CC BY
38
Электронный научный журнал «Век качества» ISSN 2500-1841 http://www.agequal.ru 2019, №3 http://www.agequal.ru/pdf/2019/AGE_QUALITY_3_2019.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Шестаков И.И. Анализ применимости FBT разветвителей 1 x2 на сетях PON // Электронный научный журнал «Век качества». 2019. №3. С. 137-148. Режим доступа: http ://www.agequal. ru/pdf/2019/319009.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
УДК 001.891.5
Анализ применимости FBT-разветвителей 1x2 на сетях PON
Шестаков Иван Игоревич,
старший преподаватель кафедры Многоканальной электрической связи Уральский технический институт связи и информатики Сибирский государственный университет телекоммуникаций и
информатики (филиал), г. Екатеринбург, Россия ivansche2007@rambler. ru
Аннотация. В работе рассмотрены вопросы применимости оптических разветвителей FBT 1x2 на распределенных сетях PON. Представлен эксперимент исследования уровня отраженного сигнала на входном потру разветвителя FBT 2x2 с применением лабораторно-программного комплекса NI ELVIS Emona FOTEx.
Ключевые слова: оптический разветвитель, отраженный сигнал, пассивная оптическая сеть.
Введение
Оптические разветвителе получили широкое применение на волоконно-оптических линиях связи, таких как PON-сети (Passive Optical Network) и DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) [1, 2]. В сетях PON применяются планарные оптические разветвители PLC (Planar Lightwave Circuit) [3], которые технологически более сложные в изготовлении по сравнению с разветвителем со сплавным биконическим конусом FBT (Fused Biconical Taper), но эффективны с точки зрения энергетических характеристик. Анализируя энергетические параметры оптических разветвителей PLC и FBT с коэффициентом деления 1x4 и более, преимущество характерно для PLC разветвителей. Для планарных и сплавных разветвителей с коэффициентом деления 1x2, энергетические характеристики носят схожий характер, однако, как показывает практика, в качестве разветвителей 1x2 на сетях PON применяются PLC разветвители.
Кроме сети доступа PON, оптические разветвители получили широкое применение в оптических усилителях и передающих оптических модулях на сетях DWDM в качестве оптических ответвителей для контроля мощности оптического сигнала на выходе оптического порта. В качестве ответвителя
применяют FBT разветвитель 1x2 с процентным соотношением оптической мощности на выходных портах 1/99. Сплавные разветвители FBT 1x2 могут изготавливать с различным процентным соотношением оптической мощности на выходных портах.
В частности, для сетей PON, где абоненты (подключаемые жилые дома в частном секторе или муниципальные образовательные учреждения) территориально рассредоточены относительно друг друга, применяют PLC разветвители 1x2 с неравномерным коэффициентом деления. Применение FBT разветвителей 1x2 в рассредоточенной сети PON носит исследовательский характер, так как к разветвителям, изготовленных по технологии FBT, нет некого доверия у Интернет-провайдеров.
Целью данной работы является анализа возможности применения FBT разветвителей 1x2 как в рассредоточенных, так и в сосредоточенных сетях PON. Для решения поставленной цели требуется решить ряд задач:
1) исследовать энергетические характеристики FBT разветвителя;
2) поставленный эксперимент по исследованию энергетических характеристик сплавного разветвителя должен отражать методику и ход постановки эксперимента, которые будут применены в качестве методически указаний для постановки лабораторной работы;
3) сравнение полученных результатов энергетических характеристик FBT разветвителя с заводскими энергетическими параметрами PLC разветвителя.
Для решения поставленных задач, в работе исследуются энергетические параметры FBT разветвителя 2x2 на базе платформы NI ELVIS II и платы расширения Emona FOTEx. Как такового разветвителя 1x2 в плате расширения Emona FOTEx - нет. Кроме этого, разветвитель FBT 2x2, согласно заводским характеристикам платы Emona FOTEx, представлен в виде разветвителя оптической мощности 50/50, а не ответвитель. Однако, FBT ответвитель оптической мощности 1x2 технологически изготавливается из разветвителя 2x2 [4]. Можно говорить о том, что энергетические параметры сплавного разветвителя 1x2 и 2x2 имеют схожий характер. Несмотря на то, что на практике отдают предпочтение PLC разветвителю, и полученные результаты исследования никак не скажутся на переход с PLC разветвителя на FBT разветвитель, то экспериментальные результаты будут применены для постановки лабораторной работы «Исследование энергетических параметров FBT разветвителя 2x2».
Описание лабораторной установки
Платформа Emona FOTEx содержит два модуля сплавных оптических разветвителей. Это устройство содержит четыре порта A, B, C, D со все возможными оптическими путями между этими портами.
Важно отметить, что для сплавного разветвителя выделяют «сильные» оптические маршруты (направление А-С, В-D, A-D, B-C), «слабые» оптические маршруты (направление A-B или B-C и C-D или D-C) и
«обратные» маршруты (направление А-А, B-B, C-C или D-D). Интенсивность света на выходе «слабых» и «обратных» маршрутов много меньше интенсивности света на выходе основных маршрутов. Несмотря на это, наличие оптического сигнала в «слабом» и «обратном» маршруте может привести к сбою в работе оптических сетей в которых применяется подобный вид разветвителя.
На платформе Emona FOTEx имеются некогерентные источники оптического излучения (LEDs) на длинах волн 530 нм (зеленый свет) и 650 нм (красный свет) и стандартные датчики света PIN фотодиоды. Соединение оптических компонентов между собой осуществляется специализированными оптическими шнурами.
В процессе измерения энергетических параметров разветвителя FBT 2*2 необходимо учитывать оптические потери в оптических разъемах, потери в оптических соединительных шнурах. Оптические потери в соединительном шнуре, длина которого составляет 30 см, можно не учитывать, поскольку данные потери много меньше нормируемого затухания оптоволокна на один километр. Измерения будут проводиться на длине волны 650 нм, поскольку данная длина волны ближе к первому окну прозрачности оптоволокна.
В плате расширения Emona FOTEx можно выделить два вида оптических разъемных соединений (рисунок 1). Первый вид - разъемное соединение в передатчике (LED) и приемнике (PIN) оптического излучения. Второй вид -разъемное соединения двух оптических шнуров (коннекторов). Отличие первого вида от второго заключается только в длине зазора между коннекторами, и между коннектором и приемо-передатчиком. Оптические потери в разъемном соединении первого вида будут больше, по сравнению со вторым. Для чистоты проведения измерений, будем считать, что компоновка LED и оптический шнур, PIN и оптический шнур, это есть единый приемопередающий оптический модуль. Это позволит не учитывать оптические потери в разъеме первого вида. Таким образом, в схемах измерений будут присутствовать только разъемные соединения второго вида.
Оптические потери на вводе оптического излучения
Оптические потери на выводе оптического излучения
LED у4 /////// PIN А y/Á yyyyy У//////
-t byyyy
Оптическая розетка Оптическая розетка
Оптические потери в разъемном соединении
Оптическая розетка
Рис. 1. Виды разъемных соединений на плате Emona FOTEx
Оптические потери в оптическом разъеме второго вида, можно рассчитать эмпирическим путем, используя схему измерения представленной на рисунке 2. С помощью схемы (рисунок 2а) производится измерение опорной мощности сигнала Р0 с учетом одного оптического разъема. Таки образом, если в систему внести дополнительный оптический шнур (рисунок 2б), и измерив потери Р1 с учетом двух оптических разъемных соединений, можно рассчитать оптические потери разъемного соединения по формуле (1):
«ор = Р0 - Р1 (1)
аор = 12 - 6,5 = 5,5 дБ
а)
б)
Рис. 2. Схемы измерения параметра Р0 (а) и Р1 (б)
После определения опорной мощности и оптических потерь в разъемном соединении двух оптических шнуров, выполняются измерения энергетических параметров оптического разветвителя FBT 2*2. К таким параметрам относят [5]:
- оптические потери в прямом и ответвлённом направлении;
- коэффициент деления оптической мощности;
- коэффициент направленности;
- неравномерность оптических потерь;
- избыточные потери;
- коэффициент уровня отраженного сигнала на входном оптическом порту.
Постановка эксперимента
Для измерения оптических потерь разветвителя в прямом направлении, к порту А подключается источник излучения, к порту С подключить фотоприемник (рисунок 3), измеряется уровень сигнала Рас. Зная опорную мощность сигнала Р0 и оптические потери в разъемных соединениях, оптические потери разветвителя в направлении АС рассчитываются по формуле (2):
ЯАС = Р0 - аор - Рас (2)
Измерение и расчет оптических потерь для других прямых и ответвленных направлений производится аналогично. Результаты измерений представлены в таблице 1.
В сплавной d
разветвитель А 2x2 С
Рис. 3. Схема измерения вносимых оптических потерь сплавным разветвителем
Таблица 1 - Результаты расчетов затухания разветвителя
Направление измерения ар, дБ
A-B 39,4
A-C 6,5
A-D 9,0
B-A 39,4
B-C 4,9
B-D 5,0
C-A 5,0
C-B 9,0
C-D 39,8
D-A 7,4
D-B 6,5
D-C 40,7
Коэффициент деления оптической мощности сплавного разветвителя показывает процентное деление мощности между выходными портами А и В или С и Б, который рассчитывается по формуле (3):
Кд =—^ (3)
Д р+р
где Р2 - уровень сигнала на выходе порта прямого направления; Р3 - уровень сигнала на выходе порта ответвленного направления. Пояснение к формуле (3) представлено на рисунке 4.
P4
Pi
P5
в / D
м--- J А ---V ^ С
Рз Р2
Рис. 4. Направления распределение мощности в оптическом разветвителе 2*2
Расчеты коэффициента деления оптического разветвителя представлены в таблице 2.
_Таблица 2 - Результаты расчетов коэффициента деления_
Входной порт Процентное деление мощности по портам, %
А С D
42,8 57,1
В С D
40,8 59,1
C А В
51,2 38,4
D A B
52,6 47,3
Результаты расчетов коэффициента направленности сводятся в таблицу 3. Коэффициент направленности не должен быть хуже, чем 50 дБ.
Таблица 3 - Результаты расчетов коэффициента направленности
Направления Коэффициент направленности, дБ
АВ 39,4
ВА 39,4
CD 39,8
DC 40,7
Разброс значений вносимых потерь для разных выходных портов А и В или С и Б характеризуется таким параметром, как неравномерность потерь,
который рассчитывается по формуле (5):
р
К нп = 1018(5)
Р3
где Р2 - мощность сигнала на выходе порта прямого направления; Р3 - мощность сигнала на выходе порта ответвленного направления. Результаты расчетов неравномерности потерь разветвителя 2*2
представлены в таблице 4.
Таблица4 - Результаты расчета коэффициента неравномерности потерь
Направления Коэффициент неравномерности потерь, дБ Среднее
А^С, A^D 2,5 1,8 дБ
B^D, B^C 0,1
C^B, C^A 4,0
D^B, D^A 0,9
Общие потери мощности при передаче от входного порта к выходным портам определяются избыточными потерями, формула (6):
1Л , Р2 + Р3
«ИЗБ = 10 Х Р1 , (6)
где Р1 - мощность сигнала на первом входном порту;
Р2 и Рз - мощность сигнала на выходе порта прямого и ответвленного направления.
Результаты расчетов избыточных потерь сведены в таблице 5. Избыточные потери должны распределяться в соответствии с коэффициентом направленности, коэффициентом деления, коэффициентом неравномерности потерь.
Таблица 5 - Результаты расчетов избыточных потерь
Направления Избыточные потери, дБ Среднее
А^С, A^D 9 6,8 дБ
B^D, B^C 3,4
C^B, C^A 7,5
D^B, D^A 7,4
Одним из важных параметров оптического разветвителя является коэффициент отражения. Величина отраженного сигнала должна быть минимальна, так как отраженный сигнал является нежелательным и может приводить к нестабильной работе источника излучения, а также к ошибкам на приеме.
Стандартным методом измерения коэффициента отражения является метод обратного рассеяния, но данный метод требует дорогостоящего оборудования, поэтому в данной работе используется аналитический метод расчета.
Для аналитического расчета коэффициента уровня отраженного сигнала на одном из оптических портов разветвителя, например, для порта А, требуется провести ряд измерений. Опытным путем, уровень отраженного
сигнала порта А( РОТР) можно измерить по схеме представленной на рисунке 5.
FUNCTION GENERATOR
ANALOG I/O ® ®
®
□ □
В СПЛАВНОЙ D
РАЗВЕТВИТЕЛЬ
А 2x2 С
В СПЛАВНОЙ D
РАЗВЕТВИТЕЛЬ
А 2x2 С
□
Рис. 5. Схема измерения отраженного сигнала
Схема включает в себя два оптических разветвителя и три оптических шнура. Первый разветвитель предназначен для ввода и вывода оптического сигнала, второй разветвитель выступает в качестве исследуемого объекта.
В измеренной величине Р(ОТР заложен отраженный сигнала от второго разветвителя, от оптических разъемных соединений Р((ТР и уровень обратного сигнала на выходе второго входного порта первого разветвителя Р, направление В-А (рисунок 6).
ш
I ; ; I
Рис. 6. Диаграмма отраженных сигналов для полной схемы
Сплошной линией показан отраженный сигнал от исследуемого оптического разветвителя, штриховой линией показа отраженный сигнал от двух оптических разъемных соединений и пунктирной линией показан сигнал на выходе второго входного порта первого разветвителя, направление
В-А. Значение Р(ТР без учета уровня отражённого сигнала от двух оптических разъемных соединений и уровня сигнала на выходе второго входного порта первого разветвителя - это есть оценка уровня отраженного сигнала исследуемого разветвителя.
Измерение уровня отраженного сигнала от оптического разъемного соединения РдТР, выполняется путем отключения исследуемого разветвителя.
Измеренное значение РОТ включает в себя отраженный сигнал от одного коннектора и уровень обратного сигнала на выходе второго входного порта первого разветвителя, направление В-А. Уровень отраженного сигнала от коннектора оптического шнура, в отличии от оптического разъемного соединения на порту С первого разветвителя, пренебрежимо мало, поэтому этот сигнал не учитывается и в значении РоТР учитывается только одно оптическое разъемное соединение (рисунок 7).
Измерение уровня обратного сигнала Р^ на выходе второго входного порта первого разветвителя, направление В-А, выполняется последующим отключением оптического шнура. Уровень отраженного сигнала от коннекторов портов С и Б не учитываются (рисунок 8). Результаты измерений значений Р^, РОТ и РОТР представлены в таблице 6.
Рис. 7. Диаграмма отраженных сигналов без учета второго разветвителя
Рис. 8. Диаграмма отраженного сигнала первого разветвителя
Схема измерения Уровень сигнала, дБ
I -35,15
II -36,02
III -39,96
Как показывают результаты, представленные в таблице 7, при отключении одного из компонентов в схеме экспериментальной установки (рисунок 5), наблюдается уменьшение уровня сигнала на входе фотодиод.
Прирост уровня сигнала между первой и второй схемой измерения составляет:
Ai.ii = -35,15 - (-36,02) = 0,87 дБ
Прирост уровня сигнала между второй и третьей схемой измерения составляет:
Ап-1 = -36,02 - (-39,96) = 3,94 дБ
В рассчитанной величине Аш-п должно присутствовать значение Ап-1, однако, данные результаты противоречивы и поставленный эксперимент носит объективный характер.
Для получения достоверных результатов, в первой схеме, вместо второго разветвителя подключается оптический шнур (рисунок 9), измеряется величина РОТ .
Величина РОТР должна соответствовать неравенству:
Р111 * < Р111 (7)
í отр ^1 OTP V ' /
Сравнивая полученный результаты РЦТР с РЦТР, получим:
-35,10 < 35,15 дБ
Разница между величиной РЦТР и РЦТР составляет 0,05 дБ. Это говорит о том, что как такового отраженного сигнала от места сплава волокон разветвителя не наблюдается, а наблюдается Френелевское отражение в оптических разъемных соединениях.
Выводы
Полученные результаты исследования энергетических параметров FBT разветвителя 2*2 на аппаратно-программном комплексе NI ELVIS II и платы расширения Emona FOTEx, носят незаконченный исследовательский характер. Применение подобной лабораторной установки позволяет оценить все энергетические параметры FBT разветвителя 2*2 за исключением коэффициента отраженного сигнала на входном порту. Для оценки этого параметра требуется:
- применение стабильных источником излучения работающих на длинах волн оборудования сетей PON;
- применение коннекторов типа SC/APC, что позволит уменьшить и стабилизировать оптические потери, а также уменьшить уровень отраженного сигнала;
- применение стабильных фотодиодов с чувствительностью не хуже, чем -30 дБм.
Также, было замечено, что при измерении отражённого сигнала РОтР и РОТ* , наблюдаются шумовые процессы, которые затрудняют процесс измерения параметров FBT разветвителя.
Таким образом, можно говорить, что энергетические параметры FBT разветвителя 2*2 имеют схожий характер с энергетическими параметрами PLC разветвителя 1 *2, а их применение на практике вполне возможно.
Решение поставленных задач отразится в виде методических указаний для постановки лабораторной работы «Исследование энергетических параметров FBT разветвителя 2*2» по дисциплинам кафедры МЭС УрТИСИ СибГУТИ, а также в постановке экспериментов в других научно-исследовательских работах.
Список литературы
1. Гниломёдов Е.И., Шестаков И.И. Оценка применимости компонентов разветвленных сетей стандарта ITU-T G.984 архитектуры FTTX, для организации учебного процесса с целью формирования профессиональных компетенций выпускников в соответствии с ФГОС ВО 3+ // Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики, часть II - Ростов-на-Дону.: ПЦ «Университет» СКФ МТУСИ, 2017. С. 242-248. - URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=32265787 (дата обращения 20.02.2019).
2. Савин Е.З. Волоконно-оптические кабели и пассивные компоненты ВОЛП: учеб. пособие. - М.: УМЦ ЖДТ, 2012. - URL: http://ibooks.ru/reading.php?productid=27582 (дата обращения 02.03.2019).
3. ITU-T G.984.1 (03/2008). Gigabit-capable passive optical networks (GPON): General characteristics. - URL: https://www.itu.int/itu-t/recommendations/rec.aspx?rec=9379 (дата обращения 03.03.2019).
4. Andre Girard, Ph. D. FTTx PON Technology and Testing. EXFO Electro-Optical Engineering Inc, Canada, 2005.
5. Субботин Е.А., Минина Е.А., Горлов Н.И. Измерение передаточных параметров волоконно-оптических линий передач. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007. - 223 с.
Analysis of applicability of FBT 1x2 splitters on PON networks
Shestakov I.I.
URTISI SibGUTI Yekaterinburg, 620109, Russian Federation
Abstract: The paper discusses the applicability of FBT 1*2 optical splitters on distributed PON networks. An experiment is presented to investigate the level of the reflected signal at the input cost of a 2 * 2 FBT splitter using the NI ELVIS Emona FOTEx laboratory software package.
Keywords: optical splitter; reflected signal, passive optical network.
