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第四章数字光纤通信系统性能测量 朱畅华综合业务网理论及关键技术国家重点实验室西安电子科技大学chhzhu 2011 2 2020 3 19 西安电子科技大学通信工程学院 1 可编辑 2 2 4 1数字光纤通信系统测量概述4 1 1假设参考连接 ITU T 原CCITT 建议中提出了一个数字传输参考模型 称为假设参考连接 HRX HypotheticalReferenceConnection 2020 3 19 可编辑 3 3 假设参考数字链路HRDL 最长的标准数字HRX为27500km 是根据综合业务数字网 ISDN 的性能要求和64kb s信号的全数字连接来考虑的 它由各级交换中心和许多假设参考数字链路 HRDL HypotheticalReferenceDataLink 组成 ITU T建议的HRDL长度为2500km 但由于各国国土面积不同 采用的HRDL长度也不同 我国 960 1 采用5000km 美国 936 4 和加拿大 997 1 采用6400km 而日本 37 8 采用2500km 2020 3 19 可编辑 4 4 假设参考数字段HRDS HRDL由许多假设参考数字段 HRDS HypotheticalReferenceDigitalSection 组成 在ITU T建议中用于长途传输的HRDS长度为280km 用于市话中继的HRDS长度为50km 我国用于长途传输的HRDS长度为420km 一级干线 和280km 二级干线 两种 2020 3 19 可编辑 5 5 4 1 2系统对性能指标的要求 系统总指标对误码率 BER 要求误码率反映了在数字传输过程中信息受到损害的程度 是衡量数字光纤通信系统传输质量优劣的一个非常重要的指标 误码率对话音影响程度 PCM编码 2020 3 19 可编辑 6 6 误码率随时间的变化关系 由于误码率随时间变化 用长时间内的平均误码率来衡量系统性能的优劣 显然不够准确 在实际监测和评定中 可采用误码时间百分数和误码率超过某一门限的百分数来衡量 SES DM 2020 3 19 可编辑 7 7 不可用时间和可用时间 不可用时间 在连续10s时间内 BER劣于1 10 3 也可称系统处于故障状态 可用时间 在故障排除后 如果连续10s时间内 BER优于1 10 3 则可用时间开始 2020 3 19 可编辑 8 8 几个参数 DM SES ES EFS 劣化分 DM DegradedMinute 严重误码秒 SES 误码秒 ES 无误码秒 EFS 电话业务误码率参数和HRX的误码率指标 2020 3 19 可编辑 9 指标换算 DM BER劣于10 6的分数 长期平均误码的换算64 103 60 10 6 3 84 每分钟最大误码数 设误码率为r 则平均每分钟的误码数为 64 103 60 r 服从poisson分布 r 6 2 10 7 2020 3 19 可编辑 10 10 最长HRX的电路质量等级划分 HRX误码率总指标按等级分配 SES剩余的0 1 用于高级或中级系统遇到最不利时使用 2020 3 19 可编辑 11 11 HRDS高级电路误码率指标 HRDS高级电路误码率指标 上表的误码率三项指标监测时间为1个月 在工程验收时执行存在一定困难 通常采用长期平均误码率来衡量 监测时间为24h 2020 3 19 可编辑 12 长期平均误码率 根据原CCITT的建议 对于25000km高级电路长期平均误码率BERav至多为1 10 7 则每公里BERav 4 10 12 km 280km数字段的BERav为1 12 10 9420km数字段的BERav为1 68 10 9取1 10 9作为标准 长度短于420km时 按1 10 9计算 长度长于420km时 先按长度比例进行折算 再按长度累计附加进去 设计值应比实际要求高1个数量级 即短于420km数字段按BERav 1 10 10设计 50km中继段按BERav 1 10 11设计 2020 3 19 可编辑 13 13 抖动对系统的影响 抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬时不稳定现象 可用数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差来定义 偏差时间范围称为抖动幅度 JP P 偏差时间大小对时间的变化率称为抖动频率 F 输入脉冲信号在某一平均位置左右变化 提取时钟信号在中心位置左右变化 2020 3 19 可编辑 14 抖动 抖动现象相当于对数字信号进行相位调制 表现为在稳定的脉冲图样中 前沿和后沿出现某些低频干扰 其频率一般为0 2kHz 抖动单位为UI UnitInterval 表示单位时隙 当脉冲信号为二电平NRZ时 1UI等于1bit信息所占时间 数值上等于传输速率fb的倒数 Tb 抖动对于数字信号相当于进行了相位调制 1UI相当于3600 14 2020 3 19 可编辑 15 各次群入口对抖动的要求 2020 3 19 可编辑 16 各符号的意义 2020 3 19 可编辑 17 4 1 3系统的可靠性指标 一般采用故障统计分析法确定可靠性 即根据现场实际调查结果 统计足够长时间内的故障次数 确定每两次故障的时间间隔和每次故障的修复时间 17 2020 3 19 可编辑 18 可靠性表示方法 可靠性R和故障率 可靠性R反映系统完成规定功能的能力 它是指在规定的条件和时间内系统无故障工作的概率 故障率 是系统工作到时间t 在单位时间内发生故障 功能失效 的概率 的单位为10 9 h 称为菲特 fit 1fit等于在109h内发生一次故障的概率 如果通信系统由n个部件组成 且故障率统计无关 18 2020 3 19 可编辑 19 可靠性表示方法 平均故障间隔时间MTBF可用率A和失效率PFMTTR为平均故障修复时间 不可用时间 失效率PF 19 2020 3 19 可编辑 20 失效率 在有备用系统的情况下 失效率为 式中m和n分别为主用系统数和备用系统数P MTTR MTBF MTTR 2020 3 19 可编辑 21 数字光缆通信系统可靠性指标 21 表中的MTTR给出的是一年的总的不可用时间 每次为6小时 2020 3 19 可编辑 22 4 2光发射机性能参数及测试 光发射机的功能是将来自电端机的电信号对光源发出的光波进行调制 成为已调光波 然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆进行传输 由光源 驱动器和调制器组成 常用的光源发光二极管 LED 短距离 低容量或模拟系统 其成本低 可靠性高激光二极管 LD 长距离 高速率系统分布式反馈激光二极管 DFB LD 应用于新的光纤通信技术 22 2020 3 19 可编辑 23 4 2 1平均发送光功率 光发射机的平均发送光功率是指在正常工作条件下 光发射机输出的平均光功率 即光源尾纤 pigtail 输出的平均光功率 23 采用该图 测得的发送光功率大小应该有波动 这和码型发生器发出的码字有关 在码字中 1 占的比例越多 光功率越大 只有发送的伪随机信号中 1 和 0 比例大致相等时 这时测得的光功率才是真实的平均发送光功率 2020 3 19 可编辑 24 4 2 2消光比 在数字光纤通信系统中 理论上光发射机在传送数字信号过程中 发 0 码时应无光功率输出 消光比 激光器在发射全 1 码时的光功率与全 0 码时发射的光功率之比 光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度 为了不使接收机的灵敏度明显下降 消光比一般应大于10dB 设激光器阈值电流Ith 一般取I0 0 85 0 9 Ith 令驱动脉冲电流的峰 峰值为Im 为避免结发热和码型效应 需满足关系式 24 2020 3 19 可编辑 25 4 3光接收机性能参数及测试4 3 1光接收机基本组成 常用光电检测器 PIN光电二极管和雪崩光电二极管 APD 光电检测器产生的电流非常微弱 nA A 必须先经前置放大器进行低噪声放大 25 模拟接收机 数字接收机 2020 3 19 可编辑 26 4 3 2光接收机的主要参数及其测试方法 灵敏度的测试动态范围接收过载功率 26 2020 3 19 可编辑 27 1 灵敏度的测试 灵敏度 在接收机调整到最佳状态时所能接收到的最小信号幅度 光接收机灵敏度通常用Pr表示 单位为dBm 表示在保证通信质量 限定误码率或是信噪比 的条件下 光接收机所需要的最小平均接收光功率min 27 2020 3 19 可编辑 28 灵敏度的测试 在测量光接收机灵敏度时 首先要确定系统所要求的误码率指标 注意定义中的最小平均光功率 所谓 最小 就是当接收机接收的光功率只要小于此值 误码率立即增加而达不到要求 灵敏度指的是平均光功率 光接收机的灵敏度就与传输信号的码型有关 码型不同 占空比不同 平均光功率也不同 即灵敏度就不同 因此 测试时必须选用正确的码型 28 2020 3 19 可编辑 29 灵敏度的测试 将对端 B 光端机的电接口发和收环接 误码仪选择合适的随机图案送入A光端机作测试信号 并观察误码变化 29 2020 3 19 可编辑 30 灵敏度的测试 30 调节可变光衰减器的衰减 逐步增大衰减值使接收到的光功率逐渐减小 直至误码仪显示的误码率为规定的指标值为止 断开光纤与光接收机的活动连接器 将光纤和光功率计连接后读出光功率计的读数 根据灵敏度定义计算接收灵敏度 2020 3 19 可编辑 31 2 动态范围 动态范围 在接收机调整到最佳状态时 所接收信号的最大与最小幅度之比 动态范围表示光接收机接收强光的能力 一般希望光接收机的动态范围越大越好 实际中一般为16 20dB 数字光接收机的动态范围一般应大于15dB 31 2020 3 19 可编辑 32 动态范围测试 将误码测试仪与光端机连接后 配置并选择合适的随机图案 减小可变光衰减器的衰减 增加光接收机或光中继器的输入信号光功率 使系统处于大误码状态 逐渐加大光衰减器的衰减 减小光接收机的输入信号光功率 直到系统恰好处于规定误码的稳定工作状态 断开光纤与接收机的连接 并将光纤和光功率计连接 则此时光功率计的读数即为光接收机所能承受的无误码的最大光功率Pmax 或称为过载功率 32 2020 3 19 可编辑 33 动态范围测试 33 将光纤重新和光接收机连接 加大光衰减器的衰减 减小光接收机的输入信号光功率 直到误码仪显示误码率为规定的指标值 断开光纤与接收机的连接 并将光纤和光功率计连接 则此时光功率计的读数即为光接收机所能接收的达到规定误码要求的最小光功率Pmin 即灵敏度 2020 3 19 可编辑 34 动态范围 34 利用动态范围的定义计算出动态范围 注意 动态范围的测试应考虑测试时间 在较长的时间内系统处于规定误码状态的条件下所测得的Pmax 才是较为准确的值 2020 3 19 可编辑 35 3 接收过载功率 接收过载功率 在接收端的BER达到的1 10 10所需要的平均接收光功率的最大值 当接收光功率高于接收灵敏度时 信噪比的改善会使BER变小 如果接收光功率继续增加 光接收机将进入非线性工作区 结果反而会使BER性能下降 35 A B之间的范围是接收机可正常工作的动态范围 2020 3 19 可编辑 36 4 4光纤通信系统性能测试4 4 1光端机收发自环测试 目的 初步验证光端机各部件能否正常工作 36 光端机自环测试框图 2020 3 19 可编辑 37 4 4 2抖动和漂移测试 在数字通信系统中 为了完全再生信号 在每个再生中继器或接收机内部要有产生定时信息的本地定时信号源 通常采用的方法是从输入信号中提取定时信息 即自定时 抖动 jitter 数字信号的各有效瞬间相对预期理想参考时间位置的短时偏离 发端的时钟是等间隔的 但在接收端从信号中提取出来的定时信号不再是等间隔的 而是随时间不规则波动的 这就是定时抖动 简称抖动 OffsetSkewJitter 37 2020 3 19 可编辑 38 抖动和漂移测试 漂移 wander 数字信号的各有效瞬间相对于其理想参考时间位置的缓慢偏移 抖动是一种 短时 概念 当抖动速率低到一定程度 这种 短时 概念长到某种程度 则称为漂移 从目前工程通用的技术方法看 高于几十赫兹的相位变化称为抖动 而低于此的相位变化称为漂移 最新修改的G 823建议中以10Hz变化为界 快慢二字正是抖动和偏移的本质差别之所在 抖动产生的原因 热噪声 散弹噪声漂移产生的原因 环境温度的变化 异步映射 时钟噪声和相位瞬变 38 2020 3 19 可编辑 39 抖动和漂移测试 抖动对各类业务的影响不同 数字语音信号耐受很大的抖动 1 4us 数字电视信号对抖动的容忍性差 5ns 39 2020 3 19 可编辑 40 抖动 漂移和滑动 抖动是码元出现的时刻随时间频繁的变化 如同码元在时间域上发抖一样 漂移看起来很像抖动 不同的仅仅是码元出现时刻变化的比较慢些 好象码元在时间域上慢慢漂游一样 一个数字信号序列在传输过程中如果丢失了若干码元 或者插进来若干码元统称为滑动 40 2020 3 19 可编辑 41 抖动测试 抖动测量是以带有抖动的定时信号 TG 与同一频率的不带抖动的参考定时信号 TR 之间的相位 或时间 比较为基础的 这两种定时信号在定时比较器中进行比较 产生一种与TG定时信号所带的抖动成正比的电压信号 即抖动信号G 然后对这种抖动信号进行相应的定标处理 就得出了抖动的数值估量 有效值或峰峰值 TR的产生预先提供通过抖动抑制器从TG中获得TG可直接接收的 也可从接收的数字信号 SG 中经定时恢复装置提取 41 2020 3 19 可编辑 42 抖动测量原理图 42 2020 3 19 可编辑 43 漂移测量基本原理图 43 输入信号和输出信号之间相对位置的最大移动量即为漂移峰峰值 为了使示波器上的信号延时量足够明显可读 希望测试线路长些为好 即应使线路系统产生的漂移远大于示波器的时间分辨力 2020 3 19 可编辑 44 4 4 3眼图 眼图测量法是在时域内完成的 可以使用示波器实时显示波形失真情况 44 眼图测量法的原理框图 2020 3 19 可编辑 45 眼图将接收波形输入示波器的垂直放大器 把 产生水平扫描的锯齿波周期与码元定时同步 则在示波器屏幕上可以观察到类似人眼的图案 称为 眼图 2020 3 19 可编辑 46 眼图将接收波形输入示波器的垂直放大器 把 产生水平扫描的锯齿波周期与码元定时同步 则在示波器屏幕上可以观察到类似人眼的图案 称为 眼图 2020 3 19 可编辑 47 眼图 眼图的几个重要特征 眼睛张开的高度和宽度 20 80 上升的时间和下降时间逻辑1和逻辑0电平处的脉冲突起逻辑0电平处的脉冲凹陷眼图的抖动 47 2020 3 19 可编辑 48 显示关键性能参数的简化眼图 48 2020 3 19 可编辑 49 眼图携载的信息 眼睛张开的宽度指定了接收信号的抽样间隔 眼睛张开的最大处为接收波形的最佳抽样时间 在抽样时间上 眼睛张开的高度表示了噪声容限或抗噪声的能力 闭眼的速率 也就是眼图斜边的斜率决定了系统对定时误差的敏感程度 49 2020 3 19 可编辑 50 4 5光纤 光缆及其测量 实用光纤主要有三种基本类型 突变型多模光纤 Step IndexFiber SIF 渐变型多模光纤 Graded IndexFiber GIF 单模光纤 Single ModeFiber SMF 相对于单模光纤而言 突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大 50 2020 3 19 可编辑 51 4 5 1光纤传输特性 色散 使光纤中传输的数字脉冲展宽引起码间干扰从而降低信号质量 损耗 使光纤中传输的光信号随着传输距离的增加而功率不断下降 目前 光纤通信常用的波长有890nm 1310nm和1550nm 其中1310nm光传输窗口又被称之为零色散窗口 光信号在此窗口传输色散最小 1550nm窗口称之为最小损耗窗口 光信号在此窗口传输的衰减最小 51 2020 3 19 可编辑 52 1 光纤损耗 1 吸收损耗本征吸收损耗 物质固有的吸收引起的损耗 杂质吸收损耗 材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质 原子缺陷吸收损耗 材料受到热辐射或光辐射作用时会受激而产生原子的缺陷 造成对光的吸收 产生损耗 2 散射损耗由于某种远小于波长的不均匀性 如折射率不均匀 掺杂离子浓度不均匀等 引起光的散射 从而构成光纤的散射损耗 3 辐射损耗微弯损耗 过渡弯曲损耗 宏弯损耗 52 2020 3 19 可编辑 53 2 光纤色散 当光脉冲通过一根光纤传输时 会发生时间上的分散 色散正是对这种分散的一种度量 有时候 色散指的是由传输时间延迟导致脉冲展宽带来的信号失真 53 2020 3 19 可编辑 54 三种类型光纤及内部色散引起的脉冲展宽图 54 a 阶跃型多模光纤 SIF Step IndexFiber b 渐变型多模光纤 GIF Graded IndexFilber c 单模光纤 SMF Single ModeFiber 2020 3 19 可编辑 55 光纤色散 1 模间色散 多模传输时同一波长分量的各种传导模式的相位常数不同 群速度不同 引起到达终端的光脉冲展宽的现象模间色散由慢速模和快速模的传播时间差引起 降低模间色散的方法 利用折射率渐变型光纤 折射率在芯轴上最高 沿径向向包层分界面折射率逐渐降低 减小折射率渐变型光纤中的脉冲展宽 即使用小芯径的光纤 也就是单模光纤 55 2020 3 19 可编辑 56 模间色散示意 2020 3 19 可编辑 57 渐变光纤内光线路径 57 2020 3 19 可编辑 58 光纤色散 2 模内色散 模内色散材料色散 与光纤材料的折射率有关 非单色光源具有一定的谱宽 光脉冲中不同波长的传播速度不同 当其沿光纤传输时就会展宽脉冲 波导色散 一种模式的传输速度依赖于其能量在芯和包层中的分布 在单模体系中 当光波长增加时 模场会进一步向包层扩展 传输速度降低 多模光纤中的总色散包括模内色散和模间色散 多模光纤中 波导色散和材料色散相比往往小到可以忽略 单模光纤中 只能传输一个模式 脉冲展宽几乎都是由模内色散所致 模间色散几乎为零 58 2020 3 19 可编辑 59 材料色散 光纤材料的折射率随频率 波长 而变 可使信号的各频率 波长 群速度不同引起色散 2020 3 19 可编辑 60 波导色散 模式本身的色散 即光纤中某一种导波模式在不同的频率下 相位常数不同 群速度不同而引起的色散 波导色散是光纤波导结构参数的函数 2020 3 19 可编辑 61 作为波长 函数的材料色散和波导色散 61 某特定波长下材料色散和波导色散可以相互抵消 总色散降为零 2020 3 19 可编辑 62 光纤色散 3 偏振色散 光纤是各向异性的晶体 一束光入射到光纤中被分解为两束折射光 这种现象就是光的双折射 内部因素波导形状双折射 光纤横截面的几何畸变引起 由于种种原因不可能拉制出圆形的纤芯光纤 光纤纤芯的椭圆度使其产生波导形状的双折射 应力双折射 光纤内部的应力引起 光纤的各组成材料热膨胀系数不一样 产生应力不平衡 导致纤芯材料各向异性 引起双折射 外部因素外部因素引起光纤双折射特性变化的原因 在于外部因素造成光纤的各向异性 机械 弯曲 扭绞 振动和受压电磁环境 强电场和强磁场 62 2020 3 19 可编辑 63 4 5 2光纤及光缆测试 1 光纤损耗测量光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离 在光纤内传输的光功率P随距离z的变化 直接法 剪断法 插入损耗法 在测出光纤输出和输入功率后利用损耗系数的定义直接计算得到光纤的损耗系数 后向散射法 利用光时域反射计 OTDR OpticalTimeDomainReflectometer 测量时将大功率的窄脉冲光注入到待测光纤中 由于后向瑞利散射光功率与传输光功率成比例 可以利用瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数 63 2020 3 19 可编辑 64 光纤损耗测量 剪断法 剪断法剪断法测量精度高 但具有破坏性 用于现场测试时困难 费时 64 2020 3 19 可编辑 65 光纤损耗测量 插入损耗法 插入损耗法不如切断法的精确度高 但是非破坏性的 测量简单方便 适合工程及维护使用 65 2020 3 19 可编辑 66 插入损耗法 实质上是将剪断法做成仪器 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 66 2020 3 19 可编辑 67 后向散射法测试原理框图 光纤中正向传输光功率为P 经过L1和L2点 L1P2 光检测器的后向散射光功率分别为Pd L1 和Pd L2 正向和反向平均损耗系数 67 2020 3 19 可编辑 68 OTDR 2020 3 19 可编辑 69 2 光纤色散及光带宽测试 从时域分析 光纤色散造成光脉冲的波形展宽从时域角度来测量光脉冲的展宽 时域法 测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽 又称脉冲法 从频域分析 光纤有色散表示光纤具有一定的传输带宽从频域角度来测量光纤的光带宽 频域法 测量通过光纤的频率响应 又称扫频法 69 2020 3 19 可编辑 70 带宽测量 脉冲法 时域法 基本思想 将已知形状的窄脉冲 通常宽度为几百ps 注入待测光纤 在光纤输出端记录下该展宽的光脉冲波形 由输出脉冲宽度与输入脉冲宽度的差值 就可以得出色散导致的脉冲展宽 70 2020 3 19 可编辑 71 带宽测量 频域法 扫频法 基本思想 扫频信号发生器输出各种频率的正弦信号 对光源进行直接光强调制 输出光经光纤传输和光检测后 由选频表直接获得频率响应 光源调制频率上限应大于光纤带宽 71 2020 3 19 可编辑 72 色散测量 色散是光在光纤中传播时 不同波长光的群时延不一样所表现出来的一种物理现象 色散的程度用色散系数表示 相移法 脉冲时延法和干涉法 2020 3 19 可编辑 73 色散测量 相移法用角频率为 的正弦信号调制光波 经长度为L的单模光纤传输后 其时间延迟 取决于光波长 不同时间延迟产生不同的相位 用波长为 1和 2的受调制光波分别通过被测光纤 由 1 2产生的时间延迟差为 相位移为 长度为L的光纤总色散为 73 将代入 得到 2020 3 19 可编辑 74 群时延相移法测量原理图 74 正弦波 参考信号 相位差 2020 3 19 可编辑 75 脉冲时延法 2020 3 19 可编辑 76 非色散位移 色散位移单模光纤 1 非色散位移单模光纤ITU TG 652也称为常规单模光纤 其性能特点是 在1310nm波长处的色散为零 在波长1550nm附近衰减系数最小 约为0 22dB km 但在1550nm附近其具有大色散系数 为17ps nm km 这种光纤工作波长既可选在1310nm波长区域 又可选在1550nm波长区域 它的最佳工作波长在1310nm区域 G 6