений и сжатий непосредственно волокна и защитных покрытий.



Рис. 1.12 Микроизгибы в оптических волокнах

Микроизгибы в многомодовых волокнах приводят к переходу части энергии с одних мод на другие. Потери на микроизгибы в таких волокнах не зависят от длины волны и рассчитываются по формуле

,

где k - коэффициент, зависящий от амплитуды и длины микроизгибов; а - радиус сердечника стекловолокна; b - диаметр оболочки.

В одномодовых волокнах в отличие от многомодовых потери вследствие микроизгибов зависят от длины волны. Если потери вследствие микроизгибов для многомодового волокна с диаметром сердечника 50 мкм и = 1,0% составляют , то потери для одномодового волокна рассчитываются по формуле

,

где - радиус поля моды.

На первый взгляд кажется, что с увеличением длины волны затухание на микроизгибы уменьшается. Однако происходит увеличение потерь, так как с увеличением длины волны растет радиус поля моды:



, где

С точки зрения электродинамики, тот же процесс можно объяснить в других терминах. Поле распространяемого излучения, концентрируясь в сердцевине, частично выходит в оболочку (поэтому диаметр модового поля всегда немного больше, чем диаметр сердцевины), затухая по экспоненциальному закону. В месте изгиба волокна эта периферийная часть моды распространяется с фазовой скоростью, превышающей скорость света в среде оболочки и, в конце концов, излучается.

Рис. 1.13. Потери на изгибах с точки зрения геометрической оптики: а - полное внутреннее отражение на прямолинейном участке; б - части излучения на изгибах из-за нарушения углового условия

Рис. 1.14 Потери на изгибах с точки зрения электродинамики: а - распространение моды в сердцевине волокна; б - излучение части энергии моды на изгибе

Кроме того, происходят частичные потери энергии при переходе от прямолинейного участка к изогнутому и от изгиба к прямому волокну. Это связано с тем, что модовые пятна криволинейного и прямого участков не совпадают, и часть мощности основной моды передается модам оболочки.

Достаточно интересным моментом является спектральная зависимость потерь на изгибах. Как известно, в стандартных одномодовых волокнах типа G.652 с ростом длины волны затухание на изгибах явственно увеличивается (рис. 1.15,верхняя кривая).

Рис. 1.15 Сравнение спектральных зависимостей вносимых потерь на изгибе (1 виток, Ш 15мм) волокон двух типов

Рис. 1.16 Зависимость модового поля от длины волны

Это объясняется тем, что чем дальше от длины волны отсечки (1260 мкм) проходящее излучение, тем больше оно выходит в оболочку, увеличивая диаметр модового поля (рис. 1.16). Кстати, именно поэтому при проблемах эксплуатации оптического кабеля, связанных с возможными деформациями волокон, их лучше тестировать на длинах волн 1550 нм и 1625 мкм. Практическое исследование величины потерь на изгибе волокон типа G.657, выполненное специалистами компании OFS, показало крайне слабую зависимость от длины волны (рис. 1.15, нижняя кривая), что очень удобно, например, для систем с различного типа спектральным уплотнением.

Что касается качества разъемных соединений, то чисто теоретически некоторое уменьшение диаметра модового поля и более сложный многослойный профиль волокон с уменьшенным изгибом должны были бы усложнить стыковку таких волокон. Однако испытания, проведенные специалистами компании ADC, показали, что основные параметры (вносимые потери IL и потери на отражение RL) разъемов, использующих волокна типа G.657, практически не отличаются от разъемов с волокнами типа G.652. Это говорит о малых допусках и высоком уровне соблюдения геометрических характеристик ОВ.

Влияние величины радиуса изгиба ОВ на прирост затухания на разных длинах волн оптического излучения показано на рис. 1.17:

Рис. 1.17 Влияние величины радиуса изгиба ОВ на величину прироста затухания волокна

К примеру, при радиусе изгиба 12 мм прирост затухания равен 0,5 дБ на длине волны 1310 нм, 2 дБ = на длине волны 15510 нм и 4 дБ на длине волны 1625 нм. В связи с этим большое значение имеет тестирование сети на длине волны излучения 1625 нм. Именно поэтому в состав разрабатываемого тестера введен источник излучения с длиной волны 1625 нм.



2. РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ТЕСТЕРА

2.1 Постановка задачи

В настоящее время наиболее перспективными являются ВОЛС на основе одномодовых волоконных световодов, работающие на длине волны оптического излучения 1,31; 1,49; 1,625 мкм. Для повышения технико-экономических характеристик ВОЛС также часто используется спектральное уплотнение световодов, особенно при строительстве домовых сетей доступа («волокно в дом»). Домовые сети в настоящее время бурно развиваются. Эти сети (FTTH) , как правило, построены по технологии «пассивных оптических сетей» или PON - сети.

Решения на основе архитектуры PON используют топологию "точка-многоточка" P2MP (point-to-multipoint), которая положена в основу технологии PON, к одному порту центрального узла можно подключать целый волоконно-оптический сегмент древовидной архитектуры, охватывающий десятки абонентов. При этом в промежуточных узлах дерева устанавливаются компактные, полностью пассивные оптические разветвители (сплиттеры), не требующие питания и обслуживания. Активные элементы (в том числе оптические повторители, усиливающие сигнал) не используются.

Известно, что PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, так как на участке от центрального узла до разветвителя используется всего одно волокно. Но есть и другой источник экономии - сокращение числа оптических передатчиков и приемников в центральном узле.

Преимущества архитектуры PON:

· отсутствие промежуточных активных узлов;

· экономия волокон;

· экономия оптических приемопередатчиков в центральном узле;

· легкость подключения новых абонентов и удобство обслуживания (подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов не сказывается на работе остальных).

Древовидная топология P2MP позволяет оптимизировать размещение оптических разветвителей исходя из реального расположения абонентов, затрат на прокладку оптического кабеля и эксплуатацию кабельной сети. К недостаткам можно отнести некоторую сложность технологии OLT и отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева.

Принцип действия PON

Основная идея архитектуры PON - использование всего одного приемо-передающего модуля в OLT для передачи информации множеству абонентских устройств ONT и приема информации от них. Число абонентских узлов, подключенных к одному приемо-передающему модулю OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приемопередающей аппаратуры. Для передачи потока информации от OLT к ONT - прямого (нисходящего) потока, как правило, используется длина волны 1490 нм. Потоки данных от разных абонентских узлов в центральный узел, совместно образующие обратный(восходящий) поток, передаются на длине волны 1310 нм. В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.

Основные элементы архитектуры PON и принцип действия

Рис. 2.1 Основные элементы архитектуры PON и принцип её действия

ONT (Optical Network Terminal) - абонентский узел

OLT (Optical Line Terminal) - центральный узел



Прямой поток

Прямой поток на уровне оптических сигналов является широковещательным. Каждый ONT, читая адресные поля, выделяет из этого общего потока предназначенную только ему часть информации. Фактически мы имеем дело с распределенным демультиплексором.

Таблица 4

Скорость нисходящего потока, Гбит/с	0,155 или 0,622	1,25	1,25 или 2,5
Скорость восходящего потока, Гбит/с	0,155 или 0,622	1,25	0,155; 0,622; 1,25; 2,5
Особенности	Транспортировка мульсервисного трафика (речь, выделенные линии, Ethernet, видео); асимметричный или симметричный режим работы	Возможность транспортировки мультисервисного трафика (основное назначение -- транспортировка трафика Ethernet); симметричный режим работы	Транспортировка мультисервисного трафика (речь, выделенные линии, Ethernet, видео); расширенные возможности по передаче IP-трафика; асимметричный или симметричный режим работы

Обратный поток

Все ONT ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа с временным разделением TDMA (timedivisionmultipleaccess). Для того, чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных ONT, для каждого из них устанавливается свое индивидуальные расписания по передаче данных c учетом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от OLT. Эту задачу решает протокол TDMA MAC.

Таким образом, в настоящее время актуальной является задача тестирования волоконных световодов на указанных выше трёх длинах волн: 1310, 1490 и 16250нм. Основным тестируемым параметром является затухание. При строительстве домовых сетей приходится иметь дело с большим объёмом измерительных работ. В связи с этим важной практической задачей является увеличение скорости проведения измерений. Для этого источник измерительного сигнала должен работать на трёх указанных длинах волн, а приёмно-измерительный блок тестера должен в автоматическом режиме, кроме измерения затухания, определять установленную длину волны излучения и вводить поправку в результат измерения с учётом рабочей длины волны. Самым близким по параметрам и сравнительно недорогим аналогом является ТЕСТЕР ДЛЯ PON СЕТЕЙ MТ3212 (рисунок 2.2)

Тестер PON-сетей MT3212 является специализированной моделью измерителя оптической мощности, адаптированной к специфике современных полностью пассивных оптических сетей. Тестирование производится путем включения прибора в оптическую линию, с одновременным сканированием на трех длинах волн -- восходящего соединения 1310 нм, и нисходящих 1490/1550 нм, что экономит время и дает наиболее полную картину измерения. При этом обеспечивается высокая (> 30 дБ) взаимная изоляция каналов.

Рис. 2.2

Достоинства модели МТ3212:

· Одновременное измерение сразу на трех длинах волн 1310/1490/1550 нм;

· Возможно измерение восходящего соединения 1310 нм в импульсном режиме;

· Наличие RS232 коммуникационного порта;

· Универсальный SC коннектор для PON применений;

Стоимость тестера около 70 тыс. руб.

Таблица 5

Технические характеристики МТ3212

Измерение восходящего соединения 1310 нм
Рабочий диапазон длин волн ,нм	1260 - 1360
Динамический диапазон, дБм	-45
Изоляция 1490/1550 нм, дБ	> 30
Измерение нисходящего соединения 1490 нм
Рабочий диапазон длин волн, нм	1480 - 1500
Динамический диапазон, дБм	-45
Изоляция 1310/1550 нм, дБ	> 30
Измерение нисходящего соединения 1550 нм
Рабочий диапазон длин волн, нм	1530 - 1570
Динамический диапазон, дБм	-70
Изоляция 1310 нм, дБ	> 30
Изоляция 1490 нм, дБ	> 20
Точность измерения
Погрешность, дБ	+/- 0.5
PDL (поляризационные потери), дБ	< +/- 0.25
Линейность, дБ	+/- 1
Потери на прход, дБ	< 2
Общие характеристики
Дисплей	графический ЖКИ, 128*64
Единицы измерения	дБ, дБм, мВт, мкВт
Разрешение	0.1 дБ, 0.001 мкВт
Совместимый тип волокна	9/125 мкм
Электропитание	9 В, от сетевого адаптера или аккумулятора
Температура работы/хранения, оС	0 - +40 / -10 - +60

Таким образом, основной задачей проекта является разработка отечественного, более дешевого варианта PON - тестера. При этом желательно иметь один оптический выход у генератора, к которому подключаются по очереди лазерные источники излучения (ЛИИ) с длинами волн 1310, 1490 и 1625нм. В этом случае измерение затухания световода производится на трёх длинах волн при одном оптическом соединении измеряемого световода с ЛИИ, что удобно на практике. Кроме этого, уменьшается погрешность, обусловленная потерями волоконно-оптического коннектора. Таким образом, и технически, и экономически целесообразно иметь оптический генератор, в котором три ЛИИ имеют один общий оптический выход, обеспечиваемый с помощью мультиплексора - оптического разветвителя (ОР).

2.2 Общая структурная схема устройства

Рис. 2.3 Структурная схема оптического генератора

С учетом изложенного в предыдущем разделе упрощенная структурная схема оптического генератора (ОГ) (рис. 2.3) содержит ЛИИ1, ЛИИ2 и ЛИИ3, работающие на длинах волн 1310, 1490 и 1625нм, оптического мультиплексора на основе оптического разветвителя (ОР) и блока накачки (БН), который с помощью переключателя S подключается к одному из трёх ЛИИ.

Если на оптическом выходе могут иметь место поочередно три оптических излучения с разными длинами волн, то на приемном конце световода возникает задача идентификации длины волны генератора и внесения поправки в результат измерения, т.к. передаточная характеристика фотоприемника в общем случае зависит от длины волны. В настоящее время действие генераторов на передающем и приемном концах синхронизируется с помощью служебной связи, что не всегда удобно и не исключает полностью ошибок и промахов при измерении затухания. Поэтому ставится задача автоматически в фотоприемном измерительном тракте вводить поправку в результат измерений в зависимости от выбранной длины волны ОГ.

Очевидно, что фотоприемное устройство (ФПУ) должно каким-то образом различать три состояния ОГ. Проще всего это сделать, если промодулировать оптические излучения ЛИИ1, ЛИИ2 и ЛИИ3 разными частотами. При этом глубина модуляции не имеет значения и может быть выбрана в пределах 10...30% (рис. 2.4).

Важно отметить, что необходимо обеспечить постоянство средней мощности излучения всех ЛИИ, т.е. Р₁ = Р₂ = Р_3. При этом условии упрощается процесс измерения затухания при коммутации длины волны излучения.

Таким образом, в ФПУ необходимо выделить «пилот -- сигнал», соответствующий выбранной длине волны и осуществить автоматическую коррекцию результата измерения, как это видно из общей структурной схемы устройства (рис. 2.5).

Эта схема содержит упрощенные структурные схемы как оптического генератора, так и фотоприемного измерительного устройства.

Видно, что в зависимости от установленной длины волны на БН поступает с генератора-модулятора напряжение с частотой либо 270 Гц, либо 1000 Гц, либо 2000 Гц. В измерительном устройстве на выходе ФПУ подключены масштабный каскад (МК) и три полосовых фильтра, выделяющие сигналы указанных частот. Эти сигналы выпрямляется и переключают коэффициент передачи МК. С выхода МК сигнал, пропорциональный среднему значению фототока (а следовательно, и среднему значению измеряемой оптической мощности) поступает на один из входов логарифмирующего каскада (ЛК), на другой вход которого подключен источник опорного напряжения (ИОН). Выходное напряжение ЛК поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и затем отображается на дисплее цифрового индикатора (ЦИ). Таким образом, показания ЦИ пропорциональны логарифмическим единицам измерения входной средней мощности (на входе ФПУ или на выходе световода). При постоянной мощности излучения ОГ нетрудно измерить затухание световода, а.

Рис. 2.4 Формы сигнала в зависимости от длины оптической несущей

Рис. 2.5 Общая структурная схема устройства

Действительно

а = 10 lg Р₀/Р_l, дБ

где Р₀ -- мощность света, вводимая в световод от ОГ;

Р_l -- мощность света на выходе световода.

Известно, что мощность света на выходе световода может быть выражена в линейных единицах измерения (Вт, мВт, мкВт и т.д.) и в логарифмических единицах (дБм).

Связь между ними:

Р, дБм = 10 lg

Это соответствует, к примеру:

Р = 1 мВт р = 0 дБм

Р = 10 мВт р = +10 дБм

Р = 1 Вт р = +30 дБм

Р = 0,1 мВт р = -10 дБм

Р = 1 мкВт р = -30 дБм

и т.д.

Видно, что логарифмическая шкала более компактна, в ней используются только одни единицы: дБм, в то время как, в линейной шкале их несколько: Вт, мВт, мкВт и т.д.

Преобразуем формулу для затухания:

а = 10 lg

а = 10 lg

а = Р₀, дБм - Р₁, дБм, дБ

Таким образом, процесс измерения затухания, при введении логарифмических единиц измерения мощности, упрощается.

Достаточно измерить два уровня мощности и вычесть результаты измерения. При стабильном уровне ОГ Р₀ можно не проводить часто измерения Р₀, а только изредка проводить контрольные измерения с целью выявления грязи в оптическом коннекторе ОГ, старения ЛИИ и т.д.

Наиболее удобно сделать Р₀ = 0, дБм (т.е. настроить схему так, чтобы на выходе ОГ Р₀ = 1 мВт). В этом случае модуль измеренной мощности в ФПУ равен затуханию световода:

а = |-Р₁|, дБм.

С учетом потерь в ОР (5дБ) ЛИИ должны развивать выходную мощность более 3 мВт или + 5 дБм.

(Заметим, что затухание всегда имеет знак (+), т.к. отрицательное значение соответствует усилению, что в пассивном световоде невозможно.)

Отметим выбор частоты модуляции. В принципе на результат измерения затухания значение частоты модуляции не влияет. Примем три частоты, которые чаще всего используют в тестерах различных фирм: 270, 1000 и 2000 Гц.



3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО БЛОКА

Полная структурная схема измерительного блока изображена на рис. 3.1.

Оптическое излучение, пропорциональное ослаблению света в световоде, попадает на фотодиод (ФД), в котором происходит линейное преобразование фотонов в электрический ток, Фотодиоды на длинах волн излучения 1,3 ... 1,55 мкм имеют коэффициент передачи 0,8…1,0 (А/Вт).

Динамический диапазон измерения фототока в точности равен измеряемому диапазону затухания, то есть 40 дБ, Уровень мощности оптического излучения на ФД лежит в пределе от 1000 мкВт до 100 нВт (0 ...- 40 дБм).

Рис. 3.1 Структурная схема измерительного блока

Преобразователь тока в напряжение (ПТН) служит для преобразования фототока в напряжение, удобное для дальнейшей обработки. С целью устранения перегрузки ПТН, при работе в таком широком диапазоне измерения фототока (10⁴ раз), коэффициент передачи ПТН должен измеряться подекадно. Очевидно, что коэффициент передачи ПТН увеличивается при уменьшении входной мощности, при этом все последующие каскады работают в более узком динамическом диапазоне: до 10 дБ.

После ПТН сигнал расщепляется на два канала: канал измерения среднего уровня сигнала и на канал автоматического определения рабочей длины волны измерительного сигнала. Этот канал состоит из трёх полосовых фильтров (на 270, 1000 и 2000 Гц) и трёх выпрямителей. Блок коммутации (БК) при появлении управляющего сигнала на выходе какого - либо выпрямителя осуществляет коммутацию коэффициента передачи масштабного каскада (МК) в соответствии с найденной длиной волны оптического сигнала. Одновременно БК управляет включением соответствующего индикаторного светодиода, сигнализирующего о рабочей длине волны.

Фильтр нижних частот, следующий после МК, отфильтровывает постоянную составляющую сигнала и, тем самым, устраняет влияние модулирующего сигнала, а также шумов и помех на результат измерения. Далее сигнал поступает на логарифмирующий каскад (ЛК), на другой вход которого подаётся напряжение от источника опорного напряжения (ИОН). Прологарифмированное напряжение, пропорциональное логарифму мощности входного оптического сигнала, подаётся на АЦП и отображается в цифровом виде на дисплее цифрового индикатора.

затухание одномодовый фотоприемный измерительный



4. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

4.1 Расчет измерительного тракта

В этот тракт входят; ФД, ПТН, ФНЧ. Исходные данные для расчета: фотодиод многокомпонентный (AsYnGa), коэффициент передачи 0.7 ... 0,8 (А/Вт); темновой ток: I_т<10^-7 (А).

Пределы измерения входной мощности (при номинальной мощности оптического генератора 1 мВт (или 0 дБм) при затухании ВС от 0 до 40 дБ: от 1000 мкВт до 100 нВт (0-40 дБм).

В качестве ПТН можно использовать две схемы с различными режимами Работы ФД: фотодиодный (рис.4.1) и фотовольтаический (рис. 4.2).

Рис. 4.1 Фотодиодный режим работы ФД

Рис. 4.2 Фотовольтаический режим работы ФД

В фотодиодном режиме через нагрузку R_H течет два тока I_т и I_ф, то есть:

I_н = I_т + I_ф

Поскольку темновой ток или тепловой ток I_т, существенно зависит от температуры, то появляется значительная погрешность измерения при измерении фототоков I_фI_т. При изменении Т (температуры) от 20^о С до 30° С, I_т удваивается, его изменение Д I_т непосредственно входит в погрешность измерения

Таким образом, делаем вывод о невозможности использования этого режима работы ФД.

В фотовольтаическом режиме ФД работает без начального смещения в режиме короткого замыкания. Так как I_т = 0, то здесь нет рассматриваемой выше погрешности, но появляется другая составляющая погрешности, обусловленная также влиянием температуры окружающей среды.

Рассмотрим эквивалентную схему работы операционного усилителя в фотовольтаическом режиме (рис. 4.3). Где е_см - паразитный источник напряжения смещения усилителя.

Рис. 4.3 Эквивалентная схема операционного усилителя в фотовольтаическом режиме

Коэффициент усиления в этой схеме:

К =,

Где R_д - дифференциальное сопротивление ФД при нулевом смещении.

R_д = (4.4)

R_д так же, как и I_т зависит от температуры, к примеру:

При Т= 20°С > R_д = 300 кОм

При Т = 30°С > R_д = 150 кОм

Входное напряжение для полезного сигнала:

U_вых.фI_ф R_ос

А для паразитного источника:

U_вых.см⁼е_см · k⁼е_см · 30 R_ос · I_т (4.6)

Большую часть напряжения смещения можно скомпенсировать при настройке прибора, поэтому в последнее выражение необходимо подставить остаточное напряжение, которое с учетом изменения температуры для прецизионных интегральных операционных усилителей:

Д е_см< 100 мкВ.

В связи с этим:

U_вых.см. = 3 · 10^-3 ·R_ос · I_т

Из равенства U_вых.ф. = 3 · 10^-3 · R_oc · I_т, определим условия нормальной работы ПТН:

300

При I_т = 0,1 мкА и I_ф.мин = 7 нА

= 14

И таким образом, условие выполняется с запасом.

Функциональная схема ПТН, МК и ФНЧ изображена на рис.4.4.

Рис. 4.4 Функциональная схема ПТН, МК и ФНЧ

Пределы измерения затухания переключаются переключателем S1, которой коммутирует резисторы в цепи отрицательной обратной связи ОУ1. Минимальное значение сопротивления в цепи, в отрицательной обратной связи соответствует максимальному сигналу, то есть пределу шкалы 0 дБм. При этом максимальный ток ФД равен 0,7 мА. При R1 = 1 кОм U_птн = 0,7В. Далее на пределе измерения -10 дБм, когда сигнал упадет в 10 раз, включается R2 = 10 кОм и сигнал на выходе ПТН восстанавливает прежнее значение.

Очевидно, что R3 = 100 кОм и R4 = 1 МОм. Примем, что на измерительный вход ЛK подается сигнал уровня 1В, тогда коэффициент передачи ОУ2 должен быть

К = 1,4.

Так как прибор должен регистрировать уровни оптических сигналов разных длин волн_; то в схему введен переключатель S2, коммутирующий масштаб тракта на соответствующей длине волны.