Krzysztof Holejko, Roman Nowak, Tomasz Czarnecki, Instytut Telekomunikacji PW 00-665 Warszawa, ul. Nowowiejska 15/19 holejko@tele.pw.edu.pl, nowak@tele.pw.edu.pl, ctom@tele.pw.edu.pl KOMPUTEROWY TESTER WIELOMODOWYCH TORÓW ŚWIATŁOWODOWYCH Streszczenie Tester transmisji światłowodowej jest stanowiskiem laboratoryjnym przeznaczonym do badania transmisyjnych własności wielomodowych światłowodów polimerowych i polimerowo-krzemowych. W szczególności mierzone jest opóźnienie sygnału wprowadzane przez światłowód, prezentowane są przebiegi w układzie transmisyjnym, obrazowany jest wykres oka, mierzony jest stosunek sygnału do szumu, mierzona jest stopa błędu oraz zależność tej stopy błędu od poziomu komparacji układu regeneracyjnego, wreszcie mierzona jest dyspersja światłowodu. Wszystkie pomiary i regulacje dokonywane są w komputerze obsługującym stanowisko i żadna dodatkowa aparatura nie jest do powyższych pomiarów potrzebna. 1. PRZEZNACZENIE I PARAMETRY STANOWISKA Stanowisko laboratoryjne Tester Transmisji Światłowodowej TTS 2 przeznaczone jest do kompleksowego badania wielomodowych światłowodów polimerowych i polimerowo kwarcowych pod względem ich właściwości transmisyjnych w widzialnym zakresie widma optycznego. Stanowisko obsługiwane jest przez komputer i wykonane jest w taki sposób, że wszystkie pomiary, ustawienia i regulacje dokonywane są za pomocą komputera. Przeprowadzenie pomiarów nie wymaga żadnego dodatkowego wyposażenia i oprzyrządowania laboratoryjnego. Tester jest szczególnie przydatny jako stanowisko dydaktyczne w laboratoriach studenckich, a można nim przeprowadzić następujące pomiary: 1. Opóźnienie wprowadzane przez światłowód w zakresie do 16,99 µ s (około 3,4 km) 2. Obserwację kształtu transmitowanych sygnałów w wybranych punktach pomiarowych układu, pomiary ich czasów narastania i zniekształcenia. 3. Zobrazowanie wykresu oka. 4. Pomiary stosunku sygnału do szumu. 5. Pomiary stopy błędu i wpływ położenia progu komparacji na stopę błędu
w zakresie do 10-8. 6. Pomiary dyspersji mierzonej czasem narastania sygnałów w zakresie powyżej 16 ns. 7. Pomiar mocy wejściowej odbiornika. Tabela 1.Podstawowe parametry testera Długość fali lasera λ =635 nm Moc nadajnika P N 500 µ W Pasmo odbiornika w B 100 MHz światłowodzie Częstotliwość F = 60 MHz próbkowania Czułość odbiornika P 0 5 µ W Długość światłowodu L 600 m Wymiary 25 x 40 x 10 cm 2. OPIS STANOWISKA I SPOSOBY PRZEPROWADZANIA POMIARÓW Stanowisko pomiarowe wykonane zostało zgodnie ze schematem blokowym przedstawionym na rys. 1 i stanowi w istocie tor światłowodowy zawierający 2 nadajniki światłowodowe, dwa odcinki wielomodowych światłowodów polimerowo - kwarcowych o długości 0,5m i 800m i odbiornik światłowodowy. Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska Zarówno nadajniki jak i odbiornik wyposażone są w przetworniki napięcia oraz pamięci pozwalające próbkować i zapamiętać nadawane i odbierane sygnały tak, aby następnie przesłać je do komputera dla dokonania pomiarów i wyświetlania wyników. Bardziej szczegółowe działanie testera będzie widoczne na podstawie opisu sposobów przeprowadzania pomiarów. Oprogramowanie stanowiska zrealizowano w środowisku
Windows, gdzie wszelkie ustawienia, wybór trybów pracy i dobór parametrów przeprowadzone są na odpowiednich oknach dialogowych i paskach narzędziowych (rys. 2.). Rys. 2. Okno dialogowe 2.1. OBSERWACJE I POMIARY PRZEBIEGÓW Obserwacje przebiegów przeprowadzane są w wybranych punktach pomiarowych układu. Na ekranie monitora widoczne jest zobrazowanie przedstawione na rys. 3. Na zobrazowaniu możliwa jest jednoczesna obserwacja następujących przebiegów: Rys. 3. Obserwacje i pomiary przebiegów 1. Sygnału cyfrowego modulującego lasery nadajników. Sygnał ten o długości 63 taktów słowa pseudoprzypadkowego i długości taktu T s =266 ns (B T =3,75 Mbit/s) moduluje prąd lasera, którego amplitudę można regulować zmieniając w ten sposób moc sygnału optycznego. 2. Sygnału odbieranego z odbiornika wyposażonego w układ ARW (Automatyczna Regulacja Wzmocnienia). Regulacja mocy sygnału optycznego pozwala więc na zmianę wyjściowego stosunku sygnału do szumu w odbiorniku.
3. Sygnału odniesienia który jest opóźnioną wersją sygnału nadawanego. Nastawiane opóźnienie realizowane jest skokowo co 66,6 ns, a więc co ¼ taktu T s Porównanie opóźnienia nastawianego i wprowadzanego przez światłowód pozwala określić opóźnienie sygnału wprowadzane przez światłowód i w dalszym etapie wykorzystywane jest do pomiaru stopy błędu. 4. Sygnału odbieranego regenerowanego w komparatorze o zmiennym i nastawnym poziomie komparacji. Zmiana poziomu komparacji pozwala na obserwację i pomiar tzw. jitter a i stopy błędu przy różnym stosunku sygnału do szumu. 5. Sygnału zegarowego układu próbkującego o częstotliwości 3,75 MHz. Wszystkie powyższe sygnały mogą być wyświetlone na ekranie monitora jednocześnie lub mogą być indywidualnie wydzielone i rozciągnięte na cały ekran. Dzięki zastosowaniu ruchomego znacznika czasu możliwy jest pomiar odstępów czasu, opóźnień lub czasów narastania. Wszystkie wykresy przebiegów można wyświetlać po jednorazowym i wielokrotnym próbkowaniu i uśrednieniu. 2.2. WYKRES OKA Wykres oka przedstawiony na rys. 4 tworzony jest w taki sposób, że długość podstawy czasu wynosi dwa takty T s. Rys. 4. Wykres oka Można na tym wykresie mierzyć średnią wartość amplitudy sygnału, średniokwadratową wartość szumu, czas narastania, jitter. Parametry te odczytywane są z wykresu, jak również mierzone są automatycznie w wybranym odcinku czasu, co pozwala wyznaczać stosunek sygnału do szumu. Stosunek sygnału do szumu można zmieniać zmieniając poziom
wymodulowania lasera. Przy zwiększaniu mocy lasera dzięki odbiornikowi z ARW maleje poziom szumu na wyjściu odbiornika. Niezależnie od tego odbiornik wyposażony jest w oddzielny tor wzmacniający z detektorem kwadratowym, który pozwala mierzyć średniokwadratową wartość mocy sygnału lub szumu. 2.3. POMIAR STOPY BŁĘDU Pomiar stopy błędu dokonywany jest przez porównanie odbieranego sygnału kodowego po jego regeneracji z oryginalnie wysyłanym kodem. Porównanie zgodności bitów obu kodów wymaga zrównania w czasie obu słów kodowych, co realizowane jest w układzie opóźniającym kod wysyłany τ (rys.1). Samo porównanie zgodności realizowane jest za pomocą bramki EXOR. Regenerację odbieranego słowa kodowego można przeprowadzić przy różnych poziomach progowych nastawionych na oknie dialogowym. Niezależnie od tego, przy automatycznie zmiennym poziomie progu komparacji możliwe jest sporządzenie charakterystyki błędu w zależności od poziomu progowego, co pokazane jest na rys.5. Rys. 5. Pomiar stopy błędu 2.4. POMIAR DYSPERSJI Pomiary dyspersji przeprowadzane są jedynie na dłuższych odcinkach światłowodów rzędu 1 km, charakteryzujących się tłumieniem mniejszym od 20 db i dyspersją powyżej 16 ns. Wynika to z zastosowania częstotliwości próbkowania 60 MHz. Dodatkowym utrudnieniem jest to, że na stanowisku pomiarowym światłowód nawinięty jest na szpulę na której występuje silne mieszanie się modów i pozorne zmniejszenie się dyspersji. Na rys.6 pokazano przykładowe wykresy oka mierzone przy krótkim (0,5m) i długim (1,2km) odcinku światłowodu typu PCS wykonanego w Pracowni Technologii Światłowodów UMCS w Lublinie. Różnica czasów narastania wynosi 3/16 długości taktu T s (266 ns), czyli 50 ns.
Rys. 6a. Pomiary dyspersji przez pomiar czasu narastania (światłowód krótki) Rys. 6b. Pomiary dyspersji przez pomiar czasu narastania (światłowód długi) PODZIĘKOWANIE Niniejsze stanowisko pomiarowe powstało dzięki zleceniu Dziekana Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej oraz łaskawemu zainteresowania i wsparciu Politechniki Lubelskiej i Wojskowej Akademii Technicznej, którym autorzy serdecznie dziękują. Autorzy składają również podziękowanie Pracowni Technologii Światłowodów Uniwersytetu Marii Curie Skłodowskiej za udostępnienie światłowodów. LITREATURA [1] Holejko K.: Podstawy telekomunikacji światłowodowej. XVI Krajowa Szkoła Optoelektroniki, Zakopane, 2001 [2] Czarnecki T.,Holejko K.,Nowak R.: Stanowisko do pomiaru parametrów transmisyjnych światłowodów. Przegląd Telekomunikacyjny Rocz. LXXV Nr 2. 2002 str. 171-174. [3] Kilen H.B.: Fiber Opic Communication Prentice Hall. 1992. [4] Senior J.M.: Optical Fiber Communication. Prentice Hall. 1992 [5] Siuzdak J.: Wstęp do telekomunikacji światłowodowej. WKiŁ. Warszawa 19