Методы и средства измерения в оптических телекоммуникационных системах

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации 
 
Томский государственный университет 
систем управления и радиоэлектроники 
 
 
 
 
 
 
 
 
А. Е. Мандель  
 
 
 
 
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ  
В ОПТИЧЕСКИХ  
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ 
СИСТЕМАХ  
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательство ТУСУРа 
2020 

УДК 621.391.63(075.8) 
ББК 32.886я73 
 
М231 
 
 
 
Рецензенты: 
Тихомиров А.А., д-р техн. наук, проф., гл. науч. сотр. Института  
мониторинга климатических и экологических систем СО РАН; 
Коханенко А.П., д-р физ.-мат. наук, проф. радиофизического  
факультета Национального исследовательского  
Томского государственного университета  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Мандель, Аркадий Евсеевич 
М231  
Методы и средства измерения в оптических телекоммуникационных системах: учеб. пособие / А. Е. Мандель. – Томск: Изд-во 
Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2020. – 130 с. 
ISBN 978-5-86889-902-7 
Современные волоконно-оптические системы передачи требуют сложной 
процедуры измерений при их прокладке, настройке и техническом обслуживании, применения большого количества разнообразных средств измерений. 
В настоящем пособии приводится систематизированный материал по методам 
и средствам измерения основных параметров волоконно-оптических систем 
передачи, их отдельных волоконно-оптических и оптоэлектронных компонентов.  

Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалав
ров и магистров 11.03.02 и 11.04.02 «Инфокоммуникационные технологии и 
системы связи». 
УДК 621.391.63(075.8) 
ББК  32.886я73 
 
 
 
ISBN 978-5-86889-902-7 
 Мандель А. Е., 2020 
 
 Томск. гос. ун-т систем упр. 
 
и радиоэлектроники, 2020 

Предисловие 
 
В настоящее время интенсивное развитие оптических телекоммуникационных систем является одним из основных направлений научно-технического прогресса. Волоконно-оптические 
системы связи обеспечивают доставку чрезвычайно большого 
объема информации с наивысшей скоростью на значительные 
расстояния, являются основой развития единой цифровой сети 
интегрированного обслуживания (телефонной и телеграфной связи, телевидения, передачи данных и т. д).  
Современные волоконно-оптические телекоммуникационные 
системы требуют сложной процедуры измерений при их прокладке, настройке и техническом обслуживании, применения большого количества разнообразных средств измерений, в том числе  
узкоспециализированных. В настоящем пособии приводится систематизированный материал по методам и средствам измерения 
основных параметров волоконно-оптических телекоммуникационных систем, их отдельных волоконно-оптических и оптоэлектронных компонентов. 
Поскольку книга является учебным пособием, а не монографией, автор использовал материалы, уже опубликованные в учебной, методической и периодической литературе. Эти материалы 
включены в список литературы [1–25], который позволит желающим глубже изучить интересующие их вопросы. 
В последнем разделе пособия приведены тестовые задания по 
изучаемому материалу. С помощью тестов учащиеся могут оценить степень его усвоения, найти свои слабые места и исправить 
свои ошибки. 
Пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся 

по направлению подготовки бакалавров и магистров 11.03.02 
и 11.04.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы  
связи». 
 

1 КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ  
ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ 

 
1.1 Основные понятия и определения 
 
Рассмотрим основные понятия и определения системы метрологического обеспечения в телекоммуникациях. 
Физическая величина – одно из фундаментальных научных 
понятий – определяет в количественном и качественном отношении свойство физических объектов или физических систем. Следует различать истинное и действительное значение физической 
величины. Первое идеальным образом отражает в качественном и 
количественном отношении свойство объекта. Второе находится 
экспериментальным путем и настолько близко к истинному, что 
для поставленной измерительной задачи может его заменить. 
В телекоммуникациях передача информации осуществляется посредством сигналов, распространяющихся в оптической среде. 
Поэтому в дальнейшем под физической величиной будем подразумевать как физические величины, определяющие среду распространения, так и сигналы, распространяющиеся в той или иной 
форме в оптической среде. 
Измерение – определение опытным путем с помощью специальных технических средств значений физических величин, параметров или характеристик устройств. Измерения бывают прямые 
и косвенные, абсолютные и относительные. 
Прямым называется измерение, при котором искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных 
данных. Уравнение прямого измерения:  
,
y
cx

 

где y  значение измеряемой величины в принятых для нее единицах; x  отсчет по измерительному устройству в делениях шкалы или непосредственный отсчет по цифровому отсчетному устройству; c  цена деления шкалы или единичного показания 
цифрового отсчетного устройства.  

Косвенным называется измерение, при котором искомое значение величины z находят на основании известной зависимости 
между этой величиной и величинами, определяемыми прямыми 
измерениями. Уравнение косвенного измерения имеет вид: 

z = f (x, y, a, b, …), 

где x, y  измеряемые величины; a, b, …  физические константы 
и постоянные измерительного устройства.  
Абсолютным называется измерение, результат которого есть 
значение измеряемой величины в единицах принятой системы. 
Например, измерение мощности светового пучка  в ваттах, энергии светового импульса  в джоулях. 
Относительными измерениями называется количественное 
сравнение двух однородных величин. Это позволяет установить, 
насколько или во сколько раз одна величина больше или меньше 
другой. 
Значение физической величины, полученное путем ее из- 
мерения, называется результатом измерения. Основной характеристикой результата измерения является точность. Точность  
измерения определяется таким понятием, как погрешность измерения  отклонение результата измерения от действительного 
значения измеряемой величины. Погрешность измерения обусловлена погрешностью средства измерения и методики измерения. 
В ряде случаев для количественного определения числового 
значения дискретной величины, независимо от параметров этой 
величины, используется термин счет. Результатом счета является 
неименованное число. 
Принципом измерения называется совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, при 
измерении энергии импульса светового излучения в основу могут 
быть положены различные принципы измерения: тепловой, фотоэлектрический, пондемоторный и т. д.  
Методом измерения называется прием или совокупность 
приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с принципом, положенным в основу измерения. Методы измерения осуществляются средствами измерения. 

Средствами измерения называются технические средства, 
используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. 
Другим понятием, часто используемым совместно с понятием 
измерение, является контроль. Контролем будем считать процесс установления соответствия между состоянием или свойствами объекта (или процесса) и заданной нормой. (Под нормой будем понимать область в пространстве состояний физического 
объекта или процесса). Результатом контроля является качественная характеристика  вывод о нахождении объекта контроля вне 
нормы или в норме. Контроль может быть аудио, визуальный или 
осуществляться с помощью технических средств устройством или 
системой контроля. Измерения и контроль имеют ряд различий: 
1) результатом измерения является количественная характеристика объекта; результатом контроля  качественная;   
2) измерение осуществляется в широком диапазоне измеряемой величины; контроль выполняется в ограниченной области состояний контролируемого параметра; 
3) основной характеристикой измерения является погрешность измерения; основной характеристикой процесса контроля  
достоверность результата контроля (т. е. соответствие или несоответствие значения контролируемой величины заданной норме). 
В телекоммуникациях наряду с понятиями «измерение» и 
«контроль» используется понятие «тестирование». Тестированием называется процесс установления опытным путем соответствия между состоянием или свойством физической величины и заданной нормой, осуществляемый с помощью технических 
средств, хранящих единицу или множество единиц этой физической величины. Результат тестирования показывает соответствие 
или несоответствие физической величины заданной норме. Основной характеристикой тестирования является достоверность 
тестирования, которая из-за наличия процедуры измерения определяется таким понятием, как погрешность тестирования. 
Особое место в области контроля в телекоммуникациях  
занимает понятие «анализ протоколов» передачи данных. Под 
протоколом понимается набор правил или стандартов, которые 

упорядочивают соединение и обмен информацией в телекоммуникациях, сводя к минимуму ошибки. В системах связи правила и 
стандарты закодированы соответствующими сигналами или их 
комбинациями, поэтому анализ протоколов можно рассматривать 
как операции над физическими величинами, а именно кодовыми 
сигналами, с помощью специальных технических средств. Результат анализа протоколов является качественной характеристикой и выражен в виде: соответствует или не соответствует норме 
обмен информационными сигналами в процессе соединения при 
передаче данных в системе связи. Основной характеристикой 
анализа протоколов является достоверность анализа, которая изза наличия измерительных процедур определяется понятием 
«ошибка анализа».   
 
1.2 Виды контроля физических величин 
волоконно‐оптических систем передачи 
 
Весь спектр контроля в телекоммуникациях включает в себя 
измерение, тестирование, анализ протоколов. Эти операции осуществляются над физическими величинами, такими как механические, акустические, электрические, магнитные, оптические и 
другие. При этом все виды контроля в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) можно разделить на две группы: 
1) прямой контроль, который выполняется в единицах контролируемой физической величины; 
2) косвенный контроль, который выполняется на основе прямого контроля физических величин, связанных с искомой физической величиной функциональной зависимостью. 
Как прямой, так и косвенный контроль может осуществляться 
для одной или множества аналоговых, дискретных и кодированных величин. В обоих случаях результатом контроля будет соответствие контролируемой величины установленным нормам или 
равнозначности заданной норме. 
С временной точки зрения контроль может осуществляться 
одновременно или разновременно, причем разновременно с последовательной, параллельной или случайной последовательностью выбора контролируемых физических величин. 

Следует различать и пространственный фактор контроля. 
С этой точки зрения контроль может быть односторонним, двусторонним или многосторонним. 
Для контроля функционирования ВОСП могут быть использованы образцовые внешние сигналы, например, сигналы генераторов. В этом случае контроль называется активным контролем. 
В случае отсутствия внешних воздействий контроль называют 
пассивным.  
По режиму выполнения контроля следует различать ручной, 
автоматический, автоматизированный режимы контроля. Первый  
осуществляется только техническим персоналом, второй  при 
частичном участии персонала, третий  без участия персонала.  
При организации контроля само контролирующее оборудование может быть расположено непосредственно у объекта или  
удалено от него на некоторое расстояние. Поэтому различают локальный и дистанционный контроль. Частным случаем дистанционного контроля является централизованный контроль, при котором управление процессом и получение результатов контроля 
сосредоточено в одном месте. 
Контроль может осуществляться по одной или множеству  
величин. С этой точки зрения различают элементарный и комплексный контроль. Эти виды контроля различаются числом используемых технических средств и методиками измерения, счета, 
тестирования и анализа протоколов. 
 
1.3 Основные контрольно‐измерительные 
операции волоконно‐оптических  
систем передачи 
 
Контроль в телекоммуникациях включает процедуры измерений и тестирования, которые совместно используются при технологическом контроле и эксплуатационных испытаниях. 
С целью установления соответствия контролируемых параметров ожидаемым или допустимым значениям в телекоммуникациях могут выполняться следующие контрольно-измеритель- 
ные операции: 

1) настроечные (инсталляционные) измерения. Производятся 
при первоначальной настройке каналов и трактов. Целью этих 
измерений является контроль на соответствие настроечным нормам. Настроечные измерения выполняются строго последовательно. Эта последовательность определяется взаимозависимостью работы настраемого оборудования; 
2) приемо-сдаточные измерения. Их назначение заключается 
в полном объеме измерений на соответствие установочным нормам. Результат измерений отражается в техническом паспорте; 
3) профилактические измерения. Выполняются в процессе 
эксплуатации системы передачи на соответствие эксплуатационным нормам; 
4) внеплановые измерения. Являются составной частью ремонтно-восстановительных работ. На заключительном этапе могут входить как в настроечные, так и в приемо-сдаточные измерения. 
Под настроечными и эксплуатационными нормами здесь  
понимаются те значения параметров и характеристик системы передачи, при которых система обеспечивает требуемое качество 
работы. В процессе эксплуатации системы качество ее функционирования снижается из-за дестабилизирующих факторов (например, изменяются потери в оптоволокне). Поэтому эксплуатационные нормы, как правило, менее жесткие, чем установочные, 
но должны соответствовать удовлетворяющему качеству связи в 
любое время между профилактическими настройками. Установочные нормы наиболее жесткие и определяются как минимальные отклонения параметров и характеристик оборудования, каналов и трактов системы передачи от номинальных значений, 
регламентируемых соответствующими стандартами. 
 
1.4 Основные виды измерений  
волоконной оптики 
 
Весь спектр измерений в ВОСП можно условно разделить на 
два основных типа: 
1) аппаратурные измерения; 

2) системные измерения. 
Аппаратурные измерения проводятся для отдельных элементов ВОСП: оптического волокна, приемного и передающего  
модулей, оптических усилителей. Примерами аппаратурных измерений являются измерения затухания в оптическом волокне, 
дисперсии, числовой апертуры и т. п. 
Системные измерения связаны с определением способности 
ВОСП функционировать в целом как системы и включают измерение таких характеристик ВОСП, как непрерывность волокна, 
энергетический потенциал линии связи, коэффициент ошибок 
(BER), дрейф и дрожание фазы, и т. п. 
 
1.4.1 Измеряемые параметры оптического волокна 

В ВОСП используются многомодовые и одномодовые оптические волокна. В системах передачи на основе многомодовых 
волокон наиболее важными измеряемыми параметрами оптического волокна являются следующие: 
 Затухание оптического волокна – параметр, характе- 
ризующий ослабление мощности оптического сигнала при его 
распространении в волокне, обусловленное поглощением в материале сердцевины и рассеянием излучения на неоднородностях 
материала; 
 Дисперсия – технический термин для обозначения расширения светового импульса при его распространении в волокне 
(сужения полосы пропускания) вследствие рассеивания во времени спектральных или модовых составляющих оптического сиг- 
нала; 
 Числовая апертура – один из важнейших измеряемых оптико-геометрических параметров волокна, определяющий значение оптической мощности, которое можно ввести в волокно; 
 Диаметр сердцевины – параметр, наряду с числовой апертурой, определяющий значение оптической мощности, которое 
можно ввести в многомодовое волокно. Данный параметр в обязательном порядке измеряется в процессе производства оптических кабелей и всегда может быть получен у изготовителя.  
Наиболее характерные размеры многомодовых волокон (стандар