齐鲁医学光接口的传输指标和测试

第3章

光接口的传输指标和测试2021/9/301S点是紧靠着发送机（TX）的活动连接器（CTX）后的参考点，R点是紧靠着接收机(RX)的活动连接器(CRX)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CTXCRXSR光缆设施光接口示意图2021/9/3023.1发送机平均发送光功率的定义消光比光谱特性眼图模板2021/9/303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223-1或215-1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-9dBm、-6dBm、-3dBm；当采用LED光源时，一般不小于-30dBm2021/9/304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850nm1310nm1310nm2048LED≥-18≥-25≥-308448LDLED≥-12≥-18≥-9≥-25≥-9≥-3034368LDLED≥-12≥-20≥-9≥-25≥-9≥-30139264LDLED--≥-9-≥-9≥-302021/9/305测试方法速率为2.048Mbit/s和8.448Mbit/s的端机，要求送215-1序列的伪随机码，对于34.368Mbit/s和139.264Mbit/s的光端机，要求送223-1序列的伪随机码。其码型应符合电接口的码型要求，即：2.048Mbit/s、8.448Mbit/s和34.368Mbit/s三种电接口的码型应为HDB3码，139.264Mbit/s接口的码型应为CMI码。

连接器T′CS误码仪光端机光功率计平均发送光功率的测试图

2021/9/306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LT，而有的光功率计只能读得mw(PT)数，则可按下式换算成dBm，即：LT=10lg(10-3·PT)2021/9/307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3dB。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。2021/9/308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P1=2PT

2021/9/309无输入信号时，光端机输出平均发送光功率P0，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。

2021/9/3010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PT。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P0。3按定义计算可得到消光比值。

2021/9/3011光谱特性的定义

对于140Mbit/s速率及更低的速率情况下，通常为损耗受限系统

对于565Mbit/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

2021/9/3012最大均方根宽度（σ）

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，l1和l2是相对峰值功率跌落规定分贝数的波长，l0是峰值波长2021/9/3013σ的大小与积分区域的选择密切相关。若积分区域大，即l1和l2处功率电平相对峰值功率电平跌落的分贝数大，则求得的σ就大

ITU-T建议G.957规定跌落分贝数至少应为20dB，其值大小则随比特率而异。

dBdB01-x-x00l1l1l2l2ll

MLM的典型光谱特性

LED的典型光谱特性2021/9/3014最大-20dB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-20dB时的最大全宽来定义的高斯形主模光谱特性-20dB全宽=6.07σ

2.58倍的-3dB全宽t3

SLM的典型光谱特性dB0-200l1l2l2021/9/3015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(M1)平均光功率与最强的边模(M2)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30dB2021/9/3016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l1和长波长l2。2根据定义即可求得符合要求的光谱特性参数：σ、SMSR和-20dB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2021/9/3017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

2021/9/3018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2021/9/3019眼图模板的测试

STM-1STM-4

x1/x40.15/0.850.25/0.75x2/x30.35/0.650.40/0.60y1/y20.20/0.800.20/0.80

STM-16x3-x20.2y1/y20.25/0.75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OIEO光纤H(P)2021/9/3020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

2021/9/3021PDH-最大衰减最大允许衰减PSR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=-PT-PR-2Ac-Me=PSR-2Ac

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2021/9/3022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3dB光带宽(MHz)2048850LDLED51*10101310LDLED463010108448850LDLED47*20*1310LDLED****34368850LDLED41*50*1310LDLED35225050139264850LDLED35*100*1310LDLED27181001002021/9/3023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)20481310LD46

1550**84481310LD40不要求1550**343681310LD35不要求(MLM)1550**1392641310LD28215(MLM)155028*4×1392641310LD2492(MLM)155024*2021/9/3024再生段距离L1

2021/9/3025SDH-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

2021/9/3026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[P1(l)/P2(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

2021/9/3027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。2021/9/3028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。

2021/9/3029码间干扰产生的等效功率代价PISI

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

2021/9/3030模分配噪声所产生的等效功率代价PMNP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0.4~0.7，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。

2021/9/3031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。2021/9/3032一般将1dB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Ld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

2021/9/3033系统富余度

PDH：设备富余度Me和光缆富余度McMe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

(1~1.5)dB，光接收机随温度和时间的变化所导致的劣化大约为2dB，光连接器在其寿命和额定插拔次数内的磨损达0.2dB左右，Me大约至少需要(3~4)dB2021/9/3034光缆富余度Mc(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。

2021/9/3035国家标准GB11820规定市内单模光缆通信系统Mc取0.4dB/km，但最小取3dB，最大取10dB。国家标准GB13167规定长途单模光缆通信系统Mc取（0.1~0.2）dB/km，一般不超过5dB。长途通信系统Mc取（0.05~0.15）dB/km比较适宜，最大不超过5dB，最小不低于3dB。市话局间中继通信系统的Mc直接取（3~5）dB。

2021/9/3036系统富余度的测试

传输特性测试仪TXRXREGREGRXTX光功率计光纤本局对局环网G.703系统富余度测试图2021/9/30371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″(mw)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(mw)或PR(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-PR。

2021/9/3038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。2021/9/3039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PSPRS或R点P13

OCWR法测试图1232021/9/3040(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Ps。(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P32。(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P13。(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P0。(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Pr。2021/9/3041(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。

2021/9/3042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2021/9/3043(1)先将一已知反射系数为R0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H0，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：

2021/9/3044接收机

接收机灵敏度

动态范围

接收机反射系数

2021/9/3045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

2021/9/3046标称比特率kbit/s接收灵敏度(dBm)(BER≤1×10-11)850nm1310nmSI-APDPINPIN-FETAPD2048-60~-58-51~-49-54~-52-8448-58~-56-48~-46-50~-46-34368-52~-50-44~-40-44~-40-139264---38~-36-43~-402021/9/3047对于1.31mm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)PR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fb的倒数

2021/9/3048

噪声功率Z的影响

2Q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

2021/9/3049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，PR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2021/9/3050接收机灵敏度的测试

误码仪光端机SR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2021/9/3051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