VDI VDE 5570 Blatt 4-2006 Testing of connectorised and non-connectorised polymer optical fibres - Power budget.pdf

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1、VEREINDEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKPrfung von konfektioniertenund unkonfektioniertenKunststoff-Lichtwellenleitern (POF)LeistungsbilanzTesting of connectorisedand non-connectorised polymer optical fibresPower budgetVDI/VDE 5570Blatt 4 / Part 4Ausg. deutsch/

2、englischIssue German/EnglishVDI/VDE-Handbuch Optische TechnologienVDI/VDE-Handbuch Mikro- und FeinwerktechnikVDI/VDE-Handbuch Mess- und Automatisierungstechnik, Band 2: Fertigungstechnisches MessenVDI/VDE-RICHTLINIENICS 33.180.01Mrz 2006March 2006Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . .

3、. . . . . 21 Leistungsbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 System-Leistungsbilanz . . . . . . . . . . 21.3 Messwertebilanz einer Fertigungs-kette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Schriftum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Ver

4、vielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. No guarantee can be given with respect to the English transla-tion. The German version of this guideline shall be taken asauthoritati

5、ve.VDI-Kompetenzfeld Optische TechnologienVDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)Arbeitskreis Prfung von Kunststoff-LWLFrhere Ausgabe: 02.03 Entwurf,deutschFormer edition: 02/03 Draft, in German onlyZu beziehen durch / Available at Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vor

6、behalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure,Dsseldorf 2006Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Power budget. . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 System power budget. . . . . . . . . . . . 21.3 Measurem

7、ent power budget of a production chain . . . . . . . . . . . . . . 5Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2006 2 VDI/VDE 5570 Blatt 4 / Part 4VorbemerkungDie

8、 vorliegende Richtlinie beschreibt eine Leistungs-bilanz. Sie gilt nur in Verbindung mit der RichtlinieVDI/VDE 5570 Blatt 1.1 Leistungsbilanz1.1 EinleitungUm die Funktionsfhigkeit eines optischen Daten-bertragungssystems sicherzustellen, muss eine Leis-tungsbilanz aufgestellt werden. Darunter verste

9、htman die Festlegung der optischen Leistungspegel imSystem. Ziel ist, unter allen Betriebsbedingungeneine fehlerfreie Datenbertragung zu erreichen undzu gewhrleisten.Dazu muss die Leistungsbilanz sicherstellen, dass amEmpfnger eine untere Pegelgrenze nicht unterschrit-ten (keine Signalerkennung) und

10、 auerdem eineobere Pegelgrenze nicht berschritten wird (fehler-hafter Empfang durch bersteuerung).Die System-Leistungsbilanz betrifft grundstzlichdas Gesamtsystem und betrachtet die Leistungspegelan Sender und Empfnger sowie die Leistungsver-luste auf der bertragungsstrecke und leitet darausGrenzwer

11、te fr die einzelnen Funktionseinheiten ab. Die Messwertebilanz erstellt aus der Sicht einer Fer-tigungskette von Zwischenprodukten mit den in derProduktion sicherstellbaren Grenzwerten eine Zwi-schenbilanz fr das Gesamtsystem. Diese bercksichtigt insbesondere Messfehlertole-ranzen. Zum Vergleich mit

12、 der System-Leistungsbi-lanz sind die Betriebsumgebungsbedingungen nochhinzuzufgen. Diese Form der Leistungsbilanzierungaus Grenzwerten der Komponenten wird am Beispieleiner Lichtleiterverbindung in einem Kfz in Ab-schnitt 1.3 aufgezeigt.Im Folgenden werden beide Sichtweisen detailliertbeschrieben.1

13、.2 System-LeistungsbilanzDie System-Leistungsbilanz beschreibt fr ein op-tisches bertragungssystem die Leistungspegel undDmpfungsbeitrge und ist durch folgende Grengekennzeichnet: Senderleistung: emittierte optische Leistung Leistungsverluste auf der bertragungsstrecke:Streckenverluste aus Leitungsd

14、mpfung, Koppel-verlusten, VerlegeverlustenSystemreserve: SicherheitsreserveEmpfngerempfindlichkeit: beschreibt die mini-mal erforderliche Empfngerleistung Preliminary noteThe guideline at hand describes a power budget. Itis only valid in combination with guidelineVDI VDE 5570 Part 1.1Power budget1.1

15、 IntroductionA power budget must be established in order to en-sure the functioning of an optical data transmissionsystem. The term power budget means the specifi-cation of optical power levels within the system. Itserves to ensure error-free data transmission under alloperating conditions.To this e

16、nd, the power budget must ensure that thesignal level at the receiver does not fall below a spec-ified lower limit (no signal detection) or exceed anupper limit (reception errors due to overload).As a matter of principle, the system power budget ap-plies to the system as a whole and considers thepow

17、er levels at the transmitter and receiver as well aspower losses along the transmission link, from whichlimits for the individual functional units are derived.The measurement power budget is based on a produc-tion chain of intermediate products, taking into ac-count the limits which can be complied

18、with in pro-duction. It provides an interim budget for the overallsystem.In particular, this interim budget considers tolerancesdue to errors of measurement. For comparison withthe system budget, the conditions of the operatingenvironment need to be considered as well. In Sec-tion 1.3, this concept

19、of deriving a power budget fromthe limits of the components is illustrated using anoptical-fibre connection in a car as an example.The two concepts are described in detail below.1.2 System power budgetThe system power budget describes the power levelsand attenuations in an optical transmission syste

20、mand is characterised in terms of the following quanti-ties:transmitter power: optical power emittedpower losses along the transmission link: linklosses due to line attenuation, coupling losses, in-stallation lossesSystem reserve: safety marginreceiver sensitivity: characterises the minimumrequired

21、receiver input powerB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2006 VDI/VDE 5570 Blatt 4 / Part 4 3 Die fr eine Systemauslegung festgesetzte minimale(Mindest-)Senderleistung und minimal erforderlicheEmpfngerleist

22、ung begrenzen die maximal zulssigeStreckendmpfung.(Umgekehrt erfordert eine vorgegebene Strecken-dmpfung die Festlegung einer minimalen Sender-leistung und dazu passenden Empfngerempfindlich-keit.)Im Einzelnen muss die System-Leistungsbilanz be-rcksichtigen:spezifizierte minimale Sendeleistung Popt,

23、minindBmDiese kennzeichnet die in eine Referenzfaser ein-koppelbare Mindestleistung des Sendeelementsim spezifizierten Betriebsbereich (Temperaturbe-reich, Wellenlngenbereich .). Sie muss unter an-derem Temperaturdrift, Alterung und mglicheDejustage unter den Betriebsbedingungen berck-sichtigen und

24、ist vom Komponentenhersteller zugarantieren. Steckanschlussverluste knnen be-reits mit einbezogen sein.Empfngerempfindlichkeit Sopt,minin dBmDie Empfngerempfindlichkeit definiert die mini-mal erforderliche Lichtleistung am Empfnger,um eine eindeutige Signalerkennung sicherzustel-len. Bei digitaler S

25、ignalbertragung wird diesunter anderem durch die maximal zulssige Bit-fehlerrate (BER, bit error rate) begrenzt, z.B. beieiner pseudo random bit sequence (PRBS) von27 1 soll die Bitfehlerrate BER 109sein. DieMindest-Empfngerempfindlichkeit muss im ge-samten Arbeitstemperaturbereich und Betriebs-well

26、enlngenbereich gewhrleistet sein undAlterungseffekte bercksichtigen. Steckan-schlussverluste knnen bereits mit einbezogensein.Streckendmpfung Amaxin dBDie Streckendmpfung setzt sich zusammen aus Kabeldmpfung max lmaxin dBAls Kabeldmpfung ist die maximale Kabel-dmpfung anzusetzen, die sich im zulssig

27、enBetriebswellenlngenbereich bei der zulssigenspektralen Lichtverteilung des verwendetenSenders ergibt. Sie errechnet sich aus dem ln-genunabhngigen Kabeldmpfungsbelag max(in dB/m) unter EMD-Bedingungen unter Be-rcksichtigung der maximal festgelegten Stre-ckenlnge lmax sowie aus der lngenabhngigenZu

28、satzdmpfung durch die von den EMD-Be-dingungen abweichenden Einkoppelbedingun-gen des Senders in den Lichtwellenleiter (sieheauch VDI/VDE 5570 Blatt 2). maximaler Kabellnge lmax in mMaximale Kabellnge zwischen Sender undEmpfngerThe minimum transmitter power and minimum re-ceiver sensitivity specifie

29、d for a system design limitthe maximum permissible link attenuation.(On the other hand, a specified link attenuation callsfor the specification of minimum transmitter powerand the appropriate receiver sensitivity.)The system power budget must consider the follow-ing details:specified minimum transmi

30、tted power Popt,minindBmIt characterises the minimum transmitter powerthat can be launched into a reference fibre, giventhe specified operating range (temperature range,wavelength band, .). Among other things, it mustaccount for temperature drift, ageing, and any lossof adjustment under the operatin

31、g conditions andshall be guaranteed by the component manufac-turer. Connector losses may be included.receiver sensitivity Sopt,minin dBmThe receiver sensitivity defines the minimum lightpower required for unambiguous signal detectionby the receiver. In the case of digital signal trans-mission, this

32、value is limited, among other things,by the maximum permissible bit error rate (BER).For a pseudo-random bit sequence (PRBS) of27 1, e.g., the bit error rate BER shall be lessthan 109. The minimum receiver sensitivity shallbe available over the entire range of working tem-peratures and the wavelengt

33、h band, and must con-sider ageing effects. Connector losses may be in-cluded.link attenuation Amaxin dBThe link attenuation is made up by cable attenuation max lmaxin dBFor the cable attenuation, assume the maximumvalue occurring in the band of permissiblewavelengths at the permissible light spectru

34、mof the transmitter in use. It is calculated fromthe length-independent cable attenuation perunit length max(in dB/m), under EMD condi-tions, taking into account the maximum speci-fied link length lmaxand from the length-de-pendent additional attenuation due to launchconditions at the transmitter/op

35、tical fibre inter-face which deviate from EMD conditions (seealso VDI/VDE 5570 Part 2). maximum cable length lmaxin m Maximum length of cable between transmitterand receiverB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf

36、2006 4 VDI/VDE 5570 Blatt 4 / Part 4 Zusatzdmpfung zus in dBZustzliche Verluste in der bertragungs-strecke entstehen durch Ankopplung an Sender/Empfnger (Koppelverluste), Kabelverbindun-gen (Steckerverluste), eventuell eingefgteweitere passive Komponenten (z.B. Verzwei-ger) sowie durch Kabelverlegev

37、erluste (durchKrmmungs- und/oder Mikrokrmmungsver-luste)Systemreserve RUm ber die gesamte Systemlebensdauer einensicheren Betrieb zu gewhrleisten, wird in dieLeistungsbilanz eine Systemreserve eingerech-net, die hufig mit 3 dB angesetzt wird. Siekann, wenn nicht explizit in Popt,min, Sopt,min,maxund

38、 zusmit einbezogen, auch die Bauteil-alterung ber der Systemlebensdauer ab-sichern. Bei sicherheitsrelevanten Funktionenkann auch eine hhere Systemreserve sinnvollsein.Damit am Empfnger unter allen vorhersehbaren Be-triebsbedingungen die Lichtleistung ber der Emp-findlichkeitsgrenze liegt, muss gelt

39、en Popt,min Sopt, min max lmax + zus+ RBild 1 zeigt grafisch eine typische System-Leis-tungsbilanz fr eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung:Die Posten 1 bis 4 betreffen den Sender und definie-ren Popt,min. Die letzten beiden Posten beschreibenden Arbeitsbereich des Empfngers (Sopt, minist unte-rer Grenzwer

40、t, bersteuerungsgrenze kennzeichneteinen oberen Grenzwert). additional attenuation Zusin dBAdditional losses along the transmission linkare caused by the coupling to transmitter/re-ceiver (coupling losses), cable connections(connector losses), any further passive compo-nents inserted (such as branch

41、ing devices), anddue to cable installation losses (bending and/ormicro-bending losses). system reserve RA system reserve is included in the powerbudget, often assumed to equal 3 dB, in orderto ensure reliable functioning of the systemover its entire service life. Unless explicitly in-cluded in Popt,

42、min, Sopt,min, maxand Zus, thisquantity may also be used as a safety marginfor component ageing over the service life ofthe system. A greater system reserve may beuseful for safety-relevant functions.For the optical power at the receiver to exceed thesensitivity limit under all expected operating co

43、ndi-tions, the following must hold:Popt,min Sopt, min max lmax + zus+ RFigure 1 is a graphical representation of a typicalsystem power budget for a point-to-point link:Items 1 through 4 concern the transmitter, definingPopt,min. The last two items define the working rangeof the receiver (Sopt,minis

44、the lower limit; overloadlimit marks an upper limit).Bild 1. System-LeistungsbilanzB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2006 VDI/VDE 5570 Blatt 4 / Part 4 5 1.3 Messwertebilanz einer FertigungsketteAus der

45、Fertigungsabfolge von Zwischenprodukten hier am Beispiel einer Kabelsatzfertigung fr Kfz lsst sich eine Dmpfungsbilanz erstellen, die sich ineine Systemleistungsbilanz einfgen lassen muss.Die Dmpfungsbilanz ergibt sich aus den Grenzwer-ten der einzelnen Fertigungsabschnitte, die durcheine fortlaufen

46、de Qualittskontrolle im Fertigungs-prozess sichergestellt werden. Dies ist insbesonderedann sinnvoll und notwendig, wenn die Zwischen-produkte/-schritte von unterschiedlichen Zulieferern/Werken erstellt werden.Fr ein optisches bertragungssystems im Kfz-Be-reich kann eine Fertigungskette z.B. wie in

47、Bild 2aussehen.Im Beispiel der Fertigungskette B passive Kompo-nenten darf die Summe aller Dmpfungswerte dievorgegebene Leistungsspanne (margin) der aktivenElemente (Sender, Empfnger) nicht berschreiten.Die Zuordnung der Dmpfungsgrenzwerte zu denEinzelschritten der Fertigungskette zeigt Bild 3. Indi

48、eser Kette wird in jeden Folgeschritt der Prfgrenz-wert inklusive eines Dmpfungsanteils aus der Mess-unsicherheit bernommen. Der Endwert gilt zunchstnur fr bestimmte, spezifizierte Messbedingungen,z.B. die Raumtemperatur der Fertigungssttte(25 C). Er muss zusammen mit einem Zuschlag frUmgebungseinfl

49、sse unter Betriebsbedingungen undReserven fr Alterungseffekte unter der Leistungs-spanne (berbrckbare Dmpfung) der aktiven Ele-mente bleiben.1.3 Measurement power budget of a production chainFrom a production sequence of intermediate prod-ucts, an attenuation budget can be established, whichmust fit into a system power budget. This is illus-trated below for a production of harnesses to be usedin cars