CN102281104B - 一种光纤在线测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤在线测试装置及方法，将发送的下行数据与作为频响测试信号的周期信号进行合成后，发送到光纤；通过光向器接收模拟反射信号，对接收到的模拟反射信号进行模数转换后，根据周期信号以及接收到的反射信号，计算被测系统各频点的幅度响应和相位响应，进而根据得到的被测系统在一定频率范围内的频率响应，通过反傅里叶计算得到被测系统的时域响应。本发明可以使用任意周期信号作为频响测试信号，从而可以降低测试装置复杂度。

Description

一种光纤在线测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤通信在线测试领域，更具体地，涉及一种光纤在线测试装置及方法。

背景技术

随着光纤通信技术的成熟发展和“三网融合”服务需求的不断推动，在各种通信、数据网络中广泛采用光纤介质进行传输。在光网络测试、诊断方面，主要采用离线方式。离线方式工作量大、效率低，因此迫切需要光网络在线检测来解决该问题。在一些光网络系统中采用外置传统的OTDR(光时域反射仪)，使用非工作波长进行在线光程检测，但是这种方法成本高，操作和组网复杂。

目前光纤通信系统中普遍采用的光模块，一般只具备收发光的处理，而对于光网络的状态，只是通过收发两端的光模块发送接收光功率来大致得到光网络的插损，而无法得到光网络事件点的具体细节，如光纤接头、弯曲及断点等。

传统的OTDR在发送端发送测试脉冲，通过在光纤的发送端测试反射光来得到光纤OTDR曲线。OTDR曲线可认为是脉冲经过一个线性时不变系统的响应，进而OTDR曲线可以认为是测试脉冲与被测光纤冲击响应的卷积，冲击响应包含了光纤的特征。因此，从这个角度上看，得到光纤网络的冲击响应即可确定光纤上的事件点。

通过发送扫频正弦波的方式，可以获得一个系统的一定范围内频率响应，再通过反傅里叶变换可以得到在时域上的冲击响应曲线。

欧洲专利号为EP1884758A1的专利《ControlloopfortheintegratedsinewaveOTDRmeasurementonline》描述了使用正弦扫频方式的OTDR测量的光模块控制环路，该专利侧重于稳定发送光功率的控制环路及具体电路实现。其描述的方法可认为是一种正弦扫频方案。结合图1所示，通过专利描述的装置发送的数据信号调制了一个正弦频率信号，在OTDR接收处获取频率信号的频响(包括幅度和相位)。通过逐个频点测试，可以获得一定范围内的频率响应，反傅里叶变换后就可以得到其相应时域的冲击响应曲线。由于实际系统可以认为是个低通系统，因此通过变换得到的冲击响应近似与系统冲击响应，基本可以对光纤事件进行判断。

但上述方案存在如下缺点：采用正弦信号扫频，在控制上比较复杂，实现难度大。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种光纤在线测试装置及方法，能够降低光纤测试的复杂度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤在线测试装置，包括：周期波形发生器、驱动器、激光器、光向器、信号接收器，模数转换器和测试控制处理单元，其中：

所述驱动器用于将发送的下行数据与所述周期波形发生器产生的周期信号进行合成，并驱动激光器把相应的光信号发送到光纤上；

所述模数转换器用于，将所述信号接收器通过所述光向器接收到的模拟反射信号进行模数转换后，输入到所述测试控制处理单元；

所述测试控制处理单元用于，控制所述周期波形发生器产生一定频率的周期信号，并根据所述周期信号以及接收到的反射信号，计算被测系统各频点的幅度响应和相位响应，进而根据得到的被测系统在一定频率范围内的频率响应，计算得到被测系统的时域响应。

进一步地，所述测试控制处理单元用于，根据所述周期信号P_k(t)以及接收到的反射信号R_k(t)，按照以下方式计算被测系统各频点的幅度响应和相位响应：

利用傅里叶级数计算方法计算周期信号P_k(t)的基频的幅度及相位值；

利用傅里叶级数计算方法估算R_k(t)的由P_k(t)激励产生频率为f_k的响应信号的幅度及相位值；

将估算的幅度值除以P_k(t)的基频幅度值得到被测系统在该频点f_k的幅度响应用估算的相位值减去P_k(t)的基频相位值，得到被测系统在该频点f_k的相位响应

进一步地，所述测试控制处理单元用于，按照以下方式估算所述R_k(t)的频率为f_k的响应信号的幅度及相位值：

将R_k(t)数据按照T_k分成若干段，然后相加平均，得到一个周期的数据，按照傅里叶级数计算方法获得在该频点f_k的幅度及相位值；

或者，将R_k(t)数据按照T_k分成若干段，按照傅里叶级数计算方法计算每一段基频的幅度及相位值，每一段的幅度、相位值构成一个矢量，去除有明显差异的矢量后，通过最小二乘法估算在该频点f_k的幅度及相位值。

进一步地，所述测试控制处理单元用于，根据被测系统在一定频率范围内的频率响应，通过反傅里叶计算得到被测系统的时域响应。

进一步地，所述测试控制处理单元与主设备之间设有控制、数据接口，

所述控制、数据接口用于，从所述主设备接收测试命令，以及，向所述主设备反馈计算结果；或者，将周期信号和反射信号信息上报给所述主设备进行处理。

进一步地，所述装置还包括可调放大器，通过调整所述可调放大器的增益，使得所述信号接收器接收到的模拟反射信号处于所述模数转换器的采样范围内。

本发明还提供了一种光纤在线测试方法，包括：

将发送的下行数据与作为频响测试信号的周期信号进行合成后，发送到光纤；

通过光向器接收模拟反射信号，对接收到的模拟反射信号进行模数转换后，根据所述周期信号以及接收到的反射信号，计算被测系统各频点的幅度响应和相位响应，进而根据得到的被测系统在一定频率范围内的频率响应，通过反傅里叶计算得到被测系统的时域响应。

进一步地，根据所述周期信号P_k(t)以及接收到的反射信号R_k(t)，按照以下方式计算被测系统各频点的幅度响应和相位响应：

利用傅里叶级数计算方法计算周期信号P_k(t)的基频的幅度及相位值；

利用傅里叶级数计算方法估算R_k(t)的由P_k(t)激励产生频率为f_k的响应信号的幅度及相位值；

将估算的幅度值除以P_k(t)的基频幅度值得到被测系统在该频点f_k的幅度响应用估算的相位值减去P_k(t)的基频相位值，得到被测系统在该频点f_k的相位响应

进一步地，按照以下方式估算所述R_k(t)的频率为f_k的响应信号的幅度及相位值：

将R_k(t)数据按照T_k分成若干段，然后相加平均，得到一个周期的数据，按照傅里叶级数计算方法获得在该频点f_k的幅度及相位值；

或者，将R_k(t)数据按照T_k分成若干段，按照傅里叶级数计算方法计算每一段基频的幅度及相位值，每一段的幅度、相位值构成一个矢量，去除有明显差异的矢量后，通过最小二乘法估算在该频点f_k的幅度及相位值。

进一步地，所述周期信号包括：方波信号。

本发明提供一种使用光模块发送波长进行光纤测试的方案，可以使用任意周期信号作为频响测试信号，特别地，在使用周期方波作为测试信号时，收到的反射模拟信号转换为数字信号，从而可以降低测试装置复杂度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为发送数据上调制正弦波输出光信号示意图；

图2为发送数据上调制方波输出光信号示意图；

图3为本发明实施例的光纤在线测试装置的示意框图；

图4为本发明实施例的对单纤双向的光模块进行光纤测试的装置示意框图。

具体实施方式

本实施方式提供一种光纤在线测试装置，实现光模块发送波长的在线测试，该装置主要包括：周期波形发生器、驱动器、数据发送激光器(Laser)、光向器、光反射信号接收器(PD)、可调放大器、模数转换器(A/D)和测试控制处理单元。

其中，周期波形发生器用于产生周期波形；

驱动器主要用于将发送数据和周期调制信号合成并驱动Laser，输出稳定光调制信号；

测试控制处理单元主要用于完成以下功能：接收测试命令、接收测试配置模式、测试过程控制、测试原始数据处理、测试结果上报等。

其中，周期波形发生器产生的连续周期信号可以展开为傅里叶级数，且通过线性时不变系统稳态响应仍然为周期相同的周期信号，因此，通过对比两者的傅里叶基频幅度、相位值，即可以得到被测系统基频的响应。

基于上述的光纤在线测试装置，本实施方式还提供一种以使用光模块发送波长进行光纤在线测试的方法，具体采用如下技术方案：

步骤1.测试控制处理单元控制周期波形发生器产生周期为T_k的周期波形P_k(t)，其频率为f_k＝1/T_k。

步骤2.驱动器控制周期波形调制在数据信号之上，并通过激光器(Laser)发送。

设归一化数据高电平平均光功率为1，调制幅度为A。为了不影响正常通信，A比较小，一般为原幅度的5％～15％之间。

步骤3.激光器(Laser)发送的信号经过光向器(光向器可以是光环形器或者光耦合器)，到达光反射信号接收器(PD)，并通过调整放大器增益G，使接收信号尽可能在A/D采样的范围之内，启动A/D采样。

其中，启动A/D采样或选取采样点的起始时刻一般为周期信号的起点，便于相位比较。设接收波形为R_k(t)。

步骤4.利用傅里叶级数计算方法计算周期信号P_k(t)的基频的幅度及相位值

步骤5.利用傅里叶级数计算方法估算R_k(t)的由P_k(t)激励产生基频为f_k的幅度及相位值。

步骤6.去除电/光和光/电转换的效率以及增益G的影响，用估算的幅度值除以P_k(t)的基频幅度值则可得到被测系统基频点f_k的幅度响应用估算的相位值减去P_k(t)的基频相位值，则可以得到被测系统在该频点f_k的相位响应

步骤7.经过多次重复上述步骤1～6后，得到一定频率范围的频率响应通过用反傅里叶变换估算冲击响应

步骤8.将得到的冲击响应曲线的数据发给报警处理子系统进行相关处理。

进一步地，启动A/D采样之前需等待测试响应进入稳态，待系统稳定后，再调整放大器增益G，启动A/D采样。所需要的等待时间Ts由光纤的长度L决定，一般取：Ts≥2Ln/c，其中n为光纤折射率，c为光速。

进一步地，为简化处理方式而不考虑载波数据引起的随机噪声，设R_k(t)由P_k(t)在光纤系统中的响应和高斯白噪声组成，则估算响应信号f_k的幅度及相位值可以分别采取时域或频域的方式。

时域估计具体方式如下：将R_k(t)数据按照T_k分成若干段，然后相加平均，得到一个周期的数据，按照傅里叶级数计算方法获得f_k的幅度及相位值；

频域估计具体方式如下：将R_k(t)数据按照T_k分成若干段，按照傅里叶级数计算方法计算每一段基频的幅度及相位值，每一段的幅度、相位值构成一个矢量，去除有明显差异的矢量，然后通过最小二乘法(或其他算法)计算估计的幅度、相位值。

时域方法简单，计算量小；频域方式计算量大，但是可以去除一些明显有问题的矢量，也可以根据不同的噪声特性设计对应的估算算法，因此估算更精确。

进一步地，其中的处理计算工作可以由测试控制处理单元处理，也可以通过通信接口上报给主设备进行处理。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1为发送数据上调制正弦波输出光信号示意图，设归一化数据高电平平均发送光功率为1，调制度为A，正弦波周期为T_k，从图中可以看到数据为高电平时发送光功率在(1-A/2)至(1+A/2)之间任意变化。

图2为发送数据上调制方波输出光信号示意图，设归一化高电平平均发送光功率为1，调制度为A，方波周期为T_k，从图中可以看到数据为高电平时发送光功率在(1-A/2)和(1+A/2)两个点之间变化。需要说明的是，本发明适用于所有周期测试信号，包括正弦信号，但是由于采用方波实现成本更低，发送系统更简单可靠，因此，在以下的优选实施例中将以方波为例对本发明技术方案的实施进行描述。

实施例一

如图3所示，本实施例的光纤在线测试装置主要包括调制光信号的驱动器、数据发送激光器(Laser)，光反射信号接收器(PD)、可调放大器、模数转换器(A/D)和测试控制处理单元。其中，光模块的数据接收部分与现有模块基本没有区别，因此在附图中不再示出。

在本实施例中，测试控制处理单元控制周期波形发射器产生周期为Tk的方波S_k(t)，该方波可以转换为傅里叶级数：

S_k(t)＝2A/r[sinω_k(t)+1/3sin(3ω_k(t))+…sin(nω_k(t))+…]

其中， ${\mathrm{\ω}}_K=\frac{2\mathrm{\π}}{T_K},n=\mathrm{1,3,5}\·\·\·.$

有上式可以看出方波的基频幅度实际为4A/π，同样的调制度下，相比图1中的正弦波幅度高了13％(计算方法(4/π-1)×100％)。更高的幅度有利于提高接收端得信噪比。虽然方波中包含了奇数倍频率分量谐波，但由于谐波分量信号较弱，因此实际使用中不做处理。

fk的扫频范围需综合考虑，如A/D采样频率、数据对测试的影响、测试光纤长度和测试时间等，一般取几个kHz到几十个MHz。

当测试响应进入稳态后，启动A/D采样，并且起始点与方波起始点对齐，获取若干周期的采样信号R_k(t)。

估算基频的幅度、相位值，对比S_k(t)基频的幅度相位值，就可以得到被测单元的通过扫频得到扫频范围的从而估算出冲击响应。

在本实施例中，测试控制处理单元接收测试请求，完成所有计算，并通过控制、数据接口反馈计算结果。

实施例二

如图4所示，针对单纤双向的光模块，本实施例的光纤在线测试装置主要包括：调制光信号的驱动器，数据发送激光器(Laser)，波分复用器(WDM)，光探测器，TIA(TransImpadanceAmplifier，跨阻放大器)和线性放大器LA(LineAmplifier，线路放大器)，以及光反射信号接收器(PD)、可调放大器、模数转换器(A/D)和测试控制处理单元。

对于单纤双向的光模块，由于上下行波长不同，以及波分复用器的作用，因此，需要进行修正才能进行测试，参见图4，本实施例中，在现有的光模块的基础上增加了一个光探测器PD1，该PD1用于进行光程检测反射光的探测。

本实施例的导光和检测线路如下：反射的光通过WDM(具体为波分复用滤波片)后，被导向一个光探测器PD1，然后经可调放大器、模式转换器(A/D)和测试控制处理单元进行探测。其工作步骤与上面的实施例一相似，区别仅在于波分复用滤波片将来自模块外的上行光直接导向原有的探测器PD0，经TIA以及LA输入至探测和控制接口。

以上仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

Claims (10)

1.一种光纤在线测试装置，其特征在于，包括：周期波形发生器、驱动器、激光器、光向器、信号接收器，模数转换器和测试控制处理单元，其中：

所述驱动器用于将发送的下行数据与所述周期波形发生器产生的周期信号进行合成，并驱动激光器把相应的光信号发送到光纤上；

所述模数转换器用于，将所述信号接收器通过所述光向器接收到的模拟反射信号进行模数转换后，输入到所述测试控制处理单元；

所述测试控制处理单元用于，控制所述周期波形发生器产生一定频率的周期信号，并根据所述周期信号以及接收到的反射信号，计算被测系统各频点的幅度响应和相位响应，进而根据得到的被测系统在一定频率范围内的频率响应，计算得到被测系统的时域响应。

2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，

所述测试控制处理单元用于，根据所述周期信号以及接收到的反射信号，按照以下方式计算被测系统各频点的幅度响应和相位响应：

利用傅里叶级数计算方法计算周期信号的基频的幅度及相位值；

利用傅里叶级数计算方法估算反射信号的由周期信号激励产生频率为f_k的响应信号的幅度及相位值；

将估算的幅度值除以周期信号的基频幅度值得到被测系统在该频点f_k的幅度响应用估算的相位值减去周期信号的基频相位值，得到被测系统在该频点f_k的相位响应

3.如权利要求2所述的测试装置，其特征在于，

所述测试控制处理单元用于，按照以下方式估算所述反射信号的频率为f_k的响应信号的幅度及相位值：

将反射信号数据按照T_k分成若干段，然后相加平均，得到一个周期的数据，按照傅里叶级数计算方法获得在该频点f_k的幅度及相位值；

或者，将反射信号数据按照T_k分成若干段，按照傅里叶级数计算方法计算每一段基频的幅度及相位值，每一段的幅度、相位值构成一个矢量，去除有明显差异的矢量后，通过最小二乘法估算在该频点f_k的幅度及相位值；

所述T_k为所述周期信号的周期。

4.如权利要求2或3所述的测试装置，其特征在于，

所述测试控制处理单元用于，根据被测系统在一定频率范围内的频率响应，通过反傅里叶计算得到被测系统的时域响应。

5.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述测试控制处理单元与主设备之间设有控制、数据接口，

所述控制、数据接口用于，从所述主设备接收测试命令，以及，向所述主设备反馈计算结果；或者，将周期信号和反射信号信息上报给所述主设备进行处理。

6.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，

所述装置还包括可调放大器，通过调整所述可调放大器的增益，使得所述信号接收器接收到的模拟反射信号处于所述模数转换器的采样范围内。

7.一种光纤在线测试方法，其特征在于，包括：

将发送的下行数据与作为频响测试信号的周期信号进行合成后，发送到光纤；

通过光向器接收模拟反射信号，对接收到的模拟反射信号进行模数转换后，根据所述周期信号以及接收到的反射信号，计算被测系统各频点的幅度响应和相位响应，进而根据得到的被测系统在一定频率范围内的频率响应，通过反傅里叶计算得到被测系统的时域响应。

8.如权利要求7所述的测试方法，其特征在于，

根据所述周期信号以及接收到的反射信号，按照以下方式计算被测系统各频点的幅度响应和相位响应：

利用傅里叶级数计算方法计算周期信号的基频的幅度及相位值；

利用傅里叶级数计算方法估算反射信号的由周期信号激励产生频率为f_k的响应信号的幅度及相位值；

将估算的幅度值除以周期信号的基频幅度值得到被测系统在该频点f_k的幅度响应用估算的相位值减去周期信号的基频相位值，得到被测系统在该频点f_k的相位响应

9.如权利要求8所述的测试方法，其特征在于，

按照以下方式估算所述反射信号的频率为f_k的响应信号的幅度及相位值：

将反射信号数据按照T_k分成若干段，然后相加平均，得到一个周期的数据，按照傅里叶级数计算方法获得在该频点f_k的幅度及相位值；

或者，将反射信号数据按照T_k分成若干段，按照傅里叶级数计算方法计算每一段基频的幅度及相位值，每一段的幅度、相位值构成一个矢量，去除有明显差异的矢量后，通过最小二乘法估算在该频点f_k的幅度及相位值；

所述T_k为所述周期信号的周期。

10.如权利要求7、8或9所述的测试方法，其特征在于，

所述周期信号包括：方波信号。