光反射率計を発明した方法

ストーリーは、参入の高いしきい値、レーキラン、および将来の信頼性、ならびに光学、回路、およびFPGAについて少しです。 KDPVについて-何が起こったのか、実際に動作し、本番で使用されています。以下は、この「敵対的なテクノロジーの奇跡」を作成するプロセスについてのストーリーです。

2007年12月の憂鬱な冬の朝、小さな電子機器会社のマーケティング担当者は、 OTDRを作成する時期であると判断しました。 安価で、少なくとも、まともな特性を備えた外国のものより悪くないこと。

すぐに言ってやった！ プロジェクトは開始して研究するためのゴーサインを与えられ、ソリューションと実験の検索が始まりました。 計画、グラフ、特別な文献の研究、パラメータ、機能、同様のデバイスの機能と特性。

次のことに注意する必要があります。

1. OTDRの前は、apparatchiksとプログラマーのチームはデジタルシステムと測定（E1のパルス形状は考慮していません）に専念し、OTDRの物理はアナログでした。
2. 説明されたイベントは、2008年から2013年、つまりかなり前に行われました。
3. はい、このプロセスには5年かかりました（実際、それ以上）。

はじめに

OTDRが必要な理由、それらが機能する原理、およびこれらの測定器の主要なパラメーターについて、指で伝えて示すようにします。

今日では、高い伝送速度に驚くことはありません（ただし、100 Mbpsは誰かにとって高速です）。 10年以上にわたり、地球は膨大なトラフィックを途方もない速度で駆動する光ケーブルに巻き込まれてきました。 10/40 / 100GとDWDMを組み合わせ、1本の繊維で1秒間に16テラビットの潜在的な帯域を実現します。これは、現代のインターネット、クラウド、およびその他のGoogle-Amazonの基盤となっています。 さて、これだけでなく、光ファイバーは依然としてそのような速度の主な物理的伝送媒体のままです。

世界は不完全であり、ケーブルはいつでも破損する可能性があります：切断、破れ、挟まれなど 近くのどこかで肉眼で見ることができれば便利です。たとえば、野生の掘削機が引き裂かれているのを見つけることができます ライオンの顎 データセンターの隣の光学系。 そして、ギャップが水面下にあるのか地下にあるのか？ 故障を見つけるために新しいケーブルを敷設するか、古いケーブルを入手するのはそれほど高価ではありませんが、非常に高価です。 正しいアクションは、問題を特定し、破損したファイバーを溶接することです。

ルートのセクションの長さが数十キロ、数百キロで、ケーブルの各メートルに物理的に到達することが不可能な場合、損傷の場所を見つける方法は？ これは、光タイムドメイン反射率計（OTDR）が救助に出かける場所です-故障の場所を見つけて、...キロメートルの距離で溶接とコネクタの品質を決定できるデバイスです...メートル/センチメートルの精度。 距離と精度は、特定のデバイスの特性に依存します。 また、デバイスの価格も非常に大きく左右されます。

免責事項：もちろん、ギャップは光ファイバー通信回線（光ファイバー通信回線）の操作中に発生するいくつかのタイプの問題の1つにすぎませんが、私の目標は光ファイバーのすべてのパラメーターを詳細に説明することではありません：ロシア語と英語の良い本があります（参照以下の参考文献のリストにあります）、また、Habréの優れた記事です。

そのため、光反射率計の主なパラメーター：

1. ダイナミックレンジ（範囲）; 例：36/34 dB
2. 解像度（精度）; 解像度を4 cm未満にすることができました
3. イベントデッドゾーン（互いに最小距離で障害を検出できる）
4. 減衰のデッドゾーン（コネクタおよび溶接部での損失の測定用）

OTDRの原則

（理論に入らないで、非常に原始的）

光ファイバ内の光伝搬の物理学は、ケーブルのシース、伝搬媒体の各点、およびその経路内のすべての不均一性の両方からビームが反射されるという事実であると考えています。 当然、それはさまざまな方法でさまざまな方向に反映されます。 反対方向への反射、不均一性からの反射、信号の減衰に関心があります。

ファイバーを通過するビームの速度は、真空中の光の速度の約1.5倍です。 速度を把握し、パルスがファイバに送信されてから信号が受信されるまでの時間を測定することで、反射点までの距離を明確に計算できます。

ファイバを通過する光信号はパワーを失います。 光信号のパワーの減衰（減衰）は、とりわけ波長に依存します。 ファイバのリモートポイントから反射されたパルスのパワーを正しく測定し、グラフを作成すると、パスの特性-トレースを取得できます。

リフレクトグラム

上記の記事では、リフレクトグラム、ラベル、およびその他の特性を持つ多くの美しいカラーグラフがありますが、すべての写真の意味は同じです-それらは、光ケーブルの始点からの距離が増加するにつれて、反射光ビームのパワーの変化を示しています。

（水平スケール上の距離は任意であり、キロメートルは

もっと）

x-距離、ゲーム-反射信号のパワーと送信パワーの比。 さて、障害を見つける人にとって、この関係の5つの10進数の対数は同じデシベルであり、信号は双方向に往復するため、10ではなく5です。 信号は指数関数的に減少するため、対数で直線が得られます。 ちなみに、対数については後ほど別途お伝えします。

グラフの開始時と終了時の高バーストは、エア/ファイバインターフェイスでの開始時と終了時の反射信号です。

通常、測定は2つの波長（1310および1550ナノメートル）で実行されます。 PON / FTTHでの測定では、1625 nmの波長の信号が使用されます。 異なる波長の減衰係数は異なりますが、これはリフレクトグラムで見ることができ、グラフの直線の（そのままの）セクションの傾斜によって決定できます。 当然、減衰係数はケーブルメーカーごとに異なり、小さいほど優れていますが、順序は非常に似ています。1550nmの波では1 kmあたり約0.19 dB、1310 nmでは0.33 dB / kmです。 図-異なる波長で作成された同じケーブルの2つのトレース：

（水平スケールでの距離は条件付きで、キロメートルはそれ以上でなければなりません）

したがって、溶接、強い曲げおよび接合なしで長いファイバーを敷設すると、光信号のパワーは1キロメートルごとに減衰係数だけ減少し、100 km後に信号は2000 ...回（100 km *（-0.33dB）= -33 dB）は、送信LEDよりも弱いです。

OTDRはケーブルの一方の端から使用されるため、反射信号を測定します。反射信号は帰路でさらに33 dB減衰します。つまり、200 km（100から100）移動した戻りビームの電力はほぼ400万倍減少します。 ：33 dB減り、さらに33 db減り、合計66 dB（1 /（10 ^ -6.6）= 3'987'071.7）です。

ポイントは、OTDRレシーバーの入力での信号が、数十ミリワットからナノワットの小数までの広い範囲で変化することです。 そして現在では-数十ミリアンペアからピコアンペアまで。

実際には、少なくともコネクタと内部スプリッタの損失が信号の減衰係数に追加されます。 つまり、設計時には、より広い範囲の信号変動を提供する必要があります。 ところで、反射率計には、公称動作範囲と公称ダイナミックレンジの概念があります。 ご想像のとおり、労働者は少ない。

ケーブルの減衰とパスポートに応じたデバイスのダイナミックレンジがわかれば、OTDRがどれだけ測定できるかを理解できます。 従来のトランク反射率計の場合、これは36/34 dBです。 距離を計算します。

1310 nmの波長で36 dB / 0.33 dB / km = 109 km

そして

1550 nmの波長で34 dB / 0.19 dB / km = 178 km

（OTDRユーザーは私を再び修正しますが、実際にはそれよりも少ないです）

測定信号として、所定の長さのパルスが使用されます（3ナノ秒から20マイクロ秒）。 短い経路では、それぞれ長い、長い、短いパルスを使用して測定が行われます。 パルスが長くなればなるほど、そのパワーは大きくなり、ケーブルの不均一性からの反射をさらに見ることが可能になり、パスをより長く「貫通」することができます。

短いパルスを使用します-高解像度、長いパルスを取得します-範囲。 実際、これはやや単純化されていますが、パラメータを選択する過程でOTDRオペレーターに生じる一般的な問題と困難を理解できることを願っています：分解能、範囲、測定時間の間で妥協が必要です。

長いパルスはより多くの電力を意味し、非常に長い経路を測定できます。 ところで、無限に長いインパルスを作成することはできません。 反射信号を測定する必要があり、このために放射源をオフにする必要があります。 また、エミッタは、特定のデューティサイクルでパルス動作するように設計されています。 パルスの間隔を短くしたり、非常に長い時間輝かせたりすると、レーザーダイオードを簡単に燃やすことができます。これは、少なくとも高価で環境に有害です。

（パルス長はレーザーLEDがオンになる時間です。期間はLEDがオフのときのパルス間の時間です。トランスミッターのゼロバージョンでは、DVDドライブからダイオードを入れ、レンズを青いテープで接着し、シューという音がします。）

開発プロセス

あるチームが最初に4年間OTDRを開発し、4年目に並行して代替バージョンの作成を緊急に開始しました。このノートでは、2番目のチームの冒険についての物語があります。 最初のオプションについて少し説明しますが、それからです。

問題声明：電子デバイスの作成-ダイナミックレンジが35/37デシベル（34/36ではなく、競合他社のものよりも大きい）で、イベントのデッドゾーン-1メートル以下の光学反射率計。

予備的な分析と計算の後、メインは

システムコンポーネントは次のようになります。

• 光パルスの光源はレーザーLEDです（2つの部分、1つは1310、もう1つは1550 nm）。
• 受信機-アバランシェフォトダイオード;
• 大きなダイナミックレンジを持つアンプ（上記の「計算」を参照）。
• ロシアで販売されるアナログデジタルコンバータ 禁輸措置は高速で行われます。
• サンプルを合計および平均化するためのFPGA。
• 制御システム（測定部のマイクロコントローラーとインターフェースの組み込みLinux）;
• グラフィカルユーザーインターフェイス。
• などなど

これは、スプリッターのセット、KZDS（スプライシング保護パーツのセット）、デッドバンド補償ファイバー、測定パスに接続するためのFCコネクターです。 電源と冷却システムについて忘れないでください。

もう少し生データ

トランスミッター：より多くの電力が必要です-回路に強力なエミッターを配置します。 同時に、短いパルスで動作するには強力かつ高速でなければなりませんが、レーザービームでマッチを燃やしたり、繊維を溶かすほど強力ではありません。 計算による計算ですが、最終的には、市場にはそれほど多くのエミッターが存在しないという結論に達し、デバイスの他のメーカーと同じパラメーターでインストールすることにしました。 FPGAからのパルスの長さと周期を制御します。

光学部品：2つのラジエーターと50/50スプリッター、外部コネクター-FC。

受信部：広いダイナミックレンジ-適切なアンプと対応するADCが必要です。

計算部分：計測された経路には常にノイズが存在します（ファイバーの熱ノイズ、デバイスコンポーネントの内部ノイズ、干渉など）。 ノイズは従来の方法で除去することができます-平均化：N個の同一の測定値を合計し、Nで除算します。FPGAのADCから取得した値を平均化し、外部RAMに保存します。

既製のコンポーネントを最大限に使用するよう努めています。 たとえば、可変ゲインのアンプ。 ただし、このデバイスだけでは役に立ちませんでした。

フローチャート

フローチャートの時間（間違った）。 対数

一般的に、このようなもの：

簡単にするために、図では1つの発光ダイオードのみを示しています。 実際のデバイスには、2つ（1310および1550 nm、50および40 mW）または3つ（1625 nm）さえあります。 この図にも3 dBの減衰をもたらすスプリッタはありません。

アバランシェフォトダイオード-NR8300FP-CC-M = 40（pcあたり300ユーロ）の一般的な増倍率を使用。 なぜアバランシェフォトダイオードがあり、なぜ普通ではないのですか？ 長い距離を移動した反射信号は非常に弱いため、通常のピンフォトダイオードでは電流が発生せず、デジタル化するものは何もありません。 また、アバランシェフォトダイオードは受信信号をさらに増幅できます。写真は、アバランシェダイオードの増倍係数の逆電圧と温度への依存性を示しています。

また、このバージョンの受信機には、並行して動作する2つのゲインチャネルがあります。 1つは広い通過帯域（600MHz）で、もう1つは大きなダイナミックレンジ（100 dB範囲10nA-1mA）です。

また、ADC（アナログ-デジタルコンバーター）-2チャネル、14ビット、65 MSPS（メガサンプル/秒）からデジタル化されたデータがFPGAに送信され、そこで平均化が実行されてから上位レベルに送信されます制御プロセッサ。

さらに、すでに述べたように、FPGAはレーザーダイオードによって生成されるパルスの持続時間を制御します。

最初のスタート

やった！ 回路を描き、ボードをインストールし、マウントし、FPGAのテストファームウェア、デバイス制御スクリプトを書き、テストを開始しました。

送信機は別々にテストされ、受信機は送信機と一緒に...

...継続する

約1週間後の次のメモに続きました。 そしてそれは非常に長いことが判明しました。 次の章で説明します。

• 対数増幅器で作業するときに得られるグラフの「線形化」の問題、
• 温度を安定させるためのペルチェ素子の使用、
• デバイスの受信部分と送信部分の間のコネクタの設計におけるエラーについて
• アバランシェフォトダイオードの最適な逆バイアスポイントを検索し、
• アンプの飽和との戦い、
• デッドゾーンコンペンセーター、メーターキャリブレーション、ファイバーカセット、
• オクターブとMatlabの動作回路図と非動作回路図およびトレースデータをレイアウトし、
  
  しかし、私は喜んで質問に答えようとします。

ストーリーの最初の部分を最後まで読んでくれてありがとう！

参照資料

• https://habr.com/post/227647/-光ファイバーを溶接する際のリフレクトグラムの分析に関する記事
• https://github.com/sid5432/pubOTDR/wiki/The-OTDR-(Optical-Time-Domain-Reflectometer)-Data-Format-SORファイルのリバースエンジニアリング（リフレクトグラムを保存するための一般的な形式）
• http://ntc.metrotek.ru/b45otdr.html-OTDRモジュールが開発された測定デバイスのページ
• https://www.digikey.fi/product-detail/en/cel/NR8300FP-CC-AZ/NR8300FP-CC-AZ-ND/1968838-アバランシェフォトダイオード、高価すぎる
• https://www.digikey.com/products/en?keywords=ad9248bstz-65-スキームの最初のバージョンで使用され、大きなダイナミックレンジを持つ対数増幅器