插入损耗论文

插入损耗论文（精选3篇）

插入损耗论文 篇1

0 引言

目前, 高速通信系统对传输线缆的物理特性的要求越来越高, 各种性能指标都会影响高速通信系统的传输质量和距离, 而损耗过大已成为高速系统传输距离的重要瓶颈。为提高信号的传输距离, 减少信号在传输线缆中的损耗, 必须通过实验研究, 分析影响损耗的主要因素, 从而降低线缆的插入损耗, 实现远距离的高速通信。本文对1394总线专用线缆插入损耗进行测试和分析, 总结出了影响损耗的关键因素, 并提出相应措施减少线缆的插入损耗。

1 IEEE-1394b协议线缆规范分析

IEEE 1394最初是由Apple (苹果) 公司提出的, 当时的目的是简化计算机的连线, 并为实时数字数据传输提供一个高速接口。最初Apple公司为其命名为FireWire (火线) 。1995年, IEEE (国际电气和电子工程师协会) 以FireWire技术为基础定义了IEEE1394-1995规范。 2002年, 对IEEE1394-1995规范进行了不断的完善, 确定IEEE-1394b, 其目标是用于传输多媒体数据, 其带宽、传输速度、距离等都有了大幅度提高。

1394b协议定义了电缆损耗和接收灵敏度等指标, 这些规范没有明确规定电缆长度, 在最坏的情况下, 传输信号随着线缆的长度增加而变弱, 最终导致线缆的损耗和延迟等指标不满足要求;在军事和航空航天器应用领域, 采用变压器来增加传输信号的强度, 但变压器具有内在的损失, 从而减少相应的最大传输距离;所以线缆最长距离规定为4.5m。

因此, 新一代航空电子系统对线缆的性能要求越来越高, 为了实现高速传输系统的高可靠性和高实时性, 1394b协议规定线缆必须具有四芯导线结构并且包括两组差分对传输线 (位于直角轴) , 线缆中两组差分对具有绝缘屏蔽层, 而且协议还明确要求线缆的指标如表1所示。

2 线缆插入损耗测试和分析

2.1 线缆插入损耗概念

插入损耗是指在传输系统的某处由于元器件的插入而发生的负载功率的损耗, 表示该元件或器件插入前的负载上所接收的功率和插入后同一负载上所接收的功率比。计算公式如下:

IL=-10log (Po/Pi) (1)

(1) 式中:Pi为输入到输入端口的功率, 单位为mw;Po为从输入端口接收到的功率, 单位为mw。

插入损耗主要包括信号的衰减和阻抗不连续;衰减是由于信号振幅随链路长度的增加而减少导致的, 线缆越长, 信号的频率越高, 则信号的衰减越大;阻抗不连续是由于线缆和连接器的安装工艺造成的, 工艺越差, 阻值就不匹配, 进而导致损耗增加;一般插入损耗与链路的长度、材质的好坏、温度以及阻抗是否连续相关, 这些因素都会使插入损耗增加。因此, 为减小高速传输系统的插入损耗, 必须对影响它的因素进行分析和研究, 提高系统的传输距离和可靠性。

2.2 线缆测试准备

线缆测试用于测试作为机载通信介质的线缆指标是否符合机载通信环境的基本要求。机载通信线缆采用四芯同轴电缆, 集成两对差分线, 提供1394信号传输的基本收发通路。

线缆测试采用具备非平衡差分变压器的网络分析仪 (满足250MHz) 。将线缆的一端剥开大约1/4 inch, 并裸露出金属 (图1) , 同时导线另外一侧保证线缆中各个信号线或信号线和屏蔽层之间无连接, 且所测试的线缆长度不得小于10ft (3.048m) 。

2.3 线缆测试方法

(1) 表2给出了被测线缆的长度要求。插入损耗测试是一项彻底的测试, 因此被测线缆的每一端都将连接到测试设备上。采用这种方式进行的大量线缆测试可以使得在线缆选择指导方面上的一些设想得到验证。

(2) 校准网络分析仪的频率范围, 使其包含250MHz。

(3) 将下面的差分对连接到网路分析仪:①蓝-橙-屏蔽;②红-绿-屏蔽;③被测线缆与网络分析仪接好后, 就可以测量在250MHz条件下插入损耗的分贝 (dB) 数。四芯导线结构中的两组差分对 (蓝/橙和红/绿) 必须进行独立测量;④分别测试在不同温度下, 两种不同型号线缆的插入损耗。

协议规定的失败标准:

对于使用有源变压器的系统, 在250MHz条件下, 只要每一个线缆测试长度下有一个测量值大于6.0dB, 那么测试失败。

对于使用无源变压器的系统, 在250MHz条件下, 只要每一个线缆测试长度下有一个测量值大于2.0dB, 那么测试失败。

2.4 测试结果分析

根据1394协议要求, 严格按照协议规定的测试流程进行测试, 记录结果如下:

根据测试结果, 得出结论:由于不同型号的线缆, 材质不同, 制作工艺等因素的影响, 线缆插入损耗不同;同一种型号的线缆, 随着长度的增加, 线缆的损耗也随之增加;由测试结果可以得出, 该线缆符合协议的要求, 18m的24#线缆的插入损耗是5.5657dB (小于6dB) ;23m的22#线缆的插入损耗是5.4533dB (小于6dB) 。

根据测试结果, 对比表3和表 4得出结论:由于测试温度的变化, 同种型号和同样长度线缆的插入损耗会变大;因此, 当工作温度升高时, 传输线缆的插入损耗变大, 信号经过线缆的有效传输距离变小。

3 结语

本文通过对IEEE-1394b协议及相关协议的理解和分析, 对1394总线专用线缆的插入损耗进行测试, 并对测试结果进行分析和判定:该线缆符合协议要求, 常温下, 规定长度以内线缆的插入损耗不大于6dB;并且随着线缆长度的增加, 插入损耗也在增加。因此, 对于不同材质的线缆, 插入损耗是不同的, 随之不同线缆可以传输的距离也是不同的;不同的用户可根据传输系统的要求, 选择符合要求的线缆, 满足传输系统的要求。

参考文献

[1]SAE-AS5643:IEEE-1394binterface requirements for military andaerospace vehicle applications[S].SAE Aerospace, REV.A, 2006.

[2]1394b:IEEE standard for a high performance serial bus-amendment2[S].The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 2002.

[3]AS5706:test plan/procedure for AS5643/1S400copper media in-terface characteristics over extended distances[S].2007.

[4]JJF (电子) 30703-2008网络线缆测试仪校准规范[S].2008.

插入损耗论文 篇2

标准委员会已经创建了在给定的传输速率下权衡功率损失和可支持距离关系的模型。利用这些模型, 考虑系统部件的性能, 系统设计人员就可以顺利地去平衡在他们网络中的距离和损耗, 如图1所示。

1 什么是光纤传输理论模型

光纤传输模型能够让物理层部件互用的理论预测成为可能, 同时也促进了来自不同厂商部件的互通性。这样的工具在IEEE内部, 用于预测物理层组件如何影响传输信号;而基于信道的长度, 各种的传输“代价”的目的在于评估信号的质量。

这些模型的输入包括光纤收发器件和成缆光纤的多种关键假设, 成缆光纤的输入包括衰减、色散、带宽, 另一个物理参数是信道的连接器插入损耗, 是因为在链路中假设使用了连接器配线面板。

同样, 光纤收发器也有很多参数定义, 比如, 发射功率、谱宽、接收灵敏度。相关的标准委员会规定了这些以及其他输入参数的最小值, 每个制造商必须确保它的部件符合或超越这些数值, 以确保系统的互用性。如表1所示。

2 模型计算的是什么且如何解读

基于输入提供, 模型计算出了理论损耗代价, 这些损耗表明了系统降级和随着信号沿光纤前进而发生的畸变。因此, 许多损耗代价是与长度相关和随着信道长度增长的累积, 长度相关损耗包括了光纤衰减、码间串扰 (ISI) 、模式分配噪声和相对强度噪声。

而比如连接器损耗和模式噪声等是非长度相关的损失, 由于这些损失主要与信道中连接器的数量和质量有关, 他们在模型中单个数值是不变的。因此, 全部的插入损耗只与这些随着链路中连接的增加而增加的部件有关。

假如要保证一个可接受 (正值) 的余量, 计算出的功率损失是从总的系统功率预算中减去。光纤收发器有输入参数时, 系统总功率预算就已确立 (例如, 10GBase-SR是7.3d B) 。在一个指定的距离, 功率点值可以根据模型计算出来, 然后从总功率预算中减去再确定系统的未分配余量, 这个计算是随着长度增长重复进行, 直到未分配的余量变成零。在保持ISI (码间串扰) 点值小于3.6d B时, 未分配余量成为零的那个长度将用作系统可支持的最大距离。

3 信道插入损耗和距离的权衡

如上所述, 光学系统的总功率预算被光纤的衰减、连接器插入损耗和传输相关的点值所消耗, 链路可支持距离是依据保持正的系统余量而确定的。

图1中显示了基于距离而累积的各种功率值, 第一列是连接器损耗, 是根据标准假设1.5d B, 解释为2对连接器面板, 每对最大损耗为0.75d B。光纤衰减和传输功率值随着距离而增长, 每个图表中列出的距离、功率剩余值被作为系统余量列出, 在300m处, 几乎全部的功率剩余值被消耗。

如果系统长度为100m, 可允许的连接器损耗是什么?在这个较短的距离, 可利用的余量有3.9d B之大, 因此, 信道的连接器插入损耗可以增加到5.4d B, 也就是假设的连接器损耗 (1.5d B) +余量 (3.9d B) 。当实施一个系统功率通过性的测量时, 可允许的信道损耗就是5.8d B, 也就是假设连接器损耗 (1.5d B) +光纤衰减 (0.4d B) +余量 (3.9d B) 。

4 输出模型如何发布

模型的输出通常是在标准中以表格的形式发布。由于连接器损耗和长度都作为输入参数, 显示所有的组合可能是很困难的, 因此, 各自的标准委员会必须选择如何表示这些输出。

对于以太网来说, IEEE文件假设一个系统链路包含2个连接面板, TIA-568C.3的标准多模连接器最大损耗是0.75d B, 那么结果就是链路整体连接损耗为1.5d B。根据这个假设, 模型可以算出可以支持的最大距离。比如, IEEE声明10GBase-SR在总信道预算为2.6d B的OM3光纤上最长可以达到300m, 这个数值是提供简单、便捷的单一系统配置较好的指导工具, 但是, 光纤链路配置是由不同长度的布线、若干的连接器面板、熔接等组成, 这种情形下的指导则要求更贴近对模型的观察。

对于光纤通道而言, 信息技术标准国际委员会 (INCITS) 发布了不同的输出, 其声明了基于一系列连接器插入损耗值上的可支持距离, 而不是信道的一对连接器插入损耗的假设。表1列出了基于连接器插入损耗系列 (1~3d B) 上不同光纤类型可以支持的8G光纤通道距离性能。这个方法更加清晰地说明了距离和连接器插入损耗之间的权衡。

5 余量的价值是什么

拥有附加的信道插入损耗或余量, 可用性是非常显著的, 因为这可以让系统工程师在布线设计中包含多样的增值特性。

一个传统的点到点信道包含了连接在配线面板内的线缆终端, 如图2所示。有关增值特性的一个例子就是在基础布线系统中增加交叉连接, 从而产生信道中的4对连接器面板, 交叉连接增添了物理布线的任意端口连接的灵活性。

在诸如数据中心广泛部署光纤通道导向器和插板式交换机的环境中, 通过使用交叉连接的跳接区域来实现端口复制, 将会产生一个灵活的环境。配置一个交叉连接布线系统的示例如图3所示, 在这个情形中, 系统有2d B的最小连接器损耗 (假设每个转接模块是0.5d B) , 利用表1的8G光纤通道表, 那么基于OM4光纤上的最大可以支持信道距离是160m。

对于尚未分配的余量则不是简单地用于交叉连接的实施, 这些余量也被用于承担由于关联其他设计参数而带来的插入损耗等, 比如像区域配线, 分支跳线和点到点链路的扩展等, 此外, 尚未分配的余量也用于支持链路内部其他技术的实现, 比如光纤分路部件等, 如图3所示。

6 技术如何影响距离

网络监控的光纤分路器件的使用逐步普遍, 然而, 光分路将有30%~50%的光功率被分离, 用于分析而导致了附加损耗, 根据使用的分路器类型或性能以及分光比会带来1.8d B~3.8d B不等的损耗。

图4显示了2个配线面板的连接2个终端设备的链路, 信道一端的分光模块从链路引出光信号用于监控网络传输的安全和性能, 放置在信道中的50/50光分路器将分离出光信号, 从而导致3.8d B的附加损耗。

问题是, 一个包含指定分配的1.5d B连接损耗如何支持附加3.8d B功率损失加上分路部件上额外LC耦合熔接损耗的10G链路?答案就是降低系统长度, 释放一些未分配的余量用于补偿分路部件的插入损耗。

使用IEEE模型, 描述上述包含已安装50/50分路器件的链路, 结果就是5.1d B的连接器插入损耗, 可以基于OM3光纤支持10Gb E到140m (从图1看到, 5.4d B可支持100m和4.9d B可支持150m) 。

7 最大化设计性能

光纤布线性能特点将被部署连接部分的损耗性能应当可以在模型中被调整。这些可以向结构化布线制造商咨询IEEE和INCITS的输出模型, 使系统设计人员能够把灵活性和未来升级等综合考虑在布线设计中, 不会因为距离而牺牲所支持带宽需要的能力。

结构化布线的低损耗、高性能部件的使用降低了引入交叉连接 (传统的连接器耦合) 或像分路模块技术等带来的经验损耗, 结果是系统的可支持距离更长。比如, 标准假设的每个连接器对的最大损耗是0.75d B, 然而, 低损耗部件的使用显著降低了事实上的插入损耗进而影响了整体的功率预算。拥有这些增强性能的优势, 就能够将连接器功率损耗的部分转移至“未分配余量”部分。由于实际损耗变小, 信道的距离会比那些将被用于模型中的“标准”性能值扩展, 作为另一选择, 这部分额外的余量也可以被用于在信道中的附加连接器而导致的动态余量。

8 更加灵活

布线基础设施设计的灵活性不是望而生畏的事情, 标准定义在最大传输距离和损耗预算时, 也为那些设计能够变化提供了指导, 同样也认可贯穿于数据中心的需求和应用之间是存在着很大不同。

插入损耗论文 篇3

光纤连接器质量好坏直接影响着光纤通信的质量。光纤连接器质量主要用插入损耗、回波损耗、重复性和互换性来衡量。其中插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后, 其输出光功率相对输入光功率的比率分贝数[1]。光纤连接器插入损耗越小越好, 从理论上讲影响光纤连接器插入损耗的主要因素有:纤芯错位、光纤倾斜、光纤端面间隙、光纤端面的菲涅尔反射、纤芯直径不同、光纤数值孔径不同等。光纤连接器在实际研磨过程中, 陶瓷套管和光纤的硬度不一样, 光纤纤芯端面相对于套管往往会产生凹陷, 因此两跳线头连接时中间出现空气层, 光在光纤中的传输路径为光纤—空气—光纤, 由于空气和光纤的折射率不一样, 将产生菲涅尔反射。

当光入射到折射率不同的两种媒质分界面上时, 一部分光会被反射, 这种现象称为菲涅尔反射。在光纤连接器端面研磨后, 光纤往往会出现不同程度的凹陷, 如图1所示。显然, 当两根光纤的端面对接时, 光纤端面不可能做到100%的物理接触, 中间必定存在空气间隙。

当跳线对接后, 假设两光纤端面呈平面镜状态, 界面1与界面2平行, 如图2所示。光从光纤1入射到光纤2时, 会经过一个空气间隙, 由于空气的折射率不同于纤芯的折射率, 因此在界面1和界面2上均会产生菲涅尔反射。图中n1和n3分别为光纤1和光纤2的纤芯折射率, n2为空气层折射率。由图2可知, 光在界面1发生菲涅尔反射后, 进入空气间隙入射到界面2上, 在界面2上发生菲涅尔反射, 因此这个过程将连续发生两次菲涅尔反射。

1.1 不计干涉

根据光波传播理论, 当光从光纤1正入射向光纤2传播时, 光波在界面1上的电场振幅的反射系数γE1= (n1-n2) / (n1+n2) 和透射系数 (传输系数) tE1=2n1/ (n1+n2) 、磁场振幅反射系数γH1= (n2-n1) / (n1+n2) 和透射系数 (传输系数) tH1=2n1/ (n1+n2) 均可根据折射率求出。光波到达界面2时的电场振幅反射系数γE2= (n2-n3) / (n2+n3) 和透射系数tE2=2n2/ (n2+n3) 、磁场振幅反射系数γH2= (n3-n2) / (n2+n3) 和透射系数tH2=2n2/ (n2+n3) 根据折射率也可求出[2]。

用Pi表示从光纤1入射到界面1的入射光功率, 用Po表示通过空气间隙进入光纤2的出射光功率, 则Po=|tE1tH1||tE2tH2|Pi。通常光纤折射率n1=n3=1.468, 空气折射率n2=1, 故可得Po≈0.929 38Pi, 最终计算出空气间隙的损耗αgap1=-10 lg (Po/Pi) ≈0.318 dB。

1.2 计入干涉

由图2可知, 光纤连接器端面间隙可等效为一个空气薄膜, 光经过空气薄膜后, 两个界面会对入射光进行多次反射和透射, 透射出去的光波相遇时将产生干涉, 如图3所示。由于前两次透射出去的光强已占入射光强的绝大部分, 此后经多次反射后透射光的光强很弱, 可忽略不计, 故仅考虑双光束干涉。

相继两光束由光程差引起的相位差为:

undefined

式中θ1=θ2=0°, h为光学薄膜厚度, λ为入射光波长, 空气折射率n2=1。

若假设入射光强度为I0, 则在界面2上第一次透射出去的光强I1=|tE1tH1||tE2tH2|I0, 第二次透射出去的光强I2=|tE1tH1||γE2γH2|2|tE2tH2|I0, 那么透过界面2的实际光强为[3]:

undefined

由此可以计算出损耗与空气间隙厚度h的关系为:

αgap2=-10 lg (I/I0) =-10 lg|tE1tH1||tE2tH2|·

undefined (3)

由式 (3) 可知, 当空气间隙厚度不同时, 菲涅尔反射引起的光纤连接器插入损耗是不同的。图4给出了在不同空气间隙厚度情况下, 插入损耗随波长的变化曲线。表1列出了在1.31 μm和1.55 μm波长时的插入损耗计算值。可见, 在一定范围内空气间隙越大, 菲涅尔反射所带来的插入损耗越大。在空气间隙很小时 (h=10 nm) , 菲涅尔反射引起的插入损耗很小, 可忽略不计;空气间隙h=180 nm时, 计入干涉和不计干涉的菲涅尔反射引起的插入损耗值差不多;在更大空气间隙h=300 nm时, 计入干涉比不计干涉的菲涅尔反射引起的插入损耗要大。当然, 由于同心度和光洁度等因素的影响, 实际插入损耗值将会大于本文所计算的理论值。

综上所述, Telcordia GR-326-CORE Issue 3中把光纤端面凹陷规定在±50 nm范围内[4], 是有一定原因的。若两个跳线头子都达到极限凹陷值50 nm, 它们对接时的端面间隙为100 nm, 产生的插入损耗如图4b) 所示。可见, 空气间隙为100 nm时, 菲涅尔反射对光纤连接器插入损耗的影响是比较小的, 约为0.1 dB。这样, 即使考虑同心度和光洁度等因素对插入损耗的影响, 连接器总的插入损耗还是可满足小于0.25 dB这一通行插入损耗标准。

2 试验验证

我们挑选了3个同心度和端面光洁度都很好的光纤连接器与标准测试线的光纤连接器 (凹陷量18.9 nm) 两两对接后, 用JGR BR5插回损测试仪来测试其插入损耗, 测试结果参见表2。从表中可知, 这3个光纤连接器样品均存在不同程度的凹陷, 与标准测试线的光纤连接器对接后, 其空气间隙h均大于30 nm, 此时空气间隙的损耗应为计入干涉的αgap2;光纤连接器在1.55 μm波长时的插入损耗比1.31 μm波长时的小, 且纤芯端面间的空气间隙越小, 插入损耗也越小。

3 结 论

由于光纤连接器端面在研磨后会产生光纤凹陷, 在对接后中间就会存在空气间隙, 所以两光纤连接器端面并不能实现真正的物理接触。若端面间隙控制在1 μm以内, 由光发散所引起间隙损耗就可以忽略不计。菲涅尔反射产生的插入损耗可以认为是光纤连接器插入损耗的理论极限。但本文计算的不计干涉时菲涅尔反射产生的插入损耗约为0.318 dB, 而连接器通行的行业标准是在1.31 μm和1.55 μm波长时连接器的插入损耗要小于0.25 dB, 显而易见, 两者存在矛盾。实际情况是光纤端面之间的空气间隙产生的菲涅尔反射光会发生干涉, 当空气间隙很小时, 其所产生的插入损耗远小于0.25 dB。

在光纤连接器行业中, 一般的标准是插入损耗α≤0.25 dB, 优秀生产厂家生产的光纤连接器的插入损耗甚至可以优于0.20 dB。由式 (3) 可知, 当空气间隙h>168.70 nm时, 由空气间隙带来的插入损耗才会大于0.25 dB (测试波长为1.55 μm) 。即在允许范围内的光纤端面凹陷量对连接器插入损耗影响并不大, 而端面的清洁程度和纤芯错位等带来的损耗才是主要因素。采用运转稳定的研磨机, 使用优质的研磨片以及对研磨压力时间的合理选择, 都能提高连接器的端面质量。连接器制造商应选择更高品质的光纤以及更高同心度的套管, 以使光纤精确地对准, 有效减小由纤芯错位造成的损耗, 才能使光纤连接器的插入损耗降到最低。

参考文献

[1]林学煌.光无源器件[M].北京:人民邮电出版社, 1998:6-15.

[2]杨军.强菲涅尔反射对光纤链路测试的影响分析[J].电信技术, 2004 (7) :60-63.

[3]郁道银, 谈恒英.工程光学[M].北京:机械工业出版社, 2006:308-334.