（通信与信息系统专业论文）光纤通信自动保护系统研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 光纤通信技术具备许多优质特性，它已被广泛地应用于通信领域。近年来， 随着w d m 技术的发展，光纤通信成为干线传输的主要手段，单根光纤线路上 数据流量激增。因此，光纤线路一旦遭到人为或自然力破坏，将造成不可估量 的损失。为了尽量降低光纤断裂或光信号衰减造成的经济损失，对光纤通信线 路实施保护变得极为必要。光纤通信线路保护的重要指标是业务恢复时间，时 间越短越能降低损失。采用人工调度保护方法所需的业务恢复时间较长，已经 无法满足需要。而如果故障产生时，能自动对光纤线路实施保护，将大大缩短 业务中断时间。光纤通信自动保护系统是针对这一现状而提出的。 文章介绍了光纤通信系统组成结构、光网络生存性基本概念、光路的自动保 护倒换方法。确定了光纤通信自动保护系统所用的保护倒换方法。从整体上设 计了光纤通信自动保护系统的结构。完成了光保护盘硬件和软件设计、上位机 人机界面设计。经过调试，基本实现了采集光功率、与门限的比较、响应上位 机命令等功能。 文章的主要工作为： 1 对光纤通信自动保护系统的结构、工作原理进行了论述。 2 以光电信号测量原理和r s 2 3 2 串行通信理论为基础，提出了以 p i c l 6 f 9 7 7 a 单片机为控制核心的光保护盘的硬件和软件设计方案。光保护盘具 备的功能有光功率采集与比较、光开关切换、与上位机通信。其硬件电路包括 前置放大电路、程控放大电路、4 阶巴特沃斯低通滤波电路和r s 2 3 2 串行通信 接口电路。设计了光保护盘和上位机的串行通信协议。给出了完整的光保护盘 程序流程图，完成了代码的编写。光保护盘程序用c 语言编写，可对光纤通信 线路中光信号功率的循环采集、将采集结果与预设门限比较。且一旦光功率低 于门限值，光保护盘自动切换光开关，将通信线路倒换到备用线路。 3 设计了监测站( 上位机) 软件。该软件向操作者提供了可视化界面。软件 在v i s u a lb a s i c 6 0 环境下实现，可实现向光保护盘查询并显示工作线路光功率、 设置绝对门限和相对门限、复位或切换光开关的功能。 4 对光保护盘硬软件和上位机软件进行了联合调试。经过测试，光保护盘能 够正确测量光功率，并可与上位机正确通信。 关键词：光网络生存性，光功率，光电信号测量，自动保护 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e di nc o m m u n i c a t i o na r e af o r s e v e r a ly e a r s a sw d m t e c h n i q u ed e v e l o p st h ef l u xo fd a t at r a n s m i t t e db ys i n g l e o p t i c a lf i b e ri n c r e a s e sm p i d l y f o rd e c r e a s i n gt h ee c o n o m i cl o s sw o r k e db yo p t i c a l f i b e rd a m a g eo ro p t i c a ls i g n a la t t e n u a t i o n , i t sv e r yn e c e s s a r yt op r o t e c tt h eo p t i c a l f i b e rt r a n s m i s s i o nl i n e s f o rt h eo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o nl i n e s ，p r o t e c t i o nd e p e n d e d o nm a n u a lo p e r a t i o nn e e d sl o n gt i m et or e e o v e l t h ei n t e r r u p t e ds e r v i c e ，w em u s t p r o v i d ean e w m e t h o dt op r o t e c tt h el i n e s a u t o m a t i cp r o t e c t i o nt oo p t i c a lf i b e rl i n e s w i l ls h o r t e nt h et i m et h a ts e r v i c eb e e nc a n c e l e d t h ea u t o m a t i cp r o t e c t i o ns y s t e mo f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni sp r e s e n t e df o rt h i ss i t u a t i o n n 增m a i nw o r ko f t h i sa r t i c l ei s ： 1 t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fa u t o m a t i c p r o t e c t i o ns y s t e mo f o p t i c a lf i b e rl i n e s 2 ，t h i sa r t i c l ep r e s e n t sad e s i g ns c h e m eo f o p t i c a lp r o t e c t i o nt r a y , a n dt h eo p t i c a l p r o t e c t i o nt r a y sc o n t r o l l i n gd e v i c ei s p i c l 6 f 8 7 7 am c u t h eo p t i c a lp r o t e c t i o n t r a y sf u n c t i o n si n c l u d ea c q u i r i n go p t i c a lp o w e ra n dc o m p a r i n gi tw i t ht h r e s h o l d , s w i t c h i n gt h eo p t i c a ls w i t c ha n dc o m m u n i c a t i n gw i t hp c t h ew h o l eb o a r dc o n s t i t u t e o fp r e a m p l i f i e r , p r o g r a m m a b l ea m p l i f i e r , 4o r d e r sb u t t e r w o r t hl o wp a s sf i l t e ra n d r s 一2 3 2c o m m u n i c a t i o nc i r c u i tt h a ti n t e r f a c e s 、丽t l lp c t h i sa r t i c l ep r e s e n t st h ee n t i r e p r o g r a mf l o wc h a r t so f o p t i c a lp r o t e c t i o nt r a ya n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h e s o f t w a r eo fo p t i c a lp r o t e c t i o nt r a yi sw r i t t e n 奶t l lcp r o g r a ml a n g u a g e t h ep r o g r a m c a na c q u i r et h eo p t i c a lp o w e ra n dc o m p a r et h ep o w e rw i t ht h r e s h o l d i ft h ep o w e ri s s m a l l e rt h a nt h et h r e s h o l d ，s y s t e mc a ns w i t c ht h eo p t i c a ls w i t c ha u t o m a t i c a l l y , 3 d e s i g ns i m p l eu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r e i tp r o v i d e sav i s i b l ei n t e r f a c et ot h e o p e r a t o r i ti si m p l e m e n t e du n d e rv i s u a lb a s i c6 0 ，f u n c t i o n sa l ei n q u i r i n gt h eo p t i c a l p o w e ro fw o r k i n go p t i c a lf i b e rl i n ef r o mo p t i c a lp r o t e c t i o nt r a ya n dd i s p l a y i n gi to n t h ep c ，s e t t i n gt h r e s h o l da n dr e s e t t i n ga l lo p t i c a ls w i t c h e so rs w i t c h i n gas i n g l eo n e 4 d e b u gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fo p t i c a lp r o t e c t i o nt r a y i ti sv a l i d a t e dt o b eag o o do n et om e a s u r et h el o wo p t i c - e l e c t r i cc u r r e n ta n dl e tt h eo p t i c a lp r o t e c t i o n t r a yc o m m u n i c a t e 、i t hu p p e rc o m p u t e r k e yw o r d ：s u r v i v a b i l i t y o f f i b e r - o p t i cn e t w o r k , o p t i c a lp o w e r , m e a s u r e o f p h o t o e l e c t r i cs i g n a l ，a u t o m a t i cp r o t e c t i o n i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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或撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。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了 谢意。 研究生签名：壹趔日期丕竺塑墨兰! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印， 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：参洲 导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和目的、意义 自1 9 6 6 年英籍华人高锟发表论文光频介质纤维表面波导，提出用石英玻 璃纤维( 光纤) 传送光信号进行通信以来，经过四十年的发展，光纤通信技术 取得了巨大进步。由于具备传输容量大、抗干扰能力强、传输损耗低、保密性 强等优点，光纤通信技术已成为一种广泛应用的通信技术。 1 9 7 0 年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学相沉积法 ( m c v d 法) 制造出当时世界上第一根超低耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞 相发展的导火索。1 9 7 6 年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立世界第 一条实用化光纤通信线路，速率为4 5 m b s ，采用多模光纤，光源用发光管l e d ， 波长是o 8 5 微米红外光。上世纪7 0 年代末，大容量的单模光纤和长寿命的半导 体激光器研制成功。光纤通信系统开始显示出长距离、大容量的优越性。 1 9 9 6 年w d m 技术取得突破，贝尔实验室发展了w d m 技术，美国m c i 公司在1 9 9 7 年开通商用w d m 线路。光纤通信系统的速率从单波长的2 5 g b s 和1 0 g b s 爆 炸性地发展到多波长的t b s ( 1 t b s = 1 0 0 0 g b s ) 俐； ”1 。光纤通信的发展根据不同 领域可概括为： 从光纤的衰耗看：1 9 7 0 年：达到2 0 d b k m ，1 9 7 2 年：达到4d b k m ，1 9 7 4 年：达到1 1 d b k m ，1 9 7 6 年：达到0 5 d b k m ，1 9 7 9 年：达到0 2 d b k m ，1 9 9 0 年：达到0 1 4 d b k m 。这已经接近石英光纤的理论衰耗极限值o 1 d b k m 。 从光器件看：1 9 7 0 年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续 波工作的砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。后来逐 渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分布反馈式 单纵模激光器( d f b ) 以及多量子阱激光器( m q w ) 。光接收器件也从简单的 硅p i n 光二极管发展到量子效率达9 0 的v 族雪崩光电二极管a p d 。 从光纤通信系统看：正是光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展， 以及大规模、超大规模集成电路技术和微处理机技术的发展，带动了光纤通信 系统从小容量到大容量、从短距离到长距离、从低水平到高水平、从旧体制 武汉理工大学硕士学位论文 ( p d h ) 到新体制( s d h ) 的迅猛发展。1 9 7 6 年，美国在亚特兰大开通了世界 上第一个实用化光纤通信系统。码率为4 5 m b s ，中继距离为1 0k m 。1 9 8 0 年， 多模光纤通信系统商用化( 1 4 0 m b s ) ，并着手单模光纤通信系统的现场试验工 作。1 9 9 0 年，单模光纤通信系统进入商用化阶段( 5 6 5 m b s ) ，并着手进行零色 散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系 ( s d h ) 的技术标准。1 9 9 3 年，s d h 产品开始商用化( 6 2 2 m b s 以下) 。1 9 9 5 年，2 ，5 g b s 的s d h 产品进入商用化阶段。1 9 9 6 年，1 0 g b s 的s d h 产品进入 商用化阶段。1 9 9 7 年，采用波分复用技术( w d m ) 的2 0 g b s 和4 0 g b s 的s d h 产品试验取得重大突破“。 此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进 展。 我国光纤通信技术也取得了飞速发展。1 9 7 3 年，邮电部武汉邮电科学研究 院开始研究光纤通信技术。1 9 7 8 年，光纤通信的研发工作大大加快。上海、北 京、武汉和桂林都研制出光纤通信试验系统。1 9 8 2 年邮电部重点科研工程“ k - - 工程”在武汉开通。到2 0 世纪8 0 年代中期，数字光纤通信的速率已达到1 4 4 m b s ， 可传送1 9 8 0 路电话，超过同轴电缆载波。于是，光纤通信作为主流被大量采用， 在传输干线上全面取代电缆。经过国家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”计划， 我国已建成“八级八横”干线网，连通全国各省区市。目前，我国己敷设光缆总长 约2 5 0 万公里。光纤通信己成为我国通信的主要手段之一。 在信息时代，现代化大容量通信光缆网已连接到千家万户。在竞争日趋激烈 的电信市场中，仅有大容量通信能力是远远不够的，竞争的真正核心是服务质 量与网络性能，好的网络性能可为每一个客户的通信畅通无阻提供保障。在计 划经济时代，通信行业是垄断行业，光缆阻断时，电话局在上级的规定时间内 抢通修复光缆即可完成任务，同时在损失方面只计算通信局的直接损失并不考 虑客户，或只考虑大客户的情况而忽略普通用户对通信畅通的要求。在市场经 济中，所有的用户无论是联通、电信、移动、网通等各通信运营商，还是银行、 保险、股市、各大i s p 等大客户，一旦租用了网络运营商的光纤路由，网络运营 商就必须保证每一个客户的通信权益。否则就会面对诸多的起诉、赔偿，甚至 会严重损害客户权益，失去客户的信赖，最终造成网络运营商损失利益。正因 为如此，应采取什么样的技术措施和方案来保证无阻断通信，特别是传输一级 干线的通信，从而保护电信运营商的根本利益，是需要解决的问题。要在已建成 2 武汉理工大学硕士学位论文 的几十万公里的高速光纤通信网上实现无阻断通信，除传输设备因素外，首先 要考虑的问题就是对光传输物理路由实施自动保护的技术解决方案，同时方案 应具有安全可靠、保护迅速、具备强大的抗灾害和抗阻断能力、投资少、见效 大和具备高度应用推广价值等特点。 传输干线的保护技术有： ( 1 ) s d h 系统的自愈保护技术 s d h 经典的保护倒换己得到普遍认同。保护方式包括二纤环四纤环、单向 环双向环、通道环复用段环和子网连接保护s n c p 的一种或多种组合。 对于时间的要求，i t u - - t g - 8 4 1 建议复用段倒换环的倒换时间为：环上如无 额外业务，无预先的桥接请求，光纤长度小于1 2 0 0 k m ，则倒换时间应少于5 0 m s 。 但对1 2 0 0 k m 或几千公里超长距离、上下业务节点数较多的环网来说，一些先进 的s d h 系统通过快速电开关桥接、快速时隙交换以及高效a p s 协议算法处理 等，可以保证最终倒换恢复时间低于l o o m s 。 通过s d h 自愈环的组网结构，环上的各个节点能够根据业务量的需要灵活 地上下电路，同时电路可1 0 0 的得到保护，无需人为干预，网络便能从失效的 故障中实时地自动恢复业务，从而真正实现了自愈功能。 ( 2 ) 光路分流保护 光路分流保护就是将原有干线上的业务调整一部分到其他干线上去，作为分 担的方式传送业务，避免某一干线光缆中断时发生全阻情况。目前，许多省市 的传输维护部门都采用了这种业务保护方式。这种方式简便易行，能有效地防 止全阻，但对于出现障碍的业务却无法进行保护，因此不能保证电路1 0 0 的畅 通，无法适应新的形势的要求。 ( 3 ) 人工调度保护 所谓人工调度保护，就是在光缆干线发生障碍后，根据光缆应急预案，通过 机务与线务部门的配合，采用同方向其他光缆线路迂回调度，人工方式抢通受阻 光缆干线的业务使用系统。人工调度保护需要机务部门的大力支持和积极配合， 而且手工倒通电路不仅要求要有值班人员在场，同时值班人员要具备一定的电 路抢修意识、业务水平和动手操作能力。根据目前的维护体制，地市级部门有 专业的维护人员，可达到上述要求，但对于无人职守站和县镇级的中继站机房， 由于成为综合值班维护，人员技术水平与实战能力均不如地市站的维护人员， 因此在故障发生时无法满足人工快速倒通电路的要求，业务恢复时间较长。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 光路自动切换保护技术 光路自动切换保护技术是通过对光缆中传输光功率变化的实时监视、告警信 息的自动分析，能够及时发现故障及隐患，在出现严重故障时，快速将工作光 路自动切换到备用通道，在极短的时间内恢复通信，完成对光缆故障的快速反 应和恢复机制。 光纤通信自动保护系统是基于光路自动切换保护技术的一种光纤通信线路 保护方案。系统自动采集光缆中光信号，并将采集到的光功率值与预设告警门 限值比较，分析比较结果，进而判断当前光通信信号质量是否满足通信需要， 若不满足则应自动将光通信线路切换到备用线路。系统针对光信号作光电转换、 电流电压转换、a d 转换、数字滤波、数据分析、数据上传和接收，对光通信线 路实施自动保护。利用该系统可以在短时问内( 小于2 s ) 恢复被中断的业务， 从而保持通信的流畅性。并且克服了人工抢修光缆所固有的业务恢复时间长、 维修成本高的缺点，具有很好的现实意义。 1 2 光纤通信自动保护系统国内外研究现状 光纤通信自动保护系统是一种光、电、机一体化系统，涉及光电转换、模数 转换、微控制器、光路倒换和网络通信方面的技术。将这些技术在一个系统中 较好地结合起来就可以实现保护倒换的功能。目前，国内已经有不少通信设备 制造商和大学科研力量对此进行了相关研究。 自动保护倒换具体实现可采用1 + 1 、1 ：1 或l ：n 三种方式。1 + 1 保护方式的特 点是备路中的信号与主路中的信号随时保持一致，即使没有发生故障，各路也 不能挪作他用。1 ：l 保护方式比1 + 1 保护方式灵活，当没有发生故障时，备路可 以传输不同于主路的信号，提高了光缆利用率。1 ：1 1 保护方式的特点是n 条通信 线路共用一条保护线路，如果有一条以上通信线路发生故障，只有一条线路可 以恢复流量。由于1 ：l 保护方式理论上能够百分之百恢复中断业务并且光缆利用 率较高，因此被大量应用在光纤通信自动保护系统的产品设计中”。 武汉长江通信集团下属的武汉长线通信技术有限公司开发的光纤自动保护 系统采用l ：l 保护方式。系统由光保护盘、监测站和远程监控中心构成。光保护 盘取出主路或备路( 当前工作线路) 光信号的3 作为测量信号。测量信号经光 电转换后成为电流信号，此电流信号经过电流电压转换电路转换为电压信号。 4 武汉理工大学硕士学位论文 因为光信号在传输中会被衰减，到达接收端时，光功率可能会很小，光电流也 很小，这样a f t ) 转换器无法转换。因此，该系统中采用了增益可变的电压放大 电路，将待转换的电压调理在a d 转换器的整个转换范围内。a d 转换后得到 的数字电压交给m c u 处理，m c u 对数字电压进行运算后得到光功率，将光功 率与预设的绝对门限和相对门限比较。如果小于绝对门限，则认为光纤已经断 裂。如果参考门限与采集到的光功率之差大于相对门限，则认为光信号质量已 经不能满足通信要求。两种情况都需要将主路倒换到备路。此时，m c u 控制光 开关进行倒换。如此不断循环采集、比较，达到了实时监控光缆状态和及时倒 换光开关的目的。上级监控站通过r s 4 8 5 串行接口与多个光保护盘通信，从而 可以查询相关数据和控制光保护盘进行相关动作。远程监控中心与监控站通信， 也可以查询光保护盘数据和控制光保护盘进行相关动作，并向操作人员提供了 人机界面。该系统达到了主路向备路倒换时间小于1 s ，备路向主路倒换时间小 于2 s 的技术指标。该系统中的m c u 使用的是m c s 5 1 系列单片机，并且外部 扩展了e e p r o m 存储器电路和看门狗电路，a d 转换器件也是独立于m c u 。 若能将此三种器件整合入m c u ，必能达到提高系统稳定性、精简系统体积的目 的 4 】 中国网通集团天津通信公司开发的光纤通信自动切换系统同样采用1 ：l 保 护方式。该系统由网管中心、网络通信单元、主控单元、辅助控制单元、光功 率检测单元、光开关切换电路、o t d r 单元组成。网管中心统一监管系统运行， 在监测站中主控单元负责控制辅助控制单元，o t d r 单元，网络通信单元协调 动作。在辅助控制单元的管理下，光功率检测单元与光开关切换电路得以运行。 该系统同样通过光电转换电路、a d 转换电路获取光信号功率值。并将采集到的 功率值与预设门限值比较，特殊的是比较不是由m c u 的软件完成的，而是利用 两片7 4 l s 6 8 2 和以4 0 1 7 为主的计数电路完成。它们代替了m c u 软件中的计算 光功率子程序、比较子程序和数字滤波子程序，从而减轻了辅助控制单元的软 件开销。开发者还提出比较计数单元的另一种实现方案，用c p l d 器件实现该 单元的功能，这在很大程度上简化了电路，提高了系统可靠性。由于光开关切 换后，新的工作线路不一定马上就有光信号，因此若不加额外的控制，光开关 会马上倒换回旧的工作线路即出现故障的工作线路，而此时旧工作线路还未被 修复，因此，光开关会频繁倒换，对系统极为不利。开发者提出在本端经过一 次倒换后，自动禁止倒换，直到对端也倒换，才允许倒换。这样就解决了两端 武汉理工大学硕士学位论文 如何协调倒换的问题。 由以上技术文献看出，对光纤通信线路实施自动保护基本上是通过对光信号 的功率进行采集、判断，根据判断结果决定是否倒换光开关。再辅以上级监测 站和远程控制控制中心，实现人机界面，从丽便于对整个系统统一管理。光功 率采集、判断和光开关倒换等功能由光保护盘实现，它们的控制核心是m c u 。 如果能进一步精简光保护盘电路，将能提高其稳定性和轻便性。高性能m c u 的 出现使之成为可能。 1 3 本文主要研究工作和论文组织结构 光纤通信自动保护系统是一个多层监控系统。从上至下依次为监控中心、监 测站、光保护盘。笔者主要进行的是光保护盘硬件和软件设计工作，并利用v i s u a l b a s i c 6 0 设计了一个简单的人机界面。此论文主要叙述了以下几方面： ( 1 ) 光纤通信自动保护系统结构和原理； ( 2 ) 光纤通信自动保护系统光保护盘硬件设计； ( 3 ) 光纤通信自动保护系统光保护盘软件和上位机人机界面设计； ( 4 ) 系统软硬件调试和结果分析； ( 5 ) 对本文的总结和展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤通信自动保护系统结构和原理 2 1 光通信系统 所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。要 使光波成为携带信息的载体，必须对之进行调制，在接收端再把信息从光波中检 测出来。然而，由于目前技术水平所限，对光波进行频率调制与相位调制等仍局 限在实验室内，尚未达到实用化水平，因此目前大都采用强度调制与直接检波方 式( i m d d ) 。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对 光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置“。 典型的数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端 的电端机把信息( 如话音) 进行模数转换，用转换后的数字信号去调制发送机 中的光源器件l d ，贝t j l d 就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1 ”时，光 源器件发送一个传号”光脉冲；当数字信号为0 时，光源器件发送一个“空号” ( 不发光) 。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数 字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数濮转换，恢复成原来 的信息。这样就完成了一次通信的全过程。 光纤通信系统主要由3 个部分组成“： 1 光发送机 光发送机是光纤通信系统的重要组成部分之一。 光发送机的作用就是把数字化的通信信息( 如p c m 话路信号) 转换成光信号 发送到光纤当中进行传输。为此需要用数字电信号对光波进行调制。调制方法 有很多如频移键控( f s k ) 、相移键控( p s k ) 等，但鉴于目前的技术水平所限， 现在大都采用最简单的强度调制( m i ) 方式，即数字电信号为“1 ”的瞬间，光发 送机发送一个“传号”光脉冲；数字电信号为0 的瞬间，光发送机不发光即“空 号”。 作为光纤通信系统的组成部分，光发送机有许多技术指标，但其最主要的是 如下几项： ( 1 ) 平均发光功率p t 7 武汉理工大学硕士学位论文 在一般情况下，光发送机的平均发光功率越大越好。因为其值越大，进入光 纤进行有效传输的光功率越大，其中继距离越长。但其值也不能过大，否则会 降低光源器件的寿命。p t 一般不越过0 d b m ( 1 毫瓦) 。 ( 2 ) 谱宽 它其实就是光发送机中所用光源器件的谱线宽度。我们已经知道，光源器件 的谱宽越窄越好，因为谱宽越窄，由它引起的光纤色散就越小，就越利于进行 大容量的传输。 ( 3 ) 光源器件的寿命 光源器件的寿命越长越好，至少也应该数万小时以上。 ( 4 ) 消光比e x 消光比的定义是：电信号“l ”码输入时光发送机的发光功率与电信号o ”码输 入时光发送机的发光功率之比。光发送机的消光比一般要求大于8 2 d b ，即0 码光脉冲功率是“1 ”码光脉冲功率的七分之一。通常希望光发送机的消光比大一 些为好，但并非所有情况都如此。 2 光纤线路 光纤是光信号传输的物理媒介，低损耗和低色散是对光纤的基本要求。光纤 制作技术现已基本成熟，并大量生产，当今普遍采用的是零色散波长凡= 1 3 1 x m 的单模光纤，而零色散波长气= 1 5 5 9 m 的单模光纤已研制成功，并已进入实用阶段， 它在1 5 5 “m 波长的衰减很小，约o 2 2 d b l 【i i l ，所以更适合于长距离大容量，是长距离 骨干网的优选传输介质。目前，为了适应干线和局域网的不同发展要求，已研 制出非零色散光纤、低色散斜率光纤、大有效面积光纤、无水峰光纤等新型光 纤。而人们对超长波长光纤的研究，仍处于一种理论探讨阶段。其传输距离理 论上可达到数千公里，可以达到无中继传输。 3 光接收机 光接收机是光纤通信系统的三大组成部分之一，其作用就是把数字电信号 ( 通信信息) 从微弱的光信号中检测出来，并经过放大、均衡后再生出波形整 齐的脉冲信号流。 光接收机的主要技术指标有： ( 1 ) 光接收机灵敏度p r 灵敏度会随码率的提高而降低。因为码率越高，每秒钟输入到光接收机中的 光脉冲数量会增加，每个光脉冲皆需要具有一定的光能量( 功率) ，所以需要的光 武汉理工大学硕士学位论文 功率值增加。 ( 2 ) 光接收机过载光功率p o 其定义是，在保证一定误码率要求的条件下，光接收机所允许的最大光功率 值。因为光接收机的输入光功率达到一定数值时，其前置放大器进入非线性工 作区，继而会出现饱和或过载现象使脉冲波形发生畸变，导致码间干扰增大、 误码率增加，为此必须对之进行规范。过载光功率也随码率而变化。 ( 3 ) 动态范围 实际上它是过载光功率与灵敏度之差。动态范围主要是为了适应实际使用中 各中继段的距离会有较大差别的要求。动态范围一般在2 0 d b 以上。 ( 4 ) 光接收机的反射系数 其定义为：在光接收机的输入端( r 点) 的反射光功率与入射光功率之比。一 般来讲在光接收机输入端的反射现象是十分微弱的，但也不排除严重者使反射 波反射回来影响光发送机中的激光二极管，使其发送光功率或工作波长发生变 化。一般规定光接收机的反射系数低于2 7 d b 。 2 2 光网络生存性和自动保护倒换技术 2 2 1 光网络生存性概述 网络生存性是指网络经受各种故障，甚至灾难性大故障后仍然能够维持可接 受的业务质量的能力，它是网络完整性的一部分。完整性包括通信质量、可靠 性和生存性等。可靠性与生存性意义不同。可靠性是指器件或局部的正常使用 寿命，是通过统计预测来确定的。但生存性则基本上与统计寿命无关，它描述 的是怎样在意外情况下维持生存系统的能力。为了满足网络生存性的需求，白 愈的概念应运而生。所谓自愈是指在网络发生故障时，无需人为干预，即可在 极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到出现故障。 自愈是生存性网络最突出的特点。其基本原理就是使网络具备发现故障并找到 替代路由的能力，在较短时间内重新建立通信。替代路由可以采用备用设备或 利用现有设备中的冗余能力，以满足端到端的业务恢复或指定优先级业务不受 影响。在自愈过程中，没有通话或业务中断，甚至对用户是透明的，用户感觉 不到网络已经发生了重组“”。 网络生存性技术中通常采用的两种方案是：保护和恢复。在保护方案中，网 9 武汉理工大学硕士学位论文 络在进行工作通路分配的同时，对备用通路进行配置。当网络设备检测到工作 通路发生故障时，便将业务从工作通路倒换到备用通路，实现对受损业务的恢 复。保护往往处于本地网元或远端网元的控制下，无需外部网管系统的介入， 保护倒换时间很短，但备用资源无法在网络范围内共享，资源利用率低。在恢 复方案中，备用通路并未预先配置好，网络设备在检测到故障后，动态地在网 络中寻找可用资源，它包括预留的专用空闲备用容量、网络专用的容量乃至低 优先级业务可释放的容量，从而建立恢复通路，如果能够建立恢复通路，则对 受损业务进行恢复，否则将其阻塞。使用网络恢复可大大节省网络资源，但恢 复倒换由外部网络操作系统控制，具有相对较长的计算时间“。 表征网络生存性能的主要技术指标有： ( 1 ) 冗余度。定义为网络中总空闲容量( 为恢复保留) 与总工作容量之比。 ( 2 ) 恢复率。定义为已恢复的通道数和原来失效的总通道数之比，或定义 为已恢复的失效容量和原来失效的总容量之比。 ( 3 ) 恢复时间。它是与恢复率紧密相关的，定义为以一定的恢复率为目标， 恢复网络所需要的时间。一般情况下，冗余度越大，恢复时间越短，恢复率也 就越高。如果允许的恢复时间越长，恢复率也越高。如果网络有足够的冗余度， 恢复率可能接近或达到1 0 0 。 ( 4 ) 开销以及复杂度。在制定合适的生存性策略中，应根据网络或用户的 不同需求，对冗余度、恢复时间以及恢复率进行优化以选择最佳方案，并实现 网络资源的合理使用。恢复时间不仅与所采用的恢复技术有关，还与恢复算法、 消息的传送和处理时间有关。 2 2 2 自动保护倒换方案 光路的自动保护倒换方案有1 + 1 、1 ：1 和l ：n 三种。1 + 1 保护方案利用分路器 把光信号分成相同的两路分别送入工作光纤和保护光纤的通道中。其中任意一 条光纤被切断，接收端的光开关把线路切换到保护光纤，由另一条光纤承载数 据。这种保护是单端倒换的保护方式，不需要a p s 协议，自愈快，且不需要恢 复到原状态，但增加了3 d b 功率损耗。此外，与s d h i + i 保护不同，1 + 1 光层 保护并不是对传输来的两路信号进行检测并不断选出最佳信号，而是接收机并 不知道保护光纤的任何状态信息就切换到保护光纤上。1 + 1 保护方案多用于重点 区段和重点业务的保护。其保护方式原理如图2 1 所示。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 分光器光开关 图2 11 + 1 保护方式原理图 l ：l 光层保护方案与1 + 1 光层保护方案的不同之处在于业务流量并不是被永 久地桥接到工作和保护光纤上。而只是在出现故障时，才在工作光纤和保护光 纤之间进行一次切换，保护光纤可以承载额外业务。可见，备用通道很难得到 监视，如何同时监视工作路和备用通路性能是需要认真研究的。但是l ：l 光层保 护属于双端自愈的方式，存在收发两端保护切换的协调问题，需要协议和信令 的支持。其信令内容需包括桥接倒换请求、状态、源和目的地址。采用1 ：l 倒换 保护方式时，当主路出现故障时，额外业务必须撤消。如图2 - 2 所示。 分光器光开关 主路光纡 i 发b 接 收 i 送l a p s 信令信道 各路光纤 图2 - 21 ：1 保护方式原理图 在1 ：n 的a p s 中，n 条工作通路共享l 条备用通路，工作光纤修复后，信 号由保护光纤返回原工作光纤。相对于1 + 1 保护，1 ：1 和1 ：n 保护方式的业务恢 复时间较长，但对网络带宽资源的利用更加充分。l ：n 保护方式原理图如图2 3 所示。 倒 主路光纤2i 接 7 l 收 i 一 一耋卜 主路光纤n一接 各路光纤 l 收 i a p s 信令信道 图2 - 3l ：n 保方式原理 l l 武汉理工大学硕士学位论文 因为1 ：l 保护方式能够较好的利用光纤资源，因此具有很好的实际应用价值。 笔者在系统中采用了1 ：1 保护方式。 2 3 光纤通信自动保护系统结构和工作原理 2 3 1 光纤通信自动保护系统结构 光纤通信自动保护系统分三个层次，最上层为远程控制中心，它统一管理和 调度整个系统。操作人员可以通过远程控制中心向监测站发送命令和相关数据， 例如查询光纤线路中光信号功率，查询光开关工作状态，设置告警门限等。中 间层为监测站，它的作用是向上与远程控制中心通信，接收各种命令和数据， 向下管理各个光保护盘，向光保护盘发送告警门限，接收光保护盘上传的光功 率，强制复位或切换光开关。最下层为光保护盘，它的作用是监测光纤线路中 光信号的功率值，并将光功率与绝对门限和相对门限比较，需要倒换光路时， 控制光开关切换屯路进行倒换。光纤通信自动保护系统结构如图2 - 4 所示。 图2 _ 4 光纤通信自动保护系统结构图 2 3 2 光纤通信自动保护系统原理 光纤通信自动保护系统采用i ：l 保护方法，利用备份光缆对主路实施保护， 当主路出现故障时，系统立即切换光开关，将工作线路倒换到各路。其工作原 理图如图2 5 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 光纤通信自动保护系统工作原理图 光纤通信自动保护系统保护的对象是光纤线路，它通过监测线路中光信号的 功率值，来了解通信线路是否出现断裂故障或者光信号功率是否衰减到了无法 容忍的程度。光保护盘每采集一次光功率就与告警门限值比较，根据比较结果 判断是否出现故障。告警门限根据通信系统实际状况设定，包括绝对门限和相 对门限。 如果光功率小于绝对门限，则认为光纤线路发生断裂故障，应将工作线路倒 换至各路。 如果参考门限( 正常通信时的光功率) 与光功率之差大于相对门限，则认为 光信号已衰减到无法进行正常通信的程度，同样应将工作线路倒换至各路。 2 4 本章小结 本章首先介绍了光通信系统的基本组成情况，然后阐述了光网络生存性概念 和3 种自动保护倒换方案，确定了本系统的保护倒换方法为l ：1 ，最后提出了本 系统的总体结构并解释了其工作原理。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章光纤通信自动保护系统硬件电路设计 3 1 引言 光纤通信自动保护系统由远程控制中心、监测站和光保护盘组成，形成自上 向下的控制系统。远程控制中心通过网络控制监测站，监测站通过计算机串行 口控制光保护盘，光保护盘不间断地采集光缆中的光信号功率。本章主要介绍 光保护盘硬件电路设计。 3 2 光保护盘工作原理 光保护盘是一个典型的数据采集和控制系统。光保护盘的控制核心采用单片 机，它负责控制外围器件实现对通信线路的监控并与监测站通信。通信光纤中 的光信号由分光器分成两路信号，一路占原信号的9 7 ，用来完成正常的通信 任务，另一路3 的光信号用于线路通信状态的监测。3 的光信号先经过光电转 换，成为光电流信号。此信号幅度较小，为了保证a d 转换结果的精确性，需 要利用噪声比较小的放大电路将光电流信号放大，称之为前置放大电路。同时， 为了保证最好的转换精度和分辨率且电压信号不超出a d 转换器的输入电压范 围，需要利用程控放大电路调整待转换信号幅度大小。将采集到的光功率值与 绝对门限比较，如果前者小于后者，则认为发生光纤断裂故障。若系统参考光 功率与光功率之差超出相对告警门限，则认为光信号质量已经下降至不能容忍 的状况。此时，单片机通过光开关控制电路切换光开关，将线路从主路倒换到 各路。如果发生的是单端故障，则当接收端的光开关刚刚切换完毕时，各路中 还没有光信号，光开关会再次切换，这样光开关会在主路和备路间来回频繁切 换。这当然是不允许的，因此有必要在刚刚切换完一次光开关后，立即禁止切 换。经过一段时间后，再允许切换。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 光保护盘硬件电路结构 如图3 1 所示，光保护盘硬件电路由单片机、信号调理电路、光开关控制电 路、串行通信接口电路、时钟和复位电路、电源电路组成。 l 搿p | 鞴l 理电路l 7 l茬警耄复l 单片机 l 位电路 l 刊麦i 接口电路 吲电源电路 图3 1 光保护盘硬件电路结构 单片机是光保护盘的控制核心，系统所用的单片机内部带有a d c 模块，因 此可将待转换的模拟电压信号直接输入到单片机中。通过计算，单片机将a d 转 换结果转换为光功率值，并与门限值比较。根据比较结果，单片机可以控制光 开关控制电路切换光开关。信号调理电路的作用是保证输入a d c 模块的模拟信 号电压在合适的范围内。串行通信接口电路是单片机与监测站建立通信的物理 媒介。时钟电路为单片机系统正确运行提供时钟信号。电源电路提供光保护盘 各器件工作所需的电压。 3 4 光保护盘硬件电路设计 系统的控制核心p i c l 6 f $ 7 7 a 单片机是微芯( m i c r o c h i p ) 公司推出的8 位单片 机。这种1 4 位指令宽度的中档单片机片内功能模块种类齐全，组合灵活多交，价 位适中，应用领域极其广阔。微芯公司和许多国内代理商提供了丰富的硬件和软件 开发平台，这些都极大地方便了设计者的工作。p i c 系列单片机具有以下特点： ( 1 ) 采用哈佛结构。在国内最常见的单片机中，p i c 系列单片机是唯一一 种在芯片内部采用哈佛结构的机型。即在芯片内部将数据总线和指令总线分离， 并且采用不同的宽度。这样做的好处是便于实现流水作业，也就是在一条指令 武汉理工大学硕士学位论文 被执行的同时读取下一条指令。 ( 2 ) 单字节指令。因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的 宽度，所以程序存储器r o m 和数据存储器r a m 的寻址空间是互相独立的，而 且两种存储器宽度也不同。中档系列p i c 单片机的所有指令都描述成一个字， 其长度为1 4 位。这样对程序空间只需进行一次读取操作即可同时得到指令的操 作码和操作数，指令执行效率得到提高。另外，采用单字指令还可提高软件的 抗干扰性。 ( 3 ) 精简指令集( 鼬s e ) 技术。p i c 系列单片机的指令系统只有3 5 条指令。 这给学习、记忆、理解带来