Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
1
Misure riflettometriche nel
dominio della frequenza
(OFDR)
Relatore:
Prof. Andrea Galtarossa
Correlatore:
Ing. Anna Pizzinat
Laureando: Carlo Vettore
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
Sommario
2
• Dispersione dei modi di polarizzazione
• Tecniche riflettometriche
• OFDR
•
•
•
•
Basi teoriche
Apparato sperimentale
Interferometro
Compensazione numerica
• Conclusioni
Dispersione dei modi di polarizzazione
La capacità trasmissiva in una fibra ottica monomodale
è limitata dalla dispersione:
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
• Cromatica (segnale con più componenti cromatiche
3
mentre si propaga viene distorto)
• Dei modi di polarizzazione (diversa velocità di gruppo dei
modi della fibra)
fenomeno della PMD
Polarizzazione verticale
Impulso
Ottico →
Polarizzazione orizzontale
Ritardo differenziale
di gruppo
Tecniche riflettometriche
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
Per ridurre effetti della PMD è necessaria
l’ottimizzazione del profilo di spin
4
Necessari strumenti per l’analisi delle
proprietà locali della fibra
Tecniche riflettometriche legate all’analisi
dello stato di polarizzazione del
campo retrodiffuso
P-OTDR
OFDR
Analisi nel tempo dello
stato di polarizzazione del
campo retrodiffuso
Basato sulla rilevazione coerente
del battimento tra il segnale
retrodiffuso dalla fibra e quello
prodotto da un oscillatore locale
OFDR: Principio di funzionamento
Laser modulato con
frequenza istantanea:
Segnale del ramo di riferimento U1
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
f
5
Retrodiffusione dalla fibra U2
f ist (t)  f 0  f1 t
f1  f
T
Al Fotodiodo arriva la Frequenza battimento
f0
t0
t

2n l
Fb  f1 
c0
Sorgente laser
Si può così mappare la scala delle frequenze in una scala delle distanze.
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
OFDR: Apparato sperimentale
6
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
OFDR: Interferometro
7
Modulazione
piezoelettrica
Tensione elettrica in uscita dal fotodiodo:
I (t )  I 0 cos[2  t0  fist (t )]
Nel caso ideale è un segnale con un’unica frequenza proporzionale al
ritardo. Eseguendo una demodulazione FM si riesce dunque a recuperare
la funzione di modulazione del laser.
OFDR: non linearità della modulazione
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
Da prove sperimentali si può con buona approssimazione ipotizzare che la
sorgente laser emetta un segnale la cui frequenza istantanea nel tempo si
possa assumere come combinazione lineare di una parte polinomiale ed
una cosinusoidale:
8
N
M
f ist (t )  f 0   f i  t   a j cos( 2   j t   j )
i
i 1
j 1
Effetti della non linearità di
secondo grado nel polinomio della
modulazione sul laser.
Si ha un allargamento dell’impulso
OFDR: descrizione statistica dei coefficienti
9
Per una statistica attendibile si è cercato di acquisire il più alto numero di
rampe contigue usando il clock di 3.125 MHz provvedendo
all’implementazione di filtro anti-aliasing
Attenuazione [dB]
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
Ipotizzando uno sviluppo solo polinomiale della fist e fermandosi al terzo
ordine si e’ eseguita una descrizione statistica dei primi tre coefficienti.
Frequenza [MHz]
Forte variazione della deviazione
standard, non e’ possibile eseguire
una compensazione numerica con
dei parametri statici e fissati a priori
Si deve adottare un nuovo schema
OFDR: schema completo
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
CH2
10
CH1
Trigger
Uso entrambi i canali della scheda di acquisizione:
1. Segnale proveniente dal dispositivo sotto esame
2. Segnale proveniente dall’interferometro che verrà utilizzato
per recuperare in tempo reale i parametri di approssimazione
della fist .
OFDR: compensazione numerica
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
Il procedimento adottato basa il suo funzionamento sulla
rimodulazione dinamica del periodo di campionamento.
11
f ist (t )  f1  t  f 2  t  f 3  t
2
3
t
asse dei tempi campionato
uniformemente
Si definisce un nuovo asse dei tempi in modo da soddisfare l’uguaglianza:
fist (t )  f1 
f2 2 f3 3
 t t  t
f1
f1
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
OFDR: compensazione segnale reale
f ist (t )  f 0   f i  t i   a j cos(2   j  t   j )
12
N
M
i 1
j 1
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
Conclusioni
13
L’OFDR si presta bene all’analisi locale delle proprietà della fibra,
tuttavia la costruzione presenta notevoli difficoltà tecniche, infatti non
esiste ancora una realizzazione commerciale con tali caratteristiche
di portata.
• Per la notevole potenza di calcolo richiesta si hanno delle
limitazione alla compensazione numerica del segnale;
• Comunque si potrebbe pensare ad un ottimizzazione
dell’algoritmo di acquisizione integrandolo in matlab;
• Schema circuitale utilizzato si può ritenere maturo e robusto.
Demodulazione FM
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
I(t)
14
d
r(t)
dt
Hilbert
Schema di demodulazione con filtro di Hilbert
I (t )  cos[2t0  fist (t )]
r (t )  2t f (t )
'
0 ist
X(t)
Y(t)
BPF
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
Segnale di modulazione del laser
15
Segnale in
tensione uscente
dal modulatore
Finestra di acquisizione
Segnale
all’AOM
Segnale al fotodiodo
Padova – Dipartimento di Ingegneria dell’ Informazione
C. Vettore – Misure Riflettometriche nel dominio della frequenza
Flow Chart programma di acquisizione
16