光纖纖芯通信質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李貴華等

摘 要： 針對(duì)人工檢測纖芯通信質(zhì)量不易檢測的特點(diǎn)，結(jié)合單位業(yè)務(wù)實(shí)際和對(duì)纖芯通信質(zhì)量檢測管理需求，設(shè)計(jì)了一套基于OTDR的光纖傳感節(jié)點(diǎn)感知光纜纖芯質(zhì)量的光纖纖芯質(zhì)量檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用多通路OTDR光纜監(jiān)測，綜合應(yīng)用光時(shí)域反射、計(jì)算機(jī)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，利用移相采樣技術(shù)和跨阻偏壓可變接收機(jī)技術(shù)提升了OTDR模塊的性能并有效地控制了成本，實(shí)時(shí)獲得被測光纜纖芯通信質(zhì)量信息，有效提高光纖通信網(wǎng)的可靠性和使用效益。

關(guān)鍵詞： OTDR； 移相采樣； 模/數(shù)轉(zhuǎn)換； 跨阻偏壓

中圖分類號(hào)： TN929.11?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）17?0017?03

Design and application of communication quality detection system for optical fiber core

LI Guihua1， CHENG Guanghui1， LI Yi2

（1. Unit 73141 of PLA， Quanzhou 362300， China； 2. Unit 73142 of PLA， Quanzhou 362300， China）

Abstract： Aiming at the difficulty of checking fiber core communication quality by hand， a set of optical fiber core quality detection system based on optical time?domain reflectometer （OTDR） was designed， in combination with the actual business and the demands of fiber core communication quality detection management， in which optical fiber sensing node can perceive the quality of optical fiber core. Multi?channel OTDR optical cable monitoring， the technologies of OTDR， computer and geographic information system are adopted comprehensively in this system. The performance of OTDR module was promoted by using phase shift sampling technique and transimpedance bias voltage variable receiver technique， and the cost was controlled effectively. The communication quality information of the detected optical fiber core was obtained in real time. The reliability and utilization benefits of optical fiber communication network are improved effectively.

Keywords： OTDR； phase shift sampling； A/D conversion； transimpedance bias voltage

0 引 言

目前，在光纖通信網(wǎng)中判斷光纖纖芯質(zhì)量的傳統(tǒng)做法是使用人工方式定期測試?yán)w芯，采用這種方法雖然可靠性好，但在測試在用纖芯時(shí)難度大、周期長，且不易檢測，每年最多只能安排兩到三次，無法實(shí)時(shí)掌握纖芯通信質(zhì)量變化等情況，也無法根據(jù)纖芯質(zhì)量變化趨勢及時(shí)預(yù)測和消除光纜線路隱患，影響到光纖通信網(wǎng)運(yùn)行的可靠性[1]。為了更加高效地對(duì)光纜纖芯質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)測試和智能管理，綜合應(yīng)用光時(shí)域反射、計(jì)算機(jī)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，研發(fā)了光纖通信傳送纖芯質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)并投入到實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了光纖質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測與管理功能。

1 光時(shí)域反射儀工作原理

光時(shí)域反射儀（Optical Time?Domain Reflectometer，OTDR）是光纖測試特別是在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的實(shí)際施工布線中經(jīng)常使用的儀器。OTDR使用瑞利散射和菲涅爾反射來表征光纖的特性。瑞利散射是由于光信號(hào)沿著光纖產(chǎn)生無規(guī)律的散射而形成，也就是OTDR測量回到OTDR端口的一部分散射光。這些背向散射信號(hào)表明了由光纖而導(dǎo)致的衰減（損耗/距離）程度，其形成的軌跡是一條向下的曲線，說明背向散射的功率不斷減小，這是由于經(jīng)過一段距離的傳輸后發(fā)射和背向散射的信號(hào)都有所損耗。同時(shí)菲涅爾反射是離散的反射，它是由整條光纖中的個(gè)別點(diǎn)引起的，這些點(diǎn)是由造成反向系數(shù)改變的因素組成，例如玻璃與空氣的間隙，也在這些點(diǎn)上會(huì)有很強(qiáng)的背向散射光被反射回來[2]。因此，OTDR就是利用菲涅爾反射的信息定位連接點(diǎn)、光纖終端或斷點(diǎn)。OTDR工作原理主要是通過發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi)，然后在OTDR端口接收返回的信息確定光纖纖芯的衰減度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)光纖纖芯通信質(zhì)量的監(jiān)測主要通過對(duì)光纜內(nèi)某一根光纖或者幾根光纖的監(jiān)測，獲取到被測光纖纖芯的通信質(zhì)量情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條光纖的間接監(jiān)測。該系統(tǒng)主要采用基于OTDR的光纖傳感節(jié)點(diǎn)感知光纜纖芯質(zhì)量，通過監(jiān)控終端連接到傳感信息數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，獲取被測光纜纖芯通信質(zhì)量信息，對(duì)光纜網(wǎng)纖芯質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 光纖傳送網(wǎng)纖芯質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的光纖傳感設(shè)備采用多通路OTDR光纜監(jiān)測設(shè)計(jì)方案，該方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，適用于不同監(jiān)測光纜數(shù)量的要求。系統(tǒng)關(guān)鍵就是光纖傳感設(shè)備將多個(gè)OTDR模塊集成到一個(gè)板卡上，板卡上的獨(dú)立OTDR子模塊可根據(jù)需要選擇不同的波長、動(dòng)態(tài)范圍，由于每根被測光纖都有獨(dú)立的OTDR進(jìn)行監(jiān)測，因此可以避免使用機(jī)械式光開關(guān)帶來的插入損耗及光開關(guān)磨損等問題，具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、管理方便、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)傳感設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光纖傳感設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)圖

3 主要功能模塊

纖芯質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要分為資源管理、告警管理、配置管理、性能管理和安全管理五個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)在用光纖質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。

3.1 資源管理模塊

該模塊的主要功能就是錄入被監(jiān)測對(duì)象（在用或未用光纖及傳感節(jié)點(diǎn)）的信息，形成光纖資源信息數(shù)據(jù)庫。利用計(jì)算機(jī)和地理信息系統(tǒng)，在電子地圖上顯示光纜網(wǎng)絡(luò)分布，通過顯示目標(biāo)屬性的方式查詢和獲取所需要的網(wǎng)絡(luò)資源信息，并實(shí)時(shí)顯示光纖纖芯通信質(zhì)量。

3.2 告警管理模塊

該模塊的主要功能是收集光纖傳感節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的告警數(shù)據(jù)，包含被監(jiān)測光纖段衰減變化產(chǎn)生的告警和光纖傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)部故障產(chǎn)生的告警。整理告警數(shù)據(jù)，形成當(dāng)前告警、歷史告警列表，并提供告警濾除、告警證實(shí)、告警清除等輔助管理[4]。

3.3 配置管理模塊

該模塊的主要功能是配置管理系統(tǒng)網(wǎng)管軟件的工作參數(shù)。例如：周期性測量的時(shí)間、目標(biāo)列表；設(shè)置各個(gè)光纖傳感節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)。例如：OTDR模塊名稱、地址和告警門限等。

3.4 性能管理模塊

該模塊的主要功能是根據(jù)用戶命令或事先設(shè)定的指令，向指定地址的光纖傳感節(jié)點(diǎn)（OTDR模塊）發(fā)送測試命令，測量光纖的衰減特性，該功能主要用于光纖故障定位。按規(guī)定的時(shí)間間隔，收集、存儲(chǔ)被監(jiān)測光纖段的衰減參數(shù)，形成較長時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，供維護(hù)人員分析光纖的劣化趨勢，采取措施預(yù)防故障發(fā)生。

3.5 安全管理模塊

該模塊的主要功能是設(shè)置管理系統(tǒng)用戶的賬戶、密碼、權(quán)限，并提供用戶日志管理功能。

4 兩種關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法

為了提高OTDR子模塊的性能和降低成本，在本系統(tǒng)中OTDR子模塊使用了兩種關(guān)鍵技術(shù)：移相采樣技術(shù)和跨阻偏壓可變接收機(jī)技術(shù)。

4.1 移相采樣技術(shù)

根據(jù)OTDR工作原理可知，模擬信號(hào)的采樣率會(huì)直接影響OTDR事件盲區(qū)，采樣率越高事件盲區(qū)越小，事件距離精度越高。例如100 MHz采樣率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital，A/D），采樣一個(gè)數(shù)據(jù)需要10 ns，轉(zhuǎn)化為OTDR曲線距離約為1 m。如果A/D的采樣率提高到400 MHz，則A/D采樣一個(gè)數(shù)據(jù)只需要2.5 ns，轉(zhuǎn)化為OTDR曲線距離約為0.25 m。雖然高速A/D會(huì)使事件盲區(qū)很小，但會(huì)導(dǎo)致器件成本成倍上升，高速信號(hào)的處理難度也比較大，其中包括PCB布板、高速信號(hào)處理等。因此本系統(tǒng)采用控制A/D采樣時(shí)鐘的相位來間接提高A/D的采樣率，可以有效解決高采樣率帶來的成本以及信號(hào)處理問題。移相采樣流程如圖3所示。

圖3 移相采樣流程圖

移相采樣主要控制過程如下：假設(shè)A/D采樣周期為[T，]時(shí)鐘移相模塊產(chǎn)生0°相位、90°相位、180°相位與270°相位的4個(gè)時(shí)鐘，則相鄰的兩個(gè)相位時(shí)鐘的時(shí)間差為[T4；]光脈沖產(chǎn)生模塊產(chǎn)生4種時(shí)延相差[T4]的光脈沖信號(hào)[5]；光脈沖選擇模塊交替選擇這4個(gè)光脈沖信號(hào)，第一次測試選擇0°相位的光脈沖信號(hào)，第二次測試選擇90°相位的光脈沖信號(hào)，第三次測試選擇180°相位的光脈沖信號(hào)，第四次測試選擇270°相位的光脈沖信號(hào)；存儲(chǔ)控制模塊根據(jù)光脈沖選擇模塊輸出哪種時(shí)延的光脈沖信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)控制。如果光脈沖信號(hào)是0°相位的，則存儲(chǔ)在第1，第5，第9等對(duì)4取模為1的存儲(chǔ)地址空間中；如果光脈沖信號(hào)是90°相位的，則存儲(chǔ)在第2，第6，第10等對(duì)4取模為2的存儲(chǔ)地址空間中；如果光脈沖信號(hào)是180°相位的，則存儲(chǔ)在第3，第7，第11等對(duì)4取模為3的存儲(chǔ)地址空間中；如果光脈沖信號(hào)是270°相位的，則存儲(chǔ)在第4，第8，第12等對(duì)0取模為0的存儲(chǔ)地址空間中，這樣存儲(chǔ)器中連接地址采樣點(diǎn)的間隔就是[T4，]事件距離精度相當(dāng)于A/D采樣周期為[T4，]即事件距離精度提高到原來的4倍。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)應(yīng)用移相采樣技術(shù)后，最大量程可以達(dá)到198 km，在82 km處斷纜時(shí)的定位精度為±13 m。

4.2 跨阻偏壓可變接收機(jī)技術(shù)

由于OTDR接收到的從光纖返回的信號(hào)中不僅有微弱的瑞利散射信號(hào)，還有強(qiáng)烈的菲涅爾反射信號(hào)，有時(shí)候這兩種信號(hào)的差別甚至達(dá)到50 dB以上。如果反射信號(hào)很強(qiáng)，將導(dǎo)致OTDR曲線的盲區(qū)變化很大，可能會(huì)使一些與反射點(diǎn)距離較近的事件被強(qiáng)反射事件所掩蓋，造成事件的漏報(bào)。因此，在系統(tǒng)中采用了一種跨阻可變、APD偏壓可調(diào)的OTDR接收機(jī)技術(shù)[6]。OTDR子模塊首先對(duì)被測光纖進(jìn)行粗略測試，對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行智能分析，判斷和選定當(dāng)前被測光纖的最佳測試條件，最后控制FPGA按照最佳測量參數(shù)進(jìn)行更精確的測試。

5 使用效益

傳統(tǒng)的纖芯質(zhì)量測試維護(hù)方式組織難度大，在用纖芯質(zhì)量測試要安排在停機(jī)時(shí)間進(jìn)行，投入的人力物力多、工作效率低，影響了光纖通信網(wǎng)效益的發(fā)揮。該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，能對(duì)通信光纜纖芯質(zhì)量的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，能對(duì)大衰耗點(diǎn)和故障點(diǎn)進(jìn)行定位分析和告警。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光纜性能的長期漸變分析和預(yù)警，通過對(duì)纖芯劣化分析、纖芯事件分析和故障原因統(tǒng)計(jì)，使維護(hù)人員及時(shí)了解光纜質(zhì)量變化趨勢，及早采取預(yù)防整治措施，有效防止因纖芯質(zhì)量急劇下降造成的通信中斷，將過去傳統(tǒng)的事后搶修光纜維護(hù)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槭孪阮A(yù)防維護(hù)模式，提高了光纖通信傳送網(wǎng)的可靠性和應(yīng)用效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝庭柱，趙臘月.光纖通信站監(jiān)控系統(tǒng)[J].南開大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001（4）：117?119.

[2] 滿曉晶，董毅，何浩，等.基于短時(shí)傅里葉變換的光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）事件分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31（9）：2121?2125.

[3] 倪玉婷，呂辰剛，葛春風(fēng)，等.基于OTDR的分布式光纖傳感器原理及其應(yīng)用[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2006（1）：1?4.

[4] 吳飛龍，楊力帆，李永倩.基于OTDR的電力光纜遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的實(shí)現(xiàn)[J].光通信研究，2013（2）：39?42.

[5] 李建中，饒?jiān)平?，冉曾令，?基于Φ?OTDR和POTDR結(jié)合的分布式光纖微擾傳感系統(tǒng)[J].光子學(xué)報(bào)，2009，38（5）：1108?1113.

[6] 鄭遠(yuǎn)，陳堂勝，錢峰，等.用于40 Gb/s光接收機(jī)的0.2 μm GaAs PHEMT分布放大器[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2005（10）：1989?1994.

[7] SACKINGER E， FISCHER W C. A 3 GHz， 32 dB CMOS limi?ting amplifier for SONET OC?48 receivers [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 2000， 35（12）： 1884?1888.

[8] 趙淼，黃光輝，董天臨.多功能全雙工光纖通信綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2004（4）：105?109.

[9] 張翠.淺談如何做好通信網(wǎng)絡(luò)維護(hù)與優(yōu)化工作[J].科技風(fēng)，2013（17）：251?252.

[10] 鮑宗勤.光纖傳輸損耗的形成及降低措施[J].中國水運(yùn)，2009，9（10）：129?130.

[11] 肖平平，袁睿.OTDR波形分析及在光纖測量中的應(yīng)用[J].光通信技術(shù)，2010（4）：42?44.

[12] 田國棟.基于OTDR技術(shù)的光纖測試方法探討[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（19）：99?101.

[13] 劉建霞.Φ?OTDR分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013（8）：193?198.

[14] 謝孔利，饒?jiān)平?，冉曾?基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的Φ?光時(shí)域反射計(jì)光纖分布式傳感系統(tǒng)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：569?572.

[15] 陳繼宣，龔華平，張?jiān)谛?光纖傳感器的工程應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].光通信技術(shù)，2009（10）：38?40.