Измерительные направленные ответвители

На рисунке 2.9,а изображен однонаправленный волноводный ответвитель, ориентированный на отраженную волну, а на рисунке 2.9,б – схемы сложения возбуждающихся волн.

Под воздействием токов, протекающих по стенкам основного волновода щели А и В возбуждают во вторичном волноводе электромагнитной волны, которая распространяется в разные стороны от щелей. Если энергия падающей волны Р_n распространяется слева направо, то поле, возбужденное щелью А, сложится в фазе с полем, возбужденным В, так как пути пройденные ими равны и равны λв/4(диаграмма 1). Энергия суммарного поля во вторичном волноводе поглотится согласованной нагрузкой (СН). Поля этой же волны распространяющиеся во вторичном волноводе справа налево сложатся в противофазе (диаграмма 2), так как пути, пройденные ими будут отличаться на λв/2 и если они равны, то (т.е. они взаимно уничтожаются).

Таким образом энергия поля, возбуждающегося во вторичном волноводе под действием падающей волны не вызовет тока в цепи детектора.

Аналогичное рассмотрение процесса сложения полей, возбужденных щелями А и В при распространении энергии отраженной волны (диаграммы 3,4), позволяет сделать вывод о том, что ток, вызываемый в цепи детектора будет пропорциональным мощности отраженной волны .

Если переориентировать направление ответвления на падающую волну, то ток детектора будет пропорционально .

P¢о

P²0

P²n

P¢n

P¢0

Основными параметрами направленных ответвителей являются – переходное ослабление, направленность и КСВН входов (выходов).

Переходное ослабление – величина связи первичного и вторичного каналов направленных ответвителей. Оно обычно выражается в децибелах и равно:

. (2.14)

В измерителях обычно используются направленные ответвители с С=10 или 20 дБ.

Направленность ответвителя – величина, характеризуется «просачивание» в плечо с детектором поля неосновной волны, то есть волны, противоположной той, на которую ориентирован направленный ответвитель. Направленность также определяется в децибелах и равна:

, (2.15)

Промышленные направленные ответвители имеют направленность порядка 30…50 дБ с КСВН входов от 1,1 до 1,3.

2.3.2.3 Скалярные анализаторы цепей

Современные скалярные анализаторы цепей (панорамные измерители коэффициентов отражения и передачи) состоят из ГКЧ с системой автоматического регулирования мощности (АРМ), СВЧ измерительного тракта (рефлектометра), состоящего из трех последовательно соединенных направленных ответвителей и унифицированного индикатора.

Структурная схема скалярного анализатора представлена на рисунке 2.10.

На выходе ГКИ формируется частотно- и амплитудно - модулированный СВЧ сигнал постоянного уровня. Для частотной модуляции в качестве модулирующего направления используется сигнал генератора развертки, который конструктивно входит в ГКЧ. Амплитудная модуляция обычно осуществляется напряжением типа «меандр» частоты 100 КГц от внутреннего или внешнего источника модулирующего напряжения. Постоянство выходной мощности ГКЧ поддерживается с помощью системы АРМ, которая работает по сигналу , подаваемому из индикатора в генератор.

Использование измерителя отношений в индикаторном блоке существенно снижает требования к качеству стабилизации выходной мощности ГКЧ.

ГКЧ включает в себя и блок частотных меток. Выходные сигналы этого блока после преобразования в индикаторе воспроизводятся на изображении исследуемых характеристик в виде подвижных частотных меток.

Измерительный тракт состоит из трех направленных ответвителей (НО). НО1 ответвляет сигнал пропорциональный мощности падающей волны Р_n; НО2 - мощности отраженной волны Р₀; НО3 - мощности прошедшей волны Р_пр.

Сигналы НО детектируются квадратичными детекторами. Выходные напряжения детекторов позволяют определить модуль коэффициента отражения:

, (2.16)

и ослабление:

, (2.17)

Для скалярных анализаторов цепей характерно применение унифицированного индикатора КСВ и ослабления, работающего на частоте амплитудной модуляции ГКЧ. Этот индикатор обеспечивает усиление сигналов пропорциональных , , , деление их с помощью измерителя отношений, детектирование и панорамное воспроизведение на экране ЭЛТ измеряемых характеристик в линейном и логарифмическом масштабах с отсчетом значений измененных величин.

Источники погрешности скалярных анализаторов цепей:

1) неточность установки и нестабильность частоты ГКЧ;

2) неидеальность и неиндентичность направленных ответвителей;

3) погрешности индикатора;

4) неквадратичность характеристик детекторов.

2.3.3 Векторные анализаторы цепей

2.3.3.1 Гетеродинные векторные анализаторы цепей

Гетеродинные векторные анализаторы цепей строятся на базе скалярных анализаторов цепей. СВЧ измерительный тракт остается практически таким же, а так как при амплитудном детектировании информация о фазе теряется, то вместо амплитудных детекторов используется СВЧ смесители или стробоскопические преобразователи частоты.

У гетеродинных ВАЦ используется 2 СВЧ генератора с различными частотами.

Обобщенная структурная схема ВАЦ для режима измерения S21 (S12) представлена на рисунке 2.11.

Важнейшими узлами таких ВАЦ являются смесители. Они должны иметь хорошую развязку каналами.

На выходах смесителей выделяется сигнал промежуточной частоты:

Постоянство обеспечивает схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которая работает по сигналу опорного сигнала (ОК). В процессе работы гетеродин перестраивается синхронно с ГКЧ.

Выходные сигналы смесителей опорного и измерительного каналов (ИК) поступают на векторный измеритель отношений, где производится измерение отношений их амплитуд, а с помощью фазового детектора – разность фаз сигналов. После усиления и детектирования сигналы подаются на ЭЛТ, где производятся наблюдения исследуемых характеристик. Причем индикация может осуществляться двумя способами:

1) в полярных координатах (для S₁₁, S₂₂).

2) в декартовых координатах (в виде частотных характеристик всех S-параметров).

СН

СН

U0

Uи

К достоинствам гетеродинных ВАЦ можно отнести большой динамический диапазон (80-90 дБ), а к недостаткам, сложность СВЧ оборудования и высокую стоимость.

Источники погрешностей практически те же, что и в скалярных, но в векторных АЦ предъявляются очень жесткие требования к точности установки и нестабильности частоты ГКЧ.

2.3.3.2 Гомодинные векторные анализаторы цепей

В этих ВАЦ используется только один генератор, а для получения информации о фазе измеряемого параметра используется дискретный фазовращатель. В гомодинных ВАЦ используется относительно простое СВЧ оборудование, но более сложные алгоритмы обработки измерительной информации.

Упрощенная схема гомодинного ВАЦ для режима измерения S₂₁, S₁₂ представлена на рисунке 2.12.

На выходе СВЧ-сумматора () имеем сигнал векторной суммы:

,

где и сигналы измерительного (ИК) и опорного (ОК) каналов.

Эти сигналы описываются следующими выражениями:

,

,

где Е₀ – амплитуда поля в точке разветвления ОК и ИК,

– модули и аргументы коэффициентов передачи измерительного и опорного каналов и объекта измерения соответственно.

Для двух положений дискретного фазовращателя (ДВФ) можно записать:

,(2.20)

где - коэффициент и частота амплитудной модуляции ГКЧ,

K_g - коэффициент передачи сумматора и детектора.

Из уравнения (2.20) можно найти значения S_x и j_x, определив при калибровке анализатора другие, входящие в (2.20) величины.

К достоинствам гомодинных ВАЦ можно отнести значительно более простой измерительный тракт СВЧ, а к недостаткам более сложные алгоритмы измерения и калибровки и меньший динамический диапазон измерений (≈50 дБ) по сравнению с гетеродинными ВАЦ.

2.4 Контроль и диагностика компонентов цифровых сетей и систем телекоммуникаций

2.4.1 Общие сведения и классификация методов измерения

Испытания цифровых схем, микропроцессоров и микропроцессорных систем называют тестированием. Его проводят с целью проверки качества функционирования цифрового устройства или системы, диагностики и отыскания неисправностей. Сложность, а иногда и невозможность использования для этих целей традиционных методов измерения и приборов обусловлено следующими причинами:

– многоканальность (иногда надо просмотреть одновременно до 64 логических процессов);

– сложность наблюдения однократных и непериодических процессов;

– сложность, а иногда и невозможность синхронизации осциллографа;

– очень большая трудоемкость и высокая квалификация операторов.

Эти причины обусловили разработку новых эффективных методов тестирования. Основными из них являются:

– программная автодиагностика;

– статическое тестирование;

– логический анализ;

– сигнатурный анализ.

Программная автодиагностика предполагает тестирование программируемых устройств на основе использования внутренних диагностических программ. Они бывают двух видов:

– самозапускаемые;

– вызываемые по требованию оператора.

Использование автодиагностики предусматривают при проектировании системы и указания по ее осуществлению отражают в соответствующей инструкции.

Метод статического тестирования микропроцессорной системы основан на том, что выполняемые ею операции можно рассматривать как совокупность последовательно изменяемых электрических состояний. Поэтому, если пользователи не интересует динамика процесса, то систему можно тестировать искусственно, устанавливая различные состояния. Для этого в систему включают специальные устройства, содержащие набор переключателей, с помощью которых можно создавать все возможные состояния.

2.4.2 Логический анализ

2.4.2.1 Принцип действия и классификация логических анализаторов

Принцип действия логических анализаторов заключается в том, что изменения логических состояний в исследуемых точках, переход из одного логического состояния в другое под воздействием внешних стимулов записываются во внутреннюю память анализатора, а затем воспроизводятся на экране в виде удобном для восприятия оператором. Наличие в анализаторе внутренней памяти позволяет просматривать не только периодические, но и однократные логические процессы. В зависимости от наличия внутреннего генератора и вида индикации логические анализаторы делятся на: анализаторы логических состояний (АЛС) и анализаторы временных диаграмм (АВД).

Структурные схемы использования АЛС и АВД приведены на рисунке 2.13.

АЛС используется для записи во ВП сигналов внешних по отношению к прибору. Для записи этих сигналов используются стимулирующие сигналы, изменяющие логические состояния исследуемых схем.

В АВД для записи сигналов используется внутренний ТГ.

Таким образом, при помощи логических анализаторов данные о логических состояниях исследуемых схем заносятся во ВП, преобразуются к виду удобному для поступления на индикатор и индицируются для АЛС в виде таблицы истинности, для АВД в виде квазивременной диаграммы.

В АЛС данные в память заносятся синхронно с изменением логического состояния исследуемого устройства, поэтому АЛС называют синхронными анализаторами.

В синхронном режиме логический анализатор работает от генератора тактовых импульсов исследуемой схемы.

В АВД данные в память заносятся асинхронно, поэтому их называют асинхронными анализаторами.

В асинхронном режиме для записи во внутреннюю память используются сигналы внутреннего тактового ТГ. Чтобы избежать потерь записи информации частота этого генератора должна быть в 4-10 раз больше частоты исследуемой схемы. Кроме того ВП в АВД всегда много больше, чем в АЛС. Например, наибольшая глубина памяти в современных АЛС – 64 бита/канал, а в АВД может быть 2048 б/канал и больше.

2.4.2.2 Обобщенная структурная схема логического анализатора

Обобщенная структурная схема логического анализатора приведена на рисунке 2.14.

Эта схема верна и для АЛС и для АВД. Тактовые импульсы могут быть и внешними и внутренними.

Назначение блоков

К₀,…,К_n сортируют поступающую информацию на логический «0» или «1».

В П₀,…,П_n записывается информация при помощи внешнего для АЛС или внутреннего для АВД тактового импульса.

КК сравнивает поступающую информацию с информацией, вводимой с передней панели анализатора. При приходе запускающего слова он вырабатывает сигнал на устройство запуска.

УЗ разрешает запись в память приходящей информации.

СЗЗ задерживает разрешение записи в память на заданное число запускающих слов.

СЦЗ задерживает разрешение записи на заданное число тактовых импульсов.

СПИ преобразует информацию записанную в памяти к виду удобному для восприятия.

И индицирует информацию в виде таблицы истинности или квазивременной диаграммы. И индицирует информацию в виде таблицы истинности или квазивременной диаграммы.

Для нормальной работы анализатора надо с передней его панели ввести следующие данные:

- вид индикации;

- режим работы;

- код запускаемого слова;

- длительность задержки записи;

- длительность цифровой задержки;

- уровень компарирования (с учетом уровней логических сигналов исследуемой схемы);

- частоту внутреннего ТГ (для АВД) и другие.

Современные логические анализаторы выполняются с числом каналов от 2 до 128, как правило с дискретом 2,4,8, и так далее.

Большинство АЛС имеют быстродействие 10-50 МГц. Частота современных АВД – от 50 до 500 МГц. Чем выше рабочая частота анализатора, тем более узкие импульсы он способен захватывать. Например, анализатор с быстродействием 50 МГц различает “паразитные” импульсы длительностью 5-10 нс, а с быстродействием 100 МГц - 3÷5 нс.

АВД чаще используется на начальной стадии проектирования при отладке аппаратных средств. Благодаря большой глубине памяти и специальной схеме детектирования коротких импульсов при помощи его можно отыскать короткие «паразитные» импульсы. На конечной стадии проектирования при отладке математического обеспечения систем чаще используются АЛС, на экране которых мы можем отображать фрагменты программы в двоичном коде. Некоторые АЛС имеют дополнительные блоки преобразования информации, что позволяет получать на экране таблицу команд непосредственно на языке программирования высокого уровня.

2.4.2.3 Индикация в логических анализаторах

В портативных логических анализаторах используется однострочная индикация на светодиодах или светодиодных семисегментных индикаторах. На них высвечивается одно параллельное слово. Дальнейший просмотр содержимого памяти производится построчно.

В многоканальных логических анализаторах используется дисплей, выполненный на основе ЭЛТ. В них индикация может осуществляться в виде:

1) таблицы чисел (таблица истинности);

2) временных диаграмм;

3) карты состояний;

4) графов.

Индикация в виде таблицы истинности осуществляется в различных форматах или системах счисления (двоичном, восьмеричном или шестнадцатеричном). Картину на дисплее при индикации в двоичном формате иллюстрирует рисунок 2.15.

По горизонтали расположены слова, а вертикальная ось называется “осью событий”. Таким образом, табличный дисплей воспроизводит информацию в координатах “слово – событие”. Пример события – очередной тактовый импульс, изменяющий состояние схемы.

Для удобства чтения слова, состоящее из 12 бит, разделяют на части (слоги), содержащие по 4 бита для шестнадцатеричного кода и по 3 бита для восьмеричного кода.

Экран дисплея, на котором отображается логические временные диаграммы, подобен экрану многоканального осциллографа.

Обычно можно наблюдать восемь временных диаграмм (в координатах “напряжение – время”).

Пример отображения информации во временной области представлен на рисунке 2.16.

При представлении данных в виде карты состояний отдельное 16-разрядное слово преобразуется в точку или штрих, расположение которых на экране говорит о его содержимом. Такой вид индикации дает общее качественное представление обо всей информации, проходящей через анализатор.

Структурная схема преобразования информации в карту состояния представлена на рисунке 2.17.

Вся информация разбивается на две группы по 8 каналов. Информация с каждой группы поступает на цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), выходы которых связаны с горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами ЭЛТ.

Таким образом, каждому 16-разрядному слову соответствует единственная точка или штрих с вполне определенными координатами.

Такой вид индикации используется для общей оценки программы, проходящей по шине. При этом на экране можно увидеть петли программы, по яркости найти наиболее часто встречающие слова, по мерцанию отдельных точек найти перемежающиеся сбои.

При появлении подозрительных мест в программе можно сделать переход на индикацию в виде таблицы истинности для более детального анализа программы.

Кроме логических анализаторов общего применения выпускают анализаторы специализированные для работы с отдельными типами микропроцессоров. В них индикация осуществляется в виде команд на языке программирования для данного типа микропроцессора. В качестве индикатора используется алфавитно-цифровой дисплей. Другим типом специализированного логического анализатора является анализатор логических состояний КОП 814.

2.4.3 Сигнатурный анализ

2.4.3.1 Общая характеристика

Используемая для отыскания неисправностей сигнатура – это число, состоящее их четырех знаков (цифр или букв) 16-ричного кода (несколько видоизмененного).

Сигнатура хотя и условно, но однозначно характеризует работу определенного узла или точки схемы контролируемого устройства.

Примеры сигнатур представлены на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18

Сигнатурный анализ сводится к сопоставлению реальной сигнатуры конкретного узла или точки схемы с образцовой сигнатурой этого же узла или точки, указанной в технической документации на это устройство. Несовпадение сигнатур свидетельствует о ненормальном или неправильном функционировании устройства.

2.4.3.2 Принцип формирования сигнатуры

Для проведения сигнатурного анализа цифровых систем с микропроцессорами необходим испытательный сигнал, представляющий собой двоичную последовательность. Эту последовательность, называемую данными, вырабатывает по специальной диагностической программе микропроцессор, находящихся внутри исследуемого устройства.

Из этой последовательности в свою очередь формируется испытательный сигнал, называемый тест-последовательностью. Она имеет строго определенную длину, которая зависит от числа бит, заключенных в ней.

Требуемую длину тест-последовательности устанавливают с помощью стробирующего импульса, изменяя его длительность.

Принцип формирования сигнатуры из тест-последовательности с помощью сигнатурного анализатора поясняет рисунок 2.19.

Сигнатура формируется в схеме, которая содержит 16-разрядный регистр сдвига, состоящий из 16 триггеров, четыре последовательно соединенннных сумматора по модулю два и цепи обратной связи.

Тест-последовательность может быть любой длины, но в конце цикла обработки анализируется только шестнадцати битовое число, зафиксированное в регистре. Это число, выраженное в несколько видоизмененном шестнадцатиричном коде и представляет собой сигнатуру данной тест-последовательности. Так как число бит тест-последовательности намного больше числа знаков сигнатуры, то говорят, что сигнатурный анализатор осуществляет сжатие информации.

У приведенной схеме следующие особенности:

1) до начала работы все триггеры регистра находятся в состоянии логического «0»;

2) имеет место следующая закономерность: если на вторых входах всех четырех сумматоров по модулю два находится бит «0» или у четного числа сумматоров бит «1», то бит, поданный на вход схемы, передается на вход D регистра без изменения. Если бит «1» имеется на вторых входах нечетного числа сумматоров, то на вход регистра передается бит, противоположный входному.

Сигнатурный анализ обладает высокой достоверностью, что подтверждается следующими выводами:

1 Вероятность того, что у двух одинаковых двоичных последовательностей будут одинаковые сигнатуры равна единице.

2 Вероятность получения одинаковых сигнатур для двух двоичных последовательностей, отличающихся только одним битом, равна нулю.

3 Вероятность получения одинаковых сигнатру для двух двоичных последовательностей, отличающихся несколькими битами, не превышает 0,000015.

2.4.3.3 Структурная схема сигнатурного анализатора

Структурная схема сигнатурного анализатора представлена на рисунке 2.20.

ФВВ – формирователь временных ворот;

ФТП - формирователь тест-последовательности;

ФДКС - формирователь двоичного кода сигнатуры;

БП - блок памяти;

СОИ - схема однократного измерения.

В приведенной схеме анализатора выполняется три основных операции:

1) формирование тест-последовательности;

2) формирование сигнатуры;

3) отображение сигнатуры.

Первая операция протекает следующим образом. Из исследуемого устройства через пробник в анализатор поступают сигналы трех видов: тактовые импульсы, сигналы запуска ПУСК и сигналы останова СТОП. Фронт сигнала ПУСК подготавливает регистр сдвига формирователя сигнатур к приему тест-последовательности и задает фронт временных ворот, а фронт сигнала СТОП – их срез. Таким образом интервал времени, разделяющий фронты сигналов ПУСК и СТОП определяет длительность временных ворот как показано на рисунке 2.21.

Полученный стробирующий импульс (временные ворота) и тактовые импульсы подаются в формирователь тест-последовательности, в который через пробник данных также поступает последовательность данных из исследуемого устройства.

В моменты совпадения фронтов тактовых импульсов с битами данных образуются биты тест-последовательности. Причем на её структуру не влияют никакие изменения данных в промежутках между фронтами тактовых импульсов.

Длину тест-последовательности (число бит в ней) можно изменять, изменяя интервал времени между импульсами ПУСК и СТОП. Длину тест-последовательности (число бит в ней) можно изменять, изменяя интервал времени между импульсами ПУСК и СТОП.

Синхронизация работы всех узлов анализатора осуществляется тактовыми импульсами исследуемого устройства.

Как получается сигнатура из тест-последовательности рассмотрено в 2.4.3.2.

Сформированное двоичное число, определяющее сигнатуру, поступает в два блока памяти (БП). БП1 хранит это число в течение одного цикла измерения. Это число преобразуется дешифратором в четырехзначный шестнадцатеричный код - сигнатуру, который и высвечивается на дисплее. БП2 хранит результаты формирования сигнатур, полученных за два цикла измерения следующие один за другим. Если сигнатуры не совпадают, то на дисплее высвечивается надпись: «Нестабильная сигнатура». Это позволяет обнаружить случайные сбои в работе исследуемого устройства.

2.5 Измерение параметров и характеристик волоконно-оптических линий связи и их компонентов

2.5.1 Общие сведения. Измеряемые параметры

Основными характеристиками оптических кабелей (ОК) и оптических волокон (ОВ) являются: дисперсия и затухание (поглощение).

2.5.1.1 Дисперсия

В ОВ возникает несколько типов дисперсии: модовая (многомодовая, межмодовая) и хроматическая (внутримодовая, спектральная).

Модовая дисперсия возникает вследствие того, что каждая мода проходит разный путь по ОВ, как показано на рисунке 2.22, а следовательно имеет различную скорость вдоль оси волокна.

Скорость света, распространяющаяся в волокне, зависит от длины волны. Следовательно, импульс, занимающий конечную полосу длины волн в спектре, будет уширяться из-за того, что его составляющие с различными длинами волн будут распространяться с разными скоростями. Это явление называется хроматическая дисперсией, которая складывается из материальной дисперсии и волновой дисперсии.

Материальная дисперсия вызывается зависимостью групповой скорости света от длины волны. Эта зависимость обусловлена тем, что показатель преломления стеклянных волокон меняется с изменением длины волны. Материальная дисперсия сказывается, если передаваемый сигнал имеет широкий спектральный интервал. На рисунке 2.23 показано уширение импульса в следствие материальной дисперсии (а – входной ипульс, б – выходной импульс).

Волноводная дисперсия по своему действию подобна материальной, но возникает вследствие зависимости фазовой и групповой скоростей каждой моды световой волны от длины волны. В общем случае она мала по сравнению с другими видами дисперсий.

2.5.1.2. Затухание (поглощение)

При распространении по ОВ сигнал затухает вследствие оптических потерь, которые пропорциональны длине световода. Затухание измеряется в децибелах на единицу длины и на практике применяются от 0.2 дБ/км до 10дБ/км.

Затухание обусловлено тремя основными причинами:

1) поглощение света примесями (в качестве примесей выступают ионы металлов и гидроксильные ионы ОН из-за наличия воды в стекле);

2) рассеяние света;

3) потери на излучение на микроизгибах ОВ.

Существует два основных механизма рассеяния света в ОВ. Первый из них - рэлеевское рассеяние, вызываемое неоднородностью диэлектрических свойств вследствие хаотического распределения молекул в аморфном стекле.

Второй механизм связан с технологическими неоднородностями на поверхности раздела сердцевины и оболочки. Вследствие этого лучи света, падающие на поверхность под некоторым углом, отражаются под разными углами, что приводит к смешению мод.

Микроизгибы оптического волокна вызывают потери света вследствие излучения, но эти потери невелики, если радиус изгиба больше некоторого критического значения.

Для измерения затухания в основном используют два метода:

1) обратного рессеяния;

2) метод прямого измерения затухания.

2.5.2 Метод обратного рассеяния

Данный метод измерения нашел широкое применение в виду возможности одновременного измерения нескольких параметров ОВ, относительно высокой скорости измерения с одного конца линии, а также достаточной для большинства задач точности. Принцип измерения параметров ОВ методом обратного рассеяния основан на наблюдении потока обратного рассеяния (ПОР), возникающего вследствие отражения зондирующего сигнала при его прохождении по ОВ от рассеянных и локальных неоднородностей. Этот метод позволяет измерять затухание ОВ, функции распределения затухания по длине ОВ и распределения локальных неоднородностей, места обрыва, а также определить дисперсию и групповое время прохождения сигнала по волокну.

На практике метод обратного рассеяния реализуется в оптических рефлектометрах, регистрирующих поток обратного рассеяния и измеряющих его параметры.

2.5.2.1 Оптические рефлектометры

Оптические рефлектометры действуют по принципу локатора. В линию посылается импульс малой длительности, часть которого распространяясь по волокну, возвращается или рассеивается ко входу вследствие рэлеевского рассеяния и френелевских отражений от неоднородностей ОВ (дефекты волокна, сварки, соединителей и других). Рефлектометр регистрирует отраженный (рассеянный назад) сигнал в координатах: принимаемая мощность – время (расстояние) и измеряет его параметры. Структурная схема оптического рефлектометра представлена на рисунке 2.24.

ОИС – оптический источник сигнала; НО – направленный ответвитель;

ОС – оптический соединитель; ФП – фотоприемник;

БуиОС – блок усиления и обработки сигнала; РС – регистрирующая система.

ОИС состоит из мощного лазера, который генерирует повторяющиеся импульсы длительностью от 5 до 100нс, мощностью от 100мВт до нескольких Вт, с частотой повторения несколько килогерц, которую задает УУ.

Световые импульсы вводятся в ОВ через ОС. ПОР через ОС иНО поступает на чувствительный ФП, который преобразует оптические импульсы в электрический сигнал. Причем, НО препятствует попаданию светового импульса в ФП до его прохождения по оптическому волокну. После обработки электрического сигнала в БУиОС он подается на вход у осциллографа РС, вызывая в каждый момент времени отклонение луча пропорционально мгновенному значению уровня мощности ПОР. При этом уровень в начальный момент времени Р₀ определяется отражением зондирующего сигнала от торца ОВ.

На рисунке 2.25, представлены две типичные кривые ПОР.

Кривая а соответствует идеальному ОВ и характеризуется плавным уменьшением ПОР. Кривая б характерна для реального ОВ. Начальный выброс О обусловлен френелевским отражением в ОС, соединяющим прибор с ОВ. На однородных участках ОВ кривая представляет собой спадающую экспоненту 1ПОР. Скачки затухания 2 обычно обусловлены дефектами ОВ в местах его сварки. Маленькие инородные включения, а также пузырьки воздуха в волокне вызывают отражение в виде небольших выбросов 3. Интенсивный отраженный сигнал 4 возникает у конца ОВ. При несогласованных разъемах или сращивании ОВ возникают отражения и скачок затухания 5. В случае сварки волокон с различными потоками обратного рассеяния возникает скачок затухания 6, который может быть положительным при большей величине обратного рассеяния второго отрезка по сравнению с первым.

2.5.2.2 Измерение затухания оптических волокон и оптических кабелей методом обратного рассеяния

По осциллограмме (рефлектограмме), полученной на экране оптического рефлектометра (рисунок 2.26), можно определить затухание всего волокна или отдельных его участков.

Измерение затухания отрезка ОВ длиной l определяется следующим образом:

1) если ось У проградуирована в единицах мощности, то затухание в дБ определяется по формуле

, (дБ) (2.23)

а километрическое затухание в (дБ/км) определяется по формуле

, (дБ) (2.24)

2) если ось у рефлектометра проградуирована в логарифмическом масштабе, то формулы (2.23) и (2.24) приобретают следующий вид

, (дБ) (2.25)

,(дБ/км) (2.26)

2.5.2.3 Измерение дисперсии оптических волокон методом обратного рассеяния.

Измерение дисперсии осуществляется при зондировании ОВ короткими импульсами и наблюдении на экране осциллографа входных и выходных импульсов. На рисунке 2.27 приведена структурная схема измерения дисперсии.

На конце ОВ устанавливается зеркало, отражающее световой импульс с коэффициентом отражения близким к 1. При измерении дисперсии осциллограф работает в ждущем режиме. Он должен иметь достаточную скорость развертки, позволяющую наблюдать импульсы пико- и наносекундной длительности.

Частота следования импульсов определяется ГЭИ. Входной импульс, отраженный от торца ОВ, задерживается на время прохождения зондирующего импульса до конца волокна и обратно и вместе с отраженным импульсом фиксируется на экране ЭО.

Управление работой ЭО осуществляется с помощью БЗСиУ. Необходимость этого блока обусловлена тем, что длительность измеряемых импульсов для широкополосных систем составляет 3..8нс, что на 3-4 порядка больше времени задержки входного и выходного импульсов. Поэтому чтобы иметь возможность одновременного наблюдения на экране ЭО входного и выходного импульсов, необходимо иметь точную, практически плавную, регулируемую линию задержки, с помощью которой можно обеспечить задержку входного импульса до момента прихода выходного импульса. Такие функции позволяют обеспечить линии с цифровой задержкой с плавным регулированием задержки. Это позволяет совмещать на экране ЭО фронты входного и выходного импульсов.

Значение дисперсии или уширения импульса определяется по формуле:

, (с/км). (2.27)

По измеренному значению дисперсии можно определить широкополосность ОВ:

, . (2.28)

2.5.3 Оптические измерители мощности

ОИМ являются наиболее распространенными приборами при измерениях параметров волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Вместе со стабилизированным источником оптического сигнала их используют для измерения затухания оптических кабелей.

Оптические измерители мощности (ОИМ) строятся на базе специально сконструированных оптических приемников. Как правило, прибор комплектуется несколькими сменными приемниками на разные уровни мощности и длины волн. Эти приемники в основном и определяют метрологические и технические характеристики данного прибора.

Свои особенности имеет измерение мощности лазерного излучения. Как правило, лазерные источники являются мощными, что создает нелинейные эффекты в приемниках. Чтобы их уменьшить перед приемниками устанавливают полупрозрачные зеркала, которые большую часть мощности отражают, а только часть пропускают на приемник.

Структурная схема ОИМ приведена на рисунке 2.28.

В качестве оптических детекторов (ОД) в основном используются твердотельные фотодиоды. Они должны иметь равномерную частотную характеристику, а также высокую температурную и временную стабильность и малый уровень собственных шумов.

ОД преобразует входной оптический сигнал в электрический, который усиливается и преобразуется к цифровому виду. В сигнальном процессоре производится пересчет полученного электрического сигнала в результаты измерения мощности, которые затем представляются на экране цифрового дисплея.

Основной характеристикой ОИМ является равномерность зависимости выходного сигнала ОД от мощности входного оптического сигнала на разных длинах волн. В зависимости от этого сигнальный процессор должен в большей или меньшей степени компенсировать неравномерность характеристики детектора.

Если ОД обладает хорошими характеристиками, то сигнальный процессор может иметь менее сложную структуру. Поэтому при разработке измерителя всегда решается оптимизационная задача между стоимостью ОД и сложностью и стоимостью сигнального процессора.

В зависимости от модели диапазон измерения мощности находится в пределах от нескольких мкВт до единиц Вт. Погрешность измерения – единицы процента.

2.5.4 Метод прямого измерения затухания, вносимого оптическим кабелем

Схема такого измерения приведена на рисунке 2.29.

При измерении мощности этим методом измеряется мощность сигнала на входе кабеля Р₀ и на его выходе Р_l.

По определению, затухание кабеля в дБ и километрическое затухание в дБ/км определяется по формулам:

, (дБ) (2.29)

, (дБ/км) (2.30)

На практике обычно проводят измерения не собственного затухания кабеля, а вносимого затухания, которое является суммой собственного затухания кабеля и затуханий в ОС.

Существует две разновидности рассматриваемых метода и схемы измерения затухания:

1) без разрушения кабеля (метод вносимых потерь);

2) с разрушением кабеля (метод обламывания).

2.5.4.1 Измерение затухания без разрушения кабеля

Этот метод используют для измерения затухания оптических кабелей и отдельных участков ВОЛС в точках, позволяющий подключить источник оптического сигнала и оптический измеритель мощности. Метод дает хорошие результаты, когда значение затухания имеет большое значение от 20 до 40 дБ и более.

В этом случае получается хорошая воспроизводимость результатов. На рисунке 2.30 представлена схема измерения затухания этим методом.

ИОС - источник оптического сигнала;

ОИМ - оптический измеритель мощности;

СМ - смеситель мод;

ФМО - фильтр мод оболочки;

ФП - фотоприемник;

В качестве ИОС обычно используют полупроводниковый лазер, который генерирует измерительный сигнал постоянной мощности Р₀, которая контролируется ОИМ. Генератор накачки лазера определяет параметры измерительного сигнала, который может быть одночастотным (при измерении затухания на одной частоте) или изменяться в заданной полосе частот (при измерении частотной характеристики затухания).

ОС обеспечивает ввод светового сигнала в ОК, а на выходе ОК устанавливается ФП.

Для уменьшения потерь на отражение при соединении кабеля с ФП часто используется иммерсионная жидкость.

Для скорейшей стабилизации модового состава в оптическом волокне на его входе устанавливают СМ и ФМО.

Часто при измерении затухания оптических волокон его определяют в обоих направлениях передачи оптического сигнала, то есть определяют α₁₂ и α₂₁. За результат принимают значение:

Данные измерения используют для выбора направления передачи оптического сигнала по ОК.

2.6.4.2 Измерение затухания с разрушением кабеля (с обламыванием концов оптического волокна)

Этот метод используется в случае измерения параметров оптических волокон с малыми потерями (1дБ/км и менее).

Схема измерения аналогична представленной на рисунке 2.30. При этом методе применение иммерсионной жидкости, СМ и ФМО становится обязательным.

Измерения проводят в следующей последовательности.

Сначала измеряют значение мощности на выходе ОВ P_l. При малых значениях затухания качество обработки торцов ОВ приобретает большое значение. Поэтому для повышения точности измерения мощности ее измеряют несколько раз, обламывая конец ОВ на несколько сантиметров в точках Х₆, Х₅ и Х₄, как показано на рисунке 2.31.

Перед каждым измерением мощности подготавливают торец волокна, сравнивая измеренные значения мощности Р_l4, Р_l5,P_l6, можно установить влияние плохо подготовленных торцов или их загрязнение.

В качестве результата измерения P_l выбирают наибольшее из полученных значений Р_l4, Р_l5,P_l6.

Аналогично измеряется и мощность на входе волокна в точках Х₁, Х₂, Х₃, но на ее значение имеет влияние не только качество подготовленных торцов, но и неполное установление модового состава на входе волокна. Поэтому Р₀ измеряют на расстоянии 3-4м от входного торца ОВ. Погрешность измерения этим методом имеет значение порядка 0,1…0,05 дБ.

Поиск по сайту: