Ограниченный динамический диапазон — свойство практически любой техники, с которой мы сталкиваемся в жизни. Например, покупая наушники, мы сталкиваемся с этим понятием. Также приходится принимать этот параметр в расчёт, работая с фотографией, причём как с плёночной, так и с цифровой.
И в оптической рефлектометрии существует такое же понятие. В этой области динамический диапазон эквивалентен тому, насколько длинный оптический кабель сможет проанализировать рефлектометр. При анализе оптики в PON-сетях он также играет большую роль, т.к. сплиттеры с большим коэффициентом деления создают большое затухание и требуется соответствующий динамический диапазон, чтобы «увидеть» кабель за сплиттером.
Мне (не одному, конечно, а в группе) довелось разработать оптический рефлектометр и я хочу поделиться своими знаниями по этой тематике. А именно — подходом к увеличению динамического диапазона.
Начнём с того, что рефлектометр с динамическим диапазоном 35/37 дБ (имеется в виду для 1550 и 1310 нм соответственно) сейчас уже не редкость. Рефлектометр отображает на экране оптическую мощность, рассчитанную по формуле 5*log10(P/Po ). Соответственно, приёмная часть рефлектометра (усилительный тракт) работать в диапазоне мощностей примерно от 1 мВт до (внимание!) 0.1 нВт (10^-10 Вт). Семь порядков, 10е6! К слову сказать, сейчас производятся рефлектометры и с диапазоном 42 дБ. Как достичь таких характеристик?
Вопрос «вытаскивания» сигнала из шумов (наноВатты — это очень малая величина, сравнимая с шумами в схеме) здесь рассматривать не будем, т.к. это тема для отдельного обсуждения. И будем считать, что лазер в нашем рефлектометре достаточно мощный, поскольку так оно и есть.
Теперь отвлечёмся от специфической области (не всем приходится разрабатывать аналоговые усилители с высоким динамическим диапазоном) и перейдём к более понятным и наглядным вещам. Проведём аналогию с фотографией.
В фотографии есть подобная проблема. Огромный диапазон яркостей реального мира от светлого белого до тёмного чёрного не может быть передан ни одним носителем: ни плёнкой, ни цифровой матрицей. А ведь хочется видеть картинку, максимально приближенную к реальности. Поэтому для достижения желаемого результата делается экспозиционная вилка — снимается серия кадров, каждый из которых «накрывает» только часть реального динамического диапазона. Полученные изображения объединяются в итоговую картинку и в итоге имеем изображение с повышенным динамическим диапазоном.
По этой тематике довольно много статей, возьмём, например: см. на википедии. С картинками.
Описанный подход применяется и в рефлектометрии. Оптический кабель, к которому подключен рефлектометр в процессе измерений, своих характеристик быстро не меняет. Это даёт возможность рефлектометру снимать множество измерений, «изучать» кабель, прежде чем картинка появится на экране.
Сначала серия измерений делается на усилительном канале с минимальным коэффициентом усиления. Этим усилителем «прорабатывается» сигнал с высокой мощностью. Слабый же сигнал не попадает в диапазон этого усилителя.
Затем проводится серия измерений на усилительном канеле с бОльшим коэффициентом. Этот усилитель уже «залезает» в диапазон более слабых сигналов, но теряет информацию о сильном сигнале, так как на сильном происходит насыщение. Заметьте, поведение такое же, как у матрицы/плёнки в фотографии.
И так далее.
Получается набор измерений, которые нужно объединить между собой. Объединение не представляет большой проблемы, хотя и простым назвать этот алгоритм трудно, учитывая разброс характеристик схемы. Коэффициенты усиления хорошо известны и хорошо известны те части сигнала, в которых произошло насыщение.
Автор: paulig
