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【Tech Tip】什麼是插入損耗 (Insertion Loss)?

插入損耗 (Insertion loss) 是訊號在傳輸過程中,隨著通過電纜鏈路而損失能量的量,這是一種自然現象,在任何類型的傳輸中都會發生,無論是電力還是數據;這種訊號減少,也稱為衰減 (attenuation),與電纜的長度直接相關 - 電纜越長,插入損耗越大,插入損耗還由沿著電纜鏈路的任何連接點引起(例如,連接器和接頭)。


插入損耗 (Insertion Loss) 公式


插入損耗是銅纜和光纖應用的關鍵性能參數,以分貝(dB)為單位進行量測,它通常是一個正數,透過比較訊號源端的輸入功率和遠端的輸出功率來計算得出;插入損耗越低,性能越好,如果插入損耗過高,它可能會阻止訊號在鏈路遠端的主動設備正確地接收和解讀,由於插入損耗與距離,和連接點的數量直接相關,產業標準對插入損耗極限值進行規定,並為特定應用指定了連接數量和距離限制。


插入損耗 vs. 回波損耗 vs. 反射損耗


與插入損耗一樣,回波損耗 (Return Loss) 是銅纜和光纖系統中的另一個重要參數,與量測鏈路上的損耗不同,回波損耗量測從訊號源端注入的功率與返回源端的反射功率之間的差異;與插入損耗一樣,回波損耗也是一個正數,然而,與插入損耗不同,回波損耗數值越高,性能越好;降低反射將導致回波損耗增加,換句話說,如果沒有訊號被反射,則回波損耗將是無窮大;更高的回波損耗通常也與較低的插入損耗相關;需要注意的是,在光纖應用中,回波損耗的倒數是反射 (Reflectance) 損耗,它量測由反射事件(例如連接器)產生的背向反射量與注入光量之間的差異,反射損耗也以分貝為單位,但是它是一個負數;更多關於回波損耗和反射損耗之間差異的資訊,可以參考我們的文章:深入探討光纖與銅纜的回波損耗 (Return Loss)


光纖中的插入損耗 (Insertion Loss)


光纖纜線系統中的插入損耗遠小於銅纜,這也是為什麼光纖支援更長的距離和長程主幹應用的原因,例如,多模光纖在100米距離上僅損失約3%(0.3 dB)的原始訊號強度,而類別6A銅纜在相同距離上損失約94%(12 dB)的訊號強度;然而,特定光纖應用所能容忍的插入損耗也有極限值,而高頻寬應用則對損耗有更嚴格的要求,例如,10 Gb/s應用的10GBASE-SR在400米的多模光纖上,允許最大通道插入損耗為2.9 dB,而100 Gb/s應用的100GBASE-SR4僅允許最大1.5 dB的插入損耗。


光纖中的插入損耗 (Insertion Loss)


對於特定應用,基於產業標準所公布的最大插入損耗值,損耗預算會在設計階段的早期確定,以確保纜線系統不會超過最大規格限制;根據光纖和連接器的製造商規格,以及任何接頭或分光器的最大指定損耗,光纖插入損耗預算是透過將光纖長度以及通道中每個計劃的連接點的插入損耗相加計算出來的;同時,也需要根據設備製造商的規格考慮主動設備,基於發射器和接收器之間的差異,以及考慮到隨著發射器老化,可能會導致的隨時間的功率損失,而需要留有一定的餘地。


如何測試光纖系統的插入損耗


由於插入損耗是影響光纖鏈路支援特定應用能力的主要性能參數,根據產業標準,它是光纖認證測試的必要項目,像 Fluke NetworksCertiFiber Pro 光纖損耗測試儀一樣,使用一端的光源和另一端的功率計來測量光源從對立面輸出多少光線,這樣可以得到最精確的插入損耗測量結果;TIA 和 ISO 標準均使用「Tier 1」來描述使用光纖損耗測試儀進行的測試。


有些專案可能還會指定進行擴展的「Tier 2」測試,這需要使用光時域反射計(OTDR)來對單個接頭和連接器的損耗進行特性分析,OTDR透過向光纖發射光脈衝,並量測每個脈衝反射的光量來實現這一目標;OTDR通常還用於計算特定連接器的回波損耗,因此對於短距離單模應用(其中最大插入損耗乃基於通道中連接器的數量和回波損耗)是必不可少的;值得注意的是,在「Tier 2」測試中使用OTDR並不代替光纖損耗測試儀(OLTS),因為使用OTDR量測的總插入損耗是一個推斷的計算,不一定能真實反映連接實際運行時的總損耗;因此,即使規範要求進行擴展的「Tier 2」測試,仍然需要透過OLTS進行「Tier 1」插入損耗測試;在這些情況下,也建議在進行OLTS插入損耗測試之前進行OTDR的光纖鏈路特性分析,因為這是最終合規證明的要求。


光纖插入損耗測試程序


在今天的多模光纖系統中進行插入損耗測試需要使用環流通量(EF)發射條件,以減少量測不確定性,這種方法控制光如何進入待測光纖,以防止過度填充的發射,可能導致悲觀的結果,或是不足填充的發射,可能導致樂觀的結果;Fluke Networks僅提供符合EF標準的測試儀器和測試參考線,適用於所有多模光纖類型的850 nm和1300 nm。


插入損耗測試程序的預設方法是使用1跳線的方式,這包括了兩端連接的損耗,這是纜線系統最終的實際使用情況;為了準確測試第一個和最後一個連接器的損耗,必須使用測試參考線(TRCs),將它們與相似的已知品質連接器進行配對;TRCs是高品質的測試線,其末端配備參考級連接器,並且光纖芯的光學對中表現出極低的插入損耗,單模光纖小於0.2 dB,多模光纖小於0.1 dB;用於日常插拔的典型光纖跳線的損耗在0.3 dB至0.5 dB之間,因此不適用於測試。


為了考慮TRC的損耗,光纖測試儀必須校準到0 dB的損耗,這就像在秤上放一個碗,然後將秤校準到零,以確保碗中物體的重量準確;使用 Fluke Networks 的 CertiFiber Pro 的“設置參考 (Set Reference)”導引,可以輕鬆完成參考的設置,該導引會引導使用者逐步進行此過程。可透過學習如何使用“設置參考 (Set Reference)”導引來設定光纖測試儀的參考值。

插入損耗測試程序
插入損耗測試程序

插入損耗範例


使用 Fluke Networks 的 CertiFiber Pro OLTS 進行插入損耗測試,可以根據測試的光纖類型和應用的測試極限值,提供簡單的通過/不通過指示,並顯示鏈路的總損耗和長度;如下所示的插入損耗範例中,虛線表示量測中包含的內容,"Detail" 視窗顯示了兩個波長下光纖的餘量和允許的極限值。

插入損耗測試範例
插入損耗測試範例

每個光纖鏈路的插入損耗測試結果,也可以透過LinkWare™ Live上傳和管理,這是一個雲端服務,可以產生認證報告、分享、追蹤和管理所有項目的測試結果;除了插入損耗結果外,LinkWare插入損耗認證報告還包括有關正在測試的光纖、纜線ID、連接器類型和測試極限值、日期和時間,甚至測試儀器的校準和軟體訊息。


光纖系統中插入損耗的原因


超過特定應用的插入損耗極限值,可能是由於低質量的元件、或現場終端不良所致,例如:連接器不對齊、或光纖端面污染;實際上,端面污染仍然是插入損耗的主要原因,如果系統在沒有適當清潔和檢查光纖端面的情況下進行了移動、增加、和更改,安裝時可能是乾淨的,但現在可能變得髒亂,並為通道增加插入損耗;其他原因可能包括在確定插入損耗預算時出現計算錯誤、或在安裝過程中出現變化,例如:增加了連接、或連結比計劃更長;安裝後的問題還,可能是由於客戶升級到具有比原始插入損耗預算計算中,使用的更嚴格插入損耗要求的更高速應用。


如前面所提到的,良好的回波損耗性能也是良好的插入損耗性能的良好指標,儘管插入損耗是確保應用支援所需的主要性能參數,但在某些對反射特別敏感的應用中,連接器的數量和回波損耗值可能會影響允許的最大插入損耗,這是在新的短程單模應用中使用的低成本、低功耗收發器所處的情況。


光纖插入損耗故障排除


在使用光纖插入損耗測試時,若損耗未通過認證測試,最佳的排解問題方法是使用光時域反射儀(OTDR),該儀器可以量測特定事件(如斷裂、彎曲、焊接和連接器)的損耗,這能夠協助技術人員確定損耗事件的原因和確切位置,OTDR提供一個圖形追蹤,用以描述光纖鏈路上的每個損耗事件。


雖然有經驗的OTDR使用者會識別出測試連接器、啟動線、連接器、機械接合、熔接接合、不匹配的光纖和連接尾部等事件,但並非每個人都是追蹤分析專家;幸運的是,像 Fluke Networks OptiFiber Pro 這樣的高階 OTDR,具有易於閱讀的圖形事件地圖,它使用先進的邏輯自動解釋追蹤,分析損耗事件。獲取更多關於排解插入損耗的資訊,可進一步閱讀【光纖問題疑難排解】。


銅纜的插入損耗


由於插入損耗在任何傳輸類型中皆會發生,它同樣也是銅纜系統的性能參數;相較於光纖,銅纜系統表現出更多的插入損耗,一個關鍵差異是訊號在銅上的損耗會隨著訊號的頻率而變化,銅纜鏈路對較高頻率訊號會有更大的損耗,例如,對於規定在100 MHz的Cat 5e,最大允許的插入損耗約為22 dB,而規定在250 MHz的Cat 6則略超過32 dB。


如何測試銅纜系統中的插入損耗


由於插入損耗隨著頻率而變化,因此在給定應用的整個頻率範圍內進行測試,例如,在Cat 5e通道中,插入損耗從1 MHz到100 MHz進行測試;對於Cat 6A,則從1 MHz到250 MHz進行測試;Fluke Networks 的 DSX CableAnalyzer 系列測試儀,會根據正在測試的應用,在每個頻率上自動進行測試,並將結果繪製在整個頻率範圍內,如下所示。

在每個頻率上自動進行測試,並將結果繪製在整個頻率範圍內
在每個頻率上自動進行測試,並將結果繪製在整個頻率範圍內

3 dB規則


根據產業標準,銅纜插入損耗結果小於3 dB的情況將被忽略,這被稱為「3 dB規則」,適用於所有銅纜標準測試極限值;在非常短的長度內,插入損耗可能永遠不會達到3 dB,因此整個量測將被忽略。


4 dB規則


此外,當插入損耗低於4 dB時,近端串擾量測也會被忽略,即使近端串擾超過了極限值,如果插入損耗永遠不會達到4 dB,整個近端串擾測量也將被忽略。


插入損耗偏差


在高速全雙工應用中,由於元件阻抗不匹配,插入損耗偏差(ILD)在高頻率上是需要考慮的,因為它可能會產生降低性能的雜訊;在這些應用中,插入損耗的結果在高頻率(通常在75 MHz以上)上可能會出現波動,特別是在具有結構性阻抗變化的鏈路上,如果電纜中的結構性變化越多,波動的振幅也會隨之增加;雖然插入損耗偏差(ILD)不是一個現場測試參數,但製造商會將ILD視為一個衡量方法,其衡量方式是計算預期插入損耗與實際測量插入損耗之間的最壞情況下的振幅差異。


銅纜佈線系統插入損耗的原因


在銅纜線系統中,插入損耗在很大程度上取決於導線的規格,23 AWG的導線的插入損耗會比相同長度的24 AWG(較細的)導線要小,為了應對更高頻率的應用,導線規格也有所增加,例如Cat 5e通常使用24 AWG的導線,而Cat 6A則使用22或23 AWG的導線,這也是為什麼一些新型較薄的28 AWG纜線限制在較短的距離內使用,以彌補增加的損耗;此外,多股銅線的插入損耗要比實心銅導體高20-50%,這也是為什麼在銅纜線系統中,實心導體被用於較長的固定鏈路部分,而多股導體則限制在較短的短跳線中使用,對於銅纜線系統,衰減也可能與溫度有關。


較高的溫度會導致所有纜線的衰減增加,這也是為什麼標準規定了銅纜線的最大操作溫度,或要求在較熱的操作環境中進行長度縮減;這同樣也是在透過遠端供電技術(例如乙太網路供電)輸送直流電源的銅纜線中需要關注的問題,這可能會導致溫度進一步升高,特別是位於纜線束中間或附近的纜線,它們無法適當地散熱。


此外,為了方便安裝而在纜線上使用潤滑劑可能會導致插入損耗無法通過認證,即使其他條件都合格;潤滑劑具有高導電性,會導致電子從纜線中消失且不會被測試器檢測到,隨著時間的推移,隨著潤滑劑變硬並且導電性降低,插入損耗才會改善。


什麼才是好的插入損耗測試設備?


無論您是測試光纖還是銅纜,一個優質的插入損耗測試儀的關鍵是準確性;對於光纖認證測試,您需要一台符合環形通量要求的測試儀,具有在多個波長下測試多模和單模光纖鏈路的能力,以及先進的自動通過/不通過分析功能,符合業界標準或自定義的測試極限值;此外,能夠輕鬆且準確地設置測試儀,可以大大減少時間並防止測試錯誤。Fluke Networks 的 CertiFiber Pro 是 Versiv 電纜認證產品系列的一部分,是一款高度準確的光纖損耗測試儀,所具備的功能,可以加速光纖認證過程的每一步驟;CertiFiber Pro 也可以輕鬆的更新到最新的韌體,以滿足最新的應用,其支援 LinkWare Live 雲端結果管理,並且有 24x7 技術支援的全面保護計劃;如果需要快速、簡單的插入損耗驗證和故障排除,Fluke Networks 的 SimpliFiber Pro 光功率計是一款先進的節省時間、成本較低的測試儀,也可以在多個波長下測試插入損耗,並與 LinkWare Live 配合使用。


對於銅纜認證測試,選擇一個具有符合標準的第五級準確度,並經過獨立且技術合格的實驗室嚴格評估的測試儀是很重要的;測試儀器應具備對所有類別的電纜和當前應用進行認證性測試的能力。它應該能夠在一根電纜的所有四對線對顯示所有參數的測試結果,包括插入損耗,這點尤其重要,因為只有一或兩線對的插入損耗較高可能是不良連接的指標;此外,具有診斷功能的測試儀可以減少修復纜線故障所需的時間,Fluke Networks的 DSX CableAnalyzer 系列銅纜認證測試儀符合所有這些要求,作為Versiv平台的一部分,它也可以輕鬆地通過最新的韌體更新來支援新的應用,支援LinkWare Live雲端結果管理,並且由Fluke Networks提供全面的保護計劃。


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