光纖纖芯通信質量檢測系統的設計與應用

李貴華等

摘 要： 針對人工檢測纖芯通信質量不易檢測的特點，結合單位業務實際和對纖芯通信質量檢測管理需求，設計了一套基于OTDR的光纖傳感節點感知光纜纖芯質量的光纖纖芯質量檢測系統。該系統主要采用多通路OTDR光纜監測，綜合應用光時域反射、計算機和地理信息系統技術，利用移相采樣技術和跨阻偏壓可變接收機技術提升了OTDR模塊的性能并有效地控制了成本，實時獲得被測光纜纖芯通信質量信息，有效提高光纖通信網的可靠性和使用效益。

關鍵詞： OTDR； 移相采樣； 模/數轉換； 跨阻偏壓

中圖分類號： TN929.11?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 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，在光纖通信網中判斷光纖纖芯質量的傳統做法是使用人工方式定期測試纖芯，采用這種方法雖然可靠性好，但在測試在用纖芯時難度大、周期長，且不易檢測，每年最多只能安排兩到三次，無法實時掌握纖芯通信質量變化等情況，也無法根據纖芯質量變化趨勢及時預測和消除光纜線路隱患，影響到光纖通信網運行的可靠性[1]。為了更加高效地對光纜纖芯質量進行自動測試和智能管理，綜合應用光時域反射、計算機和地理信息系統技術，研發了光纖通信傳送纖芯質量監測系統并投入到實際應用中，實現了光纖質量的實時監測與管理功能。

1 光時域反射儀工作原理

光時域反射儀（Optical Time?Domain Reflectometer，OTDR）是光纖測試特別是在網絡建設的實際施工布線中經常使用的儀器。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沿著光纖產生無規律的散射而形成，也就是OTDR測量回到OTDR端口的一部分散射光。這些背向散射信號表明了由光纖而導致的衰減（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，這是由于經過一段距離的傳輸后發射和背向散射的信號都有所損耗。同時菲涅爾反射是離散的反射，它是由整條光纖中的個別點引起的，這些點是由造成反向系數改變的因素組成，例如玻璃與空氣的間隙，也在這些點上會有很強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、光纖終端或斷點。OTDR工作原理主要是通過發射光脈沖到光纖內，然后在OTDR端口接收返回的信息確定光纖纖芯的衰減度。

2 系統設計

系統對光纖纖芯通信質量的監測主要通過對光纜內某一根光纖或者幾根光纖的監測，獲取到被測光纖纖芯的通信質量情況，實現對整條光纖的間接監測。該系統主要采用基于OTDR的光纖傳感節點感知光纜纖芯質量，通過監控終端連接到傳感信息數據庫服務器，獲取被測光纜纖芯通信質量信息，對光纜網纖芯質量進行實時監控，其系統結構如圖1所示[3]。

圖1 光纖傳送網纖芯質量監測系統結構圖

系統的光纖傳感設備采用多通路OTDR光纜監測設計方案，該方案設計的系統結構簡單，適用于不同監測光纜數量的要求。系統關鍵就是光纖傳感設備將多個OTDR模塊集成到一個板卡上，板卡上的獨立OTDR子模塊可根據需要選擇不同的波長、動態范圍，由于每根被測光纖都有獨立的OTDR進行監測，因此可以避免使用機械式光開關帶來的插入損耗及光開關磨損等問題，具有可靠性高、實時性好、管理方便、配置靈活等優點。系統傳感設備模塊結構如圖2所示。

圖2 光纖傳感設備模塊結構圖

3 主要功能模塊

纖芯質量監測系統主要分為資源管理、告警管理、配置管理、性能管理和安全管理五個功能模塊，實現對在用光纖質量的實時監測和管理。

3.1 資源管理模塊

該模塊的主要功能就是錄入被監測對象（在用或未用光纖及傳感節點）的信息，形成光纖資源信息數據庫。利用計算機和地理信息系統，在電子地圖上顯示光纜網絡分布，通過顯示目標屬性的方式查詢和獲取所需要的網絡資源信息，并實時顯示光纖纖芯通信質量。

3.2 告警管理模塊

該模塊的主要功能是收集光纖傳感節點產生的告警數據，包含被監測光纖段衰減變化產生的告警和光纖傳感節點內部故障產生的告警。整理告警數據，形成當前告警、歷史告警列表，并提供告警濾除、告警證實、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網管軟件的工作參數。例如：周期性測量的時間、目標列表；設置各個光纖傳感節點的工作參數。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用戶命令或事先設定的指令，向指定地址的光纖傳感節點（OTDR模塊）發送測試命令，測量光纖的衰減特性，該功能主要用于光纖故障定位。按規定的時間間隔，收集、存儲被監測光纖段的衰減參數，形成較長時間段的統計數據，供維護人員分析光纖的劣化趨勢，采取措施預防故障發生。

3.5 安全管理模塊

該模塊的主要功能是設置管理系統用戶的賬戶、密碼、權限，并提供用戶日志管理功能。

4 兩種關鍵技術及實現方法

為了提高OTDR子模塊的性能和降低成本，在本系統中OTDR子模塊使用了兩種關鍵技術：移相采樣技術和跨阻偏壓可變接收機技術。

4.1 移相采樣技術

根據OTDR工作原理可知，模擬信號的采樣率會直接影響OTDR事件盲區，采樣率越高事件盲區越小，事件距離精度越高。例如100 MHz采樣率的模/數轉換（Analog to Digital，A/D），采樣一個數據需要10 ns，轉化為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采樣一個數據只需要2.5 ns，轉化為OTDR曲線距離約為0.25 m。雖然高速A/D會使事件盲區很小，但會導致器件成本成倍上升，高速信號的處理難度也比較大，其中包括PCB布板、高速信號處理等。因此本系統采用控制A/D采樣時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A/D采樣周期為[T，]時鐘移相模塊產生0°相位、90°相位、180°相位與270°相位的4個時鐘，則相鄰的兩個相位時鐘的時間差為[T4；]光脈沖產生模塊產生4種時延相差[T4]的光脈沖信號[5]；光脈沖選擇模塊交替選擇這4個光脈沖信號，第一次測試選擇0°相位的光脈沖信號，第二次測試選擇90°相位的光脈沖信號，第三次測試選擇180°相位的光脈沖信號，第四次測試選擇270°相位的光脈沖信號；存儲控制模塊根據光脈沖選擇模塊輸出哪種時延的光脈沖信號進行存儲控制。如果光脈沖信號是0°相位的，則存儲在第1，第5，第9等對4取模為1的存儲地址空間中；如果光脈沖信號是90°相位的，則存儲在第2，第6，第10等對4取模為2的存儲地址空間中；如果光脈沖信號是180°相位的，則存儲在第3，第7，第11等對4取模為3的存儲地址空間中；如果光脈沖信號是270°相位的，則存儲在第4，第8，第12等對0取模為0的存儲地址空間中，這樣存儲器中連接地址采樣點的間隔就是[T4，]事件距離精度相當于A/D采樣周期為[T4，]即事件距離精度提高到原來的4倍。實驗證明，系統應用移相采樣技術后，最大量程可以達到198 km，在82 km處斷纜時的定位精度為±13 m。

4.2 跨阻偏壓可變接收機技術

由于OTDR接收到的從光纖返回的信號中不僅有微弱的瑞利散射信號，還有強烈的菲涅爾反射信號，有時候這兩種信號的差別甚至達到50 dB以上。如果反射信號很強，將導致OTDR曲線的盲區變化很大，可能會使一些與反射點距離較近的事件被強反射事件所掩蓋，造成事件的漏報。因此，在系統中采用了一種跨阻可變、APD偏壓可調的OTDR接收機技術[6]。OTDR子模塊首先對被測光纖進行粗略測試，對測試結果進行智能分析，判斷和選定當前被測光纖的最佳測試條件，最后控制FPGA按照最佳測量參數進行更精確的測試。

5 使用效益

傳統的纖芯質量測試維護方式組織難度大，在用纖芯質量測試要安排在停機時間進行，投入的人力物力多、工作效率低，影響了光纖通信網效益的發揮。該系統投入運行后，能對通信光纜纖芯質量的變化情況進行實時監測，能對大衰耗點和故障點進行定位分析和告警。系統實現了光纜性能的長期漸變分析和預警，通過對纖芯劣化分析、纖芯事件分析和故障原因統計，使維護人員及時了解光纜質量變化趨勢，及早采取預防整治措施，有效防止因纖芯質量急劇下降造成的通信中斷，將過去傳統的事后搶修光纜維護模式轉變為事先預防維護模式，提高了光纖通信傳送網的可靠性和應用效益。

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