光纖通信網(wǎng)的光纜故障監(jiān)測仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

任魯涌 孫生健

（山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展和成熟，光纖通信已是目前最為主流的通信技術(shù)之一。我國各地大力鋪設(shè)光纖線路光纜，使得光纜線路長度逐年快速增加。 因此對光纜線路出現(xiàn)的故障進(jìn)行監(jiān)測成了一個(gè)很重要的問題。 對于規(guī)模龐大的光纜線路進(jìn)行監(jiān)測工作，初期的傳統(tǒng)人工光纜監(jiān)測方式已不太適用，這種方法已無法很好地完成現(xiàn)代大量光纜的監(jiān)測工作。因此基于光纜故障點(diǎn)監(jiān)測方法，設(shè)計(jì)出光纜故障監(jiān)測系統(tǒng)，對于保證光纖通信網(wǎng)絡(luò)的可靠工作至關(guān)重要。在光纖通信課程的教學(xué)中，為培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的思想及能力，把實(shí)際中一些有需求、至關(guān)重要的技術(shù)如現(xiàn)代光纜故障檢測技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)光纜故障檢測方法下的仿真系統(tǒng)，并應(yīng)用仿真系統(tǒng)仿真判斷光纜發(fā)生故障點(diǎn)的位置，很好地實(shí)現(xiàn)了學(xué)生理論學(xué)習(xí)到實(shí)際應(yīng)用，提高了學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。

1 光纖通信網(wǎng)的光纜故障監(jiān)測原理

目前，光纜發(fā)生的主要故障有：光纖在使用過程中會(huì)發(fā)生老化而產(chǎn)生斷裂故障；還有是外力人為如施工造成的和自然環(huán)境如臺(tái)風(fēng)天氣造成的光纖斷裂故障；再就是鋪設(shè)完的光纖嚴(yán)重彎曲使光纖中通信信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重衰減故障。

為了能夠判斷出光纖是否在正常工作，可以根據(jù)光纖傳輸特性來判斷光纖產(chǎn)生故障的原因。 可以用OTDR（光時(shí)域反射儀）來對光纖的光纖傳輸特性進(jìn)行測試，OTDR 能根據(jù)瑞利散射的特性來測出光纖的光纖傳輸特性。 其原理是先將光脈沖發(fā)射到光纖的內(nèi)部，然后光脈沖會(huì)在光纖的內(nèi)部進(jìn)行傳輸，由于光纖自身的性質(zhì)而產(chǎn)生散射以及反射，然后散射以及反射的激光脈沖返回發(fā)射端。 在實(shí)際測試過程中，可以根據(jù)反射激光的接收時(shí)間，再確定激光在光纖介質(zhì)中的傳播速度，便能夠測算出距離，根據(jù)反射激光的時(shí)間以及強(qiáng)度畫出光纖反射的測試曲線，得到該光纖的光纖傳輸特性，根據(jù)光纖傳輸特性曲線中發(fā)生菲涅爾反射光的位置確定對應(yīng)距離存在光纖連接點(diǎn)或是光纖斷裂。

2 光纖通信網(wǎng)的光纜故障監(jiān)測仿真系統(tǒng)的組成

光纜故障監(jiān)測仿真系統(tǒng)由光功率監(jiān)測模塊、波分復(fù)用器模塊、OTDR 測試模塊、分光器、濾波器設(shè)備等組成。 重點(diǎn)設(shè)計(jì)光功率監(jiān)測模塊和OTDR 測試模塊。

光功率監(jiān)測模塊是光纜故障監(jiān)測仿真系統(tǒng)重要測試模塊，能夠監(jiān)測光纜的狀態(tài)。 光功率監(jiān)測模塊采用的是光功率監(jiān)測方式，是通過監(jiān)測被測光纖的光功率變化情況來判斷光纖是否發(fā)生故障。具體來說是先通過光功率采集光纖的光功率數(shù)據(jù)，為了使設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)更加實(shí)際，考慮避免在光信號(hào)采集過程中對正常的光纖通信造成影響。用分光器將整個(gè)光信號(hào)分成兩部分， 一部分含有原來全部光信號(hào)的百分之九十七， 這部分光信號(hào)仍然作為正常傳輸?shù)墓馔ㄐ判盘?hào)；另一部分的光信號(hào)占百分之三，這一部分用于光功率檢測，由于抽取的光信號(hào)比例很小，所以不會(huì)影響到正常的光纖通信。 通過對光功率的監(jiān)測，可以與設(shè)定的門限相比，若超過門限，發(fā)出告警。

OTDR 測試模塊作為另一測量模塊，是根據(jù)光信號(hào)的衰減情況來監(jiān)測光纖的工作情況。它的具體工作是OTDR 測試模塊可以記錄脈沖信號(hào)的往返時(shí)間以及反射回來的信號(hào)強(qiáng)度，并通過這些數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的對應(yīng)曲線，根據(jù)曲線的變化情況觀察是否存在菲涅爾反射，從而確定是否發(fā)生故障。 同時(shí)根據(jù)曲線可以計(jì)算出故障點(diǎn)的位置。但是OTDR 測試頻繁使用會(huì)加重設(shè)備的負(fù)擔(dān)，縮短設(shè)備的使用壽命。 由于進(jìn)行OTDR檢測需要使用到波分復(fù)用器與濾波器，波分復(fù)用器是為了將發(fā)送的檢測信號(hào)與正常光纖通信信號(hào)混合到一起，同時(shí)保證不能影響到正常的光纖通信。 濾波器是為防止OTDR 測試發(fā)送的檢測信號(hào)對正常的光纖通信產(chǎn)生影響，對發(fā)送的檢測信號(hào)進(jìn)行過濾。 所以先用光功率監(jiān)測的方式對光纜進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)出故障告警后，再使用OTDR 測試技術(shù)對發(fā)生故障的光纖進(jìn)行檢測， 確定具體的故障點(diǎn)， 這樣可以有效地減少OTDR 測試次數(shù)以及減小OTDR 測試的工作范圍，提高設(shè)備的使用壽命。

3 光纖通信網(wǎng)的光纜故障監(jiān)測仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

用Optisystem 軟件，設(shè)計(jì)的光功率監(jiān)測模塊如圖1 所示， 主要包含光功率計(jì)和分光器； 設(shè)計(jì)的OTDR測試模塊如圖2 所示，主要有光時(shí)域反射儀，波分復(fù)用器以及濾波器。

4 光纖通信網(wǎng)的光纜故障監(jiān)測仿真

進(jìn)行光纖光功率監(jiān)測的仿真，首先運(yùn)行正常光纖系統(tǒng)，然后點(diǎn)擊光功率儀，觀察光功率儀得出光纖的光功率為6.749 dBm。然后導(dǎo)入截?cái)喙饫w的系統(tǒng)，運(yùn)行后，再次點(diǎn)擊光功率儀，觀察光功率儀得到光纖的光功率為-100.000 dBm。 通過進(jìn)行光功率的測量對比，確定光纖發(fā)生故障。 再啟動(dòng)OTDR 監(jiān)測模塊，對光纖的故障點(diǎn)進(jìn)行定位仿真。

OTDR 模塊進(jìn)行光纖故障點(diǎn)定位的仿真。 由于仿真軟件沒有光時(shí)域反射儀， 所以仿真中用兩個(gè)光時(shí)域觀察儀對同一系統(tǒng)進(jìn)入光纖前后的光信號(hào)進(jìn)行了兩次時(shí)域曲線的觀測，通過前后兩次觀測，觀察光信號(hào)在光纖中的傳輸情況，得出故障定位監(jiān)測結(jié)論。 具體操作：OTDR 對正常的光纖進(jìn)行檢測，系統(tǒng)運(yùn)行后，點(diǎn)擊左側(cè)的光時(shí)域觀察儀，光信號(hào)的最大值為0.104 9W；點(diǎn)擊右側(cè)的光時(shí)域觀察儀， 光信號(hào)的最大值為0.040554W，如圖3 所示，得出光信號(hào)在光纖的傳輸過程中，信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減，但無故障；對故障光纖進(jìn)行OTDR 檢測，系統(tǒng)運(yùn)行后，再點(diǎn)擊右側(cè)的光時(shí)域觀察儀，可以看到振幅的最大值為2.821 8×10-102W，如圖4 所示，數(shù)值相當(dāng)?shù)男?，判斷光纖發(fā)生了故障及定位。

5 結(jié)束語

光纖通信網(wǎng)的光纜故障監(jiān)測仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析過程中，OTDR 測試模塊在仿真環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障點(diǎn)的定位問題還不能很好地解決，隨著課題研究的不斷深入， 后期持續(xù)不斷地對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，不斷地完善整個(gè)仿真系統(tǒng)，使光纜監(jiān)測仿真系統(tǒng)能夠更加完善。 為光纖通信課程的教學(xué)提供更有利支撐。

圖3 無故障光纖的信號(hào)曲線

圖4 故障光纖的信號(hào)曲線