Abenteuer LWL-Meßtechnik
Qualität von LWL-Strecken ergiebig prüfen
Die Qualität der LWL-Strecken ist von
entscheidender Bedeutung für den Betrieb und vor allem eine spätere Erweiterung
von Datennetzen. Aussagefähige Meßprotokolle sind die Basis für die
Abnahmeprüfung und dienen auch als Grundlage für die Fehlersuche oder die
Planung von Netzerweiterungen. Halten diese Meßprotokolle wirklich immer, was
sie versprechen? Ob unfreiwillig oder beabsichtigt, beim Betrachten der
Protokolle gilt oft der Spruch: „Wer mißt, mißt Mist“.
Zur Beurteilung der Funktionsbereitschaft und
Betriebssicherheit ist jedes Kabel zu messen, die Systemqualität zu prüfen, sind
Fehlerquellen zu finden und gegebenenfalls zu beseitigen. Die Eliminierung der
Fehler ist durch erneute Messungen zu überprüfen. Diese Abnahmeprotokolle dienen
bei einer späteren Fehlersuche im Betrieb als Grundlage für vergleichende
Messungen. Leider ist immer wieder festzustellen, daß durch Auswahl falscher
Messungen oder Meßparameter und durch falschen Meßaufbau Abnahmeprotokolle
erstellt werden, die nicht mehr wert sind als das Papier, auf dem sie gedruckt
sind.
Meßverfahren
Alle Komponenten einer Strecke wie Kabel,
Stecker, Spleiße oder Beschädigungen derselben verursachen eine Abschwächung
(Dämpfung) oder Reflexion des zu übertragenden Signals. Der entscheidende
Testparameter in optischen Netzen ist heute die Dämpfung.
Das Ermitteln anderer Faser- oder
Streckenparameter wie beispielsweise des Bandbreiten-Längenproduktes oder der
Grenzfrequenz ist nur mit sehr teuren, meist nur für den Laboreinsatz geeigneten
Meßgeräten möglich und daher recht teuer. Diese Messungen werden typischerweise
beim Hersteller durchgeführt und die Ergebnisse sollten mit der Kabeltrommel
ausgeliefert werden. Sofern sie nicht automatisch übergeben werden, sollten
daher diese Trommelprotokolle des Herstellers angefordert und gut aufbewahrt
werden. Beispielsweise ist heute beim Wechsel auf Gigabit-Ethernet die Kenntnis
über das Bandbreiten-Längenprodukt für die Auswahl geeigneter QBICs von
entscheidender Bedeutung. Ein Vergleich der Datenblätter mit den
ausgeschriebenen Kabelparametern kann übrigens nicht schaden. Vertrauen ist gut,
Kontrolle ist besser.
Vor der Beauftragung von Messungen an
LWL-Strecken sollte zuerst die Aufgabenstellung festgelegt werden: Soll ein rein
qualitativer Meßwert über die gesamte Strecke ausgegeben werden oder eine
möglichst genaue Aussage über Teilabschnitte der Strecke? Bei kurzen Strecken
mit leicht zugänglicher Trassenführung ist meist das kostengünstigere Messen der
Gesamtdämpfung unter Einbeziehung aller Steckverbinder ausreichend. Bei langen
Strecken, eventuell sogar mit zusätzlichen Spleißverbindungen, ist jedoch ein
Meßplot über die ganze Strecke vorzuziehen.
Entscheidend für die Qualität einer Faser sind
die Dämpfung und die Bandbreite. Diese Werte werden als Faserparameter für jedes
Fenster angegeben. In den einzelnen Fenstern können diese Werte je nach
verwendetem Fasertyp sehr unterschiedlich sein.
Die übertragungstechnischen Eigenschaften einer
LWL-Strecke werden durch die Normen (EN 50173, ISO 11801 ...) hinlänglich
beschrieben. Der Einsatz von Kabeln, die gerade die Grenzwerte der Norm
erfüllen, sollte aber kritisch bedacht werden. Die Normen beschreiben meist
nicht den modernsten Stand der Technik, sondern die „Massenware“. Man denke
hierbei nur an die Kategorie 5, die heute 5e heißt. Kabel, die einst gerade mal
so die Grenzwerte eingehalten haben, stehen heute zum Austausch an. Ein wenig
Reserve schadet daher nicht, ein „zuviel“ kostet aber überproportional.
Für das Durchmessen einer vorhandenen
LWL-Strecke benötigt man folgende Angaben:
1. Welcher Fasertyp wurde verlegt (8 ... 10/125
µm oder 50/125 µm) oder, hoffentlich nicht, 62.5/125 µm oder 100/140 µm?
2. Welche spektrale Dämpfung besitzt die
verwendete Glasfaser?
3. Welche numerische Apertur hat die Glasfaser?
4. Welcher Steckertyp wird verwendet, typische
Dämpfung?
5. Wie lang ist die verlegte Strecke etwa? Hier
und auch zur späteren Fehlersuche hilft eine Metrierung (Längenaufdruck) des
Kabels.
Mit diesen Angaben können die zu erwartenden
Meßwerte (Minimum und Maximum der Dämpfung je Fenster) ausgerechnet und mit den
tatsächlichen Ergebnissen verglichen werden.
Zur Bestimmung der Dämpfung stehen zwei
Meßverfahren zur Verfügung, das Einfüge- und die Rückstreuverfahren. Zu beachten
ist, daß bei beiden Verfahren nur in einem optischen Fenster gemessen wird.
Früher war es üblich, die Messung nur in dem Fenster durchzuführen, das auch die
vorgesehenen Anwendungen nutzten. Diese kurzfristige Denkweise ist heute nicht
mehr sinnvoll. Statt dessen sollte in allen von der gewählten Faser
unterstützten Fenstern gemessen werden.
Außerdem ist bei beiden Verfahren immer in
beide Richtungen zu messen. Beispielsweise ist beim Übergang von einer Faser mit
kleinerem Kerndurchmesser auf eine Faser mit größerem Kerndurchmesser kein
Anstieg der Dämpfung festzustellen. In Gegenrichtung können hier jedoch durchaus
mehrere dB Verlust gemessen werden.
Einfügeverfahren
Bei der Einfügemessung wird die zu messende
Strecke zwischen ein optisches Sender- und Empfängerpaar geschaltet und die
Gesamtdämpfung der Strecke bestimmt. Zur Kalibrierung ist zuerst eine
Referenzmessung ohne dazwischengeschaltete Strecke durchzuführen. Anschließend
wird die Strecke in beiden Richtungen (!) gemessen. Die Dämpfungsmessung von
Multimodefasern ist nach diesem Verfahren in den USA im ANSI-Standard TIA/EIA
526-14A bereits festgelegt. An der internationalen Normierung (ISO/IEC
62180-4-1) wird zur Zeit noch gearbeitet.
Unterschieden werden hier bei Multimodefasern
Prüfverfahren für Weitverkehrs- und Inhausstrecken. Bei Weitverkehrsverbindungen
wird, wie oben beschrieben, nur die Strecke gemessen, da die Dämpfung in den
Steckverbindern von vergleichsweise geringer Bedeutung ist. Im Inhausbereich ist
die Steckerdämpfung wesentlich entscheidender für die Qualität einer Strecke.
Hier wird daher ein Patchkabel mit in die Messung einbezogen.
Rückstreuverfahren, OTDR
Bei der OTDR-Messung (Optical Time Domain
Reflectometry) wird an einem Faserende das Licht in Form eines Lichtimpulses in
die Faser eingespeist und auch wieder empfangen. Die Basis dieses Meßverfahrens
ist die Raleigh-Streuung. Der Hauptteil der Lichtleistung bewegt sich in
Vorwärtsrichtung durch die Faser. Ein kleiner Anteil wird jedoch zum Sender
zurückgestreut und beim rückwärtigen Durchlaufen nochmals durch die Dämpfung
abgeschwächt. Dieses reflektierte Signal wird über einen Strahlteiler (z.B.
teildurchlässiger Spiegel) ausgekoppelt und gemessen. Die Pegelabschwächung des
Lichtimpulses ist das direkte Maß für die Dämpfung, und aus der Laufzeit des
Impulses kann direkt auf den Ort des Fehlers rückgeschlossen werden.
Das Ergebnis dieser Messung ist eine Meßkurve,
die eine detaillierte Aussage über den Dämpfungsverlauf der Strecke liefert. Bei
konstantem Dämpfungskoeffizient und Rückstreufaktor entlang der Faser ergibt
sich eine vom Anfang des LWL exponentiell abfallende Kurve. In der Vertikalen
ist der Pegel (Dämpfung) in dB aufgetragen und in der Horizontalen die
Entfernung.
Jede Störung des Dämpfungsverlaufes durch
Stecker, Spleiße, Mikrobiegungen, Kerben usw. kann anhand der Abweichung des
Dämpfungsverlaufes identifiziert und entlang der Faser positioniert werden.
Beispielsweise entstehen an Spleißen Pegelabschwächungen, an Kerben oder
Verbindungselementen jedoch höhere Reflektionen, die als Peaks mit
anschließender Pegelabschwächung in der Meßkurve erkennbar sind.
Beim Einfügen des Lichts in die Faser entsteht
eine Totzone durch Reflektionen und unter Umständen eine Anregung des Mantels.
Damit hier aussagekräftige Ergebnisse erzielt werden, sollte immer mit einer
Vorlauffaser gearbeitet werden. Andernfalls verschwindet der erste
Steckverbinder in der Totzone und die Messung ist quasi wertlos.
Am offenen Ende der Faser sind zwei Fälle zu
unterscheiden: Wurde die Faser gebrochen, gelangt der Strahl ohne Reflektionen
in die Luft. Es kommt zu einem Dämpfungssprung, gefolgt von Rauschen. Der zweite
Fall ist ein poliertes Faserende, wie es typischerweise an einem Stecker und
somit bei den meisten installierten Strecken vorkommt. Hier wird der Lichtstrahl
reflektiert und es wird eine positive Spitze, gefolgt von Rauschen, angezeigt.
Im ungünstigsten Fall kann es hier durch Mehrfachreflexionen zur Anzeige von
nicht vorhandenen Steckverbindungen, so genannten Ghosts, kommen. Durch die
Verwendung von Nachlauffasern mit gebrochenem Faserende kann dieser Effekt
vermieden werden.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von
Nachlauffasern ist, daß Faservertauschungen erkannt und hoffentlich auch
beseitigt werden. Gerade bei den heute üblichen SC-Steckern können diese
Faservertauschungen Nerven kosten. Im laufenden Betrieb eine fast voll belegte
Spleißbox auszubauen und zwei Pigtails umzustecken ist, wenn man den Fehler nach
Studieren der Meßprotokolle und Prüfen der Fasern mit dem Schätzeisen
Taschenlampe dann mal endlich gefunden hat, wirklich kein Vergnügen.
Ein weiterer entscheidender Faktor für
aussagekräftige Meßkurven ist die richtige Skalierung. Es macht keinen Sinn,
eine Strecke mit beispielsweise 2 dB Gesamtdämpfung in einem 10-dB-Raster
darzustellen. Das Ergebnis ist eine waagerechte Linie, aus der anhand der Peaks
nur Anfang und Ende der Strecke entnommen werden. Störungen auf der Strecke –
wie schlechte Spleißverbindungen – bleiben dem Betrachter verborgen. Die Wahl
eines 0,5-dB-Rasters würde eine wirklich aussagekräftige Kurve liefern. Optimal
ist, wenn die Meßergebnisse nicht nur auf Papier, sondern, zusammen mit der
notwendigen Analysesoftware, auf Datenträger bereitgestellt werden.
Ein weiterer Parameter, den es zu optimieren
gilt, ist die Breite des Lichtimpulses. Mit der Pulsbreite kann das zeitliche
und das pegelmäßige Auflösungsvermögen beeinflußt werden. Durch die höhere
Energie breiterer Impulse erhöht sich die Pegelauflösung und damit die
Reichweite. Kleinere Pulsbreiten mit hoher ortsbezogener Auflösung sind daher
gut geeignet für kurze Strecken, große Pulsbreiten mit geringer ortsbezogener
Auflösung eignen sich daher eher für WAN-Strecken.
Und was treibt unser „Meßtechniker“, der sich
für die anstehende Abnahmemessung bei xyz ein OTDR-Meßgerät vielleicht zum
ersten Mal ausgeliehen hat? Der mißt doch wirklich Ihre 100-m-Strecke mit einer
Pulslänge von 1 µs und skaliert das Ganze auf 10 dB. Dank der intelligenten
Software in den Meßgeräten kommen tatsächlich Dämpfungswerte heraus, die
halbwegs realistisch sind. Ob jedoch unser Spezialist die Fasern überdehnt oder
geknickt hat, ist aus diesen Plots ganz sicher nicht zu erkennen. Eine
Einfügemessung hätte es hier auch getan.
Ausblick
Nach dieser Kurzzusammenfassung der aktuellen
Messtechniken mit den dazugehörenden Problematiken noch ein kleiner Ausblick in
die Zukunft. Wellenlängenmultiplexen (WDM oder DWDM) benötigt neue Meßverfahren,
die bereits mit der Einführung von 10-Gigabit-Ethernet auch für den LAN-Bereich
interessant werden. Beim Wellenlängenmultiplexing werden mehrere Signale
gleichzeitig über eine Faser übertragen. Die einfachste Variante ist, hierfür
verschiedene optische Fenster zu benutzen. Die Zahl der Kanäle ist bei diesem
Verfahren naturgemäß begrenzt.
Aus diesem Grund wurde mit DWDM (Dense
Wavelength Division Multiplexing) ein Verfahren entwickelt, bei dem in einem
optischen Fenster mit einem Wellenlängenabstand von wenigen Nanometern Signale
übertragen werden. Hier tauchen plötzlich Störungen auf, die bisher bei
Lichtwellenleitern kein Thema waren, wie beispielsweise das Nebensprechen.
Zur Prüfung der Tauglichkeit von Fasern für
DWDM-Techniken und auch zur permanenten Überwachung des DWDM-Netzes sind einige
wenige Meßgeräte am Markt und neue Meßtechniken in Entwicklung. Für heutige
Abnahmemessungen sind jedoch in diesem Bereich noch keine Aktivitäten notwendig.
Es wird daher auf eine tiefergehende Beschreibung verzichtet.
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