Mediciones en la fibra óptica, grabación y análisis de reflectogramas (Parte 2)

06.07.2018

Ahora analicemos detalladamente el proceso de medición de atenuación kilométrica con ayuda de un reflectómetro (OTDR).

Muchos modelos de reflectómetros tienen la función de análisis automático, pero con su ayuda no siempre se puede distinguir bien la zona muerta, final de la línea o ruidos. Como resultado, podemos obtener una atenuación kilométrica, por ejemplo, -36 dB/km, que no es verdad. Por esto es preferible hacerlo manualmente.  

Existen 2 métodos. El primero es más sucinto y consiste en aplicación de dos cursores (marcadores) sin aproximación (TPA). Simplemente colocamos el primer cursor (marcador) en el inicio de la línea, enseguida después del pico de zona muerta, y el segundo — exactamente antes del pico final de la línea. La línea anaranjada que une dos marcadores es precisamente la línea de referencia, cuyo ángulo de inclinación mide el programa y saca la conclusión sobre atenuación entre los marcadores. Su visualización, como se demuestra en este ejemplo, es una opción que se puede activar para mayor comodidad o desactivar para que no impida observar las irregularidades en el reflectograma.

OTDR Trace ¡Ojo! ¡Al colocar los marcadores no debemos tocar la zona muerta y pico en el final de la línea!

Diferencia de niveles en estos dos puntos es el valor aproximado de atenuación de la línea en dB, que nosotros debemos dividir por la longitud óptica entre los marcadores para obtener la atenuación kilométrica (para no hacerlo a mano, podemos hacerlo directamente en el aparato o en el ordenador). ¿Por qué digo que es un resultado aproximado? Pues porque el reflectograma puede tener muchos ruidos e irregularidades, y diferencia de alturas entre estas microdesigualidades puede alcanzar décimas partes de decibelio y hasta más. Y si tenemos un final de la línea muy «ruidoso», este método es improcedente. En la figura de abajo podemos observar el reflectograma con mucho aumento (en la esquina superior derecha tenemos «leyenda» que nos indica que punto del reflectograma hemos aumentado).

OTDR Trace Ruidos en un reflectograma aumentado.

Para mayor claridad yo en todas las figuras he aumentado la escala vertical para poder ver mejor los puntos de fusión. Sin aumento ellos aparecerían como una línea casi recta. A primer golpe de vista se nota que los reflectogramas tienen muchos ruidos. Cuanto más costoso y sensible es el reflectómetro, menos ruidosas salen las reflectogramas.

Pero en este caso nosotros habíamos utilizado un reflectómetro común y corriente, por esto las líneas contienen muchos ruidos. En estas circunstancias es preferible usar el segundo método, que es más exacto.

El segundo método es con aproximación (LSA). En este caso el programa crea una línea virtual que promedita (aproxima) todas las desigualidades en nuestra línea (si no me equivoco, se utiliza el método de mínimos cuadrados). Atenuación se determina dependiendo del ángulo de inclinación de esta línea.

OTDR Trace

Nosotros podemos observar que la línea de referencia ya no está ligada por la altura a los puntos de reflectograma donde nosotros habíamos colocado marcadores. Dependiendo de nuestra línea, ella se calcula con el método de mínimos cuadrados. Si la línea tiene muchas conexiones mecánicas con picos de reflexión altos, el algoritmo de aproximación empieza a fallar y nosotros obtendremos los valores erróneos. ¿Entonces qué podemos hacer? Por ejemplo, en este caso se puede revisar la atenuación en todos los fragmentos de la línea, situados entre los acoples mecánicos, sin coger los picos y, después, revisar por aparte la atenuación en las conexiones mecánicas (métodos de hacelo vea más abajo), sumar todos los valores y dividirlos por la longitud de la línea para obtener la atenuación kilométrica. Es un procedimiento largo e intrincado, pero si nosotros buscamos la precisión — no hay otra.

Hay que tomar en cuenta todos los detalles. De hecho, en el caso de una línea muy corta (hasta unos cientos de metros, cuando el final de la línea está muy cerca de la zona muerta), muchas veces nosotros podemos no encontrar la atenuación en el reflectograma: a esta escala el reflectograma aparece algo distorcionado y atenuación con frecuencia resulta inverosímil (por ejemplo, tiene el valor negativo o alrededor del cero). Obviamente esto también depende de la calidad del equipo — muchos reflectómetros económicos tienen esta falla.

Ahora veamos como se puede calcular la atenuación en una heterogeniedad (por ejemplo, en un punto de fusión).
En este caso el algoritmo se parece al algoritmo de medición de atenuación en toda la línea y también existen dos métodos: con y sin aproximación.

Método sin aproximación (TPA, el método de dos marcadores) es sencillo: colocamos el primer marcador antes del punto de fusión y el segundo enseguida después, medimos la atenuación en decibelios (también puedes ser la amplificación aparente en el caso de fusión de fibra SM con DS o NZ – vea los artícuilos anteriores). Cabe notar que en este caso figuran únicamente decibelios (en vez de dB/km), ya que calcular la atenuación kilométrica en este caso es improcedente.

OTDR Trace Marcador 1 antes del punto de fusión, marcador 2 — enseguida después. Pérdidas entre marcadores de manera muy aproximada nos reflejan la atenuación. Coloqué los cursores de manera que el resultado fue 0,376 dB. 0,376 dB en un punto de fusión es un resultado pésimo, hay que volver a soldar las fibras.

El método con aproximación (LSA o método de 4 marcadores) es más complicado, pero de todos modos hay que conocer y utilizarlo.

Conciste en lo siguiente: como ya sabemos, un reflectograma puede tener muchos ruidos, y si nosotros por casualidad coloquemos el primer marcador sobre un micro pico, mientras el segundo sobre un micro hundimiento, el aparato nos mostrará una atenuación mucho superior a la real. Así mismo, en el caso inverso podemos dejar pasar un empalme malo. ¿Qué podemos hacer? Pues tenemos que tomar dos límpias sección de fibra óptica (las más largas posible, sin irregularidades), una antes y otra después del punto de fusión, y en cada una de estas secciones trazaremos una línea virtual recta (en nuestro ejemplo tienen el color anaranjado) que será el resultado de aproximación de una sección plana, pero ruidosa, ubicada en nuestro reflectograma debajo de ella (no olvidamos activar la función de aproximación — botón «LSA/TPA» en el modo LSA), y comparemos la diferencia de niveles entre estas dos rectas en decibelios.

OTDR Trace Este método es más preciso.

Se llama el método de 4 marcadores porque primeros dos marcadores determinan los límites de primera línea de aproximación antes del punto de fusión, mientras que el tercero (en este programa por alguna razón él se denomina «Y2») y cuarto (en este programa está marcado con el número «3») — definen los límites de segunda línea de aproximación, ubicada detrás del empalme.  Si nosotros ubiquemos estas dos líneas sobre las secciones planas, límpias y sin irregularidades, como lo hicimos en este ejemplo (es muy importante), obtendremos el valor de atenuación muy exacto. Obviamente este no es el valor final: para un punto de fusión normal es recomendable, mientras que para el empalme de fibras SM y NZ/DS es obligatorio repetir el mismo procedimiento en el reflectograma inverso (tomada desde el otro estremo de la línea) y calcular el valor promedio. Y así para cada punto de fusión que nos interesa. No obstante, si no se trata de las fibras con el núcleo desplazado, por lo general los técnicos no tomal el reflectograma inverso, ya que atenuación en una y en otra dirección será prácticamente igual. 

Ya hemos analizado prácticamente todo lo que se puede ver en un reflectograma. Ahora veamos como se ajusta un reflectómetro y qué significa cada parámetro.

Parámetros de un reflectómetro (OTDR)

Para tomar un reflectograma correcto es necesario ajustar los parámetros de medición. Muchos de los equipos modernos poseen la función de ajustes automáticos, pero más rápido y cómodo resulta seleccionarlos a mano. En este sentido la situación es similar a la fotografía: un novato puede tomar una buena foto en el modo automático, pero un profesional con ajustes manuales es capaz de hacer milagros. Pero, a diferencia de una cámara fotográfica, modo manual en el reflectómetro es básico. Para ajustar sus parámetros automáticamente un reflectómetro debe cada vez «tantear» la línea para conocer su longitud, y hacerlo a mano resulta mucho más rápido.

Estos son los ajustes principales:
1) escala longitudinal (rango o longitud de la línea);
2) duración de impulso;
3) número de impulsos/mediaciones (o tiempo de medición);
4) coeficiente de refracción;
5) longitud de onda;
6) resolución.

Además de estos, existen otros ajustes segundarios, correspondientes a cada equipo en particular: ajustes de hora, pantalla, macros de automatización, que no requieren conocimientos especiales para manejarlos. También en algunos equipos pueden haber ajustes específicos, por ejemplo, «potencia de láser reducida: encender/apagar» — en este caso hay que leer el manual y aplicarlos en casos correspondientes.

Veamos qué parámetro en que influye.

1. Escala longitudinal, o diatancia, o límite/rango de distancia. Se ajusta de manera escalonada, por ejemplo: 300 m, 500 m, 1 km, 2 km, 5 km, 10 km, 25 km, 50 km, 100 km, etc. Cuanto más pequeña y más grande sean las distancias que efectivamente manejae el reflectómetro, mejor es el equipo. Aquí todo es sencillo: si nosotros conocemos la longitud de nuestra línea, tenemos que seleccionar el rango 2 veces más grande que su longitud. ¿Por qué 2 veces más grande? Pues para que nosotros entre los ruidos que aparecen después del final de la línea podamos ver el pico de reflexión inversa. No es que tenga mucha carga de información, pero es mejor verlo: pueda que tengamos una fibra quebrada que es fácil tomar por el final de la línea, pero, teniendo la reserva de longitud, podamos distinguir entre los ruidos que la línea continúa. Tampoco se debe seleccionar la longitud demasiado grande, ya que en este caso el 90% de nuestro reflectograma van a ocupar los ruidos (la línea aparecerá al inicio de reflectograma, pero a razón de escala demasiado grande no podremos distinguir nada).
A tener en cuenta: cuanto más grande que sea la distancia (rango de mediciones), más ancho debe ser el impulso y más grande el tiempo de medición (cantidad de mediaciones) — la luz se demora más en recorrer una fibra larga y el aparato necesita más tiempo para poder procesar una cantidad grande de información.  A veces realmente toca dedicar más de media hora a una sola fibra (en el caso de una línea superior a 50 km), y aun así el final de la línea resulta con muchos ruidos. Teniendo en cuenta que cada caso particular es distinto, no les puedo presentar una tabla universal de relación «distancia — duración de impulso», siempre hay que buscar el variante óptimo para cada medición.

2. Duración de impulso. Está directamente relacionada con la distancia seleccionada (mayor longitud — más ancho el impulso), pero en el caso de necesidad se puede modificarla sin importar la longitud de línea. Valores típicos — de unos nanosegundos hasta unos microsegundos. Para una línea corta el impulso también debe ser corto, para una larga — largo. ¿En qué influye la duración del impulso? Un impulso demasiado corto en una línea larga, a razón de la dispersión en la fibra, pierde mucho su forma y de vuelta nosotros tendremos puros ruidos. Esto significa que podamos ver claramente solamente el inicio o inicio y parte media de la línea, pero su final se perderá entre los ruidos:

OTDR Trace En este ejemplo la longitud de la línea es considerable, y su final se pierde entre los ruidos. Para poder ver algún detalle al final de la línea es necesario seleccionar más largos el impulso y tiempo de medición. En el caso de un reflectómetro económico con el rango dinámico angosto es posible que nosotros no podamos ver el final de una línea muy larga, aunque seleccionemos el impulso óptimo y dediquemos una hora a cada fibra.

En el caso inverso, seleccionando un impulso largo para una línea corta, cualquier irregularidad (zona muerta en el principio, «escalón» después de cada acople, «pico» después de cada caja) aparecerá muy dilatada por el eje Ox:

OTDR Trace

En vez de eventos angostos aparecen las colar largas, lo que no es bueno y ya les explico el por qué.

Supongamos que tenemos una línea averiada en el medio. Para liquidar la falla colocaron un injerto con 2 acoples ópticos. Con un reflectómetro correctamente ajustado y con la condición de que los puntos de fusión no son absolutamente perfectos y aportan una atenuación de 0,02 dB, con la distancia normal entre acoples (alrededor de 200 m), en el reflectograma nosotros podremos claramente ver dos escalones uno al lado del otro — del primer y segundo acople. Pero con un impulso demasiado largo la cola del primer escalon puede tapar por completo el segundo punto de fusión y nosotros no podremos ver qué pasa en el segundo acople. Allá pudo haber entrado el agua que se congeló y ocluye la fibra. O el cable se desprendió del poste, cuelga doblado y está que se rompe — hay que ir de urgencia para remendar la situación. Pero en el reflectograma solo podremos ver la cola del primer acople y notar una atenuación mas allá (lo mismo veremos en el caso si el injerto es corto y dos acoples quedan muy cerca. Por esto, normalmente, para las líneas largas colocan un injerto de 200 metros y para las líneas cortas — de 100. De otra manera no podremos controlar todos los acoples con ayuda de reflectómetros, que es muy importante durante su explotación).
¿Entonces qué impulso seleccionar para cada rango en particular? Igual que en el caso anterior, no hay tablas universales de correspondencia y toca buscarla para cada reflectómetro en particular. En calidad de resumen: un impulso demasiado corto en una línea larga nos dará buena detalización al inicio, pero el final de la línea se perderá entre los ruidos. A su vez un impulso largo en una línea corta dilatará todos los eventos por el eje horizontal.

3. Número de impulsos/mediaciones (o tiempo de medición). Resulta que un solo impulso enviado en la línea no nos proporcionará ninguna información útil, solamente ruidos. Para obtener un buen reflectograma y eliminar las fluctuaciones eventuales de la dispersión de Rayleigh es necesario realizar varios centenares o hasta miles de mediciones separadas y tomar el valor promedio. De este modo, cuanto más impulsos enviemos, más regular y nítido será nuestro reflectograma (que de por sí es el resultado de aproximación de centenares y miles de mediciones independientes). Por otro lado, gastar media hora para medir una sola fibra (si al día tenemos que medir 96 fibras en dos longitudes de ondas) resulta improcedente. Entonces hay que buscar el compromiso. 

Si la línea es larga, casi hasta el límite de posibilidades del reflectómetro, y su final está lleno de ruidos, tenemos que aplicar un número grande de mediaciones (10000 y más), mucho tiempo (5 – 10 minutos) e impulso largo. En el caso de un pedazo de cable de 300 metros nadie va a exigir los resultados precisos y bastaran 1000 mediciones (10-30 segundos). De hecho, muchos modelos de reflectómetros no permiten ajustar el número de impulsos, pero permiten seleccionar el tiempo deseado en minutos/segundos. Hay que tomar en cuenta que diferentes modelos de reflectómetros tienen distintas velocidades de procesamiento y en cada caso particular el proceso de envío de 1000 impulsos puede ser más rápido o más demorado.

Ahí hay que hacer una digresión y decir unas palabras sobre un modo de funcionamiento muy importante — «mediciones en tiempo real». Esto significa que el reflectómetro durante una o dos segundos envía en la línea unas decenas o centenares de impulsos (que no serían suficientes para obtener un reflectograma de calidad, pero que nos podría proporcionar una vista general de la línea) y registra un resultado promedio. Después otra vez envía una serie de impulsos y registra el resultado. Y así sucesivamente hasta que nosotros no lo paremos. Con esto, con una frecuencia aproximadamente 1 captura por segundo en tiempo real, nosotros podemos ver lo que sucede en la línea. ¿Y para qué necesitamos este modo? Para, por ejemplo, buscar encruzamientos o ubicar una fibra determinada. Imaginemos un caso: en la estación (servidor) tenemos una caja óptica de 32 puertos y de ella sale una línea larga que no conocemos (como es de costumbre, no hay ni documentos ni mapas). Nos encargan la taréa de introducir a uno de lo acoples, ubicado a 30 kilómetros de distancia, un cable nuevo y soldalo con unas fibras (digamos puertos 27 y 28 de la caja). ¿Cómo determinar qué fibras en particular debemos destapar en aquel acople y soldar con el cable nuevo? Debemos hacer lo siguiente: en la caja enchufamos el reflectómetro al puerto número 27 y activamos el modo continuo. La línea se visualiza una vez por segundo, toda distorcionada, pero esto es suficiente para hecharle un vistazo general. Mientras uno de los técnicos trabaja con el reflectómetro, otro destapa el acople, se comunica con el compañero por el teléfono y, después de destapar la bobina, con cuidado empieza a doblar las fibras, una por una, con ayuda de una pinza. Se debe tener en cuenta que doblamiento puede ocasionar una breve perdida de señal en las fibras en función, por esto es preferible hacerlo con cuidado, pero rápido. Cuando el compañero doble la fibra correspondiente al puerto número 27, en el reflectómetro la línea de repente aparecerá mucho más corta, terminando en este acople (30 km de la caja). Cortamos la fibra encontrada y repetimos el procedimiento para encontrar la fibra correspondiente al puerto número 28. En las distancias cortas podemos usar para estos fines un probador de fibras (un puntero láser con el conector óptico) — en los doblamientos de fibra la luz de láser se reflejará. No obstante, se debe tener encuenta que la distancia máxima que puede traspasar la luz de un probador es de 5 kilómetros, además en un día de sol es muy difícil ver qué fibra exactamente refleja la luz — luz solar lo impide.

4. Coeficiente de refracción o índice en grupo. Este coeficiente influye en la dilación de reflectograma por el eje horizontal (no confundir con el aumento de un reflectograma grabado). Resulta que en diferentes fibras ópticas (por ejemplo, fibras «normales» y con el núcleo desplazado) velocidad de luz puede ser algo distinta. Por lo tanto, si nosotros mediremos una línea con el coeficiente de refracción erróneo, el reflectograma aparecerá «comprimido» o «dilatado» respecto a la escala de distancias. Esto puede causar ciertos problemas: por ejemplo, en una línea larga podemos enviar un grupo de técnicos para liquidar una avería en el lugar equivocado. Supongamos que en el reflectograma aparece que el punto de ruptura esta a 86 km y 325 m de la caja, mientras que en realidad este punto está a 86 km y 602 m. Y ellos tendrán que recorrer y levantar 300 metros (o hasta 900 si van en la dirección equivocada) de cable buscando el daño.

El coeficiente de refracción es una propiedad de fibra óptica y se indica en el pasaporte del cable. Los valores típicos son 1,46800 o 1,46820.

En el caso de líneas cortas, por ejemplo FTTB, un error de medio metro no tiene mayor importancia y cambiar cada rato este coeficiente no es razonable. Pero en las líneas magistrales tal frivolidad es inadmisible y siempre hay que ajustarlo de conformidad con los datos que aparecen en el pasaporte — la diferencia puede alcanzar decenas y centenares de metros. Me acuerdo algunos casos cuando el proceso de liquidación de una avería se demoró mucho precisamente a causa de mediciones incorrectas.

Hablando de la longitud de un cable óptico debemos hacer una advertencia muy importante. ¡En realidad un cable óptico tiene no una, sino dos longitudes! Primera de ellas es la longitud normal, es decir su longitud física. Precisamente este dato se indica en el forro del cable cada metro, por ejemplo: «4000 m, 3999 m, 3998 m,… 0 m». Otra longitud es su longitud óptica, es decir la longitud de fibra en el cable. Y esta longitud siempre es un poquito más grande. En los artículos anteriores nosotros ya habíamos analizado la estructura de un cable: por lo general los módulos ópticos en un cable vienen trenzados — enrollados unos metros en la dirección de las agujas del reloj, después en el sentido contrario y así sucesivamente. Esto se hace con el fin de compensar las modificaciones de dimensiones de distintos componentes del cable que surgen a razón de cambios de temperatura y para prevenir ruptura del cable en el caso de algún tirón repentino: si el hilo de kevlar y el forro se rompan, estos bucles se enderecen y no dejen romperse las fibras ópticas hasta que lleguen los técnicos. Precisamente a causa de estos bucles la longitud de fibras (y módulos) es un poquito más grande que longitud del cable. Coeficiente de este trenzado se indica en el pasaporte, aunque tampoco es difícil calcularlo: en los documentos de una línea siempre se indica su longitud física y óptica. Este detalle siempre se debe tener en cuenta a la hora de enviar a los técnicos para liquidar una avería: en el reflectómetro aparece la longitud óptica, pero los técnicos van a buscar este punto guiándose por los marcadores puestos en el forro del cable. Peor es cuando una línea está hecha de pedazos de cables distintos, por ejemplo, una parte del cable (enterrada en el subsuelo) es de módulos trenzados, mientras que la parte que cuelga de los postes — de un solo módulo central, cuya longitud óptica es prácticamente igual a su longitud física. En este caso ubicar el punto de ruptura es un verdadero desafío.

Sigamos.

5. Longitud de ondas. Ahí todo está muy claro. Para la fibra singular esta longitud es 1310 o 1550 nm. Para los documentos es necesario tomar los reflectogramas en ambas longitudes. Pero para sí, para entender mejor qué pasa en la línea, es preferible guiarse por la longitud 1550 nm: atenuación en esta longitud es inferior (se ve mejor el final de la línea) y se ven más nítido todas las fallas, por ejemplo, doblamientos de fibras. De hecho, si nosotros observamos un punto de fusión malo en ambas longitudes de ondas, entonces esto realmente es un defecto y hay que ir a subsanarlo. Pero si el defecto se ve en la longitud 1550, mientras en la 1310 casi no se nota, lo más probable es que se trata precisamente de un doblamiento de fibra en la bobina — solamente hay que destapar el acople, abrir la bobina y acomodarla.

6. Resolución. Algunos modelos de reflectómetros permiten ajustar este parámetro. Aquí también cabe la analogía con una cámara fotográfica: con resolución alta nosotros podemos ver mejor las irregularidades, pero el archivo con reflectograma será más grande y, posiblemente, con más ruidos. Por lo general yo coloco la resolución máxima y la cambio únicamente en las situaciones extraordinarias.

Otra característica importante (no confundir con ajuste) de un reflectómetro es su rango dinámico, es decir el nivel mínimo y máximo de señal, que el aparato puede distinguir de los ruidos. Cuanto más grande sea este rango, mayor longitud de línea podremos abarcar. Pero también el precio sube de manera exponencial.

Reflectómetros

Equipo Toolboom

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