兰州交通大学 现代传输技术课程设计.docx

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兰州交通大学现代传输技术课程设计

兰州交通大学

本科生课程设计

中文题目：

光时域反射仪在实际工程中的应用

英文题目：

OpticalTimeDomainReflectometryUsedintheActualProject

学院：

电子与信息工程学院

课程：

现代传输技术

专业：

通信工程

班级：

通班

姓名：

学号：

指导教师：

高丽

二零一五年七月

摘要

随着宽带业务的迅猛发展和各种新业务的不断涌现，用户对网络接入宽带的需求大幅度增长。

作为未来宽带接入网技术的无源光网络，正朝着TDM-PON和WDM-PON两个方向发展。

无源光网络的发展和应用，对传统的光纤链路监测设备光时域反射仪（OTDR）提出了新的挑战。

本文介绍了光时域反射仪的工作原理和性能指标，包括动态范围、距离分辨率和测量时间。

通过理论分析，总结了提高OTDR性能的各种技术。

PON中复杂的网络结构，如点对多点的结构和多波长的传输等，对传统的OTDR监测技术提出了许多新的技术要求。

本文总结和分析了当前光接入网中应用的各种OTDR监测技术及其发展趋势。

关键词：

光时域反射仪；无源光网络；光纤链路；接入网

Abstract

Withtherapiddevelopmentofbroadbandservicesandavarietyofnewservicesareemerging,substantialincreaseinuserdemandforbroadbandInternetaccess.Asthefutureofbroadbandaccessnetworktechnologypassiveopticalnetwork,wearemovingTDM-PONandWDM-PONtwodirections.Developmentandapplicationofpassiveopticalnetworks,thetraditionalfiberlinkmonitoringequipmentopticaltimedomainreflectometer（OTDR）presentsnewchallenges.

Thisarticledescribestheopticaltimedomainreflectometerworkingprincipleandperformanceindicators,includingdynamicrange,rangeresolutionandmeasurementtime.Throughtheoreticalanalysis,wesummarizedvarioustechniquestoimproveperformanceOTDR.

PONcomplexnetworkstructure,suchasconstructionandtransportmultipointmulti-wavelength,etc.,thetraditionalOTDRmonitoringtechnologymademanynewtechnicalrequirements.ThispapersummarizesandanalyzestheapplicationofthecurrentvarietyofopticalaccessnetworkOTDRmonitoringtechnologyanditsdevelopmenttrend.

Keywords:

OTDR;PON;FiberOpticLink;AccessNetwork

目录

摘要I

AbstractII

1.绪论1

1.1引言1

1.2光时域反射仪的发展与现状2

2.光时域反射仪的原理与性能指标4

2.1光时域反射仪的基本原理4

2.2光时域反射仪的性能指标5

2.3提高光时域反射仪性能的技术7

3.光时域反射仪在接入网中的应用8

3.1概述8

3.2OTDR在PON中的发展与应用8

3.2.1TDM-PON中的监测技术9

3.2.2WDM-PON中的监测技术11

参考文献13

1.绪论

1.1引言

光纤通信网络最初用于简单的点对点网络，旨在将数字化的语音信号从A点传输到B点。

但是，在过去的25年里，光纤网络已演化出多种配置，其复杂程度也各不相同。

在早期，维护和操作的管理是制度化和常规化的，单根光纤可以传输36000路语音信号，数据传输率相当于36MB/s。

现如今，光纤可以传输大约250000路语音信号，有效数据传输率高达160Gbit/s，而这只是刚刚开始。

近年来，光纤通信技术以其频带宽、损耗小、抗干扰能力强等优势已经广泛应用于数据传输领域[1]。

随着光纤传输容量的持续增长，保护物理线路使其免受干扰和破坏，已经变得空前重要。

过去人们可以巡查物理路权，并监视可能对光纤造成不良影响的活动，但随着时间的推移和观念的转变，包括汽车、飞机和直升机在内的劳动密集型巡查和活动已不能满足要求。

现如今，随着光纤网络的快速发展，已无法实地监控所有可能影响这些网络的建筑活动。

接下来的演化促成了多路光纤，以及具有毫秒级重路由功能的交换设备。

环形拓扑带来了新挑战与几乎100%可用的安全特性，然而时间的推移和情况的变化使得这种方式的服务保证问题更加复杂。

人口密度的增长及光纤到户和（FTTH）和光纤到建筑物（FTTP）需求的不断增加，也促使了额外光纤线路需求的不断增加，这对于网络服务提供商而言既是机遇也是挑战。

人口的增加意味着需求的增加，但不断增加的建筑活动，也使得路线遭受物理损坏的风险增大。

并非所有光纤故障都是突发性灾难。

实际上，多数光纤故障随着时间的推移都会逐渐发生。

现在，我们可以仔细检查光纤特性中发生的某些变化，从而判断灾难性故障是否已经临近。

例如，经过一段时间的使用，旋转机械接头就会出现随机性故障，因为固定它们的金属夹在数千次重复性的温度变化中会松弛，从而引起接头失效。

采用OTDR可以探测这些旋转机械接头的特征。

有些类型的接头采用折射率匹配的凝胶，以减少接头的反射系数。

这些接头易于安装，但匹配的凝胶随着时间的推移会老化，结果将导致接头失效。

这些类型的接头也具有OTDR可以轻易探测的特征。

总之，光纤物理链路越来越长，光缆的故障对国民经济建设的影响就会越大、危险度越高，甚至会使信息化的国民经济建设瘫痪。

为此，我们不仅要建设几百万公里的大容量高速光通信网，而且还要让光缆网具有高度抗灾害、抗阻断能力，具有自动监测以及自动保护能力。

光时域反射仪（OpticalTimeDomainReflectometer）是一种用于表征光纤链路物理特性的光学测试仪器。

是利用激光在光纤传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表。

此仪器主要用于测试整个光纤链路的衰减并提供与长度有关的衰减细节。

OTDR测试的非破坏性、只需一端接入及直观快速的优点使它被广泛应用于光缆线路维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。

YokogawaAQ7270型光时域反射仪如图1-1所示：

图1-1YokogawaAQ7270型光时域反射仪

不同的应用环境、对OTDR性能有不同的需求。

在光纤接头比较多的局域网内，减小死区和增大事件分辨率比较重要；在骨干网上，动态范围比较重要；在在线监测的环境中需要对输出激光功率进行限制。

1.2光时域反射仪的发展与现状

我国的OTDR产业与光通信产业基本上是同步发展。

上世纪80年代，原电子部41所、23所以及原邮电部北京仪表研究所就已有OTDR产品问世，但性能和国外厂商相比差距明显，市场占有率较低，进入中国市场的国外产品供应商有安立、安藤、泰克、PK、BICC、安捷伦、精密激光、威夫推克、网泰、EXFO等开拓创新、与时俱进大力发展我国的OTDR产业。

随着光通信产业的发展，OTDR也随着不断变化、进步。

随着广域网、城域网的建设，需要光时域反射仪能测试得更远、更快。

这就需要OTDR具高动态范围。

测试、维护大容量光纤光缆时（如864芯光缆），一端需测864次，对多波长而言，1625、1550和1310rim每端都要进行测量。

这就需要更快的测试速度。

在FTTP网络中，光纤接口之间间距很短。

这就需要较小的盲区。

由于OTDR测贯穿于光纤链路的架设、维护整个过程，使用人员素质不一。

测试自动化也是发展趋势。

综上所述，OTDR正朝着操作方便、指标更高、测试速度更等方向演进。

根据Frost&Sullivan“世界光纤测试设备市场”报告分析，由于FTTX的迅速发展和带宽的进一步拓展，全球光纤测试设备市场迅速发展。

该报告指的光纤测试设备主要包括：

OTDR、光源、光功率计、损耗测试仪、远程光纤测试系统、密集波分复用测试设备及光谱分析仪。

总的光纤测试设备市场收入2000年为14.2亿美元，2007年达到60亿美元。

CAGR（年复合增长率）约为20％。

所以光时域反射仪市场巨大，大有作为。

2.光时域反射仪的原理与性能指标

2.1光时域反射仪的基本原理

光时域反射仪利用光在光纤中传输时产生的后向散射现象，将大功率的窄脉冲光注入待测光纤，然后在同一端，检测沿光纤轴向向后返回的散射光功率，如图2-1所示。

光纤材料由于密度不均匀，其本身的缺陷和掺杂成分不均匀，当光脉冲通过光纤传输时，沿光纤长度上的每一点均会引起瑞利散射。

这种散射向四面八方，其中有一部分会进入光纤的数值孔径角，沿光纤轴反向传输到输入端。

瑞利散射光的波长与入射光的波长相同，其光功率与散射点的入射光功率成正比。

测量沿光纤轴向返回的后向瑞利散射光功率可获得沿光纤传输损耗的信息，从而测得光纤的衰减。

图2-1OTDR原理框图

后向散射的脉冲响应f（t）定义为后向散射功率对单位能量函数输入信号的响应。

对于一个传输损耗是常量的理想的光纤，f（t）被定义为：

（21）

其中α是光纤的衰减系数，υg是探测光脉冲的群速度，S是后向散射系数，Pin是注入光纤的光脉冲功率。

在所有的OTDR测量中，接收光功率P（t）可以表示为探测光信号功率p（t）与后向散射脉冲响应f（t）的卷积，即：

（22）

检测电流与反射强度有关，相关因子为耦合损耗η，探测电流的响应为：

（23）

输出电压为电流与跨导电阻的卷积，即：

（24）

由以上三式整理得

（25）

经过上述处理后，就完成了OTDR从光信号到电信号的转变。

OTDR根据探测光信号设计的不同可以分为以下几类：

1）传统的短脉冲OTDR

2）受激拉曼OTDR（RamanOTDR，ROTDR）

3）相关OTDR（CorrelateOTDR，COTDR）

4）光频域反射计（OpticalFrequencyDomainReflectometry，OFDR）

其中传统的短脉冲OTDR，由于其内在的简易性和卓越性能，是目前最普及的。

2.2光时域反射仪的性能指标

光时域反射仪通过发送光脉冲进入输入光纤，同时在输入端接收其中的后向瑞利散射光和菲涅尔反射光，再变成电信号，把时间转换为相应的距离显示在屏幕上。

由于OTDR中的光接收机、放大器等电路都会产生噪声，所以来自远距离处的功率较小的后向瑞利散射信号会淹没在噪声中而无法检测，限制了OTDR的测量距离。

对于OTDR，用动态范围这一指标来衡量测试距离。

通常采用的动态范围标准有两个，其一是IEC61746标准，定义为从OTDR发射端功率（有一定余量）至噪声峰值功率的98%的损耗dB数；其二是从OTDR发射端功率至噪声功率均方根值（RMS）的损耗dB数。

RMS动态范围在一般情况下比IEC标准大1.5~4dB。

在实际过程中，为了保证一定的损耗分辨能力，在噪声峰值面以上预留3~6dB。

例如：

预留3dB，则噪声幅度为0.5~0.6dB，可以分辨0.6dB左右的接头损耗；预留6dB，则噪声幅度降为0.1dB左右，可以分辨0.1dB左右的接头损耗。

因此，动态范围越大，就能在越远的距离保持一定的损耗值分辨率；动态范围越小，则损耗值分辨率在较近距离处就开始恶化，降低了对接头损耗等事件的分辨能力。

OTDR另一个重要的技术指标是距离分辨率，即两个反射点之间的最小距离，也称为单程分辨率SOTDR。

图2-2OTDR距离分辨率示意图

如图2-2所示，脉宽为ΔT的脉冲在距离x和x+Δx处分别发生后向瑞利散射，在x+Δx处的散射信号比x处的散射信号多行进2Δx，而要使两处的散射信号能分辨，它们的间距至少为vgΔT，即2Δx≥vgΔT或Δx≥vgΔT/2，其中，vg为光纤中光波的群速度，近似为C/n，C为真空中光速，n为光纤折射率，故OTDR的距离分辨率SOTDR可表示为

（26）

其中C为真空中的光速，n为被测光纤的折射率，ΔT为探测光脉冲的宽度。

当C≈3×108m/s，n≈1.5，ΔT为ns量级时，1ns的探测脉宽对应约0.1m的距离分辨率。

另外，发射脉宽的减小增大了脉冲的频带宽度。

由于OTDR的放大器频响范围有限，对于宽频脉冲的高频分量不能达到足够的放大倍数或直接截去，导致了菲涅尔反射峰在时域展宽，表现为拖尾和边沿振荡现象，引入了较大的盲区。

所谓盲区就是菲涅尔反射或链路损耗淹没了其后一段距离内的后向瑞利散射信号的现象，通常分为衰减盲区和事件盲区两种情况。

图2-3盲区的定义

如图2-3所示，衰减盲区是指从菲涅尔反射峰开始到恢复到超过后向散射电平约0.5dB范围内的这段距离。

这是OTDR能够再次检测到链路衰减和损耗的范围。

从OTDR接收到的菲涅尔反射峰开始到恢复到最高反射点1.5dB以下的这段距离，可以看到是否存在第二个菲涅尔反射峰，但是不能检测到衰减和损耗。

对于脉宽出现拖尾或边沿振荡的情况，会淹没后续的后向瑞利散射和光纤损耗，故噪声衰减盲区的增大；而后续的菲涅尔反射峰仍然能检测，故事件盲区几乎不变。

在OTDR的系统设计中，应选择合适的脉宽使其在满足一定距离分辨率要求的情况下减小衰减盲区。

为了进一步提高OTDR的性能，需要进行多次测量和在OTDR的接收端对接收到的后向散射信号完成进一步的分析和处理，比如去除噪声、暗电流校正、指数和对数变换等，因此OTDR的第三个性能指标是测量时间。

综上所述OTDR的主要性能指标是动态范围，距离分辨率和测量时间。

2.3提高光时域反射仪性能的技术

在传统的OTDR测量中，当单个探测脉宽为ΔT时，接收信号的强度可近似地表示为：

（27）

即接收信号的强度与探测信号的能量，即脉冲功率Pin与脉宽ΔT的乘积，成正比。

因此，后向散射功率的增加可以通过增加注入光纤的探测脉冲功率Pin或者增加探测脉冲的脉宽ΔT来实现。

但是这会带来相应的问题。

首先，探测脉冲功率Pin是不能无限增加的：

一方面，大的入射光功率会对光纤的数据通道造成破坏，另一方面，当测量光纤和通信光纤公用同一根光纤的情况下，当Pin增加到一定程度后，由于光纤中的非线性效应，会影响光信号的传输质量。

其次，由式（2-6）可知，OTDR测量的距离分辨率会随着ΔT的增大而降低。

如果ΔT=1us，即使在理想接收的情况下，响应分辨率也不会低于100m。

因此从距离分辨率的角度考虑，探测信号脉宽越小越好。

但是缩短探测脉冲脉宽会减小后向反射功率而减小OTDR的动态范围。

所以提高OTDR的动态范围和增强OTDR的距离分辨率是互为矛盾、不可兼得的。

为此，近年来，许多文献报道了在不影响距离分辨率的情况下，提高OTDR动态范围的性能增强技术，主要包括：

累加平均技术，FSK调制技术，相关编码技术等。

3.光时域反射仪在接入网中的应用

3.1概述

光纤接入技术（FTTB,H）的安装正在加速替代现有的基于铜线的宽带接入技术。

由于光纤接入成本的极大降低以及经证明的能够满足日益增长带宽需求，光纤接入技术正在全球范围内进行。

无源光网络作为光纤接入网络的一种架构已经成为运营商的主要选择。

在PON中，中心局的光线终端与客户端之间只有无源器件。

一根光纤承载了到远程节点的所有数据流。

无源光分支器把光纤中的数据分流到光网络单元（ONU）或光网络终端（ONT），如图3-1所示。

由于在PON中没有相对而言更容易损坏的电器件，这种架构可以降低运营和维护成本。

这样运营商就不需要监测电功率或提供备用电池。

尽管与有源方案相比PON具有比较低的运营和维护成本，但是通过有效地预防和维护现有的物理结构，运营商仍然可以节省相当的运营和维护成本。

在现有的PON系统中，物理结构对网络管理系统通常是完全不可见的。

这直接导致了无法在创建上层的外围服务之前检测物理故障，进而给运营商在业务上造成巨大的损失。

我们可以预计由于服务的中断不仅造成了直接的经济损失而且会由于声誉的破坏而造成间接的经济损失。

这些问题得到了重大关注并且已经成为激烈竞争市场上的决定性因素。

图3-1PON分支结构

3.2OTDR在PON中的发展与应用

目前PON中各种监测的发展趋势如图3-2所示。

从图中可以看出，PON的监测主要有三种方案：

TDM-PON方案、WDM-PON方案和其他方案。

TDM-PON方案根据接入方式的不同分为，点到点方式P2P和点到多点方式P2MP。

对于点到点方式根据不同的场合，监测方案分为有源旁路（activeby-pass）、无源旁路（passiveby-pass）和集成OTDR三种方式。

WDM-PON方案根据不同的情况监测模式分为可调OTDR加光反射器模式、复用已有光源模式和商用多波长OTDR模式。

对于其他方案，主要有OCDR（OpticalCode-divisionMultilexing）和OFDR两种监测方式。

图3-2PON监测方案

3.2.1TDM-PON中的监测技术

TDM-PON监测方案可以进一步被分为2个小部分：

点到点监测技术（P2P）

和点到多点监测技术（P2MP）。

（1）点到点监测

P2P监测方法的关键是独立监测各个分支，可以通过旁路的分支器也可以利

用集成在已有ONU\ONT的光接收机模块中的嵌入式OTDR。

有源旁路分支器可以通过光选择器来实现，如图3-3所示。

根据PON的拓扑（如聚集、分布）,旁路分支设备可以放在中心局中，或者放在远程节点中。

为了简单起见，图3-3显示了这两种情况。

在测试过程中，通过检测分支底端反射峰值功率，利用反射器可以很容易地进行故障检测。

有源旁路方案已经成功实施和运用在日本NTT公司的自动光纤监测系统中，这被称为AURORA。

它的可扩展的旁路分支设备部分放在中心局中。

当分支设备在外部时，需要解决光选择器中的控制和功率问题。

最近，已经报道了一种可以通过光纤实现远程控制的动态分支器，这使得旁路分支器更方便实现。

相应地，报道了一种带有嵌入式多层介质滤波分支器输出的光波导耦合器。

这种方法用了平面光波电路技术以降低光连接损耗。

图3-3有源旁路框图

利用可调OTDR，当用于通信的光信号同时发射到各个分支时，每个分支都被分配了各自的检测波长。

这种旁路分支器是利用波长复用/解复用实现的，因此不需要有源电设备，如图3-4所示。

如果可调OTDR的可调范围不能够满足监测带有高的分支比的整个网络，可以给多个分支分配一个检测波长。

利用分支底端的反射器可以方便各个分支的监测。

为了达到这一目的，需要在光纤中嵌入双色反射光滤波器（DRO）和布拉格反射光栅（FBG）。

这种方案的主要问题是在接入网中应用非常昂贵。

图3-4无源旁路框图

（2）点到多点监测

在P2MP监测方案中，OTDR直接用在整个PON中而不需要在OLT端部署旁路分支器。

采用与数据流波长不一样的特定监测波长，可以实现在线监测。

因此，普遍采用1625-1650nm波长区域。

图3-5整体分析

实现整体OTDR分析的一种简单方法是把当前测量波形与在网络安装或网络服务过程中产生的波形进行对比。

当所有的分支都装有相关反射计时，如图3-5示，当参考波形的峰值量化高度与当前波形不相同时，表示可能有故障分支。

通过附加的计算，可以对故障点进行量化，也可以实现多个故障点的测量。

原理上，估计参考波形与当前波形的不同，可以得出故障点的位置。

但是，当分支比增加时，在整体OTDR波形中由于故障点产生的变化可能会被另一个分支的波形覆盖。

比如，在一个1：

16的分支器后，即使是光纤断点，在标准的整体OTDR波形中都难以观察到。

为了解决这一问题，提出了一种高动态范围的OTDR原型。

在整体分析监测中，系统的距离分辨率由于以下两种情况而显得非常重要：

如果用户之间的距离很短，那么很难区分两个端反射峰值的不同。

当光场中有很强的菲涅尔反射时，因此产生的盲区可能会覆盖故障点的信息。

第一种情况，反射峰值来自近邻用户的叠加，通过附加的神经网络的软件分析可以提高距离分辨率。

另一种软件分析方法，即无盲区信号分析法，可以解决第二种情况的问题。

它利用二次OTDR的奇异信号以进行实际的双向OTDR波形分析。

3.2.2WDM-PON中的监测技术

由于WDM-PON在远程节点中使用了阵列波导光栅AWG，点到多点的问题就迎刃而解了，因为分支器后监测波长只被引向一个分支。

（1）利用可调OTDR或多波长光源和光反射器

上面提到的利用可调OTDR和波长选择反射器也可用于WDM-PON中。

由于在远程节点中已有波长复用和解复用设备，可对每个分支分配一个监测波长。

运用相同的操作原理，对具体WDM-PON的技术问题进行了大量的研究。

一种宽带光源取代了可调OTDR，在频域上对远程节点中的多个监测通道进行分支，利用每个ONU中的波长相关的光反射器向中心局传输后向反射信号。

由于宽带光源限制了测量距离和最大监测波长数目，因此它的主要问题是功率谱密度和带宽。

对于宽带光源，提出了不同的技术。

（2）复用已有光源

这种方法的主要目的是避免使用昂贵的可调OTDR或者宽带光源产生测试信号。

通过持续监测上行信号的状态，当检测到上行信号传输质量恶化时，相应的下行信号光源从发射数据态转换为发射OTDR测量脉冲。

这个系统需要对上行信号进行响应，因此当用户关断时，无法检测用户光纤中的故障。

（3）利用商用的多波长OTDR

有人可能会想到最直接的方法是利用商用的多波长OTDR。

它工作在WDM-PON中所有可用波长范围。

很明显，与传统的OTDR相比，这种多波长OTDR更复杂而且成本更高。

但是，一种被称为CWDMOTDR的实验原型，可以工作在多个常用的CWDM（CommercialWDM）波长范围，用于CWDM商用接入网的测试。

如图3-6所示为CWDMOTDR最初商用的框图，它可方便地用于WDM-PON中。

操作CWDMOTDR就像操作传统OTDR一样。

但是，它连接在专用的复用端口以发射相应的波长。

在对每个通道进行检测过程中，各个元件和光纤就像工作在特殊通道的波长上。

图3-6商用的WDMOTDR监测系统

参考文献

[1]刘增基,周洋溢等.光纤通信[M].西安:

西安电子科技大学出版社,20001

[2]张明德,孙小菡.光纤通信原理与系统[M].南京:

东南大学出版社,2001

[3]赵梓森.光纤通信工程[M].北京:

北京人民邮电出版社,2001

[4]沈东辉.