光纖通信局域網斷點故障檢測方法研究

劉賀　王濤

摘 要： 為了解決以往光纖通信局域網斷點故障檢測方法成本高、動態檢測區間小的問題，提出基于混沌光的光纖通信局域網斷點故障檢測方法。構建可調諧混沌光產生裝置，將混沌光波長失調值設為0 nm，帶寬設為光纖通信局域網帶寬的80%，獲取混沌光，構成光纖通信局域網信道的參考信號和探測信號，利用光纖振蕩器過濾其中的延時信號，對混沌光信號與探測信號進行相關性運算，獲取斷點故障定位值。實驗結果表明，所提方法在檢測斷點故障時的動態檢測區間大，并能維持光纖通信正常運行。

關鍵詞： 光纖通信； 局域網； 斷點故障檢測； 混沌光； 相關性運算

中圖分類號： TN926+.3?34； TM248 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0174?03

Abstract： Since the previous breakpoint fault detection method of optical fiber communication LAN has high cost and narrow dynamic detection section， a chaotic light based breakpoint fault detection method of optical fiber communication LAN is proposed. The generation device of tunable chaotic light was constructed to set the wavelength detuning value of the chaotic light to 0 nm and the bandwidth of the fiber communication LAN to 80%. The chaotic light is got to compose the reference signal and detection signal of the optical fiber communication LAN channel. The optical fiber oscillator is adopted to filter the delay signal. The correlation operation is carried out for the chaotic light signal and detection signal to obtain the positioning value of breakpoint fault. The experimental results indicate that the method has long dynamic detection section while detecting the breakpoint fault， and can maintain the normal operation of optical fiber communication.

Keywords： optical fiber communication； local area network； breakpoint fault detection； chaotic light； correlation operation

得益于光纖通信技術的飛速進步，光纖通信局域網已經走進每家每戶，針對局域網故障檢測的器件和方法也逐漸增多起來。斷點故障普遍存在于光纖通信局域網中，光時域反射儀可針對斷點故障進行良性檢測，使用方法便捷，但價格昂貴，各大品牌的平均報價[1]要高于2.5萬元。典型的斷點故障檢測方法包含距離傳感檢測和諧波檢測，這些方法的成本低于光時域反射儀，能夠滿足正常檢測需求，缺陷是動態檢測區間小。相對來講，光時域反射儀的市場競爭力更大。本文利用混沌光進行斷點故障檢測，提出一種成本低、動態檢測區間大的檢測方法。

1 光纖通信局域網斷點故障檢測方法研究

1.1 檢測方法

在非線性研究領域，混沌是指存在卻不能加以估計的波動行為。自從激光器中的混沌狀態被挖掘出來，混沌光一直是光學領域的研究熱點。文獻[2]表明，混沌光滿足狄拉克δ函數的自體相關原理，具備對稱性和縮放性，可使用在距離度量、定位、檢測等器件中。混沌光信號帶寬以GHz計數，得益于光纖通信局域網的高帶寬，混沌光在其中能夠獲取高分辨率，容易提升檢測精度。

在激光器中產生的混沌光不能夠直接參與檢測，而是被分為參考信號和探測信號。參考信號進行斷點故障檢測。探測信號獲取參考信號的檢測數據，按照光纖通信局域網原傳輸路徑將數據反饋到計算機中進行運算。基于混沌光的光纖通信局域網斷點故障檢測方法采取波分復用技術[3]，把存在波長差距的混沌光歸屬到不同的光纖通信業務中，增加局域網的帶寬以及穩定性，以激光視盤光源承載數據完成通信。所提方法需要獲取波長可調諧的混沌光作為檢測斷點故障位置的媒介，同時還要利用激光視盤光源探測局域網信道，以完成斷點故障定位。

1.2 可調諧混沌光的獲取

圖1描述了用于獲取可調諧混沌光裝置結構，半導體激光器內部擁有光學諧振腔，采取縱向多模式激光發射原理，是混沌光產生元件。兩個單片機同光纖放大器組成光源反饋結構，中間加入溫控點控制半導體激光器穩定性，避免激光能量過高損傷電路[4]。數控點對單片機反饋信號、激光功率及電路電流進行控制，提取反饋結構混沌光光強以及光纖放大器運行參數。光纖光柵作用是選擇混沌光輸出波長，并確定可調諧混沌光輸出模式是否為單獨輸送。

半導體激光器中不同激光發射模式之間的物理間距是1.5 nm，共具備30種模式，普通模式的混沌光波長為1 560 nm，電流閾值為12 mA，偏置電流為24 mA，額定輸出功率為3 mW。光纖放大器將輸出功率擴大到12 mW，17%反饋到數控點，83%輸出成可調諧混沌光。光纖光柵衍射率大于75%，可調諧混沌光波長可選范圍在1 500～1 600 nm之間，線寬為0.3 nm。endprint

光纖光柵在獲取可調諧混沌光過程中貢獻最大，直接影響反饋強度以及光纖光柵衍射率，決定光纖通信局域網斷點故障輸出狀態。邊模抑制比和平衡指數越高，輸出狀態越好，通信失真率越低[5]，可擴大動態檢測區間。

圖2（a）、圖2（b）描述的是當混沌光波長失調值在絕度值為0.15 nm的區間內，邊模抑制比、平衡指數同反饋強度之間的關系曲線圖，其中，平衡指數始終為正數，在失調值等于0 nm的狀態下，平衡指數和邊模抑制比的最大值同時出現[6]，反饋強度也達到最大值。

圖3描述的是光纖通信局域網帶寬同平衡指數之間的關系曲線圖，平衡指數表示整體與平均值偏移程度[7]。局域網總帶寬為10 GHz，在8 GHz時平衡指數為最大值。根據以上結論，基于混沌光的光纖通信局域網斷點故障檢測方法將混沌光波長失調值設為0 nm，帶寬設為光纖通信局域網帶寬的80%。

1.3 基于混沌光的光纖通信局域網斷點故障檢測函數

圖4描述的是基于混沌光的光纖通信局域網斷點故障檢測方法流程圖。可調諧混沌光輸入到光纖通信局域網信道時，由于反饋結構中電流磁場的存在，將通信延時也一并輸入信道。通信延時在狄拉克δ函數[8]自體相關原理給出的斷點故障檢測曲線中顯示為信號干擾峰，極大地縮小了動態檢測區間，非常容易產生斷點故障錯判。所提方法在混沌光的相關性上做出了優化，通過光纖振蕩器提高低頻信號比例，達成延時信號過濾，獲取不存在信號干擾峰的斷點故障檢測曲線。如果曲線仍存在干擾峰，這段干擾峰對應的位置就是斷點故障點產生延時。

基于混沌光獲取的斷點故障檢測曲線與自協方差曲線幾乎重合，混沌光功率的時間排序規律同延時排序規律也滿足自協方差曲線特質。所提方法將對混沌光信號與探測信號進行相關性運算，獲取到斷點故障定位值。設自協方差曲線為[Y（t）]，用函數[X（t）]代表混沌信號，[t]為混沌信號在局域網信道中的傳輸時間。延時信號與混沌信號的混合函數用[kX（t-τ）]表示，[k]為傳輸損耗系數，[t-τ]為延時信號傳輸時間。經由相關性分析，混沌信號與延時信號存在如下關系：

2 實 驗

2.1 實驗裝置

實驗裝置由光纖母線、光纖饋線、光柵、耦合器、光譜儀、數據采集板等構成，光纖通信局域網的各條信道相距0.5 nm，頻率相距48 GHz，光纖損耗系數為0.3 dB/km。激光從坐標原點發出，通過耦合器合成單線激光輸入光纖母線，在光纖母線中傳導10 km，輸出到各支路的光纖饋線中，從光柵處衍射到斷點故障檢測設備中。母線傳導線規的損耗制定在5 dB以內。

在檢測光纖通信局域網斷點故障的實驗過程中，依次將自變量設為光纖饋線傳導距離和通信損耗，從光譜儀顯示數據中分析斷點故障存在于哪條局域網信道。數據采集板采集實驗過程中數據傳導距離和光波功率數據。實驗結束后將數據繪制成相關曲線圖進行數據分析。

2.2 數據處理與分析

如果想要分析基于混沌光的光纖通信局域網斷點故障檢測方法的動態檢測區間，需要獲取峰值信噪比和光波功率兩項數據。峰值信噪比表示的是信號在最大功率下受到噪音破壞從而影響到傳導精度的比率數據，也可以用來評估通信中的信號失真率[10]。在實驗中設數據采集板采集到的數據傳導距離為[L]，激光在光纖饋線中的傳導距離為[L0]，按照數據自體相關性原則，峰值信噪比的理論值計算公式如下：

[H=1-L0L] （3）

為了方便數據處理，實驗將坐標原點的峰值信噪比設為1，由此可見：當[4L0=L]時，[H=0.75 dB]，信道開始衰減，峰值信噪比的理論值不能準確表達實際值，為此，對光纖饋線進行3 dB的損耗補償，在數據采集板采集數據時將耦合器坐標設成光柵衍射原點，光纖母線的末端不參與實驗，相當于對[L]進行校正。

圖5、圖6描述的是峰值信噪比和光波功率隨自變量變化的曲線圖。由圖5可知，當光纖饋線傳導距離從0變化至70 km，本文方法所能進行動態檢測的區間高于70 km，預計在85 km左右，峰值信噪比曲線高度優于諧波檢測方法和距離傳感檢測方法，改進方法在進行大面積光纖通信局域網斷點故障檢測的同時，能夠確保信號的有效性。由圖6可知，隨著通信損耗的不斷增加，光波功率表現出線性縮減狀態。在損耗為23 dB和27 dB時，距離傳感檢測方法和諧波檢測方法的光波功率到達最低值0 dB，已經不能再繼續進行斷點故障檢測。連接本文方法的光波功率曲線與橫坐標相接，當損耗約為40 dB時本文方法才停止檢測，動態檢測區間大。

3 結 論

本文提出基于混沌光的光纖通信局域網斷點故障檢測方法，不但實現了連續波長調制，還保留了混沌光對信號失真的抑制作用，能夠精準檢測出光纖通信局域網中的斷點故障。通過實驗表明，本文方法擁有動態檢測區間大的明顯優勢。

參考文獻

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