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  光纤通信课件_工学_高等教育_教育专区。第9章 光纤通信常用仪表及测试 ? 9.1 引言 ? 9.2 光纤测试以及光时域反射仪OTDR ? 9.3 光功率计与光端机的测试 ? 9.4 光纤通信系统测试 ? 9.5 误码测试仪与其他常用仪表

  第9章 光纤通信常用仪表及测试 ? 9.1 引言 ? 9.2 光纤测试以及光时域反射仪OTDR ? 9.3 光功率计与光端机的测试 ? 9.4 光纤通信系统测试 ? 9.5 误码测试仪与其他常用仪表 ? 9.6 波长计、光谱分析仪OSA及应用 ? 9.7 光衰减器及应用 ? 9.8 网络分析仪及应用 ? 习题九 ? 内容摘要: 光纤特性的测量分为传输特性测量和基本参数测量,光 纤的损耗和色散属于传输特性,而光纤的光学特性和几何特 性则属于光纤的基本参数。本章主要介绍光纤传输特性测量, 即光纤衰减测量和光纤色散测量以及光端机和光纤通信系统 的性能测试。 ? 本章重点要求: 理解光纤损耗的三种测试方法:切断法、插入损耗法和 后向散射法;了解光纤色散测量的几种方法:时域法、频域 法、相移法和脉冲时延法;OTDR的测试原理。 9.2 光纤测试以及光时域反射仪OTDR ? 9.2.1 光纤测试参数 ? 光纤的测试参数有很多,主要有: ? (1) 几何特性参数: 包括光纤的纤芯直径、包层直径、 纤芯不圆度、包层不圆度、芯包同心误差。 ? (2) 光学特性参数: 包括单模光纤的模场直径、截止波 长等,多模光纤的折射率分布、数值孔径等。 ? (3) 传输特性参数: 包括衰减系数、单模光纤的色散系数、 多模光纤的带宽。 ? (4) 机械特性参数: 包括光纤的抗拉强度、疲劳因子等。 ? (5) 温度特性参数: 包括衰减的温度附加损耗、时延温度 等。 ? 光纤的每一种参数都有几种不同的测试或实验方法, 本章只介绍其中的几种方法。 ? 9.2.2 光纤损耗和色散测试 ? 1. 光纤测试的注入条件 ? 多模光纤的注入条件 ? 光能耦合进多模光纤时会激励起很多模式,各个模 式所携带的光能量是不同的,传输时的损耗也不同,模 式之间还有能量转换,只有经过一个相当长的时间以后 才能达到一种相对稳定的状态,此时称为稳态模式。对 于多模光纤的测试,只有达到稳态模式分布以后才有意 义。 ? 使多模光纤达到稳态分布的注入方式有两种,分别 是满注入和限制注入。满注入就是要均匀地激励起所有 的传导模式;限制注入就是只激励起较低损耗的低阶模, 而适当抑制损耗较大的高阶模。 当测试光纤的损耗时,采用限制注入方式,因为损 耗较大的高阶模的注入,会由于被测光纤长度的不同而 使输出光功率不同,从而产生测试误差;当测试光纤色 散时,则采用满注入方式,因为色散的测试是由光脉冲 通过传输后的脉冲时间展宽来确定的,如果采用限制注 入,会使功率在不同模式上的分布产生较大变化,致使 光脉冲的展宽程度不同,测试结果就不准确。 ? ? 要达到稳态分布,需要借助以下几种设备: ? 扰模器,即采用强烈的几何扰动,使多模光纤不需要很 长的距离就能迅速达到稳态分布。 ? 滤模器,滤除不需要的瞬态模或其他不需要的传导模, 这些模损耗较大,对光纤稍加弯曲就可衰减掉。 2. 光纤损耗的测试 在光纤传输过程中,光信号能量损失的原因是复杂 的,有本征的和非本征的,在实用中最关心的是它的传 输总损耗。不同波长的衰减是不同的。 损耗用损耗系数α(λ)表示,如果注入光纤的功率 为p(z=0), 光纤的长度为L,经长度L的光纤传输后光功 率为p(z=L),因为光功率随长度是按指数规律衰减的, 所以α(λ)为 10 p( z ? 0) ? (? ) ? lg L p ( z ? L) (dB / km) 损耗 损耗 / (d B / k m) 瑞利散射 OH OH 红外吸收 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 波长 / ?m 光纤损耗与波长的关系 损耗测试一般有三种方法:截断法、插入法和后向散射法。 ? 截断法 近端 待测光纤 远端 光源 扰模器 L 光检测器 图9.1 截断法测试光纤 10 p( z ? 0) ? (? ) ? lg L p ( z ? L) (dB / km) ? 在稳态注入条件下,首先测出待测光纤的输出光功率 , 然后保持注入条件不变,在离注入端约2m~3m处切断 光纤,测量出短光纤的输出光功率 。将 作为待测光 纤的起端注入光功率,按照定义式(8-1)和式(8-2)就 可计算出待测光纤的衰减和衰减系数。 在图9-1中,进行单一波长衰减测量时,光源可使用 谱宽窄的发光二极管(LED)或激光器(LD),以提高动态范 围;扰模器的作用是保证光纤输入端激励条件的稳定性, 即达到稳态模式分布。由于切断法测量光纤衰减时,测 量准确度与光纤切割端面有较大的关系,所以测量样品 的端头要认真地处理,端面必须是一个平整的与轴垂直 的镜面并保持洁净。 由于这种测量方法需要切断光纤,显然它是破坏性 的。但是这种方法的测量精度高,可以低于0.1dB,所以 它是光纤衰减测量的一种标准测试方法。 ? 插入法 光连接器 1 2 待测光纤 光源 1 A 光连接器 B 2 P2(?) 光检测器 光源 P1(?) 光检测器 图9.2 插入法测试损耗 切断法具有破坏性,而且用于现场测试时很困难、很费 时。因此现场测试时常用插入损耗法代替切断法。插 入损耗法在实质上是将切断法做成仪器,如图9-2所示。 由光发射设备和光接收设备组成一个完整的光纤传输系统,待 测光纤即为传输部分。在测试前首先对测量仪器进行校准, 用1cm左右长的“短路”光纤连接系统的发射和接收部分, 通过调整光源的输出功率使得接收部分显示的功率为0dBm, 然后拆去“短路”光纤,接入待测光纤,此时接收部分显示 的即为待测光纤的总平均损耗(dB),用此值除以光纤的长度 即为光纤的损耗系数 。 插入损耗法的测量精确度和重复性要受到耦合接头(或 连接器)的精确度和重复性的影响,不如切断法的精确度高。 但是测量简单方便,很适合于工程、维护使用。 ? 后向散射法 后向散射法也是一种非破坏性的测试方法,与切断法 和插入损耗法有本质上的不同。这种测试只需在光纤的一 端进行,而且一般有较好的重复性。它不仅可以测量光纤 的衰减系数,还能提供沿光纤长度损耗特性的详细情况, 并且可以检测光纤的物理缺陷或断裂点位臵,测定接头的 损耗和位臵,测量光纤的长度等等,所有测试结果都可以 在仪器上自动记录和显示出来。利用这种方法做成的测量 仪器叫做光时域反射计(OTDR),其基本原理如图9-3所示。 测量时将大功率的窄脉冲光注入到待测光纤中,通过分析 光脉冲在光纤中由于后向散射返回到注入端的光信号的变 化,可以得到光信号沿光纤传输的情况。 图9.3 后向散射法测量原理图 假设输入光信号功率为 P0,传输到距离输入端距离为 z 处发生散射,部分光向后反射回输入端。光纤的衰减系数 是距离z的函数,假设正向传输时的衰减系数为αi(z), 反向传输时的衰减系数为αS(z),则正向光功率为 z ? P ( z ) ? P0 exp ? ? ? ( z )dz ? ? ? ? 0 ? (9.2) 反射后,向后反射光的功率和 P( z )的比值称为后向 散射系数,用S表示,它和光纤的结构参数(芯径、相对折 射率差)有关。后向散射光的功率PS(z)可以表示为 0 ? PS ( z ) ? S ? P0 exp ? ? ? ( z )dz ? ? ? ? z ? (9.3) 将式(9.2)代入式(9.3),可得 PS ( z ) ? S ? P0 exp{? ? [?i ( z ) ? ?S ( z )]dz} 0 z (9.4) 如果光纤从0到z的平均衰减系数为α(z), 则有 PS ( z ) ? S ? P0 exp[?2? ( z ) ? z ] 其中 1 z ? ( z ) ? ? [?i ( z ) ? ? S ( z )]dz 2z 0 (9.5) 则任意两点z1、z2之间的平均衰减系数为 ? z ?z 1 2 PS ( z1 ) 5 ? lg z2 ? z1 PS ( z2 ) (9.6) 从9.6可以看出,只要能测出z1、z2点散射光返回的光 功率以及z1 、z2两点之间的距离,就可以算出平均衰减系 数。这种测试是由光时域反射计OTDR来完成的。 后相散射法同样适用于单模光纤的衰减测量,此外,它 在研究两路光传输的互相串扰或光纤陀螺仪的灵敏度时也 是很有用处的。它的缺点在于无法控制后向散射光的模式 分布,对光纤的非均匀性很敏感。 ? 3. 光纤色散的测试 ? 数字信号在光纤中传输时是由不同的频率成分或 不同的模式成分来携带的。这些不同的频率成分或模 式成分有不同的传输速度,当它们在光纤中传输一段 距离后将互相散开,于是光脉冲被展宽,这种现象就 是色散。色散特性可以从时域或频域两方面描述,光 脉冲在时间上的展宽实际上是从时域特性来描述光纤 的色散效应的,而光纤的频域特性则是指光纤中每个 频率成分的失线. 光纤色散的测试 ? 由于光纤中所传信号的不同频率成分,或信号能量的各种 模式成分,在传输过程中,因群速度不同互相散开,引起 传输信号波形失真,脉冲展宽的物理现象称为色散。光纤 色散的存在使传输的信号脉冲畸变,从而限制了光纤的传 输容量和传输带宽。 ? 从机理上说,光纤色散分为材料色散,波导色散和模 式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起,后一 种色散由于信号不是单一模式所引起。 ? 色散对光纤传输系统的影响,在时域和频域的表示方 法不同。如果信号是模拟调制的,色散限制带宽;如果信 号是数字脉冲,色散产生脉冲展宽。所以,色散通常用 3dB光带宽f3DB或脉冲展宽Δτ表示。 色散 材料色散 模式色散 色散补偿方案: ? 零色散波长光纤。 ? 色散位移光纤DSF。在光纤最低损耗窗口λ=1.55μm附近 得到最小色散。 ? 色散平坦光纤DFF。在λ=1.30μm和λ=1.55μm范围内, 色散接近于零。 ? 色散补偿光纤DCF。 ? 色散补偿器如光纤光栅FG、光学相位共轭OPC等。 色散补偿方案: ? 零色散波长光纤。 ? 色散位移光纤 DSF 。减少光纤的纤芯使波导色散增加,可以把零色散波长向 长波长方向移动,从而在光纤最低损耗窗口λ=1.55μm附近得到最小色散。 将零色散波长移至λ=1.55μm附近的光纤称为DSF光纤。 ? 色散平坦光纤 DFF 。将在 λ=1.30μm 和 λ=1.55μm 范围内,色散接近于零的 光纤称为DFF光纤。 ? 色散补偿光纤 DCF 。普通单模光纤的色散典型值为 1 ps/(nm·km) ,在特定波 长范围内;DCF光纤的色散符号与其相反,即为负色散,这样当DCF光纤与普 通单模光混合使用时 , 色散得到了补偿。为了得到好的补偿效果 , 通常 DCF 光纤的色散值很大,典型值为 -103ps/(km·nm) ,所以只需很短的 DCF 光纤就 能补偿很长的普通单模光纤。 ? 色散补偿器如光纤光栅 FG 、光学相位共轭 OPC 等。其原理都是让原先跑得快 的波长经过补偿器时慢下来,减少不同波长由于速度不一样而导致的时延。 ? 1) 多模光纤的色散测试 ? 假设光纤的输入 / 输出脉冲波形都近似为高斯分布, 如图9.3所示。经光纤传输后的脉冲展宽Δτ、 Δτ1 和Δτ2的关系是 ?? ? ( ?? 2 ) 2 ? ( ?? 1 ) 2 (9.7) ? 所以只要测出 Δτ1 和Δτ2 ,就可以得到脉冲展宽Δτ。 ? 图9.3(a)为输入脉冲,幅度为A1, 则A1/2所对应的 宽度Δτ1是这个脉冲的宽度。图9.3(b)为输出脉冲, 假设幅度为A2,则A2/2所对应的宽度Δτ2是这个脉冲 的宽度。经证明, Pin(t ) A1 Pout(t) A2 A1 2 A1 2 0 ?? 1 (a) t 0 ?? 2 (b) t 图9.3 假设光纤的输入/输出脉冲波形都近似为高斯分布 如果输入脉冲 Pin ( t )对应的频谱函数是 Pin( f ),输 出脉冲 Pout ( t )对应的频谱函数为 Pout ( f ),那么光纤的 频率响应特性H(f)为 Pout ( f ) H( f ) ? Pin ( f ) (9.8) 当输出频谱下降为输入频谱的一半时,对应的频率为 光纤的带宽,用fc表示,即H(fc)=1/2,有10lgH(fc)=- 3dB。 ? 实际测试时,一般把光功率变为电信号处理,即I(f), 则有 20lg I out ( f ) P (f) ? 20lg out ? ?6dB I in ( f ) Pin ( f ) 即6dB电带宽对应3dB光带宽。 由于输入 / 输出脉冲具有高斯波形,因此可得光纤的 带宽B(即fc)和脉冲的展宽时间有如下关系: B? 0.441 ?? (9.9) 所以如果测得光纤的脉冲时延,就可以求得带宽B。 ? ITU T规定的基准测试方法有两种:时域法和频域法。 ? (1) 时域法: 测试框图如图9.4所示。 ? 脉冲发生器 光源 扰模器 1 待测光纤 2 光检测 延时触发 示波器 图9.4 时域法测试色散原理框图 ? 测试步骤为:先用脉冲发生器调制光源,使光源发出窄脉冲信号,且使 其波形尽量接近高斯分布,注入方式采用满注入方式;接着用一根短光 纤将连接点1和2相连,此时在输出示波器中得到的是 Pin(t),并测试它 的宽度Δτ1;然后把待测光纤从接头 1和2之间接入,同样的输入条件下, 在示波器中得到的波形相当于 Pout(t),测试它的宽度Δτ2;将这两个 值带入式(9.7),则得到此光纤的脉冲展宽Δτ;最后利用式(9.9)可 计算光纤带宽B。 用半导体激光器作为光源测量光纤色散的基本装臵如图8-5所示。此 装臵的优点是设备较简 单,动态范围也比较大;缺点是数据点减少,因 此有可能影响到测量精度。故它适合于制成仪表化的测试系统。时域法 的测量精度直接取决于光脉冲的宽度和光探测器的响应速度。目前,无 论是半导体激光器还是探测器的响应时间均能达到数10ps~100ps,因此 利用LD和APD以及相应的技术可以得到很高的测量精度。 ? (2) 频域法: ? 读取的是频率信号的幅值变化。测试原理框图如 图 9.5 所示。频谱仪读取的光纤电信号幅值下降6dB 所 对应的频率就是光信号的3dB带宽。 待测光纤 扫频发生器 光源 扰模器 1 2 光检测 参考通道 频谱仪 图9.5 频域法测试光纤色散的原理框图 ? 频域法的测试步骤为:扫频发生器输出一个幅度不 变但频率连续可调的正弦信号,对光源进行强度调制, 得到幅度相同而频率变化的光正弦信号,注入时依然采 用满注入方式;接着将1、2两点用短光纤相连,此时频 谱仪读取的是随频率变化的输入信号频谱PIin(f);再 把被测光纤连在1、2两点之间,此时从频谱仪中得到的 是随输入频率变化的频谱PIout(f),把它们绘制成频谱 曲线dB上的频率即为光纤带宽。 ? 2)单模光纤的色散测试 为什末单模光纤色散可以为零? ? 单模光纤色散和光源谱宽密切相关,光源谱宽越窄,色散 越小,带宽越大,通常用色散系数表示色散D的大小,即 d? (? ) D? d? ps /(nm ? km ) (9.10) D 为单位长度上单位波长间隔内的光波在光纤上产生的平 均时延差。 此时光纤带宽与色散系数的关系为 0.441 B? D ? ?? (9.11) 其中, Δλ为光源谱宽。 ? 用脉冲法和扫频法测量光纤色散一般适用于多模光纤, 对于单模光纤来说,由于只存在模内色散,色散很小, 带宽极宽,用上述方法测量色散时需要很长的单模光 纤,因此一般不采用这两种方法。 ? ITU T对不同的光纤色散系数和相关参数规定如下: ? (1) G.652光纤: 零色散波长在1310nm附近,工作波长 在 1270 ~ 1340nm 范围,其单位长度的群时延与波长的 关系可以近似表示为 S0 ?0 2 ? (? ) ? ? 0 ? (? ? ) 8 ? ( ps / km ) (9.12 ? 其中:τ0为零色散波长λ0处的相对最小群时延 ; S0 是λ0 处的色散斜率值,其单位为 ps/ ( nm2·km )。将τ (λ)对λ微分就可得到色散系数D(λ): S0 ? ?4 0 ? ? D(? ) ? ? ? ? 3 ? 4 ? ? ? ? [ps/( nm· km)] (9.13) ? (2) G.653 光纤 : 工作波长和零色散波长均在 1550nm 附 近,单位长度光纤的群时延与波长的关系近似表示为 S0 ? ?? ? ? ? 0 ? ( ? ? ?0 ) 2 (ps/km) (9.14) 2 色散系数表示为 D(λ)=S0(λ-λ0) [ps/( nm·km)] (9.15) ? (3) G.654光纤:零色散波长在1310nm附近,工作波长 却在 1550nm 波长区,其单位长度群时延与波长的关系 近似表示为 ? (? ) ? ? 1550 ? 色散系数表示为 ? 1550 2 ( ? ? 1550 ) 2 ? D1550 ? ? (ps/km) (9.16) D(λ)=S1550(λ-1550)+D1550 [ps/( nm·km)] (9.17) 其中,τ1550、S1550、D1550分别是波长为1550nm时这种光纤 的相对群时延、色散斜率和色散系数。 ? 单模光纤色散的测量可采用群时延相移法。群时延相 移法是通过测量不同波长下同一正弦调制信号的相移 得出群时延与波长的关系,进而算出色散系数的一种 方法,其本质是通过比较光纤基带调制信号在不同波 长下的相位来确定色散的特性。这种方法的基本原理 如图8-7所示, 用频率稳定度高的振荡器产生的正弦 波信号(频率f0约为30MHz)调制波长可变的光源,光信 号经待测光纤传输后由光检测器转变成为电信号,相 位分析仪可以测出接收信号与参考信号(即图中A、B两 点)之间的相位差。 ? 相移法: ? 本质是通过比较基带调制信号在不同波长下的相位来确 定色散特性。假设光源的调制频率为f(MHz),经过长度 为L(km)的光纤的传输后,波长λi(i=1,2,…,n)相对于参 考频率λf的传输时延差为Δti,相移差为Δφi,则Δφi=2πfΔti (ps);于是每千米的平均时延差τi=Δti/L(ps/km)。这样, 通过测试不同波长λi下的Δφi,再根据式(9.16)计算出相应 的τi,由上面给出的不同光纤的群时延公式τ(λ)得到有关 系数,就可进一步得到该光纤的色散系数D。测试的原理框 图如图9.6所示。 可调谐光源 波长选择器 待测光纤 光探测器 光放大器 信号发生器 参考信号 信号处理器 计算机 图9.6 单模光纤的色散测试原理框图 ? 图中,光源可以是可调激光器、激光阵列或多个 二极管;波长选择器可以是光开关、单色仪、滤光片 或别的色散器件;探测器要满足要求的信噪比和时间 分辨率;信号处理器是相移计。 ? 相移法要求的测试设备较为简单,而且正弦信号可采 用窄带滤波放大,有利于提高信噪比,测量精度高, 因此被广泛应用。 ? (2)脉冲时延法: ? 通过测试经同一窄脉冲调制后的不同波长的光信号经 光纤传输后产生的时延差,直接按定义计算出色散系数。 ? 被测信号的不同波长信号 λi (i=1,2,…,n)经过长度 为 L 的光纤后,和参考信号 λf的时延差为 Δti ,则单位长度 的平均时延差τi=Δti/L(ps/km),此后的方法和相移法一 样,测试装臵同图 9.6 所示。此时的信号处理器为一个取 样示波器,得到的是脉冲时延而不是相移。 脉冲时延法是通过测定不同波长的窄光脉冲经过光纤 传输后的时延差,按采用的光源来分,主要有两种装臵: 一种是采用光纤喇曼光源(fiber Raman source);另一种 是用一组激光器作光源,通过变换激光器的方法来改变波 长。 ? 9.2.3 光时域反射仪OTDR ? OTDR的原理框图如图9.7所示。图中的主时钟产生 标准时钟信号,脉冲发生器根据这个时钟产生符合要 求的窄脉冲,并用它来调制光源;光定向耦合器将光 源发出的光耦合到被测光纤,同时将散射和反射信号 耦合进光检测器,经放大及信号处理后送入示波器 , 显示输出波形及在数据输出系统输出的有关数据。 ? OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)的原理 是光脉冲的瑞利散射。由于瑞利散射光具有和入射波 长同样的波长,且功率与该点的入射光功率成正比, 因此通过测试沿光纤返回的反向光功率就可以获得入 射光沿光纤传输路径所受到的损耗特性,并且还可以 通过分析返回光信号的时间来确定待测光纤中不完善 点的位臵以及待测光纤的总长度。 ? 要进行信号处理的原因是后向散射光非常微弱,淹没 在噪声中,只有采用取样积分器对微弱散射光进行取 样求和,随机噪声抵消,才能将散射信号取出。 定向耦合器 脉冲发生器 光源 待测光纤 光检测器 光放大器 主时钟 信号处理 示波器 数据输出 图9.7 OTDR的原理框图 P / dB a e b c L 光纤长度 / k m d P1 P2 图9.8 典型OTDR曲线 是一条典型的测试曲线。其中: a 点为光纤的 输入端,是由耦合设备和光纤输入端端面产生的菲涅尔 ( Fresnel )反射信号,并且此处的光信号最强; b 点有 一突降,说明此处有一接头或存在其他的缺陷所引起的 高损耗; c点突然有一个上升, 说明此处有光纤的断裂 面,引起 Fresnel 反射; d 点为光纤的终点,是由输出端 引起的Fresnel反射。在这个曲线中,由于eb段和bc段是 逐渐降低的近似直线,说明这两段光纤是均匀的,而bc 段曲线下降更平缓,说明这段光纤的衰减系数比前段要 小。在 cd 段,曲线不是直线,说明这段光纤轴向结构不 太均匀。 ? 如果在e点和b点测得的光功率为 P1和P2(单位为dB, 采用对数刻度),两点之间的长度为 L ,则这段光纤的 衰减系数为 P 1 ?P 2 2L ?? ? (9.18) 若光脉冲从起点到尾端再反射回到起点所经历的 时间为t0,则可以得到光纤的长度L为 ct0 L? 2n ( ? ) (9.19) ? 光时域反射计可测量: a.光纤损耗与长度的详细信息 b.光纤的长度 c.确定光纤的物理缺陷点、断裂点、光纤连接器位臵 ? OTDR 的两个主要参数是动态范围和测试范围。动 态范围是指初始后向散射光功率电平与在测试 3分钟之 后的噪声电平之差,它是以 dB 为单位的光纤损耗的一 种表示方法。动态范围提供了仪器能测试的光纤损耗 最大值的信息,指出了测试给定的光纤损耗所需要的 时间,所以它通常用于表示OTDR的测试能力。 ? 动态范围与分辨率之间的矛盾是制约 OTDR的一个基 本因素。要获得高的空间分辨率,脉冲宽度必须尽可能 小,然而这样会降低信噪比,从而减小动态范围。测试 范围表征了 OTDR鉴别光纤链路发生故障的能力,如接头 点、连接点和光纤断裂点。它的定义是使OTDR仍能进行 准确测试的故障与OTDR之间所允许的最大损耗。 9.3 光功率计与光端机的测试 ? 9.3.1 光功率计 ? 在光纤通信的测试中,许多重要参数的测试实际 上都是对光功率的测试。测试光功率的方法有热学法 和光电法。热学法在波长特性、测试精度等方面较好, 但响应速度慢,灵敏度低,设备体积大。而光电法有 较快的响应速度 , 良好的线性特性,并且灵敏度高, 测试范围大,但其波长特性和测试精度不如热学法。 在光通信中,光功率一般较弱,范围约为 nW 级到 mW 级, 因此普遍采用灵敏度较高的光电法。 ? 光电法采用光检测器检测光功率, 实际上是测试 光检测器在受辐射后产生的微弱电流, 该电流与入射 到光敏面上的光功率成正比, 因此实际上这种光功率 计是一种半导体光电传感器与电子电路组成的放大和 数据处理单元组合。 光功率计的主要技术指标有: ? (1) 波长范围: 不同的半导体材料响应的光波长范围 不同, 为了覆盖较大的波长范围, 一个光功率计可 以配备几个不同的探测头。 ? (2) 光功率测试范围: 主要由光探测器的灵敏度和 主机的动态范围决定。 ? 9.3.2 光端机的测试 ? 在光纤通信系统中, 光端机与光纤的连接点称为 光接口; 光端机与数字设备的连接点称为电接口, 如 图 9.9 所示。 光接口有两个 : 一个称为“ S” , 光端机 由此向光纤发送光信号; 另一个称为“R”, 光端机由 此接收从光纤传来的光信号。 电接口也有两个 : 一个 为“A”, 数字复用设备输出的PCM信号由此传给光端机; 另一个为“B”, 光端机由此向数字设备输出接收到的 PCM 信号。 因此, 光端机的测试指标也分为两大类: 一类是光接口指标, 另一类是电接口指标。 电端机 PCM发送 PCM接收 A 光端机 光发送 光接收 S 光纤 B R 光纤 图9.9 光端机的光接口和电接口 ? 1. 光接口的指标与测试 ? 光接口的指标主要有四个: 平均发送光功率, 消光比, 光接收机灵敏度和光接收机动态范围。 ? 1) 平均发送光功率 ? 光端机的平均发送光功率是在正常工作条件下光 端机输出的平均光功率, 即光源尾纤输出的平均光功 率。 平均光功率的指标与实际的光纤线路有关。 在 长距离的光纤通信数字系统中, 要求有较大的平均发 送光功率; 而在短距离的光纤通信系统中, 则要求有 较小的平均发送光功率。 ? 平均发送光功率的测试框图如图 9.10 所示。 测试 时要注意, 各种指标的测试都要送入测试信号。 自光 端机 A点送入 PCM 测试信号, 不同码速的光纤数字通信 系统要求送入不同的 PCM 测试信号。 例如, 速率为 2048 kb/s 和 8448 kb/s 的光端机送入 215-1 的伪随机序 列码, 速率为34 368 kb/s和139 264 kb/s的光端机送 入 223-1 伪随机序列码, 并且 2048 kb/s 、 8448 kb/s 和34 368 kb/s的码型为HDB3, 而139 264 kb/s的码型 为CMI码。 信号源 A 光端机 S 光纤测试线 平均发送光功率的测试 ? 测试时送入正常工作时的工作信号, 此时光功率 计上读取的数值即为平均发送光功率。 应当注意的是: 平均光功率与PCM信号的码型有关, NRZ码和占空比为 50% 的 RZ 码相比, 前者比后者平均光功率要大 3 dB ; 另外, 光源的平均输出光功率与注入它的电流大小有 关, 测试时应在正常工作的注入电流条件下进行。 ? 2) 消光比 ? 消光比是光端机发送部分的质量指标之一, 定义为 P00 EXT ? P 11 ? 其中,P00是光端机输入信号脉冲为全“0”码时输 出的平均光功率,P11为光端机输入信号脉冲为全“1” 码时输出的平均光功率。 ? 从LD的P-I曲线知道, 当输入信号为“0”时, 输 出并不为0, 因为在一个偏臵电流Ib的作用下, 输出 为荧光。 我们希望 Ib 越小越好, 这样就可以提高消 光比及接收机的灵敏度。 ? 但另一方面, Ib 减小, 会使光源输出功率降低, 谱线宽度增加, 并产生对光源特性的其他不利影响。 因 此要全面考虑 Ib 影响, 一般要求EXT0.1。 当EXT=0.1时, 使 APD 光接收机降低 1.8 dB , 使 PIN 光接收机灵敏度降低 0.9 dB。 ? 当光源是 LED 时, 一般不考虑消光比, 因为它不加 偏臵电流, 所以无输入信号时输出也为零。 ? LD 消光比测试图也如图 9.10 所示, 输入全“ 0” 码即 断掉输入信号(一般将编码盘拔出)时测得的光功率为P00。 ? ? 输入光端机的信号一般是伪随机码, 它的“0”码 和“1”码的出现概率是相等的, 因此测试的伪随机序 列信号的光功率PT是全“1”码时的光功率的一半, 即 P11=2PT。 所以消光比为 P00 EXT ? 2 PT ? 3) 接收机灵敏度 ? 接收机灵敏度是指在满足给定误码率或信噪比的 条件下, 光端机能够接收到的最小平均光功率。 灵 敏度是光端机的重要性能指标, 它表示了光端机接收 微弱信号的能力, 从而决定了系统的中继段距离, 是系统设计的重要依据。 ? ? 在测试光接收机灵敏度时, 首先要确定系统所要 求的误码率指标。 对不同长度和不同应用的光纤数字 通信系统, 其误码率指标是不一样的。 不同的误码 率指标, 要求的接收机灵敏度也不同。 要求的误码 率越小, 灵敏度就越低, 即要求接收的光功率就越 大。 此外, 灵敏度还和系统的码速、 接收端光电检 测器的类型有关。 ? 接收机灵敏度的测试框图如图9.11所示。 码型 发生器 误码 检测 误码测试仪 发送 接收 光端机 S R 接收 发送 R 光可变衰减器 光功率计 自 环 S 图9.11 接收机灵敏度测试原理框图 ? 测试步骤如下: ? (1) 按照测试框图连接线) 由误码仪向光端机送入测试信号, 对不同信号 的选择和光功率测试时相同。 ? (3) 调节可变衰减器, 逐步增大衰减, 这时误码率 会逐步增高, 直到出现要求的误码率, 例如1×10-11, 并在一定的观察时间内保持稳定, 表明已到达系统要 求的误码率临界状态。 ? ? (4) 在R点断开光端机的连接器, 用光纤测试线连接R 点和光功率计, 此时测得的光功率值即为光接收机的 最小可接收光功率。 ? 在测试时需要注意的是, 误码率是一个统计平均 值, 只有当测试时间足够长时, 测试结果才准确, 并且测试时间与系统的码速和误码率有关, 码速越高, 误码率越大, 测试时间越短。 ? 4) 动态范围 ? 接收机接收到的信号功率过小, 会产生误码, 但 是如果接收的光信号过大, 又会使接收机内部器件过载, 同样产生误码。 所以为了保证系统的误码特性, 需要 保证输入信号在一定的范围内变化, 光接收机这种适应 输入信号在一定范围内变化的能力称为光接收机的动态 范围, 它可以表示为 Pmax D ? 10lg Pmin 式中, 在满足误码条件下, Pmax是允许接收到的最大 光功率, Pmin是接收机灵敏度。 ? 测试框图如图9.12所示, 它和接收机灵敏度测试 框图略有不同, 去除了光纤线路对误码的影响。 码型 发生器 误码 检测 误码测试仪 发送 接收 光端机 S 短光纤 R 光可变衰减器 光功率计 图9.12 接收机动态范围测试原理框图 ? 测试步骤如下: ? (1) 按照框图将线路连好, 送入所需的测试信号。 ? (2) 减小可变衰减器的衰减量, 使接收光功率逐渐 增大, 出现误码后, 增加光衰减量, 直到误码率刚 好回到规定值并稳定一定时间后, 在R 点接上光功率 计读取的功率值即为Pmax。 ? (3) 继续增大衰减量, 直到出现较大误码的临界状态 并稳定一定时间后, 测得的光功率为Pmin。 ? 根据公式计算可得动态范围 D 。 需要注意的是, 动态范围的测试也要考虑测试时间的长短, 只有在较 长时间内系统处于误码要求指标以内的条件下测得的 功率值才是正确的。 ? 2. 电接口的指标测试 ? 图9.9中的A点及B点均为电接口, 通常A点称为输 入口, B点称为输出口。 在输入口和输出口都需要测 试的指标(称为一般指标)有比特率及容差, 发射损耗; 在输入口测试的指标有输入口允许衰减和抗干扰能力、 输入抖动容限; 在输出口测试的指标有输出口脉冲波 形、 无输入抖动的输出抖动容限等。 ? 1) 码速偏移 ? 在ITU-T的建议中, 对各种系统的码速或时钟频率 给出了一定的容差, 当输入信号的码速或时钟频率在该 范围内变化时, 系统能正常工作, 不产生误码。 容许 偏差的范围如表9.1所示。 表中的容许偏差用ppm表示, 含义是百万分之一的意思。 例如2048 kb/s的码速, 容 许偏差为±50 ppm, 实际的码速偏移为±(2048×10 3×50×10-6)=±102 b/s。 ppm 值越大, 并不表示容 许的码速偏移越大, 实际容许的码速偏移的大小要由计 算结果来确定。 码速越高, 容许的ppm值应越小。 表 9.1 电接口标称比特率及容差 ? 输入口码速容许偏差的测试框图如图 9.13 所示。 测试时, 调高或调低码型发生器的比特率, 直到在 误码仪上出现误码, 然后回调, 读出使得刚好不出 现误码的临界比特率, 则码型发生器上的最高或最低 码速之差即为正、 负方向的最大容差。 码型 发生器 误码 检测 误码测试仪 发送 接收 光端机 S R 光可变衰减器 图9.13 输入口码速容许偏差的测试框图 ? 测试输出口码速偏差时, 需要先测得输出口的比 特率。 在图9.13的输出口处接一个数字测试仪及数字 式频率计, 数字式频率计从接收信号中提取时钟, 由频率计根据提取的时钟给出信号的比特率。 它与标 称比特率之间的差值应在表9.1所示的容差范围内。 ? 2) 反射损耗 ? 当光端机的输入阻抗 ZX 和传输电缆的特性阻抗 ZC 不相等时, 就会在光端机接口处产生反射, 反射信 号和入射信号叠加, 就会使光端机接口处的信号失真, 造成误码。 为了保证数字传输系统的指标要求, 我 们希望发射信号尽可能小, 发射损耗尽可能大。 用 bp来表示反射损耗, 定义为 Z X ? ZC bp ? 20lg Z X ? ZC ? 一般 ZC=75 Ω。 如果 ZX=ZC , 则没有反射信号, 即此时反射损耗最大。 ? 对于实际的光端机, 电接口不可能完全阻抗匹配, 为了保证系统正常工作, 反射损耗应达到规定值。 表9.2给出了对输入口的反射损耗要求。 表 9.2 电接口反射损耗指标 ? 光端机输入口和输出口的反射损耗测试方法相同, 图9.14为输入口测试框图。 振荡器发出测试所需的电 信号, 75Ω电桥提供标准75Ω阻抗,选频表用于测试 某一频率下的电信号功率值。 测试时,首先断开ZX, 调整振荡器输出, 此时选频表的指示即为入射功率P1 (dBm); 再将ZX接在反射电桥上, 此时选频表的指 示即为反射功率P2(dBm),那么反射损耗bp=P1-P2 (dB)。 振荡器 ZX 发送 接收 选频表 7 5? 电阻 7 5? 反射电桥 图9.14 电接口输入端反射损耗测试框图 ? 3) 输入连线衰减 ? 一般情况下, 信号由电端机送到光端机时, 需 要经过一段电缆, 电缆对电信号具有一定的衰减, 这就要求光端机能容许输入口信号有一定的衰减和畸 变, 而系统此时不会发生误码。 ? 这种光端机输入口能承受的传输衰减, 叫做允许 的连线衰减。 不同码速下输入口容许的连线衰减测试 指标要求如表9.3所示, 测试框图如图9.15所示。 表9.3 输入口允许的连线衰减和抗干扰能力 码型 发生器 误码 检测 符合 f 衰减 规律的电缆 发送 接收 自环 接收 发送 图9.15 输入口容许的连线衰减测试 ? 测试时按照图9.15连接线路。 输入口的连接电缆 对信号的衰减符合 f 衰减规律。 接收机对端环回, 这样测试的线路较长; 也可以直接在接收端测试误码, 但仪表使用分离, 不太方便。 码型发生器输入相应 的测试信号, 经过衰减送入光端机, 使连接电缆的 损耗在表 9.3 要求的范围内变化, 以误码检测器检测 不到误码时的衰减值为测试结果。 ? ? 4) 输入口抗干扰能力 对光端机而言, 由于数字配线架和上游设备输出 口阻抗的不均匀性, 会在接口处产生信号反射, 反 射信号对有用信号是个干扰。 通常把光端机在接收被 干扰的有用信号后仍不会产生码的这种能力称为抗干 扰能力。 因此常用有用信号功率和干扰信号功率之比 表示抗干扰能力的大小。 ? 测试框图如图9.16所示。 测试时干扰信号和有用 信号经过混合网络合并在一起, 输入口衰减电缆按表 9.3选取, 信号功率与干扰信号功率的比值按表9.3取 值, 以误码检测器检测不到误码时的测试功率为准。 干扰信号源 码型 发生器 误码 检测 混 合 网 络 符合 f 衰减 规律的电缆 发送 接收 接收 自环 发送 图9.16 输入口抗干扰能力测试框图 ? 5) 输出波形测试 ? 为了使各厂家生产的不同型号的设备能彼此相连, 就要求这些设备的接口波形必须符合 ITUT 提出的要求, 即符合 G.703 建议中的脉冲波形样板, 其图形如图 9.17 所示。 接口码速不同, 对脉冲波形的要求不同, 每种波形的脉冲宽度与幅度、 上升时间、 下降时间、 过冲过程都有严格规定。 只要设备接口波形在样板斜 线范围内, 则同一码速的不同型号的设备就能互连。 269 ns (244 +25) 10% 20% 10% 20% U=100% 0.237 0.237 194 ns (244 -50) 0.474 0.474 U 2.370 标称脉冲 注:U对应于 标称峰值 69 ns (59+10) 35 ns (59-24) 标称脉冲 59 ns 50% 244 ns 1.185 49 ns (59-10) 10% 10% 10% 10% 219 ns (244 -25) 0% 20% 0 0.237 0.237 100 ns (59+41) 488 ns (244 +244)CCITT -32540 0.474 118 ns CCITT -32560 (59+59) (a) (b) 图9.17 0.237 0.237 17 ns U (14.55+2.45) T =7.18 ns 8.65 ns 0.60V 0.55V 0.50V 0.45V 1 ns 0.40V 0.06 V 标称零电平 -0.05 V 每段0.1ns 每段0.35ns 单位间 隔中心 处的正 向转换 每段 0.1ns 标称脉冲 1.79 ns 1 ns 1.795 ns 1 ns 1.0 0.1 0.1 0.2 0.2 14.55 ns 0.5 12.1 ns (14.55-2.45) 标称脉冲 0.1 0.1 0 0.2 29.1 ns (14.55+14.55) 0.1 0.1 24.5 ns (14.55+9.95) -0.40 V -0.45 V -0.50 V -0.55 V -0.60 V 1ns 1ns 1.795 ns 1.795 ns 1 ns 负向转换 (c) (d) 图9.17 T =7 .1 8 n s 0 .60 0 .55 0 .50 0 .45 0 .40 V V V V V 标称脉冲 1 ns 1 ns 0 .05 V 标称零电平 -0 .0 5 V 每段0 .1 n s 3 .59 ns 3 .59 ns 1 .35 ns1 .35 ns 1 ns 1 ns 1 .79 5 n s 1 .79 ns 每段 0 .5n s -0 .4 0 V -0 .4 5 V -0 .5 0 V -0 .5 5 V -0 .6 0 V 负向转换 正向转换 (e) 图9.17 部分脉冲波形样板 码型 发生器 误码 检测 C 发送 接收 光可变衰减器 7 5? 电阻 示波器 图9.18 输出口波形样板测试框图 9.4 光纤通信系统测试 ? 9.4.1 误码性能及测试 ? 系统的误码特性是衡量系统优劣的一个非常重要 的指标, 它反映了数字信息在传输过程中受到损伤的 程度, 通常有以下几种衡量方式和指标。 ? 1. 平均误码率(BER)、 劣化分(DM)、 严重误码秒 (SES) ? 和误码秒(ES)BER一般是指在一段较长时间内出现误 码的个数和传输的总码元数的比值。 可以表示为 BER= 误码个数 传输的总码元数 ? 此处传输的总码元数等于系统传输码速率与测试 时间的乘积。 对于一个 64 kb/s 的数字电线, 则话音十分清晰, 感觉不到噪声和干扰; 若 BER 达到 10-5 , 则在低声说话时就会感到有干扰存 在, 即有个别的喀喀声存在; 若 BER 高达 10-3 , 则 不仅感到严重的干扰, 可懂度也会受到影响。 ? 从定义可以知道,BER反映的是一段测试时间内的 平均误码结果, 它无法反映误码的随机性和突发性。 在较长的观察时间里(几天到一个月),设 T ( 1 分钟 或 1 秒钟)为一个抽样观察时间,设定 BER 的某一门限 值为M, 记录下每一个T内的BER,其中BER超过门限值 M的次数T和总观察时间内的可用时间之比, 称为误码 的时间百分数。 ? 在每 1 分钟内误码性能劣于 1×10-6 的分钟称为劣 化分, 用 DM表示。 通常把误码率劣于 1×10-3的秒称 为严重误码秒。 ? 在数字通信中, 有一些重要的信息包, 希望一 个误码也没有。 只要1秒内有误码发生, 相应的数据 就要重发, 所以引入了误码秒(ES)来描述这种情况, 即把有误码发生的秒称为误码秒(ES)。64 kb/s业务 在全程网上需要满足的指标如表9.4所示。 表9.4 64 kb/s业务的误码性能指标 ? 2. 误码性能测试 ? 测试框图如图9.19所示。 码型 发生器 误码 检测 误码仪 发送 光纤 接收 光端机 中继 中继器 中继 光纤 发送 光端机 接收 环 回 图9.19 误码性能测试框图 ? 采用远端电接口环回, 本端测试。 本端的误码 仪发送规定的测试信号, 环回后在本端接收口检测出 有关误码的情况。 一般测试时间在 24小时以上。 最 后根据统计的误码结果计算出BER、 DM、 SES、 ES等 指标。 这种测试方法所得的指标是实际光纤通信系统 指标的2 倍。 ? 9.4.2 抖动性能及测试 ? 数字信号(包括时钟信号)的各个有效瞬间对于标 准时间位臵的偏差称为抖动(或漂动)。 这种信号边缘 相位的向前向后变化给时钟恢复电路和先进先出( FIFO ) 缓存器的工作带来一系列的问题, 是使信号判决偏离最 佳判决时间、 影响系统性能的重要因素。 在光纤通信 中, 将10 Hz以上的长期相位变化称为漂动, 而 10 Hz 以下的则称为抖动。 ? 数字信号的有效瞬间可以超前或滞后标准时间的 位臵, 我们就把这种时间偏差的最大值称为抖动峰 峰值, 用它来衡量抖动大小。 峰—峰值用J P-P表示, 单位为 UI , 表示单位时隙。 当传输NRZ 码时, 1 UI 就是 1 bit信息所占用的时间, 它在数值上等于传输 速率的倒数。 ? 抖动在本质上相当于低频振荡的相位调制加载到了传 输的数字信号上。 产生抖动的原因主要有随机噪声、 时 钟提取回路中调谐频率偏移、 接收机的码间干扰和振幅 相位换算等。 在多中继长途光纤通信中, 抖动具有累积 性。 抖动在数字传输系统中最终表现为数字端机解调后 的噪声, 它使信噪比劣化, 灵敏度降低。 ? 抖动难以完全消除, 为了保证数字网的抖动要求, 必须根据抖动的累积规律对光纤传输系统的抖动提出限制。 衡量系统抖动性能的参数有三个: 输入抖动容限、 无输 入抖动时的输出抖动容限及抖动转移特性。 ? 1. 输入抖动容限 ? 光纤通信系统各次群的输入接口必须容许输入信 号含有一定的抖动, 系统容许的输入信号的最大抖动 范围称为输入抖动容限, 超过这个范围, 系统将不 再有正常的指标。 根据ITUT建议, PDH各次群输入接 口的输入抖动容限必须在图9.20所示的曲线给出了图中各量的对应值。 而对于SDH系统, STM N 光接口输入抖动和漂移容限要求如图9.21 和表 9.6 所 示。 JP-P / UI A0 A1 A2 斜率 2 0 d B/1 0 倍频程 0 F0 F1 F2 F3 F4 f 图9.20 PDH输入抖动容限 表9.5 PDH输入抖动容限要求 JP-P / UI A0 A1 A2 A3 A4 F0 F12 F11 F10 F9 抖动频率 (对数坐标 ) F8 F1 F2 F3 F4 f 斜率 2 0 d B/1 0 倍频程 图9.21 STM N输入抖动和漂移下限(参照G.825) 表9.6 STM N光接口输入抖动和漂移容限要求(参照G.825) ? 2. 输出抖动 ? 当系统无输入抖动时, 输出口的信号抖动称为输 出抖动。 根据ITU-T建议和我国国标, 在全程网(或 一个数字段)用带通滤波器对PDH各次群的输出口进行 测试, 输出抖动不应超过表 9.7 给出的容限值, SDH 设备的各 STM N 口的固有抖动不应超过表 9.8 给出的容 限值。 表9.7 PDH各次群的输出抖动容限 表9.8 STM N接口抖动容限(参照G.813) ? 3. 抖动转移 ? 抖动转移也称为抖动传递, 定义为系统输出信号 的抖动与输入信号中具有相应频率的抖动之比。 抖动 转移特性用来验证系统对高低频抖动的适应能力。 图 9.22 给出了对 SDH 再生器抖动传递特性的要求。 对于 STM 16, f0=30 kHz, p=0.1 dB。 抖动增益 G 斜率2 0 d B/1 0 倍频程 p 0 f0 f 图9.22 抖动转移特性 ? 4. 抖动性能测试 ? 抖动性能测试框图如图9.23所示。 ? 低频振荡发出的信号作为抖动信号, 对误码仪发 出的规定的测试信号进行干扰, 误码仪与光端机之间 f 的连接电缆符合 衰减规律。 低频振荡 发生器 码型 发生器 误码 检测 误码仪 A B f f 衰减规律电缆 衰减规律电缆 发送 接收 接收 发送 环 回 抖动检测器 图9.23 抖动特性测试框图 ? (1) 输入抖动测试。 ? 按照框图接好测试系统, 用低频信号调制误码仪 的发送端, 向光端机输入口送入一定抖动幅度和抖动 频率的测试信号。 固定低频信号频率, 加大信号幅 度, 即加大抖动幅度, 直到误码仪刚好不出现误码 时, 稳定 60 s, 此时在 A 点接上抖动检测器, 测出 的抖动数值即为此频率下的输入抖动容限。 然后改变 频率, 重复上述步骤, 得到的值与图 9.20 和 9.21 的 曲线比较, 在曲线之上即为合格。 ? (2) 输出抖动测试。 ? 不接低频信号发生器, 从抖动检测器读出输出抖 动, 由于是环回测试, 因此测得的抖动值的一半才 是实际系统的输出抖动。 对比输出抖动容限要求, 其值小于表9.6~表9.8的值即为合格。 ? (3) 抖动转移特性测试。 ? 输入低频调制的抖动信号, 将抖动检测器与 A 点 相连, 读出抖动幅度 Pin , 再将抖动检测器与 B 点相 连, 读出输出幅度 Pout , 抖动增益 G 为 Pout-Pin 。 由 于是环回测试, 实际系统的抖动增益是该值的一半。 改变抖动频率, 重复上述步骤, 可以得到不同抖动 频率下的G值, 与图9.22对比, 在该曲线之下的即为 合格。 9.5 误码测试仪与其他常用仪表 ? 在前面的测试中频繁地用到误码仪, 下面就简单 地介绍一下误码仪的原理。 ? 误码测试仪由三大部分组成: 发码发生器、 误 码检测器和指示器, 如图 9.24 所示。 发码发生器可 以产生测试所需的各种不同序列长度的伪随机码( 271 ~ 223-1 ), 接口电路可以实现输出 CMI 码、 HDB3 码、 NRZ码、 RZ码等码型。 ? 误码检测器包括本地码发生器, 同步电路和误码 检测部分。 本地码发生器的构成和发码发生器相同, 可以产生和发码发生器完全相同的码序列, 并通过同 步设备与接收到的码序列同步。 误码检测电路将本地 码和接收码进行比较, 检测出误码信息送入计数器显 示。 发送部分 时钟发生器 伪随机序列发生器 发码 同步电路 误码检 测部分 本地伪随机 序列发生器 误码检测器 计数器 收码 图9.24 误码仪框图 ? 误码分析仪的基本结构和误码测试仪相同, 但是 其内部具有 CPU , 可以对测试结果进行分析, 给出 BER 、 ES 、 SES 、 DM 等信息。 有的还可以自动计算 出被测设备或系统的“利用率”和“可靠度”等。 ? 数字传输分析仪除了具有误码分析的全部功能外, 还包括抖动发生器, 能产生测试所需要的各种幅度可 调的低频信号, 并将其调制到发码上, 产生带有抖 动的数字序列。 数字传输分析仪的接收部分, 除具 有误码检测设备外, 还能测试抖动量, 因此该设备 能测试全部的误码性能和抖动性能。 9.6 波长计、 光谱分析仪OSA及应用 ? 9.6.1 波长计 ? 对以 SDH 终端设备为基础的多波长密集光波分复用 系统和单波长 SDH 系统的测试要求差别很大。 首先, 单波长光通信系统的精确波长测试是不重要的, 只需 用普通的光功率计测试光功率值就可判断光系统是否正 常了。 设臵光功率计到一个特定的波长值, 例如1310 nm 或 1550nm , 仅用作不同波长区光系统光源发光功率 测试的较准与修正, 因为对宽光谱的功率计而言, 光 源波长差几十纳米时测出的光功率值的差别也不大。 ? 可是, 对DWDM 系统就完全不同了, 系统有很多波 长, 很多光路, 要分别测出系统中每个光路的波长值 与光功率大小, 才能共同判断出是哪个波长、 哪个光 路系统出了问题。 由于各个光路的波长间隔通常是 1.6 nm ( 200 GHz )、 0.8 nm ( 100 GHz ), 甚至 0.4 nm ( 50 GHz ), 故必须要用有波长选择性的光功率计, 即用波长计或光谱分析仪(OSA)才能测出系统的各个光 路的波长值和光功率的大小, 因此, 用一般的光功率 计测出系统的总光功率值是不解决问题的。 ? 其次, 为了平滑地增加波长, 扩大 DWDM 系统容 量, 或为了灵活地调度、 调整电路和网络的容量, 需要减少某个DWDM系统的波长数, 即要求DWDM系统在 增加或减少波长数时, 总的输出光功率基本稳定。 在这种情况下, 当有某个光路、 某个净负荷载体, 即光波长或光载频失效时, 用普通光功率计测试总光 功率值是无法发现问题的, 因为一两个光载频功率大 大降低或失效, 对总的光功率值影响很小。 ? 此时, 必须对各个光载频的功率进行选择性测试, 不仅测出光功率电平值, 而且还要准确地测出具体的 波长数值后, 才能确切知道是哪个波长、 哪条光路 出了问题。 这不仅在判断光路故障时非常必要, 而 且在系统安装、 调测和日常维护时也很重要。 ? 波长计具有几种结构形式。 波长计赖以工作的原 理是光干涉测试法。 因为激光发出的光线是相干光, 因此视它们的相位关系不同, 光信号可以相互增强或 相互抵消。 我们假设把一束激光分成两束相同光强的 光束, 再强制这两束光中的一束比另一束走过更长一 段距离, 然后再让它们在感光传感器的感光表面上重 新会合。 感光传感器所检测到的光强, 可由零光强 (两束光反相情况)变到任一束光的光强的两倍(两 束光同相情况)。 ? 如果两个光路之一包含有一个可以运动的反光镜, 那么我们便可以高度准确和高度精密地测试物体的运 动参数, 因而也就可以确定光的波长。 如果忽略波 长数值的小数点后的部分, 我们说波长就等于光路长 度的变化除以感光传感器在我们改变光路长度时所检 测到的光功率的波峰数。 ? 如果我们在空气中来做这个实验, 就必须进行一 定的修正, 以便考虑光在空气中传播的速度cair 和光 在真空中传播的速度cvac 的不同。 cair 的大小也不是 一个常数, 它取决于空气的温度、 湿度和气压。 但 是, 如果我们知道环境条件, 我们就能查出cair的数 值。 我们还必须进行另一项修正, 以考虑波长的多 普勒频移( Doppler shift ), 此频移是在测试过程 中由变化的光路长度所引起的。 ? 显然, 波长计还可以使整个测试过程自动化起来。 在自动测试中, 我们只需把由被测光源来的一束光聚 焦在一个合适的测点上, 然后再用波长计去进行测试 就行了。 波长计可以改变光路长度, 数出光功率的 波峰数, 测试空气的温度、 湿度和气压, 查表和进 行修正, 作计算和列出计算结果。 ? 此外, 在测试数据中如果包含有可能被忽略的波 长的小数点部分, 如果有必要, 这种波长计也可对 此加以修正。 假设反光镜以一已知的恒定速度运动。 (反光镜就应当这样运动, 因为多普勒频移的计算需 要速度信息。) 现在, 我们再假定, 在反光镜运动 过程中, 波长计将测试在检测第一个波峰之前出现的 间隔和在检测最后一个波峰之后出现的间隔的宽度。 为了得到更精确的波长测试值, 波长计能把这些间隔 转换成光路长度的变化量, 然后再从光路的总长度变 化量中减去这些变化量。 当然, 如果所记录的波峰 数多, 那么修正量就小。 ? 波长计一般可以测试的指数有光波长及谱宽、 中 心波长、 峰值功率、 积分功率、 光信噪比、 DWDM 系统及器件的通道特性等。 波长计的一个重要用途就 在于测试PMD(极化模的色散)。 PMD是单模光纤的一 个重要特性, 这个特性既不完全稳定, 又不可以完 全预测。 发射进入这种光纤的单色光将分成传播速度 稍微不同且互为正交的一对分量。 不同的传播速度就 会产生不同的波长, 这种波长就可以用一合适的测试 设备——波长计来测试。 ? 9.6.2 光谱分析仪(OSA)及应用 ? 使用光谱分析仪测试得到的光功率是波长的函数, 最普通的实现途径是利用基于衍射光栅的光滤波器, 它的波长分辨率小于 0.1 nm 。 基于 Michelson 干涉仪 的波长计可以达到更高的波长精度(±0.001 nm )。 为了测试非常窄的线宽(典型单频半导体激光器的线 MHz), 光谱分析仪使用零差和外差检测技术。 ? 具有不同性能等级(例如波长分辨率)的光谱分 析仪可以用于测试光输出或器件的传输参数随波长的 变化规律。 波长分辨率由 OSA 中的光滤波器的带宽决 定。 分辨率带宽这个术语用于描述光滤波器的带宽。 典型的OSA中可选择滤波器的波长范围为0.1~10 nm。 ? OSA 通常扫描一个光谱区, 并在离散的波长点上 进行测试。 波长间隔, 也就是所谓的轨迹点间距取 决于仪器的带宽分辨能力。 ? 1. 光源特性 ? 用于光纤通信系统的基本光源主要有三种: 发光二 极管( LED ), 法布里 - 珀罗( F-P )激光器和分布反馈 式( DFB )激光器。 每种光源的波长与输出的关系完全 不同。 OSA 是快速准确测试这些器件输出频谱特性的通 用仪器。 ? 由于 LED 的发射光谱是宽带的连续谱, 它的 FWHM 谱 宽是 30 ~ 150 nm 。 图 9.25 是一个中心波长在 1300 nm 的 LED频谱的典型轨迹图。 OSA可以自动测试和显示的一些 值得关注的参数包括: ? (1) 输出总功率, 它是各轨迹点i的归一化输入功率Pi之 和, 轨迹点间距与分辨率带宽的比值可将输入功率归一 化, 也就是如果在频谱区内进行N次测试, 则 N 轨迹点间距 Ptotal ? ( Pi ) i ?1 分辨率带宽 (2) 平均波长,它是大量测试点的中心,其值由下式给出: ? ?tmean ? ? ( i ?1 N ?i Pi 轨迹点间距 i ?1 分辨率带宽 ) ? (3) 峰值波长, 它是LED频谱峰值处的波长。 ? (4) 半高全宽(FWHM), 它给出了半功率点, 也就是该 点处的功率谱密度的幅度是峰值处功率谱密度幅度的一半。 假设功率分布是连续的高斯分布, 则有关系式: ? FWHM=2.355σ ? 其中, σ是LED的rms谱宽, 可以使用OSA测试得到, 即 ? ? ? [(?i ? ?mean ) ( 2 2 i ?1 N 轨迹点间距 )] 分辨率带宽 ? (5) LED的3 dB谱宽, 其定义是LED频谱峰值两边两 个波长间的间距, 这两个波长上频谱密度是峰值功率 处频谱密度的一半。 mean(FWHM) mean(3 dB ) p eak wav eln sig ma RL-4 4.0 0 d Bm * SENS-7 2 d Bm +5 .0 0 d B/DIV LED Test =1 30 0.0 0 n m FWHM =1 30 1.8 8 n m 3 dB width =1 30 7.5 0 n m total p ower =3 9.9 1 n m p k den g( 1 n m) =9 3.9 7 n m =7 0.6 3 n m =-3 5.1 4 d Bm =-5 4.1 7 d Bm -4 7.1 7 d Bm MKR# 1W VL 1 30 8 .1 nm Marker Band wid th 3 05 .0 n m CENTER 13 32 .5 n m VB 3 k Hz RB 5 n m SPAN 50 0.0 nm ST 22 0 msec 图9.25 HP 71450光谱分析仪记录的LED频谱 ? OSA 可以自动测试的法布里 - 珀罗激光器的参数包 括: 频谱的FWHM或包络带宽、 中心波长、 模式间距 和激光器的总功率。 图 9.26 是法布里 - 珀罗激光器 光谱的典型轨迹图。类似于LED的输出总功率和平均波 长的计算公式, 也可以算出 F-P 激光器的输出总功率 和平均波长, 只是这里没有归一化因子, 因为F-P激 光器不像LED那样具有连续光谱。 Fab ry-Perot Test mean wav eln =1 29 2.8 6 n m p eak wav eln =1 29 4.6 7 n m mo d e spacin g =1 .1 3 n m (20 2.0 5 GHz) RL-6 .6 1d Bm * SENS-5 0 d Bm +5 .0 0 d B/DIV Sen sitivity -5 0.1 4 d Bm Laser FWHM =5 .2 6 n m p eak amp =-2 .9 3 d Bm total p ower =2 .3 2 d Bm sig ma =2 .2 3 n m MKR# 1W VL 1 29 4 .7 0 n m -2 .9 3 d Bm CENTER 12 93 .20 nm * RB0 .2 n m VB 3 k Hz SPAN 30 .00 nm ST 50 msec 图9.26 HP 71450光谱分析仪记录的F-P激光器频谱 ? 除了频谱更窄以外, 分布反馈式激光器和 F-P 激 光器相似。 OSA提供的可自动测试的DFB激光器参数包 括: 中心波长、 边模抑制比、 峰值功率和阻带特性 等。 边模抑制比是主模频谱成分与最大边模频谱的幅 度差。 所谓阻带, 是指与主模相邻的最大边模与比 它低一点的边模之间的波长间隔, 图 9.27 是典型的 DFB激光器的轨迹图。 p eak wav eln mo d e o ffset sto p b and cntr offset RL-0 .4 4 d Bm * SENS-5 5 d Bm +1 0.0 0 d B/DIV MARKER? 0 .8 5 n m -4 0.3 3 d B 1 DFB Laser Test =1 30 4.8 0 n m SMSR =0 .8 5 n m p eak amp =1 .8 3 n m b an dwidth =0 .0 6 n m =4 0.3 3 d Bc =-0 .3 2 d Bm =0 .2 12 n m (al -2 0.7 0 d B) MKR# 1?WVL0 .85 nm -4 0.3 3 d B CENTER 13 0 4.7 5 n m VB 3 k Hz * RB 0 .1n m SPAN 10 .00 nm ST 5 0 msec 图9.27 HP 71450光谱分析仪记录的DFB激光器频谱 ? 2. EDFA增益和噪声系数的测试 ? 在光放大器应用于光纤通信链路时, 增益和噪声 是放大器最重要的两个参数。 放大器的增益可以使用 光功率计、 电域频谱分析仪或光谱分析仪测试; 噪 声系数既可以使用电域频谱分析仪, 也可以使用光谱 分析仪测试。 每种方法都有自己的优势、 局限性和 难度级别。 这里我们仅讨论使用 OSA 测试 EDFA 的增益 与噪声系数。 ? 1) 增益测试 ? 图 9.28 给出了测试光放大器增益的基本装臵以及 OSA 的输出结果。 这个装臵中包括有可调谐激光器 (而且其输出功率电平也是可调节的)以及一个OSA。 测试步骤是: 先在不接入EDFA的情况下将光源连接到 OSA上, 测试未经过放大的光源的输出功率电平, 这 样就能得到图 9.28 中的频谱与波长关系曲线中下面那 条曲线; 然后再接入EDFA即可得到放大后的输出功率 电平, 即图中的上面那条曲线; 两条曲线的幅度差就 是放大器增益G。 ? 当使用 EDFA 放大几个光源输出的不同波长光信号 时, 这种测试方法也可以扩展到 WDM 系统。 然而, WDM系统测试的成本和复杂性随信道数的增加而迅速增 加, 所以可以采用简化的光源来近似地测试EDFA的增 益。 在这种方法中, 一个光源就能表示需要关注的 频谱区内所有的WDM信号。 放大后的输出 光谱 /(10 dBm/div) 定标 DFB 激光器 光隔离器 EDFA Ps 引入的ASE 光谱 分析仪 G 输入 1 53 0 1 55 0 波长/n m 1 57 0 图9.28 测试光放大器增益的基本装置和OSA显示的测试曲线) 噪声系数测试 ? 假设光检测过程仅受限于散粒噪声, 输入信号仅受 限于散粒噪声以及光带宽接近于零, 则噪声系数定义为 放大器的输入噪声与输出信噪比的比值。 在噪声系数的 测试过程中, 一个基本要求是: 测试使用的光源必须 具有可靠的输入功率和可变的波长范围, 同时还能产生 像 LED 那样的宽频谱, 也称为光源自发辐射( SSE )。 SSE随信号一起放大, 并加在EDFA的输出功率上。 因此, 为了只测试信号和EDFA的ASE作用, 就必须把SSE从测试 数据中扣除掉。 ? 测试光放大器的噪声有三种基本方法, 分别是 光源扣除法、 偏振消除法和时域消光法或脉冲法。 这里讨论第一种方法, 图9.29就是它的测试框图。 定标通道 半导体 激光器 EDFA 衰减器 光谱分析仪 光功率计 图9.29 使用光源扣除法测试EDFA的噪声系数的系统框图 ? 使用光源扣除法时, 激光器的SSE频谱密度PSSE是 在测试的定标阶段(即链路中没有光放大器)被测试 的, 并保存在OSA的定标文件中; 然后接入光放大器 并测试 EDFA 的总噪声谱密度 PASE , 其中包括 PSSE ; 最 后将信号功率 Pin注入EDFA并测试放大器的输出总功率 Pout, 其中包括ASE和放大的SSE。 在有了这些值之后, 就可以根据下面的等式计算出增益G和量子极限噪声系 数NF: Pout ? PASE G? PSSE 和 PASE 1 PSSE NF ? ? ? GhvB0 G hvB0 其中, ν是测试点上的光频率, B0是接收机光滤 波器的带宽。 计算NF公式中的最后一项表示要扣除放 大的SSE。 9.7 光衰减器及应用 ? 在许多实验或产品测试中, 可能需要测试高电平 光信号的特性。 如果电平太高, 比如是光放大器的 强输出, 则测试前信号需要经过精确衰减, 这样做 是为了避免仪器损坏或测试的过载失真。 光衰减器允 许用户降低光信号电平, 例如在特定波长上(通常是 1310 nm或1550 nm)经过精确处理步骤, 最高衰减能 达到60 dB(相当于106)。 ? 用于野外快速测试的设备, 其衰减范围的精度能 达到0.5 dB就可以了, 而实验室内使用的仪器的衰减 精度需要达到0.001 dB。 ? 目前常用的衰减器主要采用金属蒸发膜来吸收光能, 实现光的衰减, 故衰减量的大小与膜的厚度成正比。 光衰减器可分为固定衰减器和可变衰减器, 其结构如 图9.30所示。 1 0 d B档 反射光 连续可变(0 ~1 5d B) 光连接器 光纤 光纤 连接器 透镜 衰减部分(回转圆板) (b) 衰减板 衰减膜 (a) 图9.30 (a) 固定衰减器; (b) 可变衰减器 ? 图 9.30 ( a )为固定衰减器, 可以制成活动接头 的形式, 在光纤端面上按要求镀上一定厚度的金属膜 即可实现光的衰减。 它的衰减量是一定的, 用于调 节传输线路中某一区间的损耗, 要求体积小、 重量 轻。 具体规格有3 dB、 6 dB、 10 dB、 20 dB、 30 dB 、 40 dB的标准衰减量, 要求衰减量误差小于 10% 。 另外也有用空气衰减的, 即在光的通路上设臵一个几 微米的气隙, 即可实现光的固定衰减。 ? 图 9.30 ( b )为可变衰减器。 光纤输入的光经过 自聚焦透镜变成平行光束, 平行光束经过衰减片再送 到自聚焦透镜并耦合到输出光纤中。 衰减片通常是表 面蒸镀了金属吸收膜的玻璃基片。 为了减小反射光, 衰减片与光轴可以倾斜放臵。 连续可调光衰减器一般 采用旋转式结构, 衰减片不同区域的金属膜厚度不同, 这种衰减器可分为连续可变和分挡可变两种。 通常将 这两种可变衰减器组合起来使用, 衰减范围可达 60 dB以上, 衰减量误差小于10%。 ? 在测试光接收机灵敏度时, 需要用可变光衰减器 进行连续调节来观察光接收机的误码率。 在校正光功 率计和评价光传输设备时, 也要用到光可变衰减器。 光可变衰减器的主要技术指标是衰减范围、 衰减精度、 衰减重复性以及原始插入损耗等。 9.8 网络分析仪及应用 ? 在实验室、 生产和质量控制环境中, 许多仪器 都有替代模块, 使用这些替代模块可以完成各种不同 类型的测试。 图9.31是EXFO公司的一个多功能光测试系统, 它 包括一个主机的基本模块和一个扩展单元。 主机是一 个基于微处理器的单元, 它能进行数据编译和分析各 种测试仪器送来的数据。 这种测试系统具有可以控制 RS 232 通信能力的外部仪器, 它还具有网络功能, 可提供计算机的远程接入。 ? ? 这种即插式模块具有在很宽的范围内进行测试的 能力, 例如它可以提供的主要功能包括单信道或多信 道光功率计、 ASE 宽带源、 可调谐激光光源、 可变 衰减器、 光谱分析仪和PMD分析仪。 图9.31 基于PC的多功能光测试系统 ? 现在许多国内的公司也推出了新型的模块化光网 络测试仪, 兼容了 OTDR (光时域反射计)、 损耗测 试、 光谱分析和色散测试模块等, 有些仪器还具有 现场快速检测SDH/SONET设备支路侧的能力和网络业务 测试的能力。 日本安立公司推出了10 G的网络测试仪, 可以支持对包括XENPAK在内的10 G光接口的测试, 测 试范围扩展到10 M~10 G, 可以测试的项目包括吞吐 量、 延时、 在全线速下捕捉帧、 纠错等。 ? 1. 某工程师想测试一根1895 m长的光纤在波长1310 nm上的损耗, 惟一可用的仪器是光检测器, 它的输 出读数的单位是伏特。 利用这个仪器, 使用截断法 测试损耗。 该工程师测试得到光纤远端的光电二极管 的输出电压是3.31 V, 在离光源2 m处截断光纤后测 试得到光检测器的输出电压是3.78 V, 试求光纤的损 耗是多少 dB/km? ? 2. 根据光纤损耗测试中的截断法所依据的公式可知, 要测试的功率正比于光检测器的输出电压。 如果两次 功率测试的电压读数相差±0.1%, 则损耗精度的偏差 有多大? 若要获得优于±0.05 dB/km 的灵敏度, 光 纤至少应有多长? ? 3. 现已测得光纤的色散系数为120 ps/( nm·km), 当光源谱宽是2.5 nm时, 光纤的3 dB带宽有多宽? ? 4. 当采用对端环回 - 本端测试方法观测一段全长为 280 km的四次群光纤通信系统的全程误码时, 误码仪 每秒钟统计一次误码, 其结果如右表所示。(注: 表 中未标出的时间,其误码个数为0。) ? ? ? 试求: (1) 系统的平均误码率BER; (2) DM, SES, ES的平均百分数。 ? 5. 将 3 根 500 m 长的光纤有序地连接在一起, 然后使 用OTDR测试这段光纤的损耗, 得到的数据如图9.32所 示。 这3段光纤的损耗分别是多少 dB/km? 接头损耗 是多少 dB ? 第 2 段和第 3 段光纤接头处的接头损耗较 大的原因是什么? 1 00 相对后向散射功率 10 1 5 00 1 00 0 光纤长度/ m 1 50 0 图 9.32 题11用图 ? 6. OTDR 损耗测试的偏移量 U 是信噪比 SNR 的函数, 可 以近似地使用下面的等式表示: ? lgU=-0.2 SNR+0.6 ? 其中, U和SNR的单位是 dB。 如果一根长50 km的光 纤的末端有一个损耗为 0.5 dB 的接头, 使用精度为 0.5 dB的OTDR测试该接头的插入损耗, 请问OTDR的动 态范围应是多少?假设光纤的损耗系数是 0.33 dB/km 。 ?

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