Optikai szakasz vizsgálata OTDR-rel Összeállította: Békefi Ádám hallgató Mészáros István tanszéki mérnök 1
Elméleti összefoglaló Az elosztó hálózatok esetében is gondot jelent, hogy a mérendő kábelszakasz, vagy hálózat végpontjai távol vannak egymástól. A probléma két teljesítménymérő alkalmazásával oldható meg. Az egyikhez csatlakoztatják a patchkábelt a referencia meghatározása érdekében, míg a másikhoz a mérendő szál végét. A pontos eredmény eléréséhez a két műszert egymáshoz kell hitelesíteni, és rajtuk azonos beállításokat kell alkalmazni. Nem jelentkezik ez a probléma a visszaszórásos csillapításmérés esetén. Itt ugyanis csak egyetlen műszert, az OTDR-t (Optical Time Domain Reflectometer Optikai visszaszórás-mérő) kell alkalmazni. Ez az eszköz a vizsgált szál egyik végpontjára csatlakoztatva grafikusan jeleníti meg az optikai hálózat jellemzőit. Mérhető segítségével a szakaszcsillapítás mellett a fajlagos csillapítás, a kötési csillapítás, a reflexiós csillapítás, illetve az ezeket az eseményeket előidéző objektum (például kötés) távolsága a mérés helyétől. A korszerű műszerek esetén a felsorolt értékek mérése automatikusan történik, míg az egyszerűbb kivitelűeknél kurzorok segítségével manuálisan kell mindezt végrehajtani. Az alábbi ábrán egy tipikus kép látható, ami az OTDR kijelzőjén megjelenhet: A számmal megjelölt események a következők: 1.- közelvégi reflexió, 2. szakaszcsillapítás, 3. reflexió, 4. kötési csillapítás, 5. távolvégi reflexió, 6. zaj. A fajlagos csillapítás mérésekor a kötés nélküli szakaszon fel kell venni két egymástól távol eső kurzorpontot. A műszer ekkor megjeleníti a hozzájuk tartozó a 1 és a 2 jelszint értékeket, valamint a kijelölt pontok távolságát a mérés helyétől, azaz s 1 és s 2 értékét. Ha s 1 < s 2, a szakaszcsillapítás a következő képlet szerint számítható ki: Szakaszcsillapítás mérésekor a jelszintek különbségét kell csak kiszámítani, az így kapott eredményt nem kell a távolságértékek különbségével osztani. A kötési csillapítás mérése nem ilyen egyszerű, ehhez négypontos módszert kell alkalmazni. Ennek lényege, hogy a kötés előtti és a kötés utáni szakaszon is fel kell venni két-két kurzorpontot. Ezek a pontok két egyenest jelölnek ki. Az egyenesek távolságát kell meghatározni a kötés pozíciójában. Ez a távolság lesz a kötési csillapítás értéke. 2
Az OTDR-rel való mérés során probléma, hogy a műszer a szál, és nem a kábel hosszát méri. Ez hibakeresés esetén 0.5-1.5 %-os pontatlanságot eredményez, ami egy a mérés helyétől 50 km-re lévő hibahely esetén akár 750 m-es mérési hibát is okozhat, ez pedig megengedhetetlen. A pontos eredményt korrekciós számítással lehet meghatározni: A kifejezésben l 2 egy ismeretlen kötés tényleges távolsága a mérési helytől, l 1 egy ismert kötés tényleges távolsága ugyanettől a ponttól, s 2 az ismeretlen s 1 pedig az ismert kötés OTDR-rel mért távolsága a műszertől. A másik lehetséges megoldás azon alapul, hogy az eszköz a hibahely pozíciójának meghatározásához felhasználja a szál törésmutatójának értékét. Ezáltal lehetőség van a tényleges helyett egy korrigált törésmutató megadására, amelyet felhasználva a műszer a kábelen mért távolságot adja meg egy esemény pozíciójaként. (Az ezzel kapcsolatos számításokat a 4.3. alfejezetben részletezem.) A másik probléma, hogy OTDR használata esetén is kétirányú mérést kell végezni, és ezúttal is messze lehet egymástól a rendszer két végpontja. A megoldás a szál visszahurkolása. A távolvégen a kábel két szála összeköthető, ezáltal az ábra szerinti módon a közelvégen egyaránt elvégezhető a downlink és az uplink irányú mérés. Ha mindössze annak ellenőrzésére van szükség, hogy az optikai szál nem szakadt-e, alternatív megoldásként alkalmazható az átvezetésmérés. Ehhez mindössze egy a 360 és 760 nm közötti, látható hullámhossztartományban üzemelő fényforrásra van szükség. Ezt a szál egyik végéhez kell csatlakoztatni. Ha a fény a másik végen megjelenik, akkor a szál épnek tekinthető. Ez az eljárás azonban nem ad mennyiségi információt a szálról, sőt a csatlakoztatási és illesztési hibákat sem fedi fel teljes biztonsággal, mivel a látható fény a hibás csatlakozókon és kábelillesztéseken is képes keresztülhaladni. Az egyes lehetséges mérési módszerek összehasonlításából kiderül, hogy a legtöbb információt egy összeköttetésről az OTDR adja, viszont ennek hátránya, hogy bizonyos mérések esetén a helyes eredmény eléréséhez korrekciós számításokra van szükség. Adó-vevő párral kizárólag a csillapítás értéke mérhető meg kétféleképpen, azonban valamennyi módszer közül ez adja a legpontosabb eredményt. Nem tekinthető igazán mérésnek az átvezetésmérés, ami mindössze arról tájékoztat, hogy a szál nem szakadt-e. Az OTDR a szakaszcsillapítás és reflexiós csillapítás meghatározása mellett képes az ezeket okozó objektumok mérőhelytől való távolságának maghatározására is. Működése során a Rayleigh-szórás jelenségét használja ki, amelynek lényege, hogy a hullámvezető egyenetlenségein minden irányba szóródik a fény, így a továbbított optikai teljesítmény egy része visszatér a mérőműszerhez. 3
Mivel a fény véges v sebességgel terjed az optikai szálban, ezért a távolság mérése visszavezethető időmérésre. Az OTDR ennek megfelelően egy optikai impulzussorozatot állít elő, amelyet továbbít a vizsgált hálózat bemenetére, majd a visszatérő jel tulajdonságait kiértékeli. Az adott eseményt előidéző objektum távolsága az alábbi képlettel áll elő: A kifejezésben s a kérdéses objektum távolsága, c a fény sebessége vákuumban, n pedig az optikai szál magjának törésmutatója. Az utóbbi két mennyiség hányadosa adja meg a fény terjedési sebességét az üvegszálban. A t egy impulzus adása és vétele között eltelt idő. Ezt azért kell 2-vel osztani, mert a reflektált impulzus kétszer teszi meg a kérdéses távolságot, egyszer oda, egyszer pedig vissza. Az impulzus késleltetése mellett annak energiáját is vizsgálja a műszer. Minél nagyobb a csillapítás, annál kisebb a visszatérő energia. Kiértékelhető eredmény elérése érdekében a visszatérő impulzusok teljesítménye meg kell, hogy haladja a zajszintet. Ebből következik, hogy konstans energiájú impulzusok használata esetén véges az OTDR-rel mérhető kábelszakasz hossza. A vizsgálható hossz megnövelhető a mérőimpulzusok energiájának növelésével. Mivel az impulzus energiáját burkolójának integrálja adja meg, nyilvánvaló, hogy az energia arányos lesz az impulzusszélességgel. Az impulzus szélessége azonban befolyásolja a mérés pontosságát, ugyanis τ impulzusszélesség esetén két esemény nem különböztethető meg egymástól, ha azok távolsága kisebb, mint z: Feltételezve, hogy n = 1.48, illetve c = 3 10 8, τ = 10 ns-os impulzusszélesség esetén a mérés elméleti pontossága körülbelül 2 m, míg τ = 1 μs-os érték esetén rosszabb, mint 200 m. Ezt a jelenséget nevezik esemény-holtzónának. A holtzóna másik változata a csillapítás-holtzóna. Ezt az okozza, hogy a reflektált jel hatására a detektordióda telítésbe megy, és időbe telik, míg visszaáll az eredeti állapotba. Ennek hatására a reflexiót előidéző objektum után egy bizonyos távolságon nem lehet mérni. A csillapítás-holtzóna hossza a reflexió kezdetétől addig a pontig tart, ahol a mért jel az elméleti jeltől 0.5 db távolságra van. Ugyancsak reflexió esetén az esemény-holtzóna a reflexió kezdete és azon pont közötti tartomány, ahol a jel 1.5 db-lel kisebb, mint a reflexió csúcsánál mért jelszint. 4
A fentiek alapján nyilvánvaló, hogy minél kisebb a mérőimpulzusok hossza, annál pontosabb a mérés. A cél tehát az adott hálózat esetén a lehető legkisebb impulzusszélesség használata. Ilyen esetben előfordulhat, hogy a hálózat utolsó szakaszának képét zaj teszi kiértékelhetetlenné, ennek hatása hosszú átlagolási idő alkalmazásával küszöbölhető ki. A mérések során alkalmazott OTDR az EXFO cég AXS-100 típusjelű, elosztó hálózatokhoz készült berendezése. Az eszköz ennek megfelelően legfeljebb 20 km-es szakaszok vizsgálatára alkalmas. Impulzushossza 10 ns és 2.5 μs között, míg átlagolási ideje 5 s és 180 s között változtatható, mérési hullámhossza lehet 1310 nm, 1550 nm, vagy 1625 nm. Az utóbbi egy különálló, szűrővel ellátott csatlakozón érhető el, ennek köszönhetően a műszer alkalmas működő hálózatok mérésére is. 1625 nm-es hullámhosszon ugyanis nincs adatátvitel, így a mérés nem zavarja a hálózat működését, ugyanakkor a szűrésnek köszönhetően a nagy energiájú adatjelek nem károsítják az OTDR detektorát. Az eszköz mindezeken felül rendelkezik olyan beállítási lehetőségekkel, amelyek megkönnyítik a mérési eredmény kiértékelését. Ezek az alábbiak: Beállítható a mérőkábel hossza. Ez hibahely keresésekor szükségtelenné teszi a patchkábel hosszának kivonását a kapott eredményből. Megadható az úgynevezett helix faktor, ami azt mutatja meg, hogy hány százalékkal hosszabb a szál a kábelnél. Ez ugyancsak hibahely keresésekor szerencsés, ugyanis nem kell a 3.1. alfejezetben leírt módon korrekciós számítást végezni a pontos eredmény eléréséhez. Előírható, hogy a műszer mekkora csillapításérték esetén tekintse az adott eseményt szálvégnek. Ez különösen nagy csillapítású osztók, illetve csillapítók mérése esetén kedvező. Beállítható, hogy minimálisan mekkora csillapítás, illetve reflexió fellépésekor regisztráljon eseményt az eszköz. Ennek köszönhetően a zaj hatására nem fognak hamis események megjelenni a kijelzőn. Az EXFO AXS-100 OTDR a mérési folyamatot további funkciókkal könnyíti meg, ezek közül a legfontosabbak a következők: Nincs szükség a csillapítás és a reflexió értékének kurzorokkal történő meghatározására, a műszer ugyanis ezeket a mennyiségeket automatikusan meghatározza, és egy táblázatban tárolja. Az eszköz rendelkezik egyetlen gombnyomással megjeleníthető súgóval, amelynek pillanatnyi tartalma mindig az éppen használt funkcióval kapcsolatos. Az eszközhöz infravörös porton keresztül nyomtató csatlakoztatható, ez lehetővé teszi a mért eredmények azonnali kinyomtatását. A mért eredmények.trc, vagy.sor formátumban menthetők az OTDR saját memóriájában, a memória tartalma pedig átvihető számítógépre USB csatlakozón keresztül. A mellékelt szoftvercsomag lehetőséget biztosít kétpontos, hárompontos és négypontos kurzoros mérésekre. Ennek használata akkor szükséges, ha például annyira 5
kis csillapítást kell mérni, hogy azt a műszer nem képes automatikusan felismerni. Lehetséges továbbá a szálvég pozíciójának megváltoztatása, események törlése, illetve egy szakasz két irányból meghatározott csillapítási görbéinek összehasonlítási célú egymásra helyezése. Egy kiépített, több kilométeres szakaszokból álló hálózat esetében nem elég azt tudni, hogy melyik szakasz hibás, azaz túl nagy csillapítású, hanem azt is ismerni kell, hogy a szakadás, vagy hibás kötés pontosan hol helyezkedik el. Ekkor ugyanis nem szükséges a teljes szakaszt cserélni, mindössze az adott hibahelyen kell a csatlakozót cserélni, vagy a szakadt szálat meghegeszteni. Ilyen mérést, amelynek eszköze az OTDR, a hálózat kiépítésekor is végezni kell annak ellenőrzése érdekében, hogy valamennyi felhasznált szál ép-e, illetve az összes kötés minősége megfelel-e arra a célra, amelyre a hálózatot majd használni fogják. Ezúttal is két irányban kell a méréseket elvégezni 1310 és 1550 nm-en, ugyancsak az uplink és downlink irányban eltérő hatású kötési hibák felderítése érdekében. A mérési összeállítás a valós hálózatoknak megfelelően több különböző hosszúságú szakaszból áll, teljes hossza pedig körülbelül 9 km. Mérési feladatok: 1. Határozza meg, mekkora a hálózat egyes szakaszainak hossza és csillapítása! 2. Határozza meg az összeállított hálózat teljes csillapítását, és adja meg a hibás kötések helyét! (Hibásnak tekinthető az a fix kötés, amelynek csillapítása nagyobb, mint 0.1 db, és az az oldható kötés, amelynek csillapítása nagyobb, mint 1 db.) 3. Megegyezik-e az összeállított hálózat csillapítása az egyes szakaszok csillapításainak összegével? Ha nem, miért? 4. Csatlakoztasson az utolsó szakaszhoz egy FC/PC csatlakozóban végződő patchkábelt, és ismételje meg az összeállított hálózat mérését! Van-e különbség az EURO2000 és az FC/PC csatlakozóban végződő hálózat tulajdonságai között? Ha igen, mi ennek az oka? A mérési eredmények alapján milyen csatlakozókat használna egy kábeltelevíziós hálózat kiépítéséhez? 5. Milyen szempontok szerint választotta ki az impulzusszélesség értékét? A választott értékkel mekkora lesz a mérés pontossága? Készítsen mérési jegyzőkönyvet és értékelje a mérést. A mérés menete: 1. A hamis mérési eredmények elkerülése érdekében alakítson ki módusirtót az OTDRhez kapcsolandó patchkábelben! A módusirtó legyen egy a mellékelt kartonhengerre feltekert négymenetes tekercs! 2. Ellenőrizze az OTDR-hez kapcsolt mikrokamera segítségével a patchkábel végének tisztaságát, szükség esetén tisztítsa meg a szálvéget! (A mikrokamera bekapcsolása az OTDR Probe menüpontjának kiválasztásával történik.) A megtisztított szálvéget kapcsolja az OTDR OTDR SM feliratú csatlakozójához! 3. Állítsa be az OTDR-en a mérendő szakasz hosszát, az átlagolási időt és az impulzusszélességet a megfelelő értékre! (Ezeket a mérések során mindig igazítsa az éppen mért hálózat jellemzőihez!) Ellenőrizze a dátum és a pontos idő értékét, szükség esetén állítsa be a helyes értéket! A helix faktor értékét állítsa 0 %-ra! 6
A mérési hullámhosszakat úgy állítsa be, hogy a hálózat vizsgálata 1310 és 1550 nm is megtörténjen! 4. Mérje meg a patchkábel hosszát! Jegyezze fel a mért értéket, mert a hálózat elejének és egy adott eseménynek a távolságát úgy kaphatja meg, ha a mért értékből kivonja a patchkábel hosszát. (A mérés indítása a FasTrace gomb segítségével történik.) 5. Mérje meg a megadott hálózat egyes szakaszainak jellemzőit mindkét irányból! Mentse el a mérési eredményeket! 6. Állítsa össze a megadott hálózatot, és mérje meg jellemzőit mindkét irányból! Mentse el a mérési eredményeket! 7. Csatlakoztasson az utolsó kábelszakasz végére FC/PC csatlakozóban végződő patchkábelt, és ismételje meg a fenti mérést! Mentse el az eredményeket! 8. Csatlakoztassa az OTDR-t a számítógéphez egy USB kábel segítségével! A sajátgépben megjelenő Mobil device nevű eszköz Data\MyDocuments\OTDR mappájából másolja át a fájlokat a számítógép C:\Temp mappájába! 9. Nyissa meg a fájlokat az OTDR Viewer nevű program segítségével! A mérési feladatokban szereplő kérdésekre a fájlokban megtekinthető görbék alapján válaszoljon! EXFO AXS-100 optikai visszaszórásmérő Az eszköz be- és kikapcsolása: 1., Hálózati kapcsoló 2., Háttérvilágítás 3., Mérés indító kapcsoló 4., Navigátor 5., Visszalépés a menüben 6., Balra léptetés a menüben 7., Funkció gomb 1 8., 1625 nm-es szűrt kimenet 9., 1310 és 1550 nm-es kimenet 10., Funkció gomb 2 11., Jobbra léptetés a menüben 12., Menü 13., Súgó menü 14., Videó mikroszkóp Az OTDR bekapcsolása a gomb segítségével történik. A kikapcsolás kétféle módon valósítható meg. Amennyiben a műszert csak rövid időre kell kikapcsolni, akkor a bekapcsoló gombot addig kell nyomva tartani, míg egy csipogó hang meg nem szólal. Ebben az esetben ugyanis minden beállítás rögzítődik, és bekapcsoláskor ugyanolyan állapotba kerül a műszer, mint kikapcsolás előtt volt. A másik lehetőséget akkor érdemes használni, ha az eszközt hosszabb időre kell kikapcsolni. Ekkor a csipogó hang megszólalása után még néhány másodpercig lenyomva kell tartani a bekapcsoló gombot, egészen addig, míg a hang ismét 7
meg nem szólal. Ebben az esetben teljes áramtalanítás történik, és a legközelebbi bekapcsoláskor a műszer a főmenü OTDR pontjával jelentkezik be. A menürendszer kezelése: A főmenü hívása a billentyű megnyomásával történik. Az ekkor megjelenő listából a és a kurzorgombok segítségével választható ki egy menüpont. Az egyes menüpontokba az gomb segítségével lehet belépni. Bizonyos menüpontoknál (pl. File Manager, vagy Setup) egy almenü jelenik meg, amelynek kezelése a főmenüével azonos. Egy adott menüpontba belépve egy új képernyő jelenik meg a kijelzőn. A képernyő alján található funkcióbillentyűk segítségével elérhetők a műveletek. A funkcióbillentyű azt a műveletet végzi el, amelynek neve felette látható a kijelzőn. Ha kettőnél több művelet érhető el a funkcióbillentyűkkel egy adott menüpontban, akkor az F1 és F2 billentyűk mellett jobbról és balról elhelyezkedő gombokkal a műveletek listája léptethető. Egy-egy ablakon belül a nem funkcióbillentyűvel állítható értékek beállításához az adott mennyiséget a kurzorgombok segítségével lehet kiválasztani. Az érték megváltoztatásához az Enter billentyű megnyomására van szükség. Ekkor vagy egy legördülő menüben jelennek meg a beállítható értékek, vagy egy billentyűzet jelenik meg a kijelzőn. Az érték, illetve a lenyomandó billentyű kiválasztásához a kurzorgombokat kell használni, míg az érték, vagy a billentyű aktiválásához az Enter gombot kell megnyomni. A dátum és a pontos idő beállítása: A Setup/Unit menüpont hívásával megjelenő ablakban a Regional Settings gombot kell megnyomni. Itt a Date sorban a dátum, a Time sorban a pontos idő, míg a Time zone sorban az időzóna állítható be. Ugyanebben az ablakban adható meg a kijelzett távolság mértékegysége a Distance unit sorban. A száljellemzők megadása: A mérés eredménye csak akkor lesz helyes, ha az OTDR ismeri a szál és a kábel jellemzőit. A törésmutató a Setup/OTDR menüpont hívásával megjelenő ablakban, az Acquisition gomb megnyomása után az IOR sorban adható meg, míg a helix faktor a Helix factor sorban vihető be. A műszer érzékenységének beállítása: Beállítható, hogy mekkora legyen az a minimális csillapítás, illetve reflexió, amelyet az eszköz már nem zaj miatti jelszint-változásnak, hanem eseménynek tekint. Ezek a küszöbértékek a Setup/OTDR menüpont hívása és az Analysis gomb megnyomása után adhatók meg. A kötési csillapítás küszöbértéke a Splice loss, a reflexiós csillapításé pedig a Reflectance sorban adható meg. Hasonló küszöbérték a szálvég-küszöb. Ez azt mutatja meg, hogy mekkora érték feletti csillapításnál jelez szálvég-eseményt a műszer. Ennek beállítása az End-of-fiber sorban történik. 8
Ugyanebben az ablakban adható meg a patchkábel hossza a Launch fiber length sorban. A mérés körülményeinek beállítása: Az OTDR menüben a Parameters gomb megnyomása után adható meg a mérendő hálózat hossza, a mérési hullámhossz, az impulzusszélesség és az átlagolási idő. A hálózat hossza a Range, az impulzusszélesség a Pulse, az átlagolási idő pedig a Duration sorban határozható meg. Ugyanitt adható meg a műszer üzemmódja. Auto üzemmódban a hossz és az impulzusszélesség beállítása automatikusan történik meg, míg Manual üzemmódban ezeket kézzel kell beállítani. Real time üzemmódban nincs átlagolás, a görbe mindig a pillanatnyilag mért értéket mutatja. A mérési hullámhosszak megadása jelölőnégyzetekkel történik a Wavelength sorban. Ugyanitt adható meg, hogy üzemelő, vagy üzemen kívüli hálózat mérésére van szükség. Üzemen kívüli hálózatoknál az SM, üzemben lévő hálózatoknál az SM Live üzemmódot kell választani. (A mérendő szálat ahhoz a csatlakozóhoz kell kapcsolni, amelyik felett az éppen használt üzemmód neve olvasható.) A mérés megkezdése és az eredmények kiértékelése: A mérés megkezdése a gomb megnyomásával történik. Az átlagolási idő letelte után a kijelzőn a mért görbe jelenik meg. A görbén az A és a B jelű marker a kurzorgombok segítségével mozgatható, a markerek között a Next marker gombbal lehet váltani. A Manual zoom gomb lenyomása után a görbe tetszőleges részlete kinagyítható az Enter segítségével. A Zoom funkcióból az gomb megnyomásával lehet kilépni. A görbe alatt megjelenik az eseménytábla egy sora. A billentyű lenyomásakor a soron következő esemény képe jelenik meg a kijelzőn kinagyítva, míg az eseménytábla az ez által az esemény által okozott kötési és reflexiós csillapítás értékét, valamint az esemény mérőhelytől számított távolságát mutatja. Az eseménytábla nemcsak soronként, hanem egészben is megtekinthető. Ennek eléréséhez az Esc gombbal ki kell lépni a görbét ábrázoló Trace menüből, majd meg kell nyomni az Events gombot. A mérési eredmények tárolása és számítógépre mentése: A mérés elvégzése után a görbe mentéséhez ki kell lépni a Trace menüből, és le kell nyomni a Save gombot. Az ekkor megjelenő képernyőn módosítható az alapértelmezett fájlnév és elérési út. Ezek esetleges módosítása után a mentés a Save gomb ismételt lenyomásával megtörténik. Az elmentett fájlok az OTDR-en is megtekinthetők, ehhez az OTDR menüben az Open gombot kell megnyomni, majd a kívánt fájlt kijelölni, és az Enter lenyomásával megnyitni. A mérési eredmények számítógépre mentésekor az eszközt és a PC-t egy USB kábellel kell összekötni. Az előzőleg telepített ActiveSync program ekkor működésbe lép, és a Sajátgépben megjelenik egy Mobile Device nevű meghajtó. A fájlok másolása, vagy áthelyezése a PC-re a számítógép operációs rendszere által megkövetelt módon történik. A mérési eredmények az program segítségével értékelhetők ki. Ennek megjelenése az OTDR kijelzőjéhez hasonlít, de nagyobb felbontású. A görbén utólagosan is végezhetők mérések, ehhez a Measure gombra kell kattintani. A mérés kurzorok 9
segítségével végezhető el. Kötési csillapítás méréséhez a Loss, szakaszcsillapítás méréséhez az Att., reflexiós csillapítás méréséhez pedig a Refl. gombra kell kattintani. 10