CN102324969A

CN102324969A - 一种接收端光功率在线检测装置及其实现方法

Info

Publication number: CN102324969A
Application number: CN201110200643A
Authority: CN
Inventors: 刘亮; 徐大可; 张雷; 杨春瑜; 蔡一磊
Original assignee: Guodian Nanjing Automation Co Ltd
Current assignee: Guodian Nanjing Automation Co Ltd
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-07-18
Also published as: CN102324969B

Abstract

本发明公开了一种接收端光功率在线检测装置及其实现方法，接收端光功率在线检测装置，包括通用ONU模块和数据采集处理模块，所述通用ONU模块包括光电转换及运算放大电路，其特征在于：在通用ONU模块上增加一个外部BNC端子，BNC端子与运算放大电路的输出端相连。本发明可以在光纤通信系统正常通信的情况下，实现光纤通道状态的实时在线监测。

Description

一种接收端光功率在线检测装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及电力系统应用中的光纤通信领域，尤其涉及一种接收端光功率在线检测的装置和实现方法。

背景技术

PON（Passive Optical Network，无源光网络）系统由于其高速、高带宽、长传输距离和低成本的特点，越来越广泛地应用于现代生产生活中。PON系统由如下几个部分组成：ONU（Optical Network Unit，光网络单元）、ODN（Optical Distribution Network，光分配网络）和OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）。数据方向从OLT到ONU的方向为下行方向，反之为上行方向。

PON系统基于WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）技术，采用不同光波分别传输上行和下行数据。其中对下行数据的传输采用广播技术（在分光器上进行光信号复制），对上行数据的传输采用TDMA（Time Division Multiplex Address，时分多址）技术。

由于光通讯的强抗电磁干扰能力等优点，PON被广泛应用于目前的电力系统中。一个典型的例子是继电保护中的光纤纵差保护。纵差保护装置对应PON系统中的ONU单元，通过光纤通道接收对端的同步采样电流数据，决定其保护是否动作。由于电力系统中的应用多具备实时性特点，因此对光纤通道的稳定性和可靠性有严格的要求。

光纤损耗是光纤通道的重要参数，是影响PON系统通信质量的关键因素。电力系统应用场景中，环境往往比较恶劣，光纤损耗不仅与铺设时的工程操作有关，还会随着光纤的老化逐渐增大。为保证光纤通信的稳定性和可靠性，需要对光纤损耗进行跟踪监测，必要时替换光纤通道。

光纤损耗检查的常用方法是通过测量光纤的传输光功率，计算光纤通道的的损耗量。对于铺设完毕的光纤，目前需要通过人工断开光纤传输通道，将通信光纤的接收端接入光功率测量设备进行检测。这样的操作一方面会中断光纤通信，另一方面还容易造成将光纤接回通信系统时的接头对位偏移，影响光通信质量。因此，需要一种自动在线监测光功率的方法。

当前市场上的ONU设备只提供光通信功能。如果对光信号直接进行采样处理，在不影响通信的前提下进行接收端的光功率在线监测，需要在光纤通道中加入光学设备进行光信号切割，对切割出的光信号进行光电转换、采样处理。这会导致硬件成本和系统复杂度急剧增加。而且由于引入更多的噪声，无法保证测量精度。

在上述问题之外，由于光纤通信中采用的调制方式是具有噪声特性的非相干光的光强调制，数字信号的发送通过光开关产生的光脉冲来实现，因此，接收端光功率检测还存在以下技术问题需要解决：1）采样点的选择：若采样点落在光脉冲调制的“0”上，得到的采样信息反映的光功率几乎为0，无法区分是由于采样造成，还是由于光纤通道中断或光纤损耗过大造成；2）采样信号的噪声影响：即使采样点落在光脉冲调制的“1”上，由于光纤通道具有噪声特性，得到的光脉冲采样信息能否真实反映光纤通道中的光功率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：在电力应用的光纤通信系统中，针对接收端光功率在线检测的实际需求，提供一套硬件装置及基于此装置的在线光功率检测方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种接收端光功率在线检测装置，包括通用ONU模块和数据采集处理模块，所述通用ONU模块包括光电转换及运算放大电路，其特征在于：在通用ONU模块上增加一个外部BNC端子，BNC端子与运算放大电路的输出端相连。

前述的一种接收端光功率在线检测装置，其特征在于：所述数据采集处理模块包括运算放大器、模数转换芯片ADC和运算控制芯片FPGA，BNC端子的输入电压通过运算放大器进行放大，放大后的电压分别接ADC芯片的模拟输入引脚和FPGA芯片的一个I/O输入引脚，FPGA与ADC连接。

本发明的收端光功率在线检测的装置的ONU模块基于通用ONU模块进行了改进，它在通用ONU模块上增加了一个外部BNC端子，BNC端子输出的是通用ONU模块光电转换及运算放大电路输出的电压，对通用ONU模块进行上述改造十分简单，在硬件成本上基本没有影响。

数据采集处理模块包括运算放大器、模数转换芯片ADC和运算控制芯片FPGA。其中，BNC端子的输入电压通过运算放大器进行放大，放大后的电压分别接ADC芯片的模拟输入引脚（用以采集模拟电压值）和FPGA芯片的一个I/O输入引脚（用来作为采样允许信号）。FPGA和ADC之间的连接参照所选用ADC芯片的技术手册进行，数据可以是串行输出，也可以是并行输出。

本发明同时提供一种前述的接收端光功率在线检测装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）S0：等待状态，系统上电或复位后，FPGA进入S0，此时可以进行光纤通道中断检测：设定一个计时器，例如1秒，若FPGA处于等待状态超过计时器的计时时间，说明光纤通道中断，FPGA需要启动相应的报警机制，计时器的时间长度可以根据应用场景的具体要求进行设置，在计时器溢出之前，若BNC端子发生电平变化，FPGA清零计时器，跳出S0，进入S1状态，这里要说明的是，FPGA与BNC端子连接的引脚采用电平触发方式，可以保证对采样点的及时响应；

2）S1：BNC信号电平检测状态，S1状态中，FPGA检查运算放大输入的BNC信号是否为高电平，若是高电平，说明有光脉冲转换的电压量到达，FPGA跳出S1，进入S2；若是低电平，说明当前不是合适的采样点，FPGA返回S0；

3）S2：ADC采样状态，进入S2状态后，FPGA通知ADC芯片进行数据采样和模数转换，当ADC芯片采样转换完毕后，FPGA无条件进入S3；

4）S3：采样值累加状态，进入S3状态后，FPGA将获取的电压数字量加到前些次采样的累加和上；

在所述步骤4）中，设采样次数为N，在S3状态中，设置一个采样次数计数器用以存放已进行的采样次数，FPGA进行采样值累加之后，将此计数器加1，然后检查计数器值是否等于N，若等于N，FPGA清零计数器，跳入S4状态；否则直接返回S1；

5）S4：光功率计算状态，进入S4状态后，FPGA将累加值进行算术平均（除以N），获取一个降噪之后的电压值，然后进行光功率计算；若计算得到的光功率过低，FPGA启动相应报警机制；若计算值大于光功率阀值，FPGA清零累加值，返回S1状态。

本发明的接收端光功率在线检测装置及其在线检测的实现方法的原理如下：

由于光纤通信中数字信号的调制是通过光开关产生的光脉冲来实现的，因此，光功率的检测实际上是对数字“1”调制的光脉冲功率的检测。

由于光纤中只有“1”对应的光脉冲才会使得接收端ONU模块的光电二极管产生电流，经过I-U转换后由运算放大电路输出电压。因此，在改进型ONU模块的BNC端子输出电平为高时进行采样，可以确保能够采集到光功率信号（BNC端子输出的电压信号），这就解决了前述问题1）：采样点的选择。

对于前述问题2）：采样噪声干扰，本发明采用算术平均的方法来进行降噪，对电压的采样值进行累加平均。由信号检测方法理论可知，若采样次数为N，则算术平均方法可以提高信噪比N^1/2倍。进一步地，若不考虑采样时刻的噪声影响，N可以取1，这时得到的采样值为实时采样值，可以用来计算实时光功率。

得到算术平均的采样值后，根据电压-光功率的对应关系，可以通过公式计算或查表法得到接收端接收的光功率。

对于上述描述的接收端光功率在线检测方法，若在实施过程中发生光纤通道中断，数据采集处理模块会因为无法采集到有效电压信号而一直等待。对此，本发明设置了看门狗机制：设定一个时间段T，数据采集处理模块若在T时间段内没有检测到BNC端子输出任何电压信号，则认为光纤通道中断，需要启动相应的处理机制。

本发明的接收端光功率在线检测装置及其在线检测的实现方法，可以在光纤通信系统正常通信的情况下，实现光纤通道状态的实时在线监测。本发明提出了光脉冲调制方式下采样点的选取方法，解决了采样操作中采样点选取的难题；本发明还提出了算术平均方法的信号降噪处理，可以有效提高测量精度。与现有技术和测试方法相比较，本发明控制了硬件成本，减小了检测噪声，提供了一套简易可行的检测方法。本发明解决了光纤通信技术在电力系统应用中面临的通道在线检测问题，便于光纤通信网络的诊断和维护，节约了系统维护成本，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明中改进型ONU模块的电路原理框图；

图2是本发明中数据采集处理模块的电路原理框图；

图3是本发明中数据采集处理模块FPGA的FSM建模。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明所设计的硬件装置及接收端光功率在线检测方法，是为了实现电力系统中的光纤通道监测自动化，克服当前人工测量带来的通信中断等影响，提高系统的可靠性，节约系统的维护成本。

A. 硬件装置及连接描述

1）改进型ONU模块是基于通用ONU模块的，它改动了通用ONU模块的接收功能部分，参见附图1。通用ONU模块采用光电转换二极管APD进行光脉冲接收：APD将光脉冲转化为电流，这个电流的大小反映了光强（光功率）的大小。APD转化的光电流通过电流-电压转换，经过运算放大器，输出放大的电压信号。改进型ONU在这个点上，将此电压信号额外引出一条通路至外部BNC端子，供数据采集处理模块进行处理。由于此电压信号仍然供ONU其它模块使用，故而不会影响ONU的通信功能。

2）数据采集处理模块主要由运算放大、ADC和FPGA组成，参见附图2。运算放大主要用以隔断数据采集模块连接ONU模块时对其造成的信号影响，在必要时也可以进行电压值放大。运算放大输入端通过BNC端子接收改进型ONU输出的电压值，运算放大输出端连接至ADC芯片的模拟量输入引脚和FPGA芯片的一条输入引脚，分别作为采集数据来源和采样点选择信号；FPGA一条输出引脚连接ADC芯片，做为通知ADC启动采样的信号；ADC的数字输出引脚连接FPGA的输入引脚，用以传送采样电压转换的数字量。

B. 光功率检测方法

结合附图3描述的有限状态机FSM的建模，通过状态和状态转换条件描述，进一步说明FPGA的具体处理流程。

1）S0：等待状态。系统上电或复位后，FPGA进入S0。此时可以进行光纤通道中断检测：设定一个计时器，例如1秒。若FPGA处于等待状态超过1秒，说明光纤通道中断，FPGA需要启动相应的报警机制。报警机制不在本发明的涵盖范围内，这里就不再深入阐述。计时器的时间长度可以根据应用场景的具体要求进行设置。在计时器溢出之前，若BNC端子发生电平变化，FPGA清零计时器，跳出S0，进入S1状态。这里要说明的是，FPGA与BNC端子连接的引脚采用电平触发方式，可以保证对采样点的及时响应；

2）S1：BNC信号电平检测状态。S1状态中，FPGA检查运算放大输入的BNC信号是否为高电平。若是高电平，说明有光脉冲转换的电压量到达，FPGA跳出S1，进入S2；若是低电平，说明当前不是合适的采样点，FPGA返回S0；

3）S2：ADC采样状态。进入S2状态后，FPGA通知ADC芯片进行数据采样和模数转换。当ADC芯片采样转换完毕后，FPGA无条件进入S3。

4）S3：采样值累加状态。进入S3状态后，FPGA将获取的电压数字量加到前些次采样的累加和上。本发明提到采用算术平均的方法进行降噪处理，设采样次数为N。在S3状态中，有一个采样次数计数器用以存放已进行的采样次数。FPGA进行采样值累加之后，将此计数器加1，然后检查计数器值是否等于N。若等于N，FPGA清零计数器，跳入S4状态；否则直接返回S1。

5）S4：光功率计算状态。进入S4状态后，FPGA将累加值进行算术平均（除以N），获取一个降噪之后的电压值，然后进行光功率计算。光功率计算方法不在本发明的涵盖范围内，在此不再做进一步说明。若计算得到的光功率过低，FPGA启动相应报警机制；若计算值大于光功率阀值，FPGA清零累加值，返回S1状态。

通过上述处理步骤，FPGA在S4状态就可以得到光功率的检测值。

以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与装饰，均应包含在本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种接收端光功率在线检测装置，包括通用ONU模块和数据采集处理模块，所述通用ONU模块包括光电转换及运算放大电路，其特征在于：在通用ONU模块上增加一个外部BNC端子，BNC端子与运算放大电路的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的一种接收端光功率在线检测装置，其特征在于：所述数据采集处理模块包括运算放大器、模数转换芯片ADC和运算控制芯片FPGA，BNC端子的输入电压通过运算放大器进行放大，放大后的电压分别接ADC芯片的模拟输入引脚和FPGA芯片的一个I/O输入引脚，FPGA与ADC连接。

3.根据权利要求1所述的接收端光功率在线检测装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）S0：等待状态，系统上电或复位后，FPGA进入S0，此时进行光纤通道中断检测：设定一个计时器，若FPGA处于等待状态超过计时器的计时时间，说明光纤通道中断，FPGA启动相应的报警机制，在计时器溢出之前，若BNC端子发生电平变化，FPGA清零计时器，跳出S0，进入S1状态；

5）S4：光功率计算状态，进入S4状态后，FPGA将累加值进行算术平均，获取一个降噪之后的电压值，然后进行光功率计算；若计算得到的光功率过低，FPGA启动相应报警机制；若计算值大于光功率阀值，FPGA清零累加值，返回S1状态。

4.根据权利要求3所述的接收端光功率在线检测装置的实现方法，其特征在于，所述步骤1）中，FPGA与BNC端子连接的引脚采用电平触发方式。

5.根据权利要求3所述的接收端光功率在线检测装置的实现方法，其特征在于，所述步骤4）中，设采样次数为N，在S3状态中，设置一个采样次数计数器用以存放已进行的采样次数，FPGA进行采样值累加之后，将此计数器加1，然后检查计数器值是否等于N，若等于N，FPGA清零计数器，跳入S4状态；否则直接返回S1。