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Funktionsprinzip von OTDR-Messungen

Grundlagen 

Ein optisches Zeitbereich-Reflektometer (Optical Time Domain Reflectometer, OTDR) kombiniert eine Laserquelle und einen Detektor, um Einblicke in eine Glasfaserstrecke zu vermitteln. Die Laserquelle speist ein Lichtsignal in die Glasfaser ein, während der Detektor die Lichtanteile, die von den einzelnen Elementen auf der Strecke reflektiert werden, empfängt. Auf Grundlage des empfangenen Lichtsignals berechnet das OTDR eine Kurve und zeigt diese an. Im Rahmen der sich anschließenden Auswertung der Messung wird dann eine Ereignistabelle erstellt, die alle Angaben zu den einzelnen Komponenten im optischen Netzwerk enthält. Das ausgesendete Signal besitzt eine kurze Pulsbreite und überträgt eine bestimmte Energiemenge. Eine Uhr ermittelt exakt die Übertragungsdauer des Lichtpulses. Da die Eigenschaften der verwendeten Glasfaser bekannt sind, lässt sich dieser Zeitwert dann in die zurückgelegte Entfernung umrechnen. Auf dem Weg durch die Glasfaser wird ein geringer Anteil der eingespeisten Lichtenergie bedingt durch Reflexionen an den Steckverbindungen und in der Glasfaser selbst zum Detektor zurück reflektiert. Wenn der Lichtpuls wieder vollständig zum Detektor zurückgekehrt ist, werden so lange neue Pulse ausgesendet, bis die für die Aufnahmemessung eingestellte Zeitdauer erreicht ist. Daher werden viele einzelne Messungen durchgeführt und in Sekundenschnelle gemittelt, um die auf der Strecke befindlichen Komponenten genau zu erkennen. 

Nach Abschluss der Aufnahmemessung erfolgt die Signalverarbeitung, um die Entfernung, Dämpfung und Reflexion jedes einzelnen Ereignisses sowie die Länge und der Dämpfung der gesamten Faserstrecke, die optische Rückflussdämpfung (ORL) und die Faserdämpfung zu berechnen. Der Hauptvorteil des OTDRs besteht darin, dass die Tests von einem Faserende aus durchführbar sind, das heißt, es werden nur ein Bediener und ein OTDR benötigt, um die Strecke zu qualifizieren bzw. Fehlerstellen im optischen Netzwerk zu finden. 

Reflexion ist der Schlüssel 

Wie bereits erwähnt, vermittelt das OTDR einen Überblick über die optische Strecke, indem es die vom ausgesendeten Lichtpuls zurückkehrenden Lichtanteile berechnet. Hier ist zu beachten, dass es zwei unterschiedliche Lichtpegel gibt: Einerseits einen konstanten, niedrigen Pegel, der durch die so genannte „Rayleigh-Streuung“ von der Glasfaser selbst erzeugt wird, und andererseits eine starke Reflexionsspitze (Peak) an den Steckverbindungen, die als „Fresnel-Reflexion“ bezeichnet wird. Die Rayleigh-Streuung wird verwendet, um die Faserdämpfung in Abhängigkeit von der Entfernung (ausgedrückt in dB/km) zu berechnen, und ist in der OTDR-Kurve an einer geraden Steigung zu erkennen. Diese Lichtstreuung ist durch die natürliche Reflexion und Absorption der in der Glasfaser enthaltenen Verunreinigungen bedingt. Manche Partikel brechen das auftreffende Licht in verschiedene Richtungen und erzeugen damit sowohl eine Dämpfung als auch eine Rückstreuung. Da längere Wellenlängen weniger stark gedämpft werden als kürzere, benötigen sie in einer Standardfaser für die gleiche Entfernung weniger Energie. 

Der zweite vom OTDR verwendete Reflexionstyp, die Fresnel-Reflexion, erkennt physische Ereignisse auf der Glasfaserstrecke. Wenn das Licht – beispielsweise beim Übergang von Glas auf Luft – auf eine plötzliche Änderung des Brechungsindexes (Index of Refraction, IoR) trifft, wird ein größerer Lichtanteil zurück reflektiert. Die so entstandene Fresnel-Reflexion kann Tausende Male größer sein als die Rayleigh-Streuung. Die Fresnel-Reflexion ist an den Spitzen (Peak) in einer OTDR-Kurve erkennbar. Beispiele für solche Reflexionen sind gesteckte und offene Steckverbindungen, mechanische Spleiße oder Faserbrüche. 

Was sind Totzonen? 

Fresnel-Reflexionen sind die Ursache für einen wichtigen OTDR-Parameter, der als „Totzone“ bezeichnet wird. Dabei wird zwischen der Ereignis- und der Dämpfungstotzone unterschieden. Beide sind auf Fresnel-Reflexionen zurückzuführen und werden als Entfernung (in Meter) ausgedrückt, die von der Intensität dieser Reflexionen abhängig ist. Eine Totzone ist die Zeitdauer, in der der Detektor durch eine große Menge reflektierten Lichts vorübergehend geblendet (gesättigt) ist. Er benötigt eine gewisse Zeit, um sich zu erholen, damit er wieder Lichtsignale erfassen kann. Stellen Sie sich vor, Sie fahren nachts mit dem Auto und werden von einem entgegenkommenden Fahrzeug geblendet – auch dann werden Ihre Augen für kurze Zeit geblendet und Sie können nichts erkennen. Ein OTDR rechnet diese Zeitdauer in eine Entfernung um. Je stärker die Reflexion, desto länger die Erholungszeit des Detektors und desto größer die Totzone. Die meisten Hersteller geben die Totzonen mit der kürzesten Pulsbreite bei einer Reflexion von -45 dB für Singlemode-Fasern und bei -35 dB für Multimode-Fasern an. Es ist wichtig, die Fußnoten um Datenblatt genau zu lesen, da manche Hersteller andere Testbedingungen zur Messung der Totzonen verwenden. Achten Sie hier insbesondere auf die Pulsbreite und den Reflexionswert. Beispielsweise ergibt eine Reflexion von -55 dB bei Singlemode-Fasern eine kürzere Totzone als -45 dB, weil die Reflexion bei -55 dB schwächer ist und der Detektor sich daher schneller wieder erholt. Weiterhin können unterschiedliche Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Entfernung auch eine kürzere Totzone ergeben, die in der Realität allerdings nicht erreicht wird. 

Ereignistotzone 

Die Ereignistotzone ist der Mindestabstand nach einer Fresnel-Reflexion, den ein OTDR benötigt, um ein weiteres Ereignis erkennen zu können. Mit anderen Worten, das ist die Mindestlänge der Faser, die erforderlich ist, damit das OTDR zwischen zwei reflektiven Ereignissen unterscheiden kann. Bei dem oben genannten Beispiel der nächtlichen Autofahrt könnten Sie ein paar Sekunden, nachdem Sie vom anderen Fahrzeug geblendet wurden, ein Objekt auf der Straße zwar bemerken, es aber nicht genau identifizieren. Auf ein OTDR bezogen würde das folgende Ereignis zwar erkannt („bemerkt“), aber die Dämpfung könnte nicht gemessen werden. Daher verschmilzt das OTDR die beiden aufeinander folgenden Ereignisse und gibt für beide einen zusammenfassenden Reflexions- und Dämpfungswert aus. Zur Ermittlung der technischen Parameter ist es in der Branche üblich, die Entfernung zu beiden Seiten eines reflektiven Ereignisses (Peak) von -1,5 dB zu messen. Eine weitere Methode besteht darin, die Entfernung vom Anfang des Ereignisses bis zu dem Punkt zu messen, an dem die Reflexion auf -1,5 dB unter dem Peak abfällt. Diese Messung ergibt eine längere Totzone, wird aber von den Herstellern nicht häufig verwendet. 

Eine möglichst kurze Ereignistotzone ist wichtig, da das OTDR dann auch dicht aufeinander folgende Ereignisse auf der Faserstrecke erkennen kann. Bei Tests in Gebäudenetzen ist ein OTDR mit einer kurzen Ereignistotzone unverzichtbar, da die Patchkabel, die die verschiedenen Komponenten miteinander verbinden, sehr kurz sind. Wenn die Totzonen zu groß sind, werden manche Steckverbinder möglicherweise übersehen und von den Technikern nicht erkannt, so dass sich potenzielle Störungen schwerer lokalisieren lassen. 

Dämpfungstotzone 

Die Dämpfungstotzone ist der Mindestabstand nach einer Fresnel-Reflexion, den ein OTDR benötigt, um die Dämpfung eines danach folgenden Ereignisses exakt zu messen. Bei der nächtlichen Autofahrt hätten sich Ihre Augen dann so weit erholt, dass sie das Objekt auf der Straße identifizieren und analysieren könnten. Der Detektor hat also ausreichend Zeit zur Erholung, so dass er das folgende Ereignis erkennen und dessen Dämpfung messen kann. Die geforderte Mindestentfernung wird ab dem Beginn eines reflektiven Ereignisses gemessen, bis die Reflexion wieder 0,5 dB über dem Rückstreupegel der Glasfaser liegt. 

Die Bedeutung der Totzonen 

Eine kurze Dämpfungstotzone ermöglicht dem OTDR, nicht nur das nächste Ereignis zu erkennen, sondern auch die Dämpfung von dicht aufeinander folgenden Ereignissen zu anzuzeigen. Wenn dem Techniker beispielsweise die Dämpfung eines kurzen Patchkabels im Netzwerk bekannt ist, kann er sich ein besseres Bild vom Zustand der optischen Übertragungsstrecke machen. Totzonen werden jedoch noch von einem anderen Faktor, nämlich der Pulsbreite, beeinflusst. In den technischen Daten wird die kürzeste Pulsbreite verwendet, um die jeweils kürzeste Totzone angeben zu können. Allerdings verlängert sich die Totzone mit der Pulsbreite. Bei der größtmöglichen Pulsbreite entstehen extrem lange Totzonen, die aber für andere Zwecke genutzt werden, wie später noch erläutert wird. 

Dynamikbereich 

Ein weiterer wichtiger OTDR-Parameter ist der Dynamikbereich. Er beschreibt die maximale optische Dämpfung, die ein OTDR anhand des Rückstreupegels am OTDR-Port noch bis zum spezifischen Rauschpegel ermitteln kann. Mit anderen Worten, das ist die größte Entfernung, die der längste Puls bis zum Faserende erreichen kann. Je größer der Dynamikbereich (dB), desto größer die messbare Entfernung. Da die Dämpfung der zu testenden Glasfaserstrecke nicht immer gleich ist, hängt die größtmögliche Entfernung von der jeweiligen Anwendung ab. Steckverbinder, Spleiße, Splitter und andere Faktoren verringern die von einem OTDR größte messbare Faserlänge. Daher ist es wichtig, eine längere Mittelwertbildung sowie den richtigen Entfernungsbereich auszuwählen, um die maximal messbare Entfernung zu vergrößern. Zumeist wird der Dynamikbereich bei größter Pulsbreite und dreiminütiger Mittelwertbildung sowie einem Signal-Rausch-Abstand (SNR) von 1 (gemittelter Effektivwert (RMS) des Rauschpegels) ermittelt. Auch hier ist es wichtig, sich die in den Fußnoten des Datenblatts angegebenen Testbedingungen genau anzusehen. 

Als Faustregel sollte der Dynamikbereich eines guten OTDRs 5 dB bis 8 dB über der größten anzutreffenden Dämpfung liegen. Beispielsweise besitzt ein Singlemode-OTDR mit einem Dynamikbereich von 35 dB einen nutzbaren Dynamikbereich von etwa 30 dB. Bei einer typischen Faserdämpfung von 0,20 dB/km bei 1550 nm sowie Spleißen im Abstand von 2 km (0,1 dB Dämpfung pro Spleiß) könnte dieses OTDR dann Entfernungen bis 120 km präzise zertifizieren. Die größtmögliche Entfernung (in km) lässt sich grob schätzen, indem man den OTDR-Dynamikbereich durch die Faserdämpfung teilt. So könnte man ermitteln, welchen Dynamikbereich das OTDR ungefähr bieten muss, um das Faserende zu erreichen. Bedenken Sie aber, dass mit steigender Dämpfung im optischen Netzwerk auch ein größerer Dynamikbereich benötigt wird. Es ist ebenfalls zu beachten, dass ein für 20 µs angegebener großer Dynamikbereich bei kurzen Pulsbreiten keinen hohen Dynamikbereich mehr garantiert. Eine übermäßige Kurvenfilterung könnte den Dynamikbereich bei allen Pulsbreiten auf Kosten einer schlechten Auflösung bei der Fehlerlokalisierung künstlich erhöhen. 

Pulsbreite 

Was ist die Pulsbreite? 

Die Pulsbreite (oder Pulsdauer) gibt die Zeitdauer an, die der Laser eingeschaltet ist. Wie wir bereits wissen, wird die Zeit in eine Entfernung umgerechnet, so dass die Pulsbreite eine Länge besitzt. Bei einem OTDR überträgt der Lichtpuls die Energie, die erforderlich ist, um die Reflexion zu erzeugen, die für die Charakterisierung der Glasfaserstrecke benötigt ist. Je kürzer der Puls, desto weniger Energie wird transportiert und desto kürzer ist dämpfungsbedingt die erreichte Entfernung, da die Faserdämpfung, Steckverbinder, Spleiße usw. einen Leistungsabfall bewirken. Ein langer Puls überträgt viel mehr Energie zur Überprüfung extrem langer Glasfasern. 

Ein zu kurzer Puls verliert seine Energie, bevor er das Faserende erreicht, so dass sein Rückstreupegel so weit absinkt, dass die Daten im Grundrauschen untergehen. Als Folge erreicht er nicht das Faserende. In diesem Fall wäre es also nicht möglich, die Faserstrecke über ihre gesamte Länge zu messen, da das vom OTDR angezeigte Faserende weit vor dem tatsächlichen physischen Ende der Glasfaser liegt. Ein weiteres Anzeichen für eine zu kleine Pulsbreite ist, wenn die Kurve in Nähe des Faserendes zu stark vom Rauschen überlagert wird. In diesem Fall kann das OTDR die Signalanalyse nicht fortsetzen und gibt möglicherweise ein falsches Messergebnis aus. 

Korrekte Auswahl der Pulsbreite 

Es gibt zwei Möglichkeiten, zu starkes Rauschen auf der Kurve zu beheben. Als erstes kann man die Messzeit verlängern, was den Signal-Rausch-Abstand (SNR) deutlich verbessert (vergrößert), ohne die hohe Auflösung der kurzen Pulsbreite zu beeinträchtigen. Allerdings lässt sich die Mittelwertbildung nicht unbegrenzt ausdehnen, da sie den SNR nicht unendlich verbessert. Wenn die Messkurve immer noch verrauscht ist, bietet es sich an, die nächst größere Pulsbreite (also mehr Energie) zu verwenden. Hier ist jedoch zu beachten, dass sich Totzone mit der Pulsbreite verlängert. Glücklicherweise bieten die meisten OTDRs auf dem Markt einen Auto-Modus an, der die passende Pulsbreite für die zu testende Glasfaser automatisch auswählt. Diese Option ist sehr praktisch, wenn die Faserlänge oder die Faserdämpfung nicht bekannt sind. 

Bei der Charakterisierung eines optischen Netzwerks oder einer Glasfaser muss unbedingt die richtige Pulsbreite für die zu testende Übertragungsstrecke ausgewählt werden. Eine kurze Pulsbreite, eine kurze Totzone und ein niedriger Leistungspegel werden zum Testen kurzer Strecken mit dicht aufeinander folgenden Ereignissen verwendet. Während eine große Pulsbreite, eine lange Totzone und ein hoher Leistungspegel eingestellt werden, um in längeren oder dämpfungsstarken Netzwerken größere Entfernungen zu überbrücken. 

Messwertauflösung und Messpunkte 

Die Fähigkeit des OTDRs, die richtige Entfernung eines Ereignisses zu ermitteln, ist von einer Kombination unterschiedlicher Parameter abhängig. Dazu zählen auch die Messwertauflösung und die Anzahl der Messpunkte. Die Messwertauflösung wird als der kleinste Abstand zwischen zwei vom Messgerät erfassten, aufeinander folgenden Messpunkten beschrieben. Dieser Parameter ist sehr wichtig, da er die Entfernungsgenauigkeit und die Fähigkeit des OTDRs zur Fehlerlokalisierung definiert. In Abhängigkeit von der ausgewählten Pulsbreite und dem Entfernungsbereich könnte dieser Wert 4 cm bis einige Meter betragen. Daher muss mit der Aufnahmemessung eine hohe Anzahl von Messpunkten erfasst werden, um eine bestmögliche Auflösung zu erreichen.