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【Tech Tip】光纖通訊的損耗預算及插入損耗和衰減的區別

當我們談論網路性能時,特別是在光纖通訊方面,"損耗預算 (Loss Budget)" 是一個非常重要的概念,這個概念關注的是光訊號在傳輸過程中,會因為多種原因而減弱的程度;光纖網路中的損耗指的是光訊號能量的損失,通常以分貝(dB)為單位表示;簡單來說,損耗越低,光訊號在傳輸中的減弱就越少,這意表示您的網路性能更好。


現在,將這個概念與財務預算相比較。財務預算是關於控制成本和財政支出的,通常是一個企業的財務部門關注的重點;然而,從光纖網路的角度來看,損耗預算關注的是確保光訊號在整個網路中保持足夠的強度,以確保順暢的通訊;如果損耗超出了預算,光訊號可能會變得太弱,這可能導致通訊中斷或錯誤,進而導致網路停機。


但損耗預算 (Loss Budget) 究竟是如何定義的,您又如何確保不超出它呢?


混淆中的術語:插入損耗和衰減的區別


訊號在任何纜線的長度上都會有所損失,這是一種自然現象,無論是電力還是資料傳輸,在任何傳輸中都會發生;而且,纜線越長,損失就越大,在路徑中的連接點,如連接器或接頭,也會導致損耗。


術語可能令人困惑,因為在討論損耗預算時,大多數人簡單地提到“損耗”,這個該參數的完整名稱是“插入損耗 (Insertion Loss)”,為了增加混淆,插入損耗有時也被稱為衰減 (attenuation);實際上,標準曾經稱之為“衰減 (attenuation)”,但由於那更像是指訊號強度的任何減少,不僅僅局限於插入損耗;而今術語被改為插入損耗 (Insertion Loss),插入損耗的含義是,當訊號穿過傳輸媒介時,它會因為傳輸過程中的阻力、散射、吸收等原因而降低其強度或能量。


不同的光纖應用具有不同的最大插入損耗要求,以確保損耗不會過高,以至於訊號無法正確到達遠端;損耗預算應在早期設計階段確定,以確保您的纜線系統不會超出您應用的最大限制。


光纖損耗預算的重要性及計算方法


您的損耗預算包括通道中的所有元件,包括光纖、連接器、溶接點(splice)、分光器和耦合器;還需要根據設備製造商的規格考慮主動設備,如光纖通訊中的光纖發射器和接收器、網路交換機、路由器等;根據發射器和接收器之間的差異以及由於發射器老化而隨時間發生的功率損失,還需要考慮一些餘地。


由於插入損耗與長度直接相關(這解釋了為什麼每個應用都有基於標準的距離限制),因此通道中的任何纜線的長度都需要納入預算考慮之中;對於較短的纜線長度,損耗將較小,例如,OM4雷射優化多模光纖 (OM4 Laser-Optimized Multimode Fiber Cable)在850 nm波長下的典型損耗約為每公里3dB,這相當於每米0.003dB的損耗;因此,如果您的纜線長度為50米,則纜線的損耗約為0.15dB,而在100米時,損耗將達到0.3dB。


在您的纜線系統中,還需要考慮所有連接點的損耗;製造商會提供其連接器的規格,需要注意的是,這些規格是基於工廠測試,當將連接器與高品質的參考連接器連接時獲得的資料;因此,非常重要的一點是,您的連接器應與類似品質的連接器進行匹配;儘管TIA標準為連接器設定了最大插入損耗值為0.75dB,但大多數製造商的連接器通常具有典型插入損耗,範圍在0.2至0.5dB之間。

您的損耗預算還需要計算纜線計劃中的所有溶接點(splice),多模溶接點的插入損耗可以低至0.1dB,但TIA標準規定最大值為0.3dB,這是計算損耗預算時可以使用的一個適當參考值,因為溶接點的品質可能會因技術人員的經驗水平而有所不同。


深入理解損耗預算


首先,您需要了解您計劃進行的應用,以及可能在相同纜線系統上運行的未來應用所需的最大插入損耗;通常情況下,具有更高頻寬需求的應用對損耗有更嚴格的要求;舉例來說,10 Gb/s多模(10GBASE-SR)應用,要求在400米的OM4多模光纖通道中的最大插入損耗為2.9dB,而40 Gb/s多模(40GBASE-SR4)應用,要求在150米的OM4通道中的最大插入損耗為1.5dB;考慮到這些更嚴格的要求,確保不超出您的損耗預算變得比以往更加關鍵。


讓我們舉個例子來說明,假設光纖每公里損耗為3.0dB,一條長度為150米的OM4光纖大約會有0.45dB的損耗,對於10GBASE-SR應用來說,這表示在通道中,連接器、拼接點和其他元件的損耗總和不應超過2.45dB(即2.9dB - 0.45dB),而對於40GBASE-SR4應用,則不應超過1.05dB(即1.5dB - 0.45dB);如果在通道中再加入四個0.3dB的連接器,您的10GBASE-SR應用的總損耗預算為1.65dB(即0.45dB + 1.2dB),這還有1.25dB的餘地;然而,對於40GBASE-SR4應用,光纖和連接器的損耗合計為1.65dB,超出預算0.15dB,在這種情況下,您需要考慮減少通道中的連接器數量,或者選擇插入損耗更低的0.2dB連接器。


此外,損耗預算應該始終留有一些餘地,因此最好採取一些保守措施,留給自己一些餘地 - 尤其是如果您正在考慮現場終端或溶接,這些操作可能會引起安裝變數,如氣隙或光纖核心對不良的情況;此外,應考慮額外的損耗預算餘地,以應對纜線系統內的重新配置、恢復、或溶接降解的情況;同樣重要的是,通道兩端的連接器也需要納入損耗預算中 - 在進行通道測試時,您的測試參考線將與這些連接器配對,以計算它們的損耗。


每個光纖應用標準還為不同類型的光纖規範了距離限制,因此,即使您在應用的損耗限制範圍內,您還需要在長度限制範圍內。


無論您如何計算損耗預算,要真正確定是否已控制在預算內的唯一方法是在安裝後透過使用光纖損耗測試套裝(例如 Fluke NetworksCertiFiber Pro)進行 Tier 1 測試 - 測試通道的插入損耗;而持續改進您的損耗預算的最佳實踐,是始終將設計階段計算的結果與實際測試結果進行比較。


OM1, OM2, OM3, OM4, OM5 以及 OS1, OS2 光纖


在 ANSI/TIA-568.3-D 標準中,TIA 採用了國際標準 ISO/IEC 11801 中的光纖命名方式,多模光纖使用 "OM" 作為前綴,而單模光纖使用 "OS";OM1, OM2, OM3, OM4, OM5 以及 OS1, OS2,這些都是不同類型的光纖標準,每種標準都具有特定的性能特點和應用,下面是每種光纖標準的簡要介紹:

OM1, OM2, OM3, OM4, OM5 以及 OS1, OS2 光纖
OM1, OM2, OM3, OM4, OM5 以及 OS1, OS2 光纖
  • OM1(多模 1): OM1光纖通常以橙色外皮標識,具有相對較低的頻寬和傳輸性能,它適用於短距離傳輸 (最遠 300 米),如區域網路和專用網路。

  • OM2(多模 2): OM2光纖也適用於短距離傳輸 (最遠 600 米),頻寬稍微高於OM1,它通常用橙色外皮標識,用於區域網路等應用。

  • OM3(多模 3): OM3光纖是一種高性能多模光纖,通常用水綠色外皮標識,它適用於高速資料傳輸,如千兆以太網路 (GbE) 和萬兆以太網路 (10GbE);最遠 300 米,可使用 MPO 連接器運行 40GB 或 100GB,最遠可達 100 米;適用於更大的專用網路。

  • OM4(多模 4): OM4光纖是OM3的改進版本,頻寬更高,適用於高速資料傳輸,它也通常用水綠色外皮標識;最遠 550 米,可利用 MPO 連接器運行 100GB 至 150 米;適用於高速網路、資料中心、金融中心或者科學園區。

  • OM5(多模 5): OM5光纖是多模光纖中的最新標準,支援高頻寬傳輸和Wavelength Division Multiplexing(波分復用)等技術,可與OM3和OM4布線配接,它通常用石灰綠色外皮標識;適用於長距離高速網路和資料中心。

  • OS1單模緊密緩衝電纜(單模 1): OS1光纖是單模光纖,適用於遠距離資料傳輸,如長距離通信和資料中心互連。它通常用黃色外皮標識。

  • OS2單模松套管電纜(單模 2): OS2光纖也是單模光纖,但通常用低損耗的材料製成,適用於超長距離傳輸。

ANSI/TIA-568.3-D的新標識有望消除一些與應用支援距離問題相關的混淆,每個“OM”都必須滿足最低模態頻寬(MBW, Modal Bandwidth)的要求。

ANSI/TIA-568.3-D 最低模態頻寬(MBW, Modal Bandwidth)的要求
ANSI/TIA-568.3-D 最低模態頻寬(MBW, Modal Bandwidth)的要求

為什麼有兩個數值?"Overfilled (過滿)" 和 "effective (有效)" 有什麼不同? "Overfilled" 是使用 LED 光源時的數值,"effective" 是使用 VCSEL 光源時的數值,這是新舊之間的區別;根據 ISO/IEC,損耗長度測試必須使用 LED 進行,而對於 TIA 測試,也應該使用 LED,以避免得出過於樂觀的結果。


以下的表格對多數使用者可能更有幫助:

 IEEE 和 TIA 聯合支援使 10GBASE-SR 能夠在 OM4 光纖上達到 400 公尺的傳輸距離。
IEEE 和 TIA 聯合支援使 10GBASE-SR 能夠在 OM4 光纖上達到 400 公尺的傳輸距離。

警告:在 ANSI/TIA-568-B.3 中,62.5 µm 光纖的模態頻寬為 160 MHz.km,而不是當前 ANSI/TIA-568.3-D 中的 200 MHz.km;這一變更是為了與 ISO/IEC 11801 保持一致,這將使 1000BASE-SX 的距離縮短到 220 米,而 10GBASE-S 的距離則縮短到 26 米。


這些距離還有相關的損耗限制。

損耗限制
損耗限制

所以在您的設計中,您必須同時考慮距離和損耗,以確保您的應用能正常運作;為了支援距離為150米的100GBASE-SR10,OM4光纖需要具備更低的光纖損耗。

ISP代表“內部設施”,ISP通常指的是建築物或設施內部的光纖網路;而OSP代表“外部設施”,則指的是建築物之間或建築物外部的光纖網路,這些術語主要適用於TIA(美國電信工業協會)。
ISP代表“內部設施”,ISP通常指的是建築物或設施內部的光纖網路;而OSP代表“外部設施”,則指的是建築物之間或建築物外部的光纖網路,這些術語主要適用於TIA(美國電信工業協會)。

理解光纖規格對於網路規劃至關重要,雖然OM5在插入損耗和支援的距離方面與OM4具有類似的性能值,但有一個關鍵的不同之處;OM5光纖可以在850 nm之外的波長下工作,包括880 nm、910 nm和940 nm,這使它能夠實現四個同時的波分多工傳輸 (Wave Division Multiplexing);此外,OM5光纖在953 nm波長下的衰減值為每公里2.3分貝,需要注意的是,現場測試OM5光纖時只需要考慮850 nm和1300 nm的波長。


* 上述的OM4數據來自TIA-492AAAD,這是最低要求;但一些供應商可能引用更低的2.3 dB/km,請與您的供應商核實,並在光纖系統設計方面與他們仔細合作。


重要提示


當您在DSX CableAnalyzer設定光纖電纜類型時,

DSX CableAnalyzer設定光纖電纜類型
DSX CableAnalyzer設定光纖電纜類型

確保選擇具有正確模態頻寬的光纖非常重要,這不會影響您的TIA或ISO/IEC損耗長度測試的結果,但它將影響顯示在LinkWare網路合規標準測試報告底部的內容;DSX CableAnalyzer 系列銅纜認證解決方案是 Versiv 佈線認證產品系列中的銅纜認證解決方案。DSX 系列包括 DSX-8000 和 DSX-5000,前者可認證高達 Cat 8 / 2GHz 的佈線,後者可認證高達 Cat 6A / Class FA / 1GHz 的佈線,符合 ANSI/TIA-1152-A Level 2G 和提議標準 IEC 61935-1 Ed. 5 Level VI 達 2000 MHz 的現場測試儀精度要求。


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