การเชื่อมต่อข้อมูลความเร็วสูงบนเครือข่ายโทรคมนาคมและในดาต้าเซ็นเตอร์นั้น พึ่งพาสายใยแก้วนำแสงในการส่งต่อข้อมูลทั้งสิ้น ซึ่งเวลาที่ถึง “ฟิสิคอลเลเยอร์” ของโมเดลลำดับชั้นโปรโตคอล ก็มักจะนึกถึงสัญญาณเลขบิตแบบดิบๆ ไม่มีการจัดรูปแบบใดๆ วิ่งผ่านสายในรูปคลื่นลำแสง ไม่ว่าจะเข้ารหัสสัญญาณแบบ Non-Return to Zero (NRZ) หรือ 4-level Pulse-Amplitude Modulation (PAM4) ซึ่งการตรวจวัดหลักๆ สำหรับบิตสัญญาณพวกนี้คือการหาค่า Bit-Error-Rate (BER) ร่วมกับการตรวจสัญญาณแบบ Eye Diagram พอผ่านลำดับชั้นพื้นฐานเหล่านี้ขึ้นมา เราถึงเริ่มจัดเรียงบิตเข้าเป็นแพ็กเก็ตข้อมูลและโปรโตคอลที่ในลำดับถัดๆ ไป
แต่กับบางคนแล้ว “ลำดับชั้นฟิสิคอล” หรือ Physical Layer ดังกล่าวไม่ได้รวมถึงเรื่องบิตหรือมอดดูเลตสัญญาณแต่อย่างใด “เรามอง BER เป็นเลเยอร์ที่ 2 มากกว่า” Seymour Goldstein หนึ่งในทีมงานจาก Fluke Networks ได้ให้สัมภาษณ์ไว้ในงาน 5G Technology World โดยในมุมมองของเขาแล้ว ลำดับชั้นฟิสิคอลเป็นแค่การส่งต่อแสงที่ยังไม่เข้ารหัสสัญญาณผ่านสายไฟเบอร์และหัวต่อต่างๆ เท่านั้น และแม้สายไฟเบอร์จะสามารถส่งต่อลำแสงในระยะทางไกลๆ ได้ แต่ก็ยังมีการลดทอนกำลังสัญญาณตามทางอยู่ ซึ่งการลดทอนความแรงหรือ Attenuation บางอย่างเกิดจากตัวสายเอง บางอย่างก็เกิดจากหัวต่อที่ปลายสายแต่ละด้าน ทำให้ค่าสัดส่วนความแรงสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (Signal-to-Noise) ของข้อมูลที่ส่งต่อกันลดลงตามไปด้วย ยิ่งค่าสัดส่วนต่อสัญญาณรบกวนต่ำลงเท่าไร ค่าความผิดพลาดอย่าง BER ของข้อมูลก็มีโอกาสเพิ่มมากขึ้นเท่านั้น
การทดสอบสายเคเบิลจึงหมายถึงการรู้ปริมาณของแสงที่ไหลเข้าสายไฟเบอร์ และการตรวจวัดปริมาณแสงที่ออกมาจากปลายอีกด้านหนึ่ง และนอกจากการทดสอบกำลังสัญญาณและค่าลดทอนระหว่างทางแล้ว ลิงค์สายไฟเบอร์ยังอาจโค้งงอ แตกหัก หรือได้รับความเสียหายจากเหตุต่างๆ ได้ เครื่องมืออย่าง Optical Time-Domain Reflectometer (OTDR) จึงถูกนำมาใช้วัดตำแหน่งระยะที่ไปถึงจุดเกิดปัญหาได้โดยส่งคลื่นแสงเข้าไปในสายไฟเบอร์
เนื่องจากการตรวจวัดกำลังสัญญาณและตำแหน่งที่เกิดปัญหานั้นเป็นการตรวจแบบอนาล็อก เครื่องมือที่ใช้วัดจึงต้องมีการสอบเทียบ Jeff Gust หัวหน้าฝ่ายสอบเทียบของ Fluke Calibration จึงออกมาแบ่งปันรายละเอียดเกี่ยวกับความไม่แน่นอนของการสอบเทียบและตรวจวัดที่น่าสนใจไว้ด้วย
ปัญหาที่พบบ่อยที่สุดของสายไฟเบอร์
การติดตั้งและใช้งานลิงค์ไฟเบอร์ในชีวิตประจำวันนั้นอาจเป็นการเพิ่มการลดทอนสัญญาณไปเรื่อยๆ “เราเห็นได้ว่าการทำความสะอาดหน้าตัดสายนั้น เป็นปัญหาที่เกิดขึ้นเป็นประจำ” Goldstein กล่าว “การตรวจสอบที่จุดเชื่อมต่อทำให้เห็นถึงการปนเปื้อนที่นำไปสู่ค่าการสูญเสียสัญญาณภายในสายและการสูญเสียขากลับได้” Gust กล่าวเสริม พร้อมอธิบายว่า หัวต่อที่สกปรกนั้นเป็นต้นเหตุอันดับหนึ่งที่ทำให้เกิดความล้มเหลวบนเครือข่ายสายไฟเบอร์ “ซึ่งกว่า 80% ของเครือข่ายทั้งหลายต่างมีปัญหาที่หัวต่อทั้งสิ้น”
นอกจากปัญหาการเชื่อมต่อแล้ว ลิงค์สื่อสารบนสายไฟเบอร์ก็อาจโดนบิดโค้งงอมากเกินไปจนมีปัญหาได้ สายไฟเบอร์นั้นใช้หลักการทำงานตามการสะท้อนแสงภายในสาย ตราบเท่าที่การบิดโค้งของสายไฟเบอร์นั้นน้อยกว่ามุมวิกฤติตามที่ระบุไว้ในสเปกของคอร์และวัสดุสายเคเบิลแต่ละชนิด สัญญาณแสงก็จะยังวิ่งอยู่บนแกนคอร์กลางภายในสายได้ปกติ แต่ถ้าบิดโค้งเกินสเปกแล้ว ย่อมมีสัญญาณบางส่วนหลุดยิงออกมายังชั้นฉนวนภายนอกได้ นั่นคือ “การโค้งงอมากเกินไปทำให้เกิดการลดทอนสัญญาณได้” Gust กล่าว โดยผู้ผลิตสายไฟเบอร์จะกำหนดรัศมีการโค้งงอต่ำสุดเอาไว้ รวมทั้งปัจจุบันมีการพัฒนาสายไฟเบอร์ที่ทนต่อการบิดโค้ง ที่ช่วยลดการสูญเสียจากการโค้งงอมากเกินไปได้ (ตามรูปที่ 1)
“สายไฟเบอร์โดยทั่วไปนั้นทนต่อการดึง แต่ไม่ทนต่อการบิดโค้ง ปัญหาจึงมักจะเกิดในดาต้าเซ็นเตอร์ที่มีการติดตั้งสายไฟเบอร์โค้งพันในตู้ Rack มากเกินไป” Goldstein กล่าว
Gust กล่าวเสริมว่า เครื่อง OTDR (ตามรูปที่ 2) สามารถบอกคุณได้ว่ามีการบิดโค้ง จุดที่บิดมากเกินไป หรือจุดแตกหักบนสาย โดยเครื่อง OTDR สามารถตรวจวัดปัญหาต่างๆ บนสายไฟเบอร์ในระยะสูงสุดได้ถึง 120 กิโลเมตร
Goldstein อธิบายว่า “เครื่อง OTDR จะส่งแสงที่มีพลังงานสูงไปตามสายไฟเบอร์ ซึ่งความยาวของคลื่นสัญญาณขึ้นกับระยะทางที่ตรวจวัด สำหรับระยะทางไกลแล้ว คลื่นสัญญาณมักอยู่ในช่วง 10 ถึง 20 µs โดยคลื่นจะถูกส่งต่อไปตามสาย แล้วสะท้อนข้อมูลที่ต้องการกลับมายังแหล่งจ่ายสัญญาณ (เช่น ตัวจับสัญญาณบน OTDR) เราจึงสามารถตรวจหาจุดหักโค้ง การสูญเสีย ค่าการสะท้อนกลับ (เช่น ค่าการสูญเสียขากลับ ค่า Fresnel Reflection) ได้จากการตรวจวัดแค่ฝั่งเดียว
การตรวจวัดแสงนั้นต้องมีการสอบเทียบด้วย
การตรวจวัดกำลังแสงและค่าการลดทอนสัญญาณนั้น แหล่งกำเนิดแสง (เช่น แสงเลเซอร์ที่ใช้ทดสอบสายไฟเบอร์แบบซิงเกิลโหมด) จะส่งคลื่นต่อเนื่อง (Continuous Wave; CW) เข้าไปในสายไฟเบอร์ “โดยไม่มีการเข้ารหัสสัญญาณในตอนนี้” Goldstein กล่าว “อาจจะเป็นคลื่น 1 kHz ไปถึง 2 kHz บนระยะทางสั้น ที่จะช่วยระบุตัวสายในมัดสายไฟเบอร์ได้” ขณะที่เครื่องวัดกำลังแสงที่ปลายอีกด้านหนึ่งคอยตรวจวัดกำลังของสัญญาณ
นี่จึงเป็นเหตุผลที่ต้องมีการสอบเทียบ เนื่องจากแหล่งกำเนิดแสงต้องสร้างแสงที่มีกำลังตามที่ต้องการได้จริง และเครื่องตรวจกำลังสัญญาณก็ต้องวัดกำลังแสงภายใต้ค่าขอบเขตความไม่แน่นอน (Tolerance) ที่ระบุไว้ ซึ่งมักแตกต่างกันขึ้นกับพารามิเตอร์อื่นๆ เช่น ความยาวคลื่น
Gust อธิบายว่า ตัวเซ็นเซอร์กำลังคลื่น RF มีค่าสัมประสิทธิ์การสอบเทียบสำหรับแต่ละความถี่ ตัวอย่างเช่น ที่ความถี่ 19 GHz ตัวเซ็นเซอร์อาจมีค่าตัวแปรสอบเทียบที่ 99.7 และที่ 26 GHz ตัวแปรนี้อาจอยู่ที่ 96.5 ซึ่งเครื่องตรวจวัดกำลังสัญญาณบนสายไฟเบอร์ทำงานด้วยหลักการคล้ายกัน ที่มีค่าตัวแปรสอบเทียบอิงตามความยาวคลื่นหรือระดับการลดทอนสัญญาณ
ผู้ผลิตเครื่องตรวจวัดจะกำหนดความแม่นยำในช่วงของ Tolerance ที่เป็นไปได้ ซึ่งนักสอบเทียบ (Metrologist) มักเรียกค่านี้ว่า “ค่าความแน่นอนของเครื่องตรวจ” ทำให้ผลการตรวจวัดจะตกอยู่ในช่วง Tolerance ดังกล่าว นอกจากนี้นักสอบเทียบยังเพิ่มค่าระดับความเชื่อมั่นของ Tolerance ด้วย ดังนั้นค่าผลตรวจวัดจริงจึงแสดงอยู่ในรูปชุดของค่าต่างๆ เช่น -20 dBm ±0.5 dBm ที่ระดับความเชื่อมั่น 99% ที่แสดงว่ามีโอกาสอยู่ 1% ที่ค่าจริงจะหลุดออกจากช่วง Tolerance นี้
Gust ยกตัวอย่างให้เห็นเพิ่มเติม อย่างแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่ผู้ผลิตอาจกำหนดสเปกอยู่ที่ 850 nm ให้กำลังที่ -20 dBm ±1 dB ด้วยระดับความเชื่อมั่น 3σ (99.7%) “เราอาจเชื่อมั่นสเปกดังกล่าวได้ แต่ก็อาจจะต้องเพิ่มค่า Tolerance ±0.2 dB เวลาที่ใช้เครื่องนี้สอบเทียบเครื่องมืออื่นๆ ที่สำคัญด้วย”
“ในการสอบเทียบนั้น ประวัติการใช้งานคือกุญแจสำคัญ” Gust กล่าวย้ำ “เราสามารถใช้บันทึกดังกล่าวในการทำนายว่าเครื่องมือตรวจวัดจะเบี่ยงเบนขนาดไหนในช่วงเวลาที่ผ่านไป เรามีมาตรฐานการตรวจวัดที่ John Fluke Sr. ซื้อมาใช้ตั้งแต่ปี 1962 และเราก็บันทึกประวัติการตรวจวัดมาต่อเนื่องตลอด 60 ปี”
“ประวัติการใช้เหล่านี้มีความหมายมาก” เนื่องจากการสอบเทียบตรวจวัดนั้นเป็นเรื่องเกี่ยวกับการรวบรวมข้อมูลให้มากพอให้มั่นใจในผลการตรวจวัดได้ สำหรับเราแล้ว เพื่อให้ได้ค่าความไม่แน่นอนและความเชื่อมั่นที่ดีขึ้น เราต้องทำให้ค่าความไม่แน่นอนต่ำลงกว่าเดิมให้ได้จากแล็ปสอบเทียบ รวมทั้งยังต้องการค่าความเชื่อมั่นสูงที่มาจากมาตรฐานที่ขยับออกมาจากในแล็ปมาตรฐานมาเป็นมาตรฐานการทำงานจริง ที่เราใช้สอบเทียบเครื่องมือตรวจวัดที่หน้างานได้อีกทอดหนึ่ง นี่จึงเป็นเหตุผลที่เราร่วมมือกับทาง NIST เพื่อให้ได้มาตรฐานการสอบเทียบที่ดีที่สุดในโลกที่ตอบโจทย์พวกเราได้ เมื่อเริ่มต้นด้วยการตรวจวัดที่ประสิทธิภาพดีกว่า เราก็สามารถส่งผ่านการตรวจวัดดังกล่าวไปยังเครื่องมือที่เราจำหน่ายให้ใช้ตามหน้างานจริงได้ด้วย
ถ้าไม่มีการสอบเทียบแล้ว ไม่ว่าจะเป็นการตรวจเทียบมาตรฐาน การหาค่าความไม่แน่นอน การสอบย้อนกลับได้นั้น การตรวจวัดที่ได้ก็ย่อมสูญเสียความน่าเชื่อถือ การที่เรามีมาตรฐานที่ชัดเจนและพัฒนามาระดับหนึ่งสำหรับสอบเทียบเครื่อง OTDR และเครื่องวัดกำลังแสง ทำให้เหล่าวิศวกรเชื่อมั่นในความเสถียรในบรรดาผู้จำหน่ายต่างๆ ได้ แต่อย่างที่เราเห็นกับเครื่องตรวจภาพสายนั้น ผู้จำหน่ายแต่ละรายยังมีการพึ่งพากล้องที่วิเคราะห์ภาพอัตโนมัติได้แตกต่างกัน ทั้งนี้เนื่องจากการสอบเทียบมาตรฐานยังต้องมีการทำข้อตกลงการใช้เครื่องมือสอบเทียบที่ตรวจติดตามร่วมกันได้
ที่มา : 5Gtechnologyworld
