（信息与通信工程专业论文）光纤传输网实时监测及故障诊断系统的研究与实现.pdf

鱼堕型兰垫查盔芏堕塑生堕堂兰笙三圣：- - ，_ _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ _ 一一摘要目前，虽然光纤通信系统设备本身的监控管理比较完善，但当单路由光纤通信系统全局阻断后，如果没有其他通信手段，远端站到底是发生光端机故障、电源故障，还是光缆中断造成的全局的阻断，用现有的技术和手段无法判别。因此，本课题就是研制开发“光纤传输网实时监测及故障诊断系统”( r e a lt i m em o n i t o ra n da b o r td i a g n o s e ds y s t e mf o rf i b e r - o p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，简写为“r t m a a d 系统”)来解决以上问题，实现光纤传输网发生系统中断故障时进行快速自动诊断和准确定位。本文首先介绍了课题的来源及研究意义，接着介绍了r t m a a d 系统的总体设计，然后详细分析和论述了本研究项目的关键技术：数字信号处理技术和光纤波分复用技术等，最后介绍了r t m a a d 系统的工程实现。r t m a a d 系统综合应用了数字信号处理、地理信息系统、光时域反射测量和波分复用等技术，实现了光缆中断故障的自动准确定位，同时将光纤系统传输站的光端设备和电源设备的监测融合到一起进行故障实时监测和诊断。r t m a a d 系统的实现给通信网络管理增加了一种可靠的手段。关键词：光纤传输网实时监测故障诊断波分复用ia b s t r a c tu pt on o w ，a l t h o u g ht h ef i b e ro p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k so w nm o n l t o ta n dm a n a g e m e n ts y s t e ma r eg o o d ，w l t h o u to t h e rc o 哪u n l c a t l o nm e a n s ，w ec a nn o t u d g ew h a tr e a s o nc a u s et h ea b o r to ft h ef i b e ro p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r kw h i c hh a so n l yo n ec o m m u n i c a t i o nr o u t eb yu s i n gt h et e c h n i q u ea n dm e a n si ne x i s t e n c e t h er e a s o nc a u s i n gt h ea b o r to ft h ef i b e ro p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r km a yb ew h e t h e ro p ti c a lt e r m i n a la n dp o w e ro ft h en e t w o r k sr e m o t es t a t i o n sg ow r o n g o rt h eo p t i c a lc a b l ei si na b o r t s ow eh a dr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dt h er e a lt i m em o n i t o ra n da b o r td i a g n o s e ds y s t e m ( u s i n g “r t m a a ds y s t e m ”a sa na b h r e v i a t i o n ) f o rf i b e ro p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r kt os o l y et h ep r o b l e ma n dt or e a l i z ef a s ta b o r t sa u t od i a g n o s i sa n dl o c a t i o n i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yt h eo r i g i na n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c tw e r ei n t r o d u c e d ，t h eg e n e r a ld e s i g no ft h er t i 【a a ds y s t e mv 崛si n t r o d u c e da sf o l l o w t h e n w ed i s c u s s e da n da n a l y z e di nd e t a i lt h er t m a a ds y s t e m sk e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dw a v ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n go fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，e t c l a s t l y ，e n g i n e e r i n g sr e a li z a t i o no ft h er t m a a ds y s t e mw a si n t r o d u c e d t h er t m a a ds y s t e mw a si n t e g r a t e dw i t hd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) ，g l o b a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，o p t i ct i m ed o m a i nr e f l e c t i v e ( o t d r ) m e t e rt e c h n o l o g y ，w a v ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g y ，e t c t h er t m a a ds y s t e mm a d ear e a l i z a t i o nt h a to p t i c a lc a b l e sa b o r ti sa u t ol o c a t e de x a c t l y a tt h es a m et i m e t h er t m a a ds y s t e mc a nm o n i t o ra n dd i a g n o s eb o t ht h eo p t i c a lt e r m i n a l sf a u l ta n dp o w e r se r r o ro ft h es t a t i o n so ft h ef i b e ro p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k t h er e a l i z a t i o no ft h er t m a a ds y s t e ma d d e dar e l i a b l em e a n st ot h em a n a g e m e n ts y s t e mo ft h ew h o l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k k e y w o r d s ：f i b e r o p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r kr e a lt i m em o n i t o ra b o r td i a g n o s e dw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gi i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导j 印指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材科。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文题目：建差 焦盏盒鲤鏖塞塾垒塑垫垦塑望壁! 塑匮壅鱼鸳壅多；洮学位论文作者签名：童耋鍪日期：矽。2 年夕月伽本人完全了解国防科学技术大学有关保譬，使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以呆用影印、缩印或扫描等复伺手段保存，汇编学位论文。( 保密学位论文在解密后适用本授权书)学位论文题目：幽鲧釜目越速l 邀孽姿警溘塑蛔丛i 塑暨学位论文作者签名：塞塞三塾日期：z 年9 月，占日作者指导教师签名：幽日期灏游尹月舯第一章绪论1 1 课题来源及研究意义本课题来源于载人航天发射场试验任务和日常通信的需要，主要用于解决光纤传输网发生系统中断故障时进行快速自动诊断和实时定位的问题。随着载人航天工程的实施，光纤通信技术在酒泉卫星发射中心得到了前所未有的发展，为发射场的试验任务和日常通信提供了高性能的传输电路。但是，在实际运行和维护过程中，发射场光纤传输网还存在以下问题：1 ) 东风至酒泉光纤传输系统的传输距离远，路由单一，环境复杂。2 ) 造成系统全局阻断的原因到底是设备、电源，还是光缆线路，难以快速断定。3 ) 发射场没有一套有效的手段来实时、动态地监测光缆线路的质量情况，以及设备的工作状态。由于上述三个原因，导致在发生故障时，故障定位困难，判断故障花费时间长。从1 9 9 5 年底至2 0 0 1 年底，由于光缆被挖断、光端设备供电中断和设备故障引起的某方向全系统阻断故障已达二十余次，系统中断时间最长达到了2 0 个小时，给发射场试验任务通信和日常通信的畅通带来了很大的影响。为适应形势的发展和发射场试验任务通信的需要，我们立足实际应用，研制光纤传输网实时监测及故障诊断系统( r e a lt i m em o n i t o ra n da b o r td i a g n o s e ds y s t e mf o rf i b e r - o p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，以下，在本文各章中简写为“r t m a a d 系统”)来解决上述三个问题，为通信网管提供强有力的手段，为发射场的试验任务通信和日常通信提供可靠的保障。本文研究对象是针对光纤通信系统的三个系统阻断故障，即光缆中断故障、光端机故障和通信电源故障，对它们判断、查找原因，然后进行故障定位。基于光时域反射测量技术对光纤传输网故障自动诊断进行研究是目前国际上研究的热点，国内还处于研究开发阶段。本课题在理论上研究了微弱信号检测理论、光时域反射测量技术与地理信息系统相结合的技术、信息可视化技术、光纤通信的光波分复用技术、数字信号处理的理论和计算机图形处理理论等。在实践上开发制作了r t m a a d 系统的硬件和软件，提高了发射场光纤通信网络的可靠性和安全性，为现代化航天发射场高质量的通信保障工作打下了坚实的基础。1 2 项目研究的相关技术本项目研究涉及到光纤测量技术，数字信号处理技术，信息可视化技术，光波第1 页国防科学技术大学研究生院学位论文分复用技术等，下面对这些技术进行简要阐述。1 2 i 光纤测量技术测量光纤的衰耗特性采用光时域反射测量技术。光时域反射测量测试单元可以看作光纤雷达，工作原理与无线电雷达类似。无线电雷达向空间发射电磁波，接收目标物的发射波来探测目标。光纤测试单元向光纤中发射探测光，接收光纤中的后向光信号，从光纤的一端非破坏性地探测光纤、光缆的特性，能显示光纤沿线损耗分布特性曲线，能测试光纤的长度、断点位置、接头位置及光纤的衰减系数和链路损耗、接头损耗、弯曲损耗、发射损耗等。光在光纤中传输时，由于光纤密度微观不均匀性、光纤掺杂不均匀性等因素而在光纤每一处都会产生瑞利散射现象，即产生四面八方各方向的散射光。其中一部分向后传播的瑞利后向散射光可沿光纤回到光入射端。瑞利后向散射光比前向光弱得多，与传输的能量以及光纤散射系数相关。对于均匀的光纤，后向散射光随光纤长度呈指数衰减函数关系，对数变换后用d b 数表示即随光纤长度呈线性下降关系。沿光纤的散射曲线反映了光纤的损耗特性，如下图1 1所示。始端熔接点活接头末端图卜l光时域测量典型信号曲线返回的瑞利后向散射的光功率为：第2 页：垦鳖些坠垒垒兰堡垒竺垦兰垒垒兰一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ 一一。气= ( 1 2 ) p o s a 。( c 胛) w e 一2 耻l e e ：p o 为入射光的峰值功率，w 为光脉冲宽度，c 为真空中光速，n 为光纤群折射率，a s 为瑞利散射因子，s 为后向散射系数，b 为光纤衰耗常数，l 为光纤其散射点距离入射端的长度。在光纤断裂等故障点和光纤端面，由于折射率突变会引起菲涅尔反射。菲涅尔反射光的信号强度与传输光的功率以及反射端面的状况相关，一般较后向散射光强得多。光纤测试单元根据光在光纤中的传输原理，采用时域测量方法，发射具有一定重复周期和宽度的窄光脉冲注入被测光纤，检测光纤沿线各点传回的后向瑞利散射光或菲涅尔反射光信号，根据后向光信号沿时间轴的幅度曲线得到光纤或光缆的长度和损耗特性。光纤长度由发射脉冲与返回光信号的时间间隔以及光纤中的光速计算得到，光纤损耗特性取决于光纤各点返回信号与初始返回信号光功率的比值。光纤长度l = ( c n ) v 2式中：c 为真空中光速，n 为光纤群折射率，c n 即是光纤中的光速；t 为初始发脉冲与返回光信号的时间间隔；因为光传输经过往返双程，故计算光纤长度时乘以系数1 2 。光纤两点间损耗a 1 2 ( d b ) 由下面公式得到：a 1 2 = 51 9 ( p l p 2 ) 3 5 ( 1 9 p l - i g p 2 )式中：p l 为光纤上第一点返回功率值；p 2 为光纤上第二点返回功率值。光纤两点间衰耗常数b 由下式得到：b = q1 2 1 1 2式中：1 1 2 为光纤上两点间距离。光纤测试单元按工作方式可分为单脉冲型、编码脉冲型、相干型几类，它们利用后向光探测光纤的基本原理一致，但信号检测方法有所差别。光纤测试单元由脉冲光源、光定向耦合器、光接收单元、放大器、a d 变换、加法器、定时器、微处理器等部分组成。光纤测试单元中微处理器根据程序来控制定时器发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器产生l d ( 半导体激光器) 激励脉冲信号，由驱动器形成电流脉冲去驱动l d 发出脉冲光。l d 输出光经过光定向耦合器注入被测光纤中，返回的菲涅尔反射和后向散射光再经过光定向耦合器进入光接收端，由a p d 或p i n 光电管变换为电信号，经过前置放大器、程控放大器、滤波器进行模拟信号处理。不过，由于信号很弱，混叠了大量噪声，曲线模糊。因此，光纤测试单元将信号经a d 变换为数字信号后必须进一步处理。光纤测试单元定时器控制按一定距离间隔取样变换，数据暂存到r a m ，第3 页国防科学技术大学研究生阻堂馒型i 塞同时采样顺序记录了时间信息。经过多次测量，控制每一距离点的对应数据求平均值以降低噪声。光纤测试单元接收的后向散射信号非常弱，只有约7 的入射光进行后向瑞利散射，远端光纤信号常淹没在噪声中。改善信噪比、从噪声中提取清晰信号是光纤测试单元的关键技术。光纤测试单元发射周期性的探测脉冲进行多次测量，利用信号的相关性和噪声的随机性，用叠加平均处理方法，改善信噪比将信号从噪声中提取出来。根据随机信号理论，电信号信噪比改善率s n r i 与平均次数n 的关系为：s n r i = 1 0 1 9 n ( d b )叠加2 ”次信噪比可改善4 8 d b 。不过，提高叠加次数将加大测量时间。1 2 2 数字信号处理技术自6 0 年代以来，随着计算机和信息科学的飞速发展，数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 技术应运而生并迅速发展，现以成为一门独立的学科体系。目前，以d s p 芯片及外围开发设备为主，正在形成一个具有较大潜力的产业和市场。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的。数字信号处理在理论上所涉及的范围极其广泛。在数学领域中，微积分、概率统计、随机过程、高等数学、数值分析、近世代数、复变函数等等都是它的基本工具，网络理论、信号与系统等均是它的理论基础。在学科发展上，数字信号处理又和最优控制、通信理论、故障诊断等紧紧相连，近年来又成为人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科的理论基础之一，其算法的实现( 无论是硬件和软件) 又和计算机学科及微电子技术密不可分。因此可以说，数字信号处理是把经典的理论体系( 如数学、系统) 作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。在国际上，一般把1 9 6 5 年快速傅立叶变换( f f t ) 的问世，作为数字信号处理这一新学科的开端。在这3 0 余年的发展中，数字信号处理自身已基本上形成套较为完整的理论体系。这些理论主要包括：信号的采集( a d 技术、抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等) ；离散信号的分析( 时域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等) ：离散系统分析( 系统描述、系统的单位抽样响应、转移函数及频率特性等) ：信号处理中的快速算法( 快速傅立叶变换、快速卷积与相关等) ：信号的估值( 各种估值理论、相关函数与功率谱估计等) ；滤波技术( 各种数字滤波器的设计与实现) ；第4 页：= ：星些些垒窒堇兰兰垒兰墼型塑望兰一h _ _ _ _ _ - _ - _ _ - - ，一一信号的建模( 最常用的有a r ，m a ，a r m a ，p r o n y 等各种模型) ；信号处理的特殊算法( 如抽取、插值、奇异值分解、反卷积、信号重建等) ；信号处理技术的实现( 软件实现与硬件实现) ：信号处理技术的应用。由上面1 0 个方面可以看出，信号处理的理论和算法是密不可分的。把一个好的信号处理理论用于工程实际，需要辅以相应的算法以达到高速、高效及简单易行的目的。例如，f f t 算法的提出使d f t 理论得以推广，l e v i n s o n 算法的提出使t o e p l i t z矩阵的求解变得很容易，从而使参数模型谱估计技术得到广泛应用。这样的例子在信号处理中还可举出很多。数字信号处理中所涉及的信号包括确定性信号、平稳随机信号、时变信号、一维及多维信号、单通道及多通道信号。所涉及到的系统也包括一维系统、二维系统、多通道系统，对每一类特定的信号与系统，上述理论的各个方面又有不同的内容。伴随着通信技术、电子技术及计算机的飞速发展，数字信号处理的理论也在不断地丰富和完善，各种新算法、新理论正在不断地被提出，可以预计，在今后的十年中，数字信号处理的理论将获得更快的发展。1 2 3 信息可视化技术的发展当今世界己进入信息时代，随着因特网的飞速发展和全球范围的广泛应用，正在给人类生活带来革命性的变化。信息可视化( i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ) 的研究近年来逐渐兴起，体现了我们对信息的理解及信息交流的渴望。信息可视化研究如何通过使用有效的可视化界面，使得人类能快速高效地与大量数据打交道，以发现其中隐藏的特征、关系、模式和趋势等。一般说来，科学计算可视化是指空间数据场的可视化，而信息可视化是是指非空间数据的可视化。随着社会信息化的推进和网络应用的日益广泛，信息源越来越庞大。除了需求对海量数据进行存储、传输、检索及分类外，更迫切需求了解数据之间的相互关系及发展趋势。实际上，在激增的数据背后，隐藏着许多重要的信息，人们希望能够对其进行更高层次的分析，以便更好地利用这些数据。目前的数据库系统可以高效地实现数据的录入、查询、统计等功能，但无法发现数据中存在的关系和规则，无法根据现有的数据预测未来的发展趋势。另一方面，人工智能自1 9 5 6 年诞生后也取得了重大进展，目前的研究热点是机器学习班。机器学习是用计算机模拟人类学习的- t q 科学，比较成熟的算法有神经网络、遗传算法等。用数据库管理系统来存储数据，用机器学习的方法来分析和挖掘大量数据背后的知识，这两者的结合促成了“数据库中的知识发现( k d d ：k n o w l e d g ed i s c o v e r yi nd a t a b a s e s ) ”的产生。实际上，k d d第5 页是一门交叉性学科，涉及到机器学习、模式识别、统计学、智能数据库、知识获取、数据可视化、高性能计算、专家系统等多个领域。k d d 可以用在信息管理、过程控制、查询优化、科学研究、决策支持和数据自身维护等许多方面。k d d 的核心技术是数据挖掘( d a t a m i n i n g ) 。它是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程。为了了解数据之间的相互关系及发展趋势，人们可以求助于可视化技术。信息可视化不仅用图像来显示多维的非空间数据，使用户加深对数据含义的理解，而且用形象直观的图像来指导检索过程，加快检索速度。在科学计算可视化中，显示的对象涉及标量、矢量及张量等到不同类别的空间数据，研究的重点放在如何真实、快速地显示三维数据场。而在信息可视化中，显示的对象主要是多维的标量数据。目前的研究重点在于，设计和选择什么样的显示方式才能便于用户了解庞大的多维数据及它们相互之间的关系，其中更多地涉及心理学、人机交互技术等问题。信息可视化在商务、金融和通信等领域，有着十分广阔的应用前景。在通信领域，一方面，目前正在开发更为精细和高级的网络模型，以辅助将来的规划过程。另一方面，更复杂的发射和交换设备，为现行网络的重构提供了更大的自由度和灵活性，但造成在单个网络单元上运行的原始数据的不断增加。全部网络运行的最优化，需要有效地使用来自所有这些信号源的数据，而且需要在诸如市场、网络规划和日常管理等传统的不同领域之间，进行信息和思想的动态交换。覆盖物理网络的是一个包括声音、数据和图象服务的广阔领域，其中每一项都有自己的数据和管理要求。1 2 4 光纤复用技术1 2 4 1 现代光纤复用技术通信技术的发展总是与复用技术的发展密切相关的。各种复用技术的出现都在不同程度上起到了扩大传输容量和提高传输效率的作用。光纤通信复用技术主要可分为两大类型：光波复用和光信号复用。光波复用包括波分复用( w d m ) 和空分复用( s d m ) ，而光信号复用包括时分复用( t d m ) 和频分复用( f d m ) 。此外还有副载波复用( s c m ) 和码分复用( c d m ) 技术。下面简要阐述现代的各种光纤复用( w d m ) 技术。1 ) 光波分复用( w d m )w d m 将两种或多种不同波长的光载波信号( 携带有种类繁多的大量信息) ，在发送端经复用器( 也叫合波器) 合成，并耦合到一根光纤中进行传输，在接收端经分第6 页：里垦垒型垒望垡兰垒兰垦兰竺坠垦一波器( 也叫解复用器或去复用器) 将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作相应的进一步处理，并恢复原信号。这种复用方式称为光波分复用。光波分复用按两光波的波长间隔不同分为3 种类型：波长间隔为1 0 l o o n m 以上时，叫稀疏波分复用；波长间隔为l l o n m 时叫紧密波分复用：波长间隔小于l n m 时称为光频分复用。光波分复用系统按传输方向可分为单向波分复用系统和双向波分复用系统。采用波分复用技术，只要在发送端和接收端增加少量的合波、分波设备，就可以大幅度增加光纤的传输容量，提高经济效益。波分复用技术既可用于光互连和无源光用户环路，又可用于干线大容量光纤通信系统。2 ) 空分复用( s d m )s d m 有两类：一是光纤的复用，即将多根光纤组合起来的复用方式：二是在一根光纤中将光束沿空间分割，并引入多维相干度调制与解调来实现多路空分复用通信。其中传像束是一种特殊的空分复用方式。采用空分复用方式传输图像，传输速度可成数量级提高。几十万个像束的多芯传像光纤已相当成熟，其色保持特性和透光性已相当令人满意，是空分复用的一个发展方向。3 ) 光时分复用采用电时分复用( t d m ) 方式是提高光纤通信的传输速度和降低其成本的有效措施。目前，采用t d m 方式是最高传输速度已达2 0 g b i t s ，接近硅和镓砷技术的极限，再提高已相当困难。然而现代电信网的传输容量的要求在急剧提高，需进一步扩容，所以必须从电复用进入光复用方式。于是出现了使系统设备中的电子器件只工作在相对较低的速度上，避开t d m 中电子设备对提高速度的限制，从而达到扩容目的的光时分复用。光时分复用在长干线系统或其他系统中都是一种极为重要的复用技术。近几年它取得了突破性发展，在传输距离5 0 1 0 0 k m 的情况下，速率可达1 0 0 2 0 0 g b i t s 。4 ) 脉码复用( c d m )频谱展宽的码分复用( c d m ) 是多址局域网络光纤通信系统中常用的种复用方式。它对每一信道的信号采用特定的编码方式，使编码后的信号占用的带宽比原信号的带宽度，但所有信道的编码信号带宽都在一个范围内，编码可以在电域或光域进行，最后所有信道的信号复用到一根光纤中传输，在接收端根据每一信道的编码规则从多路信号中提取所需信道的信号。c d m 可以采用直接序列扩频、时域跳频或频域跳频等方法来实现。在频域跳频c d m 中，所有信道占用相同的带宽，但对某一信道而言，根据编码规则，在不同时刻它具有不同的载频。5 ) 副载波复用( s c m )频分复用( f d m ) 可以是电子学频分复用，也可以是光学频分复用。在电子学频分复用中，首先将多路基带信号调制到不同频率的射频( 超短波到微波的频率) 波上，然后将多路射频信号复用后再去调制一个光载波。在接收端同样也需要二步解调，第7 页国防科学技术大学研究生院学位论文首先利用光探测器从光信号中得到多路射频信号，然后再用电子学的方法从各射频波中恢复出多路基带信号。这种电子学的f d m 叫作副载波复用( s c m ) 技术。在s c m光纤传输系统中，第1 次调制的载波称为副载波。副载波可以是射频信号，也可以是微波信号，传输的信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，或者是模拟和数字混合的信号。各信道的调制方式也彼此独立。s c m 技术的最大优点是可采用成熟的微波技术，以较以简单的方式实现宽带、大容量的光纤传输。它所构成的灵活方便的多路信号光纤传输系统，可以为多个用户提供语音、数据和图像等多种业务。在8 0 年代后期至9 0 年代前期，s c m 光纤传输系统成功地应用在多路电视信号光纤( c a t v ) 传输系统中。6 ) 光频分复用光频分复用是两光波频率间隔小于1 0 g h z 的波分复用。因此，光频分复用和波分复本质上没什么差别，都是用不同的光载波传输不同的信息。但是在密集频分的情况下，不用通常的光复接和光分接的合波器和分波器，而是依靠调谐器件或光功率耦合器或光滤波器等实现密集频分多路。如在接收端利用相干光纤通信的外差检测与调谐本振器，或利用常规光纤通信的直接检测与调谐光纤滤波器。光频分复用技术多应用于光纤用户网和综合光纤局域网。如利用星型耦合器构成的广播式分配网络。1 2 4 2 光纤复用技术的发展当前，光通信技术以超乎人们想象的速度在发展。在过去的1 0 年中，光传输的容量提高了1 0 0 倍，预计在未来的1 0 年里还将提高1 0 0 倍左右。波分复用技术( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e rw d m ) 的出现使光通信系统的容量几十倍、成百倍地增长，可以说没有波分复用技术也就没有现在蓬勃发展的光通信事业。1 ) 波分复用系统的容量将向t b s 迈进由于数据业务的爆炸式增长对传输技术形成的巨大压力，波分复用系统的容量将向t b s ( 相当于一亿五千多万路电话) 的水平迈进。实验室水平首次达到1 w s 是在1 9 9 6年，到1 9 9 9 年2 月已有3 2 t b s 。在波分复用系统的容量向t b s 迈进的过程中，有几个动向是值得注意的。首先是波分复用与其他复用技术的结合，尤其是和光时分复用。光时分复用通常是利用平面波导延迟线阵列或者高速光开关来实现：而全光时域解复用器则常常基于四波混频( f w m ) 或非线性光纤环形镜( n o l m ) 等。在日本n t t 公司的3 t b so t d m w d m 传输实验装置中，光时分复用通过p l c 实现，而解复用通过f w m 全光时分解复用器实现，该系统还采用w d m 技术将1 9 路o t d m 信号波分复用，才实现了3 t b s 的传输容量。8第页其次，光放大器的进展也必须注意。掺铒光纤放大器( e d f a ) 是w d m 技术实用化的关键，但普通e d f a 的放大带宽只有约3 5 n r n ( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) ，只覆盖了石英单模光纤低损耗窗口的一部分。这样就限制了能够容纳的波长信道数。因此，要进一步提高传输容量，增大光放大器的带宽非常必要。第三、色散及色散斜率问题。色散问题本身并不是波分复用所独有的，而且目前己发展出很多色散补偿技术试图解决色散问题。但在波分复用系统中，由于光纤的色散斜率不为0 ，导致了色散特性与波长有关，不同的波长通道的色散大小是不一样的。这就给色散补偿技术带来新的课题，好的色散补偿技术应同时补偿波分复用的所有波长通道的不同大小的色散效应。第四、放大器的监测与控制技术的进展。由于实际通信系统的各参数会随时间、环境等外界因素的变动而发生改变，这就要求放大器的工作点也相应地改变，以达到最佳状态。这在超大容量的系统中尤为重要。这些控制内容包括输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡。第五、波分复用器和解复用器的进展。随着波分复用数的不断增加、波长通道间隔的不断减小，w d m 复用、解复用器的要求也越来越高。它要求高的中心波长的稳定性、平坦的带通特性、对其他通道的高抑制能力，陡峭的滚降特性等。实现w d m复用、解复用的技术通常有阵列波导光栅( a w g ) 、光纤光栅( f b g ) 和其他干涉型滤光器件。2 ) 波分复用系统由传统的点到点传输系统向光传送网发展波分复用系统的另一个发展方向是网络化，形成波分复用光网络，也叫光传送网( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ，o t n ) 。它的基本思想是将点到点的波分复用系统用光交叉互连( o p t i c a lc r o s s c o n n e c t o r , o x c ) 节点和光分插复用( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r , o a d m ) 节点连接起来，组成光传送网。波分复用技术完成o t n 节点之间的多波长通道的光信号传输，o x c 节点和o a d m 节点则完成网络的交换功能。当然，由于目前的技术的限制，交换是以波长通道为单位的。1 3 研究目标和研究方法本章第2 节分别简要介绍了与本研究课题相关的技术及其发展情况，这些技术的发展对本课题的完成起着决定作用。本文的研究目标是：保证航天发射场通信系统正常工作的前提下，实现对光纤传输网进行实时监测，系统发生全局阻断故障时能自动进行快速定位；采用成熟技术保证系统的稳定性和可靠性。研究方法是：对光纤通信系统中断故障的原因和机理进行研究分析，找出实现故障判断和实时定位的解决办法，对光纤测量技术、数字信号处理技术、信息可视化技术、波分复用技术等进行分第9 页国防科学技术大学研究生院学位论文析和研究，在此基础上，设计一套原型系统，实现对光缆中断故障、光端机故障和通信电源故障的实时监测和自动判别，重点对光缆中断故障在地图上进行断点实时准确定位。这样就顺利完成了研究课题。1 4 论文结构第一章介绍了课题的来源及研究意义、简要阐述了与项目相关的光纤测量技术、数字信号处理技术、信息可视化技术和光纤复用技术等的发展现况，在此基础上提出了课题的研究目标和研究方法。第二章介绍了r t m a a d 系统的总体设计。分析了系统需求，进行总体设计，并对系统实现的关键原理进行阐述。第三章介绍了r t m a a d 系统中数字滤波器的设计与实现。采用此技术对测量的光纤特性信号进行数字滤波处理。第四章介绍了r t m a a d 系统中信息可视化技术的实现。信息可视化使得用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据，可以看到表示对象或事件数据的多个属性或变量，而数据可以按其每一维的值将其分类、排序、组合和显示等。第五章介绍了r t m a a d 系统中光纤波分复用技术的应用。采用波分复用技术使得本课题的研究结果实用化。第六章在相关技术的基础上，完成对r t m a a d 系统的工程实现。经过实际使用，效果良好，成功地验证了本课题提出的方法和技术的正确性及科学性。第七章是结束语。第1 0 页国防科学技术大学研究生院学位论文第二章rtma ad 系统总体设计2 。1 概述r t m a a d 系统的设计目标主要是对光纤传输网各节点的光缆、光端设备进行实时监视和测试，及时判断故障性质和故障段落。对于光缆故障，还可以结合光缆线路路由数据库中的信息进行自动定位故障点，对故障的判断和故障点的确定具有实时性和自动性。r t m a a d 系统与现有的传统测试方法的有着显著的区别。目前。我们在对光缆传输系统进行维护的过程中，最为普遍的方法是，通过人工用光时域反射仪( o t d r )来测试光缆纤芯的状态。但每次只能由人工对单个方向的单条光缆线路进行测试，费时、费力，实时性差。传输站内光端设备的供电情况、光端设备的高次群故障也只有通过维护人员的经常巡视才能知道。在光缆线路没有被破坏和光端机工作正常的情况下，光端设备维护人员能够将故障向网管中心汇报，并协助网管中心人员排除故障；但是一旦光缆线路被破坏或者光端机发生故障，由于双方通信中断，网管中心就不能及时了解故障的原因。如果贸然前往。将会浪费很多时间和经费；与此同时，发生故障的传输站也不能将故障原因迅速报告给网管中心，延误处理时间。光缆中的纤芯由于在制造过程中，会搀杂一定的杂质或存在微小的裂纹，在敷设过程中存在一定的应力或者受到外部损伤，或者受到水分子的长期作用，光缆中的某根纤芯会增大光传输的损耗，甚至断裂，如果是在用的光缆纤芯，就会使整个传输系统发生阻塞，而光缆纤芯的这种渐变过程，用现有的手段是无法预测的。r t ma a d 系统，则通过接收测试的光缆线路信息并获取下游站的光端设备故障信息，结合计算机的信息处理技术，实现了自动、动态的光缆通信维护模式，完全改变了传统的光缆通信的维护方法和手段。2 2r t m a a d 系统总体设计1 ) r a a d 系统的拓扑结构r t m a a d 系统的网络拓扑主要由三个部分组成，分别为：前端监测子系统、数据处理及故障诊断子系统和网管子系统。图2 一l 为r t m a a d 系统的拓扑图。前端监测子系统：负责测试本站至下一站之间的光缆的传输特性，监测本站的光端设备运行状况。第1 1 页国堕型堂垫查盔竺堑壅生堕堂垡迨塞一i 前端鉴铡子系统l前端监铡子系统“2il数据处理及数据处理及l故障诊断子系统故障诊断子系统图2 - 1 光纤传输网实时监测及故障诊断系统的拓扑图数据处理及故障诊断子系统：负责对前端监测子系统送来的数据进行分析，一旦出现故障就产生告警提示，并显示故障性质和故障的准确位置。同时对光纤的传输特性进行统计、分析，便于及时发现故障隐患，向通信网管中心发送网管信息。网管子系统负责处理各个数据处理及故障诊断子系统的结果信息进行统计报表，并给上级网管中心发送网管信息。2 ) 前端监测子系统前端监测子系统包括：光纤测试单元、光端设备监测单元和监控计算机。光纤测试单元负责监测本站至下游站的光缆纤芯的状态信息，光端设备监测单元负责监测光端设备的故障信息，监控计算机负责控制和采集光纤测试单元监测的光纤状态信息和光端设备监测单元监测的光端设备故障信息。( 1 ) 光纤测试单元光缆纤芯的传输特性数据测试主要通过光纤测试单元来实现。该单元发出的测试光通过波分复用接入被测光纤。光纤测试单元可以看作光纤雷达，工作原理与无线电雷达类似。无线电雷达向空间发射电磁波，接收目标物的反射波来探测目标。光纤测试单元向光纤中发射探测光，接收光纤中的后向光信号，从光纤的一端非破坏性地探测光纤、光缆的特性，能显示光纤沿线损耗分布特性曲线，能测试光纤的长度、断点位置、接头位置及光纤的衰减系数和链路损耗、接头损耗、弯曲损耗、发射损耗等。用光源和光功率计测量光纤损耗只能得到线路总损耗，光纤测试单元实时测量线路任一段光纤的损耗，光纤测试单元将测试数据传到监控微机可用图形显示损耗沿线分布情况，损耗均匀性、接头处、高损耗点日了然。见第一章图1 - 1 所示。( 2 ) 光端设备监测单元光端设备监测单元从高次群光端机上的测试端口和高次群复接单元上的检测点，以及从光端设备告警信息口上提取设备工作的信息，并对光端机的供电状况进行实际的测试。第1 2 页国防科学技术人学研究生院学位论文当本端系统设备掉电告警时，监测单元( u p s 供电) 的逻辑控制电路启动发光信号使发光部件发出光波经过波分复用器件注入光纤。中央站的光端设备监测单元检测到从中央站波分复用器件解复用的光信号，则判定是远端站供电告警，即电源告警。( ： ) 监控计算机对本端的光端检测监测单元进行监视，收集告警信息，判断各种告警。当接收到对方无光信息后，( 或定时循环) 控制光纤测试单元，对光纤进行实时在线测试。将光纤测试单元监测的光纤状态信息和光端设备监测单元监测的光端设备故障信息等所有采集的信息进行处理打包，然后通过信道发送给数据处理及故障诊断子系统。3 ) 数据处理及故障诊断子系统数据处理及故障诊断子系统的功能主要由数据处理微机完成。通过数据信道，收集信息，经过软件的判断处理，在显示器 二动念地显示光缆线路和设备的当| i i 状态参数。当光纤传输网发生故障时能实时判断故障的性质，即是光端设备故障，是光缆线路故障，还是远端电源设备告警。若是光缆线路故障还可以自动确定故障点的经、纬度坐标，显示故障点附近的地形、地貌特点，及周围环境的图片。故障判定原则如下：当从光纤测试单元测试的数据判定光缆长度小于预定实际长度，则断定为光缆线路故障。当从光端设备监测单元检测为远端电源告警时，判定为远端电源告警。当系统中断，测试光缆长度等于预定实际长度且光端设备监测单元没有检测为远端电源告警时，断定为远端光端机设备故障。数据处理微机上运行以下几部分软件模块：实时监测模块、故障分析统计模块、地图定位模块( 地理信息系统) 、波形分析模块、光缆路由数掘库管理模块、告警管理模块及测试历史数据维护模块等。实时监测模块的功能：监视各通信端口，接收数据，将数据存入数据库。故障分析统计模块功能：测试数据库中的数据，进行计算分析，从光缆路由标石数据库读取相关数据，与计算结果比较，判断是光缆故障点位置，同时控制机箱面板告警指示灯开关，将分析结果存入数据库中，通知界面显示。地图定位模块功能：打开光缆路由标石数据库，读耿标石信息( 包括经纬度，光缆预留处、拐弯点、穿越公路等路出特征，地形，地貌，长度等) 进行绘图，读取分析数据，在光缆故障点上定位显示，另外还可对光缆路由标石点进行地图检索。波形分析模块功能：o t d r 仪表仿真，结合光纤测试单元，对光纤特性波形进行分析判读光纤状态，判断纤芯的性能是否下降，将分析结果存入数据库。数掘库管理模块的功能：可对光缆路由标石数据库、告警信息数据库和测试信息数掘库等进行增加、删除、编辑、查找等操作。告警管理模块：当发生故障时，给维护人员提供声、光告警提示，并将故障的相。_ 。，。_ _ - 。1 。1 。_ 。_ _ 。_ 。_ 。一1 。_ 1 p 。，_ + 。_ _ p _ - ，_ _ _ _ ，_ - - _ 。_ _ - - _ 。_ 。_ - _ _ - _ _ _ 。_ _ 。，_ ，一第1 3 页国防科学技术大学研究生院学位论文关信息存入数据库，供以后查阅。测试历史数据维护：将每次测试的数据存入测试信息数据库，为分析光缆的特性变化提供依据。4 ) 网管中心子系统网管中心子系统应具备网络管理和告警监视能力。5 ) 系统总体原理框图如图2 2 所示。图中仅以一个端站和一个中继站为例，每个站的主要功能类似。监控微机采集光端设备监测单元的告警信息，控制光纤测试单元对光纤进行测试、分析测试结果，将测试结果和告警信息通过光纤传输系统的辅助信道传送到中心监控微机( 网管) 。光端设备监测单元监测到本端系统设备掉电告警时，监测单元( u p s 供电) 的逻辑控制电路启动发光信号使发光部件发出光波经过波分复用器件注入光纤。中央站的光端设备监测单元检测到从中央站波分复用器件解复用的光信号，则判定是远端站供电告警，即电源告警。图2 - 2 光纤传输网实时监测及故障诊断系统原理框图2 3r t m a a d 系统实现的关键技术及难点1 ) 用波分复用技术构建监控网络见上示意图2 - l 和图2 - 2 ，需要波分复用器件将测试激光和正常通信激光进行复用注入被测光纤，需要光纤辅助信道来传输网管中心与中继站监控机之间的监控数第1 4 页：些垡兰些垒垄望些垡些垡竺垒查一据。如果利用一个光纤测试单元监控多个路由方向的光纤，则要添加可编程光开关，见下图2 - 3 所示。光纤图2 3 用一个光纤测试单元监控多个路由方向的光纤2 ) 监控微机与光纤测试单元的通信与控制技术光纤测试单元采用信息产业部电子第4 1 所的a v 6 4 1 1 ，与它的通信与控制要利用t v i c h w 3 2 o c x 控件对计算机底层输入、输出和地址操作，即对计算机并行通信口进行读写控制字，这些控制字包括设置量程用的步距、光脉冲宽度、模数转换器