第13章 光纤及光纤通信系统的测量 13.1 光纤主要参数的测量 13.2 光发射机指标的测量 13.3 光接收机主要技术指标的测量 第13章 光纤及光纤通信系统的测量 13.1 光纤主要参数的测量 13.2 光发射机指标的测量 13.3 光接收机主要技术指标的测量 13.4 抖动容限和光端机告警功能的测量

13.1 光纤主要参数的测量 1. 光纤衰减的测量 衰减是光纤、光缆的重要传输特性之一。传输特性与光纤的激励条件及光纤所处的状态有关。对衰减的测量，是指测量每单位长度的衰减值(以dB/km表示)。只有当被测光纤处在模功率近似稳态分布条件下才有可能。 建立稳态模的方法主要有三种：  (1) 扰模法。利用扰模器，使被测光纤在距注入端不远处产生周期性弯曲，或者利用突变—渐变—突变光纤顺序排列插入光源与被测光纤之间。

扰模器如图13.1所示。 它由若干可移动的圆柱体组成。圆柱体的数量和它们之间的距离是可以调节的。 将光纤曲折地绕在扰模器的圆柱体上， 可以使光纤内的高次模损失而保存低次模，即改变光纤传输的模分布。恰当地调节圆柱体的个数和距离，就可以建立稳态模。  为了检验光纤传输是否建立了稳态模，可以先用长光纤(L＞Le)接入光源不加扰模器，测得光纤功率的稳态分布。然后用长度约3 m的短光纤经扰模器，观察光纤输出功率的模场分布， 并与长光纤所得的稳态模比较。调节圆柱体的个数和间距，使两者相似，扰模器即调整合适。

图 13.1 扰模器

(2) 利用一根超过耦合长度的长光纤(500 m~1 km)来建立稳态模接在光源和被测光纤之间。

(3) 小光斑、小数值孔径(匹配)注入。 

光纤衰减测量的常用方法 1) 切断法 已知光纤长度为L，将被测光纤经扰模器接至光源，如图13.2所示。 图 13.2 切断法测光纤衰减

先测得光纤终端输出功率P2。 然后在扰模器附近的地方切断，测得光功率P1， 它相当于输入光纤的功率。如果略去扰模器上的短光纤的长度， 则光纤每千米衰减为 (13.1) 光纤的端面必须平整清洁，否则将影响测量的正确性。  切断法是测量光纤衰减最基本、最直观、最简单的方法， 精确性较高， 但它必须破坏光纤，一般在工程现场不能采用。

2) 插入法 插入法原理如图13.3所示。利用长光纤(L′＞Le)建立稳态模。光源发送固定的光功率，于是在光纤终端接收到的光功率可以表示光纤的衰减值。如果接收端装有对数放大器，则光纤衰减可用dB数直读。

图 13.3 插入法测光纤衰减

3) 反向散射法(光时域反射仪) 反向散射法测量光纤衰减，其工作原理与光学雷达相似。 当光纤输入端注入一个强脉冲并沿光纤传输时，由于光纤内部存在微小不均匀而产生瑞利散射，在反方向观察到衰减的连续回波， 利用回波可以测量光纤的平均衰减系数、沿光纤长度衰减系数的变化、接头损耗等等。  按上述原理做成的仪器叫做光学时域反射仪。用一个方向耦合器或波束分离器将周期性的窄光脉冲注入光纤一端， 因瑞利散射引起的回波用高速响应的检测器检波，通过分析反向散射回波波形来确定光纤特性。反向散射法的测试装置构成如图13.4所示，

图 13.4 光学时域反射仪

回波波形如图13.5所示，它有一些明显的特点： ① 由光纤输入端面Fresnel反射引起的初始脉冲。 在理想情况下，光纤端面反射大约4%的功率； ② 沿光纤长度分布的反向散射光， 沿着光纤受到衰减；③ 光纤连接接头的光功率损耗， 引起回波的突然下降；④ 光纤断裂处，Fresnel反射引起脉冲上升， 利用初始脉冲与断裂处反射脉冲之间的时间差，可以确定光纤断裂位置， 即

图 13.5 回波波形

利用光时域反射仪可以测量光纤任意点的衰减，参阅图13 利用光时域反射仪可以测量光纤任意点的衰减，参阅图13.5。 当光脉冲到达L1时，发生的反射脉冲回到始端的强度为P1。同样， 光脉冲到达离L1的距离为ΔL的点L2时，发生的反射脉冲回到始端的强度为P2。 从而求得L1 ~ L2间的平均衰减为 (13.3)

光时域反射分析仪(OTDR)测量光纤的缺点是两端测出的衰减值有差别， 这是因为无法控制反向散射的模场分布，从而导致测出的光纤衰减与散射损耗值不会真正相等，通常要取两端测出的平均值。  另外，用OTDR测量光纤时，在始端有一个盲区(端面反射区)，多模光纤的盲区较小； 单模光纤的盲区则较大， 相当于100 m左右长的光纤。因此，测量单模光纤时，要先连接长度在100 m以上的参考光纤，才能进行测试。  应当指出，用OTDR测光纤时，在两根光纤的连接点可能出现“增益”假象，其实这是连接点的光反射。这种情况只出现在两根光纤芯径不同时，当光由较大的芯径向较小的芯径传输时， 有一部分光在连接点产生反射，从而出现增益的假象。

2. 光纤带宽的测量 1) 时域法 图 13.6 时域法测试方框图

脉冲发生器产生出很窄的电脉冲波， 驱动激光器产生很窄的光脉冲。测试时，首先将被测光纤接在收和发两端之间，测出光纤的脉冲输出波形f2(t)；然后在离发送端2~3 m 处剪断光纤， 测量短段光纤的输出波形f1(t)作为被测光纤的输入波形，接收端的计算机按间隔时间逐点取样，进行快速傅里叶变换(FFT)， 得出频域曲线并计算出光纤的带宽值。

如果接收端没有计算机设备， 也可用估算法求出光纤带宽， 由式(8.17)可得带宽 式中，τ的单位为ns，为f1(t), f2(t)的半高全宽。此时， f1(t), f2(t)以接近高斯波形为宜。

例如，设τ1=0.5 ns，τ2=1.2ns，则 用估算法测光纤带宽时，除其波形应接近高斯型外， 其发送脉冲应很窄并满足τ2＞1.4τ1，否则精确度差。

2) 频域法 频域法的原理是在光纤的输入端送入光正弦信号，在光纤输出端由选频表读取经检测器变换出来的电信号幅值，在保持送入信号幅值不变的情况下，改变其频率，输出端信号幅值下降6 dB时频率变化的范围即为光纤带宽(电带宽)。 实际测量时，采用扫频法。而不必逐点读取，见图13.7。采用频域法测量光纤的带宽，要求检测接收系统的频率响应应与光源的调制频率相适应，在测试的光功率范围内检测系统应是线性的。因此，测试时需先将发送端与接收端用一般短光纤相连，将发送功率调到接收器的线性范围内。频域法测量光纤带宽的测试分两步进行： 第一步测出被测光纤的输出光功率谱；第二步在注入端2 m处剪断光纤并测出其光功率谱，即输入的光功率谱(见图13.8)，测出6 dB的电带宽。

图 13.7 频域法测试方框图

3) 带宽与线路长度的换算 上述两种方法所测出的带宽都是光纤全长的总带宽Ｂ′， 而工程上要知道光纤每千米的带宽值。设每千米带宽值为B， 长度为L km，总带宽为B′，则按式(8.19)，B=B′LE MHz·km。

图 13.8 频域法测试曲线

13.2 光发射机指标的测量 1. 光发射机平均输出光功率的测量 13.2 光发射机指标的测量 1. 光发射机平均输出光功率的测量 这里所说的平均输出光功率是指光发射机输入伪随机码时的平均输出光功率。因此，该项指标的测试应该按照图 13.9 所示的框图进行。端机接电源稳定工作后，PCM系统分析仪(或伪码发生器 )便送出伪随机码。这样，在不需要太多费用的情况下， 便可进行该项指标的测试。

图 13.9 光发射机平均输出光功率和消光比测量框图

对光发射机的光源调制后，由光功率计测出此时光发射机的平均输出光功率。 测量时应注意光功率计的选择。对短波长系统，必须选用短波长的光功率计， 或者换用短波长的探头。长波长系统应该选用长波长的光功率计或换长波长探头。 光功率一般用相对值“dBm”或者用绝对值“μW”表示。

2. 光发射机消光比的测量 消光比是光发射机的重要技术指标。在数字通信系统中， 光发射机发送的是“0”码和“1”码的光脉冲。 完善的光发射机， 在发“0”码时应无光功率输出。 实际的光发射机，由于其本身的缺陷，在发“0”码时会有残留矮尖脉冲存在，或者由于直流偏置IB的选择不当，光发射机在工作时会有多余光功率输出。 表明光发射机存在这种缺点的程度用消光比(EXT)表示。

光发射机在发“0”码时有矮尖脉冲存在，或者光发射机在工作时有一定多余光功率输出等现象，称为光发射机调制的不完善。上述两种现象都要产生额外噪声使系统的信噪比恶化， 从而影响光接收机的灵敏度。消光比越大，灵敏度下降越厉害。因此，为了保证光接收机有足够的接收灵敏度，通常要求光发射机的消光比小于 0.1，即要求EXT<0.1。可见，测量光发射机是否满足EXT<0.1的要求，对保证光接收机灵敏度是十分重要的。

光发射机消光比的测量系统框图， 仍见图 13.9。 按照定义， 测量时首先测出全“0”码时的平均输出光功率P0，然后再测出全“1”码时的平均输出光功率P1。PCM系统分析仪或伪码发生器送出的是伪随机码， 基本上认为它产生“1”码的概率与产生“0”码的概率是相等的。因此，实测的全“1”码平均输出光功率P1应乘以 2。考虑到这一情况后，光发射机的消光比应该按照下式计算： (13.4)

实际操作时，先将光发射机接通电源，待其工作稳定后， PCM系统分析仪便送出伪随机码信号。 这时，通过光功率计测出平均输出光功率P1。然后，将光端机中的码变换盘拔出，再测光发射机此时的输出光功率，即全“0”码时的光功率P0。最后， 按式(13.4)计算出该光发射机的消光比EXT。例如，实测值分别为P1=6.23 μW，P0 =3.8 μW，通过式(13.4) 计算得EXT=0.3。 显然，该光发射机消光比不符合要求，应该采取措施降低消 光比。

13.3 光接收机主要技术指标的测量 1. 光接收机接收灵敏度的测量 图 13.10 光接收机灵敏度和动态范围测试系统框图

按照图 13.10 进行光接收机灵敏度测试时，还应考虑到光纤活动连接器的损耗值。由于灵敏度功率Pmin是在活动连接器前测量的，因此实际灵敏度应该减去活动连接器的损耗。例如， 经测试按式(1０.19)计算出光接收机的接收灵敏度为Pr=-50.3 dBm，光纤活动连接器的损耗为 0.7 dBm，则光接收机的实际接收灵敏度应该为-50.3-0.7=-51 dBm。 另外，在对光纤通信系统进行接收机灵敏度测量时，由于系统的两端都有光接收机，因此测试可在本端环路进行，也可在远端环路进行。

2. 光接收机动态范围的测量 光接收机的动态范围和接收灵敏度一样，是衡量光接收机质量好坏的重要技术指标。在实际的光纤数字通信系统中，由于种种原因(例如， 光纤损耗随温度的变化和光源输出光功率随使用时间的增长而下降等等)，都会导致光接收机输入光功率的变化。因此，一部质量好的光接收机，不仅要有高的接收灵敏度，而且也应该有较大的动态范围。这样，才能保证系统在各种条件下稳定可靠地工作。所以，测量光接收机的动态范围， 对保证系统正常工作是十分重要的。

13.4 抖动容限和光端机告警功能的测量 1. 抖动 光接收机的判决再生电路是要恢复发送端原来的码元，这就要求两端的时钟必须同频同相，即判决有最佳时刻。所谓抖动, 是数字信号上升沿相对于标准位置的变化。如果判决时每次与最佳时刻均不同，这种情况叫抖动。因此, 要求判决时钟的抖动尽可能小。衡量抖动大小的单位是UI，它是判决时刻与最佳时刻的偏离值Δτ与码元周期T之比，即

例如, 定时偏差为 5 ns，而传输码周期是 100 ns，则抖动为5/100=0 例如, 定时偏差为 5 ns，而传输码周期是 100 ns，则抖动为5/100=0.05 UI。也就是说，抖动是以单位时隙UI来表示的， 即一个码元时隙为 1 UI，也可以用度数来表示，1 UI=360°。 引起抖动的原因很多，最主要的是噪声和干扰叠加在输入信号上，在变换成脉冲波形时，引起相位调制而成抖动, 见图 13.11，噪声越大时抖动越大。

图 13.11 噪声引起抖动

2. 抖动容限的测量 为了保证系统的性能指标，就要把信号脉冲的抖动限制在一定的范围之内，这就是所谓的抖动容限。抖动容限分输入抖动容限和无输入抖动时的输出抖动容限。前者是指光纤通信系统允许输入脉冲信号的抖动范围，而后者则为无输入信号抖动的情况下系统输出信号的抖动范围。 它们都和光端机的性能有关。

不同的传输系统，抖动容限的指标是不一样的。彩色电视信号传输系统的系统抖动容限值小于等于7 不同的传输系统，抖动容限的指标是不一样的。彩色电视信号传输系统的系统抖动容限值小于等于7.2°(≈2%UI)， 语音、 数据信号传输系统的系统抖动容限值小于等于15°(≈4%UI)， 数字复用设备的抖动容限值应符合G.823 文件的要求。 测量抖动容限应按输入抖动容限和无输入抖动时的输出抖动容限分别进行。图 13.12 所示为输入抖动容限测量系统的方框图。 测量时，先将开关S置于1-1′处， 接通电源，系统工作稳定后， PCM系统分析仪便送出伪随机码。同时，应监视系统的误码情况。低频信号发生器的低频输出信号送至PCM系统分析仪，用以调制其伪随机码。在低频信号发生器的频率范围100Hz~300 kHz内选择几个频率点。在每一个频率点上固定其频率值不变， 然后逐步加大低频信号发生器的输出幅度，直至发生误码为止。 这时，将开关S置换于2 - 2′处，通过PCM系统分析仪便可测出对应于该频率点时的输入抖动容限。

图 13.12 输入抖动容限测试系统框图  

为了使系统能够在各种应用情况下的性能指标都符合要求， 输入抖动容限的测量应该在系统的两端分别进行。同时，在每一端应按以下三种情况测量： 输入接口不加衰减、加6 dB衰减和 12 dB衰减。 无输入抖动时输出抖动容限的测量完全可以按照输入抖动容限的测试方法进行。为了实现无输入抖动，PCM系统分析仪的伪随机码不需要用低频信号去调制，这样，不加低频信号时， 通过PCM系统分析仪便可测出无输入抖动时的输出抖动容限。

3. 光端机告警功能的测量 一个性能完善的光纤通信系统，为了使用和维护的方便， 光端机应具有各种告警功能。 这些告警功能是： ① PCM信号中断告警； ② 光发射机无光功率输出告警； ③ 光接收机无电信号输出告警； ④ 系统误码率低于10 -5 告警； ⑤ 主干电源中断告警； ⑥ 光源寿命终止告警。 所有以上各项告警功能都属于光纤通信系统的附属系统。 为了保证光纤通信系统能够稳定可靠地工作，所有这些附属系统的功能都应齐全、完备。因此，对这些告警功能都应该逐项进行测量。

一个光纤通信系统，光端机除具有上述各项功能外，还应有“截铃”功能。若系统出现故障，告警铃声响，以通知值班人员去排除故障。告警铃声有一定的连续作响时间，超过这个时限， 铃声停止，这就是“截铃”功能。另外，为了能让值班人员随时了解系统工作情况， 在光端机上可设置计数器，用以不中断业务的误码监测；还有，若在光端机处放一示波器，将光接收机的输出并接到该示波器上，则可从示波器上观察到系统的“眼图”，从而可从“眼图”的情况初步估计到系统的功能。所有这些辅助功能，在系统投入运行前都应进行认真测试，以确保系统投入运行后各项辅助功能正常工作。所有这些辅助功能的测试工作都应在通信系统现场进行。