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光缆测试技术


1.简述
       由于在光缆系统的实施过程中,涉及光缆的敷设、光缆的弯曲半径、光纤的熔接、跳线,更由于设计方法及物理布线结构的不同,导致两网络设备间的光纤路径上光信号的传输衰减有很大不同,为了确保通信畅通,所以需要对光纤进行测试。无论是布线施工人员,还是网络维护人员,都有必要掌握光纤链路测试的技能。
       在光纤的应用中,光纤本身的种类很多,但光纤及其系统的基本测试方法,大体上都是一样的,所使用的设备也基本相同。对光纤或光纤系统,其基本的测试内容有:连续性和衰减/损耗。测量光纤输入功率和输出功率,分析光纤的衰减/损耗,确定光纤连续性和发生光损耗的部位等。
       光纤的衰减是光信号沿光纤传输时,光功率的损失即为光纤的衰减,衰减A以分贝(dB)为单位。
A=101gPl/P2(dB)
        其中Pl和P2分别是注入端和输出端的光功率。
       光纤衰减常数的标准为:在1310mm波长上,衰减平均值应小于等于0.36dB/km,衰减最大值应小于等于0.4dB/km;在1550mm波长上,衰减平均值应小于等于0,22dB/km,衰减最大值应小于等于0.25dB/km;光纤接续时,其双向平均接头损耗不得大于0.08dB。
       测量光纤的各种参数之前,必须做好光纤与测试仪器之间的连接。目前,有各种各样的接头可用,但如果选用的接头不合适,就会造成损耗,或者造成光学反射。例如,在接头处,光纤不能太长,即使长出接头端面l^m,也会因压缩接头而使之损坏。反过来,若光纤太短,则又会产生气隙,影响光纤之间的耦合。因此,应该在进行光纤连接之间,仔细地平整及清洁端面,并使之适配。
       目前,绝大多数的光纤系统都采用标准类型的光纤、发射器和接收器。如纤芯为62.5pm的多模光纤和标准发光二极管LED光源,工作在850nm的光波上。这样就可以大大减少测量中的不确定性。而且,即使是用不同厂家的设备,也可以很容易地将光纤与仪器进行连接,可靠性和重复性也很好。
2.测试仪器精确度
       光纤测试仪由两个装置组成:一个是光源,它接到光纤的一端发送测试信号;另一个是光功率计,它接到光纤的另一端,测量发来的测试信号。测试仪器的动态范围是指仪器能够检测的最大和最小信号之间的差值,通常为60dB。高性能仪器的动态范围可达100dB甚至更高。在这一动态范围内功率测量的精确度通常被称为动态精确度或线性精度。
       功率测量设备有一些共同的缺陷:高功率电平时,光检测器呈现饱和状态,因而增加输入功率并不能改变所显示的功率值;低功率电平时,只有在信号达到最小阈值电平时,光检测器才能检测到信号。
       在高功率和低功率之间,功率计内的放大电路会产生三个问题。常见的问题是偏移误差,它使仪器恒定地读出一个稍高或稍低的功率值。大多数情况下,最值得注意的问题是量程的不连续,当放大器切换增益量程时,它使功率显示值发生跳变。无论是在手动,还是在更经常遇到的自动(自动量程)状态下,典型的切换增量为10dB。一个较少见的误差是斜率误差,它导致仪器在某种输入电平上读数值偏高,而在另一些点上却偏低。
3.测量仪器校准
        为了使测量的结果更准确,首先应该对功率计进行校准。但是,即使是经过了校准的功率计也有大约±5%(0.2dB)的不确定性。这就是说,用两台同样的功率计去测量系统中同一点的功率,也可能会相差10%。
        其次,在确保光纤中的光有效地耦合到功率计中去,最好是在测试中采用发射电缆和接收电缆。但必须使每一种电缆的损耗低于0.5dB.这时,还必须使全部光都照射到检测器的接收面上,又不使检测器过载。光纤表面应充分地平整清洁,使散射和吸收降到最低。
       值得注意的是,如果进行功率测量时所使用的光源与校准时所用的光谱不相同,也会产生测量误差。
4.光纤的连续性
       光纤的连续性是对光纤的基本要求,因此对光纤的连续性进行测试是基本的测量之一。
       进行连续性测量时,通常是把红色激光、发光二极管(LED)或者其他可见光注入光纤,并在光纤的末端监视光的输出。如果在光纤中有断裂或其他的不连续点,在光纤输出端的光功率就会下降或者根本没有光输出。
       通常在购买电缆时,人们用4节电池的电筒从光纤一端照射,从光纤的另一端察看是否有光源,如有,则说明这光纤是连续的,中间没有断裂,如光线弱时,则要用测试仪来测试。
       光通过光纤传输后,功率的衰减大小也能表示出光纤的传导性能。如果光纤的衰减太大,则系统也不能正常工作。光功率计和光源是进行光纤传输特性测量的一般设备。
5.光缆布线系统测试
       光缆布线系统的测试是工程验收的必要步骤,也是工程承包者向房地产业主兑现合同的最后工序,只有通过了系统测试,才能表示布线系统的完成。
       布线系统测试可以从多个方面考虑,设备的连通性是最基本的要求,跳线系统是否有效可以很方便地测试出来,通信线路的指标数据测试相对比较困难,一般都借助专业工具进行,1995年9月通过的TSB-76中对双绞线的测试作了明确的规定,2004年2月颁布的TIA/TSB-140测试标准,旨在说明正确的光纤测试步骤。该标准建议了两级测试,分别为:
        □  Tier1(一级),使用光缆损耗测试设备(OLTS)来测试光缆的损耗和长度,并依靠OLTS或者可视故障定位仪(VFL)验证极性;
        □  Tier2(二级),包括一级的测试参数,还包括对已安装的光缆链路的OTDR追踪。布线系统测试应参照此标准进行。
光缆布线系统测试要重点注意如下3点内容:
(1)光纤测试4种方法
      通常我们在具体的工程中对光缆的测试方法有:连通性测试、端-端损耗测试、收发功率测试和反射损耗测试4种,现简述如下。
       1)连通性测试
      光纤系统的连通性表示光纤系统传输光功率的能力。连通性是对光纤系统的基本要求,因此对光纤系统的连通性测试是基本的测试之一。
      连通性测试是最简单的测试方法,只需在光纤一端导入光线(如手电光),在光纤的另外一端看看是否有光闪即可。连通性测试的目的是为了确定光纤中是否存在断点。在购买光缆时都采用这种方法。
      2)端一端的损耗测试
      端一端的测试方法是使用一台功率测量仪和一个光源,图32所示为端一端测试示意图。
光缆测试技术(图1)
图32端一端损耗测试示意图
       3)端一端的收发功率测试
       收发功率测试EIA的FOTP-95标准中定义的光功率测试,它确定了通过光纤传输信号的强度,是光纤损失测试的基础。测试时把光功率计放在光纤的一端,把光源放在光纤的另—*端,如图32所示。
       收发功率测试是测定布线系统光纤链路的有效方法,使用的设备主要是光纤功率测试仪。在实际应用情况中,链路的两端可能相距很远,但只要测得发送端和接收端的光功率,即可判定光纤链路的状况。具体操作过程如下。
       在发送端将测试光纤取下,用测试跳接线接光源发送器,另一端用测试跳接线接光功率测试仪,使光源发送器工作,即可在光功率测试仪上测得发送端的光功率值。
       光功率值代表了光纤通信链路的衰减。衰减是光纤通信链路的一个重要的传输参数,它的单位是分贝(dB)。
       收发功率测试实际上就是衰减的测试,它测试的是信号在通过光纤后的减弱。测试过程首先应设置一个测试参照基准,对照它来度量信号在安装的光纤路径上的损失。设置一个测试参照基准,如图33所示。
设置一个测试参照基准图
图33    设置一个测试参照基准图
       光功率损失测试实际上就是衰减的测试。
       测试过程首先应将光源和光功率计分别连接到参照测试光纤的两端,以参照测试光纤作为一个基准,对照它来度量信号在安装的光纤路径上的损失。
       4)反射损耗测试
       反射损耗测试是光纤线路检修非常有效的手段。它使用光纤时间区域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer Reflectometer,OTDR)来完成测试工作,基本原理就是利用导入光与反射光的时间差来测定距离,如此可以准确判定故障的位置。
       光时域反射仪(即OTDR)简称光时域计,它是通过被测光纤中产生的背向散射信号来工作的,所以又叫作背向散射仪。主要用来测量光纤长度、光纤故障点、光纤衰耗以及光纤接头损耗等。
(2)光纤连接、链路损耗估算
       连接损耗是采用光纤传输媒体时必须考虑的问题,连接光纤的任何设备都可能使光波功率产生不同程度的损耗,光波在光纤中传播时自身也会产生一定的损耗。光纤连接要求任意两个端节点间总的连接损耗应控制在一定范围内,如多模光纤的连接损耗应不超过HdBo因此,有效地计算光纤的连接损耗是网络布线时面临的一个非常重要的课题。
一般情况下,端一端(end-to-end)之间的连接损耗包括下列几个方面的内容:
       □节点至配线架之间的连接损耗,如各种连接器;
       □光纤自身的衰减;
       □光纤与光纤互连所产生的损耗,如光纤熔接或机械连接部分;
       □为将来预留的损耗富裕量,包括检修连接、热偏差、安全性方面的考虑以及发送装置的老化所带来的影响等。
对于各个主要连接部件所生产的光波损耗值,我们用表23表示如下。
表23     光纤连接部件损耗值
光纤连接部件损耗值
       不同尺寸的光纤耦合器件组合在一起也会产生损耗,而这种损耗是随着发送功率的不同而异。表9-24给出了FDDI标准中定义的各种发送功率下不同尺寸光纤的耦合所产生的损耗指标。从表中可以看出,相同尺寸光纤的耦合不会产生损耗。
表24    光纤耦合损耗
光纤耦合损耗
       表中的NA(Numerical Aperture)表示数值孔径,是光纤对光的接受程度的度量单位,是衡量光纤集光能力的参数。准确定义为:
NA=n•sinØ。
计算连接损耗的公式为:
M=G-L
       其中M是剩余功率的临界值(Margin),在光纤通信工程中表示损耗的余量,称作富裕度或边际,必须保证M>0,才能使系统正常运行。
       公式中的G表示信号增益值(Gain),其计算公式为:
G=Pt-Pr
       Pt代有PMD指定的发送功率,Pr是接收装置的灵敏度,PMD中都作了具体的定义。表25给出了光纤PMD标准中Pt和Pr的指标。由于单模光纤分为I级和II级,相互连接时产生的损耗各不相同,如表26给出了单模光纤的光功率损耗值。光纤链路损耗的原因如图34所示。
表25  光纤PMD中定义的收发功率
光纤PMD中定义的收发功率
表26       单模光纤的光功率损耗值
单模光纤的光功率损耗值
 
光纤链路损耗的原因
图34    光纤链路损耗的原因
       关于光纤链路有两个基本参数:带宽和功率损耗。光纤PMD标准规定:光纤的距离为2km,模态带宽至少为500MHz/1300µm。在规划和施工时,要选择合适的符合标准的光纤。链路损耗是指端口到端口之间光功率的衰减,包括链路上所有器件的损耗。光纤链路由光信号发送器、接收器、光旁路开关、接头、终端处及光纤上都产生损耗。光纤PMD标准给出两节点间允许的最大损耗值。多模光纤的最大损耗值为lldB,而单模光纤分为两类收发器,类型I收发器允许最大损耗值为lldB,类型II收发器允许损耗值小于33dB,大于14dB,链路损耗值是两节点间所有部件损耗值之和,包括下列主要因素:
       □光纤节点到光纤的连接(如ST、MIC连接器);
       □光纤损耗;
       □无源部件(如光旁路开关);
       □安全、温度变化、收发器老化、计划整修的接头等。
       在光纤网络的设计和规划中,要估算链路的损耗值,检查是否符合光纤PMD标准。如果不符合光纤PMD的规定标准,就是重新考虑布线局方案,如使用单模光纤类型II收发器,在连接处增加有源部件,移去光旁路开关,甚至改变网络的物理拓扑结构,然后重新计算链路的损耗值直到满足标准为止。在计算链路损耗值时,并不需要计算每条链路的损耗值,只要计算出最坏情况下的链路损耗即可。最坏情况链路就是光纤最长、连接器和接头的个数最多以及光旁路开关的个数最多等造成光功率损耗值最大的链路。当然,如果计算并记录所有链路的损耗值,对于将来的故障诊断和故障排除是非常有用的。在网络设计中,计算链路损耗值是必要的。如果在安装完成后才发现有错误,代价可能很大,需要增加或替换器件,甚至需要重新设计和安装。由于计算时都采用估计值,且影响网络工作的因素又很多,即使链路损耗计算值满足要求,也不能完全保证安装后的网络一定是成功的。
链路损耗值(Z)的基本计算公式为:
           L=IcxLc+NconXLcon+(Ns+Nr)xLs+NpcXLpc+NmxLm+Pd+Ma+Ms+Mt其中:
Ic:光纤的长度(单位:km);
Lc:单位长度的损耗(1.5~2.5dB/km);
Ncon:连接器的数目;
Lcon:每个连接器的损耗(约0.5dB);
Ns:安装接头的数目;
Nr:计划整修接头的数目;
Ls:每个接头的损耗(约0.5dB);
Npc:无源部件的数目(如光旁路开关);
Lpc:每个无源部件的损耗(约2.5dB);
Nm:不匹配耦合的数目;
Lm,每个不匹配耦合的损耗;
Pd:色散损耗(厂家说明);
Ma:信号源老化损耗(1〜3dB);
Ms:安全损耗(1〜3dB);
Mr,:温度变化损耗(IdB)。
       假设设计一幢大楼内的光纤网络,要求两站之间最大光纤的(MMF1300nm)长度是1.5km(损耗为1.2dB/km),连接3个机械接头(损耗为0.5dB/接头)和6个连接器(损耗为0.5dB/连接器),其他的链路长度为14km,且包含一个熔接接头(损耗为0.3dB/接头)。假设没有不匹配耦合,安全边界损耗值为IdB,信号源老化损耗值为IdB,两个机械接头计划将来整修二根据链路损耗值计算公式,计算如下:
       1)光纤长度=1.5km
       单位长度损耗(dB/km)=1.2
       总损耗=1.5x1.2=1.8(dB)
        2)连接器数目=6
        损耗/连接器=0.5(dB)
        总损耗=6x0.5=3(dB)
        3)安装接头数目=3
        计划整修接头数目=2
        损耗/接头=0.5(dB)
        总损耗=.(3+2)x0.5=2.5(dB)
        4)旁路开关个数=0
        总损耗=0
        5)不匹配耦合数目=0
        总损耗=0
        6)色散损耗=0
        7)信号源老化损耗=1(dB)
        8)安全临界损耗=1(dB)
        9)温差损耗=1(dB)
        所以,整个链路的损耗值为:
L=1.8+3+2.5+0+0+1+1+1=10.3(dB)
       这个值小于MMF的最大损耗值lldB,说明从链路损耗这个角度考虑,此设计方案可以接受。
        一个光旁路开关的功率损耗是2.5dB。光纤标准建议:在带有光旁路开关的链路上,任意相邻两通信站点之间的光纤长度不要超过400m(2.5dB/km).在这个限定值内,即使有4个连续的站点处于旁路状态,这4个站的两边节点仍可以通信,因为任意两个节点间的连接损耗仍能满足损耗不大于11(4x2.5+0.4x2.5=11)dB的边界条件。当然,这样的计算是假定没有其他损耗源的情况下进行的。
       在大楼布线系统中,采用62.5/125µm的光纤时,它的工作波长为850nm、1300nm双波长窗口,在长距离时要注意下面的情况。
       □ 在850nm下满足工作带宽160MHz/km;
       □ 在1300nm下满足工作带宽550MHz/km;
       □ 在保证工作带宽下,传输衰减是光纤链路最重要的技术参数。
A/光=aL=101g[P1/P2)
       a:衰减系数。
       L:光纤长度。
       P1:光信号发生器在光纤链路始端注入光纤光功率。
       P2:光信号接收器在光纤链路末端接收到的光功率经光纤链路衰减后的光信号量。
A(总)=Lc+Ls+Lf+Lm
各环节衰减分配:
        Lc(连接器衰减):≤0.5dBx2
        Ls(连接器衰减):≤0.3dBx2
        Lf((光纤衰减):850nm≤3.5dB/km,1300nm≤1.2dB/km
        Lm(余量):由用户选定。
        楼宇内光纤长度不超过500m时,A(总)应为:850nm时≤3.5dB,1300nm时≤2.2dBo
(3)光缆链路的关键物理参数
        1)衰减
        □ 衰减是光在光沿光纤传输过程中光功率的减少。
        □ 对光纤网络总衰减的计算:光纤损耗(LOSS)是指光纤输出端的功率Powerout与发射到光纤时的功率Powerin的比值。
        □损耗是同光纤的长度成正比的,所以总衰减不仅表明了光纤损耗本身,还反映了光纤的长度。
        □光缆损耗因子(a):反映光纤衰减的特性。
        2) 回波损耗
        □反射损耗又称为回波损耗,它是指在光纤连接处,后向反射光相对输入光的比率的分贝数,回波损耗越大越好,以减少反射光对光源和系统的影响。
        3) 插入损耗
        □ 插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后,其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。
        □ 插入损耗越小越好。
衰减还要注意以下事项:
        □ 对于不同的光纤链路(单模或多模),相应地,要选用单模或多模仪表。
        □ 测试时,所选择的光源和波长,最好要与实际使用中的光源和波长一致,否则测试结果就会失去参考价值。
        □ 设置好参考值后,千万注意不要在仪表光源的输出口断开,一旦断开,要求重要设置基准,否则测试结果可能不准确,甚至出现负值。
        □ 光源需要预热10分钟左右才能稳定,设置参考值要在光源稳定后才能进行。如果环境变化较大(如从室内到室外),温度变化大,要重设置参考值。