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【Tech Tip】深入探討光纖與銅纜的回波損耗 (Return Loss)

回波損耗 (RL, Return Loss) 是訊號從源頭注入後,返回、或反射回源頭的功率比例,它在銅雙絞線和光纖纜線系統中為關鍵的性能參數;回波損耗是一種干擾訊號傳輸的現象,它導致訊號在纜線或光纖系統中遭受插入損耗的增加。當訊號從源頭注入到纜線或光纖中時,一部分訊號會因為纜線內部的不匹配、反射、或散射,而返回、或反射回源頭,這些反射的訊號與源頭注入的訊號相互干擾,造成了回波損耗。

回波損耗的增加會導致插入損耗 (IL, Insertion Loss) 的增加,插入損耗是指訊號在傳輸過程中失去的功率量;當回波損耗增加時,表示有更多的訊號被反射回源頭,而不被正確地傳送到目的地;這表示在纜線或光纖的遠端,可用的訊號功率會減少,因此接收裝置可能無法正確地接收到足夠強度的訊號。


在光纖系統中,回波損耗尤其重要,因為它可能導致雷射光源 (laser source) 受損,雷射光源用於產生光訊號,並注入到光纖中進行傳輸,如果回波損耗過高,反射回雷射光源的光訊號,可能會對雷射器造成損壞或不穩定的運作,進而影響整個光纖系統的性能和可靠性。因此,回波損耗的控制是確保訊號傳輸品質和系統穩定運作的關鍵因素之一,透過使用適當的纜線和連接器、確保正確的纜線終端接地、以及進行有效的設計和安裝,可以降低回波損耗並確保訊號的有效傳輸。


回波損耗 (Return Loss) 的計算公式


回波損耗(以dB為單位),透過比較輸入(或入射)功率和反射功率來計算,使用以下公式:


回波損耗 = 10 * log(入射功率 / 反射功率)(單位:+dB)


計算結果始終為正數,數值越高越好,當回波損耗較高時,表示從源頭發出的訊號在纜線或光纖系統中被反射回來的功率較小,並且較少的干擾影響到訊號的傳輸(該數值以正數表示是TIA和ISO標準的要求);在一個理想的情況下,如果訊號從源頭完全被傳送到目的地,並且沒有任何反射回來,則回波損耗將達到無窮大;然而,在實際應用中,存在各種因素導致訊號的反射和損耗,使得回波損耗的值無法達到無窮大,但通常仍追求較高的回波損耗來確保較好的訊號傳輸品質和較小的失真程度。


較高的回波損耗與傳輸訊號的失真程度並沒有直接相關,回波損耗本身並不直接衡量訊號的失真程度,訊號的失真可能由許多因素引起,例如:頻率響應不平坦、相位失真、時域失真等等;回波損耗只是一個指標,用於衡量訊號在傳輸過程中被反射回源頭的程度,並不能提供關於訊號失真的詳細信息。因此,要評估傳輸訊號的失真程度,需要考慮其他量測指標,如:插入損耗 (Insertion Loss)、頻率響應 (Frequency Response)、相位失真 (Phase Distortion)、失真時間 (Distortion Time) 等,這些指標可以提供更全面的評估,以了解訊號在傳輸過程中的表現和可能的失真情況。


回波損耗 (Return Loss) 與反射率的差異


反射率 (Reflectance) 是回波損耗的倒數,它衡量的是返回的訊號量相對於注入的訊號量,反射率也以分貝(dB)為單位,但是它是一個負數,如下所示的公式:


反射率 = 10 * log(反射功率 / 入射功率)(單位:-dB)


數值越低,反射率越好,要知道數值高或低哪個更好,一個方法是記住離零越遠的數值對於回波損耗和反射率都更好;需要注意的是,回波損耗用於測試整個光纖連接,而反射率通常用於衡量光纖連接點等單個事件的性能,在光纖系統中,連接點包括:光纖之間的物理接合、光纖與光模組之間的連接等,這些連接點可能會產生反射,導致部分訊號被反射回來,而不是正確地傳送到下一個元件或連接點。


使用反射率來評估連接點的性能,可以提供關於反射的量化訊息,反射率衡量的是返回的訊號功率相對於注入的訊號功率之間的比例,較低的反射率表示較少的訊號被反射回來,並且更多的訊號能夠正確地傳輸到下一個連接點,這對於確保連接點的性能和整個光纖系統的正常運作至關重要。


量測反射率通常需要使用特殊的裝置,如:光時域反射儀 (OTDR, Optical Time-Domain Reflectometer),這些裝置能夠發射一個光訊號,並量測返回的反射光訊號的功率,透過比較反射功率和注入功率,可以計算出反射率的數值;藉由監測和控制連接點的反射率,可以確保光纖系統的穩定性和性能,高反射率可能會導致訊號衰減、干擾和失真,甚至可能損壞光源;因此,減少連接點的反射率是確保光纖系統高品質和可靠性的關鍵步驟之一。


光纖中的回波損耗 (Return Loss)


光纖纜線系統中的回波損耗遠小於銅纜,這是為什麼光纖支援更長距離的原因之一,例如,典型的光纖回波損耗範圍在20 dB至75 dB之間,這取決於應用和測試中所使用的光纖的類型、波長、脈衝寬度、和反向散射係數;相比之下,Cat 6銅雙絞線的回波損耗限制在250 MHz時為10 dB。


個別連接點也具有反射值,可以使用 光時域反射儀(OTDR)來進行量測,然而,在製造商的元件規格中,有時會將反射率表示為回波損耗。這表示它們使用回波損耗的正數表示方式來描述反射率,這是因為回波損耗和反射率之間是相互關聯的,兩者可以透過以下關係轉換:


回波損耗(Return Loss) = -反射率(Reflectance)


所以,當我們講述元件的回波損耗時,實際上是指它的反射率,只是以正數表示,較大的回波損耗值(或較小的反射率值)表示更少的訊號被反射回來,這對於確保訊號的正確傳輸和減少干擾是有益的;請記住,反射率是一個負數,數值越低,連接中的總回波損耗和插入損耗就越好。良好的多模光纖連接器的反射率應為 -35 dB 或更低(或回波損耗應為35 dB或更高);而良好的單模連接器的反射率應為 -50 dB 或更低;良好的熔接接頭通常更低,這些數值通常無法用大多數現場測試儀器量測。


光纖系統中導致回波損耗的原因


光纖系統中的回波損耗主要是由連接點處(例如:連接器和熔接點)的菲涅爾反射 (Fresnel reflection) 引起的,其中,連接器端面的污染是導致回波損耗最常見的原因,可能會使回波損耗下降20 dB或更多,回波損耗還可能由於連接器端面拋光不良、連接器配對不良(例如:氣隙和核心不對齊)、光纖中的裂縫、裸露的光纖端面、以及在製造過程中進入光纖芯中的雜質引起,光纖安裝過程中可能出現的微觀和宏觀彎曲(如:超過彎曲半徑、或拉力要求)也會影響回波損耗。


連接器端面的角度也會對回波損耗產生影響,在光纖連接器中,有兩種常見的端面設計:UPC(超物理接觸)連接器端面略微圓潤,而APC(傾斜物理接觸)端面則傾斜8度。


UPC連接器端面是略微圓潤的,這表示光纖的端面與連接器的接觸面有良好的物理接觸,由於這種設計,UPC連接器能夠提供較高的回波損耗,較高的回波損耗表示更少的訊號被反射回來,有助於維持訊號的穩定性和可靠性。


APC連接器端面則是以8度的角度傾斜切割的,這種斜角設計能夠使反射的光訊號以更大的角度散射,從而將其從主光路中分離出來,因此,APC連接器可以提供更低的反射率和更好的回波損耗性能,APC連接器通常在需要高度抗反射性能的應用中使用,例如:光纖系統中需要極低的回波損耗的情況。

End face shapes of UPC and APC connectors
End face shapes of UPC and APC connectors

UPC連接器相互連接時,反射光會直接通過光纖芯向源端返回;然而,APC連接器的傾斜端面,使得大部分反射光以角度進入,並被包圍光纖芯的包覆層吸收;優質的UPC單模連接器的反射率值通常為 -50 dB 或更低,而APC單模連接器則通常為 -60 dB 或更低;UPC和APC連接器端面的角度設計不同,這直接影響了回波損耗的表現,UPC連接器的回波損耗較高,而APC連接器則提供較低的回波損耗;選擇適合的連接器端面設計取決於特定應用的需求和性能要求。


回波損耗的要求


正如先前提到的,良好的回波損耗性能也是良好的插入損耗性能的一個重要指標,而插入損耗是確保光纖應用的支援和進行光纖衰減(有時稱為損耗或Tier 1)認證測試所必需的主要參數,回波損耗性能差可能導致光纖連接未能通過插入損耗測試,無法獲得認證。


此外,某些應用對反射光更為敏感,在這些應用中,連接點的數量和回波損耗值可能會降低最大插入損耗的要求,這種情況常見於新型的 DR 和 FR 短距離單模應用中,使用的低成本、低功率收發器,因此,IEEE標準根據通道中配對連接器 (mated pairs, 光纖系統中進行連接時使用的兩個連接器之間的配對) 的數量,制定了連接點的反射率值,這可能要求減少配對連接器的數量、或降低通道插入損耗的限制,這種限制通常適用於使用低成本、低功率的收發器進行短距離單模應用的情況。


測試光纖系統中回波損耗的工具


雖然像 Fluke Networks CertiFiber Pro 這樣的光纖損耗測試儀(OLTS)可以提供低不確定性的網路和通道衰減測試,但在光纖系統中進行回波損耗的現場測試需要使用OTDR,它可以量測光訊號反射回源端的量,這在需要進行擴展測試(有時稱為Tier 2測試)以及衰減測試的項目中是必需的。


OTDR(光時域反射儀)對光纖進行高功率光脈衝的發射,當這些光脈衝遇到反射事件(例如:連接、斷裂、裂縫、接頭、急彎、或光纖末端)時,它們將被反射回來,並被儀器追蹤和標定特徵,回波損耗的量測是通過計算從所有事件反射的光總和和網路的總反射損耗來完成的;OTDR還提供每個單獨事件的反射率值和位置,這對於需要了解光纖連接的具體反射率的應用(如短程單模應用)以及故障排除非常有用。


OTDR的使用被認為是一種替代的測試方法,它並不能取代OLTS,因為使用OTDR所獲得的總衰減量測結果,不一定能反映連接線路在實際使用時的總損耗。


光纖回波損耗的測試程序


使用OTDR測試回波損耗需要使用發射光纖 (launch cords) 和跳接光纖 (tail cords),這樣可以量測第一個和最後一個連接器的反射率,並將其納入整體回波損耗的量測中,發射光纖和跳接光纖的長度也需要透過補償來從量測中排除,像OptiFiber Pro這樣的OTDR非常容易設定,只需選擇光纖類型和測試限制,然後設定發射補償即可。


在使用 OTDR 進行光纖回波損耗測試時,需要進行雙向測試,因為特定連接器和融接點的反射率,取決於測試的方向,即使兩根連接的光纖是相同類型,光纖可能會存在微小差異和不同的散射係數 (backscatter coefficients),這可能導致連接後比連接前反射的光訊號更多。


OTDR 可以以圖形方式顯示光纖連接的特性,繪製反射和散射光的軌跡,經驗豐富的 OTDR 使用者通常能夠辨識出發射光纖、連接器、機械融接點、光纖融接點、不匹配的光纖、以及跳接光纖等反射事件;然而,並非每個人都是軌跡分析專家;OptiFiber Pro 擁有先進的邏輯功能,可以自動解讀軌跡並提供「事件地圖」,顯示連接器、融接點、和異常的位置和反射率。

OptiFiber 的 EventMap 和 OTDR 測試結果的範例
OptiFiber 的 EventMap 和 OTDR 測試結果的範例

銅纜的回波損耗


回波損耗也是銅雙絞線系統的一個性能參數,與光纖不同的關鍵之處在於,銅線的回波損耗隨訊號頻率變化而變化,它基本上被視為一個雜訊的量測,在較高頻率下效果較差,例如:Cat 5e規定100 MHz的最大允許回波損耗約為16 dB,而Cat 6A規定到500 MHz的回波損耗只有8 dB;請記住,數值越大,回波損耗越好;在銅纜線中,過多的回波損耗可能會增加串擾、訊號扭曲,並導致更高的位元錯誤率。


銅纜系統的回波損耗原因


銅纜線連接中的回波損耗是由元件之間的阻抗不匹配、或纜線長度中的微小阻抗變化引起的,因此,連接器製造商致力於設計銅纜線的插頭和插座,以確保其阻抗能夠與其他元件相匹配;而纜線製造商則確保纜線的阻抗特性在整個生產過程中保持穩定,從而減少回波損耗的發生;回波損耗還可能由彎曲或損壞的纜線、或不良的端點操作引起,例如:在端點處解開額外不必要的雙絞對,一般來說,雙絞線的線對結構有助於減少電磁干擾和串擾的影響,然而,如果在端點處解開了不必要的雙絞對,可能會導致訊號受到干擾,增加回波損耗的可能性;而銅纜線中的水分也可能是回波損耗的另一個潛在原因。


測試銅纜系統中的回波損耗的方法


由於回波損耗隨著頻率變化,因此需要在特定應用的整個頻率範圍內進行測試,例如,在Cat 5e通道中,回波損耗從1 MHz到100 MHz進行測試;對於Cat 6A,則從1 MHz到500 MHz進行測試;Fluke Networks DSX CableAnalyzer系列測試儀器 可以根據正在測試的應用,自動在每個頻率上測試每對線對,並將結果繪製在整個頻率範圍內,如下圖所示:

DSX CableAnalyzer顯示的銅纜測試結果範例,左圖顯示了回波損耗失敗,中圖為回波損耗的頻率圖,以及右圖為診斷回波損耗失敗原因的“故障訊息”畫面。
DSX CableAnalyzer顯示的銅纜測試結果範例,左圖顯示了回波損耗失敗,中圖為回波損耗的頻率圖,以及右圖為診斷回波損耗失敗原因的“故障訊息”畫面。


當回波損耗只在單一頻率點發生,且其他頻率都超過餘量 (Margin) 時,通常表示出現了纜線問題,一般而言,當所有四對線路都失敗(尤其是在較低頻率時),可能表示纜線品質較差、或者纜線中有水分;解讀回波損耗失敗的頻率圖通常需要相當的專業知識,而DSX CableAnalyzer中的“故障訊息”功能已經整合了這種能力。


如何量測和測試銅纜系統的回波損耗


良好的回波損耗測試裝置具備哪些特點?


無論是測試光纖還是銅纜,良好的回波損耗測試裝置的關鍵在於準確性。


對於光纖認證測試,您需要一款支援OTDR測試的儀器,能夠在多個波長下按照產業標準、或自定義的測試限制對多模和單模光纖連接進行測試,此外,能夠輕鬆設定測試儀器並自動解讀OTDR追蹤數據,顯示反射事件的位置圖,有助於更順暢地進行故障排除。作為模組化的Versiv™線纜認證產品系列的一部分 – OptiFiber Pro是一款高精度的OTDR,為企業網路工程師和銅纜安裝人員提供易於使用的功能,無需繁瑣和複雜的操作,OptiFiber Pro支援 LinkWare Live雲端測試結果管理,可以輕鬆更新最新韌體以支援新的應用,並提供全面的保護計劃和全天候的技術支援。


在進行銅纜認證測試時,選擇一款經過合格實驗室獨立認證的測試儀器,以符合TIA和IEC準確度要求,是非常重要的,例如,對於TIA類別6A / IEC類別EA測試儀器,需要具備IIIe級的準確度,為了確保高度準確的量測結果並具有最大的靈活性,應選擇具備TIA 2G級或IEC VI級準確度的測試儀器,該測試儀器應具備認證所有類別的纜線和當前應用程式的性能與能力,並能顯示纜線的所有四對線路上的所有參數結果,包括回波損耗;此外,值得注意的是,外部干擾 (Alien Crosstalk) 也是標準的一部分,因此具備量測外部干擾的測試儀器在必要時非常有價值;最後,具有診斷功能的測試儀器可以減少解決回波損耗原因所需的時間;DSX CableAnalyzer系列 的銅纜認證測試儀器符合所有這些要求,並且作為Versiv平台的一部分(如OptiFiber Pro),支援 LinkWare Live 雲端平台,可以輕鬆升級韌體,並且享有全面的Fluke Networks保護。


如果您的團隊同時使用光纖和銅纜線,請尋找一款能夠透過相同的使用者界面進行兩種類型的測試的測試儀器,這樣可以大大減少學習時間和出錯的可能性;支援銅纜線和光纖測試結果的報告和存檔軟體還可以節省更多時間;Versiv 符合這些要求,它具有一個用於銅纜線認證、光纖測試(包括 OLTS 和 OTDR 測試)以及端面檢查的單一使用者界面。Versiv 允許在同一個專案中指定所有四種測試類型,確保不會因為疏忽而跳過任何測試。而在報告方面,LinkWare 提供了一個單一平台,可以在桌面和雲端版本上進行所有這些測試的報告。


文章來源:Fluke Networks

翻譯與整理:翔宇科技量測事業群


關於 Fluke Networks


Fluke Networks 是全球領先的網路纜線基礎設施認證、故障排除、和安裝工具的儀器裝置供應商,專為安裝和維護關鍵網路纜線基礎設施的專業人士提供服務,無論是在安裝最先進的資料中心,還是在最惡劣的天氣中恢復服務,我們憑藉無以倫比的可靠性和卓越的性能確保工作能高效完成;公司的旗艦型產品包括創新的 LinkWare Live,這是全球領先的雲端接纜線認證解決方案,迄今已上傳超過 1,400 萬份測試結果。

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