蘭州交通大學現(xiàn)代傳輸技術課程設計

1、蘭州交通大學本科生課程設計中文題目： 光時域反射儀在實際工程中的應用 英文題目：Optical Time Domain Reflectometer Used in the Actual Project學 院： 電子與信息工程學院課 程：現(xiàn) 代 傳 輸 技 術 專 業(yè)： 通信工程 班 級： 通信工程 班姓 名： 學 號： 指導教師： 高麗 二零一五年七月摘要目前在數(shù)字光纖通信實驗教學中開設了光纖傳輸特性測試實驗，其中對于光纖損耗的測量方法普遍采用的是插入法，為了讓學生掌握如何在工程實際中進行光纖損耗的測量，在實驗中引入了基于光時域反射儀（OTDR）進行測量的后向散射法，并通過兩者的比較得出結論。

2、同時也使學生了解光時域反射儀的工作原理和基本操作。介紹光時城反射儀的工作原理、測試故降點的分析，重點介紹接頭損耗的計算和分析方法，提出在使用光時城反射儀時要注意的幾個問題?；诠鈺r域反射儀（OTDR）的后向散射法不僅可以測量出光纖或光纜的總損耗、接續(xù)損耗、總回損等還能測量其物理缺陷、斷點的準確位置和光纖總長度，這樣既加強了學生對光纖損耗概念的理解和測量方法的掌握，又對光纖連接器的插入損耗有所了解，同時為他們以后進行實際的工程測量打下一定的基礎。關鍵詞:光纖損耗；光時域反射儀；光纖實驗；光功率AbstractCurrently offers digital optical fiber commu

3、nication experiment teaching fiber transmission characteristics of the test experiments in which the method for measuring fiber loss is commonly used insertion method,in order to allow students to learn how to fiber loss measurements in engineering practice,introduced in the experiment after measure

4、ment based on optical time domain reflectometer (OTDR) to scattering method,and concluded by comparing the two.But also to enable students to understand the optical time domain reflectometer principle and basic operations.Introducing the city of light reflection analysis instrument works,test it dro

5、p points,focusing on the calculation and analysis of splice loss,and raised several questions in the use of light when the city Reflectometer to note.After the light-based domain reflectometer (OTDR) to the scattering method can not only measure the total loss of the optical fiber or cable,splice lo

6、ss and total return loss,and so on can measure their physical defects,the exact location and the total length of the fiber break,so both strengthen the students understanding of concepts and methods of measurement of fiber loss of control,but also on the optical fiber connector insertion loss of und

7、erstanding,as well as their subsequent measurement of the actual project to lay a foundation.Keywords: Fiber loss;Optical Time Domain Reflectometer;Fiber test;Optical power目錄摘要IAbstractII1. 緒論12. 光時域反射儀的工作原理簡介23. 光時域反射儀測試故障點的分析54. 光時域反射計的主要參數(shù)分析64.1 動態(tài)范圍64.2 測試距離74.3 脈沖寬度74.4 盲區(qū)84.5 平均值94.6 采樣分辨率和采樣點

8、95. 光時域反射儀在使用中應注意的問題105.1 正確設置參數(shù)105.2 正確分析測試曲線10參考文獻111. 緒論人類社會離不開信息技術的交流和溝通，最早的通信方式有烽火、雞毛信、飛鴿傳書、千里驛站等，由于傳遞速度慢、信息量小，不能滿足社會生產(chǎn)發(fā)展的需要。自古以來人們都在用自己的智慧來解決遠距離、快速通信的問題，而衡量人類歷史進步的尺度之一是人與人之間傳遞信息的能力，尤其是遠距離傳遞消息的能力。通信技術的發(fā)展使社會產(chǎn)生了深遠的變革，為人類社會帶來了巨大的利益。在當今和未來的信息社會中，通信是人們獲取、傳遞和交換信息的重要手段。隨著大規(guī)模集成電路技術、激光技術、空間技術等新型技術的不斷發(fā)展以

9、及計算機技術的廣泛應用，現(xiàn)代通信技術日新月異。近二三十年來出現(xiàn)的數(shù)字通信、衛(wèi)星通信、光纖通信是現(xiàn)代通信中具有代表性的新領域。而在這些新領域中，數(shù)字通信尤為重要，它是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基礎。特別是數(shù)字通信技術和計算機技術的緊密結合可以說是通信發(fā)展史上的一次飛躍。隨著光纖通信技術的飛速發(fā)展，在通信工程等相關專業(yè)開設數(shù)字光纖通信原理課程已經(jīng)成為培養(yǎng)通信人才的必然趨勢。由于該課程涉及到的內(nèi)容比較多，不僅涵蓋了光纖傳輸理論、光纖物理特性，以及光電器件等基礎知識，而且還包括整個光纖系統(tǒng)、光纖通信網(wǎng)等內(nèi)容。這樣就給光纖通信的實驗課教學提出了很高的要求。在光纖傳輸特性測試實驗中，單純的采用插入法僅能測量出光纖的傳

10、輸損耗，而基于光時域反射儀（OTDR）的后向散射法不僅可以測量出光纖或光纜的總損耗、接續(xù)損耗、總回損等還能測量其物理缺陷、斷點的準確位置和光纖總長度，這樣既加強了學生對光纖損耗概念的理解和測量方法的掌握，又對光纖連接器的插入損耗有所了解，同時為他們以后進行實際的工程測量打下一定的基礎。2. 光時域反射儀的工作原理簡介光時域反射儀（OTDR）又叫光纖分析儀。光在光纖中傳播時會被瑞利散射的效應所削弱，這是由光纖中存在著結構不均勻、光纖本身的缺陷和摻雜成分的非均勻性等造成的，在接續(xù)點、對接處和光纖的端面連續(xù)發(fā)生的散射，一些光被直接向后散射回來，稱之為后向散射，光時域反射儀就是通過對發(fā)送的光脈沖與接收

11、后向散射光之間的傳輸時差的測量，實現(xiàn)對光纖線路的長度、光纖的損耗、光纖接續(xù)點的損耗和線路故障點的位置等測量。在控制器控制下，激光二極管LD發(fā)生一系列經(jīng)過脈沖調(diào)制的光脈沖通過光方向藕合器注人光纖端面，光脈沖沿著光纖線路傳播時，在光纖中有幾何缺陷或斷裂面的位置，產(chǎn)生的后向散射光將不斷地返回光纖的人射端，經(jīng)過光方向禍合器到光接收電路變?yōu)殡娦盘?，然后?jīng)過信號放大、均衡處理，根據(jù)后向光脈沖的大小和到達時間，在顯示器上顯示出光纖的衰減、長度等確定故障點。例如，若光纖始端到反射故障點之間的長度是L，光脈沖在光纖中傳輸速度為V，光纖輸人端發(fā)送光脈沖與返回光脈沖前沿之間的時間差為T。由于光纖在加熱制造過程中，熱

12、騷動使原子產(chǎn)生壓縮性的不均勻，造成材料密度不均勻，進一步造成折射率不均勻。這種不均勻性在冷卻過程中固定了下來并引起光的散射。因此，當光脈沖通過光纖傳輸時，沿光纖長度上的各點均會引起散射，其強弱與通過該處的光功率成正比，而后者又與光纖的衰耗有直接關系，因此，其強弱也就反映了光纖各點的衰耗大小。由于散射光是向四面八方的，反射光也會形成較大的反射角，因此這些散射和反射光總有一部分（那怕是極少一部分）能夠進入光纖的孔徑角而反向傳輸?shù)捷斎攵?。同時，如果傳輸通道完全中斷，則從此點以后的背向散射光功率也降到零，因此，根據(jù)反向傳輸回來的散射光的情況又可以判斷光纖斷點的位置和光纖的長度?？傊?，只要能夠設法將反向

13、傳至輸入端的背向散射光和菲涅爾反射光收集并進行適當?shù)奶幚?，就可以測出這段光纖沿線各點的衰耗情況（當然也包括其中的接頭衰耗）以及斷點的位置和光纖的長度。光時域反射儀會打入一連串的光突波進入光纖來檢驗。檢驗的方式是由打入突波的同一側(cè)接收光訊號，因為打入的訊號遇到不同折射率的介質(zhì)會散射及反射回來。反射回來的光訊號強度會被量測到，并且是時間的函數(shù)，因此可以將之轉(zhuǎn)算成光纖的長度。光時域反射儀可以用來量測光纖的長度、衰減，包括光纖的熔接處及轉(zhuǎn)接處皆可量測。在光纖斷掉時也可以用來量測中斷點。OTDR動態(tài)范圍的大小對測量精度的影響初始背向散射電平與噪聲低電平的DB差值被定義為OTDR的動態(tài)范圍。其中，背向散射

14、電平初始點是入射光信號的電平值，而噪聲低電平為背向散射信號為不可見信號。動態(tài)范圍的大小決定OTDR可測光纖的距離。當背向散射信號的電平低于OTDR噪聲時，它就成為不可見信號。隨著光纖熔接技術的發(fā)展，人們可以將光纖接頭的損耗控制在0.1DB以下，為實現(xiàn)對整條光纖的所有小損耗的光纖接頭進行有效觀測，人們需要大動態(tài)范圍的OTDR。增大OTDR 動態(tài)范圍主要有兩個途徑：增加初始背向散射電平和降低噪聲低電平。影響初始背向散射電平的因素是光的脈沖寬度。影響噪聲低電平的因素是掃描平均時間。 多數(shù)的型號OTDR允許用戶選擇注入被測光纖的光脈沖寬度參數(shù)。在幅度相同的情況下，較寬脈沖會產(chǎn)生較大的反射信號，即產(chǎn)生較

15、高的背向散射電平，也就是說，光脈沖寬度越大，OTDR的動態(tài)范圍越大。OTDR向被測的光纖反復發(fā)送脈沖，并將每次掃描的曲線平均得到結果曲線，這樣，接收器的隨機噪聲就會隨著平均時間的加長而得到抑制。在OTDR的顯示曲線上體現(xiàn)為噪聲電平隨平均時間的增長而下降。于是，動態(tài)范圍會隨平均時間的增大而加大。在最初的平均時間內(nèi)，動態(tài)范圍性能的改善顯著，在接下來的平均時間內(nèi)，動態(tài)范圍性能的改善顯著，在接下來的平均時間內(nèi)，動態(tài)范圍性能的改善會逐漸變緩，也就是說，平均時間越長，OTDR的動態(tài)范圍就越大。盲區(qū)對OTDR測量精度的影響。我們將諸如活動連接器、機械接頭等特征點產(chǎn)生反射引起的OTDR接收端飽和而帶來的一系列

16、“盲點”稱為盲區(qū)。光纖中的盲區(qū)分為事件盲區(qū)和衰減盲區(qū)兩種：由于介入活動連接器而引起反射峰，從反射峰的起始點到接收器飽和峰值之間的長度距離，被稱為事件盲區(qū)；光纖中由于介入活動連接器引起反射峰，從反射峰的起始點到可識別其他事件點之間的距離，被稱為衰減盲區(qū)。對于OTDR來說，盲區(qū)越小越好。盲區(qū)會隨著脈沖寬的寬度的增加而增大，增加脈沖寬度雖然增加了測量長度，但也增大了測量盲區(qū)，所以，我們在測試光纖時，對OTDR附件的光纖和相鄰事件點的測量要使用窄脈沖，而對光纖遠端進行測量時要使用寬脈沖。OTDR的“增益”現(xiàn)象由于光纖接頭是無源器件，所以，它只能引起損耗而不能引起“增益”。OTDR通過比較接頭前后背向散

17、射電平的測量值來對接頭的損耗進行測量。如果接頭后光纖的散射系數(shù)較高，接頭后面的背向散射電平就可能大于接頭前的散射電平，抵消了接頭的損耗，從而引起所謂的“增益”。在這種情況下，獲得準確接頭損耗的唯一方法是：用OTDR從被測光纖的兩端分別對該接頭進行測試，并將兩次測量結果取平均值。這就是雙向平均測試法，是目前光纖特性測試中必須使用的方法。如果使用單模OTDR模塊對多模光纖進行測量，或使用一個多模OTDR模塊對諸如芯徑為62.5mm的單模光纖進行測量，光纖長度的測量結果不會受到影響，但諸如光纖損耗、光接頭損耗、回波損耗的結果卻都是不正確的。這是因為，光從小芯徑光纖入射到大芯徑光纖時，大芯徑不能被入射

18、光完全充滿，于是在損耗測量上引起誤差。所以，在測量光纖時，一定要選擇與被測光纖相匹配的OTDR進行測量，這樣才能得到各項性能指標均正確的結果。3. 光時域反射儀測試故障點的分析通過OTDR測量光纖線路故障點的位置通常有以下幾種情況。（l）光纖接續(xù)質(zhì)量不好或兩根熔接光纖的模場直徑相差較大時，在屏幕上出現(xiàn)高損耗點。（2）光纖受到某種應力使局部產(chǎn)生附加損耗引起的損耗增大，這種損耗比較常見，也比較容易恢復，只需要將彎曲半徑較小和受壓的光纖恢復到光纖自然狀態(tài)就可以。（3）光纖斷裂，光信號在斷裂處不能通過，光纖斷點會產(chǎn)生后向散射，通過測試到的線路曲線可以找到故障點的位置。（4）光纖發(fā)生斷裂，但是光信號在斷

19、裂處可以通過，通過OTDR測試的線路曲線上會出現(xiàn)盲區(qū)，很難直接判斷故障點的位置，但通過一定的分析仍可以準確判斷出故障點位置。4. 光時域反射計的主要參數(shù)分析OTDR分析能夠檢測到光流量連續(xù)性中存在的任何差異。也就是說，光通過近乎理想的光纖鏈路時不產(chǎn)生任何損耗，但是真正的光纖徑距并非如此；其中的雜質(zhì)會造成光強度衰減。而且，光纖徑距與熔接或連接器鏈接在一起，對光流量造成了額外的障礙，因此會影響光的傳輸方向。在光遇到這些障礙的精確位置，光線將被反射回發(fā)送器或被迫射出光纖，或者二者兼有。當遇到較嚴重的障礙時，就定義為事件。事件檢測、衰減和長度測量取決于OTDR在任意指定的曲線分析點處獲得的信噪比（SN

20、R）。SNR是背反射信號和噪音級別之間的比率，它取決于脈沖寬度、采樣點、測量距離、接收器帶寬精度和平均數(shù)值。脈沖寬度決定背向散射-反射信號的功率。很寬的脈沖能夠放大接收到的信號，從而更輕松的將其與背景噪音區(qū)分開，因此可提高SNR。另一方面，所采用的脈沖寬度若大于分離兩個事件的距離，將導致事件檢測和測量不再精確。而且，如果脈沖寬度增加，衰減盲區(qū)也會增加，這便限制了初始事件之后其他事件的檢測能力。信號平均也會擴大SNR。噪音降低與所使用的平均數(shù)值平方根成比例。這能夠提供改進的事件檢測和測量以及空間分辨率，特別是在信號微弱的情況下。平均數(shù)值是指，為獲得平均值而在同一采樣點獲取的測量值。由于背景噪音的

21、不平滑及無規(guī)律特性，因此增加平均數(shù)值可以降低噪音級別，提高SNR，從而提高事件測量和檢測的精度。在分析間距很小的事件時，平均數(shù)值還可以提高空間分辨率，原因是它有助于降低高帶寬分析期間的噪音。接收器帶寬的影響表現(xiàn)在低帶寬傳輸可以平滑曲線并削弱尖峰跳變。盡管這樣可以降低噪音并提高遠距離測量的遠端 SNR，但是卻會增加盲區(qū)。另一方面，較高的接收器帶寬可以傳輸背向散射和反射信號的尖峰跳變，但也會通過噪音。盡管這樣能夠縮短盲區(qū)，但是為了降低噪音級別可能需要進行多次平均。很高的接收器帶寬范圍會受到限制，主要原因是其中包含隨機噪音。然而，它可以提高前端光纖鏈路事件的測量精度及空間分辨率。4.1 動態(tài)范圍動態(tài)

22、范圍是OTDR主要的性能指標參數(shù)之一，它決定光纖的最大可測量長度。它表示后向散射開始與噪聲峰值間的功率損耗比。它決定了OTDR所能測得的最長光纖距離。如果OTDR的動態(tài)范圍較小，而待測光纖具有較高的損耗，則遠端可能會消失在噪聲中。動態(tài)范圍目前還沒有一個統(tǒng)一的標準計算方法，通常定義為：始端的后向散射功率與噪聲的峰值功率間的dB差。一般來講，要獲得大動態(tài)范圍有三種途徑：a、提高入纖光脈沖峰值功率；b、提高接收機的接收靈敏度；c、提高脈沖寬度。在方法b中常常通過降低光電二極管可探測的最小光功率；同時要使用探測后的信號處理方法提高接收機的信噪比，還要對系統(tǒng)進行抗干擾設計，來提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍。微弱信號

23、檢測和大動態(tài)范圍是OTDR研究的技術難點和關鍵所在，給OTDR的研制帶來較大的技術難度。在具體的設計過程中，首先就是設計光發(fā)射機、光路提高入纖光功率。它表示后向散射開始與噪聲峰值間的功率損耗比。它決定了OTDR所能測得的最長光纖距離。如果OTDR的動態(tài)范圍較小，而待測光纖具有較高的損耗，則遠端可能會消失在噪聲中。目前有兩種定義動態(tài)范圍的方法： 1、峰值法：它測到噪聲的峰值，當散射功率達到噪聲峰值即認為不可見。2、SNR=1法：這里動態(tài)范圍測到噪聲的RMS電平為止，對于同樣性能的OTDR來講，其指標高于峰值定義大約2.0dB。4.2 測試距離由于光纖制造以后其折射率基本不變，這樣光在光纖中的傳播

24、速度就不變，這樣測試距離和時間就是一致的，實際上測試距離就是光在光纖中的傳播速度乘上傳播時間，對測試距離的選取就是對測試采樣起始和終止時間的選取。測量時選取適當?shù)臏y試距離可以生成比較全面的軌跡圖，對有效的分析光纖的特性有很好的幫助，通常根據(jù)經(jīng)驗，選取整條光路長度的1.3到1.5倍之間最為合適。從發(fā)射脈沖到接收到反射脈沖所用的時間，再確定光在光纖中的傳播速度，就可以計算出距離。4.3 脈沖寬度脈沖寬度實際上是激光器“開啟”的時間。正如我們知道的，時間轉(zhuǎn)換為距離，因此脈沖寬度具有長度值，在OTDR中，脈沖攜帶的能量可以產(chǎn)生鑒定鏈路所需的背向散射。由于在鏈路中存在傳播損耗，所以脈沖越短，攜帶的能量越

25、少，傳播的距離就越短。長脈沖攜帶的能量高出很多，可以在非常長的光纖中使用。如果脈沖太短，在到達光纖末端前便丟失了能量，使背向散射級別變得很低，甚至低于噪聲下限級別而導致信息丟失。這樣會導致無法到達光纖末端。因此，由于返回的光纖距離末端遠短于實際的光纖長度，而無法測量完整鏈路。另一個現(xiàn)象是在接近光纖末端時軌跡中噪聲太多。OTDR無法再進行信號分析，測量結果可能出錯。當軌跡中噪聲太多，有兩種簡便方法獲得較清潔的軌跡。第一種方法，增加取樣時間，這樣可以極大改善SNR，同時保持良好的短脈沖分辨率。但是，增加平均時間也有限度，因為這不能無限提高SNR。如果軌跡還不夠平滑，我們可以使用第二種方法，即使用下

26、一個可用的更高脈沖。但是，請記住，盲區(qū)會隨著脈沖寬度的增加而變大。短脈沖寬度、短盲區(qū)和低功率用于測試事件相距很近的短鏈路，而長脈沖、長盲區(qū)和高功率則用于到達遠程網(wǎng)絡或高損耗網(wǎng)絡中更遠的距離。4.4 盲區(qū)Fresnel反射引出一個重要的OTDR規(guī)格，即盲區(qū)。有兩類盲區(qū)：事件和衰減。兩種盲區(qū)都由Fresnel反射產(chǎn)生，用隨反射功率的不同而變化的距離來表示。盲區(qū)定義為持續(xù)時間，在此期間檢測器受高強度反射光影響暫時“失明”，直到它恢復正常能夠重新讀取光信號為止。設想一下，當您夜間駕駛時與迎面而來的車相遇，您的眼睛會短期失明。在OTDR領域里，時間轉(zhuǎn)換為距離，因此，反射越多，檢測器恢復正常的時間越長，導

27、致的盲區(qū)越長。絕大多數(shù)制造商都以最短的可用脈沖寬度以及單模光纖-45dB、多模光纖-35dB反射來指定盲區(qū)。不同的制造商使用不同的測試條件測量盲區(qū)，尤其要注意脈沖寬度和反射值。例如，單模光纖-55dB反射提供的盲區(qū)規(guī)格要比使用-45dB得到的盲區(qū)更短，僅僅因為-55dB是更低的反射，檢測器恢復更快。此外，使用不同的方法計算距離也會得到一個比實際值更短的盲區(qū)。使得OTDR的事件盲區(qū)盡可能短是非常重要的，這樣才可以在鏈路上檢測相距很近的事件。例如，在建筑物網(wǎng)絡中的測試要求OTDR的事件盲區(qū)很短，因為連接各種數(shù)據(jù)中心的光纖跳線非常短。如果盲區(qū)過長，一些連接器可能會被漏掉，技術人員無法識別它們，這使得

28、定位潛在問題的工作更加困難。衰減盲區(qū)是Fresnel反射之后，OTDR能在其中精確測量連續(xù)事件損耗的最小距離。還使用以上例子，經(jīng)過較長時間后，您的眼睛充分恢復，能夠識別并分析路上可能的物體的屬性。檢測器有足夠的時間恢復，以使得其能夠檢測和測量連續(xù)事件損耗。所需的最小距離從發(fā)生反射事件時開始，直到反射降低到光纖的背向散射級別的0.5dB。短衰減盲區(qū)使得OTDR不僅可以檢測連續(xù)事件，還能夠返回相距很近的事件損耗。例如，現(xiàn)在就可以得知網(wǎng)絡內(nèi)短光纖跳線的損耗，這可以幫助技術人員清楚了解鏈路內(nèi)的情況。盲區(qū)也受其他因素影響：脈沖寬度。規(guī)格使用最短脈沖寬度是為了提供最短盲區(qū)。但是，盲區(qū)并不總是長度相同，隨著

29、脈沖變寬，盲區(qū)也會拉伸。使用最長的可能的脈沖寬帶會導致特別長的盲區(qū)，然而這有不同的用途。4.5 平均值平均值是為了在OTDR形成良好的顯示圖樣，根據(jù)用戶需要動態(tài)的或非動態(tài)的顯示光纖狀況而設定的參數(shù)。由于測試中受噪聲的影響，光纖中某一點的瑞利散射功率是一個隨機過程，要確知該點的一般情況，減少接收器固有的隨機噪聲的影響，需要求其在某一段測試時間的平均值。4.6 采樣分辨率和采樣點OTDR定位事件正確距離的能力依賴于不同參數(shù)組合，其中包括采樣分辨率和采樣點。采樣分辨率定義為儀器所要求的兩個連續(xù)采樣點之間的最小距離。此參數(shù)很重要，因為它定義了最終的距離精度以及OTDR故障查找的能力。根據(jù)選擇的脈沖寬度和距離范圍，該值變化范圍可為4厘米到幾米。因此，為了保持最佳分辨率，必須在取樣期間取得更多采樣點。5. 光時域反射儀在使用中應