Дипломная (вкр): Розробка волоконно-оптичної лінії передавання Вінниця-Луганськ

Рис. 3.4. Залежність динамічного діапазону рефлектометра  від часу усереднювання t і тривалість імпульсів ????

Величина динамічного діапазону рефлектометра, виміряна при τ = 10 мкс і t = 3 мин., використовується при порівнянні різних типів OTDR. Виміри ж часто проводяться при меншому значенні тривалості імпульсів і меншому часі усереднювання. Так, наприклад, при вхідному і передмонтажному контролі оптичних кабелів виміру проводяться зазвичай при τ = 100 нс і t = 15 сек. При цьому використовується оптичний модуль з динамічним діапазоном 30…35 дБ.

Мал. 3.5. Рефлектометр підключається лише до одного з кінців лінії

.4 Принцип дії рефлектометра (OTDR)

Принцип дії OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) багато в чому такий же, як і в імпульсних рефлектометрів, вживаних для тестування електричних кабелів. Обидва типи рефлектометрів посилають в лінію потужний зондуючий імпульс (оптичний або електричний) і вимірюють потужність і час запізнювання імпульсів, що повернулися назад в рефлектометр. Відмінність полягає в тому, що в електричній лінії спостерігаються лише відбиті імпульси. Вони утворюються в місцях, де в лінії є скачки хвилевого опору. У оптичних же волокнах зворотна хвиля утворюється не лише за рахунок віддзеркалення від великих (в порівнянні з довжиною хвилі) дефектів, але і за рахунок релеєвського розсіяння. Розсіяння світла відбувається на флуктуаціях показника заломлення кварцевого скла, застиглих при витягу волокна. Розмір цих неоднорідностей (релеєвських центрів) малий в порівнянні з довжиною хвилі і світло на них розсівається на всі боки, у тому числі і назад в моду волокна (мал. 3.6).

Мал. 3.6. У OTDR приходять імпульси світла розсіяні назад в моду волокна

Релеєвські центри розподілені однорідно уздовж волокна, і в розсіяній на них хвилі міститься інформація про всі параметри лінії, що впливають на поглинання світла. Саме за рахунок детектування розсіяного випромінювання удається виявляти невідзеркалення (що поглинають) неоднорідності у волокні.

Наприклад, по сигналу зворотного релеєвського розсіяння світла можна виміряти розподіл втрат в будівельних довжинах оптичних кабелів і втрати в зростках волокон. Такі виміри не можна виконати, реєструючи лише відбите (а не розсіяне) випромінювання.

Доля потужності світла, що розсіюється назад в моду волокна украй мала. Наприклад, при ширині імпульсу 1м (тривалість імпульсу 10 нс) коефіцієнт зворотного релеєвського розсіяння складає величину біля -70 дБ. Тому, в OTDR у волокно посилаються імпульси великої потужності і великої тривалості, а для детектування розсіяних назад імпульсів світла застосовуються високочутливі фотоприймачі.

.5 Розробка рефлектометра

У більшості моделей OTDR використовується модульна конструкція (рис. 3.7). Вона містить базовий модуль і декілька змінних оптичних модулів. Базовим модулем є персональний комп'ютер, пристосований для обробки сигналу і виведення його на дисплей. Оптичний модуль включає лазерний діод, фотоприймач, оптичний відгалужувач і оптичний роз'єм.

Модульна конструкція OTDR дозволяє споживачеві не лише вибрати необхідну йому на даний момент конфігурацію приладу, але і надалі модернізувати прилад, наприклад, встановивши, багатомодовий модуль або одномодовий модуль з великим динамічним діапазоном.

Рис. 3.7. Блок схема OTDR

Як джерело випромінювання в оптичному модулі зазвичай використовується лазерні діоди типу Фабрі-Перо, найбільша ж потужність випромінювання (і, відповідно, динамічний діапазон рефлектометра) досягається за допомогою лазерних діодів з квантовими ямами. З їх допомогою генеруються імпульси потужністю 10...1000 мВт, тривалістю від 2 нс.20 мкс і частотою повторення декілька кілогерц. Ці імпульси поступають через відгалужувач на оптичний роз'єм, до якого підключається досліджуване волокно. Розсіяні у волокні імпульси світла повертаються в оптичний модуль і передаються за допомогою відгалужувача на фотоприймач (лавинний фотодіод), де вони перетворяться в електричний сигнал. Цей сигнал посилюється, накопичується, обробляється в базовому модулі і відображується на дисплеї в графічній формі у вигляді рефлектограми. Таке представлення інформації дозволяє аналізувати її як візуально, так і автоматично за допомогою вбудованих програмних алгоритмів.

Потужність розсіяних назад імпульсів на 80.50 дБ (залежно від їх тривалості) менше потужності імпульсів, що вводяться у волокно. Тому для поліпшення відношення сигнал/шум використовується багатократне усереднювання результатів вимірів. Причому для їх ефективного усереднювання вистачає декількох секунд, оскільки час, що витрачається на проходженні лінії мало (100 км. світло проходить за 1 мсек). Типова рефлектограма містить близько 32 000 вимірюваних крапок і при обчисленні кожній такої крапки усереднюється декілька тисяч імпульсів. Весь цей масив даних рефлектометр обробляє за частку секунди. Перша виміряна рефлектограма відразу виводиться на дисплей. Далі на дисплей виводяться усереднені рефлектограми. При кожному подвоєнні часу вимірів шуми в усередненій рефлектограмі зменшуються приблизно на 0.75 дБ.

Обробка великого масиву даних і створення дружнього користувачеві інтерфейсу здійснюється за допомогою двох мікропроцесорів. Перший, швидкодіючий процесор RISC, дає можливість усереднювати до 50 мільйонів крапок в секунду. Другий процесор Intel забезпечує роботу інтерфейсної частини програми, автопошук дефектів в лінії, виведення даних на дисплей. Він забезпечує також сумісність з ПК, що дозволяє застосовувати не лише звичайне програмне забезпечення, але і стандартне комп'ютерне устаткування, таке як клавіатура, миша, принтер, факс/модем і жорсткий диск (у стандарті PCMCIA). Такий рефлектометр може використовуватися і як вимірювальний прилад, і як персональний комп'ютер, що представляє широкі можливості для обробки інформації. Наприклад, для того, щоб відновити в збільшеному вигляді будь-яку з частин рефлектограми, створити повний список неоднорідностей в лінії і погонного загасання на ділянках між неоднорідностями, оформити звіт і так далі.

3.5.1 Принципова схема рефлектометра

Рис.3.8. Розширена принципова схема рефлектометра

Рефлектометр складається з наступних основних вузлів:

• формувача оптичних вимірювальних сигналів, що складається з схеми формування імпульсів і передавального оптичного модуля;

• реєструючого пристрою, що включає фотоприймач, компаратор, підсилювач з регульованим коефіцієнтом посилення, розширювач імпульсів і аналого-цифровий перетворювач (АЦП);

• пристрої управління і обробки вимірюваної інформації, що містить два мікроконтролери, електронні ключі, лінію затримки, програмованого лічильник-дільника частоти.

Провідний мікроконтролер вузла управління побудований на базі сімейства MCS-51.

Основними характеристиками архітектури MCS-51 є:

• 24-розрядний лінійний адресний простір, що забезпечує адресацію до 16 Мбайт пам'яті;

• регістрова архітектура, що допускає звернення до регістрів як до байтів, слів і подвійних слів;

• сторінковий режим адресації для прискорення вибірки команд із зовнішньої програмної пам'яті;

• черга інструкцій;

• розширений набір команд, що включає 16-бітові арифметичні і логічні операції;

• розширений адресний простір стека (до 64 Кбайт);

• виконання найшвидшої команди за 2 такти.

Не дивлячись на відмічені переваги, максимальна тактова частота цього класу мікроконтролерів складає всього 40 Мгц. Цієї швидкодії недостатньо для здобуття високих метрологічних характеристик при вимірі відстаней до місця розташування неоднорідностей.

Для вирішення проблеми швидкодії для управління рефлектометром використаний другий мікроконтролер SХ18 фірми Scenix .

Провідний мікроконтролер з розширеним набором інструкцій MCS-51 визначає режими роботи рефлектометра, програмує вузли рефлектометра, обробляє результати вимірів, здійснює взаємодію з периферійними пристроями. Швидкодіючий ведений мікроконтролер SX формує зондуючий імпульс, виробляє оперативний аналіз імпульсів, що приймаються, виробляє рішення про їх подальший маршрут дотримання, веде підрахунок кількості імпульсів. Залежно від вигляду виконання як периферійні пристрої можуть бути використані:

• клавіатура для введення команд оператора, електронно перепрограмовує мікросхеми пам'яті, знакосинтезуючий індикатор;

• інтерфейсні мікросхеми для зв'язку із зовнішніми портами персонального комп'ютера (в цьому випадку для управління рефлектометром використовується клавіатура комп'ютера, результати вимірів зберігаються в пам'яті комп'ютера).

Виміри починаються по команді провідного мікроконтролера MCS-51. По його команді другий мікроконтролер SX формує сигнал, що запускає формувач імпульсів. Формувач імпульсів виробляє одиночний імпульс, що направляється на вхід передавального оптичного модуля. Модуль виробляє одиночний оптичний імпульс, що зондує волоконно-оптичний тракт. За наявності локальних неоднорідностей у волоконно-оптичному тракті відбиті від цих неоднорідностей оптичні імпульси через вихідний з'єднувач і направлений розгалуджувач прямують на оптичний вхід приймального оптичного модуля. До виходу фотоприймача підключений компаратор. Компаратор нормує імпульси по амплітуді. Лічильник-дільник частоти виробляє вибірку одного з відбитих імпульсів і направляє його на вхід лінії затримки. Імпульс затримується на 500 нс. Якщо затримки в 500 нс недостатньо, то виділений імпульс за допомогою електронних ключів повторно прямує на вхід лінії затримки.

.5.2 Робота вузлів рефлектометра

Реальне значення затримки у вузлах пристрою складає величину близько 1 мкс. При нульовій довжині волоконно-оптичного тракту частота автоколивань складе f = 1 Мгц. Збільшення довжини тракту приводить до зменшення частоти.

Таким чином, в приладі можуть бути використані приймально-передавальні модулі загального вживання з середніми характеристиками, наприклад, передавальні модулі типа PM-34 (на частоту 34 МГб/с) і аналогові приймальні модулі PD-1375-ir ФТІ "Оптронік".

Як було відмічено вище, на кожен зондуючий оптичний імпульс волоконно-оптичний тракт відгукується цугом імпульсів від неоднорідностей тракту. Імпульси за допомогою розгалуджувача прямують на оптичний вхід приймального модуля. Вихід приймального модуля сполучений з входом компаратора і входом аналогового підсилювача з регульованим коефіцієнтом посилення.

Компаратор необхідний для фільтрації незначних неоднорідностей, а також для нормування по амплітуді цифрових сигналів, що направляються на вхід лічильника-дільника частоти.

Підсилювач працює в лінійному режимі і необхідний для посилення амплітуди імпульсів до рівня, достатнього для його перетворення в цифровий вигляд аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Для можливості використання середнього по швидкодії АЦП в схемі рефлектометра застосований розширювач імпульсів.

Як розширювач імпульсів в схемі рефлектометра використаний повторювач джерела VT, на вході якого встановлений конденсатор C з малим струмом витоку, див. рис 3.9. Конденсатор заряджає вхідним імпульсом напруги через діод VD і повільно розряджається через затвор польового транзистора VT і зворотні опори діода VD і ключа DD, який необхідний для розряду конденсатора, після проведення вимірів.

На вхід розширювача імпульсів сигнали поступають через ключ, що виділяє з набору відбитих імпульсів необхідний імпульс від заданої неоднорідності. Ключ управляється лічильником-дільником частоти.

Лічильник є послідовно включеними мікросхемами двійкових лічильників. Одна мікросхема дозволяє виділити до 16 неоднорідностей. На малюнку 3.10 приведена схема лічильника-дільника частоти для виділення 256 неоднорідностей. У мікросхеми двійкових лічильників DD1 і DD4 заздалегідь заноситься двійкове число, що визначає момент переповнювання рахунку. Число виставляється провідним мікроконтролером. Управляє записом числа в регістри мікросхем DD1 і DD4 ведений мікроконтролер.

Імпульс переповнювання формується у момент вступу імпульсу, що виділяється. За один такт до переповнювання мікросхем лічильника за допомогою логічних мікросхем DD2 і DD3 виділяється імпульс, що відкриває ключ, проникний сигнал з виходу підсилювача на вхід розширювача імпульсів. Імпульс, виділений лічильником-дільником, поступає одночасно на вхід лінії затримки і на один з вхідних портів веденого мікроконтролера SX. При цьому запускається підпрограма обробки зовнішнього переривання, яка за час затримки імпульсу в лінії повинна визначити подальшу його дорогу, або на вхід формувача імпульсів, або на повтор затримки в лінії, якщо число повторів затримки менше заданого значення. Значення повторів фіксованої затримки задається провідним мікроконтролером MCS51.

Рис.3.9. Схема повторювача джерела

Рис.3.10. Схема лічильника-ділителя частоти

Як фіксована лінія затримки в рефлектометрі застосована цифрова інтегральна мікросхема сімейства Silicon Timed Circuit фірми Dallas Semiconductor типа Ds1000-500 на 500 нс.

Після заданого числа повторів імпульс прямує на вхід формувача імпульсів, формується новий вимірювальний сигнал. Процес повторюється. Ведений мікроконтролер веде підрахунок кількості імпульсів. Провідний мікроконтролер задає час спостереження.

Отже, процес виміру включає наступні стадії:

• ініціалізація (завдання параметрів і режимів вимірів);

• проведення вимірів;

• обробка результатів, виведення інформації на дисплей.

На стадії ініціалізації провідний мікроконтроллер після підготовки робочих і спеціальних регістрів, налаштування портів на введення або вивід здійснює діалог з оператором. Оператор задає наступні параметри вимірів:

• один з наступних режимів роботи: вимір відстані до місця розташування неоднорідностей і втрат на віддзеркалення (у цьому режимі мають бути доступні обидва полюси волоконно-оптичного тракту); вимір відстані до місця розташування неоднорідностей і величини відбитої оптичної потужності (у цьому режимі досить мати доступ до одного полюса волоконно-оптичного тракту);

• коефіцієнт заломлення серцевини оптичного волокна (за умовчанням встановлюється коефіцієнт заломлення плавленого кварцу 1,44778);

• максимальне значення довжини волоконного тракту, якщо довжина тракту невідома, то встановлюється довжина за умовчанням (20 км.);

• діапазон локальних неоднорідностей, характеристики яких необхідно виміряти (за умовчанням встановлюється максимально можлива кількість неоднорідностей);

• кількість усереднювань (за умовчанням встановлюється кількість усереднювань, відповідна часу вимірів, що не перевищує трьох хвилин). Після введення параметрів і підключення контрольованого волоконно-оптичного тракту оператор вводить команду "ПРОВЕСТИ ВИМІР".

Після того, як провідний мікроконтролер запам'ятовує параметри вимірів і приймає команду "ПРОВЕСТИ ВИМІР", він налаштовує вбудований таймер на певний час, залежний від заданої кількості усереднювань.

На стадіях проведення вимірів і обробки результатів вимірів провідний мікроконтролер:

• встановлює на шині даних лічильника - дільника частоти код першої неоднорідності із заданого списку вимірюваних неоднорідностей;

• виробляє розрахунок повторів фіксованої затримки і виробляє передачу команд і даних у ведений мікроконтролер;

• переходить до чекання сигналу "ГОТОВИЙ" від веденого мікроконтролера;

• при здобутті сигналу "ГОТОВИЙ" від веденого мікроконтролера запускає вбудований таймер;

• виконує підпрограму читання АЦП;

• аналізує наявність команди "СТОП" від оператора, якщо команда поступила, повертається в режим діалогу для коректування параметрів виміру;