通信设备测量与仪表(上)

通信设备测量与仪表2011年度目录第一章概述一、通信设备概述二、通信测试仪表概述第二章光通信测试仪表第三章无线通信测试仪表第一章概述一、通信设备概述分类：有线传输设备核心网设备接入网设备无线通信设备第一章概述二、通信设备测试仪表概述光通信测试仪表--------PDH/SDH分析仪等无线通信测试仪表---------频谱分析仪、天馈线分析仪等数据测试仪表---------以太网分析仪等信令测试仪表---------7号信令分析仪等其他常用仪表第二章光通信测试仪表一、光源-----稳定光源稳定光源是产生已知功率和波长的光.它与光功率计结合在一起，可以测量光纤系统的光损耗。对现成的光纤系统，通常也可把系统的发射端机当作稳定光源。如果端机无法工作或没有端机，则需要单独的稳定光源。稳定光源的波长应与系统端机的波长尽可能一致。在系统安装完毕后，经常需要测量端到端损耗，以便确定连接损耗是否满足设计要求，如：测量连接器、接续点的损耗以及光纤本体损耗。常用光源光源是光纤测试的主要组成部分，是光特性测试不可缺少的信号源。–用途与分类光纤通信测量中使用的光源有三种：稳定光源、白色光源（即宽谱线光源）及可见光光源。稳定光源发光二极管式稳定光源发光二极管是比较稳定的半导体发光器件，只要工作环境温度保持一定，其输出光功率就可以在长时间内保持稳定。LED稳定光源LED稳定光源原理框图LD稳定光源下图为实现输出光功率稳定的激光二极管式稳定光源的原理框图。稳定光源的种类与型号进口---CMA5,CMA50,EPM50,OLS3X,…国产及合资---GT-3E01/11,AV38126A,……稳定光源选择光源应考虑如下方面：激光管（LD）来自LD发射的光，波长带宽窄，几乎是单色光，即单波长。与LED相比，通过其光谱波段（小于5nm）的激光不是连续的，在中心波长的两边，还发射几个较低峰值的波长。与LED光源相比，虽然激光光源提供更大功率，但价格高于LED。激光管常用于损耗超过10dB的长途单模系统。应尽量避免用激光光源测量多模光纤。发光二极管（LED）：LED具有比LD更宽的光谱，通常范围为50～200nm。另外，LED光是非干涉光，因而输出功率更加稳定。LED光源比LD光源要便宜的多，但对最坏情况损耗测量显得功率不足。LED光源典型应用在短距离网络和多模光纤的局域网LAN中。LED可以用于激光光源单模系统进行精确损耗测量，但前提条件是要求其输出足够功率。稳定光源CMA5/50OLP3X稳定光源主要性能指标工作波长谱宽输出功率输出调节分辨率稳定度调制频率适应光纤类型光接口类型稳定光源一般使用步骤开机直至光源工作稳定。选择工作波长。打开光开关。调节光源输出光功率为测试需要的光功率。将光源输出用尾纤连接到被测件。第二章光通信测试仪表二、可调谐光源可调谐激光器从实现技术上看主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基于电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。机械控制主要是基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB（分布反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。常用可调谐光源OSICSECL400TUNICS_PLUSAgilent81600BFLS-2600B可调谐光源应用测量宽带WDM器件的特性光纤或光器件的CD或PMD测量多信道仿真新光纤材料评估可调谐光源主要特征参数波长范围波长设置分辨率波长精度波长稳定性输出功率输出功率稳定度边模抑制比调谐速度调谐重复性OSICSECL400配置和主要技术指标TUNICS_PLUS配置和主要技术指标可调谐光源使用选择正确的主机与测试模块开机直到光源工作稳定设置调谐波长范围设置输出功率连接被测物件开始测试。二、光功率计分为台式和手持两大类。常见为手持式的。台式功率计常用于无源和有源关器件的生产线上。手持式光功率计常用于光纤通信设备的安装与维护。光功率计的组成及工作原理光功率计一般都由显示器（又称指示器，属于主机部分）和检测器（探头）两大部分组成，一种典型的数字显示光功率计工作原理框图见下页，该仪器采用低噪声、大面积光电二极管作为探测元件，采用了先进的斩光同相检测技术，采用微机辅助控制与数据处理以及电磁三防等措施，面板操作简单舒适，读数直观、准确、可靠。它所配用的探头也实现了智能化，便于测量各种不同类型的被测光，而各探测器均自带校准因子，可进行自动波长相应度补偿，开机后只需输入波长数即可直接读数。同时亦可自调零、自选项有量程、数据平均和数据存储等。功率计原理框图检测器：实现O/E转换I/V变换：电流/电压转换低通滤波器：滤出与信号幅度相关的电压值。波长校准电路：补偿不同波长响应度的差别。A/D变换：模数转换数字显示：显示测试条件与测试结果。常见功率计CMA5/50OLP-55/OLP-57FPM300/600光功率计的测量方法线性显示方式。以最基本的光功率单位W及其派生单位mW、μW、nW、pW等为单位进行功率值的显示。测量某被测光的绝对功率大小时常用这种方式。对数显示方式。以光功率的对数分贝值为单位进行功率值的显示。光通信中常用以mW为参考值的dBm单位来表示功率，dBm与mW换算公式为：Pm是光功率以dBm为单位时的数值；P是光功率以mW为单位时的数值相对测量方式。把被测光功率的dBm减去预先选定的功率参考值，再进行显示，此时的读数是一个相对值，单位为dB，而dB单位实际上就是在取定1mW作为功率参考值的相对测量方式的特殊情形，相对测量数值与对数显示数值的关系是：Pr为相对测量方式的读数；Pm为对数显示时的光功率读数；Pm0是以dBm为单位时的参考光功率值。光功率计的使用步骤开机。按下电源开关键“POWER”，开机后仪表进行自检、显示标志。调零。调零主要是对光探测其的暗电流及噪声等功率的消除，因此应将探测器完全遮光（用保护盖即可），当然也可以在背景光下调零，但背景光不能超过最小量程的一半。调零只需按“ZERO”键即可自动进行。在测试中的任何时候都可重新对探测器进行遮光调零。波长及校准因子的设定。根据被测光波长设定右显示窗内的波长值。测量方式的选择及量程选择。根据测试特点，可以用“dBm/W”及“dB（REL）”键选定测量方式，测量方式在测试中可随时按需要相互改变。三、光多用表/光损耗测试仪光源+光功率计除可进行光功率绝对、相对测量外，还可自成系统完成光纤、光缆及光无源器件光衰减等参数的测量实验室熟悉两种仪表的功能特性。四、光时域反射仪（OTDR）光时域反射仪OTDR，是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表。OTDR用于光缆线路的施工、维护之中，可以进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。学习目的（1）掌握用背向散射法测量光纤衰减和光纤长度的原理；（2）掌握用背向散射法测量光纤衰减和光纤长度的方法和操作步骤。（3）掌握光时域反射仪的工作原理和基本使用方法光时域反射仪概述光时域反射仪OTDR（OpticalTimeDomainReflectometer），是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，广泛应用于实验、教学和施工现场。OTDR采用背向散射测试技术，能够测试整个光纤链路的衰减，并能提供和长度有关的衰减细节。OTDR同时可测试接头损耗及故障点。它具有非破坏性且只需在一端测试的优点。OTDR功能多、操作简便、测量的重复性高、体积小、不须其它仪表配合、能自动存储和打印测量结果，目前已成为光通信系统工程检测中最重要的仪表。光时域反射仪（OTDR）的主要功能为：􀂙（1）单光盘光缆传输损耗和光缆长度的检测。􀂙（2）光缆连接工艺的监测。􀂙（3）中继段状态的测量，包括各盘光缆的损耗、各个接头的损耗及整个种极端的平均损耗的测量。􀂙（4）线路故障原因及故障点位置的准确判断。􀂙（5）OTDR自动存储、打印的背向散射信号曲线可以作为线路的重要技术档案。OTDR工作原理瑞利散射•瑞利散射：当光线在光纤中传播时，由于光纤中存在着分子级大小的结构上的不均匀，光线的一部分能量会改变其原有传播方向向四周散射，这种现象被称为瑞利散射。其强度与波长的4次方（4）成反比，其中又有一部分散射光线和原来的传播方向相反，被称为背向散射，如图下图所示。OTDR工作原理菲涅尔反射•当光线由一种媒质进入另一种媒质时，会产生的一种反射。其反射强度与两种媒质的相对折射率的平方成正比。如下图所示，一束能量为P0的光，由媒质1（折射率为nl）进入媒质2（折射率为n2）产生的反射信号为P1，则OTDR工作原理OTDR利用光纤的上述特性进行工作，原理框图如图OTDR工作原理当光纤的一端注入一个功率为P0的窄脉冲在光纤传输时，距输入端距离为L的A点经背向散射回到输入端的光功率为其中，S：光纤背向散射系数；α：光纤传输衰减常数。光信号由注入端进入光纤到达A点经背向散射回到注入端的时间t和L之间的关系为其中，c：光在真空中的传播速度（3×105km/s）。nl：光纤纤芯折射率。t：一束光由注入端起到回到该点的时间。OTDR工作原理可见，只要测出光信号返回时间及其对应的光功率就可算出光纤的长度，并由下式进行光纤衰减计算。在上图中，光纤中B点经散射返回到始端的光功率为则A～B间光纤的衰减为根据上述原理，由光纤一端注入一个很窄的光脉冲，以在该端接收背向散射信号，并对数处理后，所得结果作为纵坐标，以信号回到该点的时间先后为横坐标（实际仪表显示采取长度L=ct/2n），显示该光纤的背向散射曲线，如下页图所示。典型OTDR显示曲线曲线说明OA段：为盲区，其长度和注入光脉冲宽度成正比。A～B、B～C、C～D段：均匀光纤。B点：光纤的熔接接头产生的下降台阶。C点：光纤的活动连接器接头产生的菲涅尔反射的下降台阶或由光纤裂缝产生的局部菲涅尔反射。D点：光纤末端由于光纤与空气之间的折射率差而产生的菲涅尔反射。在曲线中只要读出两点的电平差就是该点间的光纤衰减；水平两点间的差即为该两点间的距离；下降台阶的高度即表征了光纤的接头衰减。上述结果仪表均可直接读出，并可得到光纤的衰减常数α，根据光在光纤中传输的速度与时间的关系，可测出光纤长度。OTDR的主要参数指标动态范围：当被测光纤过长时，测试曲线就会出现如下页图9-18所示的情况。仪表实际可以测量的光纤最大长度为式中：D称为OTDR的动态范围，即：初始背向散射电平与噪声电平的差值（dB）定义为动态范围，α为光纤的衰减常数。由分析可知：对衰减一定的光纤，仪表的动态范围越大，可测量光纤长度越长，反之越短；对同一动态范围的仪表，光纤衰减越小，可测长度越长，反之越短。OTDR的动态范围并不是越大越好。DW示意图OTDR的主要参数指标盲区盲区是指：由于光纤和仪表耦合时存在空隙，由此产生的菲涅尔反射远大于背向散射，致使放大器饱和，而掩盖了背向散射信号，致使仪表无法测量那段光纤长度，如下图所示。注：实际工程测量时，常加入一段“过渡光纤”来减小盲区对测量结果的影响。OTDR的主要参数指标盲区菲涅尔反射盲区/反射盲区决定OTDR近端影响距离的大小，目前业界最小为5-8米事件盲区决定OTDR分辨事件的能力大小，目前业界最小为0.8米OTDR的主要参数指标脉冲宽度:影响测量量程和距离测量精度测量点数:影响测量时间和距离分辨率折射率: