Einführung in Glasfasern, dB, Dämpfung und Messungen

Einleitung

Dieses Dokument enthält einen kurzen Überblick über einige Formeln und wichtige Informationen zu optischen Technologien. Dieses Dokument konzentriert sich auf Dezibel (dB), Dezibel pro Milliwatt (dBm), Dämpfung und Messungen und bietet eine Einführung in Glasfasern.

Voraussetzungen

Anforderungen

Es gibt keine spezifischen Anforderungen für dieses Dokument.

Verwendete Komponenten

Dieses Dokument ist nicht auf bestimmte Software- und Hardware-Versionen beschränkt.

Die Informationen in diesem Dokument beziehen sich auf Geräte in einer speziell eingerichteten Testumgebung. Alle Geräte, die in diesem Dokument benutzt wurden, begannen mit einer gelöschten (Nichterfüllungs) Konfiguration. Wenn Ihr Netz Live ist, überprüfen Sie, ob Sie die mögliche Auswirkung jedes möglichen Befehls verstehen.

Konventionen

Weitere Informationen zu Dokumentkonventionen finden Sie unter Cisco Technical Tips Conventions (Technische Tipps von Cisco zu Konventionen).

Was ist ein Dezibel?

Ein Dezibel (dB) ist eine Einheit, die verwendet wird, um relative Unterschiede in der Signalstärke auszudrücken. Ein Dezibel wird als Logarithmus zur Basis 10 (Zehnerlogarithmus) des Verhältnisses der Leistung von zwei Signalen ausgedrückt, wie hier gezeigt:

dB = 10 x Log₁₀ (P1/P2)

Dabei ist Log₁₀ der Logarithmus zur Basis 10, und P1 und P2 sind die zu vergleichenden Leistungen.

Hinweis: Log₁₀ unterscheidet sich vom Logarithmus zur Basis e des Napierschen Logarithmus (Ln oder LN).

Sie können die Signalamplitude auch in dB ausdrücken. Die Leistung ist proportional zum Quadrat der Amplitude eines Signals. Daher wird dB ausgedrückt wie folgt ausgedrückt:

dB = 20 x Log₁₀ (V1/V2)

Dabei sind V1 und V2 die zu vergleichenden Amplituden.

1 Bel (derzeit nicht verwendet) = Log₁₀ (P1/P2)

1 decibel (dB) = 1 Bel / 10 = 10 * Log₁₀ (P1/P2)

dBr = dB (relativ) = dB = 10 * Log₁₀ (P1/P2)

Regeln des Zehnerlogarithmus (Basis 10)

• Log₁₀ (AxB) = Log₁₀ (A) + Log₁₀ (B)

• Log₁₀ (A/B) = Log₁₀ (A) - Log₁₀ (B)

• Log₁₀ (1/A) = - Log₁₀ (A)

• Log₁₀ (0,01) = - Log₁₀ (100) = -2

• Log₁₀ (0,1) = - Log₁₀(10) = - 1

• Log₁₀ (1) = 0

• Log₁₀ (2) = 0,3

• Log₁₀ (4) = 0,6

• Log₁₀ (10) = 1

• Log₁₀ (20) = 1,3

  Log₁₀ (2 x 10) = Log₁₀ (2) + Log₁₀ (10) = 1 + 0,3

• Log₁₀ (100) = 2

• Log₁₀ (1000) = 3

• Log₁₀ (10000) = 4

DB

In dieser Tabelle sind die Leistungsverhältnisse von Logarithmus und dB (Dezibel) aufgeführt:

Leistungsverhältnis	dB = 10 x Log10 (Leistungsverhältnis)
AxB	x dB = 10 x Log10(A) + 10 x Log10(B)
A/B	x dB = 10 x Log10(A) - 10 x Log10(B)
1/A	x dB = + 10 x Log10 (1/A) = - 10 x Log10 (A)
0,01	- 20 dB = - 10 x Log10(100)
0,1	- 10 dB = 10 x Log10 (1)
1	0 dB = 10 x Log10 (1)
2	3 dB = 10 x Log10 (2)
4	6 dB = 10 x Log10 (4)
10	10 dB = 10 x Log10 (10)
20	13 dB = 10 x (Log10 (10) + Log10 (2))
100	20 dB = 10 x Log10 (100)
1000	30 dB = 10 x Log10 (1000)
10000	40 dB = 10 x Log10 (10000)

Dezibel in Milliwatt (dBm)

dBm = dB milliwatt = 10 x Log₁₀ (Leistung in mW/1 mW)

Leistung	Verhältnis	dBm = 10 x Log10 (Leistung in mW/1 mW)
1 mW	1 mW/1mW=1	0 dBm = 10 x Log10 (1)
2 mW	2 mW/1mW=2	3 dBm = 10 x Log10 (2)
4 mW	4 mW/1mW=4	6 dBm = 10 x Log10 (4)
10 mW	10 mW/1mW=10	10 dBm = 10 x Log10 (10)
0,1 W	100 mW/1mW=100	20 dBm = 10 x Log10 (100)
1 W	1000 mW/1mW=1000	30 dBm = 10 x Log10 (1000)
10 W	10000mW/1mW=10000	40 dBm = 10 x Log10 (10000)

Dezibel, die sich auf ein Watt (dBW) beziehen

dBW = dB Watt = 10 x Log10 (Leistung in W/1 W)

Leistung	Verhältnis	dBm = 10 x Log10 (Leistung in mW/1 mW)
1 W	1 W/1 W = 1	0 dBW = 10 x Log10 (1)
2 W	2 W/1 W = 2	3 dBW = 10 x Log10 (2)
4 W	4 W/1 W = 4	6 dBW = 10 x Log10 (4)
10 W	10 W/1 W = 10	10 dBW = 10 x Log10 (10)
100 mW	0,1 W/1 W = 0,1	-10 dBW = -10 x Log10 (10)
10 mW	0,01 W/1 W = 1/100	-20 dBW = -10 x Log10 (100)
1 mW	0,001W/1W=1/1000	-30 dBW = -10 x Log10 (1000)

Leistungs-/Spannungsgewinne

In dieser Tabelle werden die Leistungs- und Spannungsgewinne verglichen:

DB	Leistungsverhältnis	Spannungsverhältnis	DB	Leistungsverhältnis	Spannungsverhältnis
0	1,00	1,00	10	10,00	3,16
1	1,26	1,12	11	12,59	3,55
2	1,58	1,26	12	15,85	3,98
3	2,00	1,41	13	19,95	4,47
4	2,51	1,58	14	25,12	5,01
5	3,16	1,78	15	31,62	5,62
6	3,98	2,00	16	39,81	6,31
7	5,01	2,24	17	50,12	7,08
8	6,31	2,51	18	63,10	7,94
9	7,94	2,82	19	79,43	8,91
10	10,00	3,16	20	100,00	10,00

Mit diesen Informationen können Sie die Formeln für Dämpfung und Verstärkung definieren:

Dämpfung (dB) = 10 x Log₁₀(P in/P out) = 20xLog₁₀(V in/V out)

Verstärkung (dB) = 10 x Log₁₀(P out/P in) = 20 x Log₁₀(V out/V in)

Glasfaserstruktur

Die Glasfaser ist ein Medium zur Übertragung von Informationen. Optische Fasern werden aus Glas auf Siliziumdioxidbasis hergestellt und bestehen aus einem Kern, der von einer Umhüllung umgeben ist. Der zentrale Teil der Faser, der so genannte Kern, hat einen Brechungsindex von N1. Die den Kern umgebende Ummantelung hat einen niedrigeren Brechungsindex von N2. Wenn Licht in die Faser eindringt, begrenzt die Ummantelung das Licht auf den Faserkern, und das Licht dringt durch interne Reflexion zwischen den Grenzen des Kerns und der Ummantelung durch die Faser hindurch.

Abbildung 1: Glasfaserstruktur

Glasfasertyp

Glasfasern vom Typ Singlemode (SM) und Multimode (MM) sind die gängigsten Glasfasern, die heute hergestellt und auf dem Markt erhältlich sind. Abbildung 2 zeigt Informationen zu beiden Glasfasertypen.

Abbildung 2: SM- und MM-Glasfasern

Wellenlänge

Eine kleine Menge Licht wird in die Faser eingestrahlt. Diese liegt im sichtbaren Wellenlängenbereich (von 400 nm bis 700 nm) und im nahen Infrarot-Wellenlängenbereich (700 nm bis 1.700 nm) im elektromagnetischen Spektrum (siehe Abbildung 3)..

Abbildung 3: Das elektromagnetische Spektrum

Es gibt vier spezielle Wellenlängen, die Sie für die Glasfaserübertragung mit geringen optischen Verlusten verwenden können. Sie sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Windows	Wellenlänge	Verlust
1. Wellenlänge	850 nm	3 dB/km
2. Wellenlänge	1.310 nm	0,4 dB/km
3. Wellenlänge	1.550 nm (C-Band)	0,2 dB/km
4. Wellenlänge	1.625 nm (L-Band)	0,2 dB/km

Optische Leistung

Zur Messung des optischen Verlusts können Sie zwei Einheiten verwenden, nämlich dBm und dB. Während dBm der tatsächliche Leistungspegel in Milliwatt ist, ist dB (Dezibel) der Unterschied zwischen den Leistungen.

Abbildung 4: Messen der optischen Leistung

Wenn die optische Eingangsleistung P1 (dBm) und die optische Ausgangsleistung P2 (dBm) ist, entspricht der Leistungsverlust P1 - P2 dB. Um zu sehen, wie viel Leistung zwischen Eingang und Ausgang verloren geht, können Sie den dB-Wert in dieser Tabelle zur Leistungsumwandlung verwenden:

DB	Ausgangsleistung als Prozentsatz der Eingangsleistung	% des Leistungsverlusts	Anmerkungen
1	79%	21%	-
2	63%	37%	-
3	50%	50%	1/2 der Leistung
4	40%	60%	-
5	32%	68%	-
6	25%	75%	1/4 der Leistung
7	20%	80%	1/5 der Leistung
8	16%	84%	1/6 der Leistung
9	12%	88%	1/8 der Leistung
10	10%	90%	1/10 der Leistung
11	8%	92%	1/12 der Leistung
12	6.3%	93.7%	1/16 der Leistung
13	5%	95%	1/20 der Leistung
14	4%	96%	1/25 der Leistung
15	3.2%	96.8%	1/30 der Leistung

Wenn zum Beispiel die optische Einspeisung einer Direktleitung (LD) in die Faser 0 dBm und die Ausgangsleistung -15 dBm beträgt, wird der optische Verlust für die Faser wie folgt berechnet:

Input   Output    Optical Loss 
0dBm -  (-15dBm)  =15dB 

In der Tabelle zur Leistungsumwandlung entsprechen 15 dB an optischem Verlust 96,8 Prozent der verlorenen optischen Leistung. Daher verbleiben nur 3,2 Prozent der optischen Leistung bei der Übertragung durch die Glasfaser.

Erläuterung der Einfügedämpfung

In jeder Glasfaserverbindung treten Verluste auf. Die Einfügedämpfung eines Anschlusses oder Spleißes ist die Leistungsabweichung, die Sie feststellen, wenn Sie das Gerät in das System einsetzen. Nehmen Sie zum Beispiel eine Glasfaser und messen Sie die optische Leistung durch die Glasfaser. Notieren Sie sich den Messwert (P1). Schneiden Sie nun die Glasfaser in zwei Hälften, terminieren Sie die Glasfasern, verbinden Sie sie und messen Sie die Leistung erneut. Notieren Sie sich den zweiten Messwert (P2). Der Unterschied zwischen dem ersten Messwert (P1) und dem zweiten Messwert (P2) ist die Einfügedämpfung oder der Verlust der optischen Leistung, der auftritt, wenn Sie den Anschluss in die Leitung stecken. Dies wird gemessen als:

IL (dB) = 10 Log₁₀ (P2/P1)

Sie müssen diese beiden wichtigen Dinge über die Einfügungsdämpfung verstehen:

• Die angegebene Einfügedämpfung gilt für identische Glasfasern.

  Wenn der Kerndurchmesser (oder die NA) der Seite, die Daten überträgt, größer ist als die NA der Glasfaser, die Daten empfängt, kommt es zu zusätzlichen Verlusten.

  Ldia = 10 Log₁₀ (diar/diat)²

  LNA = 10 Log₁₀ (NAr/NAt)²

  Dabei gilt:

  • Ldia = Verlustdurchmesser

  • diar = Durchmesser auf Empfangsseite

  • diat = Durchmesser auf Übertragungsseite

  • LNA = Verlust in Glasfaser

  Zusätzliche Verluste können durch Fresnel-Reflexionen entstehen. Diese treten auf, wenn zwei Glasfasern getrennt werden, sodass der Brechungsindex eine Unterbrechung aufweist. Bei zwei Glasfasern, die durch einen Luftspalt getrennt sind, beträgt die Fresnel-Reflexion 0,32 dB.

• Der Verlust hängt von der Einspeisung ab.

  Die Einfügedämpfung hängt von den Einkopplungs- und Empfangsbedingungen in den beiden miteinander verbundenen Fasern ab. Bei einer kurzen Einkopplung können Sie die Glasfaser mit optischer Energie überfüllen, die sowohl in der Umhüllung als auch im Kern übertragen wird. Über die Distanz geht diese überschüssige Energie verloren, bis die Glasfaser einen Zustand erreicht, der als Equilibrium Mode Distribution (EMD) bekannt ist. Bei einer langen Einkopplung hat die Glasfaser bereits den Zustand EMD erreicht, sodass die überschüssige Energie bereits abgeführt wurde und nicht am Anschluss vorhanden ist.

  Licht, das den Glasfaser-zu-Glasfaser-Übergang einer Verbindung durchquert, kann die Glasfaser erneut mit überschüssigen Umhüllungsmodi überfüllen. Diese gehen schnell verloren. In diesem Fall liegt die Bedingung eines kurzen Empfangs vor. Wenn Sie die Ausgangsleistung einer Glasfaser mit kurzem Empfang messen, stellen Sie zusätzliche Energie fest. Allerdings wird die zusätzliche Energie nicht weit verbreitet. Der Messwert ist daher falsch. Ebenso kann die Einfügedämpfung höher sein, wenn die Länge der Empfangsglasfaser lang genug ist, um EMD zu erreichen, aber sie spiegelt die tatsächlichen Anwendungsbedingungen wider.

  Sie können EMD (lange Einkopplung und langer Empfang) einfach simulieren. Dazu müssen Sie die Glasfaser fünfmal um einen Dorn wickeln. Dadurch werden die Umhüllungsmodi entfernt.

Leistungsbudget berechnen

Sie können eine grobe Schätzung des Leistungsbudgets einer Leitung vornehmen. Hierzu müssen Sie 0,75 dB für jede Glasfaser-zu-Glasfaser-Verbindung einkalkulieren und davon ausgehen, dass der Glasfaserverlust proportional zur Länge in der Faser ist.

Bei einer Strecke von 100 Metern mit drei Patchpanels und einem 62,5/125-Glasfaserkabel mit einem Verlust von 3,5 dB/km beträgt der Gesamtverlust 2,6 dB, wie hier gezeigt:

Glasfaser: 3,5 dB/km = 0,35 dB für 100 Meter

Patchpanel 1 = 0,75 dB

Patchpanel 2 = 0,75 dB

Patchpanel 3 = 0,75 dB

Gesamt = 2,6 dB

Der gemessene Verlust ist normalerweise geringer. Beispiel: Die durchschnittliche Einfügedämpfung für einen AMP-SC-Anschluss beträgt 0,3 dB. In diesem Fall beträgt der Leitungsverlust nur 1,4 dB. Unabhängig davon, ob Sie Ethernet mit 10 Mbit/s oder ATM mit 155 Mbit/s verwenden, ist der Verlust der gleiche.

Die optische Zeitbereichsreflektometrie (OTDR) ist eine beliebte Zertifizierungsmethode für Glasfasersysteme. Das OTDR-Verfahren strahlt Licht in die Glasfaser und zeigt dann die Ergebnisse des erkannten zurückreflektierten Lichts grafisch an. Das OTDR-Verfahren misst die verstrichene Laufzeit des reflektierten Lichts, um die Entfernung zu verschiedenen Ereignissen zu berechnen. Die visuelle Anzeige ermöglicht die Bestimmung des Verlusts pro Längeneinheit, die Bewertung von Spleißen und Anschlüssen sowie die Fehlerortung. OTDR vergrößert bestimmte Positionen, um Nahaufnahmen von Teilen der Leitung zu erhalten.

Zwar können Sie Leistungsmessgeräte und Signalinjektoren für viele Leitungszertifizierungen und -bewertungen verwenden, doch OTDRs bieten ein leistungsstarkes Diagnosewerkzeug, um ein umfassendes Bild der Verbindung zu erhalten. Allerdings erfordert das OTDR-Verfahren mehr Schulung und etwas Geschick, um die Anzeige zu interpretieren.

Zugehörige Informationen

• Support-Seite für optische Produkte
• Technischer Support und Dokumentation für Cisco Systeme