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一、各种测量仪器的工作原理 （一）PON功率计 PON功率计采用两头结构，如图3所示。用双向耦合器对测试线路进行10%分光，对上行信号（1310nm）分光后直接接入探测器进行功率探测。对下行信号（1490和1550 nm）分光后先用高隔离度的WDM将波长分开后再分别接入探测器进行功率探测。这样就能同时探测3个波长的光功率，并且在测量过程中线路可保持正常通信。 图3 PON功率计结构图 突发光信号功率检测的基本思想是利用信号变换、信号整形、时序同步、延时触发控制和信号采样保持技术，将高频率突发式的光信号变为低频率的可维持的电信号脉冲电平，即前置放大器和整形电路部分，将PIN管产生的电流信号转换成具有一定线性对应关系的电压信号，结合检测处理，从而实现PON系统中上行突发光信号功率的检测（电压信号的质量将直接影响到后续电路检测的准确性和稳定性），具体原理如图4所示。 图4 突发光信号功率检测原理图 （二）OTDR的测试原理与线路故障特征分析 OTDR之所以能够测出光纤的各种特性，是利用了光信号在光纤中传输的两个物理现象，瑞利后向散射和菲涅尔反射。下面分别介绍这两个物理现象的原理。 1.瑞利后向散射 光纤是由二氧化硅分子构成的，由于构成光纤的二氧化硅材料密度的微观变化，以及所含的SiO2、GeO2和P2O4等成分的浓度不均匀。使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的区域（这些局部区域的几何尺寸，可以与光波长相比拟），从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部，引起损耗，这种散射被称为瑞利（Rayleigh）散射。瑞利散射的散射光的方向是面向四面八方的，其中总有一部分光因为入射角度不同的原因，会沿光纤轴反向传输到输入端，这部分光被称为瑞利后向散射光。 2. 菲涅尔反射 在光缆在线监测系统的测试原理中，还利用了另一个有用的物理现象，就是菲涅尔反射。光在均匀媒质里沿直线传播，但是在两种不同媒质的分界面处会发生反射和折射现象，服从菲涅尔定律。 OTDR发出窄的光脉冲对被测光纤进行测试时，遇到连接点或故障点，会产生菲涅尔反射，菲涅尔反射光也在接收端被OTDR的光接收器接收，反映在后向散射曲线图上就是一个凸起的峰，这是因为在一般情况下，瑞利后向散射光功率比菲涅尔反射光功率约低30dB左右。 二、现阶段ODN段故障基于OTDR的带外监测与定位的手段分析 采用OTDR建立一个自动光纤测试系统是经济有效的方法。该系统要求测试光使用带外波长，与通信光分离，另外在 OLT和ONU中加入滤波器，滤出测试光，使通信光正常传输。目前应用最多的监测及故障测量系统如图5所示。 图5 带外链路状态监测及故障测量系统 整个系统包括软件硬件两部分，通过光开关实现对多个PON 口下的ODN进行状态监测和故障测量。硬件系统由在局端放置的OTDR、光开关、合波器以及安装在ONU PON口上的光反射器组成。其中，光反射器对测试波长起反射作用，使得测试波的反射峰能在OTDR轨迹图上显示出来而不被噪声淹没，通信信号光可照常通过；合波器主要完成对测试波长和工作波长的合波与分波；光开关用于实现对多个PON口下光纤链路的选择，软件系统通过控制光开关的开闭来选择将OTDR光信号与哪路PON口进行合波，实现对某个PON口的ODN的监测。整个系统基于OTDR的光纤链路测量原理，通过光开关选择被测PON口下的ODN，并形成光时域反射轨迹图。正常情况下ODN下的每个ONU在OTDR的轨迹图上均有一个反射峰。如图6所示，图6（b）轨迹图的峰值分别代表图6（a）的８个ONU（ONU上行口放置光反射器），如果其中一路分支光纤发生故障，则OTDR测试不到该路光反射器强反射的测试光信号，在OTDR的轨迹图中可以看到相应的反射峰消失（如下方OTDR轨迹图）。OTDR单元将测试结果上报给带外链路状态监测及故障测量平台，平台会根据测试结果触发告警。
（b）轨迹图 图6 测试系统硬件配置及测试结果 图6（b）所示轨迹图表明带外链路状态监测及故障测量技术在测量复杂度、测量范围和集成度等方面具备较大的优势，利用普通OTDR就可以基本实现对各ODN分支光路进行检测，但其仍存在以下不足： 1.传统OTDR很难同时保证较高的分辨率和较大的动态范围，对不同分支距离较近的多个故障点无法同时检测； 2.要求用户光纤长度不一致。因为PON系统采用点到多点的接入方式，由OTDR发出的测试脉冲通过无源光分离器，同时进入各个分支光路传输，导致各支路的反射和散射信号产生叠加，形成多重反射，使OTDR 的测试曲线难以区分，无法准确定位故障发生在哪条支路。我们可以利用用户光纤长度不一致的特点，采用有无故障前后测试结果比对判断故障分支。PON系统分支光路庞大，此方法可操作性差。 针对上述问题我们是否可以是用高性能OTDR进行解决呢?将上图中的传统OTDR改为高性能OTDR。现在实验室中应用较多的有T-OTDR (Tunable OTDR，可调谐波长的光时域反射仪)，这种技术发送不同波长的测试光，通过各个ONU获得的反射功率不相等来区分各个链路。这种方式的不足之处是需要在不同的ONU中安装不同反射波长的反射器，每个ONU需要定制，不利于用户维护，同时采用T-OTDR成本昂贵。另一种是采用布里渊散射光时域反射仪(B-OTDR)来识别不同掺杂的光纤，这种方案使用的B-OTDR技术是一项高端技术，设计复杂，成本高，另外识别光纤对分支支路也有限制，不能满足PON更多分支支路的要求。 高性能OTDR单元进行故障定位，盲区小、精度高，对各类光路故障能够进行快速、准确的定位。测量系统通过控制光开关，采用点测和周期扫描的方式，既可以实现OLT到ONU端到端的故障监测，又可以监控多个PON口下的大量ONU用户，集成度高。同时基于软件系统能进行多链路质量分析，评估风险性和光路质量劣化，预防故障的发生。当然，该技术在经济性、成熟度上存在局限性，由于需要额外的硬件、软件，每线成本相对较高，且现网应用较少，成功案例和应用经验等方面还缺乏参考。 三、一种新颖的ODN段故障监测与定位方案探析 针对OTDR在PON系统分支光路检测上出现的问题，以及其可普及性，本文探析了一种新的解决方案。 ODN处加入一个1×N多路光开关，使光开关的输入端与ODN的输入端相连，它的多个输出端分别与ODN的多个输出端逐一相连，这样OTDR的测试信号可以绕过ODN直接通过光开关的切换逐一对每条支路进行检测。这不仅实现了对PON系统单个分支光路的监测，而且避开了ODN，降低了对OTDR动态范围的要求，同时也降低了成本。另外考虑到ODN系统是一个无源系统，无法供电，本方案在OLT 系统中加入了一个泵浦光源，将一根光纤注入到ODN系统，这根光纤既可通信，又可供能，解决了ODN 户外供能问题。 在OLT系统端，使用WDM合路器将OTDR与OLT的干线相连，使来自OLT的光信号和来自OTDR的测试信号合成一路信号，其中OLT用于接收并传输来自信号发送端的信号； OTDR接入网络用于对网络中的光路进行检测，并对故障定位；控制单元首先控制通信单元发指令给ODN系统，让其光开关切换到指定通道，等待一段时间后，再控制OTDR发送检测脉冲，检测指定的通道光路是否正常。控制单元主要是单片机控制模块，通信单元主要是激光发射模块，具体实现如图7所示。
在ODN系统中， ODN的前端使用一个WDM分路器，可以将OTDR的测试信号滤下，使通信信号继续通过ODN与各支路用户通信。测试信号则通过多路光开关同ODN的N个支路分别相连，通过光开关的切换可以使每次OTDR发出的光都只能到达一个ONU/ONT所在支路，OTDR可以准确检测该支路的光路状态。此系统的通信单元接收到控制单元发来的切换指令后，将其传递给控制单元，控制单元再发出切换指令，让光开关切换到指定的通道。在测试中，如果发现OTDR的测试脉冲在某条支路比较弱，可以在此支路的ONU/ONT前加一个WDM，这个WDM可以反射OTDR的测试脉冲，而对PON系统的通信信号没有影响，这样就可以增强反射的测试脉冲信号，清楚地检测线路状况。考虑到ODN系统经常放在户外，不便于提供电能，而本监测系统的通信单元、控制单元和多路光开关都需要供电。因此本系统设计了在OLT系统的控制单元连接一个泵浦源，该泵浦源后连接一个WDM分路器或耦合器，将泵浦光滤下并送给光电池充电，充了电的光电池向ODN系统的通信单元、控制单元和多路光开关供电，通过这种方式可以给ODN系统中需要电能的设备提供电能。使用OTDR检测，每条支路大概有几分钟的测试时间，其间可以让控制单元处于休眠状态以减少能耗，当通信单元有新的指令传达时，控制单元即被唤醒继续工作。考虑到OTDR等零部件的寿命，光缆监测系统的周期性监测一般以天和周计，不会频繁测试，所以通过合理设计低成本的泵浦源与光电池，基本上能满足ODN系统供电的需求。与其他方案相比，本方案在对PON系统的光缆监测中更有优势，主要体现在以下几方面： 1.引入光开关将PON系统中各分支光路的监测转化为点到点的监测，解决了OTDR对点到多点测试的不足，并且降低了施工难度； 2．测试信号绕开ODN，减小了损耗，降低了对OTDR动态范围的要求； 3．测试信号与通信信号分离，测试不影响正常通信； 4．OLT系统的泵浦源通过光纤给ODN系统的光电池供能，很好地解决了ODN系统在户外没有电能的问题； 5．该方案有广泛的适用性，对GPON、EPON、WDM-PON均可适用。 |
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