光纤通信测量光接口的传输指标和测试3课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第3章 光接口的传输指标和测试,S,点,是紧靠着发送机（,TX,）,的活动连接器（,C,TX,）,后的参考点，,R,点是,紧靠着接收机(,RX,),的活动连接器(,C,RX,),前的参考点,光接口,主要指,S,点和,R,点的物理接口，它们分别是发送机与光纤(光缆)线路，以及接收机与光纤(光缆)线路之间的互连点,发送,接收,C,TX,C,RX,S,R,光缆设施,光接口示意图,3.1 发送机,平均发送光功率的定义,消光比,光谱特性,眼图模板,平均发送光功率的定义,光端机的平均发送光功率是指给光端机电接口输入,2,23,-1,或,2,15,-1,的伪随机码时，光端机输出端,S,点测量的平均光功率。,单位：绝对功率电平“,dBm,”,当采用,LD,光源时，一般为,-9,dBm,、,-6dBm,、,-3dBm,；,当采用,LED,光源时，一般不小于,-30,dBm,标称比特率,(,kbit/s),光源,平均发送光功率,(,dBm),多模系统,单模系统,850,nm,1310,nm,1310,nm,2048,LED,-,18,-,25,-,30,8448,LD,LED,-,12,-,18,-,9,-,25,-,9,-,30,34368,LD,LED,-,12,-,20,-,9,-,25,-,9,-,30,139264,LD,LED,-,-,-,9,-,-,9,-,30,测试方法,速率为,2.048,Mbit/s,和,8.448,Mbit/s,的端机，要求送,2,15,-1,序列的伪随机码，对于,34.368,Mbit/s,和,139.264,Mbit/s,的光端机，要求送,2,23,-1,序列的伪随机码。,其码型应符合电接口的码型要求，即：,2.048,Mbit/s,、,8.448Mbit/s,和,34.368,Mbit/s,三种电接口的码型应为,HDB,3,码，,139.264,Mbit/s,接口的码型应为,CMI,码。,连接器,T,C S,误码仪,光端机,光功率计,平均发送光功率的测试图,测试步骤,1,按图连接电路。,2,误码仪（或传输特性测试仪）发送规定比特率、码型和长度的伪随机测试信号。,3,用标准测试光纤软线（其长度不短于,2,米）将待测光端机发送端输出活动连接器与光功率计输入活动连接器相连，此时从光功率计直接读出以,dBm,为单位的数值,L,T,，,而有的光功率计只能读得,m,w,(,P,T,),数，则可按下式换算成,dBm,，,即：,L,T,=10lg(10,-3,P,T,),说明：,平均发送光功率与光端机输出光脉冲波形有关，目前有,NRZ,码和,50%,占空比的,RZ,码两种波形，前者比后者的平均发送光功率大,3,dB,。,国标,GB/T13997-92,（,光端机的技术要求）中规定：单模光纤系统用,NRZ,码测量，多模光纤系统用,RZ,码测量,平均发送光功率与光源的注入电流大小有关，测试应在正常注入电流条件下进行。,消光比的定义,光端机的电接口输入为全“,1,”码和全“,0,”码时的平均发送光功率之比，用,EXT,表示,P,1,=2,P,T,无输入信号时，光端机输出平均发送光功率,P,0,，,对接收机来说是一种噪声，会降低接收机灵敏度，,因此希望消光比越大越好,。但是，对激光器,LD,来讲，要使消光比大就要减小偏置电流，从而使光源输出功率降低，谱线宽度增加等。特别是采用,DFB,激光器时，偏置电流大些可减少啁啾声线宽，而要求消光比大会使偏置电流减小从而使啁啾声功率代价增加，抖动也增加，所以要全面考虑消光比与其它指标之间的矛盾。,消光比的测试,消光比的测试原理图与平均发送光功率的测试原理图一样,1,误码,仪(传输特性测试仪)发送,规定传输比特率、码型和长度的伪随机测试信号，用光功率计测出平均发送光功率,P,T,。,2,将光端机中线路编码盘拨出，测出此时全“,0,”码输入的平均发送光功率,P,0,。,3,按,定义,计算可得到消光比值。,光谱特性的定义,对于,140,Mbit/s,速率及更低的速率情况下，通常为损耗受限系统,对于,565,Mbit/s,速率以上的系统为色散受限系统 ，光源的光谱特性将成为制约系统性能的至关重要的参数,最大均方根宽度（,）,多纵模激光器和发光二极管,度量其光脉冲能量的集中程度,P,(,l,),是实测的光源光谱特性，,l,1,和,l,2,是相对峰值功率跌落规定分贝数的波长，,l,0,是峰值波长,的大小与积分区域的选择密切相关。若积分区域大，即,l,1,和,l,2,处功率电平相对峰值功率电平跌落的分贝数大，则求得的,就大,ITU-T,建议,G.957,规定跌落分贝数至少应为20,dB，,其值大小则随比特率而异。,dB,dB,0,1,-,x,-,x,0,0,l,1,l,1,l,2,l,2,l,l,MLM,的典型光谱特性,LED,的典型光谱特性,最大,-20,dB,宽度,单纵模激光器,光谱宽度是按相对主模中正波长的最大峰值功率跌落,-20,dB,时的最大全宽来定义的,高斯形主模光谱特性,-20,dB,全宽=6.07,2.58,倍的-,3,dB,全宽,t,3,SLM,的典型光谱特性,dB,0,-20,0,l,1,l,2,l,最小边模抑制比(,SMSR,),定义为最坏反射条件时，全调制条件下主纵模(,M,1,),平均光功率与最强的边模(,M,2,),的光功率之比的最小值,ITU-T,建议,G.957,规定,SLM,的最小边模抑制比为,30,dB,光谱特性的测试,1,用光谱分析仪测出光谱，从中找出最高功率电平并记录下峰值波长，在分别记录下比峰值功率电平跌落规定分贝数的短波长,l,1,和长波长,l,2,。,2,根据定义即可求得符合要求的光谱特性参数：,、,SMSR,和,-20,dB,宽度。,T,误码仪,光端机,光谱分,析仪仪,光谱特性的测试图,紧密测试光纤,眼图模板,SDH,系统,在高比特率光通信系统中，发送光脉冲的形状不易控制，常常可能有上升沿、下降沿、过冲、下冲和振铃现象。这些都可能导致接收灵敏度的劣化，需要严加限制。,捕捉到一些观察单个孤立脉冲所不易发现的现象,逻辑“1”,平均电平,逻辑“0”,平均电平,时间,幅度,光发送信号的眼图模板,眼图模板的测试,STM-1,STM-4,x,1,/x,4,0.15,/0.85,0.25/0.75,x,2,/x,3,0.35,/0.65,0.40/0.60,y,1,/y,2,0.20,/0.80,0.20/0.80,STM-16,x,3,-x,2,0.2,y,1,/y,2,0.25/0.75,光发送机,光测试参,考接收机,示波器,发送机眼图模板的测试图,OI,EO,光纤,H(P),光通道,衰减,PDH,光纤通信系统,-,最大衰减,SDH,光纤通信系统,-,衰减范围,PDH,-,最大衰减,最大允许衰减,P,SR,指,S-R,之间所允许的光缆链路的总衰减，其中可直接用于光纤的部分为,P,SR,P,SR,=-,P,T,-,P,R,-2,A,c,-,M,e,=,P,SR,-2,A,c,光缆链路的总衰减包括各段光缆的衰减、光缆间光纤接头的损耗、活动连接器的损耗、其它无源器件(例如波分复用器件)的插入损耗、设计时预留的光缆富余度以及光通道代价,光缆的衰减由光缆内所含光纤以及成缆所引起的附加损耗所构成,标称速率,(,kbit/s),波长,(,nm),光源,S-R,点间光通道要求,(,BER,=1,10,-10,),最大衰减,(,dB),最小,3,dB,光带宽,(,MHz),2048,850,LD,LED,51,*,10,10,1310,LD,LED,46,30,10,10,8448,850,LD,LED,47,*,20,*,1310,LD,LED,*,*,*,*,34368,850,LD,LED,41,*,50,*,1310,LD,LED,35,22,50,50,139264,850,LD,LED,35,*,100,*,1310,LD,LED,27,18,100,100,标称速率,(,kbit/s),波长,(,nm),光源,S-R,点间光通道要求,(,BER,=1,10,-10,),最大衰减,(,dB),最大色散,(,ps/nm),2048,1310,LD,46,1550,*,*,8448,1310,LD,40,不要求,1550,*,*,34368,1310,LD,35,不要求,(,MLM),1550,*,*,139264,1310,LD,28,215(,MLM),1550,28,*,4,139264,1310,LD,24,92(,MLM),1550,24,*,再生段距离,L,1,SDH,-,衰减范围,下限值：主要是由发送功率变化和接收机动态范围所允许的过载点功率来决定的。,上限值：主要由最小发送功率和最小接收灵敏度所决定的,衰减的测试,光通道,S-R,点间的最大衰减测试是实际再生段光缆线路全程测试的主要内容,PSR,=10log10,P,1,(,l,)/,P,2,(,l,),按照,ITU-T,建议,G.650,的最新规定，衰减测试的基准方法是剪断法，第一替代法是后向散射法，第二替代法是插入损耗法,衰减范围,通过测量发送机功率变化和接收机动态范围所允许的过载点功率确定下限以及最小发送功率和最小接收灵敏度确定上限。,具体步骤详见：平均发送光功率的测试、动态范围的测试和接收灵敏度的测试。,最大色散,在,单模,光纤系统中，与光纤色散有关的系统性能损伤主要是由,码间干扰、模分配噪声,和,啁啾噪声,所引起的，前两者与,多纵,模激光器有关，啁啾声主要与,单纵模,激光器有关。,码间干扰产生的等效功率代价,P,ISI,s,是脉冲均方根展宽值，,T,是信号时隙宽度，,e,是一表征相对脉冲展宽程度的参数，,e,越大，色散越严重,模分配噪声所产生的等效功率代价,P,MNP,为：,Q,为高斯分布函数的积分限值，当误码率为,1,10,-11,时，,Q,为,6.365,。,K,是表示多纵模激光器模分配噪声性能的参数，,K,值大小与激光器的结构和传输速率有关。法布里,-,珀罗腔,(,FP),激光器的,K,值范围为,0.40.7,，分布反馈（,DFB,）,激光器的边模抑制比很高，因而由模分配噪声所产生的功率代价很小，常可忽略。,啁啾声,(,Chirp),单纵模激光器中一类特殊的损伤,在直接调制时，注入信号电流的变化（特别是前后沿）会引起载流子密度的变化，进而使有源区的折射率指数发生变化，从而导致振荡波长随时间偏移，发生啁啾现象。,一般将,1,dB,功率代价所对应的光通道色散值（,D,L,）,定义为光通道的最大色散值，对应的,e,值分别为,0.306,（码间干扰）和,0.115,（码间干扰加模分配噪声）,色散受限系统的再生段距离,L,d,为：,S-R,点的总色散,单模光纤的色散测试，基准方法是相移法，第一替代法干涉法，时域脉冲延时法是第二替代法,系统富余度,PDH,：设备富余度,M,e,和光缆富余度,M,c,M,e,是考虑了时间和环境对设备性能(发送功率、接收机灵敏度和设备连接器性能的劣化等)的影响后所需要预留的光功率余量,光发送部分,(,11.5,),dB ，,光接收机随温度和时间的变化所导致的劣化大约为,2,dB ，,光连接器在其寿命和额定插拔次数内的磨损达,0.2,dB,左右,，,M,e,大约至少需要(,34,),dB,光缆富余度,M,c(dB/km),(1),将来光缆线路配置的小调整和修改，诸如由于维修增加的接头，光缆长度的增加。,(2),由于环境因素造成的光缆性能变化，例如低温所引起的光缆衰减的增加。直埋方式问题不大，寒冷地区的架空光缆影响较大。,(3),S-R,点间光缆线路所包含的活动连接器和其他无源光器件的性能劣化。,国家标准,GB11820,规定市内单模光缆通信系统,M,c,取,0.4,dB/km,，,但最小取,3,dB,，,最大取,10,dB,。,国家标准,GB13167,规定长途单模光缆通信系统,M,c,取（0.10.2）,dB/km，,一般不超过5,dB。,长途通信系统,M,c,取（0.050.15）,dB/km,比较适宜，最大不超过5,dB，,最小不低于3,dB。,市话局间中继通信系统的,M,c,直接取（35）,dB。,系统富余度的测试,传输特性,测试仪,TX,RX,REG,REG,RX,TX,光功率计,光纤,本局,对局,环,网,G.703,系统富余度测试图,1,按照图进行配置连接，系统应正常工作。,2,用光功率计在每个光端机的接收端测出正常工作时的接收光功率数值,R,(,m,w,),或,P,R,(dBm),。,3,接入光衰减器，进行接收灵敏度测试，详见灵敏度的测试。设测得结果为,R,(,m,w,),或,P,R,(dBm),。,4,按照系统富余度,M,的定义可以直接得到：,M,=10log,R,/,R,或,M,=,P,R,-,P,R,。,反射,反射是由光通道折射率不连续引起的,影响（1）,在发送机输出口由系统元器件反射回来的光功率会使激光器的输出功率发生波动，降低了输出信噪比，反馈回来的光波还会使激光器的工作波长发生偏移。,（2）当光通道中有两个以上反射点时会产生多次反射，多次反射间会发生干涉，进入发送机后干涉信号间相对延时会造成激光器的相位噪声，并在接收机处化为强度噪声，使接收灵敏度变坏。,光连续波反射计,(,OCWR),光连续波反射计是利用连续波或调制稳定光源和一个高灵敏度的时间平均光功率计进行测量，适用测量,S,点光缆设施回波损耗,，也可测量,R,点的接收机反射系数,光源,光功率计,耦合器,P,S,P,R,S,或,R,点,P,13,OCWR,法测试图,1,2,3,(1),先进行测试校准。,(,a),将光源和光功率计直接相连测得光源的光功率,P,s,。,(b),将光源接到输出端口,3,，使用光功率计在输入端口,2,测得光功率,P,32,。,(c),将光源接到输入端口,1,，使用光功率计在输出端口,3,测得光功率,P,13,。,(d),将一根无反射的跳线连接到输出端口,3,，在输入端口,2,测得光功率,P,0,。,(2),测试,S,点回波损耗时，将,S,点的活动连接器接到端口,3,，测试接收反射系数时，将,R,点的活动连接器接到端口,3,。然后测出端口,2,的光功率,P,r,。,(3),按照,S,点的回波损耗定义，即入射功率与反射光功率之比为回波损耗,RL,，,于是,按照,R,点反射系数定义，即反射光功率与入射光功率之比为反射系数,R,，,于是：,R,=-RL,。,光时域反射法,(,OTDR),光时域反射法利用低占空比的脉冲调制光源和一个灵敏度的时间分辨光接收机进行测量,适于测量点,S,点和,R,点间的离散反射系数，或用来测量,R,的接收计反射系数。,OTDR,光可变,衰减器,入射光纤,S,或,R,点,OTDR,法测试图,(1),先将一已知反射系数为,R,0,的跳线接到入射光纤的出端，于是,OTDR,会出现后向散射轨迹。调节可变衰减器使反射峰值恰好低于仪表本身的饱和电平。设反射脉冲的峰值高度为,H,0,，,则校准系数,F,为：,(2),将,OTDR,接到参考点,S,或,R,，,设此时的最大反射脉冲峰值为,H,，,则最大离散反射系数,R,为：,接收机,接收机灵敏度,动态范围,接收机反射系数,接收机灵敏度,接收机灵敏度是指满足给定误码率（,BER,）,的条件下，光端机接口,R,点能够接受的最小平均光功率电平值，单位是,dBm,。,表示了光端机接收微弱光信号的能力，代表设备的质量水准,当误码率不劣于,1,10,-11,时，在光端机或光中继器输入端连接器,C,之前,R,点测量的最小平均接收光功率（即接收灵敏度）值,标称比特率,kbit/s,接收灵敏度,(,dBm)(,BER,1,10,-11,),850,nm,1310,nm,SI-APD,PIN,PIN-FET,APD,2048,-60-58,-51-49,-54-52,-,8448,-58-56,-48-46,-50-46,-,34368,-52-50,-44-40,-44-40,-,139264,-,-,-38-36,-43-40,对于1.31,m,m,光纤数字通信系统，都使用以,FET,构成最前端的互阻抗前置放大器和,PIN,光检测器混合集成的,PIN-FET,组件，光端机的接收灵敏度主要由组件的特性参数所决定,(,dBm),P,R,是接收接灵敏度；,Q,表征组件信噪比的参数，其值与误码率有关；,Z,是组件的噪声输出功率；,P,是,PIN,的响应度；,T,是光脉冲重复周期，等于传输码速,f,b,的倒数,噪声功率,Z,的影响,2,Q,参数的影响,-,超扰比,Q,与误码率,BER,的关系,在测量接收灵敏度时，首先应明确所要求的误码率指标,响应度,P,的影响,-,表示单位入射光功率所产生的电流,，,响应度越大、接收灵敏度越高,脉冲重复周期,T,的影响,-,T,越小，,P,R,负的越多，即接收灵敏度越高,输入光脉冲占空比的影响-输入脉冲越窄，即占空比越小，放大器的带宽越窄，则对噪声的限制作用就好，接收灵敏度也就提高,接收机灵敏度的测试,误码仪,光端机,S,R,发送,计数,误码,检测,发送,接收,可变光,衰减器,光功率计,接收灵敏度测试图,测试方法：,1,误码仪发送部分（传输特性测试仪的发送机）送出规定比特率、码型和长度的伪随机码测试信号。,2,增大可变衰减器的衰减值，使系统处于误码状态，此时的误码率低于给定的误码率，在逐渐减小衰减器的衰减值，直至误码仪的误码率提高为,1,10,-11,为止，并等待一适当长的时间，至少不短于,表,3.12,中的数值。,3,维持光衰减器不变，从,R,点断开光端机的连接器，用标准测试光纤软线将光衰减器的输出连至光功率的输入，则光功率计的读取值为光端机接收的最小光功率或最小光功率电平值，即为接收灵敏度。,BER,速率,10,-8,10,-9,10,-10,10,-11,2,Mbit/s,50秒,8.3分,83分,8,Mbit/s,12秒,2分,21分,34,Mbit/s,3秒,29秒,5分,49分,140,Mbit/s,0.7秒,7秒,71秒,12分,565,Mbit/s,0.2秒,2秒,18秒,2.9分,1,为了便于调整接收光功率，测试中用可变光衰减器代替了长光纤，这就忽略了光纤色散对接收机灵敏度的影响。在实际使用中，应根据光纤长度和质量估算色散对接收机灵敏度的影响。,2当光端机的接收机灵敏度较高时，应使用带有,斩光器,的光功率计测量。,3在测试时，一定要注意测试时间的长短。,动态范围,在满足给定误码率的条件下，光端机输入连接器,R,能接收的最大光功率电平值与最小光功率电平值（即接收灵敏度）之差,动态范围是表示了光端机对输入信号变化的适应能力。,主要是通过光端机中的自动增益控制,(,AGC),电路控制主放大器的放大倍数变化来实现的,动态范围的测试,在接收灵敏度测试步骤,3,后,将光衰减器接回到光端机,R,点，减小光衰减器的衰减量，将使误码率优于,1,10,-11,，如果继续再减小光衰减器的衰减，最终会使误码率值再恢复到,1,10,-11,，此时，断开光端机,R,点的活动连接器，用标准测试光纤软线将光衰减器输出连至光功率计输入，所测数值即为光端机的最大接收光功率,P,R,(,或光功率电平值,L,R,),。,D,=,L,R,-,L,R,(dB),接收机反射系数,接收机反射系数定义为,R,点处的反射光功率与入射光功率之比,为减轻多次反射的影响,接收机反射系数的测试,测试方法可采用,OCWR,法和,OTDR,法,