Attenuazione nelle fibre ottiche

Misure di attenuazione fibre ottiche
L’attenuazione A(l) alla lunghezza d’onda l tra due punti (1 e 2) di una fibra
ottica, separati da una distanza L è definita da
 P1 (l) 
A(l) 10 log 
(dB)

 P2 (l) 
dove P1(l) e P2(l) rappresentano la potenza ottica nei punti 1 e 2,
rispettivamente.
Per una fibra con caratteristiche uniformi è quindi possibile definire
un’attenuazione per unità di lunghezza, o coefficiente di attenuazione, dato da
A (l )
 (l ) 
L
(dB / Km)
L’ITU ha adottato come metodo di riferimento per la misura di attenuazione il
METODO DEL TAGLIO (cut-back). Metodi alternativi il METODO DI
INSERZIONE ed il METODO DELLA RETRODIFFUSIONE (Backscattering), alla
base della tecnica OTDR.
Misura dell’attenuazione: metodo del taglio (cutback)
E’ considerato il metodo di riferimento a livello internazionale. Corrisponde
all’applicazione diretta della definizione di attenuazione.
La fibra ottica viene inserita tra un trasmettitore ed un ricevitore ottico; dopo
aver misurato la potenza rilevata all’estremo “lontano”, P2, la fibra viene
tagliata in prossimità dell’origine (dopo circa 2 o 3 metri) e, senza modificare
le condizioni di lancio, viene misurata la potenza di riferimento P1, con lo
stesso ricevitore.
L’attenuazione risulta
 P1 
A 10 log   (dB)
 P2 
Ovviamente la misura può essere effettuata ad una sola l oppure a più l così
da ottenere l’attenuazione spettrale A(l).
Lo schema generale dell’apparato di misura, mostrato nella figura seguente,
è raccomandato dall’ITU ed è valido sia per fibre multimodali che
monomodali.
Metodo del taglio (cut-back) 2
Le condizioni di lancio della potenza ottica in fibra sono molto importanti ai
fini di una misura corretta dell’attenuazione, dato che a valle del tratto che
verrà successivamente tagliato si dovrebbero avere condizioni “stazionarie”
di propagazione, corrispondenti cioè a quelle di luce che si sia propagata in
una fibra di notevole lunghezza.
Questa condizione determina una differenza rilevante tra FIBRE MULTIMODO
e MONOMODO.
Metodo del taglio (cut-back) 3
Nel caso di fibre multimodali le condizioni di lancio devono essere tali da
approssimare la condizione di equilibrio tra i modi (Equilibrium Mode
Distribution), raggiunta quando lo scambio di energia tra i modi produce una
distribuzione che si propaga senza essere più modificata.
Normalmente tale condizione è raggiunta dopo alcuni km di fibra; pertanto, nel
caso di fibre multimodali, per evitare l’uso di una fibra di lancio così lunga, si
utilizzano MESCOLATORI e FILTRI DI MODO che permettono di ottenere le
condizioni di lavoro volute.
Il MESCOLATORE DI MODI (MODE SCRAMBLER) può essere realizzato
giuntando tra loro corti spezzoni di fibra di tipo diverso (ad esempio, stepindex/graded index/step-index, ecc..) oppure con spezzoni di fibra sottoposti
ad opportune curvature.
Il FILTRO DI MODI può avere la struttura di un “mandrino” sul quale viene
avvolta la fibra di lancio (valori tipici: diametro del mandrino 18-22 mm,
numero di giri pari a 5).
Per le fibre monomodali le condizioni sono meno complesse poiché si propaga
solo il modo fondamentale. E’ comunque utile, ai fini della qualità della misura,
impiegare un filtro di modi, realizzato ad esempio con una spira con raggio di
qualche centimetro, ed un soppressore dei modi nel mantello.
Metodo del taglio (cut-back) 4
Per aumentare la sensibilità del sistema di misura viene spesso utilizzata
la tecnica di modulare, a bassa frequenza, la luce trasmessa mediante un
CHOPPER.
Il ricevitore è normalmente basato su un amplificatore ad aggancio di fase
(amplificatore lock-in), sincronizzato dallo stesso segnale che modula la
luce.
Il metodo del taglio fornisce risultati molto precisi ma presenta il difetto di
essere distruttivo: per ogni misura, infatti, è necessario tagliare un pezzo
di fibra. E’ quindi praticamente utilizzabile solo in laboratorio.
I componenti fondamentali di questo sistema di misura, come pure alla
base di altre tecniche sono: la SORGENTE OTTICA, il MONOCROMATORE,
il FOTORIVELATORE.
Sorgenti ottiche 1
SORGENTE OTTICA: può essere un diodo laser, un LED o una lampada
alogena.
I diodi laser hanno una larghezza spettrale molto limitata e permettono di
inviare in fibra potenze elevate (decine di mW). A causa della larghezza
spettrale molto limitata i diodi laser rendono la misura assai sensibile ai
fenomeni di interferenza (rumore interferometrico), principalmente dovuti alle
riflessioni in corrispondenza di giunti e connettori. Pertanto il loro impiego è
da preferire nei casi in cui si debbano misurare sezioni di fibre molto lunghe,
con elevata attenuazione. Di norma richiedono tecniche di stabilizzazione della
temperatura di funzionamento.
I LED possono essere ad emissione di superficie o ad emissione di spigolo. I
LED ad emissione di superficie hanno larghezze spettrali molto ampie (da 100
a 200 nm, rispettivamente a 1300 e 1550 nm) ed il livello di potenza che può
essere accoppiato in una fibra monomodale è piuttosto basso (dell’ordine di
pochi mW) ma presentano il vantaggio di non richiedere stabilizzazione
termica. I LED ad emissione di spigolo hanno larghezze spettrali inferiori (60100 nm) permettono di accoppiare in fibra monomodale potenze superiori a 10
mW ma richiedono tecniche di stabilizzazione della temperatura di
funzionamento.
Sorgenti ottiche 2
La lampada alogena (con filamento in tungsteno) è una sorgente a largo
spettro.
Tipicamente sono adottate lampade da 10-20 W.
Per misure spettrali tali sorgenti sono seguite da un monocromatore o da un
filtro interferenziale. Strumenti commerciali incorporano già la lampada con il
monocromatore o i filtri.
La stabilità di funzionamento nel tempo (invecchiamento) ed in temperatura
(derive termiche) non sono garantite e quindi richiedono periodicamente
procedure di controllo e taratura.
I livelli di potenza accoppiati in fibra variano da alcune decine di nW nel caso
multimodale a pochi nW nel caso monomodale.
Monocromatore
Il monocromatore consente di selezionare le lunghezze d’onda di misura.
Ovviamente non è richiesto se la sorgente scelta un diodo laser.
Richiede una larghezza spettrale della luce emessa dalla sorgente dell’ordine
di 10-20 nm (emivalore).
Il suo funzionamento è basato su una serie di specchi e lenti mobili in grado
di isolare una sola componente spettrale in un segnale d’ingresso “a largo
spettro”. Come mostrato in figura un segnale ottico emesso da una sorgente
a largo spettro nel punto A viene riflesso dallo specchio C ed inviato ad un
reticolo D (grating), in grado di ruotare (diffrazione di Bragg), così da fornire
in uscita (punto G), dopo la riflessione tramite lo specchio in E, un segnale
selezionato in lunghezza d’onda.
In base allo scattering di Bragg verrà selezionata
la lunghezza d’onda l tale per cui
2L senq = l
(m=1, prim’ordine)
essendo L il passo del reticolo e q l’angolo (punto
D della figura). La precisione in termini di l è
quindi determinata dalla “incertezza angolare” Dq
secondo la relazione 2L cosq = Dl/ Dq
Fotorivelatore
I fotorivelatori sono di norma fotodiodi PIN che possono essere o a “larga
area” oppure ad “area piccola”.
Nel primo caso risulta meno problematico l’accoppiamento fibra-superficie
attiva del fotodiodo ed il ricevitore è meno sensibile ad eventuali effetti di
saturazione.
L’uso di PIN ad “area piccola” permette di minimizzare il rumore ma rende più
critico l’accoppiamento per cui, in questo caso, il PIN è dotato di un “codino”
di fibra multimodo oppure monomodo.
L’accoppiamento fibra-fotorivelatore è di norma influenzato da effetti di
riflessione sulla superficie del fotorivelatore. Tali effetti possono essere
particolarmente dannosi quando sulla superficie del fotorivelatore si affaccia
direttamente, ovvero dopo un breve tratto di fibra, una sorgente laser
notoriamente assai sensibile a riflessioni iniettate in cavità.
Inoltre, possono originarsi fonti di errore quando le riflessioni variano tra la
condizione di riferimento e quella di misura.
Per ovviare a tali inconvenienti il ricevitore è realizzato con una “testina ottica”
con fascio collimato, in cui è applicato uno strato antiriflesso (antireflection
coating) ed il fotodiodo viene leggermente inclinato.
Misura dell’attenuazione: metodo dell’inserzione
Il metodo dell’attenuazione di
inserzione (insertion-loss),
considerato in ambito ITU come
metodo alternativo, è basato sulla
determinazione della perdita di
potenza dovuta all’inserzione della
fibra in misura tra un sistema di
lancio ed uno di ricezione.
Presenta il vantaggio di non essere
distruttivo a fronte di una
precisione della misura inferiore
rispetto al metodo del taglio.
Nel caso di fibre multimodali
valgono le stesse considerazioni
relative al metodo del taglio,
ovvero devono essere raggiunte le
condizioni di equilibrio
relativamente alla ripartizione di
potenza tra i modi.
Il metodo dell’attenuazione di inserzione nel caso di
fibre monomodali
Misura dell’attenuazione: metodo dell’inserzione 2
La misura viene eseguita in due fasi:
- fase di calibrazione, per ottenere una potenza di riferimento P1; si connettono
direttamente le due “bretelle” di fibra del trasmettitore e del ricevitore;
- fase di misura, per ottenere la potenza trasmessa attraverso la fibra in
misura, P2, si inserisce tale fibra tra le due bretelle. In questa fase è essenziale
non alterare la potenza lanciata sulla bretella del trasmettitore e mantenere
invariate le condizioni di accoppiamento tra bretella di ricezione e ricevitore.
Al valore dell’attenuazione
 P1 
A 10 log   (dB)
 P2 
contribuiscono l’attenuazione della fibra sotto misura e quella dovuta alle
connessioni terminali, meno l’attenuazione della connessione (o delle
connessioni) nella condizione di riferimento.
Se interessa l’attenuazione della sola fibra sotto misura è quindi necessario
apportare le dovute correzioni sulla base dei valori stimati per le attenuazioni
delle varie connessioni.
Misura dell’attenuazione: metodo dell’inserzione 3
Nel caso di fibre monomodali, la normativa ITU (Racc. G.650) prevede due
possibili opzioni, riportate nella figura precedente, relativamente al metodo di
inserzione.
Nel caso a) le caratteristiche dei connettori fissati alla fibra in misura ovvero, più
in generale, la qualità dei componenti impiegati per la connessione, influenza i
risultati della misura.
Nel caso b) l’effetto dei connettori è praticamente escluso.
L’opzione b) è particolarmente utile quando si voglia misurare, in un
collegamento ottico in cui siano presenti connettori, l’attenuazione della sola
fibra, senza il contributo dei connettori terminali.
Nel caso dell’opzione a) la sorgente è accoppiata ad una bretella di fibra
monomodale avente le stesse caratteristiche nominali della fibra in misura ed
equipaggiata con filtro di modo e soppressore di modi nel mantello.
E’ quindi accoppiata alla fibra sotto misura mediante una connessione tale da
minimizzare le perdite di accoppiamento e per riflessione.
In maniera “simmetrica”, il fotorivelatore è connesso ad una bretella di fibra
monomodale con le stesse caratteristiche nominali di quella in misura ed
equipaggiata con filtro di modo e soppressore di modi del mantello.
Misura dell’attenuazione: metodo dell’inserzione 4
La misura viene effettuata secondo le seguenti modalità:
- la fibra del sistema di lancio è connessa alla fibra collegata al ricevitore; si
rivela quindi la potenza P1;
- la fibra in misura è connessa a trasmettitore e ricevitore; si determina quindi
la potenza ricevuta P2;
- l’attenuazione A della fibra sotto misura è data da
 P1 
A 10 log    Cr  C1  C2 (dB)
 P2 
in cui Cr, C1 e C2 rappresentano le attenuazioni nominali delle connessioni,
rispettivamente nelle condizioni di riferimento, all’ingresso e all’uscita della
fibra in misura.
Se la misura richiesta dovesse includere anche il contributo delle connessioni
terminali, i due ultimi contributi (C1 e C2) andrebbero omessi.
Misura dell’attenuazione: metodo dell’inserzione 5
Nel caso dell’opzione b) la sorgente è accoppiata alla fibra sotto misura
mediante un’ottica opportuna (sistema di lancio) realizzata in modo tale che
la luce inviata in fibra abbia una distribuzione di campo vicino (near field) il
più possibile uniforme entro il diametro di campo modale, e di campo
lontano (far field) entro l’apertura numerica della fibra stessa (di norma
eccedente tali limiti).
Il sistema di lancio può essere realizzato mediante lenti ed opportune
movimentazioni meccaniche oppure, più semplicemente, la luce può essere
inviata ad una fibra multimodale di tipo step-index con caratteristiche
opportune e connessa alla fibra in misura mediante un connettore con
caratteristiche note.
Il sistema di riferimento, presente solo nell’opzione b), è realizzato con una
bretella di fibra monomodo con le stesse caratteristiche nominali della fibra
sotto misura ed equipaggiata con un filtro di modo ed un soppressore dei
modi del mantello. Il sistema di riferimento non introduce alcuna
attenuazione sul modo fondamentale della fibra.
Misura dell’attenuazione: metodo dell’inserzione 6
La fibra viene posizionata davanti al fotorivelatore che deve avere dimensioni
tali da intercettare tutta la luce emergente dalla fibra in misura.
La misura viene effettuata secondo le seguenti modalità:
- il sistema di riferimento è connesso tra trasmettitore e ricevitore; si rivela
quindi la potenza P1;
- la fibra in misura è connessa a trasmettitore e ricevitore; si determina quindi
la potenza ricevuta P2;
- l’attenuazione A della fibra sotto misura è data da
La Racc. G.650 dell’ITU prevede anche
l’impiego di sistemi di misura ibridi che usino,
ad esempio, lo schema di tipo a) in
trasmissione e quello b) in ricezione, o
viceversa.
In entrambi i casi l’attenuazione è data da
 P1 
A 10 log    Ca (dB)
 P2 
 P1 
A 10 log   (dB)
 P2 
in cui Ca è l’attenuazione media nominale
della connessione tra la fibra in misura e
quello dei due sistemi che ha la
disposizione a) .
Misura dell’attenuazione: metodo della retrodiffusione
(backscattering)
Il metodo della retrodiffuzione (backscattering) è il secondo metodo alternativo
indicato dall’ITU.
E’ il metodo più diffuso per la misura in campo dell’attenuazione di
collegamenti in fibra ottica.
Presenta il vantaggio di richiedere accesso alla fibra solo da una terminazione
(trasmissione o ricezione) e rende possibile rilevare non solo l’attenuazione
complessiva di una linea ottica ma anche quella dei singoli componenti come,
ad esempio, giunti tra spezzoni di fibra.
Permette inoltre di individuare punti singolari nel collegamento come, ad
esempio, punti di giunzione o interruzioni.
La tecnica sfrutta il fenomeno della DIFFUSIONE O SCATTERING DI
RAYLEIGH, responsabile principale dell’attenuazione in una fibra ottica:
quando la luce si propaga in un mezzo non omogeneo, come il vetro (materiale
amorfo), in ogni punto una piccola parte della potenza ottica viene diffusa in
maniera isotropa per interazione con la struttura molecolare del mezzo. Parte
della luce diffusa è “catturata” dall’effetto guidante della fibra e quindi rinviata
verso l’origine: si parla quindi di retrodiffusione e backscattering.
Misura dell’attenuazione: metodo della retrodiffusione
(backscattering) 2
La potenza Pb,
retrodiffusa da un
tratto di fibra di
lunghezza Dz può
essere espressa
dalla relazione
Pb  Pi S Dz
in cui Pi è la
potenza che si
propaga lungo la
fibra ed S il
COEFFICIENTE DI RETRODIFFUSIONE, definito dal prodotto di due fattori,
Pd
Pb
S  Sd Sc con Sd 
; Sc 
Dz Pi
Pd
essendo Pd la potenza diffusa
dalla sezione Dz.
Misura dell’attenuazione: metodo della retrodiffusione
(backscattering) 2
Il coefficiente Sd indica la quota parte di potenza Pi in fibra che si trasforma in
potenza diffusa per unità di lunghezza.
Se si indica con s (dB/unità di lunghezza) la parte del coefficiente di
attenuazione della fibra che deriva dal fenomeno di diffusione si ottiene
 Dz

 s 
Pd  Pi 110 10   Pi 0.23 s Dz




da cui
Sd  0.23s
.
Il coefficiente Sc indica quale parte della potenza diffusa viene “catturata” e
guidata all’indietro (Pb).
Nel caso di fibre monomodali il coefficiente Sc può essere espresso dalla
relazione
2 essendo w il raggio del campo modale, pari alla metà
3  l  del diametro del campo modale (Mode Field Diameter,
Sc  
8  n w  MFD).

1

Valori tipici di Sd sono dell’ordine di 0.0450.070∙10-3 mentre per Sc si hanno
valore dell’’ordine di 12 ∙ 10-3 , corrispondenti a valori del rapporto tra potenza
retrodiffusa (Pb ) e potenza inviata (Pi ), per Dz=1m, dell’ordine di -68  -72 dB.
Misura dell’attenuazione: metodo della retrodiffusione
(backscattering) 3
La figura mostra la tipica struttura di
un sistema di misura
dell’attenuazione mediante
backscattering ed il corrispondente
andamento nel tempo (spazio) della
potenza.
Una sorgente, di potenza
sufficientemente elevata, lancia un
impulso ottico in fibra e, mediante un
accoppiatore direzionale, il segnale
retrodiffuso (riflesso) viene rivelato
da un fotorivelatore.
Il sistema di analisi registra
l’andamento del segnale nel tempo e
lo mostra sullo schermo dello
strumento, in scala logaritmica.
Misura dell’attenuazione: metodo della retrodiffusione
(backscattering) 4
La potenza ottica che viene rivelata in
ogni istante dal fotorivelatore può
essere considerata proveniente da un
punto della fibra ad una ben precisa
distanza dall’origine. Ciò permette di
tarare l’asse dei tempi in lunghezza in
base alla ovvia relazione:
c
L
t
2n
essendo n l’indice di rifrazione di
gruppo della fibra.
Come mostrato in figura, supponendo che il tempo t sia misurato a partire
dall’istante di invio del fronte di salita dell’impulso, per ogni valore di t si
sommano i contributi che arrivano da un tratto di fibra che inizia alla distanza
(L-Dp) e termina alla distanza L.
La lunghezza Dp è pari a metà della distanza percorsa dalla luce nella fibra in un
intervallo di tempo corrispondente alla durata T dell’impulso inviato (Dp=cT/2n).
Misura dell’attenuazione: metodo della retrodiffusione
(backscattering) 5
Nell’ipotesi che il tratto di fibra da (L-Dp) a L abbia attenuazione trascurabile,
la potenza che ritorna allo strumento (punto 0 in figura) è data, in funzione
della distanza L, dall’espressione
A ( L) A r ( L)
 a
10
Pr (L)  P0 S Dp10
in cui P0 rappresenta la potenza di picco dell’impulso lanciato in fibra nel
punto 0, Aa(L) l’attenuazione (dB) tra inizio fibra (punto 0) e punto a distanza L,
Ar(L) l’attenuazione (dB) tra punto a distanza L e inizio fibra (punto 0), ed S il
coefficiente di retrodiffuzione.
Nell’ipotesi in cui le attenuazioni Aa(L) e Ar(L)siano uguali, valida in pratica nel
caso di fibre monomodali, si ottiene quindi
Pr (L)  P0 S Dp10

A( L)
5
 P0 S Dp10

L
5
avendo supposto che la
linea ottica sia costituita da
una fibra con coefficiente di
attenuazione  (dB/km)
uniforme.
Misura dell’attenuazione: metodo della retrodiffusione
(backscattering) 6
Il sistema di acquisizione ed analisi precedentemente mostrato è pertanto in
grado di calcolare, per ogni campione temporale raccolto, ovvero per ogni
valore di L, la grandezza
Pr (L)
B (L)   5 log
Pr (0)
fornendo una rappresentazione del suo andamento temporale.
Nell’ipotesi, di norma soddisfatta, che il coefficiente S sia costante lungo la
linea ottica si ha
B (L)  A(L) (dB)
B ( L)   L
da cui deriva, per una fibra uniforme
(dB)
La pendenza della traccia delle B(L) rappresenta quindi il coefficiente di
attenuazione della fibra mentre, se sulla fibra sono presenti punti in cui è
concentrata un’attenuazione (ad esempio, giunti, punti di rottura), sulla forma
d’onda ricevuta si osservano dei “salti” ovvero, più precisamente, delle rampe
di larghezza pari a Dp, dalla cui ampiezza è possibile determinare il valore
dell’attenuazione concentrata e la cui posizione (punto di inizio della rampa)
indica la distanza dall’origine della linea ottica.
Misura dell’attenuazione: metodo della retrodiffusione
(backscattering) 7
Pur inviando in fibra impulsi relativamente potenti, i valori di potenza che il
ricevitore deve analizzare in una misura di retrodiffusione sono piuttosto
bassi.
Come mostrato in Tabella successiva, nel caso di fibre monomodali, con un
impulso di 10 ns (Dp≈1m), la potenza retrodiffusa in ciascun istante è circa 70
dB al di sotto di quella di picco dell’impulso incidente.
Tale scarto scende a 50 dB con impulsi di 10 ms (Dp≈100m) .
E’ necessario quindi operare con livelli del rapporto segnale-disturbo adeguati,
condizione ottenibile mediando tra loro le forme d’onda ricevute da moltissimi
impulsi successivi.
Il ricevitore raccoglie ovviamente anche i segnali ottici dovuti a punti di
riflessione lungo la fibra, che compaiono come picchi sulla traccia: dall’analisi
della traccia è quindi possibile valutare entità e posizione delle riflessioni.
Per questo motivo gli strumenti per misure di retrodiffusione sono spesso
denominati, in maniera riduttiva, OTDR (Optical Time Domain Refletometer).
Misura dell’attenuazione:
metodo della
retrodiffusione
(backscattering) 8
Nella Tabella sono
mostrati valori tipici
delle potenze di
segnale e rumore in
una misura basata sul
metodo della
retrodiffusione, nel
caso di una fibra
monomodale di tipo
SM.
Sistema per misure di retrodiffusione 1
In figura è mostrato lo schema a blocchi di uno strumento per misure di
retrodiffussione, operante nel dominio del tempo e a rivelazione diretta.
Sistema per misure di retrodiffusione 2
Il GENERATORE DI IMPULSI OTTICI è basato su un diodo laser e genera
tipicamente impulsi di durata variabile da qualche ns a qualche ms.
Le potenze di picco degli impulsi sono dell’ordine di diverse decine di mW.
Negli strumenti più avanzati il diodo laser viene stabilizzato termicamente in
modo tale da mantenere costante la lunghezza d’onda emessa.
Un diodo laser è infatti caratterizzato da una “deriva” della l di emissione di
circa 0.4 nm/°C pertanto, senza stabilizzazione termica, un tipico intervallo di
funzionamento, 5-40 °C, determinerebbe una variazione della l emessa di circa
14 nm, con una conseguente possibile variazione dell’attenuazione misurata
sulla fibra di circa il 4%.
La tolleranza sulla l indicata nelle specifiche degli strumenti è tipicamente pari
a ±20 nm rispetto al valore nominale.
Negli strumenti previsti per misure in II e III finestra ottica, il generatore di
impulsi è doppio ed è seguito da un diramatore in fibra con struttura a Y.
Ciascuno dei due rami della Y è ottimizzato per la relativa l (accoppiatore
WDM, Wavelength Division Multiplexing).
Sistema per misure di retrodiffusione 3
L’ACCOPPIATORE ha lo scopo di trasferire il segnale ottico dal laser alla fibra
in misura ed il segnale ottico retrodiffuso dalla fibra al ricevitore. In strumenti
di misura commerciali è diffuso l’impiego di accoppiatori in fibre fuse, con
un’attenuazione di 3 dB in ognuno dei due versi di propagazione.
Il RICEVITORE è basato su un fotodiodo PIN o APD a InGaAs, seguito da un
amplificatore di front-end. E’ caratterizzato dai seguenti parametri
- guadagno: richiede una regolazione in funzione della durata dell’impulso
allo scopo di fornire al convertitore A/D un segnale di livello adeguato;
-rumore: oltre alle sorgenti di rumore usuali (rumore termico, shot-noise), è
necessario tener conto di eventuali effetti di interferenza dovuti alle non
idealità dei componenti e circuiti che costituiscono lo strumento;
- livelli di saturazione;
- risposta in frequenza: la frequenza di taglio superiore ha un effetto diretto
sulla risoluzione dello strumento ed inoltre deve estendersi sino a frequenze
molto basse (decina di Hz) allo scopo di evitare effetti di distorsione nella
curva di attenuazione presentata sullo schermo.
In genere vengono adottati amplificatori con accoppiamento in continua con
opportuni accorgimenti per la stabilizzazione delle derive termiche ed il
controllo delle derive di funzionamento dovute all’invecchiamento del
sistema.
Sistema per misure di retrodiffusione 4
Il CONVERTITORE ANALOGICO-DIGITALE (A/D) ha la funzione di convertire il
segnale analogico rivelato dal ricevitore in segnale numerico.
E’ caratterizzato dai seguenti parametri:
-velocità di funzionamento: è tale da consentire l’acquisizione di un numero
elevato di campioni per ogni forma d’onda; nel caso di A/D Flash Converter si
hanno frequenze di funzionamento nell’intervallo 10-100 MHz che consentono
acquisizioni con passo compreso tra 10 e 1 m;
- numero di bit: di norma sono sufficienti 8 bit (256 livelli); la possibilità di
gestire un segnale di elevata dinamica con soli 8 bit è dovuta al fatto che il
segnale finale è il risultato della media di molte acquisizioni successive,
condizione che permette di operare con valori adeguati del rapporto segnalerumore.
La necessità di effettuare l’operazione di media è facilitata da unità di
elaborazione dedicate, in cui sono di solito inserite funzioni di
temporizzazione: il SOMMATORE e la BASE DEI TEMPI.
Il SOMMATORE funziona tipicamente a 16 bit ed è in grado di accumulare
periodicamente qualche centinaio di forme d’onda.
La capacità di memoria del sommatore determina il numero di punti
acquisibile: si hanno tipicamente capacità di 20-40 mila punti.
Il risultato finale viene trasferito periodicamente al PROCESSORE
Sistema per misure di retrodiffusione 5
Il PROCESSORE svolge le seguenti funzioni:
- media ulteriormente le forme d’onda che vengono trasferite dal sommatore;
la precisione richiesta è tale che le operazioni di media vengano eseguite con
un numero di bit superiore a 16, ad esempio, con 32 bit;
- effettua eventuali filtraggi numerici sulla forma d’onda acquisita (ad
esempio, media tra campioni vicini) così da ridurre ulteriormente il rumore;
- effettua il calcolo del logaritmo della differenza tra il livello di ciascun
campione della forma d’onda ed il livello di riferimento;
- controlla la presentazione sullo schermo della traccia;
- calcola l’attenuazione di fibre e giunti, eventualmente localizzandoli in
maniera automatica;
- gestisce l’interfacciamento tra lo strumento e l’esterno.
Il processore si interfaccia verso lo schermo per la visualizzazione e verso
unità periferiche (stampanti, memorie di massa, plotter, ecc..).