Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava. Měření v PON

Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava

Měření v PON

Datum: Autor: Kontakt: Předmět:

10.4.11 Ing. Jan Látal, Ing. Petr Koudelka [email protected];[email protected] ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"

ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"

Katedra telekomunikační techniky

1

Útlum jako základní parametr pro optické přenosové trasy ............................................... 4 1

Metody měření útlumu ....................................................................................................................................... 4

2

Přímá (transmisní) metoda .............................................................................................................................. 5

3

Sestava pro měření přímou metodou .......................................................................................................... 5

4

Metoda dvou délek ............................................................................................................................................... 6

5

Metoda vložných ztrát ........................................................................................................................................ 9

6

Metoda vložných ztrát (dvoustupňová) ................................................................................................... 10

7

Metoda vložných ztrát (čtyřstupňová) ..................................................................................................... 11

8

Varianty přímé metody vložných ztrát .................................................................................................... 12

9

Logaritmické veličiny pro optické řešení ................................................................................................ 14

10

Metoda 1a (A.1) ............................................................................................................................................. 14

11

Metoda 1b (A.2) ............................................................................................................................................. 14

12

Metoda 1c (A.3) .............................................................................................................................................. 15

13

Metoda zpětného rozptylu – nepřímá metoda ................................................................................. 16

14

Princip funkce reflektometru OTDR ..................................................................................................... 16

15

Linearita ............................................................................................................................................................ 21

16

Dynamický rozsah ........................................................................................................................................ 21

17

Vlnové délky .................................................................................................................................................... 23

18

Sestava pro měření metodou OTDR ..................................................................................................... 23

19

Závislost měřícího impulsu na délce předřadného vlákna ......................................................... 24

20 Vyhodnocení měření křivky zpětného rozptylu a běžně vyskytujících se poruch pomocí ní změřených ................................................................................................................................................................. 27

2

21

Přesnost a reprodukovatelnost měření přímé a nepřímé metody měření útlumu .......... 29

22

Přímá metoda -‐ přístroj OLTS (Optical loss Test Set) pro měření útlumu ........................... 30

23

Potřebné vybavení pro měření OLTS ................................................................................................... 30

24

Postup při měření OLTS ............................................................................................................................. 31

25

Měření útlumu odrazu ORL ...................................................................................................................... 31

26

Potřebné vybavení pro měření ORL ..................................................................................................... 32

27

Postup při měření ORL ............................................................................................................................... 33

28

Měření na vyšších vlnových délkách pomocí přímé metody ..................................................... 33

29

Výpočet limitu na útlum optické trasy ................................................................................................ 33

Úvod do disperzí a jejich měření ...................................................................................... 35 30

Vidová disperze ............................................................................................................................................. 35

31

Profilová disperze ......................................................................................................................................... 36



32

Materiálová disperze ................................................................................................................................... 37

33

Vlnovodná disperze ..................................................................................................................................... 37

34

Chromatická disperze ................................................................................................................................. 38

35

Působení chromatické disperze na přenášený optický signál .................................................. 38

36

Chromatická disperze a optický přenosový systém ...................................................................... 42

37

Možnosti snižování vlivu chromatické disperze na optický přenosový systém ................ 43

38

Měření chromatické disperze .................................................................................................................. 49

39 Měření chromatické disperze metodou fázového posuvu a diferenciálního fázového posuvu .............................................................................................................................................................................. 50 40

Měření chromatické disperze interferometrickou metodou ..................................................... 51

41

Měření chromatické disperze metodou zpoždění impulsů v časové oblasti ...................... 52

42

Zpracování výsledků měření .................................................................................................................... 53

43

Popis polarizační vidové disperze ......................................................................................................... 54

44

Základní pojmy .............................................................................................................................................. 55

45

Metody měření polarizační vidové disperze ..................................................................................... 62

46

Metody interferometrická (Traditional analysis INTY) ............................................................... 62

47

Metoda interferometrická GINTY .......................................................................................................... 64

48

Metody skenování vlnové délky ............................................................................................................. 65

49

Metoda polarimetrická (metoda analýzy Jonesovy matice) ....................................................... 66

50 Metoda polarizačně reflektometrická P-‐OTDR (Polarimetric Optical Time Domain Reflectometry) .............................................................................................................................................................. 67

3

4

51

Metoda analýzy SOP (metoda skenování vlnové délky) .............................................................. 68

52

Metoda analýzy DOP .................................................................................................................................... 69

53

Vyhodnocení měření metodou analýzy DOP .................................................................................... 70

Multimediální služby budoucnosti .................................................................................... 72 54

Popis multimediální služby VOIP ........................................................................................................... 72

55

Požadavky VoIP na přenosové sítě ....................................................................................................... 72

56

Popis multimediální služby IPTV ........................................................................................................... 73

57

Popis architektury pro IPTV ................................................................................................................... 73

58

Používané protokoly pro přenos video toku v IPTV ...................................................................... 74

59

Vyžití přenosu typu unicast a multicast pro vysílání TV kanálů .............................................. 75

60

Middleware ...................................................................................................................................................... 77

Nároky na přístupové sítě a měření v sítí .......................................................................... 80 61

Popis testu propustnosti dle RFC 2544 ............................................................................................... 81

62

Popis testu zatížitelnosti dle RFC 2544 ............................................................................................... 82



5

63

Popis testu ztrátovosti dle RFC 2544 ................................................................................................... 82

64

Popis testu zpoždění dle RFC 2544 ....................................................................................................... 84

Literatura a prameny, ze kterých bylo čerpáno pro tvorbu tohoto materiálu:................... 86



1 Útlum jako základní parametr pro optické přenosové trasy Výrazné přednosti přenosu informací na optických kmitočtech vedou k masivnímu nasazování optických kabelů či vláken nejen v telekomunikačních páteřních sítích, ale i v sítích pro konečnou míli (přístupové optické sítě). Základem každé optické přenosové trasy je optický kabel s různým počtem vláken dále optické a optoelektronické součástky (děliče, atenuátory, konektory, spojky), které rovněž mají zásadní vliv na kvalitu optické trasy. Proto se při návrhu optické trasy počítá tzv. útlumový plán a počty svařovaných spojů, spojek, odbočnic, děličů apod. Všechny tyto prvky vkládají do optické trasy útlum. Útlum ovlivňuje zásadní způsobem kvalitu přenosu a je bezesporu jedním z nejdůležitějších parametrů optické trasy. Jeho měření je třeba přikládat patřičnou pozornost. Útlum je třeba měřit při všech etapách budování optické přenosové trasy i během jejích provozu. Proto stanovení jasně definovaných metodik měření útlumu má prvořadý význam pro instalaci a servis sítě. Dostatečně přesné a reprodukovatelné měření útlumu pomocí různé měřící techniky je určujícím faktorem pro kvalitu sítě.

1 Metody měření útlumu Pro měření útlumu se využívá několika měřících metod, které budou součástí této kapitoly. Postupně budou popsány postupy pro měření útlumu optických tras, které doporučuje IEC (International Electrotechnical Commission) tj. přímá a nepřímá metoda. Navíc zde bude rovněž popsána metoda OLTS (Optical Loss Test Set). Pro všechny výše uvedených metod však musí platit, že před měřením musí být všechny optické spojky řádně očištěny. K tomu se doporučuje použít inspekční mikroskop, kterým se dá zjistit kvalita a čistota použitých spojek. Nedílnou součástí je pak použití čistícího roztoku (např. iso-‐propyl alkoholu, chem. zn. C3H8O) s čistícími kapesníčky. Dále musí platit, že měření by se mělo provádět za použití kvalitních měřících zařízení, které prošli kalibrací a dají se považovat za přesné a bez poruchy. V případě zjištění poškození nebo znečištění je nutno dané zařízení opravit, vyměnit nebo očistit. Pro měření útlumu optických vláken doporučuje IEC (International Electrotechnical Commission) tři metody: v metoda dvou délek (Cut-‐Back Method), v metoda vložných ztrát (Insertion-‐Loss Method) a její modifikace 1a, 1b, 1c dříve bylo označení A.1, A.2, A.3 v metoda měření zpětného rozptylu (Back-‐scattering Method) známá také jako metoda OTDR (Optical Time Domain Reflectometry). ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


První dvě metody umožňují přímé měření útlumu optického vlákna. Poslední metoda patří do metod realizujících nepřímé měření útlumu optického vlákna.

2 Přímá (transmisní) metoda Charakteristickým rysem pro měření přímou metodou je použití dvou samostatných měřících přístrojů umístěných na obou koncích měřeného úseku nebo trasy. Funkcí prvního zařízení je vytvářet zdroj optického záření a funkcí druhého je měření optického výkonu. Měření se provádí na vláknech bez provozu a měří se na vlnových délkách 1310/1383/1490/1550/1625nm. Tato metoda se nevyužívá pouze pro měření celkového optického útlumu trasy, ale slouží také pro kontrolu toho, zda není dané vlákno prasklé nebo nejsou na trase nějaké makro-‐ohyby.

3 Sestava pro měření přímou metodou Na obrázku 1 je uvedeno schéma pro měření útlumu přímou metodou, které se může lišit počtem použitých referenčních kabelů. Pro přímou metodu se používají dva přístroje a to zdroj záření a detektor záření (zařízení pro měření optického výkonu). Touto metodou se převážně měří celkový útlum optických vláken jednovidových i mnohovidových. Tato metoda je proti metodě OTDR výhodnější z hlediska ceny přístrojů a rychlosti měření. Měření optických vláken se provádí většinou obousměrně. Nevýhodou je proto fakt, že se musí měřit na dvou různých místech, z tohoto pohledu se jedná pro firmy o silnou nevýhodu (co do počtu měřících přístrojů, personálu, řízení, plánování apod.). Postup měření pak spočívá v tom, že se nejprve oba přístroje zkalibrují (tzn., nastaví se referenční hodnota) a poté se dané přístroje umístí na konce optických tras a provede se měření z jedné a pak druhé strany.

Obrázek 1 – Sestava pro měření útlumu pomocí přímé metody Pro měření jednovidových vláken (SM) se jako zdroj záření používají laserové zdroje, které se liší svými vlastnostmi a mohou negativně ovlivnit naměřené výsledky. Existuje mnoho různých druhů zdrojů záření a je tedy velmi důležité vybrat pro dané měření ten nejvýhodnější. Jednotlivé typy se mohou lišit například svou vyzařovací vlnovou délkou, stabilitou anebo také velikostí výstupního výkonu. Zdroje záření u ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


jednovidových vláken pracují na provozních vlnových délkách 1310/1382/1490/1550/1625nm. Vlnová délka se u různých zdrojů může lišit víc než 20nm, což způsobuje znatelnou chybu měření. Stejně jakou u zdrojů záření, tak i u měřidel optického výkonu je důležité dbát na kvalitu a stabilitu vlnové délky použitého přístroje. Vybrat ten správný měřicí přístroj není jednoduché, proto je nutné se zaměřit na několik parametrů, které mohou ovlivnit naměřené výsledky. Je důležité použít přístroj, který je schopen měřit přesně výkon vycházející z optického vlákna s co nejmenší odchylkou. Dále je třeba, aby použitý přístroj byl schopen tento výkon měřit se stejnou přesností na celém svém dynamickém rozsahu (linearita). Většinou se při měření uvažuje dynamický rozsah od -‐40 dB do -‐60 dB. Přístroje bývají často na vyšších úrovních výkonu přesnější a dosahují odchylek řádově několika desetin dB (kvalitní přístroje mohou mít odchylku pod 0,1 dB), přičemž na úrovních nižších mohou dosahovat chyb až o několika dB (v nejhorším případě i přes 5 dB).

4 Metoda dvou délek Jedná se o nejpřesnější metodu měření útlumu optických vláken, při které se měří úroveň optického výkonu P1 a P2 ve dvou bodech vlákna bez změny vstupních podmínek. Přesnost této metody může dosáhnout teoreticky až hodnoty setin dB. Reálně se však odchylka měřené hodnoty útlumu A (λ) se pohybuje maximálně do 0,1 dB. Právě proto je tato metoda doporučována jako metoda referenční, i když je časově náročná a destruktivní. Její použití je většinou omezeno na vědecko-‐výzkumná pracoviště nebo na laboratoře výrobců optických vláken. Schéma zapojení viz obrázek 2.

Obrázek 2 – Sestava pro měření útlumu pomocí metody dvou délek

Pro spektrální závislost útlumu je pak měřící uspořádání dáno následovně obrázku 3.



Obrázek 3 – Měření spektrální závislosti útlumu pomocí metody dvou délek Po navázání optického záření do měřeného vlákna o délce l se změří výkon P2 na jeho výstupu. Při zachování konstantních podmínek vazby se potom vlákno ve vzdálenosti přibližně 2 m od vstupního čela zlomí a na jeho výstupu se po úpravě konce změří výkon P1. Útlum se pak vypočítá na základě vztahu 1.2 nebo 1.8. Pro vybuzení jednovidového vlákna se používá klasické optické soustavy, která je tvořená čočkami nebo se používá krátký budící optický kabel – pigtail. Příklad jednoduchého budícího uspořádání můžeme vidět na obrázek 4. Pokud tedy využijeme budícího vlákna, musí být mezi tímto vláknem a vláknem měřeným použita imerzní kapalina (má index lomu podobný sklu) zabraňující vzniku odrazů a s nimi spojených interferenčních jevů. Při použití soustavy optických čoček je třeba zajistit uchycení konce měřeného vlákna, například ve vakuovém držáku vlákna a současně ho umístit v manipulátoru umožňujícím opakované nastavení čela měřeného vlákna vůči budícímu optickému svazku. Ke snadnějšímu nastavení čela vlákna vede použití svazku, který má větší průměr než průměr jádra vlákna. Pro měření útlumu jednovidových vláken se používají zdroje záření s úzkou spektrální čárou, a to nejčastěji polovodičové lasery s vlnovou délkou v oblasti 1310 a 1550nm. Celé spektrum zdroje musí být v oblasti jednovidového režimu vlákna. Při měření spektrální závislosti útlumu, kde se projevují např. absorpční nebo radiační ztráty. V oblasti 1310nm je proto třeba dávat pozor, aby spektrum zdroje záření nezasahovalo do oblasti OH absorpčního pásu 1383nm. V oblasti 1550nm se pak mohou na delších vlnových délkách negativně projevit radiační ztráty a IR ztráty. Střední vlnová délka zdroje záření by se neměla lišit o více jak 10nm od vlnové délky, pro kterou chceme útlum měřit.



Obrázek 4 – Obecný příklad budícího uspořádání Budící podmínky musí rovněž zajistit, aby se měřeným vláknem šířil pouze základní vid. Pro odstranění případných vyšších vidů slouží vidový filtr. Příkladem vidového filtru je jednoduchý závit s dostatečně malým průměrem zvoleným tak, že posunuje mezní vlnovou délku pod vlnovou délku, na které se provádí měření. Při měření útlumu běžných jednovidových vláken na vlnových délkách 1310 a 1550nm není třeba používat žádný vidový filtr. Při měření je třeba věnovat maximální pozornost případnému šíření plášťových vidů. Tyto plášťové vidy mají sice poměrně vysoký útlum, ale mohou ovlivnit především referenční hodnotu výkonu odečítanou na výstupu dvoumetrového úseku vlákna. Tímto způsobem mohou velmi výrazně ovlivnit výsledek měření, a to podstatně výrazněji, než u vláken mnohovidových. Proto je třeba plášťové vidy z měřeného vlákna odstranit pomocí stahovače plášťových vidů, který zajistí, že ani na výstupu krátkého úseku vlákna nejsou detekované plášťové vidy. Stahovač plášťových vidů je obvykle tvořen materiálem, jehož index lomu je větší než index lomu pláště měřeného vlákna. Může ho například tvořit kapalina (např. glycerin) aplikovaná po délce alespoň 2cm přímo na holé vlákno (bez primární ochrany). U většiny v současnosti vyráběných vláken plní funkci stahovače plášťových vidů samotná primární ochrana, která je tvořena materiálem s vyšším indexem lomu než má materiál pláště. Pokud jsou pochybnosti, je třeba před vlastním měřením tuto funkci primární ochrany ověřit. To lze provést tak, že na krátkém úseku měřeného vlákna změříme výstupní výkon bez vnějšího stahovače plášťových vidů a poté tímto stahovačem. Nezmění-‐li se výkon na výstupu vlákna při aplikaci vnějšího stahovače plášťových vidů, je funkce primární ochrana dostatečná. Při měření metodou dvou délek je měřen celkový útlum daného úseku vlákna a nelze získat informaci týkající se chování útlumu v libovolném místě vlákna. Také je obtížné měřit touto metodou změny útlumu při měnících se vnějších podmínkách.



5 Metoda vložných ztrát Měření útlumu metodou vložných ztrát, je rovněž dvoustupňová a liší se od metody dvou délek především v tom, že je nedestruktivní metodou. Postup měření pomocí této metody můžeme vidět na obrázku 5.

Obrázek 5 – Postup měření útlumu metodou vložných ztrát (první případ je pro kalibraci měřící soupravy a druhý je měření útlumu Měřící souprava se nejprve kalibruje, přímím propojením zdroje záření s měřičem optického výkonu pomocí referenčního vlákna o délce cca 2 metry. Tímto způsobem získáme hodnotu vstupního výkonu P1. V dalším kroku se místo referenčního vlákna zapojí vlákna měřené a na jeho výstupu se odečte hodnota výstupního výkonu P2. Útlum či koeficient útlumu měřeného vlákna se pak určí na základě relace mezi vztahy 1.2 nebo 1.8. Tato metoda dává také celkový útlum měřeného úseku vlákna a neumožňuje analýzu závislosti útlumu vlákna na jeho délce. Vzhledem k tomu, že je známa referenční hodnota P1, je možno touto metodou plynule měřit změnu útlumu v závislosti na vnějších vlivech, kterými může být např. radiace, voda (popř. zvýšená vlhkost), teplota či tlak. Metoda vložných ztrát je vhodná především pro měření ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


optických kabelů, spojovacích modulů i jiných optoelektronických součástek v případě, kdy nelze lámat a zkracovat vlákno. Její nedestruktivnost je však oproti metodě dvou délek vykoupena menší přesností a reprodukovatelnosti měření. Při použití této metody mlčky předpokládáme, že vazební ztráty při připojení referenčního a měřeného vlákna ke zdroji záření jsou naprosto stejné. To však nemusí být, a také není vždy pravda. Rozdíly ve vazebních ztrátách proto musíme omezit použitím stejného nebo alespoň takového referenčního vlákna, které svými parametry co nejlépe napodobuje vlákno měřené. Jelikož je tato metoda méně přesná než metoda vložných ztát není vhodná pro měření útlumu jednovidových vláken a kabelů. Tato metoda včetně jejích různých modifikací a variant je nenahraditelnou metodu měření útlumu optických tras a nejběžnější metodou pro měření útlumu optických konektorů a jiných a jiných pasivních součástek.

6 Metoda vložných ztrát (dvoustupňová) Metoda vložných ztrát je dvoustupňová provozní metoda viz obrázek 6, měření útlumu optických tras a na rozdíl od metody dvou délek se jedná o nedestruktivní metodu. Problém je zde s přesností, která vyplývá z rozdílů v čistotě a úpravě čel a nastavení konců měřeného a referenčního optického vlákna. Tato nepřesnost se pohybuje v řádu desetin dB. V případě měření mnohovidových optických vláken se v praxi prování měření útlumu z obou konců optického vlákna a výsledné naměřené hodnoty útlumu se zprůměrují. Tímto způsobem se eliminuje vliv rozdílné distribuce optického svazku v opačných směrech (mohlo by dojít k reálnému zvýšení chyby měření). Doporučení, jakým způsobem měřit útlum optické trasy přímou metodou, obsahuje standard pro kabelážní systémy ISO/IEC 14763-‐3. Tyto doporučené metody nazýváme jako referenční.

Obrázek 6 – Měření metodou vložných ztrát varianta dvoustupňová ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


7 Metoda vložných ztrát (čtyřstupňová) V provozních podmínkách se také uplatňuje aplikace metody vložných ztrát, při které se používají dvě soupravy optických vysílačů a přijímačů, a to na obou koncích trasy optického kabelu. Měřící metoda je pak čtyřstupňová. Dvě měření se provádějí při přímém spojení optického vysílače a přijímače obou souprav pomocí krátkých referenčních optických vláken (patchcordů). Další dvě měření se provádějí při zapojení analyzovaného optického vlákna. Ze čtyř získaných hodnot optických výkonů P11, P22, P12 a P21 lze následovně vypočítat útlum optického vlákna pomocí následujícího vztahu:

⎛ P ×P 21 A = 10 log10 ⎜⎜ 12 ⎝ P11 × P22

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

[dB;W ,W ,W ,W ]

(1.1)

Obrázek 7 -‐ Měření metodou vložných ztrát varianta čtyřstupňová



8 Varianty přímé metody vložných ztrát Pro měření útlumu pomocí přímé metody v praxi se definují tři druhy měřících metod na základě normy standard ISO/IEC 14763-‐3 (Implementation and Operation of Customer Premises Cabling, Testing of Optical Fibre Cabling) doporučuje nové referenční metody: v Link Loss Measurment: Pro měření vybudované přenosové trasy (patchpanel-‐ patchpanel) je doporučena tzv. metoda 1a s jedním měřícím patchcordem pro referenci (přímá metoda vložných ztrát). v Channel Loss Measurment: Pro měření kompletní přenosové cesty (patchcord-‐patchcord) je doporučena tzv. metoda 1c se třemi měřícími patchcordy pro referenci (přímá metoda vložných ztrát). v Není doporučena tzv. metoda 1b se dvěma měřícími patchcordy pro referenci.

Obrázek 8 -‐ Varianty přímé metody vložných ztrát 1a, 1b, 1c Dříve se tyto metody označovali jako A. 1, A. 2, A. 3 nicméně v dnešní době se spíše používá označení 1a, 1b a 1c. Jednotlivé typy metod se liší počtem použitých měřících referenční kabelů, viz výše. Délka těchto referenčních kabelů se pohybuje okolo 2metrů. Útlum optické trasy se doporučuje měřit pomocí metodou vložných ztrát. Měření pomocí této metody je dvoustupňové. Při prvním kroku je třeba měřící soupravu na-‐kalibrovat propojením zdroje záření s měřičem optického výkonu. Tímto krokem se získá referenční hodnota optického výkonu P1 měřená ve wattech. Ve druhém kroku se zapojí měřená trasa mezi zdroj a měřič optického výkonu a tak se získá hodnota optického výkonu P2. Útlum měřené trasy v decibelech je pak dán vztahem:

⎛ P ⎞ A(λ ) = 10 log10 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ P2 ⎠

[dB;W ,W ]

(1.2)

Pokud měřič optického výkonu měří absolutní úroveň optického výkonu (P) v jednotkách dBm, útlum trasy je pak dán vztahem: A = L1 − L2

[dB; dBm, dBm]

, kde L1 a L2 jsou absolutní úrovně výkonu získané v prvním a druhém kroku. ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"

(1.3)


L1=referenční úroveň výkonu (dBm) L2=měřená úroveň výkonu (dBm) Tyto úrovně jsou měřeny v decibelech absolutních, a proto pro ně platí vztahy:

⎛ P L1 = 10 log10 ⎜⎜ 1 ⎝ P0

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎛ P L2 = 10 log10 ⎜⎜ 2 ⎝ P0

⎞ ⎟⎟ ⎠

[dBm;W ,W ]

(1.4)

[dBm;W ,W ]

(1.5)

Pamatujme si však tento důležitý přepočet z dB na dBm! Pro účely měření je normálový výkon definován hodnotou P0 = 1 mW (0 dBm), dle normy. Následující tabulka 1 zobrazuje představu o transformaci hodnot mezi naměřeným výkonem P [W] a absolutní úrovní výkonu L1,2 [dBm]: P [W] 100 10 1 10-‐1 10-‐2 10-‐3 10-‐4 10-‐5 10-‐6 10-‐7 L1,2 +20 +10 0 -‐10 -‐20 -‐30 -‐40 -‐50 -‐60 -‐70 [dBm] Tabulka 1 – Transformace hodnot mezi naměřeným výkon a absolutní hodnotou výkonu Řada měřičů optického výkonu je z praktických důvodů vybavena funkcí reference. Tato funkce umožňuje uložit referenční výkon P1 do paměti přístroje a následně pak měřit relativní úroveň libovolného optického výkonu vůči této referenci. Útlum trasy je pak vyjádřen na základě jednoduchého vztahu:

A = −LR

[dB]

(1.6)

jelikož pro relativní úroveň výkonu vyjádřenou v decibelech relativních dB platí:

⎛ P ⎞ LR = 10 log10 ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ P1 ⎠

[dB]

(1.7)

Jednoznačnou výhodou funkce reference je možnost odečtení příslušné hodnoty útlumu trasy (až na znaménko) přímo na displeji přístroje. Měrný útlum, nebo též koeficient útlumu, trasy je útlum vztažený na jednotkovou délku vlákna a lze jej získat z celkového útlumu trasy:

a=

A l

[dB × km

kde l je délka vlákna. ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"

−1

]

; dB, km

(1.8)


9 Logaritmické veličiny pro optické řešení V případě přenosových systémů obvykle používáme k vyjádření hodnoty výkonu tzv. logaritmické poměrové veličiny, které nazýváme úrovně L (Level). Logaritmické úrovně lze rozdělit do dvou kategorií: v Relativní úroveň výkonu (Lr) – vztahující úroveň výkonu v určitém konkrétním analyzovaném místě optického přenosového řetězce k výkonu ve zvoleném referenčním místě optického přenosového řetězce. v Absolutní úroveň výkonu (L) – vztahující hodnotu výkonu v určitém konkrétním analyzovaném místě optického přenosového řetězce k normálové hodnotě, která je u optických systémů často rovna hodnotě 1 mW. Logaritmický charakter úrovní výkonu usnadňuje v praxi výpočet v přenosových řetězcích tím, že složitější operace násobení a dělení redukují na jednodušší operace sčítání a odčítání.

10 Metoda 1a (A.1) Jenda z nejvíce používaných metod při měření optických tras či nově budovaných optických tras (patchpanel -‐ patchpanel). Pro měření se používá pouze jednoho referenčního kabelu, který se po zkalibrování přístrojů odpojí a na místo tohoto referenčního kabelu se připojí měřená trasa.

Obrázek 9 – Sestava pro měření útlumu pomocí přímé metody -‐ reference A. 1

11 Metoda 1b (A.2)



Pro tuto metodu je charakteristickým rysem, využití dvou referenčních kabelů pro měření. Po zkalibrování přístrojů se oba referenční kabely rozpojí a mezi ně se připojí pak daná měřená trasa. V praxi se však nedoporučuje tuto metodu využívat. Důvodem je ten fakt, že při kalibraci přístrojů jsou oba referenční kabely navzájem propojeny pomocí jednoho konektoru a po připojení měřené trasy mezi oba referenční kabely měříme pouze útlum přes dva konektory, což ovlivní měření způsobené útlumem druhého konektoru.


12 Metoda 1c (A.3) Poslední metodou je metoda 1c, která se používá pro měření kompletní přenosové trasy (patchcord-‐patchcord). Pro samotné měření využívá tří měřících referenčních kabelů. Poté co jsou přístroje zkalibrování, odpojí se prostřední referenční kabel a místo něj se připojí měřená trasa.




13 Metoda zpětného rozptylu – nepřímá metoda Třetí a posledně jmenovanou metodou měření útlumu je tzv. metoda zpětného rozptylu, označovaná jako metoda optické reflektometrie v časové oblasti (optical time-‐ domain reflectometry, OTDR). Při této metodě se vyhodnocuje tedy časová závislost zpětně rozptýleného optického výkonu při šíření úzkého optického impulzu měřeným vláknem. V dnešní době se jedná o perspektivní metodu měření a diagnostiky optických vláken a kabelů, jak při výrobě tak i při montáži a provozu. Tato metoda umožňuje kromě měření útlumu měřit rovněž podélnou homogenitu, analyzovat útlum, jak pro celou délku, tak i pro jednotlivé části trasy, útlum svarů, konektorů, útlum odrazu, průměr vidového pole, délku vlákna a zároveň lokalizovat případné poruchy na trase. Bezodrazná nehomogenita (svar)

Odrazná nehomogenita (konektorové spojení)

Obrázek 12 – Příklady různých typů nehomogenit na trase detekovaných pomocí OTDR

14 Princip funkce reflektometru OTDR Optický impuls je vyslán ze zdroje záření, kterým může být např. injekční laser, který generuje úzké optické impulsy s FWHM řádově desítky až tisíce nanosekund a opakovací frekvencí několik kHz. Tento vygenerovaný optický impuls dále pokračuje prostřednictvím směrovaného vazebního článku, optickým děličem nebo vazební optikou doplněnou o polopropustná zrcátka či jiného typu rozdělovače svazků do analyzovaného optického vlákna. Zpětně odražené nebo rozptýlené záření vracející se z měřeného optického vlákna prochází stejným optickým děličem a dále je vedeno k velmi rychlému a preciznímu detektoru, kterým může být např. APD (Avalanche Phodo Diode, lavinová fotodioda). Poté je detekovaný elektrický signál veden do analogového popřípadě digitálního integrátoru. Ten je použit, protože vracející se signál má velmi malou úroveň (-‐45 až -‐60 dBr) a je zatížen šumem (podle povahy ho dělíme na tepelný, ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


bílý, výstřelový atd.). Proto je nutné signál z detektoru dále upravit tak, aby výsledný signál nebyl natolik zatížen šumem a bylo jej možné dále zpracovat. Užitečný signál z integrátoru je dále veden do logaritmického zesilovače nebo je logaritmování zprůměrovaného signálu provedeno digitálně pro získání hodnot v decibelech (dB). Výsledné naměřené hodnoty jsou poté zobrazeny na zobrazovací jednotce (displeji).

Obrázek 13 – Vnitřní uspořádání OTDR OTDR lze využít i pro zjišťování optické kontinuity, tj. k určování toho, jak je či není optická trasa kontinuální. Metoda zpětného rozptylu (OTDR) využívá ke své činnosti Fresnelova odrazu a Rayleighova rozptylu v optických vláknech.

45.00 40.00 35.00 30.00 2

25.00

3

4 5

20.00 15.00 10.00 200

400

600

800

1000

m

Obrázek 14 – Příklad náměru optické trasy pomocí OTDR Případné Fresnelovy odrazy na bodové poruše nebo koncích vlákna jsou z hlediska měření útlumu sice jevem nežádoucím, avšak se dají velmi dobře uplatnit při měření délky vlákna nebo lokalizaci poruchy. Fresnelův odraz nastává, pakliže dopadá optické záření na rozehranní dvou prostředí s různými indexy lomy. Tato situace nastane vždy, když připojujeme konektory či mechanické spojky, na začátku i na konci vlákna nebo na svařované spojce. Pokud tedy je vyslán do optického vlákna obdélníkový ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


impulz s výkonem P0 a šířkou Δt, část toho výkonu se u impulzu bude vyzařovat v každém bodě v důsledku nehomogenit optického vlákna (tzv. Rayleighova rozptylu) a rozptýlení izotropní záření se bude šířit všemi směry a část tohoto záření se dostane zpět ke vstupu. Source

Variations in IOR

45.00 40.00 35.00 30.00 2

25.00

3

4 5

20.00

Ray of light

15.00 10.00 200

400

600

800

1000

m

Obrázek 15 – Příklad náměru trasy a principu funkce OTDR metru na základě Rayleigho rozptylu (zpětně vracejícího se světla) Poté se ze vzdálenosti od počátku vlákna ke konci vypočítá výkon Pb(z), který lze popsat následujícím vztahem (1.9). !

!! ! = ! !! ∆! ! !! !! ! (!! !")

(1.9)

vg – skupinová rychlost šíření signálu; S – koeficient zpětného rozptylu, αR – činitel ztrát Rayleighovým rozptylem; α – střední hodnota koeficientu útlumu vlákna na délce (z) v dopředném a zpětném směru. Koeficient zpětného rozptylu (S) je spektrálně závislý a vyjadřuje, jaká poměrná část optického výkonu se po rozptylu šíří vláknem ve zpětném směru. Pro jednovidová vlákna se dosahuje hodnot okolo -‐49,6 dB (0,0000106) pro 1,31 µm respektive -‐51,1 dB (0,000061) pro 1,55 µm. Pro mnohovidové optické vlákno dosahujeme větších hodnot zpětného rozptylu (-‐23 dB, tj. 0,005). Je třeba upozornit, že tento koeficient je silně závislý na geometrických a optických vlastnostech měřeného vlákna, jakými jsou např. index lomu, průměr vidového pole, numerická apertura, atd. Velikost zpětně rozptýleného optického výkonu je lineární funkcí šířky vstupního impulzu. Délka souřadnice definovaná ve vztahu (1.9) je svázaná v čase prostřednictvím skupinové rychlosti šíření signálu vg daná vztahem (1.10).

!!

! = ! !

(1.10)

Hodnota výkonu Pb(z) lze detekovat na čele vlákna právě po uplynutí doby t=2z/vg od okamžiku navázání optického impulzu. Při sledování časové závislosti zpětně rozptýleného výkonu z tohoto impulzu, tak můžeme monitorovat průběh Pb(z) podél celého měřeného vlákna. Hodnota zpětně rozptýleného optického výkonu Pb(z) přitom na základě vztahu viz (9) se vzdáleností exponenciálně klesá. Proto je výhodné vynést daný průběh Pb(z) v logaritmickém měřítku. V případě podélně homogenního vlákna ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


potom získáme přímku, u níž je její směrnice udává koeficient útlumu vlákna. Pro podélně nehomogenní vlákna je průběh Pb(z) reprezentován v logaritmickém měřítku klesající křivkou, jejíž tečna v každém bodě udává zdánlivou lokální hodnotu koeficientu útlumu (zdánlivá je proto, že průběh Pb(z) je ovlivňován i změnami optických parametrů nebo geometrií měřeného vlákna, tedy faktory, které nemají až tak velký význam pro útlum). Při navazování optických impulzů do zkoumaného vlákna dochází k Fresnelovu odrazu na vstupním čele vlákna. Odražené záření se pak může dostat přes optický dělič n a citlivou plochu fotodetektoru. Při kolmém dopadu záření na čelo vlákna je koeficient Fresnelova odrazu přibližně 0,04 (cca -‐14dB). Výkon odraženého optického záření proto převyšuje výkon záření rozptýleného až o tři řády a může dostat fotodetektor spolu se zesilovačem do nelineárního režimu. Z tohoto důvodu je nutné eliminovat Fresnelovy odrazy nebo je odstranit alespoň částečně. Lze využít několika technik, jakými jsou například elektronické hradlování fotodetektoru. Avšak častěji se setkáme s tím, že počáteční odraz se odstraňuje za použití akusto-‐optického deflektoru, což je optoelektronická součástka, jejíž princip spočívá na vychylování optického svazku na základě akustooptického efektu. Synchronizací činnosti deflektoru s generátorem optických impulsů lze k fotodetektoru přivést optický signál, až po odeznění Fresnelova odrazu od vstupního čela vlákna. V měřičích zpětného rozptylu pro mnohovidová vlákna se může odstraňovat počáteční odraz optickou cestou pomocí optického děliče vytvořeného na principu polarizačního hranolu. Pak lineárně polarizované záření z laseru zachovává po odrazu svoji polarizaci a hranol je nepropustí zpět k detektoru. Užitečný zpětně rozptýlený signál je naopak v mnohovidovém vlákně depolarizován a hranolem prochází k fotodetektoru s přijatelnými ztrátami. U měření jednovidových vláken nelze využít následující metodu, protože by výsledek měření mohl být zkreslen polarizačními vlastnostmi měřeného vlákna. Avšak se využívá jiné metody a to polarizačně nezávislých prvků. Ať už se použije jedné či druhé metody, první Fresnelův odraz se nikdy nepodaří odstranit beze zbytku. Správné měření útlumu je proto možné až po odeznění tohoto odrazu, tedy až od určité vzdálenosti od počátku vlákna. Tato vzdálenost se nazývá mrtvá zóna (dead-‐zone). V podstatě se jedná o vzdálenost, která je měřítkem efektivity potlačení prvního Fresnelova odrazu a lze jí považovat za tzv. přístrojovou mrtvou zónu. Fresnelův odraz se však neobjevuje pouze na na vstupním konektoru, nýbrž i na každé odrazné poruše, např. na konektoru v optické trase. Fresnelův odraz pak dominuje na křivce zpětného rozptylu a až do jeho odeznění nelze křivku zpětného rozptylu využít pro měření.


Katedra telekomunikační techniky dB 1,5 dB

-2,00 -4,00 -6,00 -8,00 -10,00

0,5 dB Identi!ikační mrtvá zóna Útlumová mrtvá zóna 100,00 110,00 120,00 130,00 140,00 150,00 160,00 Vzdálenost (m)

Obrázek 16 – Identifikační a útlumová mrtvá zóna a její definice na náměru V této souvislosti se zavedly další dva pojmy a to útlumová a identifikační mrtvá zóna. U útlumové mrtvé zóny (attentuation dead-‐zone) říkáme, že se jedná o minimální vzdálenost za odraznou poruchou, od které již lze na křivce zpětného rozptylu měřit útlum. Hlavním kritériem pro určení této zóny je pokles Fresnelova odrazu na křivce zpětného rozptylu na hodnotu 0,5 dB. Tento parametr se většinou udává u všech komerčních přístrojů v katalogu. dB -2,00 -4,00 -6,00 -8,00 -10,00

0,5 dB Útlumová mrtvá zóna

100,00 110,00 120,00 130,00 140,00 150,00 160,00 Vzdálenost (m)

Obrázek 17 – Zobrazení útlumové mrtvé zóny Pokud se nám na křivce zpětného rozptylu nachází více odrazných poruch důsledku konektorů nebo mechanické spojky v trase je nutno definovat druhou mrtvou zónu a tou je identifikační mrtvá zóna (event dead-‐zone), která udává nejmenší



vzdálenost mezi dvěma odraznými poruchami, při níž lze ještě bezpečně rozlišit tyto poruchy, neboli se jedná o vzdálenost od začátku odrazu k bodu, kde signál poklesne o 1,5 dB od maxima odrazu. Velikost mrtvé zóny závisí samozřejmě i na šířce impulsu. dB 1,5 dB

-2,00 -4,00 -6,00 -8,00 -10,00

Identi!ikační mrtvá zóna

100,00 110,00 120,00 130,00 140,00 150,00 160,00

Vzdálenost (m)

Obrázek 18 – Zobrazení identifikační mrtvé zóny

15 Linearita Abychom byli schopni dosahovat co nejlepších výsledků při samotném měření, je zapotřebí použít co nejlineárnější přístroj. Jedná se tedy o parametr, který je zásadní pro měření optického útlumu. Linearita udává schopnost měřicího přístroje měřit útlum s co nejlineárnějším průběhem (schopnost měřit přesně v celém svém dynamickém rozsahu s co nejmenší odchylkou). Tento parametr ovlivňují vlastnosti přístroje nebo jeho programové vybavení.

16 Dynamický rozsah Mluví-‐li se o pojmu dynamický rozsah (dB), je zapotřebí ještě uvést pojem efektivní dynamický rozsah (dB), který nám udává hodnoty, ve kterých je měřicí přístroj ještě schopen měřit nehomogenity na reflektogramu. Dynamický rozsah naopak udává rozdíl mezi úrovněmi signálu a šumu.


Katedra telekomunikační techniky dB 28 24

20 Měřící rozsah

16

Dynamický rozsah

12

8 SNR=1 4

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20 Vzdálenost (m)

Obrázek 19 – Zobrazení významu dynamického rozsahu a jeho význam pro měření pomocí OTDR

2 konektory 3m od sebe

Konec trasy

Puls 5ns - lepší rozlišení, menší dynamický rozsah dB 35 30 25

500

510

5ns pulse

20 15 10 5 0

5

10

15

Vzdálenost (km)

10

15

Vzdálenost (km)

Puls 30ns - větší dynamický rozsah, horší rozlišení dB 35 30 25

500

510

20 15 10 5 0

30ns pulse

5

Obrázek 20 – Význam šířky pulzu pro OTDR a jejich vlivů pro dynamický rozsah a rozlišení ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


17 Vlnové délky Přístroje OTDR se používají pro měření všech vlnových délek. Pro jednovidová vlákna (SM) se jedná o vlnové délky 1310/1490/1550nm pro vlákna mnohovidová jsou vlnové délky 850/1300nm. Pro měření na trasách s provozem se využívá vlnové délka 1625/1650nm. Před měřicí přístroj je potřeba připojit filtr, abychom měřili vybranou vlnovou délku. Pokud by se na vstupní detektor dostala provozní vlnová délka s vysokým výkonem, mohlo by dojít k poškození přístroje. Nově se také měří na vlnové délce 1383nm (oblast OH peak). V této oblasti mají optická vlákna All Wave nízký útlum a proto jsou vhodná pro nasazení pro tuto vlnovou délku. Starší typy vláken mají optický útlum okolo 0,6 až 1,1db. Obecně platí, že s počtem vlnových délek stoupá i cena měřícího zařízení.

Obrázek 21 – Útlumová charakteristika a zobrazení přenosových oken v optických komunikacích, systémy CWDM, DWDM

18 Sestava pro měření metodou OTDR Metodou OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) se dá měřit mnoho parametrů optických vláken, jako například útlum vlákna po celé délce nebo jen útlum v jeho určitých úsecích, útlum na konektorech nebo svárech. Dále se dá určit homogenita daného vedení, délka vedení, je možné dokonce přesně určit místo poruchy, což u metody transmisní čí OLTS nebylo možné. Na obrázku (Obr. 15) je uvedeno blokové schéma měřící soupravy pro měření metodou OTDR. ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


Obrázek 22 – Sestava pro měření útlumu pomocí metody OTDR Měřené kabelu vlákno se připojuje k měřiči zpětného rozptylu buď přímo, nebo ke konci předřadného kabelu, jehož druhý konec se připojí k samotnému přístroji. Pakliže si klademe otázku, proč používáme předřadného kabelu, tak je to ze dvou důvodů. Prvním důvodem je, že zapojením předřadného kabelu, jehož délka je pro jednovidová vlákna obvykle 500 nebo 1000m, se můžeme vyhnout vlivu počátečního odrazu na vstupním konektoru měřicího přístroje, protože začátek měřeného vlákna je posunutý o délku předřadného kabelu. Druhým důvodem pak je použití předřadného kabelu protože zabraňuje poškození vstupního konektoru OTDR, zejména při používání různých rychlo-‐konektorů a adaptéru pro připojení holých vláken.

19 Závislost měřícího impulsu na délce předřadného vlákna V tabulce 2 jsou popsány parametry jako délka mrtvé zóny, dynamický rozsah a doporučená délka předřadného vlákna v závislosti na délce měřícího impulsu. Jak už je patrné, se zvyšující se délkou měřícího impulsu se ostatní hodnoty také zvyšují. Nežádoucí efekt je zvyšování mrtvé zóny, kdežto zvýšení dynamického rozsahu je naopak efekt žádoucí. Měřená trasa

Předřadné vlákno

OK OK Špatně Příliš dlouhý pulz (nebo příliš krátké předřadné vlákno)

Obrázek 23 – Vliv předřadného vlákna pro měření útlumu pomocí metody OTDR Velmi důležitý problém u ODTR spočívá v rozporu mezi výše uvedeným dynamickým rozsahem a schopností rozlišovací délky pro měření. Při šířce optického ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


impulsu t=100ns se úroveň zpětně rozptýleného signálu na vlnové délce 1310nm pohybuje na základě vztahu (9) přibližně 50dB pod úrovní výkonu vstupního impulsu. Při t=10ns se tento rozdíl ještě o 10dB zvýší, což vyžaduje příslušné zvýšení citlivosti fotodetekce. Proto by se mohlo na první pohled zdát, že je výhodné použít široké optické impulsy. Ze vztahu (9) je však patrné, že výkon P0 detekovaný v čase t je přímo úměrný energii impulsu rozptýleného v úseku vlákna o délce z=vgt/2. Šířka optického impulsu tedy ovlivňuje rozlišovací schopnost, jak je uvedeno v tabulce 2. úlumová doporučená šířka délka mrtvá zóna dynamický délka měřícího měřícího v (m) pro rozsah v předřadného pulzu pulzu špatný (dB) * vlákna v (m) konektor * 10 1 30 9,7 100 30 3 50 12,1 200 100 10 70 21,0 275 28 100 24,1 500 1000 100 200 27,3 2500 250 400 30,0 1000 10000 1000 1200 40,0 2000 20000 2000 2300 42,9 3000 Tabulka 2 – Hodnoty šířky optického impulsu a jejich vlivu na rozlišovací schopnost OTDR (*) – příklad pro jednovidová vlákna, měření OTDR (záleží na konkrétním OTDR a reflektanci konektoru) Proto tedy při volbě šířky optického impulsu musíme volit kompromis mezi požadavkem na citlivost fotodetekce (dynamický rozsah měření) a délkovou rozlišovací schopností měření dané optické trasy. Zatím co u krátkého impulsu se používá tam, kde máme krátké vzdálenosti, delší impulsy (např. 10µs) používáme pro patření sítě, metro-‐ sítě, přístupové sítě apod. jinými slovy řečeno velmi dlouhé trasy. Další problém se může objevit při nesprávné volbě délkového rozsahu měření, kdy se mohou objevit vícenásobné Fresnelovy odrazy, které jsou pak zdrojem falešných poruch, tzv. „duchů“ na křivce zpětného rozptylu (reflektogramu). Podstatou těchto falešných poruch je, že funkci OTDR si můžeme představit jako jakýsi osciloskop. K vysvětlení budiž nám obrázek 24, který zobrazuje vztah mezi optickými impulsy navazovanými do vlákna a Fresnelovými odrazy detekovanými fotodetektorem. V intervalu mezi optickými impulsy navázanými do vlákna je fotodetektorem vyhodnocován signál zpětného rozptylu podél vlákna. Opakovací perioda T optických impulsů proto určuje délkový rozsah měření R podle vztahu: T R = vg × 2 (1.11)


Katedra telekomunikační techniky dB

R

L Vzdálenost (m) 2L

Obrázek 24 -‐ a), b) časový diagram optických pulsů a křivka zpětného rozptylu falešných poruch v důsledku nesprávné volby délkového rozsahu měření

dB

R 2L - R

2L - R

L Vzdálenost (m) 2L

Obrázek 24 -‐ c), d) jako a) a b) akorát s tím, že je vhodně zvolena volba délkového rozsahu pro měření Těmito ilustrativními obrázky 24 se snažíme vysvětlit princip, jak správně volit délku rozsahu pro měření optických tras, tak aby nedocházelo k chybám při měření. Pak tedy na straně fotodetektoru se v okamžiku navázání impulsu do vlákna objeví počáteční Fresnelův odraz a po čase odpovídající délce vlákna L se objeví odraz od konce vlákna. V čase odpovídajícím vzdálenosti 2L dopadá na plochu fotodetektoru odraz druhého řádu odpovídající čtyřnásobnému průchodu optického impulsu vláknem. Je-‐li pak tato vzdálenost 2L větší než délkový rozsah měření R, jak je znázorněno na obr. 24a, Fresnelův odraz druhého řádu může být vyhodnocen jako porucha ve vzdálenosti 2L – R od počátku vlákna. Tuto chybu můžeme vidět na obrázku 24b. Pakli-‐že chceme eliminovat tuto chybu, je třeba opravdu volit délkový rozsah měření, tak aby platilo že

R  2 × L

(1.12)

V takovém případě pak bude odraz druhého řádu zobrazen ve vzdálenosti 2L od počátku vlákna a neovlivní tedy výsledek měření, jak je znázorněno na obrázek 24c a ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


24d. Daleko složitější situace však může nastat, měříme-‐li trasu, ve které se vyskytuje více Fresnelovsky odrážejících se ploch, např. optických konektorů. V takovém případě vznikne celá řada vícenásobných odrazů a identifikace falešných poruch může být značně obtížná. Jistým vodítkem může být to, že falešná porucha se vždy vyskytuje v místě, které je nějakým způsobem spojeno s násobky vzdáleností mezi konektory na trase. Dalším rozpoznávacím znamením pro „ducha“ může být to, že za ním nenásleduje pokles křivky zpětného rozptylu a že tedy vykazuje nulový útlum.

20 Vyhodnocení měření křivky zpětného rozptylu a běžně vyskytujících se poruch pomocí ní změřených Při měření útlumu reálných optických vláknech a optických tras se většinou nesetkáme s ideálním průběhem křivky zpětného rozptylu podle obrázek 25. dB

Vzdálenost (m)

Obrázek 25 – Ideální křivka zpětného rozptylu pro homogenní vlákno Reálně se v praxi však s takto dokonalou křivkou zpětného rozptylu nesetkáme, jelikož při budování optických tras dochází k zvětšení útlumu podél vlákna a to z důvodu nehomogenit na trase (ohyby vlákna, nedokonalosti při svařování, konektorování, začištění apod.), fluktuace vlnovodné struktury (numerické apertury, profil vidového pole nebo indexu lomu) či nesprávným režimem pro měření. Při vyhodnocení výsledků měření je potom velmi důležitá správná interpretace obdržených průběhů. Při vyhodnocení výsledků měření je potom velmi důležitá správná interpretace naměřených výsledků. Příklady nejčastěji vyskytujících poruch na křivce zpětného rozptylu uvádíme na situačním obrázku 26.



dB 1

2

4 3

6 5

9

7 8

šum

Vzdálenost (m)

Obrázek 26 – Příklady nejčastěji vyskytujících se poruch na optické trase změřené pomocí OTDR metru na křivce zpětného rozptylu Bavíme-‐li se o nejčastějších poruchách na křivce zpětného rozptylu, jedná se především o následující: 1) Odraz od vstupního čela vlákna s vyznačenou mrtvou zónou. 2) V tomto úseku je měřené vlákno podélně homogenní a křivka zpětného rozptylu má konstantní sklon. V rámci tohoto úseku má vlákno i konstantní hodnotu měrného útlumu. Do měření přitom nesmíme zatrhnout mrtvou zónu. 3) Lokální nárůst útlumu (bodový porucha). Tento nárůst může být způsobem např. svařovanou spojkou, bodovým tlakem na vlákno nebo defektem ve struktuře vlákna. Pro určení, zda se jedná o lokální (bodovou) poruchu, je třeba sledovanou oblast prohlédnout s použitím impulsů s různými šířkami. Mění-‐li se tvar křivky zpětného rozptylu se změnou šířky impulsu, představuje sledovaná anomálie lokální poruchu. Nemění-‐li se tvar této křivky, pak se musí sledovaná porucha považovat za podélnou nerovnoměrnost útlumu. V případě jednovidových vláken je citlivost vlákna na ohyby pro vlnovou délku 1550nm podstatně větší než pro vlnovou délku 1310nm. Pokud se vyskytují na vlákně mikro-‐ nebo makro-‐ohyby, což se stává nejčastěji v kabelových spojkách, pak se projevují jako bodové poruchy na křivce zpětného rozptylu, měřené na vlnové délce 1550nm. Při měření stejného vlákna na vlnové délce 1310nm nemusí být zřetelné žádné poruchy. 4) Ostré maximum, které vzniká v důsledku Fresnelova odrazu na konektorové spojce dvou vláken nebo defektu ve vlákně. V tomto bodě je také nárůst útlumu (tj. pokles křivky). V této souvislosti je dobře připomenout, že se mohou vyskytnout i lomy nebo plochy, jejichž Fresnelův odraz nemusí být ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


5) 6)

7)

8)

9)

reflektometrem vůbec registrován. To se týká např. kvalitních lomů na vláknech se šikmým čelem skleněným vůči podélné ose vlákna o více než přibližně 5°. V takovém případě se veškeré záření vyváže v místě poruchy z vlákna. Zdánlivé zesílení se objevuje, pokud je na trase zařazen úsek vlákna o větším průměru vidového pole. Mnohonásobný odraz („duch“) se může objevit při nesprávné volbě délkového rozsahu měření. Nejtypičtější znakem „ducha“ je, že je to porucha bez útlumu (křivka pokračuje beze změny). Zvlnění křivky, které obvykle způsobeno měřicím přístrojem, fluktuacím vlnovodné struktury nebo polarizačními efekty a které lze vyloučit při vyhodnocení útlumu např. pomocí metody nejmenších čtverců. Změnou sklonu křivky. Příčinou tohoto jevu může být měnící se útlum podél vlákna plynulá změna průměru vidového pole. Změny útlumu mohou být přitom způsobeny nejenom vnitřními, ale i vnějšími faktory, např. nerovnoměrným pnutím na vlákno. Odraz od konce vlákna. Tento odraz nemusí být vždy patrný, vlákno může mít i bezodrazný konec (šikmý lom nebo imerzní kapalina na čele vlákna, např. vyteklý gel z trubičky). Za tímto odrazem již můžeme pozorovat pouze úroveň šumu, popřípadě náběhové špičky vícenásobných odrazů vyčnívajících nad šumem.

21 Přesnost a reprodukovatelnost měření přímé a nepřímé metody měření útlumu Pokud nás bude zajímat jaká je reprodukovatelnost a přesnost měření útlumu pomocí některé z výše uvedených typů metodik mějme na paměti, že jsou tato měření silně závislá na stabilitě a spektrálních vlastnostech zdrojů záření a na kvalitě a linearitě detektoru a detekční elektroniky. Současné přístroje jsou natolik kvalitní, že nestabilita zdrojů záření a nelinearita měřičů optického výkonu ve výsledku nepřevyšuje hodnotu několik setin dB. Metoda dvou délek je nejpřesnější metodou měření útlumu optických vláken. Přesnost této metody může teoreticky dosáhnout až hodnoty setin dB. Reálně se však odchylka měřené hodnoty útlumu A (λ) pohybuje maximálně do 0,1 dB. Právě proto je tato metoda doporučována jako metoda referenční, i když je časově náročná a destruktivní. Její použití je většinou omezeno na vědecko-‐výzkumná pracoviště nebo na laboratoře výrobců optických vláken. U metody vložných ztrát je přesnost a reprodukovatelnost měření ovlivněna z rozdílů v čistotě a úpravě čel a nastavení konců měřeného a referenčního optického vlákna. Tato nepřesnost se pohybuje v řádu desetin dB. V případě měření mnohovidových optických vláken se v praxi provádí měření útlumu z obou konců optického vlákna a výsledné naměřené hodnoty útlumu se zprůměrují. Tímto způsobem se eliminuje vliv rozdílné distribuce optického svazku v opačných směrech (mohlo by ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


dojít k reálnému zvýšení chyby měření). U metody zpětného rozptylu je problém přesností daleko složitější než u předchozích metod a to je dáno tím, že průběh křivky zpětného rozptylu je ovlivněn celou řadou parametrů např. podélnou fluktuací strukturních parametrů vlákna. Při jednosměrném měření jednovidových vláken metodou OTDR proto získáváme pouze kvalitativní představu o průchodnosti celé trasy, případně o přítomnosti jistých diskontinuit. Jediný způsob, jak získat přesné kvantitativní výsledky, což je útlum vlákna (trasy), svaru, měrný útlum apod. spočívá v měření z obou dvou konců trasy a v průměrování výsledků získaných z obou jednosměrných měření. V takovém případě je reprodukovatelnost a přesnost měření metodou OTDR srovnatelná s metodou dvou délek (tj. setiny dB/km) a výsledky získané oběma metodami jsou poměrně dobré shodě.

22 Přímá metoda -‐ přístroj OLTS (Optical loss Test Set) pro měření útlumu Měření metodou přímou přístrojem OLTS se od přímé měřicí metody příliš neliší, hlavní rozdíl tohoto měření je v použitých přístrojích. Každý měřicí přístroj obsahuje jak zdroj optického záření, tak i přijímač optického záření (realizován wattmetrem). Jedná se o velkou výhodu, protože optické trasy se měří v obou směrech a odpadá tím problém s přepojováním jednotlivých měřících přístrojů z jednoho konce měřené trasy na druhý. Vložný útlum je definován jako rozdíl mezi úrovní energie vysílané zdrojem a úrovní energie přijímané měřičem výkonu. Celkový vložný útlum systému je součtem vložných útlumů OLT konektoru, WDM slučovače, svárů nebo konektorů na trase, útlumů vláken, útlumů rozbočovačů, útlumu ONU konektoru a jakýchkoli chybných spojů. Vložný útlum je ztráta optické energie na celé optické trase.

23 Potřebné vybavení pro měření OLTS Útlum může být měřen použitím samostatného zdroje a měřiče optického výkonu. Základní OLTS jednotky sestávají ze světelného zdroje a OPM, zatímco pokročilejší se skládají z optického zdroje a OPM v jednom měřicím přístroji a jsou zvláště užitečné pro obousměrné testování, automatické vyhodnocení a analýzu výsledků. Některé ještě pokročilejší OLTS jednotky umí současně automaticky změřit útlum celé trasy a útlum odrazu ORL, také provádí odhad délky trasy a měření chromatické disperze. Mezi přístroji dostupnými na trhu jsou malé rozdíly ve vysílaném výkonu a dynamickém rozsahu jejich detektorů. Největší rozdíly mezi přístroji jsou v tom, zda obsahují automatické testovací sekvence. Hlavním účelem automatického měření je zkrácení doby vlastního měření a redukce možných chyb ze strany operátora. Automatické měření nikdy nemůže úplně vyloučit případné lidské chyby, ale může výrazně snížit jejich počet. Přístroje vybavené automatickými sekvencemi jsou dražší než přístroje manuální, ale investice do nich se může vrátit v podobě zkrácení času potřebného pro měření a snížení počtu chyb při měření. Přístroje schopné měřit útlum odrazu a odrazivost nejsou vhodné pro měření v sítích s mnohavidovými vlákny, protože



odrazivost je v těchto sítích velmi vysoká. Naproti tomu mohou být velmi užitečné pro měření v sítích s jednovidovými vlákny, jako jsou například sítě FTTx.

24 Postup při měření OLTS K provedení automatického měření útlumu pomocí dvou OLTS metrů jsou obvykle potřeba tyto čtyři kroky: v offset nulling -‐ (pokud je vyžadováno přístroji) kompenzující šum detektoru a vnitřní offset – některé přístroje nevyžadují tento krok v test setup -‐ potřebný pro nastavení vlnových délek a ostatních testovacích parametrů v kalibrace (referencing) -‐ obou přístrojů je potřebná pro měření útlumu vlákna a ne útlumu konektorů a příslušenství měřících přístrojů – některé přístroje provádí tento krok automaticky v test initialization -‐ některé přístroje provádí tento krok automaticky Metoda vzájemné kalibrace zpětnou smyčkou je podporována a prováděna na každém OLTS metru. Kalibrace se provádí připojením světelného zdroje měřicího přístroje přímo na detektor toho samého přístroje. Změřená úroveň výkonu na vstupu detektoru je nastavena jako referenční. Jiný, preciznější způsob kalibrace spočívá v připojení světelného zdroje měřicího přístroje A na vstup detektoru měřicího přístroje B a zdroje přístroje B k detektoru přístroje A. Jakmile jsou oba přístroje zkalibrovány, jsou konektory odpojeny z detektorů přístrojů a jsou připojeny k měřenému vláknu. Jeden přístroj zahájí test vysláním světelného signálu skrz vlákno, druhý přístroj změří úroveň přijímaného signálu a vyšle tuto hodnotu prvnímu přístroji, ten ji porovná s referenční hodnotou. Rozdíl mezi těmito hodnotami vyjadřuje útlum měřené přenosové linky.

25 Měření útlumu odrazu ORL Útlum odrazu ORL je definován jako poměr odraženého výkonu k/ku vlastnímu vysílanému výkonu, je dán vztahem

⎛ vysílaný výkon ⎞ ⎟⎟ ORL = 10 log10 ⎜⎜ ⎝ odražený výkon ⎠

[dB;W ,W ]

(1.13)

a měří se na vstupu testovaného zařízení (DUT, Device Under Test). Hodnota ORL vyjadřuje součet všech odrazů na celé měřené optické trase.



Konektory (nebo jiná součástka)

Příchozí světlo Zpětný odraz

Přenesené světlo

Obrázek 27 – Princip zpětného odrazu na konektoru či jiné součástce Je udáván v decibelech a nabývá kladných hodnot. Čím vyšší hodnota útlumu odrazu, tím lépe. Dalším pojmem používaným v souvislosti s ORL je odrazivost, ta je definována jako hodnota odraženého výkonu ku vysílanému výkonu a nabývá záporných hodnot. Útlum odrazu linky je tvořen Rayleighovým rozptylem na jádru vlákna a odrazivostí všech rozhraní a nehomogenit na lince. ORL může být problém u vysokorychlostních digitálních přenosových systémů, ale je přímo kritický pro analogové vysílání, jako například vysílání videa v pásmu 1550 nm používané v FTTx sítích (analogové RF video v sítích PON). Zatímco Rayleighův rozptyl je vlastností vlákna a nemůže být úplně eliminován, odrazivost je způsobena prvky sítě s rozhraním vzduch-‐ sklo nebo sklo-‐sklo a vždy může být řešena lepším návrhem, případně použitím kvalitnějších konektorů. Například konektory typu UPC dosahují typicky hodnot 50 až 55 dB útlumu odrazu, konektory typu APC dosahují typicky 60 až 65 dB útlumu odrazu ORL. K optimalizování kvality přenosu musí být odrazivost snížena na minimum. To znamená, že musí být věnována velká pozornost kvalitě spojů v síti a měření ORL. Hlavní důsledky ORL jsou: v silné kolísání výstupního výkonu laseru v přeslechy na straně přijímače v menší odstup signál-‐šum v analogových systémech, vedoucí k deformaci video signálu v vyšší poměr chybovosti (BER, Bit Error Rate) v digitálních systémech v možnost úplného zničení laserů

26 Potřebné vybavení pro měření ORL K měření ORL potřebujeme ORL metr (nebo ORL test set). ORL metr se skládá ze zdroje optického signálu a měřiče optického výkonu (OPM, Optical Power Meter) k měření odražené energie. Některé OLTS nebo OTDR metry umí změřit ORL celého systému a činí tak samostatný ORL metr nepotřebným.



27 Postup při měření ORL ORL metr by měl být zkalibrován a ověřen. Před připojováním kabelů je třeba změřit ORL zvlášť na každém výstupu rozbočovače v obou směrech. Ověřit jednotnost naměřených hodnot na všech portech rozbočovače. Poté provést pospojování a změřit celkové ORL.

28 Měření na vyšších vlnových délkách pomocí přímé metody U měření pomocí přímé metody se za posledních pár roků přešlo i na měření útlumu na vyšších vlnových délkách. Je to dáno především přechodem na služby pracující na vyšších vlnových délkách (video, RFoG) a pak na zjišťování ohybů na trase. Jelikož se v dnešní době primárně pro výstavbu optických tras používá jednovidových vláken, která šíří až 40% své navázané energie v plášti stal se kritickým parametrem tzv. průměr vidového pole. S vyšší vlnovou délkou zasahuje větší část energie do pláště. Při ohybu vzniká tlak a změna indexu lomu optického vlákna. Ohyb v případě optických vláken znamená vyvázání části energie ven z vlákna a tím nárůst útlumu optické trasy. Jak již bylo uvedeno průměr vidového pole, je silně závislí na vlnové délce. Měření pomocí přímé metody na vyšších vlnových délkách proto pomáhá technikům detekovat problémy na trase tj. makro-‐ohyby a velikosti útlumu. Používají se tedy následovné vlnové délky pro měření 850nm, 1300nm, 1310nm, 1490nm, 1550nm, 1610nm, 1625nm.

29 Výpočet limitu na útlum optické trasy Při budování optických tras je nezbytným krokem stanovení kvalitativních parametrů dané trasy. Jinými slovy řečeno projektant je postaven před úkol, jak kvalitně síť naprojektovat tj. zajistit minimální počet konektorových spojení, vypočíst útlumový plán trasy, napočítat počet svarů apod. všechny tyto parametry pak určují konečnou limitaci celé trasy. Celkový útlum trasy pak počítáme pomocí vzorce: A (λ ) = L × α (λ ) + N × AS (λ ) + M × Akonektor + A pasivní

(1.14)

,kde pak L je celková kabelová délka trasy, ɑ(λ) je měrný útlum kabelu pro vlnovou délku λ, N je počet svarů či spojek na vlákna, As(λ) je limitní útlum svaru, M je celé číslo 0, 1 nebo 2 podle použité metody měření, a to: metoda A.1 – M=2, metoda A.2 – M=1, metoda A.3 – M=0, Akonektor je limitní útlum konektoru, Apasivní je vložný útlum pasivních součástek zařazených do trasy, např. se jedná o vláknový dělič s poměrem 1:32, kdy musíme počítat s útlum okolo 15dB. Jako limitní měrný útlum kabelu pro danou vlnovou délku je nutno brát maximální hodnotu měrného útlumu udávanou výrobcem kabelu pro dané spektrální okno. Při měření je nutno počítat i s tím, že měřicí přístroj neměří přesně na nominální vlnové délce např. 1310nm, ale má jistou toleranci délky, např. ±10nm nebo dokonce až ±20nm. ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


Měření útlumu – hodnoty limitů Útlum svaru max. 0,10 dB Průměrný útlum svaru 0,04 – 0,08 dB Rozdíl útlumu svaru na různých vlnových délkách (A1550 – A1310) 0,02 – 0,04 dB Útlum konektorového spojení v trase max. 0,5 dB 0,05 – 0,2 dB Průměrný útlum konektoru Měrný útlum kabelových úseků Jednovidová vlákno pracující na vlnové délce 1310 nm 0,33 dB/km Jednovidová vlákno pracující na vlnové délce 1550 nm 0,2 dB/km Mnohovidové vlákno pracující na vlnové délce 850 nm 2,5 – 3 dB/km Mnohovidové vlákno pracující na vlnové délce 1300 nm 0,6 – 1 dB/km Tabulka 3 – Limity velikosti útlumu pro optická vlákna, svary a konektorové spojení



2 Úvod do disperzí a jejich měření Pakliže by byl přenášený signál vyslaný ze zdroje detekován na konci s nižší výkonovou úrovní (menší energií), ale bez změny tvaru, maximální dosah spoje by byl omezen pouze samotným útlumem použitého vlákna. Ve skutečnosti je však přenášený signál nejenom zeslabován, ale vlivem disperze ve vlákně dochází i k jeho zkreslení. Disperzní vlastnosti vlákna proto určují mezní frekvenci signálu, který lze vláknem přenést. Při návrhu jakéhokoliv optického spoje bychom měli mít k dispozici nejenom údaje týkající se útlumu použitých vláken, ale také co nejvíce informací o jejich disperzních vlastnostech z katalogových listů od výrobce. Za současného stálého růstu zájmu o vysokorychlostní přípojky od koncových uživatelů je kladen značný důraz na rozvoj nejenom páteřních spojů, ale také přístupových sítí alternativních poskytovatelů v dané lokalitě (ISP – Internet Service Provider). ISP pak musí investovat nemalé finanční částky do rozvoje svých sítí. S rostoucími požadavky od uživatelů na kvalitu služeb rostou i požadavky na celkovou kvalitu celé sítě a jejího managementu.

30 Vidová disperze Každému vidu, který se šíří optickým vláknem, odpovídá jistá skupinová rychlost šíření. V důsledku rozdílné skupinové rychlosti jednotlivých vidů dospěje jimi přenášená energie ke konci vlákna za rozdílnou dobu. Tím dochází ke zkreslování přenášeného signálu. Tento jev označujeme jako vidová disperze a setkáváme se s ní pouze u mnohovidových vláken. V praxi se nejčastěji vyskytují mnohovidová vlákna s gradientním profilem indexu lomu, který je popsán následujícím vztahem g ⎡ ⎤ r ⎛ ⎞ 2 2 ⎢ (2.1) n (r ) = n1 × 1 − 2Δ × ⎜ ⎟ ⎥ , ⎢ ⎥ a ⎝ ⎠ ⎦ ⎣ kde n (r) je profil indexu lomu v jádře vlákna, Δ je relativní rozdíl indexů lomu jádra n1 a pláště n2 daný vztahem

Δ=

(n

2 1

)

− n22 , 2n12

(2.2)

dále pak a je poloměr jádra daného typu vlákna, g je parametr mocninného profilu a r je vzdálenost daného bodu od osy vlákna. Přibližnou analýzu vláken s tímto profilem lze provést pomocí WKB metody (WKB -‐ Wentzel-‐Kramers-‐Brillouin -‐ je metoda pro nalezení přibližného řešení lineárních parciálních diferenciálních rovnic s prostorově různými koeficienty), podle které pro skupinové zpoždění jednotlivých vidů platí 2g ( N1 ⎡ g − 2 ) ( g +2 ) ⎤ τ g = × ⎢1 + Δ × ×x ⎥ , (g + 2 ) c ⎢⎣ ⎥⎦

(2.3)

kde N1 je skupinový index lomu jádře vlákna, c je rychlost šíření světla ve vakuu a x je souhrnný vidový index (0<x<1). Průběh skupinového zpoždění τg v závislosti na x pro vybrané hodnoty parametru profilu g je znázorněn na obrázek 28. Tento obrázek nám znázorňuje, že vidová disperze je největší u optických vláken se skokovým indexem profilem lomu (g=∞), kde značně převládá nad ostatními druhy disperze. Lze však značně omezit vyrovnáním rychlostí šíření jednotlivých vidů pomocí vhodného parametru g. Z tohoto hlediska je optimální tzv. blízce parabolický profil indexu lomu, ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


pro který se hodnota g pohybuju přibližně v rozmezí 1,95 až 2,00. Vidová disperze je potom ve srovnání se skokovým profilem indexem lomu až o tři řády menší. Přesná optimální hodnota parametru g je přitom závislá na materiálu a rozměrech optického vlákna a na použité vlnové délce záření k jejímu určení je proto třeba nelze použít zjednodušeného vztahu 2.3. Přirozeným faktorem, který rovněž omezuje vidovou disperzi a současně zvyšuje útlum v každém reálném mnohovidovém optickém vlákně, je vidová konverze. S vidovou disperzí se nesetkáme ve vláknech, podporující pouze jeden vid. I v těchto vláknech se však jediný vedený vid šíří ve dvou navzájem kolmých polarizačních stavech, přičemž každému stavu může odpovídat nepatrně odlišná skupinová rychlost šíření. V tomto případě však hovoříme o polarizační vidové disperzi.

31 Profilová disperze V literatuře o mnohovidových vláknech se často setkáváme rovněž s pojmem profilová disperze. Tento pojem souvisí s tím, že optimální profil indexu lomu vlákna je závislý na vlnové délce. Jestliže se disperzní vlastnosti příměsí liší od základního materiálu skla i mezi sebou navzájem, budou podmínky šíření i celková disperze na každé vlnové délce poněkud jiné a pro každou vlnovou délku bude tedy i jiný optimální profil indexu lomu (např. jiný optimální parametr g v (2.1)). Obecně se dá říci, že s rostoucí vlnovou délkou se zmenšuje hodnota optimálního parametru g (parametr gradientního profilu). Pro popis profilové disperze se obvykle zavádí parametr profilové disperze P, který je definován následujícím vztahem: λ dΔ (2.4) P= × Δ dλ ,který vyjadřuje již zmíněnou odlišnost disperzních vlastností základního materiálu (SiO2) a příměsí.

Obrázek 28 – Závislost skupinového zpoždění vidů τg na souhrnném vidovém čísle x pro vlákna s různým parametrem profilu g.



32 Materiálová disperze Materiálová disperze je způsobena závislostí indexu lomu skla použitého při výrobě optických vláken na vlnové délce záření. Tuto závislost lze popsat známými Sellmeirovými vztahy, podle kterých platí následující M M Aj (2.5) n2 = 1 + ∑ 2 = 1 + B j λ2 × λ2 − λ2j , ∑ 2 ω − ω j =1 j =1 j

(

)

(

)

Aj λ j Nq 2 , Aj = , Bj = (2π c )2 ε 0m

(2.6)

kde q je náboj elektronu a ε0 je permitivita vakua. V důsledku této závislosti, která je dána pouze materiálem skla, se každá spektrální složka přenášeného nemonochromatického signálu šíří poněkud jinou skupinovou rychlostí. Nyní si vysvětleme, proč v důsledku závislosti indexu lomu materiálu vlákna na vlnové délce dochází ke zkreslování přenášeného signálu. Pro dobu šíření rovinné elektromagnetické vlny daným prostředím platí vztah

dn ⎞ ⎛ dβ ⎞ ⎛ dλ ⎞ ⎛ L ⎞ ⎛ (2.7) ⎟ × ⎜ ⎟ × L = ⎜ ⎟ × ⎜ n − λ × ⎟ , dλ ⎠ ⎝ dλ ⎠ ⎝ dω ⎠ ⎝ c ⎠ ⎝ kde τg je skupinové zpoždění vlny, β je fázová konstant šíření této vlny, definovaná vztahem ⎛ 2π ⎞ (2.8) β = n × ⎜ ⎟ , ⎝ λ ⎠ dále L je délka její dráhy daným prostředím, n je index lomu, λ vlnová délka. Protože podle (2.5) je n=n(λ), dn/dλ≠0, bude velikost zpoždění τg pro každou spektrální složku přenášeného záření jiná. Při použití zdroje záření se spektrální pološířkou ∆λ, tak dojde k rozšíření přenášených optických impulsů přibližně o hodnotu

τ = τ g × L = ⎜

⎛ dτ g ⎞ ⎟⎟ . (2.9) Δτ = Δλ × L × ⎜⎜ ⎝ dλ ⎠ Z hlediska rozšíření impulsů a zkreslení signálu vlivem materiálové disperze nás tedy zajímá především člen dτg/dλ, který na základě (2.10) představuje jakýsi koeficient materiálové disperze. Podobné vztahy platí nejenom pro výše uvedenou rovinnou vlnu a materiálovou disperzi, ale v prvém přiblížení platí i pro celkovou chromatickou disperzi vidu šířícího se optickým vláknem.

33 Vlnovodná disperze Pro rovinnou elektromagnetickou vlnu v předchozí části (vztah 2.7) byla fázová konstanta šíření pouze funkcí použité vlnové délky a indexu lomu materiálu skla. V případě optických vláken je však situace složitější. Vlákny se šíří obecné hybridní vidy se všemi složkami elektrického a magnetického pole. Konstanta šíření každého hybridního vidu je závislá také na geometrických rozměrech vlákna, přesněji na poloměru jádra vlákna na vlnové délce a/λ, a na profilu indexu lomu. I za teoretického předpokladu, že materiálová disperze je nulová tj, že (n=konst.), bude tedy konstanta ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


šíření a skupinové zpoždění každého vidu funkcí vlnové délky. Uvedený jev se označuje jako vlnovodná disperze a při přenosu nemonochromatického záření přispívá ke zkreslování signálu stejným způsobem jako materiálová disperze. I zde je mírou zkreslení derivace dτg/dλ, ovšem za podmínky nulové materiálové disperze.

34 Chromatická disperze Tato disperze se stala jednou z nejvíce dominujících disperzní ovlivňující a limitující přenosové schopnosti optického spoje. Téměř všechny reálné zdroje optického záření, které lze použít pro přenos informací je nemonochromatický. Lze tedy říci, že přenos informací v optických komunikacích je vždy prováděn pomocí spojitého nebo kvazispojitého spektra vlnových délek. Optická vlákna však představují disperzní prostředí, jehož skupinový index lomu je spektrálně závislý. Jednotlivé složky přenášeného signálu či signálů se proto šíří optickým vláknem odlišnou skupinovou rychlostí. Jednotlivé spektrální složky tedy dorazí na konec optického vlákna za různou dobu, což opět přispívá ke zkreslení přenášeného signálu, viz obrázek 29. Uvedený jev, spojený s rozdílnou skupinovou rychlostí šíření jednotlivých spektrálních složek signálu, se nazývá chromatická disperze.

35 Působení chromatické disperze na přenášený optický signál Jak již bylo uvedeno, v důsledku chromatické disperze se budou různé spektrální složky tvořící přenášený impuls šířit vláknem různou rychlostí, což vede k roztažení impulsu v čase, což můžeme vidět na obrázku 29. Roztažený impuls pak může přesáhnout vymezený časový interval a bude pak zasahovat do sousedních bitových intervalů, čímž dojde ke zkreslení informace přenášené optickým spojem, viz obrázek 30. Pro vyšší přenosové rychlosti s užšími impulsy je samozřejmě degradující vliv roztažení impulsů silnější.

Obrázek 29 – Zobrazení principů chromatické disperze a jejího vlivu na přenos v optickém vlákně



Obrázek 30 – Zkreslení informace přenášené optickým spojem a EYE diagram Z obrázku 3O patrný další neblahý jev související s chromatickou disperzí. Roztažením impulsu v čase klesá jeho energie soustředěná v jeho vlastní bitové mezeře, což snižuje odstup přenášeného signálu od šumu (SNR – Signal Noise to Ratio). Toto je možné do určité míry kompenzovat zvýšením výkonové úrovně vysílaných impulsů. Velikost chromatické disperze optického vlákna charakterizuje tzv. koeficient chromatické disperze:

⎛ dτ g ⎞ ps ⎟⎟ , [ ] (2.10) D (λ ) = ⎜⎜ nm × km d λ ⎝ ⎠ udávající změnu skupinového zpoždění signálu τg při průchodu vláknem v závislosti na vlnové délce l. Hodnota koeficientu udává rozšíření impulsu (Gaussovského) v ps, při užití zdroje záření se spektrální pološířkou 1 nm, po průchodu vláknem délky 1 km. Z toho, co již bylo uvedeno, vyplývá, že velikost roztažení impulsů vlivem chromatické disperze roste s následujícími parametry: a) velikostí koeficientu chromatické disperze vlákna D b) spektrální šířkou zdroje záření Δλ – rychlosti jednotlivých spektrálních složek impulsu se budou více lišit c) délkou optické trasy L. Na obrázku 31 je zobrazena typická spektrální závislost koeficientu chromatické disperze D pro konvenční jednovidové vlákno (dle doporučení ITU-‐T G. 652).



Obrázek 31 – Závislost koeficientu materiálové a chromatické disperze na vlnové délce s vyznačenými body nulové disperze Jsou na ní vyznačeny i další dva důležité parametry: vlnová délka nulové chromatické disperze λ0 [nm] a sklon disperzní charakteristiky v místě nulové chromatické disperze S0 [ps/(nm2×km)]. Hodnoty těchto parametrů jsou, spolu s koeficientem chromatické disperze D (pro určité vlnové délky), běžně udávané mezi katalogovými údaji výrobců vláken a lze je také použít k poměrně přesným výpočtům tohoto koeficientu pro další vlnové délky. Typická hodnota disperzního sklonu S0 udávaná výrobci se v dnešní době pohybuje okolo 0,09 ps/(nm2×km).



Na obrázku 32 je zobrazena typická spektrální závislost koeficientu chromatické disperze D pro speciální vlákna s posunutou disperzní charakteristikou vyráběnou dle výrobců a (dle doporučení ITU-‐T).

Obrázek 32 – Závislost koeficientu chromatické disperze na vlnové délce pro různé typy optických vláken definovaných dle standardu ITU Z obrázku 32 je také patrné, že ve spektrální oblasti nad vlnovou délkou nulové chromatické disperze λ0 je koeficient chromatické disperze D kladný, tzn., že delší vlnové délky se ve vláknu zpožďují oproti kratším. Ve spektrální oblasti pod λ0 je tomu naopak. Spektrální oblast s kladným koeficientem chromatické disperze D se také nazývá oblastí s anomální chromatickou disperzí, zatímco oblasti se záporným koeficientem D říkáme oblast s normální chromatickou disperzí. Vlnová délka λ0 je pro konvenční vlákna v oblasti 1300 – 1324 nm. Koeficient D pro určitou vlnovou délku může být u konvenčních vláken též vypočítán s poměrně vysokou přesností pomocí vlnové délky nulové chromatické disperze λ0 a sklonu na této vlnové délce S0 podle vztahu:

⎡ ⎛ λ4 ⎞⎤ ⎛ S ⎞ ⎡ ps ⎤ (2.11) D (λ ) = λ × ⎢1 − ⎜⎜ 04 ⎟⎟⎥ × ⎜ 0 ⎟ , ⎢ nm × km ⎥ ⎣ ⎦ ⎢⎣ ⎝ λ ⎠⎥⎦ ⎝ 4 ⎠ který je i normalizován. V současnosti je pro přenos nejvýznamnější spektrální oblast okolo 1550 nm, kde dosahuje hodnota D konvenčních vláken cca 18 ps/(nm×km). To je již poměrně vysoká hodnota, jak uvidíme dále, a proto je snaha ji zmenšovat.



36 Chromatická disperze a optický přenosový systém Obecně lze říci, že impuls vysílaný zdrojem záření se spektrální pološířkou Δλ [nm], bude po průchodu optickým vláknem délky L [km], s vláknem o koeficientu chromatické disperze na dané vlnové délce D [ps/(nm×km)] časově rozšířen o Δτ [ps]:

⎡ ⎤ ps (2.12) ⎢ ps; (nm × km ) ; nm; km ⎥ ⎣ ⎦ Pro vyšší přenosové rychlosti s užšími impulsy blíže u sebe působí rozšiřování impulsů větší zkreslení a tím pádem představuje chromatická disperze silný omezující faktor přenosové rychlosti systému. Podívejme se na to, jak ovlivňuje použitý zdroj záření působení chromatické disperze na přenosový systém. Budeme zkoumat vzájemný vztah maximální přenosové rychlosti systému B, délky trasy L, koeficientu chromatické disperze vlákna D a spektrální pološířky zdroje záření Δλ. Při použití zdroje záření s relativně širokou spektrální pološířkou Δλ, proti níž je zanedbatelná spektrální šířka způsobená modulací přenášeného signálu, tedy Δλ zdroje >> B, lze zjednodušeně říci, že platí vztah:

Δτ = D (λ )× Δλ × L ,

⎛ ⎞ 1000k ⎟⎟ , L ≈ ⎜⎜ ⎝ B × D (λ ) × Δλ ⎠

⎡ ⎤ Gbit ps ⎢km; s ; (nm × km ) ; nm ⎥ ⎣ ⎦

(2.13)

kde k je konstanta vyjadřující odolnost systému na rozšiřování impulsů (např. k = 0,5 při odolnosti na roztažení impulsu o 1/2 bitového intervalu). Vztah přibližně platí pro zdroje záření: (LED -‐ Light-‐emitting diode) diody (Δλ ~ x10 nm), klasické Fabry-‐Perotovy laserové diody (Δλ ~ x nm), ale třeba i pro přímo modulované DFB laserové diody. Samotné (DFB -‐ Distributed Feedback) laserové diody mají extrémně úzká spektra, v kontinuálním režimu mají např. Δλ ~ 0,000x nm. Přímou modulací, kdy je signálem přímo modulován elektrický proud generující záření laserové diody, dochází však k rozšíření spektra vlivem tzv. chirp-‐u (čti čirpu) tj. kolísáním vlnové délky s průběhem impulsu. Tím se Δλ může rozšířit např. až na ~ 0.5 nm. U všech uvedených zdrojů záření je jejich spektrální pološířka daleko větší než spektrální šířka modulace přenášeného signálu (např. pro rychlost 2,5 Gbit/s je spektrální šířka modulovaného signálu kolem 0,02 nm v oblasti 1550 nm). V následujícím textu si uveďme jednoduché příklady výpočtu chromatické disperze a jiných parametrů s ní souvisejících. Příklad: Máme-‐li přenosový systém s F-‐P laserem se spektrální pološířkou 1 nm, který je odolný na rozšíření impulsu až o 1 bitový interval (k = 1), používající konvenční vlákno (G. 652) na 1550 nm s D = 18 ps/(nm×km), pro přenosovou rychlost 2,5 Gbit/s bude maximální vzdálenost jen cca. 22 km. Závislost je lineární, tzn., že při zvýšení přenosové rychlosti na 10 Gbit/s by klesla vzdálenost na cca. 5,5 km. Uvedené vzdálenosti jsou velmi krátké, což vedlo k různým cestám, jak vliv chromatické disperze zmírnit. Velmi používaná a vhodná je změna zdroje záření např. za úzkospektrální DFB laser s externím modulátorem (např. na principu Mach-‐Zehnderova interferometru). V takovém případě bude spektrální pološířka samotného zdroje záření daleko menší než spektrální šířka modulace přenášeného signálu (B >> Δλzdroje). Když ji oproti ní zanedbáme, bude spektrální šířka záření ve vláknu tvořena jen spektrální ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


šířkou modulace samotného signálu, tj. ve vztahu bude Δλ ~ B. Pak zjednodušeně platí vztah:

⎛ ⎞ ⎡ Gbit ps ⎤ x ⎟⎟ , (2.14) km; ; L ≈ ⎜⎜ 2 ⎢ s (nm × km )⎥⎦ ⎣ ⎝ B × D (λ ) ⎠ kde x je konstanta charakterizující odolnost systému na roztahování impulsů a obsahuje též přepočet Gbit/s na nm a charakteristiku spektra přenášeného signálu (pro náš příklad externě modulovaného DFB laseru na 1550 nm bude přibližně x ~ 104 000 k, kde k viz předchozí vztah 2.13). V případě našeho přenosového systému tentokrát s externě modulovaným DFB laserem a stejnými ostatními parametry (konvenční vlákno na 1550 nm s D = 18 ps/(nm×km) a systém s k = 1) vzroste maximální vzdálenost pro přenosovou rychlost 2,5 Gbit/s na cca 924 km. Závislost ovšem již není lineární a přenosová vzdálenost klesá s kvadrátem přenosové rychlosti: při zvýšení na 10 Gbit/s tak klesne na necelých 58 km. Oba uvedené případy a příklady jsou nejen zjednodušené, ale zároveň i do značné míry mezní, jelikož jsme vždy jednu část tvořící spektrum signálu zanedbali. Reálné systémy se budou pohybovat někde mezi nimi, i když většinou se budou blížit jednomu nebo druhému uvedenému případu. V praxi bývá u systémů v katalogových hodnotách uvedena maximální přípustná hodnota chromatické disperze trasy v jednotkách ps/nm, z které lze jednoduše vypočítat dosah systému. Např. u systému s maximální hodnotou chromatické disperze trasy 800 ps/nm je dosah s konvenčním vláknem (18 ps/(nm×km)) cca 44 km.

37 Možnosti snižování vlivu chromatické disperze na optický přenosový systém Kromě změny zdroje záření existuje celá řada možností jak snižovat nežádoucí dopady chromatické disperze, z nichž některé je zde vhodné zmínit. Prvotní parametr, ovlivňující chromatickou disperzi, je její koeficient v optickém vláknu D, a proto mu výrobci vláken věnují značnou pozornost. Jak bylo uvedeno výše, chromatická disperze se skládá ze dvou složek: materiálové a vlnovodové disperze. Součtem těchto dvou složek získáme koeficient chromatické disperze, neboli vztahem vyjádřeno: D(λ)=Dm(λ)+Dvl(λ). Nicméně je třeba mít na paměti, že všechny uvedené disperze jsou závislé na vlnové délce a tudíž se s ní i mění. Obě složky jsou jednoznačně dány již výrobou vlákna a chceme-‐li jejich hodnotu ovlivnit, musíme tak učinit v procesu výroby. Zatímco materiálovou disperzi danou pouze vlastnostmi materiálu prakticky ovlivnit nelze, volba vhodného profilu indexu lomu mění hodnotu vlnovodové disperze, a tudíž celkovou chromatickou disperzi. Tímto způsobem – změnami profilu indexu lomu ve vláknu – byla vyvinuta řada typů vláken s různě změněnou spektrální závislostí chromatické disperze. Na obrázku 33 jsou uvedeny některé typy vláken s různým profilem indexu lomu a různou spektrální charakteristikou chromatické disperze. Je zde vyznačena kromě spektrální závislosti celkové chromatické disperze Dtotal (s vyznačenou vlnovou délkou nulové chromatické disperze λ0) i spektrální charakteristika obou jejích složek. Je patrné, že zatímco spektrální průběh materiálové disperze je pro všechna vlákna stejný Dm (SiO2), závislost vlnovodové disperze Dvl je velmi odlišná, což je způsobeno různými profily indexu lomu ve vláknu, které jsou naznačeny vždy vlevo nahoře. Ze všech ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


obrázků je dobře patrné, že pro vlnovou délku s nulovou chromatickou disperzí λ0 se vlastně vzájemně kompenzuje vliv obou jejích složek. Na obrázku 33a je uvedeno klasické konvenční vlákno (dle ITU-‐T G. 652). Snaha výrobců po snižování hodnoty chromatické disperze v oblasti 1550 nm vedla k vývoji vlákna s posunutou disperzní charakteristikou DSF (Dispersion Shifted Fiber, dle ITU-‐ T G. 653), která mají posunutou vlnovou délku nulové chromatické disperze l0 do oblasti 1550 nm (obrázek 33b) a tudíž velmi nízkou chromatickou disperzi v této spektrální oblasti. V některých částech světa si toto vlákno získalo značnou oblibu (např. v Japonsku). Objevily se ovšem systémy s hustým vlnovým multiplexem DWDM (Dense wavelength division multiplexing), u kterých se šíří vláknem najednou i mnoho desítek vysoce výkonových spektrálních kanálů v oblasti kolem 1550 nm, jejichž nosné vlnové délky jsou spektrálně velice blízko sebe (typicky 0,8 nm a 0,4 nm). Ukázalo se, že při nulové či velmi nízké hodnotě chromatické disperze ve vlákně dochází mezi kanály k vzájemnému ovlivňování v důsledku nelineárních jevů a to zejména vlivem tzv. čtyřvlnného směšování FWM (Four Wave Mixing). Jako výsledek FWM mohou vzniknout další spektrální intermodulační produkty, jichž může být značný počet a mohou vznikat i na místech přenosových kanálů. Tím je samozřejmě přenos užitečné informace rušen, zkreslován a snižuje se odstup signálu od šumu. Z důvodu působení nelineárních jevů se tedy ukázala být hodnota nulové chromatické disperze ve spektrální oblasti určené pro přenos u DWDM systémů nevýhodná. Další vývoj se ubíral cestou vývoje vlákna s nízkou, nicméně dostačující hodnotou chromatické disperze. Tato vlákna v současnosti zažívající rozmach jsou označována jako vlákna s nenulovou disperzí NZDF (Non Zero Dispersion Fiber, dle ITU-‐T G. 655). Jejich spektrální charakteristika chromatické disperze je obdobná vláknům DSF (na obrázek 33b), přičemž vlnová délka nulové chromatické disperze leží mimo spektrální oblast určenou pro přenos. V ní je hodnota koeficientu chromatické disperze D nízká, ale z hlediska FWM dostatečná (např. pro vlákno LEAF od firmy Corning D = 2 ÷ 6 ps/ (nm×km) pro 1530 ÷ 1565 nm). S příchodem DWDM také vzrostl význam sledování sklonu spektrální charakteristiky chromatické disperze S. Z důvodu zajištění přibližně stejné hodnoty chromatické disperze pro všechny přenášené spektrální kanály je vhodné, aby byla tato charakteristika v užívané spektrální oblasti co nejplošší.



Obrázek 33 – Chromatická disperze v jednovidových vláknech se skládá z materiálové (m) a vlnovodné (vl), pokud budeme ovládat vlnovodnou disperzi, můžeme získat různé průběhy chromatické disperze: a) konvenční vlákno se skokovým profilem n a s nulovou hodnotou chromatické disperze v oblasti 1310nm. b) volba trojúhelníkového profilu indexu lomu vede ke snížení úrovně vlnovodné disperze a posunuje nulu chromatické disperze do oblasti 1550nm. Uvedený postup se uplatňuje u vláken s posunutou (DS) nebo nenulovou (NZD) hodnotou chromatické disperze. c) složitý vícevrstvý profil indexu lomu modifikuje vlnovodnou disperzi tak, že celková chromatická disperze je blízká nule v oblasti 1310 až 1550nm (vlákna s plochou disperzní charakteristikou -‐ DF) Na obrázku 33c je uvedeno vlákno, které je oproti dříve uvedeným typům jen velmi málo používané a je zde uvedeno jen jako další příklad. Je to vlákno s tzv. plochou disperzní charakteristikou DFF (Dispersion Flattened Fiber, definované dle ITU-‐T G. 654), které má nízkou hodnotou chromatické disperze ve spektrální oblasti 1310 – 1550 nm, přičemž ta v obou přenosových oknech (oblasti 1310 nm a 1550 nm) dosahuje i nulové hodnoty. Jak bylo několikrát uvedeno, koeficient chromatické disperze D [ps/ (nm×km)] je parametr vlákna ovlivnitelný pouze při jeho výrobě. Fakt, že D je prakticky nezávislý na okolních podmínkách (teplotní a další vlivy můžeme zanedbat), ani na kvalitě montáže optické trasy (a to ať už se jedná o mikro nebo makro ohybové ztráty), je velmi důležitý. Velikost chromatické disperze optické trasy lze tudíž v mnoha případech stanovit s relativně dostatečnou přesností poměrně jednoduchým výpočtem pomocí katalogových hodnot vlákna používaného pro budování optického spoje. V předchozích kapitolách jsme si navíc uvedli i vztah pro výpočet koeficientu D u konvenčního vlákna a ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


dokonce i pro různé vlnové délky. Pro ostatní zmíněné typy vláken by byl takový vztah složitější, neboť je ovlivněný profilem indexu lomu vlákna, avšak i pro takové typy vláken někteří výrobci obdobný vztah v katalogových údajích uvádějí. To, že se vliv chromatické disperze časem nemění, má také velký význam pro jeho kompenzaci či potlačování. Způsob této kompenzace může být statický – oproti kompenzaci např. polarizační vidové disperze (PMD -‐ Polarization Mode Dispersion), která je silně závislá na řadě vlivů včetně montáže či teplotních změn a její kompenzace je tudíž obtížná, drahá a méně efektivní. Kromě změny vlákna a zdroje záření existuje řada systémových nástrojů na zmírnění vlivu chromatické disperze na přenos: počínaje zvyšováním úrovně přenášených impulsů z důvodu zvýšení odstupu signál -‐ šum, přes vhodnou před-‐modulaci impulsů signálu jakýmsi před-‐chirp-‐em, spektrální konverzí vlnových délek impulsu signálu uprostřed trasy, až po různé metody obnovy signálu v přijímači. Celosvětově je také věnována velká pozornost výzkumu tzv. solitonového přenosu, při kterém je vliv chromatické disperze eliminován nelineárním jevem vlastní fázové modulace SPM (Self-‐Phase Modulation). Nakonec je dobré zmínit velmi významnou možnost potlačování chromatické disperze, jíž je její optická kompenzace na trase. Kompenzační vlákna DCF (Dispersion Compensation Fiber) mají vysokou hodnotu záporné chromatické disperze, její hodnota se pohybuje okolo D(λ)= -‐70 až 90 ps/(nm×km) a používají se pro kompenzování přenosových vláken s pozitivní hodnotou chromatické disperze v C a L pásmu. V tomto vláknu, které se obvykle připojuje na začátek nebo konec trasy (délka bývá pro konvenční vlákna cca. 1/6 délky vlákna trasy), dochází k opačnému disperznímu jevu než na trase a vyrovnává se zpoždění mezi složkami na různých vlnových délkách. Většinou se tyto DCF vlákna dodávají v kazetách, navíc tyto DCF vlákna vykazují většinou konstantní velikost chromatické disperze v celém C-‐pásmu (rozsah 1530 to 1565 nm). DCF vlákna musí mít většinou pro získání velké záporné disperze malou hodnotu efektivní plochy jádra od 20 -‐ 30μm2, což znemožňuje navázat do vlákna velký výkon bez vzniku nelineárních efektů jako je FWM. DCF vlákna mají navíc poměrně vysokou hodnotu měrného útlumu (~ 0,5 dB/km). U systémů DWDM navíc vyvstává požadavek pokud možno stejné kompenzace pro všechny přenášené spektrální kanály – tzn. kompenzace i sklonu disperzní charakteristiky S [ps/(nm2×km)]. Klasická DCF vlákna mají sice sklon disperzní charakteristiky opačný než konvenční či NZDF vlákna (záporný), nicméně nedostatečný pro kompenzaci sklonu disperzní charakteristiky konvenčních či NZDF vláken. Dnes jsou již nabízeny nové typy kompenzačních vláken s dostatečným záporným sklonem disperzní charakteristiky vhodným pro kompenzaci konvenčních i NZDF vláken. Umožňují to např. i speciální vícevidová vlákna HOM (High Order Mode fiber). Koeficient chromatické disperze těchto HOM vláken je navíc přibližně 3x vyšší než u klasických DCF vláken, a stačí tudíž oproti nim použít jen třetinu délky kompenzačního vlákna. Typická nominální hodnota chromatické disperze je -‐270 ps/(nm×km) při 1550 nm se sklonem v C-‐pásmu má -‐5,6 ps/nm2. Mohou být použity pro disperzi a disperzní sklon kompenzace v celém optickém pásmu (C + L) na dálkových DWDM vedeních s navrženými NZ-‐DSF vlákny. HOM vlákna mají též nízký měrný útlum a jsou odolná na nelineární jevy. Další možnost kompenzace chromatické disperze představují vláknové Braggovské mřížky s chirp-‐em. Vláknové Braggovské mřížky (FBG) jsou vlnově-‐ selektivní zrcadla zapsané do jádra SM vlákna pomoci UV laseru. Ozáření jádra vlákna výkonným UV laserem způsobí změnu indexu lomu v bodě soustředění UV záření. ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


Periodickou změnou indexu lomu n jádra vlákna, viz obrázek 34, je vytvořeno dielektrické zrcadlo o specifické vlnové délce, které se nazývá Braggovská mřížka. Profil indexu lomu mřížky může být například upraven lineární změnou v periodě mřížky. Takovou mřížku s proměnnou periodou mřížky lze použít pro obdobnou funkci jako kompenzační vlákno, ale obvykle jen pro poměrně úzkou spektrální oblast několika nm (typicky do cca 6 nm). Pro kompenzaci chromatické disperze více spektrálních kanálů např. pro DWDM systém je nutné v tomto případě použít kaskádu takových mřížek. To však pak vede k vysoké ceně kompenzace takového systému a proto se moc nenasazuje do komerčních sítí, avšak pro jednodušší systémy jsou ekonomický únosné. Výhodou využití Braggovských mřížek pro kompenzaci disperze je pak velká šířka pásma, filtrace jednotlivých signálů, zostření spektra a laditelnost mřížek. Hlavní nevýhodou kompenzačních mřížek je zvlnění skupinového zpozdění způsobené vysokofrekvenční odchylkou ze střední disperzní křivky mřížek v závislosti na vlnové délce. DCM (DCM – dispersion compensating module) s FBG mají úzký operační vlnový rozsah a nejsou vhodné pro kompenzaci celého optického pásma. Dnes již ovšem jsou nabízeny také širokospektrální kompenzátory s Braggovskou mřížkou pro pásmo široké až 35 nm. Princip kompenzace pomocí FBG můžete vidět na obrázku 36, kde je vysílač s trasou např. 100km a vložený modul DCF s FBG. V modulu je umístěna soustava, která má vepsán určitý počet FBG pro dané vlnové délky a ty selektivně odráží určitou vlnovou délku světla (λ) a ostatní λ propouští. Tím se rozšíří spektrum odrážených vlnových délek a taková FBG se pak nazývá FBG s chirp-‐em. Se změnou periody mřížky dochází k odrazu různých vlnových délek. „Rychlejší“ část spektra pulsu se odrazí dále na FBG mřížce a „pomalejší“ část spektra pulsu se odrazí dříve, viz obrázek 35. Tím dojde k časové kompresi pulsu a kompenzaci chromatické disperze. Spektrum (viz obrázek 8) takto odraženého pulsu je užší než spektrum pulsu vstupního. Optický cirkulátor umožňuje bezpečný obousměrný přenos po jednom vlákně i na jedné vlnové délce. Dále signál putuje do přijímače. FBG mřížka má konstantní vložný útlum menší než 3 dB (toto platí do cca 120 km délky SMF vlákna), který je dán reflektivitou FBG mřížky a vložným útlumem cirkulátoru. Dále má menší rozměry než DCF vlákna a umožňuje snadné rozšíření kompenzačního modulu DCM o další pásma bez nutnosti přerušení trasy. Laditelné FBG kompenzátory se především používají v 40 Gbit/s optických systémech, kde mohou kompenzovat až 50 km dlouhá optická vlákna, viz obrázek 36.

Obrázek 34 – Vlákno s Braggovskou mřížkou



Obrázek 35 -‐ Zpožďování vlnových délek pomocí FBG mřížky

Obrázek 36 – Schematické uspořádání kompenzace chromatické disperze pomocí kompenzátoru využívajícího FBG mřížky v optické trase



38 Měření chromatické disperze Na úvod části o měření bychom se chtěli vrátit k tomu, proč vlastně roste poptávka po měření chromatické disperze, když bylo řečeno, že chromatickou disperzi je relativně jednoduché s poměrně vysokou přesností spočítat. Za prvé se jedná o zvyšování bitové rychlosti. Impulsy nesoucí informaci jsou blíže u sebe a disperze více omezuje dosah spoje. Roste tedy nutnost dokonalejší a přesnější eliminace či kompenzace vlivů chromatické disperze a vzrůstá tudíž i potřeba jejího stále přesnějšího stanovování – tedy měření. Navíc s dalším zvyšováním přenosových rychlostí až na 100 Gbit/s a výše vyvstávají další obtíže, které byly u nižších přenosových rychlostí zanedbatelné – např. se zkoumá dosud zcela zanedbatelná teplotní nestabilita hodnoty chromatické disperze vlákna a kompenzačního prvku a z toho plynoucí možná potřeba kompenzace dynamické. Tím dále narůstají požadavky na přesné stanovení hodnoty chromatické disperze. Další oblast, kde může být měření chromatické disperze nutné, je nasazování hustého vlnového multiplexu DWDM. Při nasazení tohoto přenosového systému využíváme, na rozdíl od klasických jednokanálových systémů, širokou spektrální oblast (dnes většinou tzv. C a L pásmo od 1530 nm do 1625 nm). Zajímá nás potom chromatická disperze v celé použité spektrální oblasti. S tím ještě souvisí zlepšování parametrů optických vláken, které umožňují kromě C a L pásma využít daleko širší spektrální rozsah (u jednovidových vláken je to teoreticky od 1260 nm do 1675 nm). Posledním důvodem je skutečnost, že s postupnou liberalizací telekomunikačního trhu může být signál přenášen po různých vláknech různých provozovatelů (unbundling). V takovém případě již nemusí být úplně jednoduché zjistit a spočítat chromatickou disperzi pro určitou trasu. Jak bylo uvedeno, chromatická disperze optického vlákna způsobuje rozdílné zpoždění různých spektrálních složek signálu. Toto zpoždění můžeme v zásadě zjišťovat buď přímým měřením časového zpoždění signálů o různých vlnových délkách, nebo měřením jejich fázového zpoždění. Dopředu si můžeme říci, že ve většině případů budeme toto zpoždění měřit pro několik vybraných vlnových délek, a proto pak musíme pro stanovení samotné chromatické disperze použít ještě matematickou aproximaci, o které bude řeč později. (Plyne to z definice chromatické disperze jako změny skupinového zpoždění signálu v závislosti na vlnové délce – viz definice výše). Principy základních metod měření chromatické disperze jsou známy již dlouhou dobu a jejich uplatnění v praxi závisí hlavně na technologickém vývoji a jeho možnostech. Každá z dále uvedených metod existuje v různých modifikacích podle výrobce, a proto se budeme snažit vysvětlit základní principy jednotlivých metod s popisem některých z možných řešení. Obecně se dá o metodách pro měření chromatické disperze říci, že se jedná o metody velmi přesné a to z toho důvodu, že vždy jde v podstatě o měření určitého času, což patří mezi nejpřesnější proveditelné měření vůbec. Přesnost měření je vždy závislá na konkrétním měřicím přístroji, na parametrech jeho komponent a jejich stabilitě. Můžeme však tvrdit, že u všech základních metod dnes dosahujeme přesnosti stanovení koeficientu chromatické disperze v desetinách i setinách ps/(nm×km) a přesnosti stanovení vlnové délky nulové chromatické disperze až v desetinách nm.



39 Měření chromatické disperze metodou fázového posuvu a diferenciálního fázového posuvu Metoda fázového posuvu je dle doporučení ITU-‐T G. 650 uvedena jako referenční metoda pro měření chromatické disperze optických vláken. Princip měření je znázorněn na obrázku 37. Pro měření se využívá modulovaný signál, šířící se prostřednictvím několika vlnových délek měřeným vláknem optické trasy. Po průchodu trasou je signál detekován a pomocí přístroje pro měření fáze (například vektorvoltmetr) je zjištěna jeho fáze. U metody fázového posuvu je tato měřená fáze porovnána s fází vstupního signálu a z tohoto porovnání získáme změnu fáze signálu po průchodu měřenou trasou – z čehož zjistíme zpoždění. Proto je nutné u této metody použít další tzv. referenční trasu např. jiné vlákno v kabelu. Pomocí té přenášíme k přijímači informaci o fázi vstupního signálu.

Obrázek 37 – Metoda fázového posuvu V praxi se více používá metoda diferenciálního fázového posuvu, u které měříme vzájemný rozdíl fází signálů na různých vlnových délkách. Z toho důvodu není nezbytné přenášet referenční signál na detekční stranu trasy. Blokové schéma pro tuto metodu je stejné jako pro metodu fázového posunu bez nutnosti spojení referenčního signálu (viz obrázek 37). V praktických uspořádáních se však i u této metody většinou používá při měření dvou vláken: jedno měřené a jedno komunikační. Po komunikačním vlákně se přenášejí informace z výstupu na vstup, kterými je možné ovládat vysílač – např. nastavování vlnové délky a měřicí modulační frekvence, o které bude řeč dále. Jako zdroj záření měřicí soustavy je možné využít širokospektrální zdroj (LED nebo zdroj ASE (Amplified Spontanous Emission – zesílená spontánní emise) vláknových zesilovačů EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier), přičemž jednotlivé vlnové délky jsou vybírány pomocí monochromátoru a to buď ihned za zdrojem záření, nebo před detekční soustavou. Další možností je využít skupinu laserových diod. Každé z těchto řešení má samozřejmě své výhody i nevýhody. Použití širokospektrálního zdroje záření má oproti sadě laserových diod výhodu ve větší stabilitě vlnové délky vybírané monochromátorem, zatímco v druhém případě lze dosáhnout vyššího dynamického rozsahu. Jak už bylo řečeno, zdroj optického záření je modulován signálem o určité frekvenci. Ta se pohybuje v řádu stovek MHz (100, 300 MHz) až desítek GHz. Modulační frekvence je volena tak, aby byl zajištěn rozdíl vstupní, a výstupní fáze pouze během jedné periody což vyloučí nejednoznačnost měření. Modulační frekvence nám také udává, jaké největší zpoždění (disperzi) je možné měřit. Např. pro modulační frekvenci 100 MHz se jedná o celkové maximální měřitelné zpoždění 10 ns. Pro měření většího ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


zpoždění by byla nutná volba nižší modulační frekvence. Důvodem, proč se nepoužívají nižší modulační frekvence, je nutnost dostatečné přesnosti měření, která se s nižší modulační frekvencí snižuje. Ideální by z tohoto pohledu byla možnost volby modulační frekvence. Metody, při kterých je měřena fáze (rozdíl fází), se pro měření chromatické disperze používají nejdéle. Doba měření jednoho vlákna se pohybuje řádově v desítkách sekund až jednotek minut a je závislá zejména na počtu měřených vlnových délek. Přesnost měření je u této metody ovlivněna zejména stabilitou zdroje signálu o požadované frekvenci a zdroje optického záření. Jednou ze zajímavých modifikací této metody je přímé měření chromatické disperze. Jako zdroje záření je totiž možné využít laditelný zdroj záření (nebo laditelný filtr), kterým je možné plynule měnit vlnovou délku. Takovým způsobem je potom možné měřit přímo chromatickou disperzi, protože je možné sledovat změnu zpoždění v závislosti na změně vlnové délky, což je vlastně samotná chromatická disperze (viz definice výše). Používá se i jiný způsob přímého měření chromatické disperze. Měří se v několika spektrálních bodech, ve kterých se změna vlnové délky neprovádí laditelným zdrojem záření, ale dalším modulačním signálem o nízké frekvenci (např. ~ 200 Hz). Tímto signálem je modulován výstupní signál ještě poté, co byl modulován zmíněným měřicím modulačním signálem (např. 100 MHz). Docílí se tím jemného rozmítání vlnové délky v daných spektrálních bodech.

40 Měření chromatické disperze interferometrickou metodou Základem této metody je interference (interferencí se zde rozumí vzájemné skládání světelných vln, při němž se zesilují nebo potlačují určité barvy ve spektru dopadajícího světla. Interference vln je tedy projevem superpozice vlnění.) K měření se využívá nejčastěji Michelsonova nebo Mach-‐Zehnderova interferometru. Princip této metody je znázorněn na obrázku 38. Měřený vzorek tvoří jedno rameno Mach-‐ Zehnderova interferometru, zatímco pro druhé rameno je použita referenční cesta se známou chromatickou disperzí. Na detekční straně dochází k interferenci mezi signály z obou ramen. Měníme-‐li délku referenční cesty, můžeme sledovat pomocí interference vzájemný fázový rozdíl signálů z obou ramen. Pro referenční cestu může být použito krátké optické vlákno (patchcord) nebo může být optický paprsek veden pouze vzduchem za pomocí optické soustavy.

Obrázek 38 – Metoda interferometrická Jelikož měřené vlákno srovnáváme s referenční větví, používá se tato metoda pro měření jen velmi malých hodnot zpoždění vlivem chromatické disperze – jen krátkých úseků optického vlákna (do 10 m). Metoda není vhodná pro měření optických tras v ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


terénu a používá se pro přesná laboratorní měření krátkých vláken či pro měření součástek. S touto metodou se např. měří závislost chromatické disperze optického vlákna na teplotě. Jako zdroj záření měřicí soustavy se využívá sada laserových diod nebo širokospektrální zdroj (např. LED nebo ASE), přičemž pro výběr jednotlivých vlnových délek slouží monochromátor umístěný za zdrojem záření nebo před detektorem. Jelikož se tato metoda nepoužívá pro měření optických tras, leží poněkud stranou našeho hlavního zájmu.

41 Měření chromatické disperze metodou zpoždění impulsů v časové oblasti V případě této metody jsou do měřené trasy za sebou vyslány optické impulsy o různých vlnových délkách a to v přesných časových rozestupech. Z porovnání rozestupů jednotlivých optických impulsů na vstupu a na výstupu měřené trasy se potom určuje zpoždění vlivem chromatické disperze. Princip této metody je naznačen na obrázku 39. Jako zdroj záření měřicí soustavy je možné využít opět skupinu laserových diod nebo širokospektrální zdroj, kdy jednotlivé vlnové délky budou vybírány pomocí monochromátoru (buď ihned za zdrojem záření, nebo před detekční soustavou). Rozestup impulsů na vstupu měřené trasy nám udává, jaké největší zpoždění (disperzi) je možné měřit. Bude-‐li totiž zpoždění větší než je rozestup impulsů, dojde k záměně pořadí impulsů, a tedy k chybnému měření. Tento jev by bylo možné odstranit spektrálně selektivní přijímací soustavou. Toto řešení je však velmi technicky a ekonomicky náročné.

Obrázek 39 – Metoda zpoždění impulsů v časové oblasti Na obrázku 40 je ukázka možné konfigurace této metody. Generátor impulsů moduluje záření širokospektrálního zdroje, což je LED dioda. Jako monochromátor funguje kaskáda Braggovských mřížek. Ta z přicházejícího impulsu odráží zpět do měřené trasy složky o vybraných vlnových délkách s určitými časovými rozestupy. To je dané tím, že kaskáda je tvořena odlišnými mřížkami, mezi nimiž jsou úseky optického vlákna, a každá mřížka odráží záření o různé vlnové délce. Tím přichází do měřeného vlákna trasy sled impulsů o různých vlnových délkách s danými časovými rozestupy. Po průchodu trasou se vlivem chromatické disperze časové rozestupy impulsů změní. Porovnáním rozestupů na vstupu a výstupu měřené trasy zjistíme hodnoty zpoždění vlivem chromatické disperze.



Obrázek 40 – Příklad možné konfigurace pro metodu měření zpoždění impulsů v časové oblasti Metoda zpoždění impulsů v časové oblasti nemá většinou možnost nastavování vstupních rozestupů mezi impulsy. Ty jsou dány přímo mechanickou konstrukcí přístroje. K měření se vzhledem k tomu používá pouze jedno optické vlákno (přímo měřená trasa), protože přijímací strana zná vstupní rozestup impulsů a není třeba referenční cesty. Tato metoda byla dovedena k praktickému použití před dvěma lety. Jedná se o velmi rychlou metodu, u které doba měření jednoho vlákna netrvá déle než několik sekund (neplatí pro modifikaci OTDR -‐ Optical time-‐domain reflectometer). Přesnost měření je dána na jedné straně zejména částí měřicí soustavy, která určuje rozestupy mezi jednotlivými impulsy, jež jsou do vlákna posílány (v uvedeném případě to byla kaskáda Braggovských mřížek). Na straně druhé je též přesnost ovlivněna faktem, že vlivem chromatické disperze se impulsy od sebe nejen navzájem vzdalují, ale také sami roztahují. To je způsobeno tím, že i každý impuls je tvořen zářením o určité spektrální šířce, v našem případě dané příslušnou Braggovskou mřížkou v kaskádě. Roztahování impulsů může působit jisté problémy při přesném stanovení jejich časové polohy a tudíž i jejich vzájemných rozestupů. Z tohoto důvodu u této metody přesnost měření závisí také na velikosti měřené chromatické disperze.

42 Zpracování výsledků měření Chromatická disperze je definována jako závislost změny skupinového zpoždění na vlnové délce. Z uvedených metod plyne, že ve většině případů tuto změnu neměříme (výjimkou je jedna zmíněná modifikace metody diferenciálního fázového posunu). To, co zpravidla měříme, je jen zpoždění signálů na různých vlnových délkách. Samotnou chromatickou disperzi musíme z naměřených hodnot stanovit pomocí matematické aproximace – proložíme naměřené hodnoty určitou křivkou. Její sklon v každém spektrálním bodě nám pak dává hodnotu chromatické disperze na dané vlnové délce. Pro konvenční jednovidová vlákna (dle ITU-‐T G. 652) se pro aproximaci používá tříčlenný Sellmeierův vztah: (2.15) τ g (λ ) = A + B × λ2 + C × λ−2



Uvedená rovnice je pro výpočet dostatečně přesná ve spektrální oblasti nulové chromatické disperze (1270 – 1314 nm). Pro spektrální oblast okolo 1550 nm je rovnice též použitelná s poněkud menší přesností aproximace. Pro jednovidová vlákna s posunutou disperzní charakteristikou (DSF dle ITU-‐T G. 653) a pro jednovidová vlákna s nenulovou chromatickou disperzí v oblasti 1550 nm (NZDF dle ITU-‐T G. 655) se používá kvadratická aproximace: (2.16) τ g (λ ) = A × λ2 + B × λ + C Uvedená rovnice je dostatečně přesná ve spektrální oblasti okolo 1550 nm (oblast nulové chromatické disperze těchto vláken). Rovnice se ovšem v tomto případě nedá použít pro pásmo okolo vlnové délky 1310 nm. Pro zjištění chromatické disperze v této spektrální oblasti je třeba provést další měření přímo v dané oblasti. Pro jiné speciální typy vláken (např. kompenzační DCF vlákna) je vhodné použít pětičlenný Sellmeierův vztah: (2.17) τ g (λ ) = A + B × λ2 + C × λ−2 + D × λ4 + E × λ−4 Koeficienty ve všech rovnicích se vypočítávají z naměřených hodnot jako příslušná soustava rovnic. Veškeré uvedené aproximační rovnice jsou určeny zejména pro oblast nulové chromatické disperze, kde je přesnost měření nejkritičtější. Výsledky měření jsou tedy ovlivněny nejen výběrem vhodné aproximace, ale také spektrální oblastí měření. Uvedené vztahy též udávají nutný počet měřicích vlnových délek – kromě speciálních vláken alespoň tři. A vždy platí, že nejpřesnějšího vyhodnocení docílíme, pokud jsou ve spektrální oblasti, pro kterou chromatickou disperzi zjišťujeme nebo v oblasti nulové chromatické disperze daného vlákna (viz zmíněné úskalí metody OTDR – obvykle s několika málo vlnovými délkami pokrývajícími velmi široké spektrální pásmo).

43 Popis polarizační vidové disperze Polarizační vidová disperze (PMD – Polarization Mode Dispersion) má stejný efekt na šíření optického signálu v optickém vlákně jako jiné typy disperze. PMD disperze vede k nežádoucímu časovému roztažení a zkreslení signálu a tak omezuje šířku pásma a linearitu přenosu. V jednovidovém optickém vlákně je hlavním faktorem omezujícím rychlost přenosu chromatická disperze. Tu lze minimalizovat buď použitím zdroje záření s malou spektrální pološířkou (např. DFB laser s Δλ≈0,00003 nm) nebo výběrem vhodného vlákna (DS nebo DF). Lze ji rovněž kompenzovat speciálními technikami (zapojením speciálního kompenzačního vlákna do trasy nebo Braggovou mřížkou). Použijeme-‐li některou z výše uvedených technik, může se jednoduše stát, že se PMD disperze stane primárním omezujícím faktorem, zejména pro rychlé přenosové trasy nebo pro delší vzdálenosti. Avšak na rozdíl od chromatické disperze, PMD disperze se v současnosti nedá kompenzovat! Po několika letech odborných diskuzí a experimentů se měření PMD stává standardním postupem při měření optických přenosových kabelů a tras. Protože PMD je, podobně jako útlum, ovlivňována mechanickými vlivy, je nutno ji měřit na všech etapách výroby optických vláken, kabelů a také optických tras.



44 Základní pojmy V jednovidovém optickém vlákně se šíří pouze jeden prostorový vid, jeho energie je však rozložena do dvou vzájemně kolmých polarizačních vidů. V případě ideálně podélně homogenního (bez jakýchkoliv ohybů, pnutí a namáhání) vlákna se oba polarizační vidy šíří stejnou rychlostí a jsou tzv. degenerované. V reálném vlákně existuje v důsledku teplotního nebo mechanického namáhání vždy zbytkový dvojlom, což vede k odstranění degenerace polarizačních vidů. Některé z uvedených vlivů znázorňuje obrázek 41.

Obrázek 41 – Vlivy vnější a vnitřní působící na optická vlákna a jejich vznik PMD Každý polarizační vid se pak šíří jinou rychlostí, což způsobuje vznik polarizační vidové disperze. Rozdíl v šíření polarizačních vidů ideálním a reálným vláknem se zobrazen na obrázku 42.



∆τ

t

rychlá osa

z,t

pomalá osa

∆τ

Obrázek 42 -‐ Rozdíl v šíření polarizačních vidů ideálním a reálným vláknem Při dostatečně spektrálně úzkém impulsu může být tento efekt charakterizován tzv. diferenciálním skupinovým zpožděním (DGD -‐ Differential Group Delay) Δτ mezi oběma polarizačními vidy, které je obvykle vyjadřováno v pikosekundách. Tato veličina se náhodně mění podél optického vlákna, a proto se spíše uvažuje s její střední hodnotou (v čase nebo podle vlnové délky) <Δτ>. Ve srovnání s chromatickou disperzí je PMD značně menší, ale stává se významnou pro vlnovou délku nulové chromatické disperze λ0. Polarizační vidy šířící se optickým vláknem nejsou zcela nezávislé a dochází k přelévání energie mezi nimi, tj. k mezividové vazbě. Je to zcela stochastický proces, který je silně ovlivňován vnějšími faktory působícími na optické vlákno. Zobrazení normovaného DGD v optickém vlákně měřeného na třech pozicích. Silná změna DGD je dána umístěním optického vlákna, kdy je vlákno umístěno v teplotně nestabilizované laboratoři viz obrázek 43.



Obrázek 43 -‐ Změna DGD je dána umístěním optického vlákna, kdy je vlákno umístěno v teplotně nestabilizované laboratoři

Pro popis PMD je velmi užitečný pojem tzv. vazební délky lc (nebo korelační délky), která udává délku vlákna nebo kabelu, při níž dojde k výrazné vazbě mezi oběma vidy. S ohledem na délku měřeného optického vlákna vůči jeho vazební délce rozlišujeme dva krajní případy. V prvním případě je délka měřeného vlákna podstatně menší než vazební délka, tj. L<


⎛ P × Δτ PMD = ⎜⎜ ∑ ⎝ ∑ P

⎞ ⎟⎟ ⎠

Obrázek 44 – PMD vláken s velkým dvojlomem

Vlákna s velkým dvojlomem viz obrázek 44, která jsou vyráběna speciálními technologiemi a jejich konstrukce je zcela odlišná od konstrukce běžných telekomunikačních vláken mají význam v systémech s koherentní detekcí. Značné uplatnění našla tato vlákna také v oblasti vláknových optických senzorů při vývoji interferometrických senzorů (vláknové gyroskopy, hydrofony apod.). Běžná telekomunikační jednovidová vlákna jsou vyráběna takovým technologickým postupem, aby byl ve vlákně minimalizován jeho vnitřní dvojlom s cílem zvětšit vazbu mezi polarizačními vidy. Tato vazba se projevuje plynulým předáváním optického výkonu mezi oběma polarizacemi. Síla této vazby náhodně fluktuuje podél vlákna a je silně závislá i na malých změnách vnějších podmínek, jako jsou teplota, tlak, vibrace, vítr apod. Vazební délka konvenčních jednovidových vláken je řádově 100m. V důsledku vazby vidů dojde k vzájemnému prolínání impulsů z obou polarizačních stavů, což se na výstupu vlákna projeví v celkovém rozšíření přenášených impulsů, tak jak je znázorněno na obrázku 45. Bez vzájemné vazby

Pomalý stav zpoždění

S vazbou mezi polarizačními stavy Rychlý stav

Pomalý stav pnutí, ohyby nebo sváry

Zpoždění a roztečení stavů

Obrázek 45 – Přelévání výkonu mezi polarizačními stavy



Při měření takových vláken je obvykle délka měřeného vlákna nebo kabelu podstatně větší než vazební délka, L>>lc a PMD už není lineární funkcí délky. V tomto případě se koeficient PMD vyjadřuje vztahem: ⎡ ps ⎤ 〈 Δτ 〉 (2.19) PMDkoef = ⎢ ⎥ , L ⎣ km ⎦ Tady je jistá obdoba s vidovou disperzí mnohovidových vláken, kde také šířka pásma není lineární funkcí délky, ale její odmocniny. Při šíření optického impulsu vláknem dochází pak k náhodnému přelévání energie mezi oběma polarizačními vidy a při měření v časové doméně se PMD spočítá z pološířka Gaussovy aproximační křivky zobrazené na obrázku 46. V případě, kdy je délka měřeného vlákna srovnatelná s vazební délkou L≌lc je situace složitější a výpočet koeficientů PMD vyžaduje speciální postupy.

1

⎛ P × Δτ 2 ⎞ 2 ⎟⎟ PMD = ⎜⎜ ∑ ⎝ ∑ P ⎠

Obrázek 46 – PMD konvenčních jednovidových vláken

Jak již bylo uvedeno, telekomunikační jednovidová vlákna patří do skupiny vláken, pro která platí L>>lc. Vzhledem k tomu, že u těchto vláken roste celková hodnota PMD s odmocninou délky trasy, zavádí se pro možnost vzájemného porovnávání parametrů vláken normalizovaná hodnota PMD, která bývá udávaná v jednotkách ps/km-‐1/2, pro niž platí vztah 2.19. Na základě prací spojených se sledováním PMD se ukazuje, že PMD je velmi omezujícím faktorem nejen pro analogové TV přenosy, ale i pro 10Gbit/s systémy pracující na principu TDM. Ukazuje se, že pro TDM systémy s přenosovou rychlostí 10Gbit/s je nutné, aby celková hodnota PMD optické přenosové trasy nebyla větší než 10ps. V následujících tabulkách uvádíme hodnoty PMD pro různé přenosové rychlosti na optických trasách. Dále je zobrazena závislost PMD na délce trasy pro různé přenosové rychlosti tabulka 4, 5 a obrázek 47.



PMD [ps/km1/2] 2,5Gbit/s 10Gbit/s 40Gbit/s 3,0 180km 11km <1km 1,0 1600km 100km 6km 0,5 6400km 400km 25km 0,2 40000km 2500km 160km 0,1 160000km 10000km 625km

Tabulka 4 – Tabulka vyjadřující požadavek PMD na délku trasy a opačně v závislosti na přenosových systémech

PMD [ps/km1/2] 2,5Gbit/s 10Gbit/s 40Gbit/s

100km 1,6 0,4 0,1

200km 1,11 0,28 0,07

400km 0,8 0,2 0,05

Tabulka 5 – Tabulka vyjadřující limit pro PMD na délku trasy a opačně v závislosti na přenosových systémech

PMD Link Value [ps/km1/2]

4.0 2.0

2.5 GB/s

1.0 0.7 0.4 10 GB/s 0.2 0.10 0.07 0.04

40 GB/s 40 GB/s worst case Dispersion Compensation

0.02 0.015

10

ITU/T G.652.D G.655.C G.656

0

20

0

30

0

40

0

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 000 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 Délka [m]

Obrázek 47 – Zobrazení limitu PMD pro různé přenosové systémy V případě PMD je však situace o to horší, že ji na rozdíl od ostatních parametrů optických vláken nelze žádným způsobem eliminovat. Jedinou možností, jak se s ní vyrovnat, je výroba optického vlákna s garantovanou hodnotou PMD (<0,5 ps/km-‐1/2) ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


normalizovanou hodnotou této disperze. Kromě vláken se na celkové hodnotě PMD optické trasy i další pasivní součástky, když ve srovnání s vlákny je jejich vliv zpravidla malý. V následující tabulce, jsou pro orientaci uvedeny hodnoty PMD některých optoelektronických součástek viz tabulka 6. Součástka PMD = <Δτ> (ps) Optický konektor PC, APC <0,01 Optický dělič <0,02 Optický izolátor <2

Tabulka 6 -‐ Hodnoty PMD pro některé optické součástky Jak již bylo uvedeno, velikost PMD silně závisí na mechanických vlastnostech a namáhání optického vlákna na trase. Při kabelování vláken má vliv na PMD také typ sekundární ochrany a uspořádání vláken. Proto optické kabely s volnou sekundární ochranou mohou mít odlišné PMD od kabelů s páskovou (ribbon) strukturou vláken, když v obou případech byla použita stejná vlákna. Taktéž se mohou lišit PMD jednotlivých vláken v trubce. Z těchto důvodů je nutné, obdobně jako v případě útlumu, měřit PMD na všech etapách vývoje a výroby optického vlákna a kabelu. Taktéž je důležité měřit PMD celé smontované optické trasy, protože její montáž (namáhání v tahu, mikro a makro-‐ohyby) jí může ovlivnit. Při modulaci laseru v digitálních nebo analogových přenosech informací se může jeho maximální vlnová délka posouvat nebo může docházet k přelévání energie mezi jednotlivými podélnými vidy laseru (chirp-‐u laseru). Tyto změny vlnové délky vedou v důsledku PMD optického vlákna ke změně polarizace optického signálu. Změny stavu polarizace se převádí na modulaci amplitudy signálu při zpracování optického signálu v systému s polarizačně závislou citlivostí přijímače. Při analogovém přenosu informace po optickém vlákně například v kabelové televizi se uplatňuje také další složka polarizační vidové disperze, a to PMD druhého řádu (PMD2.řád.). Vliv PMD druhého řádu na přenosový systém je stejný jako vliv chromatické disperze, a protože je vyjadřována ve stejných jednotkách, může se přičítat nebo odčítat od chromatické disperze. V důsledku toho má jinou závislost na délce vlákna než PMD prvního řádu a je lineární funkcí délky vlákna. Pro dlouhé vlákno lze PMD druhého řádu vyjádřit pomocí PMD prvního řádu vztahem: ⎡ ⎤ ⎡ ps ⎤ 2×π × c (2.20) PMD2.řád . = ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ , 2 2 ⎢⎣ 3 × λ × (PMD1.řád . ) ⎥⎦ ⎣ (nm × km )⎦ Protože PMD druhého řádu se připočítává ke chromatické disperzi, lze pak celkovou chromatickou disperzi (CDcelková) vyjádřit vztahem: (2.21) (CDcelková ) = (CDčistá ) + 1 × (PMD2.řád . ) 2 Koeficient ½ před příspěvkem PMD druhého řádu vyjadřuje její statistický charakter, kdy se počítá s její střední hodnotou. Ačkoli není PMD druhého řádu limitujícím faktorem pro vlákna s posunutou chromatickou disperzí, jejichž koeficient D(λ) je menší než 2 ps/(nm.km), je nutno s ní počítat, pokud je splněna alespoň jedna z následujících podmínek:

(

)



a) chromatická disperze větší než 2 ps/(nm.km), b) rychlost přenosu větší než 10Gbit/s nebo větší než 1Ghz pro analogové přenosy, c) délka trasy větší než 100km, d) velké cvrlikání laseru, zvláště při analogových přenosech, e)vlákno s větším koeficientem (PMD1.řád) než 0,5 ps/km-‐1/2.

45 Metody měření polarizační vidové disperze Zpoždění signálu v důsledku PMD extrémně malé, jeho přímé měření není možné a proto se PMD měří nepřímo. Pro měření PMD jsou normalizované tři základní měřící metody, a to: a) metoda interferometrická, b) skenování vlnové délky (metoda s fixním analyzátorem), c) metoda polarimetrická (metoda analýzy Jonesovy matice).

46 Metody interferometrická (Traditional analysis INTY) Interferometrická metoda je založena na principu nízko koherentní interference, při které se do vlákna navazuje spojité široké spektrum lineárně polarizovaného záření, například z LED zdroje. Na druhém konci se pomocí Michelsonova interferometru získává autokorelací funkce elektromagnetického pole vystupujícího z konce měřeného vlákna. Autokorelace je matematická operace, při které funkce s časovým zpožděním se násobí s toutéž funkcí bez zpoždění. Optický svazek je rozdělen do dvou optických drah a pohyblivé zrcadlo interferometru vytváří požadované zpoždění mezi nimi. Oba svazky pak vzájemně interferují a měří se intenzita interferenčního obrazce. Schematické uspořádání měřícího pracoviště je zobrazeno na obrázku 48.

Obrázek 48 -‐ Schematické uspořádání měřícího pracoviště interferometrická (Traditional analysis INTY)

V případě nepřítomnosti PMD dostáváme na výstupu z interferometru čistou autokorelací funkci záření viz obrázek 49. Po průchodu vláknem způsobuje polarizační ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


vidová disperze roztažení základní autokorelací funkce v důsledku interference dvou polarizačních vidů a z velikosti tohoto roztažení se počítá PMD, jak je znázorněno na obrázku 49.

Obrázek 22 – Náměr PMD, kdy dostáváme na výstupu z interferometru čistou autokorelací funkci záření, bez PMD

Při měření není nutné provádět nastavování referenční hodnoty či používat další referenční cestu – používá se pouze samotné měřené optické vlákno. Takto je možné měřit hodnoty zpoždění PMD od ~ 0,1 ps až po stovky ps, což je pro měření optických kabelových tras naprosto postačující. Metoda je velmi rychlá a pro měření PMD optických tras dostatečně přesná. Pro tyto své vlastnosti a svou odolnost proti vibracím vlákna je pro měření optických tras v terénu velmi vhodná. Na obrázku 50 je ukázka interferogramu měření PMD telekomunikačního vlákna. Kromě hlavní špičky (při níž jsou signály v obou větvích interferometru ve fázi) je na interferogramu patrné velké množství špiček, které vznikají vlivem působení silné mezividové vazby. Pro vyhodnocení se takový náměr prokládá Gaussovskou křivkou, z níž se odečítá hodnota celkového PMD zpoždění trasy. Průměrný koeficient PMD vlákna trasy se spočítá ze zadané délky vlákna.



Obrázek 50 – Náměr PMD telekomunikačního vlákna pomocí interferometrické metody

47 Metoda interferometrická GINTY Jedná se o novou interferometrickou metodu (GINTY) sloužící pro měření polarizační vidové disperze. Měřící souprava pro tuto metodu, která je vyobrazena na obrázku 51 se od metody TINTY až tak neliší. Avšak rozdíl tu je a to v tom, že pomocí GINTY dochází k potlačení vlivu autokorelační špičky, protože výsledný signál obsahující optické záření z obou dvou ramen interferometru je znovu dělen polarizačním děličem PBS – Polarized Beam Splitter na dvě vzájemně kolmo polarizované složky a každá přitom dopadá na zvláštní optický detektor. Na obou detektorech dojde k interferenci a poté je získán interferogram. Na základě matematických výpočtů jsme schopni oba interferogramy sčítat a odečítat. Sečtením získáme samotnou autokorelační funkci a jejím odečtením zase získáme vzájemnou korelační funkci.

Obrázek 51 – Sestava pro měření PMD pomocí interferometrické metody GINTY ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


Velikost PMD u této metody se dá určit už přímo ze vzájemné korelační funkce, protože touto metodou jsme schopni potlačit autokorelační špičku z daného výsledného interferogramu a díky tomu výslednou PMD určujeme přímo z jednotlivých bodů měřeného intererogramu viz obrázek 52. 2 x RMS

Obrázek 52 – Interferogram metody GINTY

48 Metody skenování vlnové délky Základem této metody je měření optického výkonu procházejícího měřenou trasou v závislosti na vlnové délce. Blokové schéma měřícího pracoviště je znázorněno viz obrázek 53. Měřený vzorek

Přeladitelný laser

Detekční systém Polarizátor

Polarizátor

Měřený vzorek

Zdroj Polarizátor

Polarizátor

Optický spektrální analyzátor

Obrázek 53 – Blokové schéma pracoviště pro měření PMD pomocí metody skenování vlnové délky Záření ze širokopásmového zdroje (např. LED) nebo přeladitelného laseru je přes polarizátor navázáno do měřeného vlákna. Na výstupu měřeného vlákna je záření vedeno přes další polarizátor (analyzátor) do optického spektrálního analyzátoru (OSA) nebo detekčního systému. Měření pomocí této metody je dvojstupňové a v prvním kroku je nutné změřit výstupní optický výkon v daném spektrálním rozsahu P(λ) viz obrázek 53. Úhlová orientace obou polarizátorů musí zůstat během měření neměnná. V případě, kdy není ve vlákně žádný dvojlom, prochází polarizované záření ze zdroje analyzátorem beze změny a měří se pouze konstantní optický výkon pro každou vlnovou délku. Vzhledem k tomu, že za přítomnosti dvojlomu ve vlákně se mění polarizační stav ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


procházejícího záření s vlnovou délkou, mění se s vlnovou délkou i hodnota detekovaného optického výkonu. Ve druhém kroku měření se odstraní analyzátor před detekční stranou a opakuje se měření ve stejném spektrálním rozsahu a tak se získá optický výkon referenční hodnoty Ptotalní (λ). Výsledkem měření je pak poměr těchto dvou spektrálních průběhů výkonu v závislosti na vlnové délce R(λ)= P(λ)/Ptotalní (λ). Skenujeme-‐li spektrálním analyzátorem (OSA) spektrální oblast mezi vlnovými délkami λ1 a λ2, můžeme hodnotu spočítat jako: λ1 × λ2 , (2.22) PMD = k × n × [(λ2 − λ1 )× c] λ1, λ2 -‐hranice skenované spektrální oblasti, kde k je koeficient vazby vidů (jeho velikost bývá od 0,8 do 1,0), n je počet extrémů (maxim a minim) detekovaného optického výkonu v závislosti na vlnové délce a c je rychlost šíření světla ve vakuu. Z výše uvedeného vztahu je patrné, že menší počet extrémů znamená nižší hodnotu PMD. Pro dosažení větší přesnosti měření je pak nutné pro měření volit širší spektrální interval a to až desítky nm, tak aby počet extrémů byl větší než 10. Při této metodě lze zjišťovat PMD také pomocí Fourierovy analýzy změřené spektrální závislosti optického výkonu. Rychlá Fourierova analýza transformuje data z frekvencí oblasti do časové a tak lze přímo získat informace o roztažení impulsu v čase. Metoda skenování vlnové délky je časově náročnější, jelikož je třeba provádět dva měřicí kroky a je náchylnější na vibrace vlákna. Obdobně jako metoda interferometrická umožňuje měření DGD ani polarizačního stavu. Využití měření PMD pomocí skenování vlnové délky se používá v praxi a pro měření v terénu, nicméně z důvodu rychlosti se používá více metoda interferometrická či v dnešní době stále populárnější metoda POTDR.

49 Metoda polarimetrická (metoda analýzy Jonesovy matice) Polarimetrická metoda je dle ITU stanovena jako referenční metoda pro měření PMD. Pod názvem polarimetricka metoda se skrývá více metod, které pracují na obdobném základě. Jádrem těchto metod je zjišťování komplexních informací o polarizačním stavu na vstupu a na výstupu optické trasy, což obě dříve popsané metody neumožňují. Blokové schéma měřící soupravy je na obrázku 54. Jedná se o metody: -‐ metoda analýzy Jonesovy matice, -‐ metoda Poincarého sféry, -‐ metoda polarizačních stavů (SOP), -‐ Stokesových parametrů.

Tunable narrowband source

Polarimeter Polarizer Fiber under test

Obrázek 54 – Schéma měření PMD pomocí polarimetrické (Jonesovy metody) ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


Optické záření z laditelného laseru je po průchodu soustavou polarizačních elementů navázáno do měřeného vlákna. Na výstupu z vlákna je pomocí polarimetru analyzován polarizační stav vystupujícího optického záření. Výsledkem pak měření je určení všech čtyř elementů Jonesovy matice, která popisuje, jakým způsobem měřená soustava (vlákno nebo součástka) ovlivní stav polarizace a intenzitu dopadající vlny. Měření se provádí pro různé vlnové délky, čímž se získá diferenciální skupinové zpoždění a následně průměrováním se vypočítává postupně PMD. Tato metoda je velmi vhodná pro měření a vývoji součástek používaných v optoelektronice, poskytuje totiž informace o změnách polarizačních stavů v měřeném objektu. Nevýhodou je pak zdlouhavé měření, které může být okolo 10 minut či více, čímž se zvyšuje citlivost na vibrace vlákna nebo teplotní změny. Tato metoda není využívána v terénu.

50 Metoda polarizačně reflektometrická P-‐OTDR (Polarimetric Optical Time Domain Reflectometry) Jak rostla poptávka po přenosových rychlostech od uživatelů, rostly i nároky na páteřní spoje a koncové přístupové sítě. S tím vrůstaly problémy, jak řešit nelineární jevy v optických přenosových systémech, disperze aj. Právě vliv a omezení způsobené disperzí se jeví jako zásadní problém pro nasazení vyšších přenosových systémů např. 10Gbit/s což je STM-‐64 a vyšší. Dominantní vliv polarizační a chromatické vidové disperze se stal předmětem zájmu při návrhu a měření optických kabelových tras. Polarizační vidová disperze představuje zpoždění jednotlivých vidů. Toto zpoždění může být z valné části způsobeno i třeba jen jedním kabelovým úsekem, který tudíž zamezuje danému použití celé trasy. Na rozdíl od vlivu chromatické disperze nelze totiž působení PMD v podstatě kompenzovat (kompenzace je enormně technicky a finančně náročná). Pokud se tedy ukáže, že dané optické vlákno trasy vykazuje zpoždění PMD větší než je schopen tolerovat přenosový systém, nelze takový systém použít. Jestliže tedy chceme zjistit, který kabelový svazek bude vykazovat nejnižší hodnotu PMD, je možné použít polarizační reflektometr POTDR. Nadlimitní hodnota PMD celé optické přenosové trasy může být totiž způsobena i jen jedním kabelovým úsekem s vysokým PMD. Právě měření s POTDR slouží k lokalizaci takového úseku (či úseků) se zvýšenou hodnotou PMD, jehož výměna by umožnila celkové PMD trasy snížit a požadovaný systém na trasu nasadit nejekonomičtějším možným způsobem. Metoda POTDR je založena na využití principu klasické metody měření Rayleighova zpětného rozptylu OTDR. Jde o to vyslat do vlákna trasy měřicí signál ve formě sledu impulsů a ze zpětně rozptýleného záření (vlivem Rayleighova zpětného rozptylu) se snažit vyčíst informace o PMD jednotlivých míst na vláknu trasy. Jelikož zde nepůjde o nějaké přímé měření PMD, podívejme se, jak se dá zjednodušeně vyjádřit závislost PMD vlákna trasy:

(

)

PMD ≈ β × L × h , kde β symbolizuje velikost dvojlomu ve vláknu (ps/km), tzn. odlišnost rychlostí šíření výše zmíněných dvou polarizačních vidů, L je délka vlákna a h udává vazební délku charakterizující vazbu mezi polarizačními vidy. Jednoduše řečeno – vazební délka h udává délku vlákna, na které dojde k výrazné změně osy (tvaru) dvojlomu ve vláknu, a tím k výrazné výměně (přelévání) energie mezi jednotlivými polarizačními vidy.



Vidíme, že PMD roste s velikostí dvojlomu ve vláknu, délkou vlákna a s velikostí vazební délky. Čím bude delší vazební délka a tudíž menší výměna energie mezi oběma vidy šířícími se odlišnou rychlostí, tím více se bude odlišnost rychlostí obou polarizačních vidů uplatňovat. Při každém měření OTDR získáváme délkové informace o vláknu. Pro podélnou analýzu PMD budeme tedy ještě potřebovat ze zpětně rozptýleného záření z vlákna vyčíst informace o jeho lokálním dvojlomu a vazební délce. Existují dvě základní metody POTDR jak to provést. Při obou budeme do vlákna posílat krátké intenzivní impulsy polarizovaného optického záření, přičemž obě metody se liší tím, jak zmíněné parametry ze zpětně rozptýleného záření zjišťujeme.

51 Metoda analýzy SOP (metoda skenování vlnové délky) Vlivem dvojlomu a také působením mezividové vazby dochází ke změně polarizace procházejícího světelného signálu, nabízí se možnost sledovat tuto změnu na zpětně rozptýleném záření z vlákna trasy – tj. sledovat změnu stavu polarizace SOP (State Of Polarization). Rychlost změny SOP je úměrná velikosti dvojlomu ve vláknu b a řekněme, že „charakter“ změny je závislý na mezividové vazbě resp. vazební délce h. Při zobrazení SOP na Poincarého kouli se jedná o rychlost rotace SOP (vliv b) a změnu osy rotace (vliv h). Pokud budeme tedy provádět měření na různých vlnových délkách, můžeme vyhodnotit ze spektrální závislosti změn SOP pro jednotlivá místa v trase velikost PMD. Ukázka blokového schématu metody je na obrázku 55. Polarizátor

Laditelný laser

EDFA

AOM

Detektor OTDR

Měřené vlákno

Obrázek 55 – Sestava pro metodu SOP neboli (metodu skenování vlnové délky) Záření laditelného laseru s malou spektrální šířkou je zesilováno vláknovým zesilovačem (EDFA), modulováno akusto-‐optickým modulátorem (AOM), čímž vzniknou měřicí impulsy, které jsou po průchodu polarizátorem vyslány do měřené trasy. Zpětně rozptýlené záření přichází po opětovném průchodu polarizátorem na detektor OTDR. Měříme spektrální závislost výkonu záření zpětně rozptýleného z jednotlivých částí trasy, a jelikož je zařazen polarizátor, zjišťujeme tím spektrální závislost změn SOP v jednotlivých místech trasy. Tato metoda naráží na několik problémů, které se zrcadlí již v uvedeném blokovém uspořádání. Základním problémem je to, že délka i nejkratších impulsů užívaných při OTDR měřeních (desítky ns) je pro měření vláken se silnějším dvojlomem příliš dlouhá na to, aby nedošlo v rámci impulsu k tzv. depolarizaci. Impuls šířící se vláknem zabírá totiž jeho určitou délku, u zmíněných velmi krátkých impulsů to jsou jednotky m. Například čelo impulsu už bylo tedy v každém okamžiku vystaveno působení dvojlomu vlákna o několik metrů delšího než týl. Pokud se bude jednat o vlákno s vyšší hodnotou PMD (se silnějším dvojlomem, který mění, resp. stáčí stav polarizace SOP), bude na čele ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


impulsu jiný SOP než např. v týlu a impuls jako takový bude depolarizován, tj. nebude mít celý stejnou polarizaci (stejný SOP). U záření zpětně rozptýleného z depolarizovaného impulsu se tak ztrácí možnost jeho SOP sledovat. U této metody je tedy třeba užívat enormně krátké impulsy, což vede ke snížení dynamického rozsahu měření, a tudíž k omezení délky měřených tras. Proto je nutné měřicí signál zesilovat např. vláknovým zesilovačem (EDFA ve schématu). Avšak ani tak není tato metoda vhodná pro měřidlo určené k hledání úseků se zvýšeným PMD na delších optických kabelových trasách. Byla by použitelná nejspíše pouze pro měření velmi krátkých tras (jednotky km) s poměrně nízkou hodnotou PMD (< cca 0.7 ps/√km).

52 Metoda analýzy DOP Druhá metoda je založena – místo na sledování stavu polarizace SOP – na sledování stupně polarizace DOP (Degree Of Polarization); pro impuls celý shodně polarizovaný DOP = 1, pro zcela depolarizovaný DOP = 0, pro záření zpětně rozptýlené ze zcela depolarizovaného impulsu se hodnota DOP blíží cca 1/3. Tím, že vyhodnocujeme DOP, se vlastně zásadní problém první metody stává zde nástrojem vyhodnocení. Přestože tato druhá metoda je méně exaktní než sledování přímo SOP, jsme při jejím užití skutečně schopni měřit i na delších optických trasách a lokalizovat úseky se zvýšenou hodnotou PMD. Blokové schéma metody je uvedeno na obrázku 56. Polarizátor

Impulsní DFB laser

Měřené vlákno

Detektor OTDR

pol. λ/4

Obrázek 56 – Blokové schéma pro měření PMD pomocí analýzy DOP

Jako zdroj záření je užit, na rozdíl od laserů běžně užívaných v měřidlech OTDR, velmi úzko spektrální DFB laser. Je to z toho důvodu, aby nedošlo k depolarizaci signálu ve vláknu vlivem toho, že by se šířil prostřednictvím mnoha vlnových délek. Dvojlom vlákna by v tomto případě způsoboval pro různé vlnové délky různé změny stavu polarizace SOP, a tím depolarizaci signálu. Tento druhý mechanismus depolarizace je třeba potlačit úzko spektrálním zdrojem záření (Také u první metody bylo z tohoto důvodu nutné použít velmi úzko spektrální zdroj záření). Polarizované výstupní záření z DFB laseru je navázáno do měřeného vlákna. Pro zpětně rozptýlené záření z jednotlivých míst vlákna trasy se analyzuje DOP pomocí polarimetru a detektoru OTDR. Co tedy jsme schopni zjistit z analýzy DOP? Jak bylo uvedeno výše, silný dvojlom ve vláknu β způsobuje rychlé stáčení stavu polarizace, což vede k depolarizaci záření v rámci měřicího impulsu a tedy ke snižování jeho stupně polarizace DOP. Slabý dvojlom vlákna bude mít tak za následek vysoký měřený DOP a naopak. Situace je ale složitější, ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


neboť DOP bude záviset ještě na mezividové vazbě resp. vazební délce h. Situaci můžeme zjednodušeně rozdělit na tři eventuality: 1) vlákna se slabým dvojlomem (malé β) – DOP bude tudíž vysoký (až k 1) bez ohledu na mezividou vazbu; v praxi se jedná o vlákna s velmi nízkou hodnotou PMD; 2) vlákna se silným dvojlomem a silnou mezividovou vazbou (velké β a krátká vazební délka h) – DOP bude malý vlivem silného dvojlomu (u zpětně rozptýleného signálu se bude blížit 1/3) a bude se velice rychle měnit vlivem silné mezividové vazby; v praxi se jedná o vlákna se střední hodnotou PMD; 3) vlákna se silným dvojlomem a slabou mezividovou vazbou (velké β a dlouhá vazební délka h) – zde bude záviset kromě b a h také na vzájemné poloze SOP záření a tvaru dvojlomu ve vláknu; DOP může kolísat mezi nízkými i vysokými hodnotami, ale bude se jen pomalu měnit; v praxi se jedná o vlákna s vysokou hodnotou PMD; Důležité bude tedy sledovat nejen samotnou hodnotu DOP, ale též rychlost změny DOP.

53 Vyhodnocení měření metodou analýzy DOP Jak bylo výše uvedeno, vyhodnocení měření se provádí ze sledování DOP záření zpětně rozptýleného z měřicího impulsu ve vláknu trasy. Abychom mohli uvést naměřené výsledky, podívejme se na to, jak provádí analýzu měření přístroj, se kterým jsme měli možnost měřit. Jelikož rychlost změny DOP může být značná, pro stanovení samotné hodnoty DOP je vhodné sledovat jeho „střední hodnotu“ stanovenou např. z několika desítek vzorků. Měřicí přístroj provádí dále každé měření pro dva stavy vstupní polarizace (polarizátor za DFB laserem v obrázek 56). Získáváme tím dvoje výsledky měření: DOP a DOPc (complementary), z nichž se výpočtem stanovuje parametr nazvaný DOPgeo = √DOP2+DOP , který dobře vypovídá o samotné hodnotě DOP záření rozptýleného z daného úseku vlákna trasy. Pro sledování rychlosti změny DOP užívá přístroj parametr hDOP, který zjednodušeně znamená délku vlákna, na níž se DOP výrazně změní – čím rychlejší budou změny DOP, tím menší bude hDOP. O čem ale výše uvedené parametry vypovídají z hlediska PMD? Z analýzy DOP jednotlivých úseků vlákna trasy lze vyhodnotit, že: -‐ na úsecích s vysokou hodnotou DOPgeo bude mít PMD hodnotu nízkou z důvodu malého dvojlomu vlákna; -‐ na úsecích s nízkou či proměnlivou hodnotou DOPgeo, a tedy možným vyšším dvojlomem vlákna, a s: v malým hDOP bude hodnota PMD nízká, neboť ve vláknu je silná mezividová vazba; v středním hDOP bude hodnota PMD střední; v velkým hDOP bude hodnota PMD vysoká, neboť ve vláknu je mezividové vazba slabá. Uváděné „hodnoty“ PMD – nízká, střední a vysoká – jsou určeny limitními mezemi nastavenými v přístroji (pro hDOP a DOPgeo) a vycházejí z dlouhodobé analýzy tisíců náměrů výrobcem přístroje. Výsledkem měření nejsou exaktní hodnoty PMD jednotlivých míst trasy, ale spíše její relativní zmapování z hlediska PMD ukazující na možná problematická místa. Toto měření nenahrazuje měření celkové absolutní hodnoty zpoždění PMD trasy (např. interferometrickou metodou), ale doplňuje jej. Teprve, když např. interferometrickou metodou změříme, že daná trasa má příliš ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


vysokou hodnotu zpoždění PMD, má význam, pokusit se pomocí POTDR zdroj této vysoké hodnoty lokalizovat. Z měření zároveň získáváme také POTDR reflektogram, kde lze sledovat jednotlivé kabelové úseky a místa trasy. (Pozn.: reflektogram je změřen polarizovaně, a proto může vykazovat odlišnosti oproti klasickým OTDR reflektogramům, a nelze jím tedy nahradit tradiční OTDR měření optických tras.) Měřit je možné trasy dlouhé mnoho desítek kilometrů, přičemž délková rozlišovací schopnost se pohybuje řádově ve stovkách metrů. Nižší rozlišovací schopnost oproti klasickým reflektometrům nepředstavuje z hlediska PMD významný problém, jelikož PMD není bodová záležitost.



3 Multimediální služby budoucnosti S rozvojem datových technologií na bázi protokolu IP a rozvojem širokopásmových přístupových technologií na bázi xDSL či na bázi optických sítí typu FTTx dochází k většímu nabízení služeb pro koncové zákazníky a umožňuje realizovat sdružené služby typu "triple play". Obchodní spojení IPTV, VoIP (hlasových služeb na bázi protokolu IP) a přístupu k širokopásmovému Internetu je označováno, jako služba Triple Play (se současným mobilním přístupem pak Quadruple Play). Službami IP televize (IPTV), je typicky označována sada vzájemně propojených aplikací. Jedná se většinou o distribuci TV programů, služby typu video na přání VoD (Video On Demand), osobní video záznam PVR (Personal Video Recorder), a dalších. Takovéto moderní služby jsou příkladem nového využití technologií, které je schopen telekomunikační operátor tradičně poskytovat svým zákazníkům. Pro realizaci takových služeb je však potřeba mít velmi robustní, průchodnou a kvalitní vlastní síťovou infrastrukturu. A právě zde vzniká další problém pro alternativní poskytovatele internetového připojení ISP. Ti musí v sítích nově řešit i problémy vyplývající z použití těchto multimediálních služeb Triple Play. Tato kapitola popisuje tuto multimediální službu a možnost, jak jí měřit v PON sítích.

54 Popis multimediální služby VOIP Technologie VoIP (Voice over IP – přenos hlasu po IP) je možné obecně používat tam, kde lze provozovat protokol IP – tedy i mimo internet, například v privátních či polo privátních sítích. Pak se jedná o takzvanou IP telefonii, která je obecnějším pojmem než internetová telefonie. Internetová telefonie je zvláštním případem IP telefonie. K realizaci VoIP je třeba řady protokolů, například transportních a signalizačních, nebo různých kompresních algoritmů neboli kodeků. To vše umožňuje zajistit dostatečnou kvalitu služby VoIP telefonie.

55 Požadavky VoIP na přenosové sítě Protokol IP z pohledu VoIP poskytuje službu nazvanou "best effort". Protokol se snaží přenést všechny pakety tím nejvhodnějším způsobem. V případě, že například z důvodu zahlcení linky nemohou být přeneseny všechny pakety, začne protokol požadavky na přenos paketu rovnoměrně krátit. V rychlosti zpracování protokol nerozlišuje, o jaký přenos se jedná, a rychlost krátí všem stejně. V případě, že dojde k poškození paketu, protokol IP je jednoduše zahodí a pokračuje dál v přenosu. Z toho vyplývá, že protokol IP nepoužívá prioritu přenosu, což je s ohledem na zajištění kvality VoIP nedostatek. Přenos hlasu, který je realizovaný technikami VoIP, vykazuje určitou odolnost vůči nedostatkům při přenosech. Do určité míry není příliš citlivý na eventuální výpadky a ztráty některých dat. Dokáže aproximovat data, která nebyla doručena nebo byla nějakým způsobem během přenosu ztracena. Větší problémy se ovšem objevují s rychlostí doručování dat, neboli latencí, a pravidelností doručování (kolísání zpoždění). Se vzrůstající hodnotou latence se zvyšuje zpoždění přenosu hlasu. Jakmile dosáhne zpoždění hodnoty přibližně 500 ms, stává se telefonování velice problematické, obě zúčastněné strany se domnívají, že je protistrana neslyšela, protože nereaguje. Z toho důvodu mají obě strany tendenci opakovat se, viz tabulka 7. Používá se proto vyrovnávací paměť – prvek, který zachytává příchozí pakety a zpožďuje je, aby mohly ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


být k příjemci vpuštěny ve správném pořadí. Nastavení vyrovnávací paměti je tedy velmi důležité, jedná se o určitý kompromis. Nízká hodnota má za následek vysokou ztrátovost paketů. Vysoká hodnota naopak způsobí velké zpoždění. Parametr sítě Dobrá Akceptovatelná Nevyhovující Zpoždění 0 – 150ms 150 – 300ms nad 30ms Kolísání 0 – 20ms 20 – 50ms nad 50ms zpoždění Ztrátovost 0 – 0,5% 0,5 – 1,5% nad 1,5% Tabulka 7 – Tabulka hodnot síťových parametrů pro tři hodnoty kvality hovoru

56 Popis multimediální služby IPTV IPTV je definována jako multimediální služba realizovaná na datové síti založené na IP protokolu s poskytovanou úrovní kvality služeb (QoS) a prožitku (QoE), dále také bezpečností, interaktivitou a spolehlivostí. Digitální televizní tok je pak přenášen do televizního přijímače prostřednictvím datové sítě, kde pomocí tzv. IP set-‐top boxu (IP STB) na straně uživatele dojde k dekódování přicházejících IP paketů a k převedení video toků na plynulý obraz do uživatelova televizoru. Použití technologií pro počítačové sítě je hlavní rozdíl IPTV od klasického plošného nebo kabelového vysílání. Celá myšlenka využití ethernetových sítí pro šíření videa, byla hlavně daná požadavky od koncových uživatelů na dostupnost více služeb, které by nabízeli nové možnosti a propojení uživatelů s poskytovateli video signálů tzv. interaktivita, možnost vybrat si svoje programy, kanály, filmy, seriály apod. Pro domácí uživatele je IPTV často poskytována v této souvislosti služby Video on Demand (VoD). Hlavní výhodou IPTV je, že jeden více uživatelů v rámci jedné přípojky může sledovat paralelně několik programů nezávisle na sobě, což u klasického analogového vysílaní, nebylo možné. Několik uživatelů se mohlo v jednu chvíli dívat pouze na jeden kanál, ikdyž mohl být zájem ostatních jiný. Pokud tedy ke koncovému příjemci (divákovi) „přichází“ u IPTV vždy jen jeden program, pak je velmi důležité, jak vlastně funguje přepínání mezi různými kanály, resp. programy. Hlavně jak rychle. A tady právě je určitý zádrhel, protože přepínání u IPTV (tzv. channel zapping) přeci jen může trvat o poznání déle než u klasického analogového vysílání, kde k přepínání dochází až přímo u diváka. V nejhorším případě i několik dlouhých sekund, v nejlepším případě méně než půl sekundy.

57 Popis architektury pro IPTV Celou topologii sítě pro šíření IPTV si můžeme představit podle obrázku 57. Na levé straně je hlavní odbavovací pracoviště, které se označuje jako (Super head-‐end). V tomto místě vstupuje do sítě daného provozovatele většina televizních programů a radiových stanic. Způsoby, jakým jsou příslušné stanice získány, může být několik druhů. Jedná se především o satelitní (DVB-‐S, DVB-‐S2), pozemní (DVB-‐T, analogové) a kabelové (DVB-‐C) vysílání. Odbavovací centrum zpracovává vstupní video nebo audio signály. Příchozí signály mohou být analogové nebo digitální. Analogový signál je digitalizován a zkomprimován pomocí vhodné komprese nejčastěji ji se používají následující (MPEG-‐2, MPEG-‐4/H.264, VC-‐1). Digitalizovaný vstupní signál může být ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


překódován do jiného vhodného formátu (MPEG-‐2, MPEG-‐4/H.264, VC-‐1). Z odbavovacího pracoviště pokračuje přenos video signálů páteřní sítí (core network) poskytovatele, která zajišťuje přenos datových toků do přístupové sítě. Páteřní síť poskytovatele IPTV je většinou postavena na technologii IP/MPLS (MPLS -‐ přepínání paketů po definované cestě na základě návěští). Přístupová síť má za úkol distribuovat jednotlivé datové toky k zákazníkům. Zde hrají důležitou roli parametry kvality služby QoS, kdy můžeme např. upřednostnit přenos videosignálu a zabránit zpoždění nebo fragmentování (rozdělení). V architektuře IPTV sítě se dále nacházejí regionální odbavovací pracoviště (local office), která mají za úkol přidávat do vysílání regionálně zaměřený obsah (regionální televize regionální rozhlasové stanice atd.). Na samém konci přenosového řetězce se nacházejí zákaznické prostory, kde se nacházejí zákaznická zařízení (Set-‐Top-‐Box, modem), která ukončují jednotlivé datové toky a převádějí je na signály, které se dají zobrazit televizory.

Obrázek 57 -‐ Uspořádání sítě IPTV

58 Používané protokoly pro přenos video toku v IPTV Než se vyšle video tok do sítě, je nutné video signály upravit pro přenos v datových sítích a pak následně přenést až ke koncovému uživateli. Vstupní video signál může být analogový nebo digitální, záleží na poskytovateli, jakým způsobem získává zdrojový video signál. Analogový signál je dále pomocí kodéru digitalizován a následně zkomprimován pomocí vhodné komprese (MPEG2, MPEG4/H.264, Windows media). Takto vznikne souvislý datový tok (video/zvuk), který je rozdělen do malých bloků PES (základní paketový tok).

Obrázek 58 -‐ Vrstvový model IPTV ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


Bloky dat jsou opatřeny záhlavím snímku a záhlavím bloku dat. Jednotlivé části základního paketového toku mají velikost 188 bajtů. Toto je dále sdružováno do přenosového datového toku MPEG-‐TS. Do jednoho ethernet rámce je možno vložit až 7 bloků. Takto zpracovaný video signál dále vstupuje do dolních čtyř vrstev OSI modelu (transportní, síťová, spojová a fyzická). Tyto čtyři vrstvy slouží k dalšímu zapouzdření přenášeného video signálu a k jeho přenosu mezi zdrojem (video serverem) a koncovými uživateli. Na úrovni síťové vrstvy se pak typicky používá IP multicast za pomoci standardního IGMP protokolu v případě standardního televizního vysílání. Pro video na požádání pak protokol RTSP více informací bude popsáno v následujících odstavcích.

Obrázek 59 – Zapouzdření video transportních toků do ethernet rámce

59 Vyžití přenosu typu unicast a multicast pro vysílání TV kanálů IP sítě byly původně zaměřeny na způsob komunikace typu unicast postupně se vyvíjeli nové možnosti typu komunikace jakými je multicastový způsob. Kopie dat se vytváří vždy ve směrovačích umístěných nejblíže k danému příjemci, aby se co nejvíce šetřily přenosové prostředky sítě. Komunikaci typu multicast lze charakterizovat jako zvláštní případ všesměrového vysílání (broadcast), kdy kopie paketů jsou zasílány pouze definované skupině příjemců. Pokud má příjemce zájem přijímat data, musí před vlastním příjmem provést přihlášení do této skupiny. Avšak pro distribuci IPTV se jevy vhodnější využití multicastového typu komunikace, kdy každý kanál u IPTV a uživatelé, kteří chtějí sledovat tento kanál, jsou připojeni do multicastové skupiny. Proto je kanál IPTV přenášen jen na set-‐top-‐boxy uživatelů, kteří chtějí zobrazit tento kanál. Tato ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


metoda šetří přenosovou kapacitu. Obrázek 60 ukazuje připojení současně pěti účastníků k TV kanálu 10. Jak je zobrazeno, jen jedna kopie je odeslána z obsahového serveru na distribuční směrovač. Tento směrovač směruje video tok do uzlů regionálních poboček. Každý z regionálních směšovačů pak směruje tok k zákazníkům, kteří si vyžádali kanál sledovat. Tato metoda je obvykle používána pro vysílání televizního programu přes IPTV, účinně využívá stávající infrastrukturu IP sítí.

Obrázek 60 -‐ Přenos TV kanálů v IPTV síti

Bez ohledu na to, jak dobře může být síť navržena nebo jak jsou dodrženy parametry QoS, mohou se projevit chyby ve video toku. Pro unicast tok používaný VoD – video na přání – je toto menší problém. Set-‐top box může jednoduše požádat server o opakované poslání ztracených nebo poškozených paketů. Při vysílání multicast toků je mnohem důležitější zajistit bezchybný přenos od počátku až do konce. Přepnutí mezi TV programy vyžaduje přechod z jedné multicastové skupiny do jiné, resp. odhlášení se ze stávající skupiny a přihlášení do nové skupiny. To jsou operace, jejichž realizace určitou dobu trvá a jsou zdrojem zpoždění. Při změně TV kanálu se používá protokol IGMPv2 (Internet Group Management Protocol), který obsahuje zprávy pro odhlášení z multicast skupiny a připojení do nové multicast skupiny. Když je přijímána tato žádost, kontroluje se, zda je uživatel oprávněn sledovat nový TV program. Poté dojde k přidání specifického uživatele do seznamu kanálové distribuce. Technologie multicast může poskytovat dodávku obsahu až k miliónům uživatelům zároveň. Toto nelze u služby video na přání – VoD, která vyžaduje unikátní video tok k uživateli. Pro podporu VoD a dalších služeb je použit pro datový tok přenos typu unicast. Datový tok je řízen protokolem RTSP (Real Time Streaming Protocol, který umožňuje kontrolu nad



multimediálním tokem a dovoluje uživatelům přehrávání (play), pozastavení (pause) a zastavení (stop) sledovaného programu.

Obrázek 61 -‐ Unicast metoda použitá pro přenos videa na přání (VoD)

Unicast vychází z původní myšlenky IP protokolu, kdy spolu komunikují dvě stanice, tzn. blok dat (paket) je zaslán jedním zdrojem jednomu příjemci. Unicast však není vhodný pro všechny typy komunikace, především pro ty, kde je více zdrojů a více příjemců. Příkladem může být audio/video konference, sdílení elektronické tabule anebo vysílání rozhlasu, nebo televize po internetu. Pokud je použita komunikace typu unicast, musí zdroj vyslat data tolikrát, kolik je příjemců. Tato situace může vést ke zbytečnému plýtvání přenosových prostředků sítě (např. šířka pásma) i prostředků zdroje samotného, který musí několikrát vyslat stejná data. Především pro velké počty příjemců se tato situace stává těžce realizovatelnou. Typickým příkladem je IPTV, kde se předpokládají tyto velké počty příjemců.

60 Middleware Jedná se o software, lze si jej představit jako platformu či prostředí, ve kterém jsou realizovány všechny uživatelsky orientované funkce celého IPTV a vzájemně integrovány jeho dílčí služby. V IPTV zajišťuje middleware základní funkce, například registraci uživatelů, ukládá a zpracovává veškeré požadavky uživatelů, obsluhuje a řídí video na přání (VoD) a aplikační server, monitoruje události v IPTV síti. Middleware je také koncipován tak, aby byl jednoduše napojitelný na účtovací systém.



1.1

Metody pro stanovení kvality IPTV

Předpokladem úspěchu služby IPTV je subjektivní kvalita vnímaná uživatelem. Bude-‐li kvalita špatná, zákazník si vybere jiný způsob příjmu televizního vysílání. Proto je nutné zajistit, aby byl obraz vizuálně čistý a bez výpadků. Kvalita IPTV služby je ovlivňována aktuálním stavem parametrů v datové síti (QoS), která přenáší video toky. Kvalita služeb (QoS) se určuje z technických vlastností sítě a dovoluje poskytovatelům IPTV garantovat a kontrolovat kvalitu nabízených služeb. Problémem však zůstává, jak je tato kvalita služeb vnímána koncovými uživateli. Přenášené video toky mohou být v různých formátech (SDTV a HDTV) a s použitím různé komprese (MPEG-‐2, MPEG-‐4/H.264). Parametr sítě Zpoždění

Kolísání Délka Ztrátovost Tolerance PLR zpoždění trvání paketů (1hod.) SD MPEG-‐2 < 200ms < 50ms < 16ms 7 1hod. 5,46x10-‐6 SD MPEG-‐4 < 200ms < 50ms < 16ms 5 1hod. 7,31 x10-‐6 HD MPEG-‐2 < 200ms < 50ms < 16ms 24 1/4hod. 1,17 x10-‐6 HD MPEG-‐4 < 200ms < 50ms < 16ms 14 1/4hod. 1,28 x10-‐6 Tabulka 8 – Vliv metody komprese videa na různých parametrech kvality

Tento datový signál má potom různé nároky na přenos v datové síti. Obrázky (obrázek 62 a obrázek 63) znázorňují, v jakých místech a jaké chyby mohou nastat na přenosové cestě při distribuci video toku k uživateli a jaké jsou následky na výsledný obraz a zvuk. Všechny tyto chyby však jsem schopni určitým způsobem kompenzovat či se jich vyvarovat, pakliže si nastavíme dostatečně kvalitně obslužné služby.

Obrázek 62 -‐ Kvalita prožitku (QoE) a kvalita služeb (QoS)



Obrázek 63 -‐ Vznik různých problému při přenosu video toku Kvalitu služby (QoS) ovlivňují do značné míry aktuální parametry přístupové sítě (xDSL, WiMax, FTTx, ISDN, SDH, Ethernet…). Přenášený video tok vyžaduje dodržování těchto parametrů: dostatečnou šířku pásma, malé zpoždění, malé kolísání zpoždění, malou ztrátovost paketů. Vlivem zhoršování těchto parametrů nastává zhoršení kvality služby IPTV u koncového uživatele. Kvalita služeb (QoS) Kvalita služby (QoS – Quality of Service) je soubor opatření, které zajistí určitý stupeň uspokojení koncového uživatele s danou službou. Zajišťuje přidělení dostatečných prostředků používané sítě tak, aby umožňovaly poskytnout danou službu v kvalitě garantované poskytovatelem. Přenosové prostředky sítě, které jsou využívány mnoha aplikacemi a uživateli, jsou přerozděleny tak, aby umožnily fungování každé službě s předem zaručenými vlastnostmi sítě. Jako příklad můžeme uvést různé úrovně služeb (SLA) nabízené v metropolitní síti založené na třídách služeb (CoS -‐ Class of service). Paketový režim přenosu dat použitý v IP sítích představuje skutečnost, která negativně ovlivní kvalitu přenášeného videotoku v několika ohledech. Jde zejména o zpoždění (latency), změnu pořadí paketů (packet order), kolísání zpoždění (jitter) a ztrátu paketů (packet loss) viz obrázek 64. Vše vychází z několika dokumentů např. RFC 4445 nebo RFC2544. Zde se popisují předepsané velikosti zpožděním ztrátovosti, chybovosti či výkonnosti dané sítě dle RFC2544 apod. v Celkové zpoždění (latency) je čas, který uplyne od odeslání zprávy zdrojovým uzlem po její přijetí na uzlu cílovém; zahrnuje zpoždění v přenosové trase a na zařízeních, které jsou její součástí. v Změna pořadí paketů (packet order) – je přímým důsledkem existence zpoždění i principem individuálního směrování každého paketu. v Kolísání zpoždění (jitter) – představuje variabilitu v doručování paketů cílovému uzlu (tedy ve zpoždění při přenosu). Způsobuje přetečení nebo podtečení vyrovnávací paměti v set-‐top boxu.



v Ztrátovost paketů (packet loss) – je průměrný počet ztracených paketů za určité období vyjádřený v % vzhledem k celkovému počtu přenesených paketů. v Propustnost (bandwidth) – Udává kapacitu přenosového kanálu a je tedy výchozím parametrem pro nabídku poskytovaných služeb. Kapacita kanálu C vyjadřuje maximální množství informace přenesené za jednotku času. v Zpoždění (delay) – je zpoždění proměnné velikosti a vzniká naplněním paketů do fronty na odchozí interface

Obrázek 64 – Zobrazení problémů při vysílání videa (Jitter, ztrátovost paketů, zpoždění)

4 Nároky na přístupové sítě a měření v sítí Přenos IPTV je v ČR typicky zajištěn přístupovou sítí na bázi technologie xDSL. V dnešní době multimédií je běžné, že v domácnosti je více TV přijímačů a na nich mohou uživatelé sledovat různé TV stanice. Je zřejmé, že tato skutečnost je značným omezením IPTV. Budoucí rozvoj IPTV tedy závisí i na nových přenosových technologiích v přístupových sítích. Řešením může být použití optických vláken přímo ke koncovým účastníkům (FTTH, Fiber to the Home), nebo technologie ADSL2+, ADSL2++. Nevýhodou IPTV je také zpoždění při přepínání televizních stanic (channel zapping) popsáno výše. Toto zpoždění je způsobeno vyrovnávací pamětí na straně přijímače, ať už je to STB (Set Top Box), nebo klasické PC. Velikost této paměti se volí především podle kvality příjmu (účelem vyrovnávací paměti je eliminace kolísání zpoždění při příchodu paketů). Je zřejmé, že čím větší vyrovnávací paměť je použita, tím větší zpoždění při přepínání televizních stanic nastane. Čas přepínání se pohybuje obecně v řádu jednotek sekund. Vedle požadavků na spolehlivost, rozšiřitelnost či otevřenost je z hlediska technologických požadavků naprosto zásadní a klíčová volba kódování. Pro optické sítě založené na bázi FTTx dle ukončení přípojky používáme metodiky RFC4445 a RFC2544. RFC 2544 Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices, který vyšel v roce 1999, nahrazuje starší RFC 1944 z roku 1996. Dokument obsahuje popis výkonnostních testů síťových zařízení a formátu prezentace jejich výsledků. Dokument rozlišuje mezi výrazy, musí, měl by a volitelné, které definují nutnost dodržení jednotlivých požadavků. Na testované zařízení je pohlíženo jako na černou skříňku a testy probíhají stejně při testování více propojených zařízení, jako při testování jednoho zařízení. Pakliže je třeba se bavit o zabezpečení sítě po stránce výkoností využíváme metodiky RFC 2445, která definuje několik způsobů zatížení námi vytvořené sítě z pohledu dynamického zatížení a sledování „úzkého hrdla“ v síti. Metodika RFC 2544 definuje následující možnosti nastavení velikosti rámců a dále se zaměřuje na popisované testy, které by měly být provedeny několikrát. Jako minimum dokument ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


uvádí pět rozdílných velikostí rámců např. 64, 128, 254, 512, 1024, 1280, 1518 bytů. Během testu by zařízení mělo zahazovat všechny rámce, které nejsou přeposílanými testovanými rámci a je nutné zajistit, aby mezi testovací rámce nebyly započteny rámce obsahující směrovací aktualizace, ARP dotazy apod. Je také nutné kontrolovat shodnost velikosti vysílaných a přijatých testovacích rámců. Po provedení testu v jednom směru by měl být proveden také test v opačném směru. Jednotlivé testy provádíme v několika opakováních a každé toto opakování se skládá z několika částí: v Pokud je v testovaném zařízení směrovač, pošleme směrovací aktualizaci a počkáme 2 sekundy, aby byla tato aktualizace zpracována. v Pošleme „učící“ rámce a počkáme 2 sekundy. Tyto rámce slouží k aktualizaci ARP tabulek jednotlivých síťových zařízení. v Spustíme požadovaný test (délka testu by měla být minimálně 60 sekund). v Po skončení testu počkáme 2 sekundy na příchod posledních rámců a poté před opakováním testu 5 sekund. V rámci RFC 2544 testujeme tedy: v Propustnost -‐ Troughput v Zatížitelnost – Back to back (Burstability) v Ztrátovost – Packet Loss v Zpoždění – Latency

61 Popis testu propustnosti dle RFC 2544 Propustnost je definována jako maximální rychlost zasílání rámců, při které nejsou zahozeny žádné odeslané rámce. RFC 2544 doporučuje provést test propustnosti následujícím způsobem: Do testovaného zařízení vyšleme specifikovaný počet rámců určitou rychlostí a sledujeme rámce vyslané testovaným zařízením. Pokud je počet vyslaných rámců stejný, jako počet rámců přijatých od testovacího zařízení, zvýšíme rychlost vysílání a test opakujeme. Pokud je počet přijatých rámců nižší, snížíme rychlost a test zase opakujeme. Výsledky měření propustnosti by měly být podle znázorněny ve formě grafu, kde jsou na osu x vyneseny délky rámců a na osu y rychlost v rámcích za sekundu. V grafu by měly být vyneseny minimálně dvě křivky, kdy jedna zobrazuje teoretickou rychlost média při různých velikostech rámců. Druhá křivka zobrazuje výsledky testu. Další křivky mohou být použity pro zobrazení výsledků různých testovacích toků. V doprovodném textu ke grafu by měl být specifikován použitý protokol, formát testovacího toku a typ média použitého při testu. Dále musí zpráva obsahovat největší změřenou rychlost, velikost rámce, u kterého byla změřena, maximální teoretickou rychlost média pro danou velikost rámce a typ použitého protokolu. V dokumentu není přesně specifikováno, kolik rámců máme v testu vyslat, uvádí se jen délka trvání testu 60 s.



Obrázek 65 -‐ Popis testu propustnosti dle RFC 2544

62 Popis testu zatížitelnosti dle RFC 2544 V rámci této metodiky se testuje síť z pohledu zaslání maximálního shluku rámců, který projde maximální rychlostí skrze síť bez jakékoliv ztráty vysílaných rámců. Definuje se minimální délka shluku, která má být 2 sekundy. Nicméně v rámci testování shluků rámců v síti se nepoužívá pouze jenom jedna velikost rámce, jelikož by nám nepodala detailní informaci o síti. Právě z tohoto důvodu byly definovány následující velikosti rámci a to od 64 až 1518 bytů. Stanovení EIR (Exces Information Rate) při různých úrovních služeb (SLA) parametr EIR vyjadřuje to, co může být při momentálním dostatku kapacity přeneseno skrze síť, aniž by síť vypadnula (došlo k přehlcení daty). Tento parametr EIR se váže k Committed Information Rate (CIR), který garantuje minimální průchodnost sítě. # of Bytes

Burst

# of Bytes

Burst

Obrázek 66 - Zobrazení sestavy měření pro test zatížitelnosti dle RFC 2544

63 Popis testu ztrátovosti dle RFC 2544 Ztrátovost je počet rámců, které měly být odeslány, ale z důvodu nedostatku systémových prostředků k tomu nedošlo. Tento údaj bývá většinou vyjádřen v procentech. Test provedeme tak, že zašleme určitý počet rámců specifikovanou rychlostí ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0351 "ICT a elektrotechnika pro praxi"


do testovaného zařízení a počítáme rámce, které jsou tímto zařízením přenesené. Ztrátovost v procentech poté vypočteme: sf − rf (4.1) flr = × 100 , sf kde je: v flr ztrátovost v procentech v sf počet odeslaných rámců v rf počet přijatých rámců Ztrátovost je pak dána poměrem odeslaných a přijatých rámců. Při prvním testu by měly být rámce zasílány maximální rychlostí pro dané médium. U ethernetu je však povolená odchylka od hodinového taktu ± 0,01 %. Nelze tedy zaručit, že každé zařízení zvládne pracovat s maximální rychlostí. Poté test opakujeme s 90 % rychlostí a rychlost dále snižujeme po 10 %, dokud nedosáhneme ve dvou testech ztráty žádného rámce. Uvedených 10 % je maximální krok a v případě potřeby je možné ho dále snižovat. 86% frames lost at 1000 Mbit/s

74% frames lost at 900 Mbit/s

Obrázek 67 -‐ Zobrazení sestavy měření pro test ztrátovosti dle RFC 2544

Ztrátovost

Vliv na video

Vliv na hlas

Zrnění Výpadky Krátkodobě prázdná místa Ztráta signálu

Zkreslený hlas Šum Praskání Ztráta spojení

Obrázek 68 – Zobrazení vlivu ztrátovosti na distribuci videa a hlasu



64 Popis testu zpoždění dle RFC 2544 Zpoždění je definováno rozdílně podle typu zařízení. Pokud je nejprve načten celý rámec a teprve poté je přeposílán dále, jde o zařízení typu store and forward. U tohoto zařízení je zpoždění definováno jako časový interval mezi průchodem posledního bitu vstupního rámce a průchodem prvního bitu výstupního rámce. Pokud je rámec okamžitě přeposílán na výstupní rozhraní, jde o zařízení provádějící tzv. bit forwarding. Zpoždění je pak definováno jako interval mezi průchodem prvního bitu vstupního rámce a průchodem prvního bitu výstupního rámce. Před provedením testu zpoždění je nejprve nutné zjistit propustnost pro rámce dané velikosti (64 až 1518 bytů). Poté zašleme tok rámců rychlostí zjištěnou v testu propustnosti. Tok by měl trvat minimálně 120 sekund a po 60 sekundách vložíme do toku označený testovací rámec. Čas, kdy je tento rámec zcela odeslán zaznamenáme. Zařízení přijímající testovací tok musí být schopno rozpoznat tento rámec a zaznamenat čas jeho příchodu. Zpoždění je pak rozdíl těchto dvou časů. Tento test musí být opakován minimálně 20 krát a výslednou hodnotu poté určíme průměrem hodnot dílčích testů. V testovací zprávě musí být obsažena definice zpoždění podle RFC 1242, která byla užita pro tento test. Výsledky zpoždění by měly být ve formě tabulky, ve které je řádek pro každou velikost testovacího rámce použitého při testu. V jednotlivých sloupcích jsou pak uvedeny rychlost zasílání rámců, typ použitého média a hodnota výsledného zpoždění. Start Time: Tagged Frame

Tagged Frame Loopback

Return Time:

Tagged Frame

Obrázek 69 – Zobrazení sestavy měření pro test zpoždění



Zpoždění Vliv na video

Vliv na hlas

Krátkodobě prázdná místa Ztráta signálu

Zpoždění Mezery ve spojení

Obrázek 70 – Vliv zpoždění na distribuci video toků a hlasové služby



5 Literatura a prameny, ze kterých bylo čerpáno pro tvorbu tohoto materiálu: [1]. Martin A., Sunil M., Thompson W., Muckelbauer M., Glow Networks Inc. 2001 firemní literatura a katalogové listy firmy EXFO Electro-‐Optical Engineering [2]. Kucharski, M., Dubský, P.: Měření přenosových parametrů optických vláken, kabelů a tras, MIKROKOM, Praha 1998 [3]. Norma ČSN EN 188000 [4]. Norma ČSN EN 188101 [5]. Saleh, B. E. A., Teich, M. C.: Základy fotoniky 1, 2, 3, 4, MATFYZPRESS, Praha 1996 [6]. ITU-‐T Recommendation G.652: Characteristics of a single-‐mode optical fibre cable. ITU-‐T, April1997 [7]. ITU-‐T Recommendation G.653: Characteristics of a dispersion-‐shifted single-‐mode optical fibre cable. ITU-‐T, April1997 [8]. ITU-‐T Recommendation G.655: Characteristics of a nan-‐zero dispersion shifted single-‐ mode optical fibre cable. ITU-‐ T J October 1996 [9]. Kyselák, M. Způsoby řešení polarizační vidové disperze u stávajících optických tras, In Optické komunikace 2006. Praha: Agentura Action M, 2006. s. 85-‐174. ISBN: 80-‐86742-‐16-‐4. [10]. Kyselák, M., Filka, M. Kovář, P. Novell Approach to the Solution of Optical Fibre Dispersion Effects, In Telecommunications and Signal Processing TSP -‐ 2006. Brno, 2006. p. 5-‐28. ISBN: 80-‐214-‐3226-‐8. [11]. BROUČEK, J.: DISPERZE CD A JEJÍ MĚŘENÍ, In školení Profiber. Neprodejné. [12]. Kyselák, M.: Moderní způsoby řešení PMD u stávajících optických tras. Access server [online]. 2006, roč. 4., č. 02, s. 0001. Dostupné z WWW:< http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2006042001>. ISSN 1214-‐9675. [13]. Dorociak , P., Kyselák, M.: Vliv polarizační vidové disperze na odolnost modulačních formátů. Access server [online]. 2008, roč. 6., č. 02, s. 0001. Dostupné z WWW:< http://access.feld.cvut.cz/view.php?nazevclanku=vliv-‐polarizacni-‐vidove-‐disperze-‐na-‐ odolnost-‐modulacnich-‐formatu&cisloclanku=2008040002>. ISSN 1214-‐9675. [14]. Čepa, L. -‐ Lucki, M. -‐ Hájek, J.: Porovnání metod kompenzace chromatické disperze u klasického optického jednovidového vlákna. Access server [online]. 2010, roč. 8., č. 201002, s. 0001. Internet: http://access.feld.cvut.cz/view.php?&cisloclanku=2010020001. ISSN 1214-‐ 9675. [15]. Hájek, M., Holomeček, P.: NOVÁ METODA MĚŘENÍ PMD OPTICKÝCH KABELOVÝCH TRAS. In HÁJEK, Martin; HOLOMEČEK, Petr. NOVÁ METODA MĚŘENÍ PMD OPTICKÝCH KABELOVÝCH TRAS [online]. Praha: MIKROKOM s.r.o., Cablex, 2004 [cit. 2011-‐01-‐23]. Dostupné z WWW: . [16]. Hájek, M., Holomeček, P.: MĚŘENÍ CHROMATICKÉ A POLARIZAČNÍ VIDOVÉ DISPERZE JEDNOVIDOVÝCH OPTICKÝCH TRAS. In HÁJEK, Martin; HOLOMEČEK, Petr. MĚŘENÍ CHROMATICKÉ A POLARIZAČNÍ VIDOVÉ DISPERZE JEDNOVIDOVÝCH OPTICKÝCH TRAS [online]. Praha: MIKROKOM s.r.o., Cablex, 2002 [cit. 2011-‐01-‐23]. Dostupné z WWW: . [17]. Hájek, Martin. ZKUŠENOSTI S MĚŘENÍM POLARIZAČNÍ VIDOVÉ DISPERZE (PMD) JEDNOVIDOVÝCH OPTICKÝCH KABELOVÝCH TRAS. In HÁJEK, Martin. ZKUŠENOSTI S MĚŘENÍM POLARIZAČNÍ VIDOVÉ DISPERZE (PMD) JEDNOVIDOVÝCH OPTICKÝCH KABELOVÝCH TRAS [online]. Praha: MIKROKOM s.r.o., 2002 [cit. 2011-‐01-‐23]. Dostupné z WWW: <www.mikrokom.eu/sk/pdf/zkusenosti-‐smerenim.pdf>.



[18]. Slavov, D.: Chromatic dispersion compensation in conventional single-‐mode fibers. In Chromatic dispersion compensation in conventional single-‐mode fibers [online]. UREL Brno: UREL Brno, 2003 [cit. 2011-‐01-‐23]. Dostupné z WWW: <www.urel.feec.vutbr.cz/ra2007/archive/ra2003/papers/418.pdf>. [19]. Ambrož, Jan. Měření optických přenosových tras. Brno, 2008. 70 s. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Dostupné z WWW: . [20]. Červenka, Vladimír. Návrh metody pro stanovení významu polarizační vidové disperze. Brno, 2007. 74 s. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Dostupné z WWW: . [21]. Dorociak, Petr. Vliv polarizační disperze na chybovost optického kanálu. Brno, 2007. 103 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Dostupné z WWW: . [22]. Filip, T.: Disperzní vlivy na vysokorychlostní přenos optickou sítí. Brno, 2009. 75 s. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Dostupné z WWW: . [23]. CHLEBOUN, Jan. Metodika měření optické páteřní sítě. Brno, 2009. 60 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Dostupné z WWW: . [24]. KYSELÁK, Martin. Disperzní vlivy optických vláken na multiplexní přenosy. Brno, 2007. 110 s. Dizertační práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Dostupné z WWW: . [25]. PRÁŠIL, Jiří. Metody řešení vlivu optické disperze na stávajících optických sítích. Brno, 2008. 70 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Dostupné z WWW: . [26]. ROUČKA, Tomáš. Limitující faktory optického vlákna na přenosovou kapacitu optických tras. Brno, 2009. 44 s. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Dostupné z WWW: . [27]. TRÁVNÍČEK, Pavel. PMD -‐ polarizační vidová disperze a vliv na přenos. Brno, 2008. 73 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Dostupné z WWW: . [28]. TURSKÝ, Aleš. Polarizační vidová disperze. Brno, 2007. 54 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Dostupné z WWW: . [29]. VOHRALÍK, Jan. Návrh grafického rozhraní pro výpočet diferenciálního grupového zpoždění. Brno, 2007. 38 s. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Dostupné z WWW: .



[30]. HLADKÝ, M., POTROK, P.: IPTV a Triple Play meranie, In Sítě FTTx v roce 2009. Neprodejné. [31]. MA, Maode. Current Research Progress of Optical Networks. 1st edition. [s.l.] : Springer, April 28, 2009. 282 p. ISBN 978-‐1402098888, ISBN-‐10: 140209888X. [32]. LAM, Cedric. Passive Optical Networks: Principles and practice. Oxford: Elsevier Onc., 2007.324 p. ISBN 978-‐0-‐12-‐373853-‐0. [33]. DHAINI, Ahmad R. Next-‐Generation Passive Optical Networks. Saarbrücken, Germany: VDM Verlag, 2008. 132 p. ISBN 978-‐3836435062. [34]. CHOMYCZ, Bob. Planning Fiber Optic Networks. 1st Edition. [New York] : McGraw-‐Hill Professional, [June 18, 2009]. 400 p. ISBN 978-‐0-‐07-‐164269-‐9, MHID: 0-‐07-‐164269-‐2. [35]. WILFERT, O.; Optoelektronika, UREL FEKT VUT v Brně, 2002. [36]. FRANZ, J. H., JAIN, V. K Optical Communications Components and Systems. Narosa Publishing House, 2000. [37]. HOSS, R. J.; Fiber optic communications design handbook. 1st Edition. New Jersey: Prentice-‐Hall Int.[1990], 435 p. ISBN-‐13: 978-‐0-‐133-‐08586-‐0


Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava. Měření v PON

Recommend Documents