34 KiB
2.2光纤测试标准和参数
本章节内容可参见《网络测试和故障诊断 第二版》3.4.1 潘凯恩 主编 电子工业出版社
图片和内容版权所有，未经授权，请勿转载！
光纤测试标准和参数
光纤测试的GB/T 50312－2016标准中规定，依据不同波长应测试损耗和长度两项参数。在TIA TSB-140标准被纳入EIA/TIA 568标准后，国际上将二级测试作为可选测试，并非强制测试内容。TIA TSB-140标准将光纤测试等级分为一级测试和二级测试两类。
一级测试
一级测试主要用于确保高质量的网络性能和完整性，由三项内容组成：
① 验证光纤长度；
② 验证极性；
③ 测量整个光纤链路的损耗，判断是否小于指定的损耗值。
一级测试结果如图3.73所示，所有三个测试项目都可以借助光纤损耗测试装置（Optical Loss Test Set，OLTS）完成。当然，不是所有的OLTS仪器都有具备测试长度的能力。虽然有时通过光纤护套上标记的数字也可以推断光纤长度，但是实际数字不一定准确。建议在进行一级测试时测量长度，可以避免光纤超长导致损耗测试结果判断无效。
所有的光纤布线链路都需要进行一级测试，测试基于链路的长度和光纤类型。通过类型选择计算系数，然后乘以长度，计算出允许的最大损耗值。
根据ANSI/TIA 568.3-D中的定义，光纤损耗由光纤链路、跳线和连接器损耗构成。链路的损耗定义为：
光纤链路损耗（Link Attenuation）=光纤本身损耗（Cable_Attn）+连接器总损耗（Connector_ Attn）+熔接点总损耗（Splice_Attn）
说明：
光纤本身损耗（dB）=损耗系数（dB/km）´长度（km）。
连接器总损耗（dB）=连接器数量´单个连接器的损耗（dB），其中，单个连接器允许的最大损耗为0.75dB。
熔接点总损耗（dB）=熔接点数量´单个熔接点的损耗，其中，单个熔接点允许的最大损耗为0.3dB。
如果一根长度为200m的多模光纤有两个连接器，工作波长为850nm，依据ANSI/TIA 568.3-D标准，光纤对应的每千米损耗为3dB，单个连接器的损耗为0.75dB，则此光纤的最大允许损耗为2.1dB（3´0.2+2´0.75=2.1dB）。
二级测试
二级测试为一级测试加上OTDR（Optical Time Domain Reflectometer，光时域反射计）Trace曲线和事件判断。OTDR测试可以检测插入损耗、连接器反射、熔接点位置、意外损耗事件等，判断安装质量，而这些在OLTS测试中是无法获得的。
二级测试的内容包括：① 验证光纤长度；② 验证极性；③ 损耗；④ OTDR Trace曲线图和事件。
二级测试引入了OTDR轨迹图（或称Trace曲线图），这是一个沿着光纤链路基于长度的光纤事件图，如图3.74所示。借助轨迹图可以区分光纤中连接器、熔接点和弯折信息。OTDR轨迹测试得到的损耗不能完全取代OLTS测试得到的损耗。两种测试虽然都可以获得损耗值，但是，一级测试模拟实际光纤传输模型，通过光源发送，由对端光功率计接收，符合真实网络中的传输模型。OTDR测试采用反射原理，由于每段光纤不同器件反射系数存在差异，测量误差相对较大。二级测试多用于故障判断，一级测试用于验收评估，两种测试可以互为补充。
光纤测试仪进行测试时不仅要考虑损耗，还要考虑模式带宽。万兆网络如10GBase-SR要求OM3光纤总链路损耗在2.6dB以下，而要求OM2光纤总链路损耗在2.3dB以下。高速网络对光纤本身提出了高要求。为了提高速率，需要光纤本身支持更高的模式带宽，尤其是广泛应用于局域网中的多模光纤，不同的模式带宽MBW（OM1、OM2、OM3、OM4和OM5对应不同的模式带宽）对应的链路长度有所不同，对应的最大损耗也是有差异的，见表3.20。换而言之，仅损耗合格不能保证被测链路可以支持万兆网络，还必须有相对应的模式带宽。
表3.20 光纤芯径和模式带宽与长度对应表
| 光纤芯径/mm | 模式带宽/（MHz/km） | 光纤的最大支持长度/m | |
|---|---|---|---|
| OM1 | 62.5 | 200(LED) | 33 |
| OM2 | 50 | 500(LED) | 82 |
| OM3 | 50 | 2000(VCSEL) | 300 |
| OM4 | 50 | 4700(VCSEL) | 400 |
| OM5 | 50 | 4700(VCSEL) | 400 |
注：满注入采用LED光源，有效注入采用VCSEL光源。
在测量光纤时要注意色散问题。很多交换机接口的光源已经从LED光源改为VCSEL光源，就是为了降低色散，避免传输过程中光信号脉冲被过度展宽。为了更真实地评测光纤的性能，对于50mm的光纤，建议测试中也采用VCSEL光源。
:::tip[光纤测试小结①] 选用正确的测试标准，如元器件标准或应用标准。如果清楚当前网络的应用情况，例如，被测链路是运行1000Base-SX的，那么采用应用标准进行测试；如果不清楚应用情况，那么采用元器件标准进行测试，如ISO和TIA中的相应标准。 ::: :::tip[光纤测试小结②] 注意模式带宽。在升级链路时，需要考虑当前使用的光纤是否满足最低模式带宽的要求，测试时也要根据光纤类型，如OM1、OM2、OM3、OM4等，进行测试标准选择。 ::: :::tip[光纤测试小结③] 选用正确的光源。测试时选用的光源最好与网络实际使用的光源一致。 ::: :::tip[光纤测试小结④] 根据测试要求来决定选用哪一级的测试。一级测试适用于光纤损耗的认证测试，二级测试适用于光纤性能评估及故障定位测试。 :::
OLTS测试方法
一级测试需要测试光纤链路（包括光纤、连接器件和熔接点）的损耗值。
光纤组成光缆，光缆分为水平光缆、建筑物主干光缆和建筑群主干光缆。进行光纤测试前，先对测试光纤跳线设定参考值，进行归零以去除跳线的影响。ANSI/TIA-526-14-D标准中规定了多模光纤测试参考值设定方法，ANSI/TIA-526-7标准中规定了单模光纤测试参考值设定方法。
水平光纤链路长度一般在90m以下，所以对不同波长下的损耗几乎没有差别。测试时仅需要测试一个波长（850nm或1300nm），损耗测试值应小于2.0dB（具体参照ANSI/TIA-526-14-D标准中的方法B，又称一跳线法）。在带有CP点的开放式办公布线环境中，损耗值要小于2.75dB；在安装有多用户信息插座的环境中，损耗值应小于2.0dB。
垂直光纤链路应在两个波长上测试至少一个方向的数值。单模垂直链路要测试1310nm和1550nm两个波长，1550nm波长比1310nm波长的弯曲损耗更大（具体参照ANSI/TIA-526-7标准中的方法A.1）。
多模干线链路需要在850nm和1300nm波长上按照ANSI/TIA-526-14-D标准中的方法B进行测试，即一跳线法。
因为主干光纤的长度和熔接点数量不尽相同，所以链路损耗需要进行相关计算。
ANSI/TIA-526标准提供了多种室内光纤测试方法。在ANSI/TIA-526-7标准中给出了单模光纤的三种测试方法，分别是A.1、A.2和A.3，在ANSI/TIA-526-14-D标准中给出了多模光纤的三种测试方法，分别是方法A、B和C。具体见表3.21。
表3.21 光纤测试方法
| 测 试 方 法 | 链路损耗中 包含的连接器 | ANSI/TIA-526-14-D （多模） | ANSI/TIA-526-7 （单模） | ISO/IEC 61280-4-1 （多模） | ISO/IEC 61280-4-2 （单模） |
|---|---|---|---|---|---|
| 一跳线法 | 二连接器 | 方法B | 方法A.1 | 方法2 | 方法A1 |
| 两跳线法 | 一连接器 | 方法A | 方法A.2 | 方法1 | 方法A2 |
| 三跳线法 | 无 | 方法C | 方法A.3 | 方法3 | 方法A3 |
一跳线法（对应多模的方法B和单模的方法A.1）
一跳线法的测试对象是有两端连接器的室内光纤，其参考连接和测试连接分别如图3.75所示。
这两种方法对室内光纤网络的测试精确度比较高，测试结果包括被测光纤本身的损耗及两端连接器的损耗。从技术角度讲，这个测试结果还包括了额外连接光纤的损耗，但是其长度非常短，损耗可以忽略不计。
两跳线法（对应多模的方法A和单模的方法A.2）
两跳线法的测试对象是一段长距离光纤加一个连接器，适用于长距离光纤链路的测试。两跳线法的参考连接和测试连接分别如图3.76所示。
这两种方法一直是电信部门测试长距离光纤链路的方法，它们对室内光纤链路测试的精度不够。因为网络实际工作时有两个连接器，而方法A只包括了一个连接器，所以在测试光功率损耗时打了折扣。但是，这对长距离光纤链路来说不是问题，因为损耗主要来自光纤本身而不是连接器，室内光纤损耗的主要问题是光纤链路两端的连接器。
三跳线法（对应多模的方法C和单模的方法A.3）
三跳线法的测试对象是长距离主干光纤，采用三段跳线设置参考，中间一段采用非常短的跳线，可以忽略该跳线的损耗，测试时替换该段跳线为被测链路，其参考连接和测试连接分别如图3.77所示。
OTDR测试方法
二级测试除了一级测试的内容，还会引入OTDR进行测试，OTDR仪器主要用于测试整条光纤链路的损耗情况，并提供基于长度的损耗细节和基于事件的光纤故障原因，可以用于检测、定位和测量光纤链路上任何位置的事件（由于光纤链路中的熔接点、连接器和弯曲等形成的光纤缺陷）。
OTDR测试中涉及的光学现象
OTDR采用Rayleigh（瑞利）散射和Fresnel（菲涅尔）反射进行光纤测试。当光在传输时遇到光纤本身的缺陷和掺杂成分的变化时，光脉冲会发生Rayleigh散射。一部分光（大约有0.0001%）沿脉冲相反的方向进行散射（Rayleigh逆向散射），如图3.78所示。逆向散射光提供了与长度有关的损耗细节。Rayleigh散射能量的大小与波长的4次方的倒数成正比。
在两种不同折射率的传输介质边界处（如连接器、机械接续、断裂或光纤终结处）会发生Fresnel反射。OTDR测试用Fresnel反射可以准确定位光纤不连续点的位置，如图3.79所示。反射大小取决于边界表面的平整度及折射率的差值。由于连接器属于对位连接，本身在连接时存在比较大的折射率差，因此在OTDR追踪图中会显示为非常大的突变。
测试模型
OTDR测试分三种测试模型，对应不同的补偿光纤参考设置方法。
① 单向测试1，适用于含首个连接器判断结果的测试。发射光纤补偿连接和测试连接分别如图3.80（a）和（b）所示。测试连接图中灰色链路表示已扣除发射补偿光纤，高亮链路为实测部分。
② 单向测试2，适用于含首末连接器判断结果的测试。发射接收光纤补偿连接和测试连接分别如图3.81（a）和（b）所示。测试连接图中，灰色链路表示已扣除发射和接收补偿光纤，高亮链路为实测部分。
③ 双向测试，适用于双向含首末连接器判断结果的测试。双向测试光纤补偿连接和测试连接分别如图3.82（a）和（b）所示。测试连接图中，灰色链路表示已扣除发射、环回和接收补偿光纤，高亮链路为实测部分。
OTDR测试原理
OTDR测试的原理框图如图3.83所示。脉冲发生器发出宽度可调的窄脉冲驱动激光二极管，产生所需宽度的光脉冲（通常为3ns～20ms），经方向耦合器后，入射到被测光纤中，光纤中的逆向散射光和Fresnel反射光经方向耦合器进入高敏探测器，探测器把接收到的散射光和反射光信号转换成电信号，放大后送信号处理部件处理（包括采样、模数转换和求平均值），结果再送到显示部分进行最终显示。
OTDR Trace曲线图如图3.84所示，其中，纵坐标表示功率，横坐标表示距离。
OTDR测试结果的类型
OTDR测试仪对光纤链路中存在的各类事件进行测试和定位，如损耗、增益和熔接等，大致可分为三类。
① 事件测试：距离、损耗、反射等。
② 光纤段测试：段长度、段损耗（dB）或损耗系数（dB/km）、段回波损耗等。
③ 整个链路测试：总链路长度、总链路损耗（dB）和总链路回波损耗。
OTDR测试仅进行单端测试，另一端不能有光发射信号，以免造成测试仪损坏或影响测试结果。
OTDR测试通过来回反射的原理进行长度计算，在发送端测量从发出光信号到接收到返回光信号之间的时间，计算出总链路长度，公式如下：
其中，L的单位是m，c是光在光纤中传输的速度，Δt为传输往返的时间，IOR为平均折射率。
损耗系数
随着距离的增大，Rayleigh散射信号会减弱。伴随着信号通过的距离的增大，总链路损耗也不断增大，所以OTDR Trace曲线会向下倾斜。测试中，经常需要运用标记的方式来测量分段距离上的损耗。将分段损耗除以长度，得到损耗系数（dB/km），如图3.85所示的测量结果，其损耗系数为0.3dB/km。
若一个单模光纤（损耗系数=0.2dB/km）两端器件的输出功率为+3dBm，其接收端的接收灵敏度为22dBm，则放大增益为25dB，理论上有效传输距离为125km（25/0.2），考虑到实际链路中存在的其他损耗因素，实际距离肯定要小于这一距离。
参数和概念
在进行OTDR测试时，仪器配置的相关参数和重要概念说明如下。
① 最远测试距离
OTDR测试仪的最远测试距离可以通过计算得到，但是要根据工程情况加上一定的经验进行修正，以弥补理想情况与实际情况间的差距。
最远测试距离计算公式如下：
Lo =(P-Ac-Mc-Ma)/(Af+As)
式中，P是OTDR测试仪的动态范围，Ac是OTDR测试仪、光器件、滤波器和机械接头等设备的介入损耗之和，Mc是光纤链路富裕度（dB），Ma是测试精度富裕度（dB），Af是光纤损耗系数（dB/km），As是熔接点损耗系数（dB/km）。
② 动态范围
动态范围对最远测试距离影响最大，同样性能的OTDR测试仪，由于动态范围定义不同，实际测量值也不同。在选择OTDR测试仪时，需要弄清楚其动态范围是如何定义的。最常用的是RMS取值法（SNR=1），一般以起始端反向散射能量与RMS均方根噪声的dB差值作为动态范围，如图3.86所示。如果采用端检测方式，则取距离起始端4%的Fresnel反射信号峰值与RMS均方根噪声的dB差值作为动态范围。在端检测方式下计算出的动态范围值，在同等条件下高于用RMS取值法获得的值。
③ 测试量程
在测试时，最远测试距离与OTDR测试仪的测试量程设置相关。测试量程是指在Trace曲线图上显示的最大距离，如果测试时曲线图没有显示出末端时间，则需加大测试量程。OTDR测试仪的自动模式适合普通测量，手动模式适合精确测量。在手动测试时，选择距离一般是实际距离的1.5～2倍。合适的测试量程有利于后续分析时获得良好的可视性，既可以看到被测链路的情况，也可以看到噪声部分。
④ 脉冲宽度
脉冲宽度也是一个非常重要的参数。在进行850nm波长测试时，脉冲宽度一般取3、5、20、40或200ns；在进行1300nm波长测试时，脉冲宽度一般取3、5、20、40、200或1000ns；单模光纤的脉冲宽度一般取3、10、30、100、300、1000、3000、10000或20000ns。在OTDR光源功率恒定的情况下，脉冲宽度越大，发出的光能量越强。大宽度脉冲光信号在连接器上形成的Fresnel反射能量较大，可能会淹没反向Rayleigh散射，如图3.87所示。
在光脉冲t的范围内，如果出现相邻事件（连接器或熔接等），将很难被发现，因此相应的事件死区及衰减死区也增大。
脉冲宽度的选择原则：长距离大脉冲宽度，高分辨小脉冲宽度。小脉冲宽度有利于详细观察反射事件附近的情况，判断是否存在隐藏事件。小脉冲宽度可以缩短盲区的范围，但反向Rayleigh散射强度也会相应变弱，导致Trace曲线不稳定，在衰减判别时会引入误差。同时，由于反向散射微弱，测试距离也会变短，在分析时常常会受到背景噪声的影响，一些小的损耗事件如光纤宏弯等往往被隐藏在噪声中，使得结果判断和分析时的难度增加。大脉冲宽度可以提高反向散射信号强度，对于非反射事件可以提供良好的信噪比，帮助分析小的损耗事件并精确测量，但会增加判断盲区，使得发生反射事件后某段距离内的事件被隐藏。
⑤ 平均时间
对要求较高的场合，要进行多次测试。也可以通过双向测试或多次测试取平均值，克服盲区产生的影响。平均时间是测试仪用于测量和统计测量数据所耗费的时间。为了适应测试现场的实际情况，一般采用手动设置平均时间的方式。测试时间越长，测试Trace曲线中的随机噪声就越精确，增加了实际可用的动态范围和损耗事件判定的精度，可以观察到如熔接或弯曲等小事件。但测试耗费的时间和效率在实际应用中也是必须要考虑的，所以一般选择平均时间在20～180s范围内，以达到相对比较理想的测试结果。
⑥ 光纤折射率
现在使用的单模光纤折射率基本在1.4600～1.4800范围内，折射率会直接影响OTDR测试的定位精度。长度测量误差与折射率的关系如下：
式中，为实际长度，为测试长度，为实际折射率，为测试设置的折射率。
如果实际折射率为1.466，在OTDR测试仪中设置成1.465，折射率误差为0.001，每千米可引起0.68m的误差，10km的光纤误差就可以达到6.8m，对故障定位影响较大。
⑦ 反向散射系数
OTDR测试仪设置的反向散射系数由光纤生产厂商提供，其值对反射事件定位和链路总回波损耗影响较大。
⑧ 反射
反射是指高出反向散射水平部分与源光脉冲的比值，通常为负数，其值越接近0代表反射越大，是判别连接器质量的一个重要指标。表3.22中给出了典型器件的反射值。
表3.22 典型器件的反射值
| 器 件 | 光纤剖面良好的终端 | 合格的多模PC连接器 | 合格的单模PC连接器 | 合格的APC连接器 | 合格的熔接点 |
|---|---|---|---|---|---|
| 典型值 | 14dB | **≤**35dB | **≤**50dB | **≤**60dB | **≤**60dB |
⑨ 典型波长
OTDR测试时使用的典型波长为850nm、1300nm、1310nm和1550nm。短波长在被测光纤近处的反向Rayleigh散射相对大一些，成形的Trace曲线容易识别。而距离较远时，短波长比长波长成形的Trace曲线差些。对于距离较长的单模光纤，一般采用1550nm波长进行测试，如果需要获得更好的图形曲线，可以采用1310nm波长。
⑩ 死区
死区又称“盲区”，通过Fresnel反射原理进行测试时，在一定的距离范围内，Trace曲线无法反映光纤的状态。其主要原因是，光纤链路上的Fresnel反射强信号使高敏探测器进入饱和状态，因此需要一定的恢复时间。一般在两个连接器非常接近时，容易产生死区。死区分为事件死区（EDZ）和衰减死区（ADZ），如图3.88所示。事件死区仅对Fresnel非饱和反射有效。
:::tip[小贴士] 事件死区—两个反射事件可分辨的最小距离，此时到每个事件的距离可测，但每个事件各自的损耗不可测。 衰减死区—各自的损耗可以分别被测量时的两个反射事件之间的最小距离，通常，衰减死区是脉冲宽度（用距离表示）的5～6倍。 :::
OTDR测试结果中的事件分析
图3.89是一个比较典型的多模光纤测试结果，测试波长为850nm，曲线横坐标为长度（单位为ft，英尺），纵坐标为反射水平（单位为dB），数字标注处为各类不同的事件。
① 发射端口事件：表示该处为OTDR测试端口，即测试的起点。
② 反射事件：表示该处存在连接器。当遇到连接器时，会形成像镜面一样的Fresnel反射，能量较反向Rayleigh散射要高很多，在图形上会形成尖峰状脉冲。尖峰脉冲前后的落差就是该连接器的插入损耗大小。
③ 反射事件：表示该处存在机械熔接的情况。
④ 损耗事件：表示该处存在熔接、宏弯或光纤受到挤压变形的情况。
⑤ 增益事件：表示光纤类型不匹配。由于光纤中采用了连接器，在连接前后的两端光纤的反向散射系数可能不同，如50mm和62.5mm的光纤对接时，由于光脉冲在连接点反射回来的散射反而大于遇到连接之前的，所以在图形上看，好像光纤发射水平被抬高，出现了增益现象。如果出现这样的图形，则需要进行双向测试。
⑥ 末端事件：被测链路的末端。
⑦ 幻象事件：脏的连接器截面、裂缝或宏弯等可能造成光脉冲在连接器和发射接收端来回振荡。引起幻象事件的原因可能是光纤污染、刮伤、裂开、对位不齐或连接不良。有问题的连接器需要进行清洁、修复或更换。如图3.90所示，在164.38ft（1ft=30.48cm）处的损耗非常高，达到了2.70dB（理想值应该在0.75dB以下），形成幻象干扰源。
识别幻象事件的简易方法就是检查损耗。如图3.91所示，当放大幻象事件点附近的Trace曲线时，事件点前后的损耗差值几乎为0，说明这个脉冲峰值并非反射事件（如连接器）引起的，只是一个幻象事件，在接近164.38ft两倍的位置，是由于164.38ft处的连接器造成的。
