對光纖以及（jí）光纖通信係統（tǒng）的測量方法作了（le）一些簡單介紹，主要介紹了光（guāng）纖測量：單模光纖模場（chǎng）直徑（jìng）、光纖損耗、光（guāng）纖色散與帶寬的測（cè）量；光纖通信係統測量：光發射機發送光功率、光源消光比、光接收機靈敏度、光（guāng）接收機動態範圍（wéi）、眼圖的測量。

　　光纖通信 技術是近20年來迅猛發展的新興技術，是世界新技術革命的重要（yào）標誌，又是未來信（xìn）息社會中高速（sù）信（xìn）息網的主要 傳輸工具。由於光纖的傳光（guāng）性能極其優良，因此光纖（xiān）通信方式（shì）現己成為光通信的主流。在現存及設計的光纖通（tōng）信係統中，一起草 www.17c.com必須對其進行（háng）測量以確定現存及設計的（de） 光纖通信係統是否能夠（gòu）達到係統要求。光纖通信（xìn）的測量（liàng）應包括光纖本身的測量和光纖通信係統的測量。

一（yī）、光纖參數的測量

　　1.單模光纖模場（chǎng）直徑的測量（liàng）

　　從理論上 講單模光纖（xiān）中隻有基模(LP0l)傳輸，基模場強在光纖橫（héng）截（jié）麵的存在（zài）與光纖的結構有關，而模場直徑就（jiù）是衡 量光（guāng）纖模截麵上一定場強範圍的物理量。對於均（jun1）勻單模光纖，基模場（chǎng）強在光纖橫截麵（miàn）上近（jìn）似為高（gāo）斯分布，通常將纖芯中場強分布曲線最大值1／e處所對（duì）應的寬度定 義為模（mó）場直徑。簡單說（shuō）來它是描述光纖中光功率沿光（guāng）纖半徑的分布狀態，或者說（shuō）是描述光纖所傳輸的光能的集中程度的參量。因此測（cè）量單模光纖模場直徑的核心就是 要（yào）測出這種分布。

      測量單模（mó）光纖模場直徑的方（fāng）法有：橫向位（wèi）移法和傳輸功率法（fǎ）。下麵介紹傳輸功率法。

      取 一段2米長的被測光纖，將端麵處理後放入測量係統中，測量係統主要由光源（yuán）和角（jiǎo）度可以轉動的光電（diàn）檢測器（qì）構成。光纖 的（de）輸入（rù）端應與光源對準。另外為了保證隻測主（zhǔ）模(LP01)而沒有（yǒu）高（gāo）次模，在係統中加了一隻濾模器，最簡單的（de）辦法是將光纖打（dǎ）一個直徑60mm的小圓圈。當光 源所發的光通過被測光纖，在光纖末端得到遠場輻射圖，用檢測器沿（yán）極坐標作測量，即可測得輸出光功率與掃描（miáo）角度間的關係，P—θ線如（rú）圖2所示。然（rán）後（hòu），按模場（chǎng） 直徑的定義公式輸入P和θ值，由計算機按計算程序算出模（mó）場直徑。

      2.光纖損耗的測量

      光纖損耗是光纖的一個重要傳（chuán）輸參數。由於光纖有衰減，光纖中光功率隨距離是按指數的規律減小的。但是，對於單模光 纖或（huò）近似穩態的模式分布（bù）的多模光（guāng）纖衰減係數（shù）a是一個與位置無關的（de）常數。若設P(Z1)為Z＝Z1處的光功率，即輸入光功率。若設P(Z2)為Z2處的光功 率（lǜ），即這段光纖的輸出功率。因此，光纖的衰減係數a定義為

      因此，隻要知道了光（guāng）纖長度Z2-Z1和Z2、Z1處的光功率P(Z1)、P(Z2)，就（jiù）可算出這段光纖的衰減係數a。測量光纖的損耗有很多種辦法，下麵隻（zhī）介紹（shào）其中的兩（liǎng）種辦（bàn）法。

       1)截斷法

　　截斷法是一種測量精度最好的辦法，但是其缺（quē）點是要截斷光纖。這種測量方（fāng）法的測量方框（kuàng）如圖3所示。

       取一條被（bèi）測（cè）的長光纖接入測量係統中，並在圖中的“2”點位（wèi）置用光功率計測出該點的光功率P(Z2)。然後，保持光 源的輸入狀態不變，在被測量光纖靠近輸入端處“1”點將光纖截斷，測量（liàng）“l”點（diǎn）處的（de）光功率P(Z1)。這個測量過程等於測（cè）了1～2兩點間（jiān）這段光纖的（de）輸入光 功率P(Z1)和輸出光功率P(Z2)，又知道（dào）“1”、“2”點間的（de）距離Z2-2l，因（yīn）此，將這些值代入

       即可（kě）算出這段光纖的（de）平均衰減係數。

       在測量方框（kuàng）圖中斬波器(又稱截光器)是一種能周期斷（duàn）續光束的器件（jiàn）。例如是一個有徑向開縫的轉盤。它將直流光（guāng）信號變為交變光信號，作為參考光信號送（sòng）到鎖相（xiàng）放（fàng）大器中，與通過了被測光纖的光信號鎖定，以克服直流漂移和暗（àn）電流等影響，以確保測量精度。

       2)背向散射法

       測量原理。用（yòng）背向散射法測量（liàng）光纖損耗（hào）的原理與雷達探測目標的原理相似。在被測光纖的輸（shū）入端射入一個強的光脈衝，這個光窄脈衝在光（guāng）纖內（nèi）傳輸時，由於光（guāng）纖 內部的不均勻性將產（chǎn）生瑞利散射(當然遇到光纖的接（jiē）頭及斷點將產生更強烈的反射)。這種散射光有一部分（fèn）將沿光纖返回向輸入端傳輸，這種連續不（bú）斷向（xiàng）輸入端傳輸 散射光稱為背向（xiàng）散射光。從物理概念上看，這種背向散射光就將光纖上各點的（de）“信息”送回（huí）了輸入端。靠（kào）近輸入端的光波（bō）傳輸損耗（hào）少，故散射回（huí）來的信號就強，離輸 入端遠的地方光波傳輸（shū）損耗大，散射回來的信號就弱。人們就用這種帶有光纖各點“信息”的背向散射對（duì）光（guāng）纖的損耗等進行測量。這個測量儀（yí）器稱為光時域反射儀（yí）， 簡寫成OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)。一條有代（dài）表性的（de）測量曲（qǔ）線如圖4所示。

       曲線（xiàn）上A、D兩（liǎng）個很強的回波對應於光纖的輸入（rù）端麵和輸出端麵引起的反射。曲線B點對應（yīng）於一個光纖（xiān）接頭引起的散射回 波。C點可能對（duì）應於光纖中的一（yī）個氣泡引起（qǐ）的散射回波。怎樣利用光纖的瑞利散射對光（guāng）纖進行測量（liàng），是（shì）關於從定量（liàng）的角度進行討論。由於現（xiàn）在利用OTDR機器對光 纖鏈路的損耗（hào）進行（háng）測量時，能直（zhí）觀、直接從OTDR機器內讀出所需數據（jù），所以這裏不作定量討論。

       光時域反射儀原理方框圖（tú），如圖5所示。這（zhè）種儀表的（de）工作原（yuán）理是：首先用脈（mò）衝發生器調製一個光源使光源產生窄脈衝光 波，經光學係統耦（ǒu）入光纖。光波在光纖中傳輸時出現散射，散射光沿光（guāng）纖返回，途中經過光（guāng）纖定向耦合器輸入光（guāng）電檢測器，經光電檢測器變為電信（xìn）號，再經放大及信 號處理送入顯示器。其（qí）中對信號（hào）處理的原因是，背向（xiàng）散射（shè）光（guāng）非常微弱，淹沒在一（yī）片（piàn）噪聲中，因此，要用取樣（yàng）積分器積分，在一定（dìng）時間間隔對微弱的散射信號取樣並求 和（hé）。在這過程中，由於噪聲是隨機的，在求和時抵（dǐ）消掉了，從而將散射信號取了出（chū）來。用OTDR除（chú）了可以（yǐ）測（cè）量（liàng）光（guāng）纖（xiān）的損耗以外，還可以觀察光纖沿線的損耗情況， 以及某（mǒu）損耗突然變化點的裝置，光纖接頭（tóu）的插入損耗（hào）等。OTDR還有一（yī）個（gè）工程上的重大用處，能（néng）夠方便地找出（chū）光纖的斷點。現在用（yòng）OTDR測量光纖損（sǔn）耗是最常用 的一種方法。優點是測量非（fēi）破壞性，功能多，使用方便。但是，在使用時始終有一段盲區。另外用OTDR從光纖兩端測出的衰減值有差別，通常取平均值（zhí）。

       3.光纖色散與寬帶的測量

       光纖的色散特性（xìng）是影響光纖通信傳輸容量和中繼距離的一個重要因素。在數據信號通（tōng）信中，如色散大，光脈衝（chōng）展寬就嚴（yán） 重，在接收端就可能因脈衝展寬而出現相鄰脈衝的重（chóng）疊，從而出現誤碼。為了（le）避免出現這種情況，隻好使碼元間隔（gé）加大，或使傳輸距離縮短。顯然這就使得傳輸容量（liàng） 降低，中繼局（jú）距離變短，這是人們所不希望的。在模擬傳輸中，同樣由於色散大，不同頻率的模擬光（guāng）信號（hào）頻譜不相同，在接收端就會使模擬信號出現嚴（yán）重失真。同樣 為了避免出現這種情況，隻好使傳輸模擬帶寬下降，或傳輸距離（lí）縮短，這是人們所（suǒ）不希望的。為此，高碼率、寬帶寬模擬信號的光纖通信（xìn）係統中對光纖的色散就要（yào）認 真考慮。如同前麵（miàn）所述，因（yīn）為光纖色散造成光脈衝的波形展寬，這是從時域觀點分析的情況，若是從頻域角度來看，光纖有色散就表（biǎo）示光纖是有一定傳輸帶寬的。因（yīn） 此（cǐ）脈衝展寬和帶寬是從（cóng）不同角（jiǎo）度描述光纖（xiān）傳輸特性（xìng）的兩（liǎng）個緊密聯（lián）係的參量

       從測量方法上與此對應也（yě）有兩種（zhǒng）方（fāng）法。一種是從時域角度來測量光脈衝（chōng）的（de）展寬；另一種是從頻域角度來測量光（guāng）纖的基帶（dài）寬度。

       1)用時域方（fāng）法來測（cè）量脈衝展寬

       測 量原理。首（shǒu）先為了使問題還不至於複雜，假（jiǎ）設輸入光纖和從光纖輸出的光脈衝波形都近似成高斯分布的如圖6所示。圖6(a)是光纖輸出光功率（lǜ） Pin(t)的波形圖，從最大值A1降到A1/2時的寬度為Δτ1。圖6（b)是光纖的輸出光功（gōng）率（lǜ）Pout(t)的波形圖，其幅度降（jiàng）為一半時的寬度（dù）為 Δτ2可以（yǐ）證明，脈衝通（tōng）過光纖後的展寬Δτ與其輸入、輸出波形寬度Δτ1和Δτ2的關係為:

(1-1)

       由此可見，Δτ不是Δτ2與Δτ1的簡單相減的關係。所以，隻（zhī）要將（jiāng）測出來的Δτ1和Δτ2代入上式即可以算出脈衝（chōng）展寬Δτ。求出（chū）Δτ以後，再根（gēn）據脈衝的展寬（kuān）Δτ和（hé）相應的帶寬B間的公式

B＝0.44／Δτ (1-2)

       將Δτ代入式（shì）中可求出相（xiàng）應的（de）光纖每公裏帶寬（kuān）。若Δτ的單位用ns，則B的單位是MHz。

       測量方框圖。用時域法（fǎ）測量光（guāng）纖的脈衝展寬(進而計算出光纖帶寬的方框圖（tú）如圖7所（suǒ）示)

       首先用一台脈衝（chōng）信號（hào）發生器去調製一個（gè）激光器（qì）。從激光器輸出的光信號通過分光鏡分為兩路（lù）。一路進入被測光纖（xiān）(由於色 散作用，這一路的光脈衝信號被（bèi）展寬（kuān）)，經光纖傳輸到達光電檢測器1和接收機1，送入雙蹤取樣示波器並顯示（shì）出來（lái），這個波形相當於（yú）前麵講的Pout(t)。另 一路，不經（jīng）過被測光纖，通過反射（shè）鏡直（zhí）接進入光（guāng）檢測器2和接收機器2，然後也被送入雙蹤示波器顯示出來。由於這個波形沒有經過被檢測光纖，故相當於被測光纖 輸入信號的波形，即相當於Pin(t)。從（cóng）顯示出的脈衝波形上分別測得Pin(t)的寬度Δτ1和Pout(t)的寬度Δτ2。這樣就可將Δτ1和Δτ2 代入式(1-1)及(1-2)最終算出帶寬B。最後還應該（gāi）指出，用這（zhè）種方法測量單模光纖（xiān）比較（jiào）困難，因為其Δτ太小。

       2)用（yòng）頻域法測量光纖帶（dài）寬

       頻域法（fǎ）測量，就是用一個掃頻振（zhèn）蕩（dàng）器產生的頻率連續變化的正弦信號去調製激光器，從而研究光纖對於不同的頻率，來調製的光信號的傳輸能力。具體（tǐ）的說，就 是要設法測出光纖傳輸己調製光波的頻率（lǜ）響應特性。得到了頻率響應特（tè）性後，即（jí）可（kě）按一般方法求出光纖的帶寬。

       設Pin(f)為輸入被測光纖的光（guāng）功率與調製頻率f間的關（guān）係。Pout(f)為被測（cè）光（guāng）纖輸出的光（guāng）功率與調製頻率f 關係。則被測光纖的頻率響應特性H(f)為H(f)＝Pout(f)／Pin(f)，若以半功率點來確定光纖的帶寬fc即 10lgH(f)=10lg[Pout(f)/Pin(f)]＝10lg1／2＝-3dB。fc稱為光纖的3dB光帶寬（kuān）。用頻域法測量光纖帶寬的方框圖如（rú） 9所示：

       由於測量光纖（xiān）的頻率響應特性，需要測出輸入（rù）光纖的光功率特性（xìng）和從光纖輸出的光功率特性，即需要得到兩個信號，故在 圖9中用一（yī）條短光纖的（de）輸出光功率來代替被（bèi）測光纖的（de）輸入光功率。在圖9中，由掃（sǎo）頻信（xìn）號發生器輸出一個頻率連續可調的正弦信號。利用這個信（xìn）號去對激光器的光信 號進行強度調製，然後將這個已調光信號耦合入光開（kāi）關，由光開關依次送出兩路信號，一路（lù）光信號進（jìn）入短光纖，經短光纖後麵過（guò）光電檢測器送入頻譜分析儀。用短光 纖的輸出信號（hào）來代替被測光纖的輸入信號(由（yóu）於光纖短，經（jīng）過傳輸後信號變化很小，故可以認為即是輸入信號)。另一路光（guāng）信號是經過（guò）光開關送入被測光纖，由連續 的正弦波調製的光信號經過光（guāng）纖傳輸，攜帶了（le）被測光纖對不同調製頻率光信（xìn）號的反應，從光纖輸出，經光電檢測器送入頻譜分（fèn）析儀。這樣頻譜分析儀中就得到了被測 光纖的輸入和輸出（chū）兩種光信（xìn）號，因此，就可得到被（bèi）測光纖的頻（pín）率（lǜ）響應（yīng），從而可測（cè）出（chū）光纖的帶寬。

二、光纖通（tōng）信係（xì）統的測量

       1.光發射機發送光功（gōng）率的（de）測量

       因為在實（shí）際的光纖通信係統中，光發射機的輸出（chū）光功率（lǜ）是在有信號調製（zhì）的情況下，光源輸出（chū）的功率，故在測量光發（fā）射機發送光功率時，就用信號對光源進行強（qiáng）度調製。測量光發射機發送（sòng）光功率（lǜ）的方框圖如圖10所示。

       2.光源消光（guāng）比的測量

       在數據光傳輸係（xì）統中，一部性能優異的光端機的發射機盤在傳數字信號過程中，發“0”碼時，應無光（guāng）功率輸出（chū）。但是， 實（shí）際的光發（fā）射機由（yóu）於光源器件本身（shēn）的問題（tí），以及直流偏置，致使發“0”碼時也有微弱的光輸出，由理論分析可見，這種情況將使接收機（jī）的靈敏度下降，描述光發射 機上述這種性能的指標，就（jiù）是（shì）消光比EXT它為：

       測量光發射機消光比的方框圖，仍然可用圖10所示的測量係統

       3.光接收機靈敏度的測量

       測量方框圖如圖11所示

       當測模擬傳送係統的光（guāng）接收機靈敏度時，由圖可（kě）知信（xìn）號發生器為模擬的測試信號發生器，檢測器為（wéi）模擬視頻（pín）信號測試儀。 在光接收機端，逐漸加大光衰減器的衰減量，(即（jí）表示輸入（rù）光接收機的輸入信號逐漸減少)，這時（shí）由信號測試儀測出的信號指標變劣，直到它（tā）有一個指標迅速下降到 規定的指（zhǐ）標以下時，例如甲級指標(即表示此時（shí）接收機的信號輸出已經達（dá）不到指標要求的臨界狀態)，這時將光（guāng）功率計接到光衰減器的輸出端，由此測到的光功率 Pmin既是接收機的（de）靈敏度。

       當測數據傳輸係統的光接收機靈敏皮時，由圖可知信號發生器為碼（mǎ）型發生器（qì），檢測器為誤（wù）碼檢測器，測試方（fāng）法類同，隻是誤碼檢測儀（yí）讀出的是誤碼率。

       將測出的pmin值代入式Sr＝10lg(Pmin/10-3即可算出光接收機靈敏度的dBm值。

       4.光接收動態範（fàn）圍的測量

       光（guāng）接收機的動態範圍D＝10lg[Pmax/Pmin]。在數據傳輸係統中，式中Pmax指（zhǐ）滿足誤碼率指（zhǐ）標下，接 收（shōu）機的最大（dà）輸（shū）入光（guāng）功率，Pmin即為接收機（jī）的靈敏度。因而，測（cè）量光接收機的動態範圍時，隻要（yào）測出在（zài）一（yī）定誤碼率指標下，接收機（jī）的Pmax和Pmin值並代入 式中即可算出動態範圍。所以，測量（liàng）動態範圍的方框圖仍然采用圖11所示（shì）的測量係統。在模擬傳（chuán）輸係統中，其它都相同，隻要滿足的不是（shì）誤（wù）碼（mǎ）率，而是模擬指標， 例如視頻指標。

      在測量過程中，pmin的（de）測量與前（qián）麵測量接收機靈敏度的過程一（yī）樣。測量Pmax時，將圖11中的衰（shuāi）減器衰減逐（zhú）漸減 少,數據傳輸係統的誤碼率檢測儀中的誤碼率逐漸加大，直到誤碼率增（zēng）大到某個規定的指標(例如10-9)。這時（shí）光（guāng）功率（lǜ）計讀出的光功率即為Pmax。在模擬傳 輸係統中（zhōng），Pmax的測量差（chà）別僅是用（yòng）模擬（nǐ）指（zhǐ）標測試（shì）儀測出指標，取代誤碼率（lǜ）測試（shì）儀測（cè）出（chū）誤碼率。

      5.數據光纖通信係（xì）統測量中的眼圖

      一種用直觀方（fāng）法來判斷光纖接收機碼間（jiān）幹擾的（de）辦法，就是用眼圖來進行分析。將這種隨機的數字輸出信號接入示波器，如果將示波器的掃（sǎo）描周期調整到上述脈衝序列周期T的整數倍上(例（lì）如3T)，顯然示波器將被同步，屏幕上的圖形將（jiāng）穩定下來。

      由於示波器水平掃描每3T就掃描一（yī）次，因此,這（zhè）個隨機（jī）脈衝序列中每（měi）個三碼（mǎ）元段將重（chóng）疊在（zài）一起。又因熒光屏的餘輝，使 得屏幕上（shàng）所呈現的圖形不是一次掃描產生的三個碼元段，而是若幹段重疊在一起。不僅如此，還由於長序（xù）列脈衝碼元出現的情況（kuàng）是隨時機的，故每三個碼元組成的一 段中，各種碼元的組合情況都可能存在。這樣，將上述各因素（sù）都綜合在一起，最後，在（zài）示波器屏幕上（shàng）即顯示出圖12這（zhè）樣一種像（xiàng）人眼一樣（yàng）的圖形。

      從上麵的眼圖形成過程可以想象，如果無碼間幹（gàn）擾和噪聲（shēng），則（zé）該眼圖像人的眼睛一（yī）樣（yàng）完全張開，而且圖形清（qīng）晰；當有碼間幹擾存在時，圖（tú）中的（de）“眼睛”不能完全張（zhāng）開，而且圖形不清楚。如既有碼間幹擾又有噪聲，則眼睛張開更小，圖形更不清晰。