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光纤链路现场认证测试(一) 光缆测试 OptiFiber
2004-11-06    安恒公司       阅读:

[安恒公司原创,转载请注明]

一、为什么进行光纤链路现场认证测试

随着光纤通信技术的应用越来越广,为了满足“高速率,大容量,远距离”通信的要求,制造光纤的原料的品种越来越多,光纤制作的工艺技术也有突破性发展,光纤的新品种和新结构不断出现,产品质量也不断的提高。但是,一条完整的光纤链路的性能不仅取决于光纤本身的质量,还取决于连接头的质量以及施工工艺和现场环境。所以对于光纤链路进行现场认证测试是十分必要的。

  1. 光纤链路现场认证测试的目的
    光纤链路现场认证测试是安装和维护光纤通信网络的必要部分,是确保电缆支持您计划采用的网络协议的一种重要方式。它的主要目的是遵循特定的标准检测光纤系统连接的质量,减少故障因素以及存在故障时找出光纤的故障点,从而进一步查找故障原因。
     
  2. 光纤链路现场认证测试标准
    目前光纤链路现场认证测试标准分为两大类:光纤系统标准和应用系统标准。

    http://anheng.com.cn/news/21/445.html 

    (1).光纤系统标准

    http://anheng.com.cn/news/21/445.html 

    光纤系统标准是独立于应用的光纤链路现场认证测试标准。对于不同光纤系统它的测试极限值是不固定的,它是基于电缆长度、适配器和接合点的可变标准。目前大多数光纤链路现场认证测试使用这种标准。世界范围内公认的标准主要有:北美地区的EIA/TIA—568—B标准和国际标准化组织的ISO/IEC 11801标准。EIA/TIA-568—B和ISO/IECIS 11801推荐使用62.5/125um多模光缆、50/125um多模光缆和8.3/125um多模光缆。

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    (2).光纤应用系统标准

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    光纤应用系统标准是基于安装光纤的特定应用的光纤链路现场认证测试标准。每种不同的光纤通信系统的测试标准是固定的。常用的光纤应用系统有:100BASE—FX、1000BASE—SX、1000BASE—LX、ATM等等。
     
  3. 光纤链路段

    http://anheng.com.cn/news/21/445.html 

    EIA/TIA—568—B中定义的光纤链路段模型为两个光纤接线段——水平光纤段和基干光纤段。典型的水平链路段为自电信出口/连接器到水平交叉接线。典型的基干链路段有三种:主交叉线至中间交叉线、主交叉线至水平交叉线和中间交叉线至水平交叉线。

网络应用

波长(nm)

对应光缆类型的

最长距离(m)

对应光缆类型的

链路余量(dB)

62.5

50

单模

62.5

50

单模

10Base-F

850

2000

2000

NS

12.5

7.8

NS

FOIRL

850

2000

NS

NS

8

NS

NS

Token Ring4/16

850

2000

2000

NS

13

8.3

NS

Demand Priority

850

500

500

NS

7.5

2.8

NS

(100VG—anyLAN)

1300

2000

2000

NS

7.0

2.3

NS

100Base—FX

1300

2000

2000

NS

11

6.3

NS

100Base—SX

850

300

300

NS

4.0

4.0

NS

FDDI

1300

2000

2000

40000

11.0

6.3

10—32

FDDI (low cost)

1300

500

500

NA

7.0

2.3

NA

ATM 52

1300

3000

3000

15000

10

5.3

7—12

ATM 155

1300

2000

2000

15000

10

5.3

7—12

ATM 155

850(Laser)

1000

1000

NA

7.2

7.2

NA

ATM 622

1300

500

500

15000

6.0

1.3

7—12

ATM 622

850(Laser)

300

300

NA

4.0

4.0

NA

Fiber Channel 266

1300

1500

1500

10000

6.0

5.5

6—14

Fiber Channel 266

850(Laser)

700

2000

NA

12.0

12.0

NA

Fiber Channel 1062

850(Laser)

300

500

NA

4.0

4.0

NA

Fiber Channel 1062

1300

NA

NA

10000

NA

NA

6—14

1000Base—SX

850(Laser)

220

550

NA

3.2

3.9

NA

1000Base—LX

1300

550

550

5000

4.0

3.5

4.7

ESCON

1300

3000

NS

20000

11

NS

16

NA=不可用。
NS=未定义。大多数未定义在单模光纤上运行的局域网都有介质转换器来实现在单模光纤上的运行。

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二、 光纤链路现场认证测试

对于光纤系统需要保证的是在接收端收到的信号应足够大,由于光纤传输数据时使用的是光信号,因此它不产生磁场,也就不会受到电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI),不需要对NEXT等参数进行测试,所以光纤系统的测试不同于铜导线系统的测试。

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参数大致都是相同的。在光纤链路现场认证测试中,主要是对光纤的光学特性和传输特性进行测试。光纤的光学特性和传输特性对光纤通信系统的工作波长、传输速率、传输容量、传输距离、和信号质量等有着重大影响。但由于光纤的色散、截止波长、模场直径、基带响应、数值孔径、有效面积、微弯敏感性等特性不受安装方法的有害影响,它们应由光纤制造厂家进行测试,不需进行现场测试。在EIA/TIA—568—B中规定光纤通信链路现场测试所需的单一性能参数为链路损失(衰减)。

  1. 光功率的测试

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    对光纤工程最基本的测试是在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的信号的强度,还是损失测试的基础。测试时把光功率计放在光纤的一端,把光源放在光纤的另一端。
  2. 光学连通性的测试

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    光纤通信系统的光学连通性表示光纤通信系统传输光功率的能力。通过在光纤通信系统的一端连接光源,在另一端连接光功率计,通过检测到的输出光功率可以确定光纤通信系统的光学连通性。当输出端测到的光功率与输入端实际输入的光功率的比值小于一定的数值时,则认为这条链路光学不连通。
  3. 光功率损失测试

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    光功率损失这一通用于光纤领域的术语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)。它表明了光纤通信链路对光能的传输损耗(传导特性),其对光纤质量的评定和确定光纤通信系统的中继距离起到决定性的作用。光信号在光纤中传播时,平均光功率延光纤长度方向成指数规律减少。在一根光纤网线中,从发送端到接收端之间存在的衰减越大,两者间可能传输的最大距离就越短。衰减对所有种类的网线系统在传输速度和传输距离上都产生负面的影响,但因为光纤传输中不存在串扰、EMI、RFI等问题,所以光纤传输对衰减的反应特别敏感。

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    图1.光纤通信链路的衰减

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    光功率损失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。光纤比铜缆更能抵制衰减,但即使网络没有使用非常长的光纤传输,仍然存在着显著的损失,这不是光纤本身的问题,而是安装时所作的连接的问题。光功率损失测试验证了是否正确安装了光纤和连接器。
    光功率损失测试的方法类似于光功率测试,只不过是使用一个标有刻度的光源产生信号,使用一个光功率计来测量实际到达光纤另一端的信号强度。光源和光功率计组合后称为光损失测试器(OLTS)。

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    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。在参照测试光纤上测量了光源功率之后,取下光功率计,将参照测光纤连同光源连接到要测试的光纤的另一端,而将光功率计连到另一端。测试完成后将两个测试结果相比较,就可以计算出实际链路的信号损失。这种测试有效的测量了在光纤中和参照测试光纤所连接的连接器上的损失量。

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    图2.损失测量是测量光功率的差

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    对于水平光纤链路的测量仅需在一个波长上进行测试,这是因为由于光纤长度短(小于90米),因波长变化而引起的衰减是不明显的,衰减测试结果应小于2.0dB。;对于基干光纤链路应以两个操作波长进行测试,即多模基干光纤链路使用850nm和1300nm波长进行测试,单模基干光纤链路使用1310nm和1550nm波长进行测量。1550nm的测试能确定光纤是否支持波分复用,还能发现在1310nm测试中不能发现的由微小的弯曲所导致的损失。由于在基干光纤链路现场测试中基干长度和可能的接头数取决于现场条件,因此应使用光纤链路衰减方程式根据EIA/TIA—568—B中规定的部件衰减值来确定验收测试的极限值。
  4. 光纤链路预算(OLB)

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    光纤链路预算是你的网络和应用中允许的最大信号损失量,这个值是根据网络实际情况和国际标准规定的损失量计算出来的。一条完整的光纤链路包括光纤、连接器和熔接点,所以在计算光纤链路最大损失极限时,要把这些因素全部考虑在内。光纤通信链路中光能损耗的起因是由光纤本身的损耗、连接器产生的损耗和熔接点产生的损耗三部分组成的。但由于光纤的长度、接头和熔接点数目的不定,造成光纤链路的测试标准不象双绞线那样是固定的,因此对每一条光纤链路测试的标准都必须通过计算才能得出。在EIA/TIA—568—B的光纤标准中,规定了光纤在各工作波长下的衰减率,每个耦合器和熔接点的衰减,这样用以下公式就可以计算出光纤链路的衰减极限值:

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    光纤链路衰减=光纤衰减+连接器衰减+熔接点衰减          ①
    光纤衰减=光纤衰减系数(dB/km)×光纤长度(km)         ②
    连接器衰减=连接器衰减/个×连接器个数                      ③
    熔接点衰减=熔接点衰减/个×熔接点个数                      ④

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    图3.光纤链路损失的原因

    http://anheng.com.cn/news/21/445.html 


    表2.EIA/TIA—568—B规定的衰减值

    种类

    工作波长(nm)

    衰减系数(dB/km)

    多模光纤

    850

    3.5

    多模光纤

    1300

    1.5

    单模室外光纤

    1310

    0.5

    单模室外光纤

    1550

    0.5

    单模室内光纤

    1310

    1.0

    单模室内光纤

    1550

    1.0

    连接器衰减

    0.75dB

    熔接点衰减

    0.3dB


    衰减极限=光纤衰减率×光纤长度(km)+耦合器衰减×耦合器数+熔接点衰减×溶接点数

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    例如:一条工作在850nm波长的光纤链路,长度为2km,使用了两个耦合器,一个溶接点。按照国际标准规定,光纤衰减率为3.5dB/km,每个耦合器的衰减为0.75dB,每个溶接点的衰减为0.3dB,则此链路的衰减极限为3.5×2+0.75×2+0.3×1=8.8dB,如果测试得到的值小于此值,说明此光纤链路的衰减在标准规定范围之内,链路合格;如果测试得到的值大于此值,说明此光纤链路的衰减在标准规定范围之外,链路不合格。


三、 光纤通信链路现场测试工具

  1. 光源

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    目前的光源主要有LED(发光二极管)光源和激光光源两种。LED光源虽然造价比较低,但是由于LED光源的功率及其散射等性能的缺陷,在短距离的局域网中应用较多;而在长距离的局域网主干中都使用传统的激光光源,但是激光光源设备昂贵。为了能够解决这两种光源的缺陷,近两年来,人们又研制出了一种新型的光源,这就是VCSEL(垂直腔体表面发射激光)光源。

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    图4.Fluke 单模激光光源、多模光源、单/多模光功率计

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    VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)是指垂直腔体表面发射激光器,是一种半导体类型的微激光二级管。它和目前通信设备上使用的传统边沿发光技术不同,它是在晶片上垂直地发光。和传统的激光光源器件相比,VCSEL激光光源有很多优势:在晶片上的制造效率很高;可以使用标准的制造方法和其它元件一起制造(不需要预先制造);封装以及测试都是在晶片上完成;传输速度高且耗能低,受温度影响小。总之,VCSEL是一种性能好且制造成本低的新型激光光源。 由于VCSEL光源的这些特点,它得到了越来越广泛的应用,特别是在千兆网中的应用。目前很多网络的互连设备,如交换机和路由器,都可以提供VCSEL光源的端口,从而使路由器和交换机的价格下降。如今使用最为广泛的是850nm的VCSEL多模激光光源。

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    表3.三种光源的比较

    光源类型

    工作波长

    光纤类型

    带宽

    元器件

    价格

    LED

    850nm

    多模

    >200MHz

    简单

    便宜

    Laser

    850、1310、1550nm

    单模

    >5GHz

    复杂

    昂贵

    VCSEL

    850nm

    多模

    >1GHz

    适中

    适中


  2. 光功率计

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    光功率计是测量光纤上传送的信号的强度的设备,用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中,测量光功率是最基本的。光功率计的原理非常像电子学中的万用表,只不过万用表测量的是电子,而光功率计测量的是光。通过测量发射端机或光网络的绝对功率,一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用,组成光损失测试器,则能够测量连接损耗、检验连续性,并帮助评估光纤链路传输质量。

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  3. 光时域反射计(OTDR)

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    现在,电信光缆传输网已成为承载着巨大信息量的信息高速公路。因此,保证其安全、畅通是非常重要的。这样就要求有一种能够准确地测量光纤传输特性的仪器、仪表,以便能够有时了解光纤的传输情况,发现光纤故障。光时域反射仪(OTDR)正是一种这样的光学仪表,是光缆施工、维护及监测中必不可少的工具。

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    OTDR根据光的后向散射原理制作,利用光在光纤中传播时产生的后向散射光来获取衰减的信息,可用于测量光纤衰减、接头损耗、光纤故障点定位以及了解光纤沿长度的损耗分布情况等。从某种意义上来说,光时域反射计(OTDR)的作用类似于在电缆测试中使用的时域反射计(TDR),只不过TDR测量的是由阻抗引起的信号反射,而OTDR测量的则是由光子的反向散射引起的信号反射。反向散射是对所有光纤都有影响的一种现象,是由于光子在光纤中发生反射所引起的。

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    图5.光子在光纤中的后向反射

    http://anheng.com.cn/news/21/445.html 

    通过分析OTDR接收到的光子反向散射信号波形图,技术人员可以看到整个系统的轮廓;确定光纤分段以及连接器的位置,并测量它们的性能;确定由于施工质量所导致的问题;如果知道光信号在光纤中传输的速率,OTDR可以根据信号发送和接收的时间差确定光纤断路等故障的位置。

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    图6.OTDR波形图

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    OTDR一般用于电信这种长距离的光纤通信系统的安装与维护中,过去在局域网的测试中很少使用到它。主要是因为一下几点原因:
    • OTDR不适于测量信号的光功率损失,在局域网中测量信号的光功率损失一般使用光损失测试器(OLTS)。
    • OTDR对距离的解析能力是有限制的,在短距离的局域网中使用OTDR得到的长度结果是不准确的,唯一有利的一点就是使用OTDR进行测试时不需要远端设备。
    • 要想通过分析OTDR测试的波形结果准确分析出故障的情况,是需要进行专业的训练和大量的实际经验的。
    • OTDR设备与在局域网中广泛使用的OLTS设备相比价格昂贵。

随着光纤在局域网和园区网中的应用越来越广泛,尤其是千兆网络和万兆网络应用的出现,对于短距离的光光纤链路的综合测试要求也也就日益强烈了。为此,诞生了新一代的短链路光纤认证测试 OTDR。这类OTDR不但能完成传统 OTDR的测试,更是由于其专为短链路设计的一些特性,使光缆布线系统的维护的测试有了向铜缆布线测试一样的便捷和集成。新的TIA TSB-140的光缆现场测试的规范也为这种应用起到了良好的促进作用。

[未完,待续] 

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