Вимірювання в волоконно оптичних системах зв’язку

1.

Київський національний
університет імені
Тараса Шевченка
Факультет військової підготовки
Кафедра військово-технічної підготовки
Дисципліна: ВІЙСЬКОВА ПІДГОТОВКА
Предмет: ОСНОВИ БУДОВИ ВІЙСЬКОВИХ ЗАСОБІВ
ВИМІРЮВАНЬ
Тема 10: ВИМІРЮВАЧІ ПАРАМЕТРІВ СПЕКТРУ
СИГНАЛІВ
Заняття 3: ВИМІРЮВАННЯ В ВОЛОКОННО ОПТИЧНИХ СИСТЕМАХ ЗВ’ЯЗКУ
1

2.

НАВЧАЛЬНА МЕТА:
1. Вивчити характеристики багатоканальних систем зв’язку.
2. Вивчити методи вимірювання затухання оптичних кабелів.
3. Вивчити методи вимірювання відстані до місця ушкодження
кабелю.
1. Характеристики систем передачі
повідомлень.
2. Вимірювання затухання оптичних
кабелів.
3. Вимірювання відстані до місця
ушкодження кабелю.
4. Вимірювання дисперсії сигналу.
5. Вимірювання розширення сигналу.
2

3.

Питання 1
ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ
ПЕРЕДАЧІ ПОВІДОМЛЕНЬ
3

4.

Висока якість передачі та відтворення
повідомлень можна забезпечити при умові, що
тракт передачі в цілому та його складові
задовольняють встановленим вимогам.
Ці вимоги нормуються, тобто
визначається номенклатура параметрів та
характеристика, їх значення і характер
поводження також допуски.
Таким чином, забезпечення “ потрібної
якості” приводить до підтримання ряду
об’єктивної кількісної оцінки електричних
параметрів в заданих межах.
4

5.

Метою вимірювань є визначення значень
електричних параметрів і характеристик та їх
порівняння з допуском.
Згідно з основними вимогами Єдиної
автоматизованої сітки зв’язку (ЄАСЗ) канали та
тракти є універсальними, тобто в системі може
передаватись інформація довільного виду
( мова, телебачення, передача даних) за
допомогою різних сигналів.
Кожний вид сигналів визначається
(описується) своїми специфічними
характеристиками, а система передачі повинна
забезпечувати високу якість передачі незалежно
від виду сигналу.
5

6.

Параметри
системи
передачі,
які
нормуються, повинні бути незалежними від
виду
сигналів,
які
передаються,
і
характеризувати здатність системи до передачі
довільного
виду
інформації.
чотирьохполюсника.
Для їх введення потрібно прийняти
відповідну модель системи. Тракти і каналі
передачі корисних сигналів, а також шляхи
розповсюдження перешкод практично завжди
можна уявити у вигляді чотирьохполюсника, а
тому основні характеристики каналів та трактів
вибираються
аналогічно
характеристикам
чотирьохполюсника.
6

7.

Багатоканальні системи, які використовуються
зараз для організації зв’язку на велику відстань
діють за принципом частотного розділення каналів,
при якому сигналу кожного каналу виділяється
визначена частина смуги частот, яка передається по
лінії.
Системи з різною шириною смуги частот, яка
використовується, порівнюються по числу каналів
тональної частоти (ТЧ) шириною 3,1 кГц (загальна
ширина смуги з проміжком між сусідніми каналами
ТЧ складає 4 кГц), тобто канал ТЧ є одиницею оцінки
пропускної здатності системи.
Для каналу ТЧ ЕАСЗ нормується 19
параметрів, особливо:
7

8.

смуга частот, які ефективно передаються;
номінальні відносні рівні; вхідний опір;
структура номінального ланцюгу;
залишкове затухання каналу (ЗЗ);
відхилення його середнього значення від
номінального;
середнє квадратичне відхилення в часі від
середнього значення 800 Гц;
спотворення частоти;
стрибкоподібне змінювання фази в часі;
частотна характеристика ( амплітудночастотна характеристика – АЧХ);
абсолютний груповий час запізнення;
частотна
характеристика
відхилення
групового часу запізнення (ЧХ ГЧЗ);
амплітудна характеристика;
нелінійні спотворення.

9.

Навіть цей неповний перелік дає уявлення про
багатогранність
нормованих
параметрів тільки
каналів ТЧ, які вимірюються різними способами.
Значення напруг сигналів та перешкод, які
діють в різних точках трактів передачі, коливаються
від часток піковольт до десятків вольт, потужність –
від декількох піковат до одиниць ват.
Для спрощення вимірювань та порівняння
значень такого діапазону користуються логарифмом
відношень цих величин
(відносні рівні) або
логарифмом відношення їх до умовних величин, які
прийняті за нульову відмітку логарифмічної шкали
( абсолютні значення), які виражаються в децибелах.
Так як моделлю каналу зв’язку вважається
чотирьохполюсник, то його характеристики а, значить
характеристики каналів і трактів, зручно також
виражати логарифмічними характеристиками.

10.

Затухання є енергетичною мірою передачі
гармонічного сигналу через чотирьохполюсник і в
загальному вигляді ( в децибелах) визначається
виразом:
А = 10 lg (P1 / P2)
(1)
де Р1 та Р2 – повні потужності опорного або вхідного
сигналу і сигналу на навантаженні чотирьохполюсника,
який вимірюється.
В
техніці
зв’язку
розрізнюють
три
види
затухання: власне, робоче і внесене.
Розглянемо перший вид у якості прикладу.
Власне затухання визначається виразом (1), якщо Р1 і Р2
– повні потужності, які присутні на вході і виході
чотирьохполюсника, який навантажений на узгоджений
опір, тобто Zн = Z2
10

11.

Пояснення порівнюваних потужностей дає рис.1,
Рис 1.
Рис 1.
11

12.

де Zг – опір генератора або вихідний опір попереднього
каскаду;
Z1 – вхідний опір чотирьохполюсника;
Z2 – вихідний опір чотирьохполюсника;
Zн – опір навантаження чотирьохполюсника;
U1, I1, i U2, I2 – напруга та струми на вході та виході
чотирьохполюсника;
ДЧ
–
досліджуваний
чотирьохполюсник.
Для власного затухання:
Ас = 10 lg P1 / P2= 20 lg U1 / U2 – 10 lg Z1 / Zн
(2)
Власне
затухання
є
параметром
чотирьохполюсника, який не залежить від умов
увімкнення – це дозволяє виражати його не через існуючі
в колі потужності, через значення вхідних опорів. Але
забезпечити режим роботи з повним узгодженням у
всьому діапазоні частот в робочих умовах не вдається,
тому власне затухання не характеризує роботу
12
чотирьохполюсника в дійсних умовах.

13. Питання 2

ВИМІРЮВАННЯ ЗАТУХАННЯ
ОПТИЧНИХ КАБЕЛІВ
13

14.

За останній час накоплений значний досвід
розробки та експлуатації оптичних кабельних систем
зв’язку.
Основу волоконно-оптичної лінії зв’язку складає
оптичний кабель, який складається з декількох
волоконних світлодіодів, які розміщені в загальну
захисну оболонку.
Основними параметрами оптичного кабелю, які
визначають оптичні та інформаційні характеристики
ліній зв’язку, є:
- затухання за рахунок втрат в кабелі;
- ширина смуги пропускання частотного спектру
корисного сигналу (для цифрових систем передачі
інформації);
- розширення імпульсу (для цифрових систем
передачі);
перехідне затухання між оптичними волокнами в
14
кабелі.

15.

Крім перерахованих параметрів, цікавість мають
такі показники, як рівень сигналу, відношення сигналшум, рівень імпульсних перешкод та ін.
Втрати
потужності
сигналу
під
час
розповсюдження по оптичному кабелю залежать від
властивостей матеріалу, геометрії волокна, від захисної
оболонки.
Коефіцієнт затухання характеризує якість
передачі інформації по оптичному кабелю. В зв’язку з
цим
мають
місце
методи
його
вимірювання.
Найбільшого розповсюдження одержали методи,
які базуються на вимірюванні рівня сигналу, і методи
зворотного розсіювання.
За останній час накоплений значний досвід
розробки та експлуатації оптичних кабельних систем
зв’язку. Є значний досвід промислового виготовлення
оптичних кабелів та елементів ліній ( пристрої вводу,
15
роз’єми, джерела світла, фотоприймачі і т.д.).

16. Основу волоконно-оптичної лінії зв’язку складає оптичний кабель, який складається з декількох волоконних світлодіодів, які розміщені в з

Основу волоконно-оптичної лінії зв’язку складає
оптичний кабель, який складається з декількох
волоконних світлодіодів, які розміщені в загальну
захисну оболонку.
Основними параметрами оптичного кабелю, які
визначають оптичні та інформаційні характеристики
ліній зв’язку, є:
- затухання за рахунок втрат в кабелі;
- ширина смуги пропускання частотного спектру
корисного сигналу (для цифрових систем передачі
інформації);
- розширення імпульсу (для цифрових систем
передачі);
- перехідне затухання між оптичними волокнами в
кабелі.
16

17.

Рис. 2.
17

18.

Світловий потік, який пройшов через
монохроматор, через оптичну систему 2 надходить на
напівпрозоре дзеркало 3.
Напівпрозоре дзеркало розщеплює потік на дві
складові. Одна частина надходить через оптичну
систему на фотодетектор 1, а друга через кювету з
імерсійною рідиною 4 – на полірувальний торець
світло діоду 5.
Імерсійна рідина, в яку занурений кінець
світлодіоду, має коефіцієнт переломлення, який
дорівнює коефіцієнту переломлення відбиваючої
оболонки.
18

19.

На практиці, під час монтажу та експлуатації
оптичних кабелів немає потреби в вимірюванні
затухання в діапазоні довжин хвиль. Тому можна
суттєво спростити оптичну частину приладу.
Застосування імпульсного джерела світла
замість неперервного дозволяє перейти від
вимірювання абсолютного значення потужності до
вимірювання амплітуди. При цьому виключається
вплив на точність вимірювань сторонніх фонових
засвітлень фотодетектора.
На рисунку 3(а, б) наведена спрощена
структурна схема дослідного зразку апаратури для
вимірювання затухання оптичних кабелів в процесі
монтажу та експлуатації.
19

20.

Рис. 3а
Рис. 3б
20

21.

Приймач (рис. 3б) це гетеродинний
вимірювач рівня першої гармоніки струму з
фотоелектричним перетворювачем на вході. Волокно
вимірюваного оптичного кабелю за допомогою
калібрувального пристрою підводиться до входу
фотоелектричного перетворювача, який перетворює
оптичне випромінювання в послідовність імпульсів
електричного струму.
Підсилений сигнал надходить на вхід
перетворювача частоти одночасно з сигналом
гетеродина. Сигнал проміжної частоти виділяється
фільтром нижніх частот і режекторним фільтром, який
компенсує спектральні складові з частотами сигналу і
гетеродину. За допомогою атенюатора виконується
перемикання рівня вимірювального сигналу.
Перетворювач виділяє середнє випрямлене значення
напруги, яке реєструється стрілочним приладом.
21

22.

Суть методики вимірювання внесеного
затухання полягає в визначені різниці відносного рівня
вимірювального сигналу в децибелах при увімкнені
приймача до виходу генератора через контрольне
волокно (р1) і при увімкненні приймача через
вирівнювальний об’єкт (р2),
вн = р1 – р2 (дБ)
(3)
Для вимірювання рівня р1 генератор та
приймач з’єднують контрольним відрізком оптичного
кабелю. Значення р1 в децибелах визначається виразом
р1 = р01 - 11 - , 21- со -,
(4)
де р01 – рівень вимірювального сигналу на виході
генератора;
11 , 21- відповідно величини затухання, які
обумовлені втратами в точці під’єднання відрізку
волокна до виходу генератора і до входу приймача;
со – затухання контрольного волокна.
22

23. Питання 3

Вимірювання відстані
до місця пошкодження
оптичного кабелю
23

24.

Визначення місця пошкодження оптичного
кабелю базується на тих же принципах, що і для
звичайних кабелів з металу.
Але
замість
електричного
імпульсу
використовується оптичний зондуючий імпульс,
сформований в спеціальному пристрої.
Структурна схема установки зображені на
рисунку 4.
24

25.

Рис. 4.
25

26.

Джерелом
випромінювання
оптичних
імпульсів ( = 0,85 мкм, = 10-8
с) є
напівпровідниковий
лазер,
який
керується
модулятором.
Оптичний імпульс вводиться в оптичний
розгалуджувач,
який
призначений
для
просторового
розділення
оптичних
сигналів:
зондуючих імпульсів, які вводяться в оптичний
кабель, та імпульсів, які відбиті від місця
пошкодження і направлені на фотодетектор.
Оптичний кабель (волокно) вмикається до
приладу за допомогою пристрою узгодження.
26

27.

З виходу фотодетектора електричний
сигнал, який відповідає відбитому оптичному
сигналу,
надходить
через
широкосмуговий
підсилювач на блок пошуку, а з його виходу – на
блок цифрового відліку часу запізнення.
На другий вхід блоку через лінію затримки
1 від задаючого генератора надходить опорний
імпульс.
Від
цього
ж
задаючого
подаються імпульси і на модулятор.
генератора
27

28.

В установці передбачена осцилографічна
індикація показів: на екрані осцилографа можна
спостерігати опорний та відбитий імпульси.
Для дослідження волокон великої довжини, а
також для спостереження за імпульсами, які
відбитті від з’єднань та вихідного торця,
передбачена лінія затримки 2 з змінним часом
затримки. На її вхід надходять імпульси від
задаючого генератора, а з її виходу – на вхід
пристрою синхронізації осцилографа.
Перемикання
часу
затримки
дозволяє
встановити відбитий імпульс в задане положення
на екрані осцилографа.
28

29.

Блок цифрового відліку призначений для відліку
часу з’явлення першого відбитого імпульсу. Відбитий
імпульс може надходити від декількох місць
пошкодження волокна або від з’єднувачів.
Блок пошуку дозволяє послідовно виміряти час
появлення
відбитого
імпульсу
від
кожної
неоднорідності.
Точність
показів
приладу
залежить
від
тривалості
зондуючого
імпульсу,
швидкодії
фотодетектора і блоку цифрового відліку, а також
смуги пропускання волокна
Відстань до місця пошкодження визначається згідно
формули (5)
lx
v tз
2
(5)
29

30.

де v – швидкість розповсюдження світла у
волокні;
tз - час затримки відбитого імпульсу відносно
початкового.
Якщо застосовувати напівпровідниковий лазер,
який випромінює імпульси потужністю рівня 80 мВт,
можливо випробувати кабелі довжиною до 2 км з
коефіцієнтом затухання о = 10 дБ/км.
Експериментальний прилад забезпечував похибку
відліку місця пошкодження порядку 1,0 м.
30

31. Питання 4

ВИМІРЮВАННЯ ДИСПЕРСІЇ
СИГНАЛУ
31

32. Під дисперсією розуміють розсіювання в часі складових сигналу, який пройшов оптичний кабель зв’язку. Дисперсія приводить до фазових спот

Під дисперсією розуміють розсіювання в часі
складових сигналу, який пройшов оптичний кабель
зв’язку.
Дисперсія приводить до фазових спотворень
сигналу, а її оцінюють по відмінності часу
розповсюдження складових спектру, або по
розширенню імпульсів, які передаються.
Залежність групового часу розповсюдження від
довжини хвилі можна отримати, якщо виміряти
затримку або фазу обвідної модульованого сигналу,
який пройшов оптичний кабель зв’язку.
Схема вимірювання представлена на рисунку 5.
32

33.

Рис 5.
33

34.

Питання 5
ВИМІРЮВАННЯ
РОЗШИРЕННЯ СИГНАЛУ
34

35.

Для
вимірювання
розширення
імпульсів
застосовують
установку,
структурна
схема
якого
представлена на рисунку 6.
В
якості
джерела
випромінювання
використовується імпульсний напівпровідниковий лазер.
Керується лазер задаючим генератором. Світлові
імпульси вводяться в оптичний кабель. Оптичні системи
вводу сигналу мають в своєму складі напівпрозорі
дзеркала 1 та 2 відповідно на вході і виході кабелю, через
які частково проходить і частково відбивається світлове
випромінювання. Це забезпечує багаторазову циркуляцію
сигналу в оптичному кабелі. Дисперсія визначається
шляхом порівняння на осцилографі ширини імпульсів, які
мали багаторазову циркуляцію в кабелі, з шириною
початкового імпульсу. Сполучення імпульсів на екрані
осцилографа досягається за рахунок застосування лінії
затримки, яку можна регулювати.
35

36.

Рис 6.
36

37.

Використання багаторазових відбиттів сигналу
від напівпрозорих дзеркал дозволяє для оцінки
розширення імпульсів використовувати в порівняні
короткі оптичні кабелі.
Оцінка
похибки
вимірювання
розширення
імпульсів
виконується
по
методиці
для
осцилографічних вимірювань.
Її треба розраховувати, маючи на увазі під
похибкою сполучення похибку сполучення ліній
осцилограм імпульсів, які пройшли багаторазову
циркуляцію в оптичному кабелі, та вихідних імпульсів.
37