Как мы изобретали оптический рефлектометр


    История про высокий порог входа, забеги по граблям и уверенность в завтрашем дне, а также про оптику, схемотехнику и немного про FPGA. На КДПВ — то, что получилось, работает и используется в production, а ниже — рассказ про процесс создания этого "чуда враждебной техники".


    В одно хмурое зимнее утро декабря 2007 года маркетологи небольшой компании, занимающейся разработкой электроники, решили, что пора таки сделать свой OTDR. Чтобы был недорогой и, как минимум, не хуже зарубежных с достойными характеристиками.


    Сказано — сделано! Проекту дали отмашку на старт и начались исследования, поиски решений и эксперименты. Планы, графики, изучение специальной литературы, параметров, особенностей, возможностей и характеристик аналогичных устройств.
    Обязательно нужно отметить, что:


    1. до рефлектометра команда аппаратчиков и программистов занималась исключительно цифровыми системами и измерениями (форму импульса в E1 мы в расчёт не берём), а физика рефлектометра — аналоговая;
    2. описываемые события происходили с 2008 по 2013 год, то есть, достаточно давно;
    3. да, процесс занял пять лет (на самом деле, больше).

    Введение


    Попробую рассказать и показать на пальцах зачем нужны рефлектометры, на каких принципах они работают, а также про основные параметры этих измерительных приборов.


    Сегодня никого не удивишь высокой скоростью передачи (хотя кому-то и 100 Мбит/с — быстро). Земной шар уже не одно десятилетие опутывают оптическими кабелями, по которым гоняют огромный трафик с гигантской скоростью. 10/40/100G в связке с DWDM с потенциальной полосой 16 терабит/с в одном волокне толщиной с волос — вот на чём держится современный интернет, облака и прочие гуглы-амазоны. Окей, не только на этом, но волоконная оптика всё равно остаётся основной физической средой передачи для таких скоростей.



    Мир несовершенен, и кабель в любой момент может быть повреждён: перерублен, разорван, пережат и т.д., и т.п. Хорошо, если это где-то рядом и видно невооружённым глазом: например, иногда можно обнаружить дикий экскаватор, разрывающий пасть льва оптику рядом с вашим датацентром. А если разрыв под водой или под землёй? Прокладывать новый или доставать старый кабель, чтобы найти неисправность, не то, чтобы дорого, а очень дорого. Правильные действия — локализовать проблему и сварить разорванное волокно.


    Как найти место повреждения, если длина участка трассы — десятки и сотни километров, и физически добраться до каждого метра кабеля невозможно? Вот тут на помощь и приходит оптический рефлектометр (OTDR, Optical Time-Domain Reflectometer) — прибор, при помощи которого можно найти место неисправности и определить качество сварки и соединительных разъёмов на расстоянии до… километров и с точностью до… метров/сантиметров. Расстояние и точность зависят от характеристик конкретного прибора. И цена прибора тоже очень хорошо зависит.


    Disclaimer: конечно, разрыв — это лишь один из нескольких типов проблем, возникающих при эксплуатации ВОЛС (волоконно-оптических линий связи), но я не ставлю своей целью подробно рассказать о всех параметрах оптических волокон: есть хорошие книги на русском и английском языках (см. в списке литературы ниже), а также отличная статья на Хабре.


    Итак, основные параметры оптических рефлектометров:


    1. динамический диапазон (дальнобойность); например, 36/34 dB
    2. разрешение (точность); мы смогли сделать разрешение меньше 4 см
    3. мёртвая зона по событию (на каком минимальном расстоянии друг от друга можно обнаружить неисправности)
    4. мёртвая зона по затуханию (для измерения потерь на коннекторах и сварках)

    Принципы работы OTDR


    (совсем примитивно, без углубления в теорию)


    Примем как факт, что физика распространения света в оптическом волокне такова, что луч отражается и от оболочки кабеля, и от каждой точки среды распространения, а также от всех неоднородностей на своём пути. Естественно, отражается по-разному и в разные стороны. Нас будет интересовать отражение в обратном направлении, отражение от неоднородностей и ослабление сигнала.



    Скорость прохождения луча по волокну примерно в полтора раза меньше скорости света в вакууме. Зная скорость и измерив время между передачей импульса в волокно и приёмом отажённого сигнала, можно однозначно вычислить расстояние до точки отражения.


    Световой сигнал, проходящий по волокну, теряет свою мощность. Ослабление мощности (затухание) светового сигнала зависит, в том числе, от длины волны. Если правильно измерить мощность отражённых от удалённых точек волокна импульсов и построить график, то можно получить характеристику трассы — рефлектограмму.


    Рефлектограммы


    В статье, которая упоминается выше, есть много красивых цветных графиков с рефлектограммами, метками и прочими характеристиками, но смысл у всех картинок один — на них показано изменение мощности отражённого светового луча с увеличением расстояния от начала оптического кабеля.



    (расстояние на горизонтальной шкале условно, километров должно быть
    больше)


    По икс — расстояние, по игрек — отношение мощности отражённого сигнала к мощности переданного. Окей, для тех кто придирается, 5 десятичных логарифмов этого отношения — те самые децибелы, а пять, а не десять — потому, что сигнал проходит двойной путь — туда и обратно. Сигнал убывает по экспоненте, поэтому при логарифмировании получается прямая линия. Кстати, про логарифмирование попозже расскажу отдельно.


    Высокие всплески в начале и в конце графика — отражённый сигнал от начала и от конца на границе сред воздух/волокно.


    Измерения обычно проводят для двух длин волн — 1310 и 1550 нанометров. Для измерений в PON/FTTH используют сигнал с длиной волны 1625 нм. Коэффициент затухания для разных длин волн разный, это видно на рефлектограммах и может быть определён по углу наклона прямых (как бы) участков графика. Естественно, у разных производителей кабеля коэффициент затухания тоже отличается, и чем он меньше, тем лучше, но порядок очень похож: примерно 0.19 dB на 1 км для волны 1550 нм и 0.33 dB/км для 1310 нм. На рисунке — две рефлектограммы для одного и того же кабеля, сделанные на разных длинах волн:



    (расстояние на горизонтальной шкале условно, километров должно быть больше)


    Таким образом, если длинное волокно проложено без сварок, сильных изгибов и соединений, то мощность оптического сигнала будет уменьшаться на коэффициент затухания каждый километр и через 100 км сигнал будет не менее, чем в 2000… раз (100 км * (-0.33dB) = -33 dB) слабее, чем излучает передающий светодиод.


    Так как рефлектометром пользуются с одного конца кабеля, то измеряют отражённый сигнал, который будет ослаблен ещё на 33 dB на обратном пути и, значит, мощность вернувшегося луча, прошедшего путь в 200 км (туда сто и обратно сто) уменьшится почти в 4 миллиона раз: туда на 33 dB меньше, обратно ещё на 33 db меньше, итого 66 dB (1/(10^-6.6)=3'987'071.7).


    Смысл в том, что сигнал на входе приёмника рефлектометра изменяется в большом диапазоне: от десятков миллиВатт до долей наноВатт. А по току — от десятков миллиампер до пикоампер.


    На практике к коэффициенту ослабления сигнала добавляются, как минимум, потери на соединительном разъёме и на внутренних сплиттерах. То есть, при проектированиии нужно предусмотреть больший диапазон изменения сигнала. Кстати, для рефлектометров есть понятия номинального рабочего и номинального динамического диапазона. Рабочий, как можно догадаться, меньше.


    Зная затухание в кабеле и динамический диапазон прибора по паспорту, можно понять, какое расстояние способен промерить рефлектометр. У обычного магистрального рефлектометра это 36/34 dB. Посчитаем расстояние:


    36 dB / 0.33 dB/км = 109 км для длины волны 1310 нм
    и
    34 dB / 0.19 dB/км = 178 км для длины волны 1550 нм


    (пользователи рефлектометров меня опять поправят, что фактически меньше)


    В качестве измерительного сигнала используются импульсы заданной длины (от 3 наносекунд до 20 микросекунд). На коротких трассах измерения производятся при помощи коротких импульсов, на длинных, соответственно, длинными. Чем длиннее импульс, тем больше его мощность и тем дальше можно будет видеть его отражение от неоднородностей кабеля и тем более длинную трассу можно "прострелить".


    Используем короткие импульсы — получаем высокое разрешение, длинные — дальнобойность. На самом деле, это несколько упрощённо, но, надеюсь, позволяет понять общие проблемы и сложности, возникающие у операторов рефлектометра в процессе выбора параметров: нужен компромисс между разрешающей способностью, дальнобойностью и длительность измерений.


    Длиннее импульс — больше мощность и можно промерить очень длинный тракт. Кстати, бесконечно длинный импульс сделать не получится, т.к. нужно отражённый сигнал измерять, а для этого источник излучения должен быть выключен. Да и излучатели расчитаны на импульсный режим работы с определённой скважностью. Если уменьшить период между импульсами или светить очень долго, то можно запросто сжечь лазерный диод, а это, как минимум, дорого и вредно для окружающей среды.


    (Длина импульса — это время, в течение которого светит лазерный светодиод. Период — время между импульсами, когда светодиод выключен. В нулевую версию передатчика мы поставили диод от dvd-привода, заклеив синей изолентой линзу и после включения эту изоленту мастерски, с дымом и шипением прожгли насквозь.)


    Процесс разработки


    Так получилось, что сначала рефлектометр в течение четырёх лет разрабатывала одна команда, на четвёртом году параллельно и в срочном порядке начали создание альтернативной версии, и в этой заметке идёт повествование о приключениях второй команды. Про первый вариант тоже немного расскажу, но потом.


    Постановка задачи: сделать электронное устройство — оптический рефлектометр с динамическим диапазоном 35/37 децибел (а не 34/36, чтобы было больше, чем у конкурентов) и мёртвой зоной по событию — не более 1 метра.


    После предварительного анализа и расчётов пришли к выводу, что основные
    компоненты системы будут такими:


    • источник световых импульсов — лазерный светодиод (две штуки, один на 1310, другой на 1550 нм);
    • приёмник — лавинный фотодиод;
    • усилитель с большим динамическим диапазоном (см. "расчёты" выше);
    • аналого-цифровой преобразователь, чтобы продавался в Россию, т.к. на скоростные действует эмбарго;
    • FPGA для суммирования и усреднения отсчётов;
    • управляющая система (микроконтроллер в измерительной части и embedded linux в интерфейсной);
    • графический интерфейс пользователя;
    • и пр.

    И пр. — это набор сплиттеров, КЗДС (комплект деталей защиты сростка), волокно компенсатора мёртвой зоны, FC-разъём для подключения к измеряемой трассе. Про системы питания и охлаждения тоже не забываем.


    Ещё немного исходных данных


    Передатчик: нужна большая мощность — ставим в схему мощный излучатель. При этом он должен быть и мощным и быстрым, чтобы работать на коротких импульсах, но не до такой степени мощным, чтобы можно было спички лазерным лучом поджигать или волокно плавить. Расчёты расчётами, но в конце концов пришли к тому, что излучателей на рынке не так много и решили устанавливать с такими же параметрами, как у других производителей приборов. Длиной и периодом импульсов будем управлять от FPGA.


    Оптическая часть: два излучателя и сплиттеры 50/50, внешний коннектор — FC.


    Приёмная часть: большой динамический диапазон — нужен соответствующий усилитель, и соответствующее АЦП.


    Вычислительная часть: в измеряемом тракте всегда будет присутствовать шум (тепловые шумы в волокне, внутренние шумы компонентов прибора, наводки и пр.). От шума можно избавиться традиционным способом — путём усреднения: суммируем N одинаковых измерений и делим на N. Усреднять значения, полученные с АЦП будем в FPGA, хранить — во внешней оперативной памяти.


    Стараемся по максимуму использовать готовые компоненты. Например, усилитель с переменными коэффициентами усиления. Впрочем, как раз этот дивайс нам не пригодился.


    Блок-схема


    Блок-схема раз (неправильная). Логарифмируем


    В общем, примерно так:


    Для упрощения на рисунке показан только один излучающий диод. В реальном устройстве их два (1310 и 1550 нм, мощность 50 и 40 мВт) или даже три (1625 нм). Сплиттера, вносящего затухание 3 dB, тоже на этой картинке нет.


    Лавинный фотодиод — NR8300FP-CC — с типовым коэффициентом умножения M=40 (300 евро за шт.). Зачем лавинный фотодиод и почему нельзя обойтись обычным? Потому что отражённый сигнал, прошедший большое расстояние настолько слаб, что обычный pin-фотодиод просто не будет генерировать ток и нечего будет оцифровывать. А лавинный фотодиод умеет дополнительно усиливать принятый сигнал, на картинке показана зависимость коэффициента умножения лавинного диода от обратного напряжения и от температуры:



    Ещё в этом варианте приёмника есть два канала усиления, работающих параллельно. Один с широкой полосой пропускания (600MHz), другой с большим динамическим диапазоном (100 dB-range 10nA-1mA).


    А также АЦП (аналого-цифровой преобразователь) — двухканальный, 14-разрядный, 65 MSPS (mega-samples per second), с которого оцифрованные данные поступают на ПЛИС (FPGA), где выполняется усреднение, а потом — передача на верхний уровень, в управляющий процессор.


    Кроме того, как уже говорилось, FPGA управляет длительностью импульсов, генерируемых лазерным диодом.


    Первый старт


    Ура! Схему начертили, плату развели, смонтировали, написали тестовые прошивки для FPGA, управляющие устройством скрипты и начали тестирование.


    Передатчик тестировали отдельно, приёмник — вместе с передатчиком...


    … Продолжение следует


    Продолжение — в следующей заметке, примерно через неделю. И так очень длинно получилось. В следующих главах расскажу про:


    • проблему "линеаризации" графиков, полученных при работе с логарифмическим усилителем,
    • применении элемента Пельтье для стабилизации температуры,
    • об ошибках проектирования разъёмов между приёмной и передающей частями прибора,
    • поиск оптимальной точки обратного смещения лавинного фотодиода,
    • борьбу с насыщением усилителей,
    • компенсатор мёртвой зоны, калибровку измерителя и "кассету" для волокна,
    • выложу работающие и неработающие принципиальные схемы и данные рефлектограмм для octave и matlab,
      но на вопросы с удовольствием постараюсь ответить.

    Спасибо, что дочитали первую часть истории до конца!


    Ссылки


    Поделиться публикацией
    Ой, у вас баннер убежал!

    Ну. И что?
    Реклама
    Комментарии 21
    • +3

      Как же радует, когда статья одновременно и хорошо написанная, и со вкусными техническими подробностями!

      • 0
        Т.е., для кабельщиков делали?

        P.S. Ну, и конечно «Измерения обычно проводят для двух длин волн — 1310 и 1550 нанометров.» несколько некорректно. Водяной пик не меньше интересует.
        • +1
          конечно, для них. а для кого?
          про водяной пик тогда мы не знали и задачи такой поэтому не было.
        • 0
          разрешение (точность); мы смогли сделать разрешение меньше 4 см

          4 см это опечатка, или для получения такого результата использовалось АЦП 6500 MSPS и импульсы в 40 пс?
          • +2
            не опечатка ;)
            для получения такого результата мы использовали метод стробоскопирования. и про это тоже напишу.
            • 0
              Стробоскопирование можно использовать до аналоговой полосы приёмника и соответствующей приёмнику полосы передатчика. Дальше стробировать не имеет смысла, можно просто интерполировать — получится такой же результат. Ограничение на полосу приёмника вносят фотодиод (у NR8300 — 3ГГц, поэтому для получения разрешения меньше сантиметров обычно используют уже PIN диоды), усилитель/усилители и АЦП (у AD9248 — 500 МГц). Полоса передатчика прежде всего определяется длиной импульса, поэтому если хочется 4см — надо получить импульс хотя бы 400пс (а лучше меньше), физику не обманешь. И если в случае с одиночным импульсом через лазерный диод это ещё реализуемо, то получить последовательность импульсов с произвольной длительностью уже весьма сложно. А эту псевдослучайную последовательность импульсов придётся реализовывать, потому что уровень обратнорассеянного излучения от одиночного импульса в 400пс в SMF-28 на длине волны 1550нм составляет -85дБ от входной мощности.
          • 0
            Интересно дальнейшее развитие действия; жду продолжения!
            • 0
              Реализуйте функцию формирования отчетов по измерению, а именно:
              -Длина волокна
              -Затухание в дБ/км по всей длине волокна
              -Затухание в дБ между маркерами
              -Количество и расстояние до дефектов, а также их затухания в дБ
              Ну и чтобы это можно было сохранить на флешку и потом юзать на компе.
              Пока что мне родней и ближе Йокогава
              • +1
                а разве нет таких функций? всё есть, вот только поиск событий до сих пор работает плохо.
                впрочем, с пожеланиями по функциональности лучше обращаться в метротек, они, кажется, всё ещё производят этот дивайс.
              • 0
                Спасибо за статью.
                А можно чуть подробнее, почему «маркетологи решили», что смогут потеснить рынок, на котором и так уже рефлектометров как грибов в лесу? И удалось ли в итоге потеснить? И за счет чего — стоимости, киллер-фич, знакомства с крупными заказчиками?
                • 0
                  это сейчас их пруд пруди, а 10 лет назад было не совсем так и магистральные стоили как чугунный мост. ну, и всего остального понемногу тоже было. в том числе, и заказчик хороший.
                • 0
                  Статья — кайф. Продолжение с удовольствием почитаю!
                  • 0
                    … в измеряемом тракте всегда будет присутствовать шум (тепловые шумы в волокне ...
                    В обычных волоконно-оптических рефлектометрах самый большой вклад в оптические шумы вносит поляризационный шум, который зависит от степени поляризации источника излучения. Обратное рамановское и бриллюэновское рассеяния, которые сильнее зависят от температуры волокна чем рэлеевское рассеяние, вносят ошибку в измерения, но заметно меньшую чем поляризационный шум в случае широкополосного приёмника оптического излучения. Наверное самый дешёвый способ обойти эти поляризационные шумы — это плавное изменение длины волны (а точнее сказать диапазона длин волн) передатчика во время измерения/накопления/усреднения с помощью изменения температуры этого передатчика. Проще, конечно же, поставить деполяризатор как это делают в случае рамановских рефлектометров или даже скремблер в случае бриллюэновских рефлектометров/анализаторов.

                    Или что-то другое имелось в виду под тепловыми шумами в волокне?
                    • 0

                      имелись в виду те шумы, которые при усреднениях можно уменьшить. мы всё-таки боролись за практический результат, а не за идеальное решение проблемы.

                      • –1
                        Поляризационные шумы сами по себе не усреднятся. Рамановское и бриллюэновское рассеяния как источник шума или ошибки тоже так просто не усреднить.
                      • 0
                        В вышенаписанном я немного напортачил — смешал в кучу поляризационные и когерентные шумы, которые тоже не усредняются. Самый большой вклад в оптические шумы вносят поляризационный и когерентный шум вместе. Разделить их влияние довольно сложно в случае с обычным Фабри-Перо лазерным диодом в качестве источника излучения.
                      • 0
                        Арифметическое усреднение не самый лучший вариант. Статистика учит перед усреднением отбросить явно косячные замеры, а только потом усреднять.
                        • +1

                          в нашем случае такой способ — самый простой и эффективный, потому что косячные замеры на неизвестных входных данных очень тяжело определить. а за три минуты шумы уходят только так. в следующей заметке приложим графики с разным количеством усреднений — там всё очевидно.

                        • 0
                          Спасибо, интересно! Рад, что мои статьи актуальны и приводятся в пример.
                          • +1
                            Очень интересно! В кассу к этому напомнило текущий конкурс проектов на Intel FPGA, там есть студенческий проект оптического рефлектометра: www.innovatefpga.com/cgi-bin/innovate/teams.pl?Id=EM043
                            (Насколько мне известно компания Метротек там тоже присутствует со своим проектом)
                            • +1

                              Добрый день! Ну не совсем Метротек. Команда EM077 состоит из трех людей, двое из которых сотрудники Метротека (я и 1an1 ). Но выступаем мы там как студенты ИТМО.

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое