Pomiary w instalacjach światłowodowych

Wykonywanie pomiarów w niewielkich instalacjach światłowodowych nie jest często stosowaną praktyką. Wielu instalatorów wykonujących tego typu połączenia wychodzi z założenia, że jeśli połączenie funkcjonuje prawidłowo po podłączeniu do niego urządzeń, to nawet ogólny pomiar tłumienia jest zbędny. Nie jest to jednak założenie właściwe. Istnieje szereg sytuacji, w których podłączone urządzenia aktywne będą działać prawidłowo, jednak problemy ujawnią się dopiero po jakimś czasie eksploatacji sieci czy traktu optycznego.

Przykładem takiej sytuacji będzie przypadek, w którym działające na długości fali 1310 nm połączenie, zastąpione zostanie przez urządzenia wykorzystujące długość fali 1550 nm. Może się wówczas okazać, że niewykryte wcześniej zwiększone tłumienie (będące np. konsekwencją mikro- lub makrozgięcia kabla/włókna, bardzo złego spawu, zabrudzonego złącza lub użycia kiepskiej jakości adaptera) spowoduje zanik sygnału po stronie odbiornika dla wyższej długości fali.

Innym przypadkiem będą połączenia permanentnie narażone na zabrudzenie – eksploatacja takiej sieci niesie za sobą ryzyko zwiększania tłumienia na wszystkich połączeniach rozłącznych (adaptery/złącza) wraz z upływem czasu eksploatacji – podłączania/rozłączania/przełączania, zwłaszcza gdy nie są używane przy tym specjalnie przeznaczone do tego narzędzie czyszczące. W takich instalacjach jest konieczne sprawdzenie początkowego tłumienia całego toru optycznego i zadbanie, aby było ono możliwie niskie.

Zgodnie z powyższym, warto wykonywać choćby podstawową diagnostykę połączeń optycznych – nawet gdy nie jest to wymagane przez inwestora.

Warto pamiętać, że sam miernik optyczny będący podstawowym narzędziem pomiarowym przydać się może nie tylko do weryfikacji tłumienia światłowodu. Nierzadko wykorzystać go można do weryfikacji poprawności działania urządzeń aktywnych – tj. czy generowany przez nie sygnał zawiera się w deklarowanym przedziale mocy.

Czyszczenie złączy przy realizacji instalacji światłowodowych to dla jednych kwestia oczywista, dla innych niepotrzebna procedura, która podnosi jedynie koszty instalacji (narzędzia, wkłady czyszczące, czas niezbędny do przeprowadzenia czyszczenia dużej ilości złącz). Można przyjąć, że rację mają tutaj obie strony, przy czym zaznaczyć należy, że czyszczenie nigdy nie zaszkodzi, a może pomóc.

W systemach, w których kluczowym parametrem oprócz tłumienia jest reflektancja, czyli to, jak złącze odbija padający na nie sygnał, czyszczenie jest niezwykle istotne. Nawet małe zabrudzenie złącza może znacznie pogorszyć jego reflektancję i powodować większe odbicie sygnału w kierunku nadajnika stwarzając problemy z jego prawidłowym funkcjonowaniem.

W mniejszych systemach lokalnych, takich jak światłowodowe sieci LAN, czy systemach monitoringu CCTV bazujących na okablowaniu światłowodowym, modułach SFP oraz media konwerterach pracujących na długości fali 1310 nm, wartość reflektancji złączy nie jest aż tak istotna. Co więcej, również większe tłumienie na nieco zabrudzonym złączu nie spowoduje najczęściej zaniku sygnału po drugiej stronie. Wykorzystywany w tego typu instalacjach sprzęt oferuje zazwyczaj znacznie wyższy niż wymagany budżet mocy. Szerokie grono instalatorów wykonujących tego typu instalacje nie dysponuje żadnym narzędziem czyszczącym. Należy domniemać, że większość z nich nie jest również obligowana do wykonywania jakichkolwiek pomiarów w wykonywanych przez siebie instalacjach. Wystarczy, że spełniony zostanie podstawowy warunek - „instalacja działa”.

W przypadku realizacji pomiarów, czyszczenie złączy nie jest już kwestią wyboru i powinno być wykonywane zawsze. Do pomiaru, instalator wykorzystuje często wielokrotnie te same patchcordy pomiarowe, które pomimo stosowania fabrycznych zaślepek, muszą z czasem ulec zabrudzeniu. Brak czyszczenia wtyków patchcordowych zaowocować może przekłamaniami w wynikach pomiarów. Co więcej, w przypadku pomiarów reflektometrycznych, bezwzględnie za każdym razem należy czyścić wtyk włókna rozbiegowego, który podłączany jest do gniazda reflektometru. Wielokrotne wkładanie i wyciąganie nieczyszczonego wtyku jest najczęstszą przyczyną usterek reflektometrów, z których większość kończy się kosztowną wymianą złącza pomiarowego. Uszkodzenie złącza jest bezpośrednią konsekwencją jego zabrudzenia. Nagromadzony brud po pierwsze może rysować ferrulę złącza reflektometru (w najlepszym wypadku skutkuje to „tylko” błędnymi wynikami), po drugie silnie odbija impulsy generowane przez urządzenie. Jeśli instalator wybierze szeroki impuls oraz duży zakres pomiaru, poważne uszkodzenie reflektometru jest wówczas wyłącznie kwestią czasu.

Przed zakupem jakichikolwiek urządzeń pomiarowych instalator powinien odpowiedzieć sobie na podstawowe pytanie - jaki ma być cel wykonywanych przez niego pomiarów. Od tego uzależniony będzie dobór urządzeń oraz metody pomiarowej. W drugiej kolejności zastanowić się można nad specyficznymi funkcjami sprzętu, które mogą, lub nie, przydać nam się w pracy.

Wbrew pozorom określenie „celu pomiaru” nie zawsze jest bezproblemowe. Nierzadko mało doświadczony w kwestii realizacji instalacji światłowodowych instalator dostarczyć ma na żądanie jeszcze mniej wiedzącego inwestora „raport z pomiarów”. Inwestor nie do końca wie czego konkretnie żądać, instalator nie wie co w obliczu działającej i prostej instalacji powinno się znaleźć w raporcie pomiarowym.

Wyróżnić można trzy główne „cele pomiaru”:

Wymagany sprzęt: miernik mocy optycznej

W tej sytuacji zakłada się, że na wejściu instalacji lub po jednej stronie toru optycznego znajduje się urządzenie aktywne generujące sygnał o określonym poziomie mocy – takie, które docelowo ma stanowić źródło sygnału w instalacji. Używając miernika mocy optycznej, instalator jest w stanie określić poziom sygnału po drugiej stronie toru optycznego, czyli miejscu montażu urządzenia odbiorczego. Dobrą analogią dla tego typu pomiarów stanowić mogą pomiary wykonywane w miedzianych instalacjach RTV/SAT. Tam, instalator za pomocą miernika poziomu sygnału weryfikuje, czy sygnał na gniazdach abonenckich zawiera się w określonych, zgodnych z założeniami przedziałach.

Przykładem instalacji optycznych, w których poziom sygnału na odbiorniku stanowi sprawę kluczową, są tzw. pasywne sieci optyczne (PON). Z kolei przykład takiej instalacji stanowić może telewizyjna instalacja optyczna bazująca na nadajniku optycznym, elementach pasywnych takich, jak kable, splittery, tłumiki oraz odbiornikach optycznych.

Najważniejszą kwestią w takiej sieci jest zapewnienie, aby poziom mocy optycznej na wejściu odbiornika mieścił się w założonym przez producenta przedziale. Co ciekawe, dużo częściej problem stanowi tutaj zbyt wysoka, a nie zbyt niska moc sygnału. To znakomity przykład sytuacji, w której raportowanie wyłącznie tłumienia toru optycznego pozbawione jest większego sensu, gdyż przy idealnie wykonanej części pasywnej podpartej odpowiednim pomiarem, otrzymać możemy niedziałającą instalację. Wyjątek stanowi tutaj sytuacja, w której okablowanie wykonywane jest w pierwszym etapie, a urządzenia montowane są później. Wówczas obie kwestie (tłumienie toru optycznego oraz poziom sygnału na odbiornikach) weryfikować należy osobno.

Wymagany sprzęt:
miernik mocy optycznej, stabilne źródło światła, patchcordy pomiarowe, adapter centrujący.

To zdecydowanie najczęściej występujący przypadek – instalator chce zweryfikować, czy wykonany przez niego trakt optyczny wykonany został prawidłowo w zakresie dopuszczalnego tłumienia całkowitego. Wykorzystanie miernika mocy optycznej oraz stabilnego źródła światła to pomiar tzw. „metodą transmisyjną”. Raport pomiarowy zawiera tutaj tłumienie całkowite połączenia światłowodowego dla wybranych długości fal. Wykonując pomiary metodą transmisyjną należy pamiętać o wyborze odpowiedniej dla danej instalacji długości fali - w zależności od okna transmisyjnego, w jakim docelowo będzie pracował system lub w zależności od norm czy standardów, wedle których mamy postępować. W przypadku, gdy nie obejmują nas żadne zalecenia, najlepiej wykonać jest pomiary dla wszystkich długości fali charakterystycznych dla danego typu włókna, tj. dla włókien wielomodowych - 850 nm oraz 1300 nm, a dla włókien jednomodowych - 1310 nm, 1550 nm, 1625 nm.

Metoda ta zakłada podłączenie po jednej stronie źródła sygnału o stałej i znanej mocy, a po drugiej miernika mocy optycznej. Wynik pomiaru to prostu różnica wskazań obu urządzeń. W pomiarach najczęściej korzysta się ze skali logarytmicznej.
Przykład - moc źródła: -5dBm, wskazanie miernika: -10 dBm, tłumienie toru optycznego: 5 dB.

Patrząc na powyższy schemat, zauważyć można, że wynik pomiaru uwzględnia również tłumienie wykorzystywanych patchcordów pomiarowych. Im dłuższy i bardziej rozbudowany (tj. zawierający dużą ilość spawów i złączy rozłącznych) trakt optyczny, tym udział tłumienia patchcordów w ostatecznym wyniku pomiaru jest mniejszy. Jeśli jednak wykonywany jest pomiar niedługiego odcinka światłowodu obustronnie zakończonego złączami, może okazać się, że wpływ tłumienia patchcordów będzie znaczący. W skrajnym przypadku – gdy patchcordy są zabrudzone lub uszkodzone, ich tłumienie stanowić może większość całkowitego tłumienia.

Rozwiązaniem tego problemu jest wykonanie tzw. kalibracji układu pomiarowego (pomiar referencyjny). Warto tutaj zauważyć, że niektóre urządzenia mogą nie oferować takiej możliwości – zwykle dotyczy to mierników, dla których pomiar mocy optycznej jest jedną z funkcji dodatkowych (mierniki RTV/SAT z funkcją miernika mocy optycznej, miernik mocy wbudowany w spawarkę światłowodową itp.).

Kalibracja polega na połączeniu źródła światła oraz miernika mocy za pomocą dwóch patchcordów pomiarowych z wykorzystaniem łącznika centrującego (adaptera). Uzyskane w ten sposób na mierniku tłumienie zerujemy poprzez wciśnięcie klawisza "REF” (miernik L5815) lub innego odpowiadającego za tę funkcję („dBm” dla miernika L5816). Następnie wykonujemy standardowy pomiar badanego toru optycznego w odniesieniu do uzyskanego wcześniej pomiaru kalibracyjnego. Uzyskany w ten sposób wynik pomija tłumienie patchcordów pomiarowych.

Ostatnia kwestia to interpretacja uzyskanych wyników, które porównać należy z teoretycznymi wyliczeniami tłumienia dla danego toru optycznego. Wyliczenia uwzględniać muszą tłumienie włókna światłowodowego dla danej długości fali, spoin termicznych (lub mechanicznych) oraz złączy rozłącznych. Dla poszczególnych elementów przyjmuje się następujące wartości:

Szacując tłumienie dla toru optycznego, jak na schemacie powyżej, otrzymujemy:

Szacowane tłumienie całkowite wyniesie więc 1,0+ 0,4 + 6,7 + 0,52 = 8,62 dB.

Wynik pomiaru referencyjnego nie powinien znacznie odbiegać od wyliczeń teoretycznych. Oczywiście pewne odchyły w tym zakresie są akceptowalne. Pomiar wykonywany przez większość tańszych mierników obarczony jest błędem wynoszącym +/- 0,35 dB lub +/- 3-5% wartości mierzonej (dane te odnaleźć należy w karcie katalogowej miernika). W tym konkretnym przykładzie pomiar referencyjny z wykorzystaniem miernika L5816 obarczony będzie błędem +/-3%. Dla wartości zbliżonych do 9 dB, błąd ten wyniesie więc 0,45 dB. Jak najbardziej akceptowalny zatem będzie ostateczny wynik mieszczący się w zakresie 8 – 9 dB. Taki pomiar uznać należy za w 100% zgodny z założeniami. W praktyce margines akceptacji wyników może być nieco szerszy.

Określenie tłumienia linii, tłumienia złączy, reflektancji złączy, długości linii, odległości między zdarzeniami na linii, wpływu mikro- i makrozgięć na parametry transmisyjne

Wymagany sprzęt: reflektometr (OTDR), włókno rozbiegowe

W sytuacji, w której od instalatora wymagane jest dostarczenie innych, poza całkowitym tłumieniem, parametrów toru transmisyjnego, musi on skorzystać z reflektometru. To zaawansowane urządzenie przeznaczone jest najczęściej do pomiaru reflektancji (zdolności do tłumienia sygnałów odbitych) złączy oraz wyznaczania tłumienia wszystkich zdarzeń w torze transmisyjnym.

Pomimo tego, że reflektometr jest zaawansowanym, oferującym wiele możliwości sprzętem, pomiary całkowitego tłumienia toru optycznego powinny być wykonywane opisywaną wcześniej metodą transmisyjną. Po pierwsze, jest to metoda najdokładniejsza (w przeciwieństwie do pomiarów reflektometrycznych, w metodzie transmisyjnej mamy do czynienia z rzeczywistym pomiarem tłumienia). Reflektometry bazują na uśrednianiu serii pomiarów i programowej analizie uzyskanych wyników. Wartości tłumień są tutaj wyznaczane przez oprogramowanie, a nie mierzone. Istotniejszą rzeczą jest jednak fakt, że pomiar reflektometryczny nie uwzględnia tłumienia ostatniego zdarzenia mierzonej linii. Zwykle zdarzeniem tym jest złącze mierzonego toru optycznego, który może mieć istotny wpływ na tłumienie całości. Złącze to można uwzględnić w pomiarze poprzez podłączenie do niego tzw. włókna dobiegowego, jednak wówczas w pomiarze uwzględnione zostanie również złącze podłączanego włókna. W tym względzie jedyną słuszną metodą pomiaru jest metoda transmisyjna z kalibracją układu pomiarowego pozwalającą na pomiar tłumienia całej linii (uwzględniając półzłącza na początku oraz na końcu światłowodu). Każdy reflektometr wyposażony jest w moduł miernika mocy. Nie jest zatem konieczny zakup obu urządzeń.

Wyniki pomiarów reflektometrycznych prezentowane są zawsze w dwóch formach - w postaci reflektogramu (rysunek powyżej) oraz tzw. "tabeli zdarzeń". Reflektogram to wykres pokazujący moc sygnału optycznego w całej mierzonej linii. Na jego podstawie osoba wykonująca pomiar jest w stanie wykazać jakie zdarzenia występują w danym trakcie optycznym oraz jakie są ich parametry transmisyjne (tłumienie oraz reflektancja). Te same zdarzenia prezentowane są również w formie tabeli. Powyższy rysunek prezentuje typowe zdarzenia występujące na reflektogramie:

Jak widać ten rodzaj pomiaru jest w stanie dostarczyć maksimum informacji na temat badanej linii transmisyjnej. Jest też najlepszą metodą w szukaniu przyczyn i lokalizacji miejsca awarii traktu optycznego.

W tym konkretnym przykładzie do czynienia mamy z linią światłowodową obejmującą:

• 150 metrów (w istocie 150 m oraz 2x 1,5 przyłącza - w sumie więc 153 m) włókna rozbiegowego (wartość 161 metrów dla pierwszego zdarzenia wynika z występowania strefy martwej - dystans prawidłowo naliczany jest od 8 metra)
• zdarzenia na 161 metrze, które przez reflektometr oznaczone zostało jako spaw o tłumieniu 0,26 dB. W rzeczywistości jest to połączenie rozbiegówki z mierzonym torem. Połączenie to jest połączeniem SC/APC bardzo wysokiej jakości i o bardzo niskiej reflektancji. Połączenie to wykazuje więc tłumienie typowe dla złącza, natomiast jego reflektancja jest tak niska, że nie jest rejestrowane jako złącze, a właśnie jako spaw. Nierzadko w sytuacjach takich, dla "poprawienia" reflektogramu, osoby wykonujące pomiar specjalnie brudzą złącze, aby wykazało ono charakter reflektancyjny (odbiło światło) i uwidoczniło się na wykresie
• 172 metry światłowodu (odcinek 161 m - 333 m) do złącza rozłączonego o tłumieniu 0,14 dB i reflektancji 48,36 dB (tutaj zdarzenie obejmuje również 1 spaw)
• 30 metrów patchcorda (odcinek 333 m - 363 m) do złącza rozłączonego o tłumieniu 0,32 dB i reflektancji 47,85 dB (tutaj zdarzenie obejmuje również 1 spaw)
• 41 metrów światłowodu, którego zakończenie stanowi koniec mierzonej linii światłowodowej

Ilość dostarczanych informacji przez tę metodę jest jej największą zaletą. Aby dokonać prawidłowej ich interpretacji trzeba dysponować odpowiednią wiedzą i doświadczeniem z zakresu przygotowania pomiaru (ustawienia odpowiednich opcji w urządzeniu w zależności od rodzaju i długości mierzonej linii), jak i analizy uzyskanych wyników. Niestety, automaty pomiarowe nie sprawdzają się tutaj praktycznie nigdy.

Warto również dodać, że pomiary reflektometryczne powinny być wykonywane w dwóch kierunkach. Tylko taki pomiar gwarantuje uzyskanie poprawnych wartości tłumienia zdarzeń.

Osoby rozpoczynające przygodę z pomiarami reflektometrycznymi muszą sobie zdać sprawę z tego, że metoda ta ma również swoje ograniczenia. Nie każde zdarzenie musi znaleźć się na reflektogramie. Bezpośrednio następujące po sobie zdarzenia - np. złącze i spaw lub dwa złącza wykonane w niewielkiej odległości od siebie mogą zostać wykryte jako jedno zdarzenie. Ma to związek z występowaniem tzw. martwej strefy - w ślad za każdym zdarzeniem przez pewien czas reflektometr nie jest w stanie rozpoznawać kolejnych zdarzeń. Strefa ta jest tym większa, im mocniejszy jest impuls światła wprowadzany do włókna oraz determinowana przez jakość samego reflektometru.

Przykładowo, dla reflektometru FHO3000 L5828 wielkość tzw. tłumiennościowej strefy martwej (niezależnej od szerokości impulsu) to 6 metrów. Strefa martwa "zdarzeniowa" uwarunkowana jest szerokością impulsu i przy pomiarach krótkich odcinków światłowodowych (dla impulsów 3 ns - 20 ns) wynieść może od 1 m do około 6 m. Przy takich pomiarach w teorii reflektometr nie będzie zdolny do wykrycia zdarzeń, które będą oddalone od siebie o mniej niż 7 - 12 m. Są to jednak wartości teoretyczne - w praktyce dystans ten może być nieco większy ze względu na odbiegającą od założeń producenta reflektancję zdarzeń (im gorsza reflektancja, tym większa strefa martwa za danym zdarzeniem).

Występowanie strefy martwej to główna przyczyna, dla której przy pomiarach reflektometrycznych stosowane jest tzw. włókno rozbiegowe. Wpina się je między reflektometr, a mierzoną linię, aby możliwy był właściwy pomiar linii już od jej samego początku.

Brak zdarzeń na reflektogramie może wynikać z bardzo dobrej jakości wykonania poszczególnych elementów toru optycznego. Biorąc pod uwagę fakt, że reflektometr przy wykrywaniu zdarzeń bazuje na ilości odbijanego od nich światła (reflektancja), idealnie wykonane połączenia typu APC, mogą zostać niezauważone przez urządzenie. Minimalna wartość reflektancji dla tego typu złączy to 55 dB. Tymczasem przy komponentach dobrej jakości wartość ta wynosi 60 dB, a nawet ponad 70 dB. Oznacza to, że dane złącze odbija jedną milionową (60 dB) padającego na nie światła, a reflektometr musi taką sytuację zarejestrować i zinterpretować! Nawet najwyższej klasy sprzęt może mieć z tym problemy. Podobna sytuacja dotyczy spoin termicznych. Technika spawania jest dziś tak zaawansowana, że tłumienie dobrze wykonanego spawu nierzadko zbliża się do wartości 0 dB. Tak małe zmiany tłumienia mogą nie zostać zarejestrowane nawet przez najczulszy sprzęt pomiarowy.

Powyższe przypadki bywają często przyczyną wątpliwości u początkujących, wykonujących pomiary instalatorów. Za brak pewnych zdarzeń winią sprzęt lub własny brak umiejętności w przygotowaniu pomiaru. Choć oczywiście takie powody są możliwe, to jednak paradoksalnie taki "zły pomiar" może być oznaką dobrze wykonanej instalacji. Podstawą jest tutaj świadomość własnych działań, wiedza na temat możliwości stosowanego sprzętu oraz umiejętność interpretacji uzyskiwanych wyników.