IKM Technologies Inc.
James Feng
沈阳铁路信号工厂
孙兆林
内容提要：本文通过对各种光纤通讯质量监测系统的技术性能的较为透彻分析，论述了光纤通讯质量监测系统的发展过程和未来的发展趋势，充分展示了各个时期的光纤通讯质量监测系统的不同之处和其优、缺点，从而对光纤通讯质量自动监测系统有了较为完整、充分的认识。
关键词：光纤、监测、OTDR、光电转换器、插入损耗
一、概述
光纤传输系统需要质量监测，这已经被广泛地接受了，因为第一，光纤传输速度极高，可达40Gb/s，一旦中断，会丢失大量的信息；第二，光纤传输现在已不仅应用在通讯上，而且已经广泛地应用在商务(如电子商务，E-business),控制(如飞行器，船只，军舰的控制系统)，如果因故障而中断，会造成很大的经济，民事和军事上的损失。
根据可靠性理论，绝对无故障的系统是不存在的，关键是极早发现故障的隐患，将其排除在尚未形成故障之前。正因为如此光纤通讯质量监测系统也就应运而生了，而且随着光纤传输系统的发展而不断发展。至今对于光纤通讯质量监测系统的技术要求和理论也日趋完整和成熟。
自从上世纪八十年代光纤被应用于通讯系统以来，光纤通讯的质量监测系统已经历了四个阶段的发展：
第一代是以OTDR为基础的光纤通讯的质量监测系统。
第二代是以测量光功率为基础的光纤通讯的质量监测系统。
第三代是以测量光信号幅度为基础的光纤通讯的质量监测系统。
第四代是以测量光波长漂移为基础的光纤通讯的质量监测系统。
每一个发展阶段都和当时的光纤传输的发展紧密地联系在一起的。下面首先简单地介绍一下光纤通讯质量监测系统的基本技术要求。
二、光纤通讯质量监测系统的基本技术要求
为叙述的方便把光纤通讯质量监测系统简称为QS系统。一个合格的QS系统应能满足下列的技术要求：
1.全面性：一个光纤传输系统基本上由两部分组成，光端机和光纤网。因此一个QS应具有完整、全面地监测和管理这两部分的能力。
2.定量性：作为一个QS系统必须要确定一个或几个传输参数，用它作为光信号的传输质量参数。这样QS能通过对该质量参数的测量和分析，来定量地显示信息传输的质量状态，诸如该质量参数的即时值与初始值比较，衰减的程度，与允许最低极限值的差额等。这样光纤通讯的质量监测与管理就基于这一个扎扎实实的定量数据的基础之上了，而不是简单的指示“正常”或“故障”。 光纤传输质量参数应当易于测量和处理，理想的参数应当是一个数据就能指示一个通道的传输质量。这个参数还应当具有通用性，即其它信息质量参数也可以从这个参数被推断出来。
3.实时性：QS应能始终地、时时刻刻地、连续不断地监测光纤传输系统的运行状况，而不是断续地、即时地监测光纤传输系统。这样才能在光纤传输系统出现故障时，及时发现。
4.在线性：QS应能在线地监测光纤传输的质量，这一点是光纤传输的属性决定的，由于光纤传输的保密性能较好，不能用离线或旁路的方式采集出其传输信号，因此只能用在线的方式。但在线监测不能给其传输带来任何不良的影响，而且要使光纤传输系统内，将QS引入的插入损耗降到最小。
5.可靠性：QS必须满足两个可靠性要求。第一，QS本身故障率应当远远低于光纤传输系统的故障率；第二，万一QS产生了故障，这些故障对光纤传输系统不应造成影响或将影响应减小到最低的程度。换句话来讲，这就要求QS中插入光纤传输系统的光学元件数量应减到最少。
6.及时性：这包含两方面的内容。第一，在正常运行过程中，QS能快速及时地指示光纤传输系统质量状况；第二，当发生故障时，QS能快速地反映并及时地检测出故障，快速地找出引发故障的原因并及时地发出报警信号。
7.准确性：QS应准确地判定故障发生是在光端机的收、发端还是光纤网络。如是光端机故障，应能准确无误地判定其端口；如是光纤网络应能准确地判定发生故障的光纤，并准确地找出光缆故障点的位置。
8.预警性：QS应可设置数个预告警门限值，当通讯质量参数下降到这个门限值，且尚未达到引起通信中断的情况下，QS将发出预警信号，以要求维护或作其它处理，防患于未然之间。
9.预见性：根据通信质量参数的累计记录和质量退化趋势,QS就能分析每个光通道的变化和光纤的裂化、熔接点的渗漏等，预见将在何时可能会发生故障。这样可提前采取措施，防止故障发出。
10.独立性：实际上这是对任何一个监测系统的基本要求，这一点也是很容易理解的：一个质量监测系统必需独立于被监测系统。同样QS也必需独立于光纤传输系统之外，在不受光纤传输系统的影响下对其进行监测。
三、第一代以OTDR为基础的QS
OTDR是测量光纤后向反射和散射特性的仪器。它的工作原理是向被测的光纤中发出一系列光脉冲，测量光脉冲在沿光纤向前行进时会发生后向反射和散射，把这些反射和散射信号用曲线的形式显示出来。在曲线上可得到光纤的衰减特性，熔结点和接头的位置及插入损耗，光纤终点的位置等。由于它是在时域上测量，当光纤有微弯或折断是，它可显示出其衰耗和断点的位置。
在光纤传输系统发展的初期，由于光纤的敷设面小，保护技术尚未成熟，当时光纤传输的绝大部分故障是由光缆的故障所引起的。所以用一台OTDR轮流地测量每一条光纤，来发现它后向反射和散射特性的变化。图1、图2是它的系统框图，其中WDM代表光波分复用器，图1表示出OTDR在发射机端的情况，图2表示出OTDR在接收机端的情况。由于OTDR是要向光纤发射光脉冲的，而且它的脉冲的幅度可达几十毫瓦到上百毫瓦，远大于光纤传输系统中发射机的发射功率(一般在一毫瓦)，因此它对光纤传输来讲，是一个很强的干涉源。为了解决干涉问题首先OTDR使用了与传输光波不同的光波长，例如单模的光纤通信使用1310纳米或1550纳米，OTDR则使用1625纳米。不同波长的光波要用光波分复用器(WDM)来复合和分离，所以在图1和图2中端站要各用一个WDM。但是WDM对不同波长的隔离度还是不够的，所以在接收机前还要加上一到二个滤波器，这样才把OTDR的干扰减少到不影响光纤通讯的程度。光开关SW把OTDR轮流接到每一路光纤上，每一路上要停留几分钟，因为光纤的散射信号非常微弱，OTDR需要用大量平均法才能把信号从噪声中提取出来，最长的平均时间可达三分钟。OTDR测量完毕后要对光缆中各段光纤的衰减特性，熔结点和接头插入损耗，光纤终点的位置等进行分析比较，如果没有发生变化或者虽有变化，但仍在容限内，光开关把OTDR接到下一路光纤中。如果发现变化已超出容限，立即报警，并显示出故障的位置。
从上面的叙述中，不难发现以OTDR为基础的QS并不全部满足QS的技术要求。
首先它不具有完整性，以OTDR为基础的QS只能监测光纤网络，对光端机是没有任何监测能力。
定量性不准确，但它的质量参数是光纤各点的后向反射系数，也就是它对光纤网络的监测有定量性，但对光纤通讯没有定量性。
实时性很差，因为OTDR是轮流地测量每芯光纤的，而每测量一条光纤所需要的时间可长达3分钟。如果一条光缆有8芯光纤的话，每芯光纤几乎要等半小时才能得到一次测量。也就是如果有一芯光纤发生故障的话，可能要等半小时后才能被发现，这当然是太慢了。
以OTDR为基础的QS具有一定的在线性，但这个在线性所付出的代价是非常大的。从图1和图2中可以看到，由于以OTDR为基础的QS的加入，在发信机和接收机之间至少插入了三个光学元件，两个WDM，一个滤波器，它们中的每一个至少会对光纤通信的波长有1dB的插入损耗，三个光学元件总共可引入3dB的损耗，也就是把光传输信号的功率降低了一半，从通信质量的信噪比的角度来讲，这等于把信噪比降低到一半以下。很明显一个以保障光纤通讯质量为目标的监测系统确把通信信号的信噪比减到了一半以下，这在当今的光纤通信系统中是很难接受的。这也是欧、美国家不用该种方式进行光纤通讯质量监测的根本原因。但我国现如今还有此类系统正在推广应用，应有必要提醒读者注意。对于OTDR给传输的误码率、视频信号等造成的影响，本人将另馔文阐述，在此不赘言。
为了解决以OTDR为基础的QS的问题，国外的专家曾经作过不少努力，在光学元件上，企图开发出对光传输波长插入损耗极低的WDM和滤波器，在测量仪器上试图开发出快速(平行采样和处理)或低价的OTDR，但都没有成功。
必须指出的是：以OTDR为基础的QS不是一个合格的光纤通讯质量的监测系统，但OTDR本身仍是一种非常有用的光纤测量仪器，可以将它组合到新的几代光纤通讯质量的监测系统中作为测量分析光纤、光缆的故障点和确定故障点位置之用，将会收到事半功倍的效果。
四。第二代以监测光功率为基础的QS
任何传输系统的通讯质量都和信号的信噪比有关，信噪比越高，通讯质量越好，对于一个确定的接收机来说，信号功率越大，信噪比越高，这样把光纤通讯中的信号光功率作为通讯的质量参数也是很自然，很合理的了。
图3是以监测光功率为基础的QS的系统框图。
光耦合器是一种对输入光功率进行分配的三端无源光学元件，它有一个输入端，两个(或两个以上)的输出端，它把输入光功率以一定的比例分配给两个输出端。
在发信机端一般是选用99：01的光耦合器，也就是99%的输入光功率分配到与光纤相连接的输出端上，而1%的输入光功率分配到与光电转换器相连接的输出端上。这样该光耦合器的插入损耗大约是0.04dB。在接收机端一般是选用94：6的光耦合器，也就是94%的输入光功率分配到与接收机相连接的输出端上，而6%的输入光功率分配到与光电转换器相连接的输出端上。这样该光耦合器的插入损耗大约是0.27dB。两个光耦合器总的插入损耗大约在0.31dB。
光/电转换器的功能是把输入光功率转化成输出电压。它们之间的函数关系可以是线性的或者是对数的。线性光电转换器的输出电压和输入光功率的平均值成正比。光电转换器灵敏度的选择取决于系统所使用的接收机的灵敏度，在一般干线上，接收机的灵敏度为-32dB，应选择灵敏度为-42dB的光电转换器，因为在94：6的光耦合器之后，当接收机的输入光功率为-32dB时，光电转换器的输入光功率是-42dB。该种光电转换器一般是线性的，当输入到该光电转换器的光功率为-42dB时，它的输出电压大约在0.4伏左右。这样的电压足以让一般的模数转换器(A/D)转换成数字信号了。
在长距离的主线上，接收机的灵敏度为-50dB，应当选择灵敏度高于-60dB的光电转换器，这种特高灵敏度的光电转换器一般是对数型的，它的灵敏度以毫伏/dB为单位，可达45毫伏/dB。
正常情况下该系统对光传输系统的质量参数即光功率，进行在线、实时地监测。其原理是：处理模块中的模数转换单元以一定的速率对光电转换器的输出电压进行采样，这样在发信端就连续不断地得到实时的光端机的输出光功率，而在接收机端也就连续不断地得到光端机接收到的光功率，这些数据可实时地显示在电脑的显示器上。通过传输媒介的通信通道，发信端和接收端可互相实时地交换光功率数值，这两个光功率之差就是光纤的衰减系数。经过一些计算和处理，可以得许多非常有用的质量参数，例如，现时的光功率和初始光功率的差，这就是发信机或光纤的随时间的衰退量。现时值和最低容许值的差，这就是现时的安全系数。对随时间的衰退量的趋势进行外推，可预见何时光功率可能衰减到要对设备进行更新，这样可做到防患于未然之际。这样对光纤通讯的质量监测就扎扎实实地建立在一整套数据的基础上了。同样通过传输媒介的通信通道这些质量数据可送到地区，省，国家的中心管理站，使它们有可能了解全区，全省，全国每一个站，每一条光纤的定量的质量状态。
故障报警是该系统的另一主要功能：当光功率下降到任何一个报警的门限时，相应的电压比较器的输出电压发生跳变，该跳变可通过电脑的中断请求起动相应的报警程序。对于一级报警和二级报警，光传输设备仍然可正常进行，报警程序首先确定故障发生在哪条光纤，然后通过传输媒介的通信通道确定故障的原因：如果发信端和接收端同时发现光功率下降相近的数值，故障的原因是传输设备的发信机性能衰退；如果发信机输出光功率正常，接收机端光功率下降，故障的原因是光纤。这些故障信息显示在电脑的显示器上，并可伴有声、光和语音报警，让操作人员来处理故障。对于无人站，可通过固定电话或移动电话，通知有关操作人员。对于三级报警，光传输设备有可能不能正常工作了。故障程序的首先措施是启用备用通道，取代故障通道，尽可能保证通信不中断。然后如一级和二级故障程序那样处理，如果故障的原因是光纤，那时该有故障的光纤已成为冷备线了，可人工地或自动地用OTDR去找到光纤中的故障位置了。
传输媒介的通信通道是低速数据传输即可，但它最好不与共享被监测的光传输网络共享，否则的话，一旦被监测的光传输网络出现大面积的严重故障(如遇天灾，战争破坏)，质量信息网络也不能正常工作了，这将不利于被监测网络的迅速恢复。质量信息网络可就近选择，如在城市里，可选择无线电话网络，在山区可选择卫星通讯，在电力系统可选择电网通讯，等等。
很明显监测光功率为基础的QS可以监测光端机和光纤网，所有它具有完整性；它可定量的测量光功率，它具有定量性；由于它的元件价格低，每芯光纤都有可能安装上一套监测器，时时刻刻地监测，所以它具有很好的实时性；它的插入损耗低到0.44dB，那是可以接受的，最重要的是插入光纤的光耦合器和光电转换器都是无源的光学元件，不会对光传输系统带来干扰，所以它有非常优秀的在线性；它插入光纤通讯系统的元件已降低到每端一个，那是最少的了，所以它符合可靠性的要求；对于快速反应性，预警性，预计性和独立性上面的都已作了叙述。监测光功率为基础的QS是一个相当理想的光纤通讯质量的监测系统，从上世纪九十年代起被广泛地应用了，美国的FTI公司，意大利的PLLB公司等都有该系统的系列产品，我国也在大的干线上对该系统有较多的应用，同时有好多的公司也生产该系统，如沈阳铁路信号工厂和北京全路光通信技术有限公司等。
五。第三代以测量光信号幅度为基础的QS
随着光纤通信速度的增加，光传输距离的增加，光调制器和光放大器越来越多地被使用了。这两种器件有个共同的特性：当它们有故障时，有50%的可能性是当输出的光信号的幅度已经很小，甚至为零了，但输出的直流光功率仍然相当高。这样，第四节中所介绍的测量光平均功率的光电转换器就不适合于用在发信机端了。应当用一种可测量光信号幅度的光电转换器来取代。这种转换器的输出电压和输入光信号的幅度的对数成正比。以测量光信号幅度为基础的QS的系统框图和以监测光功率为基础的QS的是相同的，但发信端的光电转换器必须用光幅度测量型的。系统的操作也是相同的。但光电转换器的安装方式有很大的区别。由于光幅度测量型的光电转换器对电磁幅射非常敏感，它必须安装在屏蔽盒中，电源和输出电压必须用穿芯电容引出。
六。第四代以测量光波长漂移为基础的QS
高密度波复用(DWDM)系统出现后，对光纤通讯质量监测系统提出了对波长漂移的测量要求，因为在DWDM系统中一条光纤中要传输几十个不同波长的光信号通道，相邻通道的波长差可以小到0.4纳米，如果任何一个通道的波长发生漂移，侵入到相邻通道，串音干扰将会严重地影响通信质量。
本文介绍三种监测波长漂移的方法：电荷耦合器件(CCD)测量法，微步进电机系统(MEMS)测量法和电压比较法。
1、电荷耦合器件(CCD)测量法
图4 电荷耦合器件(CCD)测量法示意图
图4是CCD测量法的示意图。CCD是由一系列微小的光敏电容器组成，用于光波测量的CCD是用一维阵列。当光线射到光敏电容器上时，电容器的两端便产生电压，电压的大小和入射的光强成正比。这个每个光敏电容器上的电压可由图4中所示的光谱线显示器中依次读出。图4中的光耦合器，它把一部分输入的光功率，6%到1%的光分配给波长漂移测量器的光珊，由于光的衍射和干扰作用，不同波长的光按不同的角度前进，射到不同的CCD光敏电容上，这样光谱线显示器就可读得光的谱线，谱线的每个峰值对应相应的DWDM的波长。如果谱线的峰值位置移动了，表示该通道的光波漂移了。这种测量法可用于在线，实时的监测，但它的价格非常昂贵，目前还不能广泛地使用。
2、微步进电机系统(MEMS)测量法
图5 MEMS测量器的示意框图
图5是MEMS测量器的示意框图。其中MEMS是一个会绕中心轴线旋转的圆柱，它的旋转角度取决于加在它上的电压V，一片固定在MEMS轴线上的反射镜，随MEMS一起旋转。光耦合器把一部分输入光分配到光珊上，和CCD中的光珊一样，经过光珊后不同波长的光以不同的角度前进，反射镜把它们以不同的角度反射到带有孔径的光探测器上，当MEMS固定在某一个角度时，只有一个角度的光能进入光探测器，也就是只有某一个波长的光才能进入光探测器，当控制电压V改变时，也就有不同波长的光进入光探测器了，这样也能从控制电压的数值和光探测器的光强上得到光的谱线，谱线的每个峰值对应相应的DWDM的波长，如果谱线的峰值位置移动了，表示该通道的光波漂移了。这种测量法可用于在线，实时的监测，问题是它毕竟是个机械结构，所以其速度较慢，精度也较差。
3、电压比较法
图6是以四通道DWDM为例说明用硬件电压比较法来监测波长漂移的原理图。
图中连接传输设备的光耦合器是94:6，输入光功率的6%分配给第二个50:50的光耦合器，其DWDM是和传输系统中使用的是完全一样的高密度波复用器；光电转换器采用的是对数型特高灵敏度光电转换器。50:50的光耦合器的一个输出端接到0光电转换器，其输出电压就表示从光纤输入的总的光功率的对数值，1-4光电转换器分别和DWDM的各波长输出端相连接，所以它们的输出电压分别代表各个波长的光功率的对数值；A1，A2，A3，A4是四个接成减法器的运算放大器，1-4光电转换器的输出端分别接在它们的同相输入端，作为被减数，0光电转换器的输出端接在反相端，作为减数；这样A1，A2，A3，A4的输出电压就代表每个波长的功率在总输入功率中的比率。ADC1，ADC2，ADC3，ADC4是四个模数转换器，通过这四个模数转换器可以把减法器的输出电压变成数字信号而输入到后置数据处理器中去。
图6 电压比较法原理图
当光纤的损耗系数变化时，0-4光电转换器的输入信号以相同的比例变化，A1，A2，A3，A4的输出电压保持不变。
如果某一个波长，例如波长3的发信机的输出功率变小了，只有A3的输出电压变小，其它减法器的输出电压不变。
如果波长2向波长3漂移了，波长2的光功率变小，波长3的光功率变大，这导致A2的输出电压变小，A3的输出电压变大了。用这样的电压比较发就可知道波长漂移的情况了。
当然图中A1，A2，A3，A4可以用软件的方法来实现其电压的比较法，0-4光电转换器的输出直接和模数转换器相连接，减法运算由软件来完成。
用电压比较法作为波长漂移的监测具有廉价，快速，精确，灵活的优点，而且可和光功率监测很方便地结合在一些，所以是比较可行的方法。
七。下一代的QS
从上面的叙述中可以看到，光纤通讯的质量监测系统是随着光纤通讯的发展而发展，并且不断地满足后者的需要，那么一个很自然的问题是下一代的QS应该是什么？对这个问题可能的答案是在线和实时的抖动(JITTER)和误码率(BER)的测量。这两个特性对光传输的重要性是非常明显的，在光传输系统中它们的特殊性在于，抖动和误码不光取决于电子电路中的噪声，带宽，而且和光纤的色散，色散的补偿有关。这两个特性在传统上都是在实验室中测量的，并有一个已知的输入信号作为抖动和误码的参照。但在在线和实时的测量中，这个参照信号是不可能有的，而且从光耦合器中分配得到的信号功率只有正常功率的十分之一，这种测量不光有技术上的困难，而且需要解决一些理论问题。然而现在的快速模数转换器和高速的数字信号处理器，提供了不少解决问题的途径。
八。参考资料
详细的参考资料，可从网站www.ikmtc.com得到。
对于以OTDR为基础的QS的分析可参阅，产品介绍中“可程编高灵敏度光功率检察器PQM的应用文件的附录一”
对于以测量光功率为基础的QS的详细资料可参阅，产品介绍中的“可程编高灵敏度光功率检察器PQM”和“超高灵敏度光功率检察器HQM”。
对于以测量光信号幅度为基础的QS的详细资料可参阅，产品介绍中的“高灵敏度光幅度检察器AQM”。
由CHINA通信网组稿
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