CN1913398A

CN1913398A - 用于监控光传输线路的方法、相应的测量设备和光发射机

Info

Publication number: CN1913398A
Application number: CN200610115724.6A
Authority: CN
Inventors: 沃尔弗拉姆·劳滕施拉格尔
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel Lucent NV
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: CN1913398B; DE602005003941T2; US20070036545A1; DE602005003941D1; ATE381818T1; EP1753159A1; EP1753159B1; US7400387B2

Abstract

一种用于监控光数据网络的光传输线路(6)的方法，其中在线路输入端(5)将光(45)发送到所述光传输线路(6)中，并且在所述线路输入端(5)检测所述光(45)的反向散射光(46)并对其进行分析，所述方法的特征在于：在所述光网络的正常操作期间，在所述线路输入端(5)将携带数字有效载荷的突发模式光信号(45)发送到所述光传输线路(6)上，并且在所述线路输入端(5)检测所述突发模式光信号(45)的所述反向散射光(46)并对其进行分析。本发明方法既简单又经济。

Description

用于监控光传输线路的方法、相应的测量设备和光发射机

技术领域

本发明涉及一种用于监控光数据网络的光传输线路的方法，其中在线路输入端将光发送到光传输线路中，并且在所述线路输入端检测所述光的反向散射光并对其进行分析。

背景技术

例如2000年10月18-20日W.Bludau在Ostfildern-Nellingen(德国)举行的讨论会“Nachrichtenübertragung mit Lichtwellenleitern(用光缆进行信号传输)”，Technische Akademie Esslingen(埃斯林根技术学院)上的演讲“Messverfahren zur Charakterisierung vonLichtwellenleitern und-komponenten(光缆及其组份的特性的测量方法)”中已经公开了这种方法。

使用光网络来传送数字数据。为了该目的，光网络需要全功能光传输线路。因此，特别是在安装时和在特定传输线路上发生数据传送问题的情况下，需要检查光传输线路。

一种检查光传输线路状态的方法是如在W.Bludau的演讲中公开的光时域反射仪(OTDR)，请参见上文。将短测试光脉冲发送到光纤中以激活光纤中的瑞利反向散射。对反向散射光进行检测。当光纤是全功能的时，反向散射光随时间变化的测绘曲线是指数下降的曲线。在光纤中存在缺陷的情况下，在曲线上记录了突然的变化。在光纤输入端的照度(illumination)与反向散射光的记录之间的时间延迟表明了光纤中已经发生的问题散射事件的位置。为了使用该已知方法来检查光纤状态，必须中断数据传送服务(特别是对于发送短测试脉冲)，并且必须手工地重新配置光纤连接，这使得该方法烦琐又昂贵。

在修改的OTDR方法中，在连续的数据调制之上实现正弦波调制(即超级调制)，并且测量反向散射信道的复频率特性，随后进行逆傅立叶变换。从而获得所需的冲激响应。该修改的方法使用工作数据信道，但是其减小了数据调制的消光比。此外，其需要调制器及其驱动器的线性操作。线性操作的驱动器和调制器比使用非线性的开/关调制技术的普通光数据发射机更昂贵。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于监控光传输线路的方法，该方法既简单又经济。

根据本发明，通过如在开头描述的方法实现了这个目的，该方法的特征在于：在所述光网络的正常操作期间，在线路输入端将携带数字有效载荷的突发模式光信号发送到光传输线路上，并且在所述线路输入端检测所述突发模式光信号的反向散射光并对其进行分析。

在分析期间，对原始输入信号(优选地，仍然处于其数字状态)和反向散射光信号进行相关。根据本发明，使用从电话和调制解调器的设计中获悉的信道估计技术来估计反向散射信道。这些技术是可应用的，原因是反向散射信道是足够平稳的，并且原因是输入信号包含相关频谱分量，该后一个要求是在没有任何附加调制的情况下使用异步光突发模式传输来实现的。

通过该方法，可以实现对光传输线路的监控，实现多种优点：

自动的远程服务期间(in-service)监控：与经典的OTDR形成对照，本发明可在光网络的正常操作期间应用。既不需要为了测量中断服务，也不需要手工地插入设备。

回避了给现有的发射机添加附件的技术：与其他服务期间测量技术形成对照，本发明不需要对发射机信号通路进行任何修改。

可应用于光突发模式：本发明使用光突发模式(PON(各种无源光网络))，其允许使用便宜且广泛使用的设备。相反，已知的超级调制方法不能应用于光突发模式。

在本发明方法的优选变型中，对突发模式光信号和反向散射突发模式光信号进行相关，以通过傅立叶变换/逆傅立叶变换，和/或自动和交叉相关分析，和/或自适应数字滤波来估计信道参数。这些信道参数估计技术已经在实践中得到了检验和测试。注意：根据本发明，对于分析来说，原始信号可以仍然处于数字有效载荷数据状态(即在被馈送到驱动器单元和激光器/调制器单元之前)，以用于与反向散射突发模式光信号进行相关。后者独立于所使用的信道参数估计技术。

本发明的一个非常优选的变型的特征在于对突发模式光信号和反向散射突发模式光信号进行相关，以通过自适应数字滤波来估计信道参数，

并且该方法的特征在于对于分析方法来说，

限制数字有效载荷信号的频带并且将其下采样到所需的频谱范围，

然后由充当信道模型的自适应有限冲激响应(即FIR)滤波器对所得到的信号进行滤波，

然后将所述信道模型的输出与实际反向散射信道的输出进行比较，

将所得到的误差信号馈送到自适应算法，该自适应算法以最小化平均二次误差的方式来调整滤波系数，

并且在算法收敛之后，读出滤波系数以便提供光时域反射仪(即OTDR)测绘曲线。该变型详述了可以容易地使用便宜的设备来实现的自适应数字滤波。所需的频谱范围依赖于待监控的光传输线路。第一，频率下限表明了待监控的长度，其中越长的长度需要越小的频率下限。第二，频率上限表明了监控的空间解析度，其中越高的空间解析度需要越高的频率上限。通常根据现场维护人员的需求来选择空间解析度。

在对所述变型的进一步发展中，所需的频谱范围包括5kHz到5MHz的范围。假设光传输线路中的典型光速为2/3c₀(c₀：真空中的光速)，则该范围对应于大约20km的监控总长度和10m的空间解析度。这些值是在快速地且以可接受的工作量发现现有光网络中的光纤问题的实践中有用的值。

一种测量设备同样在本发明的范围内，该测量设备包括用于执行上文描述的发明方法的步骤的装置。可以简单地将这种测量设备添加到现有的光发射机。基本上，该测量设备需要访问数字有效载荷，这可以在没有任何模拟设备而仅使用附加的电线抽头的情况下实现，并且该测量设备要求在光传输线路的线路输入端测量反向散射光的可能性。安装了本发明的测量设备后，传输机信号通路保持不受影响。该测量设备通常分别包括分束器、低速光接收机、A/D(模拟/数字)转换单元和提供OTDR测绘曲线或相应数据的处理设备。

此外，一种光发射机也在本发明的范围内，该光发射机包括上文描述的本发明的测量设备。可以持续不断地监控该光发射机将其光发射到其中的光传输线路。

本发明的光发射机的一个优选实施例的特征在于：

将数字有效载荷数据输入直接连接到(并且将数字有效载荷数据提供给)处理设备和驱动器单元，

驱动器单元连接到激光器/调制器单元，

激光器/调制器单元通过分束器将光馈入光传输线路的线路输入端，

分束器将来自光传输线路的线路输入端的反向散射光反射到低速光接收机上，

低速光接收机连接到A/D转换单元，

A/D转换单元连接到处理设备，

并且处理设备具有用于提供光时域反射仪(即OTDR)测绘曲线的输出端。

该实施例既简单又便宜。

在该实施例的进一步进展中，设计驱动器单元和激光器/调制器单元使得其生成突发模式光信号。

从说明书和附图中可以提炼出更多的优点。可以根据本发明独立地或以任意组合方式共同地使用上文和下文提到的特征。所述实施例不应该理解为穷尽的枚举，而应该理解为具有用于描述本发明的示例性特性。

附图说明

在附图中示出了本发明。

图1示出了现有技术的不具有光纤监控的光发射机的示意图；

图2示出了具有使用超级调制的现有技术的具有光纤监控的光发射机的示意图；

图3示出了使用突发模式光信号的根据本发明的具有光纤监控的光发射机的示意图；

图4示出了一个用于在本发明的光发射机中使用的处理设备的实现例子。

具体实施方式

导言

利用瑞利散射的光纤监控是一种众所周知的估计现场安装的光纤是否正常的已知技术。基本概念如下：

在给定的光纤段，因散射而损失了一部分入射光，并且散射光的一部分传播回初始的光纤输入端。在光纤输入端可以测量反向散射光。遗憾的是其不够显著，因为它是来自光纤的所有(无限小的)段的贡献的叠加。为了获得对特定光纤段的测量，可以给光纤馈送短脉冲。该脉冲以恒定速度沿着光纤传播。其在任意时间只波及一短段光纤。当反向散射光返回到光纤输入端时，其经历与脉冲所经历的相同的延迟和相同的衰减。因此，反向散射光随时间变化的测绘曲线给出了整个光纤上光功率分布的度量。可以表明，对于均匀光纤，该测绘曲线是一个具有常数衰变的指数曲线，或者在对数测绘曲线中是一条直线。下降的突然变化表明了光纤中的潜在问题(大弯曲、拉伸等)。从测绘曲线的开始到异常处的延迟表明了沿光纤到问题位置的距离。所概述的方法称为光时域反射仪(OTDR)。

从系统理论的角度来说，OTDR只不过是对反向散射信道的冲激响应的测量：将短脉冲输入信道并且测量随时间变化的输出信号(反向散射光)。因此，用于确定未知冲激响应的所有其他的已知技术也可以应用于OTDR测量。其中的一种技术是在对反向散射信道的复频率特性进行测量后接着进行逆傅立叶变换。在这种情况下，输入信号是正弦波调制的激光束。对于一系列等距频率，反向散射光的调制幅度和调制相位都需要被确定。所测量序列的逆傅立叶变换是所需的冲激响应。该方法相对于原始的OTDR具有多个优点(pro)和缺点(con)。最大的优点之一是：对单一频率响应采样的测量仅是在相干解调后对常数平均电平的检测。该方法可以容易地消除由未进行相关的噪声产生的干扰。

考虑进一步的细化，如果激光束不是恒定的而是调制的光信道。光信道使用对所传输的数据比特的线路编码以及/或者扰码。以这种方式，即使在相对较短的周期上，平均光功率也是恒定的。与上文提到的频率响应方法的平均一起，可以将这种方式用于同时传输数据和测量反向散射信道。为此，必须由具有较小消光的正弦波在已调制的数据信号之上对其进行调制。对于数据信道，正弦波超级调制仅少量地减小了眼图张开度。对于反向散射信道，数据调制是一种可以通过上述频率响应方法的平均特征来抑制的噪声。该方法的最大优点是这样的事实：其使用了工作数据信道而不是专用的测试信号。然而，超级调制也具有一些基本缺陷：

1.数据和正弦波调制都共享同一载波-光功率。使用给定的调制方法，两者中的任何一个都不能使用完全的消光，其每个都必须为对方让出一些空间。

2.两个调制信号的重叠需要调制器及其驱动器的线性操作。相对于普通的光数据发射机来说，这是一个大区别(工作量、费用)，普通的光数据发射机中可应用完全非线性的调制技术，甚至开/关调制技术。

在突发模式中的反向散射信道估计

本发明基于上文说明的测量原理但是其避免了对发射机信号进行额外的超级调制的需要。这样，调制器和驱动器电路保持与用于不包括光纤监控的传统发射机的调制器和驱动器电路完全相同。光纤监控变得不需要向常规发射机插入任何附件。

不仅可以通过专用的正弦波调制的输入信号而且还可以通过任何其他的任意输入信号来确定反向散射信道的频率响应。在这种情况下，信道的频率响应是反向散射频谱除以输入频谱的复数商。然而，从故障传播角度讲，要求输入频谱在相关频谱范围内足够平坦且不等于零。只要输入频谱和输出频谱的检测周期相同，就不要求输入频谱是恒定的(平稳的)。

可以按如下方式粗略估计相关的频谱范围：冲激响应持续时间是最大光纤长度除以传播速度之后的两倍。由所需的故障定位精确度给出采样周期。(例如20km的光纤对应于(2×20km)/(2/3c₀)＝200μs的冲激响应持续时间，10m的空间解析度对应于(2×10m)/(2/3c₀)＝0.1μs的采样周期，冲激响应总计约为2000个采样。)根据采样定理，反向散射信道的频率上限是采样周期倒数的一半。(在本文的例子中是5MHz的带宽，频率间隔为5kHz。)

回到常规数据调制是否包含足够大的频谱分量以便确定反向散射信道的频率响应的问题，可以看到：在Gbit/s范围中的连续数据调制不包含相关的频谱分量5kHz-5MHz。有意地通过适当的线路编码和扰码从频谱中排除了该低频范围，以便避免关于AC耦合的电路的问题。然而，并且这是本发明的核心，与连续数据信号形成对照，异步光突发模式信号没有带宽下限。其包含下至DC的所有频率。信号频谱是依赖于业务的，并且是非平稳的。这意味着不是所有的频谱分量都会存在于每个观察窗中，但是可以假设在足够长的观察周期上所有相关频率都会出现。

可以在不考虑模拟驱动器或调制器特性(这至少对于所讨论的低频分量是正确的)的情况下，根据对所传输的数据比特的了解来计算基带调制数字信号的频谱。对于反向散射信道估计，这意味着：根据所传输的数据比特计算实际的输入频谱。既不需要具有超级调制，也不需要线性驱动器/调制器链，也不需要对实际输入频谱进行模拟测量。

实现

上文的讨论产生了必需的构造模块和操作形式。然而，所概述的通过使用快速傅立叶变换(FFT)的算法并不是唯一可能的实现方式。自适应滤波设计也已经广泛地用于信道估计。例如，免提电话中的回声消除使用了声学回声信道的自适应信道模型。双向调制解调器使用了自适应信道估计以补偿铜电缆串话。自适应滤波器设计使用用于信道估计的各种方法。与上文的频域解决方案的主要不同是，数字和算法的复杂性、收敛速度、鲁棒性。其中的大多数不同也可应用于反向散射信道估计。除了所有的不同之外，所有的信道估计方法共同具有对输入信号的频谱要求，正如前一部分所讨论的一样。不依赖于实现方式，如果相关频谱分量出现在数据中，则可以对反向散射信道进行数字计算，这是用于异步光突发模式的情况但不是用于连续调制的情况。

图1示出了现有技术的没有光纤监控的光发射机。将数字有效载荷数据信号1馈入驱动器单元2，该驱动器单元2驱动激光器/调制器单元3。将生成的调制激光束4馈入光传输线路6(即光纤)的线路输入端5。

图2示出了具有基于超级调制的光纤监控的现有技术的光发射机。在调制单元21上，将在信号发生器23上生成的模拟正弦波信号22调制到数字有效载荷数据信号1上。将所得到的调制信号24馈入线性驱动器单元25。线性驱动器单元25驱动激光器/调制器单元3，并且将其调制的激光束4馈入光传输线路6的线路输入端5。为了该目的，已调制的激光束4通过分束器26。在光传输线路6的线路输入端5发射的反向散射光27在分束器26处被反射到低速光接收机28上。其测量的信号在A/D转换单元29中经历模拟到数字的转换，并且被馈入处理设备30。处理设备30还接收在另一个A/D转换单元31中进行A/D转换之后的正弦波信号22。在处理设备30中，执行对那里接收的两个信号的相关，以便生成OTDR测绘曲线。

总结图2，在数据信号之上调制测试信号(即正弦波信号)。分束器将反向散射光与所传输的光分离。可以通过傅立叶变换/逆傅立叶变换根据测试信号和反向散射光来计算OTDR测绘曲线。

图3示出了根据本发明的具有光纤监控的光突发模式发射机41。直接将在数字有效载荷数据输入端(未示出)提供的数字有效载荷数据1同时馈入驱动器单元42和处理设备43。驱动器单元42驱动激光器/调制器单元44，其中驱动器单元42和激光器/调制器单元44一起生成突发模式光信号45。其通过分束器26并且进入光传输线路6的线路输入端5。该光的一部分被散射回去，并且突发模式光信号45的反向散射光46在分束器26处被反射并被馈入低速光接收机28。在A/D转换单元47上将其信号转换成数字信号，并且将其馈入处理单元43。在处理设备43上，生成OTDR测绘曲线，并且在输出端48上可以获得该OTDR测绘曲线。

总结图3，不需要人工的测试信号。突发模式光信号包含足够的频谱分量以计算OTDR测绘曲线。由于数字信号的开/关键控，低频分量不会受制于驱动器调制器链的非线性。处理设备可以通过任意下述信道估计技术来计算OTDR测绘曲线：傅立叶变换/逆傅立叶变换、自动和交叉相关分析、自适应数字滤波器。

在图4中，给出了一个使用自适应数字滤波的处理设备的实现例子。此处只是为了完整性而给出这个例子。

首先，在低通和抽取设备51处限制数字有效载荷信号1的频带并且将其下采样(down sample)到所需的频谱范围。然后由充当信道模型的自适应FIR(有限冲激响应)滤波器52对所得到的信号x进行滤波。然后将信道模型的输出y与实际反向散射信道的输出z进行比较。将所得到的误差信号ε馈送到自适应算法53，该自适应算法53以最小化平均二次误差(E[ε²]-＞min)的方式来调整滤波系数a₁-a_N。

用于所估计的信道输出y的、时间步长为k的滤波函数是：

y_{k} = Σ_{i = 0}^{N} a_{i} x_{k - i}

系数a_i的自适应算法是：

a_{i}^{k + 1} = a_{i}^{k} + {γ \cdot x}_{k - i} \cdot (z_{k} - y_{k})

其中a_i ^k表示时间步长为k的第i个滤波系数。γ是较小的正值常数，其控制了算法的收敛速度和鲁棒性。

在算法收敛之后，系数a₀-a_N是期望的OTDR测绘曲线的采样。

Claims

1.一种用于监控光数据网络的光传输线路(6)的方法，其中在线路输入端(5)将光(45)发送到所述光传输线路(6)中，并且在所述线路输入端(5)检测所述光(45)的反向散射光(46)并对其进行分析，

所述方法的特征在于：

在所述光网络的正常操作期间，在所述线路输入端(5)将携带数字有效载荷的突发模式光信号(45)发送到所述光传输线路(6)上，并且在所述线路输入端(5)检测所述突发模式光信号(45)的所述反向散射光(46)并对其进行分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对所述突发模式光信号(45)和所述反向散射突发模式光信号(46)进行相关，以通过傅立叶变换/逆傅立叶变换，和/或自动和交叉相关分析，和/或自适应数字滤波来估计信道参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对所述突发模式光信号(45)和所述反向散射突发模式光信号(46)进行相关，以通过自适应数字滤波来估计信道参数，

并且所述方法的特征在于对于分析方法来说，

限制所述数字有效载荷信号(1)的频带并且将其下采样到所需的频谱范围，

然后由充当信道模型的自适应有限冲激响应(FIR)滤波器(52)对所得到的信号进行滤波，

将所得到的误差信号馈送到自适应算法(53)，所述自适应算法(53)以最小化平均二次误差的方式来调整滤波系数，

并且在所述算法(53)收敛之后，读出所述滤波系数以便提供光时域反射仪(OTDR)测绘曲线。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述所需的频谱范围包括5kHz到5MHz的范围。

5.一种测量设备，其包括用于执行权利要求1中所限定的方法的步骤的装置。

6.一种光发射机(41)，其包括根据权利要求5所述的测量设备。

7.根据权利要求6所述的光发射机(41)，其特征在于：

将数字有效载荷数据输入直接连接到处理设备(43)和驱动器单元(42)并且将数字有效载荷数据提供给所述处理设备(43)和所述驱动器单元(42)，

所述驱动器单元(42)连接到激光器/调制器单元(44)，

所述激光器/调制器单元(44)通过分束器(26)将光馈入光传输线路(6)的线路输入端(5)，

所述分束器(26)将来自所述光传输线路(6)的所述线路输入端(5)的反向散射光(46)反射到低速光接收机(28)上，

所述低速光接收机(28)连接到A/D转换单元(47)，

所述A/D转换单元(47)连接到所述处理设备(43)，

并且所述处理设备(43)具有用于提供光时域反射仪(OTDR)测绘曲线的输出端(48)。

8.根据权利要求7所述的光发射机(41)，其特征在于设计所述驱动器单元(42)和所述激光器/调制器单元(44)使得其生成突发模式光信号(45)。