一、各種測(cè)量?jī)x器的工作原理

（一）PON功率計(jì)

PON功率計(jì)采用兩頭結(jié)構(gòu)，如圖3所示。用雙向耦合器對(duì)測(cè)試線路進(jìn)行10%分光，對(duì)上行信號(hào)（1310nm）分光后直接接入探測(cè)器進(jìn)行功率探測(cè)。對(duì)下行信號(hào)（1490和1550 nm）分光后先用高隔離度的WDM將波長(zhǎng)分開后再分別接入探測(cè)器進(jìn)行功率探測(cè)。這樣就能同時(shí)探測(cè)3個(gè)波長(zhǎng)的光功率，并且在測(cè)量過(guò)程中線路可保持正常通信。

圖3 PON功率計(jì)結(jié)構(gòu)圖

突發(fā)光信號(hào)功率檢測(cè)的基本思想是利用信號(hào)變換、信號(hào)整形、時(shí)序同步、延時(shí)觸發(fā)控制和信號(hào)采樣保持技術(shù)，將高頻率突發(fā)式的光信號(hào)變?yōu)榈皖l率的可維持的電信號(hào)脈沖電平，即前置放大器和整形電路部分，將PIN管產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有一定線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓信號(hào)，結(jié)合檢測(cè)處理，從而實(shí)現(xiàn)PON系統(tǒng)中上行突發(fā)光信號(hào)功率的檢測(cè)（電壓信號(hào)的質(zhì)量將直接影響到后續(xù)電路檢測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性），具體原理如圖4所示。

圖4 突發(fā)光信號(hào)功率檢測(cè)原理圖

（二）OTDR的測(cè)試原理與線路故障特征分析

OTDR之所以能夠測(cè)出光纖的各種特性，是利用了光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)膬蓚€(gè)物理現(xiàn)象，瑞利后向散射和菲涅爾反射。下面分別介紹這兩個(gè)物理現(xiàn)象的原理。

1.瑞利后向散射

光纖是由二氧化硅分子構(gòu)成的，由于構(gòu)成光纖的二氧化硅材料密度的微觀變化，以及所含的SiO₂、GeO₂和P₂O₄等成分的濃度不均勻。使得光纖中出現(xiàn)一些折射率分布不均勻的區(qū)域（這些局部區(qū)域的幾何尺寸，可以與光波長(zhǎng)相比擬），從而引起光的散射，將一部分光功率散射到光纖外部，引起損耗，這種散射被稱為瑞利（Rayleigh）散射。瑞利散射的散射光的方向是面向四面八方的，其中總有一部分光因?yàn)槿肷浣嵌炔煌脑?，?huì)沿光纖軸反向傳輸?shù)捷斎攵?，這部分光被稱為瑞利后向散射光。

2. 菲涅爾反射

在光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試原理中，還利用了另一個(gè)有用的物理現(xiàn)象，就是菲涅爾反射。光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播，但是在兩種不同媒質(zhì)的分界面處會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，服從菲涅爾定律。

OTDR發(fā)出窄的光脈沖對(duì)被測(cè)光纖進(jìn)行測(cè)試時(shí)，遇到連接點(diǎn)或故障點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生菲涅爾反射，菲涅爾反射光也在接收端被OTDR的光接收器接收，反映在后向散射曲線圖上就是一個(gè)凸起的峰，這是因?yàn)樵谝话闱闆r下，瑞利后向散射光功率比菲涅爾反射光功率約低30dB左右。

二、現(xiàn)階段ODN段故障基于OTDR的帶外監(jiān)測(cè)與定位的手段分析

采用OTDR建立一個(gè)自動(dòng)光纖測(cè)試系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)有效的方法。該系統(tǒng)要求測(cè)試光使用帶外波長(zhǎng)，與通信光分離，另外在 OLT和ONU中加入濾波器，濾出測(cè)試光，使通信光正常傳輸。目前應(yīng)用最多的監(jiān)測(cè)及故障測(cè)量系統(tǒng)如圖5所示。

圖5  帶外鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障測(cè)量系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)包括軟件硬件兩部分，通過(guò)光開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)PON 口下的ODN進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障測(cè)量。硬件系統(tǒng)由在局端放置的OTDR、光開關(guān)、合波器以及安裝在ONU PON口上的光反射器組成。其中，光反射器對(duì)測(cè)試波長(zhǎng)起反射作用，使得測(cè)試波的反射峰能在OTDR軌跡圖上顯示出來(lái)而不被噪聲淹沒(méi)，通信信號(hào)光可照常通過(guò)；合波器主要完成對(duì)測(cè)試波長(zhǎng)和工作波長(zhǎng)的合波與分波；光開關(guān)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)PON口下光纖鏈路的選擇，軟件系統(tǒng)通過(guò)控制光開關(guān)的開閉來(lái)選擇將OTDR光信號(hào)與哪路PON口進(jìn)行合波，實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)PON口的ODN的監(jiān)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)基于OTDR的光纖鏈路測(cè)量原理，通過(guò)光開關(guān)選擇被測(cè)PON口下的ODN，并形成光時(shí)域反射軌跡圖。正常情況下ODN下的每個(gè)ONU在OTDR的軌跡圖上均有一個(gè)反射峰。如圖6所示，圖6（b）軌跡圖的峰值分別代表圖6（a）的８?jìng)€(gè)ONU（ONU上行口放置光反射器），如果其中一路分支光纖發(fā)生故障，則OTDR測(cè)試不到該路光反射器強(qiáng)反射的測(cè)試光信號(hào)，在OTDR的軌跡圖中可以看到相應(yīng)的反射峰消失（如下方OTDR軌跡圖）。OTDR單元將測(cè)試結(jié)果上報(bào)給帶外鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障測(cè)量平臺(tái)，平臺(tái)會(huì)根據(jù)測(cè)試結(jié)果觸發(fā)告警。

（a）測(cè)試配置圖

（b）軌跡圖

圖6  測(cè)試系統(tǒng)硬件配置及測(cè)試結(jié)果

圖6（b）所示軌跡圖表明帶外鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障測(cè)量技術(shù)在測(cè)量復(fù)雜度、測(cè)量范圍和集成度等方面具備較大的優(yōu)勢(shì)，利用普通OTDR就可以基本實(shí)現(xiàn)對(duì)各ODN分支光路進(jìn)行檢測(cè)，但其仍存在以下不足：

1.傳統(tǒng)OTDR很難同時(shí)保證較高的分辨率和較大的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)不同分支距離較近的多個(gè)故障點(diǎn)無(wú)法同時(shí)檢測(cè)；

2.要求用戶光纖長(zhǎng)度不一致。因?yàn)?/span>PON系統(tǒng)采用點(diǎn)到多點(diǎn)的接入方式，由OTDR發(fā)出的測(cè)試脈沖通過(guò)無(wú)源光分離器，同時(shí)進(jìn)入各個(gè)分支光路傳輸，導(dǎo)致各支路的反射和散射信號(hào)產(chǎn)生疊加，形成多重反射，使OTDR 的測(cè)試曲線難以區(qū)分，無(wú)法準(zhǔn)確定位故障發(fā)生在哪條支路。我們可以利用用戶光纖長(zhǎng)度不一致的特點(diǎn)，采用有無(wú)故障前后測(cè)試結(jié)果比對(duì)判斷故障分支。PON系統(tǒng)分支光路龐大，此方法可操作性差。

針對(duì)上述問(wèn)題我們是否可以是用高性能OTDR進(jìn)行解決呢?將上圖中的傳統(tǒng)OTDR改為高性能OTDR。現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用較多的有T-OTDR (Tunable OTDR，可調(diào)諧波長(zhǎng)的光時(shí)域反射儀)，這種技術(shù)發(fā)送不同波長(zhǎng)的測(cè)試光，通過(guò)各個(gè)ONU獲得的反射功率不相等來(lái)區(qū)分各個(gè)鏈路。這種方式的不足之處是需要在不同的ONU中安裝不同反射波長(zhǎng)的反射器，每個(gè)ONU需要定制，不利于用戶維護(hù)，同時(shí)采用T-OTDR成本昂貴。另一種是采用布里淵散射光時(shí)域反射儀(B-OTDR)來(lái)識(shí)別不同摻雜的光纖，這種方案使用的B-OTDR技術(shù)是一項(xiàng)高端技術(shù)，設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高，另外識(shí)別光纖對(duì)分支支路也有限制，不能滿足PON更多分支支路的要求。

高性能OTDR單元進(jìn)行故障定位，盲區(qū)小、精度高，對(duì)各類光路故障能夠進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的定位。測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)控制光開關(guān)，采用點(diǎn)測(cè)和周期掃描的方式，既可以實(shí)現(xiàn)OLT到ONU端到端的故障監(jiān)測(cè)，又可以監(jiān)控多個(gè)PON口下的大量ONU用戶，集成度高。同時(shí)基于軟件系統(tǒng)能進(jìn)行多鏈路質(zhì)量分析，評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)性和光路質(zhì)量劣化，預(yù)防故障的發(fā)生。當(dāng)然，該技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性、成熟度上存在局限性，由于需要額外的硬件、軟件，每線成本相對(duì)較高，且現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用較少，成功案例和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)等方面還缺乏參考。

三、一種新穎的ODN段故障監(jiān)測(cè)與定位方案探析

針對(duì)OTDR在PON系統(tǒng)分支光路檢測(cè)上出現(xiàn)的問(wèn)題，以及其可普及性，本文探析了一種新的解決方案。

ODN處加入一個(gè)1×N多路光開關(guān)，使光開關(guān)的輸入端與ODN的輸入端相連，它的多個(gè)輸出端分別與ODN的多個(gè)輸出端逐一相連，這樣OTDR的測(cè)試信號(hào)可以繞過(guò)ODN直接通過(guò)光開關(guān)的切換逐一對(duì)每條支路進(jìn)行檢測(cè)。這不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)PON系統(tǒng)單個(gè)分支光路的監(jiān)測(cè)，而且避開了ODN，降低了對(duì)OTDR動(dòng)態(tài)范圍的要求，同時(shí)也降低了成本。另外考慮到ODN系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)源系統(tǒng)，無(wú)法供電，本方案在OLT 系統(tǒng)中加入了一個(gè)泵浦光源，將一根光纖注入到ODN系統(tǒng)，這根光纖既可通信，又可供能，解決了ODN 戶外供能問(wèn)題。

在OLT系統(tǒng)端，使用WDM合路器將OTDR與OLT的干線相連，使來(lái)自OLT的光信號(hào)和來(lái)自OTDR的測(cè)試信號(hào)合成一路信號(hào)，其中OLT用于接收并傳輸來(lái)自信號(hào)發(fā)送端的信號(hào)； OTDR接入網(wǎng)絡(luò)用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的光路進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)故障定位；控制單元首先控制通信單元發(fā)指令給ODN系統(tǒng)，讓其光開關(guān)切換到指定通道，等待一段時(shí)間后，再控制OTDR發(fā)送檢測(cè)脈沖，檢測(cè)指定的通道光路是否正常。控制單元主要是單片機(jī)控制模塊，通信單元主要是激光發(fā)射模塊，具體實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

圖7  PON 光纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

在ODN系統(tǒng)中， ODN的前端使用一個(gè)WDM分路器，可以將OTDR的測(cè)試信號(hào)濾下，使通信信號(hào)繼續(xù)通過(guò)ODN與各支路用戶通信。測(cè)試信號(hào)則通過(guò)多路光開關(guān)同ODN的N個(gè)支路分別相連，通過(guò)光開關(guān)的切換可以使每次OTDR發(fā)出的光都只能到達(dá)一個(gè)ONU/ONT所在支路，OTDR可以準(zhǔn)確檢測(cè)該支路的光路狀態(tài)。此系統(tǒng)的通信單元接收到控制單元發(fā)來(lái)的切換指令后，將其傳遞給控制單元，控制單元再發(fā)出切換指令，讓光開關(guān)切換到指定的通道。在測(cè)試中，如果發(fā)現(xiàn)OTDR的測(cè)試脈沖在某條支路比較弱，可以在此支路的ONU/ONT前加一個(gè)WDM，這個(gè)WDM可以反射OTDR的測(cè)試脈沖，而對(duì)PON系統(tǒng)的通信信號(hào)沒(méi)有影響，這樣就可以增強(qiáng)反射的測(cè)試脈沖信號(hào)，清楚地檢測(cè)線路狀況。考慮到ODN系統(tǒng)經(jīng)常放在戶外，不便于提供電能，而本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信單元、控制單元和多路光開關(guān)都需要供電。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了在OLT系統(tǒng)的控制單元連接一個(gè)泵浦源，該泵浦源后連接一個(gè)WDM分路器或耦合器，將泵浦光濾下并送給光電池充電，充了電的光電池向ODN系統(tǒng)的通信單元、控制單元和多路光開關(guān)供電，通過(guò)這種方式可以給ODN系統(tǒng)中需要電能的設(shè)備提供電能。使用OTDR檢測(cè)，每條支路大概有幾分鐘的測(cè)試時(shí)間，其間可以讓控制單元處于休眠狀態(tài)以減少能耗，當(dāng)通信單元有新的指令傳達(dá)時(shí)，控制單元即被喚醒繼續(xù)工作?？紤]到OTDR等零部件的壽命，光纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的周期性監(jiān)測(cè)一般以天和周計(jì)，不會(huì)頻繁測(cè)試，所以通過(guò)合理設(shè)計(jì)低成本的泵浦源與光電池，基本上能滿足ODN系統(tǒng)供電的需求。與其他方案相比，本方案在對(duì)PON系統(tǒng)的光纜監(jiān)測(cè)中更有優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1.引入光開關(guān)將PON系統(tǒng)中各分支光路的監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)化為點(diǎn)到點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，解決了OTDR對(duì)點(diǎn)到多點(diǎn)測(cè)試的不足，并且降低了施工難度；

2．測(cè)試信號(hào)繞開ODN，減小了損耗，降低了對(duì)OTDR動(dòng)態(tài)范圍的要求；

3．測(cè)試信號(hào)與通信信號(hào)分離，測(cè)試不影響正常通信；

4．OLT系統(tǒng)的泵浦源通過(guò)光纖給ODN系統(tǒng)的光電池供能，很好地解決了ODN系統(tǒng)在戶外沒(méi)有電能的問(wèn)題；

5．該方案有廣泛的適用性，對(duì)GPON、EPON、WDM-PON均可適用。