电子测量技术（第2版）11第2部分

11.3.4模拟光发送机的特性测试在模拟系统中，时变模拟信号s(t)直接调制光源。因此调制度是模拟光发送机的一个重要指标。设无信号输入时，输出光功率为pt，则当输入信号为s(t)时，输出光信号pt为其中，是调制指数，它定义为参数是电流相对于偏置点的变化。为了防止输出信号失真，调制操作必须限制在P-I特性曲线的线性部分。在模拟通信系统中，m的典型值在0.25~0.5之间。式中，对于LED，有

；对于半导体激光器，有。（2）记录示波器在A点测试波形和直流电平，找到其负载电阻值，换算成和I，从而计算出调制度。+5V图11.7模拟光发送调制度测试原理图波型发生器模拟光发送机光纤跳线光功率机

SRRP501+5V光纤跳线A（1）波形发生器产生正弦信号，送入模拟光发送机。调试模拟光发送机使送到光发送模块的信号幅度最大而又不失真，可借助示波器在A点观测波形。光发送调制度的测试框图如图11.7所示。测试步骤如下：

11.3.5中继距离的测试假设光纤有足够带宽，传输中继距离L可由下式算出：(11-7)式中——发送的平均光功率；

——接收机的灵敏度；

——活动连接器的损耗，收发各一个；

——光纤损耗和每千米的光纤平均接续损耗；

——设备富余度和每千米光缆的富余度。P模拟光接收机的主要性能指标有用信噪比（S/N）、信号的失真度测量等。可参考前面章节中关于电压、噪声的测量方法。11.4光检测器与光接收机11.4.1模拟光接收机性能指标测试11.4.2数字光接收机性能指标1.灵敏度

灵敏度表示光接收机接收微弱信号的能力，直接决定光纤通信系统的中继距离和通信质量。

灵敏度定义为在给定误码率和信躁比条件下，光接收机所能接收的最小平均光功率。例如，当时，其最小光功率就是10－9W。越小，接收机的灵敏度越高，该接收机在很小的接收光功率条件下，就可以保证系统所要求的误码率。灵敏度的单位一般用dBm表示。它表示以ImW为基础的绝对功率电平。设测得的最小平均光功率为pmin，则灵敏度可以表示为

为了保证系统的正常工作，对输入信号光功率的增加必须限制一定的范围内，因为信号功率增加到某一数值时将对接收机的性能产生不良的影响。在模拟通信系统中，输入信号过大将使放大器过载，输出信号失真，降低信躁比，在数字通信中，输入信号功率增加到某一数值时，将使系统出现误码。2.动态范围光接收机的输入光信号只能在某一定的范围内变化，光接收机这种能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，可以表示为式中Pmax——光接收机在不误码率的条件下能接收的最大信号平均光功率；

Pmin——光接收机的灵敏度，即最小可接收光功率。

(11-8)式中——光源可能超过设计要求的光功率，一般在

1~2dB范围内；

——光纤线路最大的中继距离；

——光纤线路每公里的富余度，一般在

0.2~0.4dB/km内取值

——设备富余度，一般在3~6dB取值。

根据我国情况，要求动态范围应优于18dB。设计时可根据线路的要求来考虑。设计所要求的的动态范围可用公式计算造成误码的原因有系统内部噪声及定位抖动，此外还有色散引起的码间干扰等。3.误码特性(1)误码的含义误码是指在数字传输系统中判决再生电路输出码元出现错误的概率，即当发送端发送“l”码或“0”码时，接收端收到的却是“0”码或“1”码的概率。常用误码性能参数来衡量误码对传输质量的影响大小。因为数字信号在传输时发生错误，就会影响传输系统的传输质量。BER=误码个数/传输的总码元数（2）平均误码率(BER)工程上常采用长期平均误码率(BER)来表示误码性能。BER是指在一段相当长的测试时问内(>24小时)出现的误码个数与传输的总码元数的比值，可表示为其中传输的总码元数等于系统传输码速率与测试时间的乘积。平均误码率在系统设计中有广泛应用。但BER只反映了测试时间的平均误码结果，无法反映误码的随机性和突发性，这种局限性可由严重误码秒(SES)和误码秒(ES)二种误码性能参数来弥补。数字信号的单元脉冲在有效瞬时偏离其理想的时间位置的非积累性偏离现象叫抖动。偏离的时间范围叫抖动幅度；偏离的时间间隔对时间的变化率叫做抖动频率。抖动是由接收机的噪声和光纤中的脉冲失真引起的。4.抖动现象5.可靠性在实际中，常用输入抖动容限、无输入抖动时的输出抖动、抖动转移特性来描述抖动数字光纤抖动系统现象。

可靠性是光纤数字系统的另一个重要指标，它常用系统无故障工作的概率R表示，其表达式为

(11-9)光接收机的灵敏度测试框图如图11.8所示。图11.8光接收机灵敏度测试原理图

误码分析仪数字光发送机光功率机S光可变衰减器R数字光接收机11.4.3数字光接收机性能指标的测试1.灵敏度的测试（3）调整光衰减器，逐步增大光衰减，使输入光接收机的光功率逐步减小，系统处于误码状态。然后，逐步减小光衰减器的水溅，逐渐增加光接收机的输入光功率，使误码逐渐减少，当在一定的观察时间内，使误码个数少于某一要求时，即达到系统所需要的误码率。测试步骤如下：（1）误码分析仪向数字光发送机送入PCM测试信号。（2）用光功率计检测测数字光接收机输入的光功率。（4）在测试灵敏度时，一定要注意测试时间的长短。误码率是一个统计平均的参数，各类系统光接收机灵敏度测试的时间t如表11-1所示。1250

≤10-111.25

≤10-1029.1

28

≤10-9140Mbit/s34Mbit/s8Mbit/s

2Mbit/s码速t/min误码率2.动态范围的测试光接收机的动态范围测试系统图与灵敏度测试图相同。其测试步骤如下：（1）误码分析仪向数字光发送机送入PCM测试信号。（2）用光功率计检测测数字光接收机输入的光功率。（3）调整光衰减器，使输入光功率逐渐增大，系统处于误码状态，测出系统输入的最大平均光功率pmax；然后再调节使输入光接收机的平均光功率也随着减少，系统处于稳定工作状态，测得系统最小平均光功率pmin，则动态范围

3.眼图测量法眼图是用示波器实时显示波形，是评估数字传输系统数据处理能力的一种有效的测量方法。图11.9眼图测量法基本连线图光发送机光缆

伪随机比特流发生器触发数据输出

示波器垂直触发光接受机

（2）眼睛张开的顶端与信号电平的最大值之间的垂直距离表示了最大失真，眼睛张开的高度表示了噪声蓉限或抗噪声的能力。示波器比特流通过光纤系统后输出的波形，波形的形状象人眼一样，从输出眼图中可以读出系统的性能信息。如：（1）眼图张开的宽度表明了接收信号的抽样间隔，在此间隔内抽样能抵抗码间串扰的影响，不发生误码。接收波形的最佳抽样时间在眼睛张开最大处。（3）闭眼的速率随抽样时间变化而变化，它决定系统对定时误差的敏感程度，斜率变小，则定时误差的可能性增加。（5）信道的任何非线性传输特性都会产生眼图的不对称性，如果完全随机的数据流通过理想的线性系统，张开的眼睛是不变的，也是对称的。即无码间干扰和噪声时，眼图象人眼一样完全张开，图形清晰；当有码间干扰存在时，图中眼睛不能完全张开，且图形不清楚。（4）门限电平处的失真可指示抖动值。在实际测试中，为方便起见，都采用对端电接口环回，本端测试的方法，测试方框图如图11.10所示。

码型发生器误码测试仪发送接收

发送接收误码仪光端机中继器光端机图11.10系统误码性能参数测试框图4.误码测量一般误码的测试时间在24h以上，最后根据统计的误码结果计算出BER、SES和Es指标。由测试方法可知，这些指标是实际光纤通信系统指标的2倍。输入端串接电缆作为信号衰减器，在不同电缆衰耗、不同抖动频率下，改变抖动幅度，以无误码时的最大输出抖动幅度作为最大允许输入抖动。最后抖动幅度以UI为单位；抖动频率Hz为单位，按测试数据画出最大允许抖动曲线。图11.11输入抖动容限端对端测试框图光发送机光缆抖动信号发生器抖动分析仪光接收机衰减电缆5.抖动测量（1）输入抖动容限测量改变抖动信号发生器的抖动频率和抖动幅度，造成光系统输入信号按不同幅度抖动，用抖动分析仪在对端光接口处监测误码。

输出抖动指系统无输入抖动时的输出抖动，其测试框图如图11.12所示。测量输出抖动时，输入端不加衰减器，不加抖动，用伪随机码发生器作信号源；用抖动检测器测得该点下的峰-峰抖动即为系统的最大输出抖动。图11.12输出抖动测试框图光发送机光缆抖动信号发生器抖动分析仪光发送机系统输出抖动与输入抖动之比为抖动增益，不同抖动频率下的抖动增益特性即系统的抖动转移特性。（2）输出抖动（3）抖动转移特性11.5常用光纤通信仪表与应用稳定光源是指输出的光功率、波长及光谱宽度等特性都是稳定不变的光源。在光通信技术中光纤损耗测量、连接损耗测量及光接收机灵敏度的测量等都要用到光源。1.稳定光源的工作原理

11.5.1稳定光源图11.13稳定光源工作原理框图发光器件输出光电检测反馈放大温度控制ATC功率控制APC利用光电二极管监测激光管的背向光，测量其输出功率的大小，并以此控制激光器的偏置电流，构成负反馈环路的自动功率控制（APC）电路，达到稳定功率的目的。同时利用热敏电阻和致冷器构成自动温度控制（ATC）电路，达到稳定温度的目的。稳定光源波长应与使用的波长相符，发光元件、输出光功率和输出稳定性要综合考虑。一般激光器输出光功率较大、谱线窄、但稳定性稍差；发光二极管光源输出功率较小、谱线宽度要比LD光源大十倍甚至数十倍，但稳定性一般比LD光源好。使用稳定光源的一个测试实例如图11.14所示。2.稳定光源的使用图11.14使用稳定光源测试实例图滤模器发送机被测光纤光源发送机

θ光电检测器稳定光源11.5.2光功率计光功率计用于测量光信号的强弱，是光纤测量中最基本的仪器。光探头是光敏面面积较大的锗或硅半导体PIN光电二极管，被测光投射到光敏面上时，半导体中的价带电子激发到导带，偏置电路中便会出现光电流，通过负载电流—电压变换，此电压信号经线性放大后，由数字式显示器显示。光电流的大小随输入光强的大小而变化，因此显示器可以直接读出光功率的大小。1.光功率计的工作原理图11.15光功率计的原理框图光电检测器I/V变换放大显示光功率计的主要技术指标是测量灵敏度和测量精度。选择光源和功率计时，应使灵敏度和测量精度配合，使构成系统测量的动态范围大于被测线路的总损耗12dB以上。光功率计的精度指标一般定为5％，测量时应保证被测光纤与光电二极管的光敏面对正，且能重复地保持合适的距离，使各处的连接务必插到位。2.光功率计的使用

光功率计其主要工作原理是背向反射法。由于光纤本身的缺陷和掺杂成分的不均匀，使得掺杂分子在光子作用下会发生散射现象。当光脉冲通过光纤传输时，沿光纤长度上的各点均会引起散射，其强弱与通过该处的光功率成正比，而散射又与光纤的衰耗有直接关系，因此其强弱也就反映了光纤各点衰耗大小。11.5.3光时域反射计（OTDR）1.光时域反射计的工作原理

光时域反射仪是通过被测光纤中产生的背向瑞利散射信号来工作的，因此也叫背向散射仪。是光通信系统工程检测最重要的仪表。由于散射光是向四面八放传播的，反射光总有一部分反向传输到输入端，这样，根据反射光的散射情况就可以判断光纤的衰耗情况。如传输通道完全中断，则从此点以后的背向散射光功率也降到零。测试系统如图11.16所示。

脉冲发生器定向耦合器光纤光电检测器低噪声放大器信号处理器显示放大图11.16光时域反射计工作原理框图

OTDR的量程是指在屏幕上可以显示的最大测量距离。这项指标包含两项内容，一是仪器的最大扫描距离，反映OTDR光源输出光功率的大小及探测灵敏度；二是分档，分档时可以将扫描曲线局部放大，与OTDR分辨能力有关。2.光时域反射计的主要技术指标（1）工作波长

OTDR的工作波长是指其光源输出的光波长。这个光波长应与光纤系统的传输波长一致。OTDR的工作波长一般分为0.85μm多模、1.3μm多模、1.3μm单模1.55μm单模四种。（2）量程

OTDR的最小标称盲区，是在脉宽选择最小档时的盲区宽度，一般为100m左右；当进行远距离测量时，仪表要加大光源的输出功率，这时脉宽需选择较大的值，相应的盲区宽度也要变大。

定义为波形的直线部分从盲区后的最高电平至末端噪声顶以上0.3dB以上的电平范围，动态范围反映了仪器的最大检测范围。（3）动态范围（4）盲区

OTDR测试时，由于受近端强烈的菲涅尔反射的影响，光纤背向瑞利散射信号曲线的始端被掩盖，因而始端光纤和接头的传输损耗无法观测，信号曲线被掩盖的这一小段距离范围称为盲区。

OTDR的读出分辩率是指屏上水平轴的距离坐标可以数字显示出的最小分度。读出分辨率与量程对应，量程越大，距离读数越粗；量程越小，读数越精。（5）读出分辨率

不同型号、不同厂家的OTDR的面板、配置等都是不相同，面板如图11.17所示。ABCDt1t2t3t4图11.17光时域反射计面板图3.光时域反射计的使用（1）面板图及主要控键作用•MENUS菜单键：进入子菜单，根据被测光纤的模式及波长窗口，选择合适的插件。•SETTINGS设定键：设置折射率n值。•CONFIG键：根据被测光纤的长度和衰耗的大小，选择合适的量程及光脉冲的宽度。•AUTO键：自动测量方式，可在视窗中观察到最佳化方式

•SPAN键：手动测量方式中设定量程。•Run／Stop键：运行/停止。•Params键：手动方式参数设置。•TRACE／EVENT：按动此键，事件一览表即显示在荧屏上。在表底部的视窗(全扫迹视窗，围绕标记的视窗)内。可观察到扫迹上所选事件的位置。对于表中的每个事件，可观察到其类型和部位，进而观察下述的测量结果：•NTXTMARKER:标记设置。•AROUNDMARKER：检查标记的位置，使标记尽可能靠近左上升沿，以获得最佳精度。•FULLTRACE：查看扫迹全程。•PRINT：打印结果。•SAVE：存储。(2)光时域反射计测量实例光时域反射计可测量光纤的衰耗、衰耗沿轴向的分布、光纤光缆的光学连续性、物理缺陷、接头损耗和光纤长度等。图11.17所示是用光时域反射计测量光纤衰耗的显示波形。其中横轴是时间，纵轴是信号强弱幅度。从图中可以看出光纤沿光纤轴向传输，输入端A点上有一束菲涅尔反射光最先被收到，且信号最强；随着B点、C点和D点的传输距离不同，回到输入端的时间也有先有后，在时间轴上依次展开。同时，由于衰耗不一样，在纵轴上反映的幅度就不一样。如t1时刻，对应A点传回的反射脉冲；t2时刻，对应B点传回的反射脉冲；从A至B，信号逐渐减弱而近于直线，说明这段光纤轴向衰减是均匀的。曲线在B点有一突降，说明光纤在此点有一个接点或因为其他缺陷，引起了对光信号的大的衰减；曲线在C点有一个突然上升的脉冲，说明此处有一个断裂面或因缺陷引起了菲涅尔反射；C点至D点这段图形不是直线，说明这段光纤轴向结构不太均匀；在D点之后信号突然消失，说明D点是终点或一个断点。

光时域反射仪12.5.4误码仪图11.18误码仪工作原理框图开关比特误码检测输出错误脉冲码型发生发生器

（图案选择）同步检测（b）误码仪接收部分原理图（a）误码仪发送部分原理图时钟信号发生器误码插入接口电路码型发生发生器

（图案选择）1.误码仪的工作原理接收部分由码型发生器、比特误码检测装置、开关电路和比较电路等组成。码型发生器产生一个与发送部分输出的码型完全相同且又严格同步的码，以此作标准，在比特比较器中与输入的图案进行逐比特比较，如果被测设备产生了任何一个错误比特，都会被检出误码，同时被误码计数器记录并显示。发送部分主要由时钟信号发生器、码型发生器和接口电路组成。码型发生器可以发生各种不同序列长度的伪随机码和人工码；接口电路用来实现输出CMI码、HDB3码、NRZ码、RZ码等，以便适应被测电路各种不同接口码型。输出码送入被测设备后，再由误码仪的接收部分接收。•比特率：内部时钟的比特率。•精度：≤±2×10-6（在室温下）•偏差：可发送±100×10-6的频偏。•码型图案：包括伪随机序列、人工码和零码插入。•插入误码：指bit或码字误码。•输出码：CMI、RZ、NRZ、AMI、HDB3码。•抖动调制：包括调制频率和灵敏度。2.误码仪的主要技术指标误码仪分收发两大部分，接收部分主要进行测量，其指标不尽相同。（1）发送机•比特率：内部时钟的比特率。•时钟输入：外部输入。•码型图案：包括伪随机序列、人工码和零码插入。•误码测量：包括测量方式和测量项目。如方式有比特误码、码组误码、码块误码等；测量项目则有误码率、误码计数、误码秒、不误码秒等•状态显示：通常有无信号、失步、AIS、<100误码等4种显示。•抖动测量：包括测量范围和测量内容。（2）接收机典型台式误码仪的主要功能控键和面板如图11.19所示。图11.19误码仪面板图3.误码仪的使用一般误码仪都有误码率、误码计数、误码秒以及不误码秒等多项测试功能，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。图11.20误码仪测试连线图误码仪发送部分误码仪接收部分