劉賀　王濤

摘 要： 為了解決以往光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障檢測(cè)方法成本高、動(dòng)態(tài)檢測(cè)區(qū)間小的問(wèn)題，提出基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障檢測(cè)方法。構(gòu)建可調(diào)諧混沌光產(chǎn)生裝置，將混沌光波長(zhǎng)失調(diào)值設(shè)為0 nm，帶寬設(shè)為光纖通信局域網(wǎng)帶寬的80%，獲取混沌光，構(gòu)成光纖通信局域網(wǎng)信道的參考信號(hào)和探測(cè)信號(hào)，利用光纖振蕩器過(guò)濾其中的延時(shí)信號(hào)，對(duì)混沌光信號(hào)與探測(cè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，獲取斷點(diǎn)故障定位值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法在檢測(cè)斷點(diǎn)故障時(shí)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)區(qū)間大，并能維持光纖通信正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 光纖通信； 局域網(wǎng)； 斷點(diǎn)故障檢測(cè)； 混沌光； 相關(guān)性運(yùn)算

中圖分類號(hào)： TN926+.3?34； TM248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）16?0174?03

Abstract： Since the previous breakpoint fault detection method of optical fiber communication LAN has high cost and narrow dynamic detection section， a chaotic light based breakpoint fault detection method of optical fiber communication LAN is proposed. The generation device of tunable chaotic light was constructed to set the wavelength detuning value of the chaotic light to 0 nm and the bandwidth of the fiber communication LAN to 80%. The chaotic light is got to compose the reference signal and detection signal of the optical fiber communication LAN channel. The optical fiber oscillator is adopted to filter the delay signal. The correlation operation is carried out for the chaotic light signal and detection signal to obtain the positioning value of breakpoint fault. The experimental results indicate that the method has long dynamic detection section while detecting the breakpoint fault， and can maintain the normal operation of optical fiber communication.

Keywords： optical fiber communication； local area network； breakpoint fault detection； chaotic light； correlation operation

得益于光纖通信技術(shù)的飛速進(jìn)步，光纖通信局域網(wǎng)已經(jīng)走進(jìn)每家每戶，針對(duì)局域網(wǎng)故障檢測(cè)的器件和方法也逐漸增多起來(lái)。斷點(diǎn)故障普遍存在于光纖通信局域網(wǎng)中，光時(shí)域反射儀可針對(duì)斷點(diǎn)故障進(jìn)行良性檢測(cè)，使用方法便捷，但價(jià)格昂貴，各大品牌的平均報(bào)價(jià)[1]要高于2.5萬(wàn)元。典型的斷點(diǎn)故障檢測(cè)方法包含距離傳感檢測(cè)和諧波檢測(cè)，這些方法的成本低于光時(shí)域反射儀，能夠滿足正常檢測(cè)需求，缺陷是動(dòng)態(tài)檢測(cè)區(qū)間小。相對(duì)來(lái)講，光時(shí)域反射儀的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更大。本文利用混沌光進(jìn)行斷點(diǎn)故障檢測(cè)，提出一種成本低、動(dòng)態(tài)檢測(cè)區(qū)間大的檢測(cè)方法。

1 光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障檢測(cè)方法研究

1.1 檢測(cè)方法

在非線性研究領(lǐng)域，混沌是指存在卻不能加以估計(jì)的波動(dòng)行為。自從激光器中的混沌狀態(tài)被挖掘出來(lái)，混沌光一直是光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]表明，混沌光滿足狄拉克δ函數(shù)的自體相關(guān)原理，具備對(duì)稱性和縮放性，可使用在距離度量、定位、檢測(cè)等器件中?；煦绻庑盘?hào)帶寬以GHz計(jì)數(shù)，得益于光纖通信局域網(wǎng)的高帶寬，混沌光在其中能夠獲取高分辨率，容易提升檢測(cè)精度。

在激光器中產(chǎn)生的混沌光不能夠直接參與檢測(cè)，而是被分為參考信號(hào)和探測(cè)信號(hào)。參考信號(hào)進(jìn)行斷點(diǎn)故障檢測(cè)。探測(cè)信號(hào)獲取參考信號(hào)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，按照光纖通信局域網(wǎng)原傳輸路徑將數(shù)據(jù)反饋到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算。基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障檢測(cè)方法采取波分復(fù)用技術(shù)[3]，把存在波長(zhǎng)差距的混沌光歸屬到不同的光纖通信業(yè)務(wù)中，增加局域網(wǎng)的帶寬以及穩(wěn)定性，以激光視盤光源承載數(shù)據(jù)完成通信。所提方法需要獲取波長(zhǎng)可調(diào)諧的混沌光作為檢測(cè)斷點(diǎn)故障位置的媒介，同時(shí)還要利用激光視盤光源探測(cè)局域網(wǎng)信道，以完成斷點(diǎn)故障定位。

1.2 可調(diào)諧混沌光的獲取

圖1描述了用于獲取可調(diào)諧混沌光裝置結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器內(nèi)部擁有光學(xué)諧振腔，采取縱向多模式激光發(fā)射原理，是混沌光產(chǎn)生元件。兩個(gè)單片機(jī)同光纖放大器組成光源反饋結(jié)構(gòu)，中間加入溫控點(diǎn)控制半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定性，避免激光能量過(guò)高損傷電路[4]。數(shù)控點(diǎn)對(duì)單片機(jī)反饋信號(hào)、激光功率及電路電流進(jìn)行控制，提取反饋結(jié)構(gòu)混沌光光強(qiáng)以及光纖放大器運(yùn)行參數(shù)。光纖光柵作用是選擇混沌光輸出波長(zhǎng)，并確定可調(diào)諧混沌光輸出模式是否為單獨(dú)輸送。

半導(dǎo)體激光器中不同激光發(fā)射模式之間的物理間距是1.5 nm，共具備30種模式，普通模式的混沌光波長(zhǎng)為1 560 nm，電流閾值為12 mA，偏置電流為24 mA，額定輸出功率為3 mW。光纖放大器將輸出功率擴(kuò)大到12 mW，17%反饋到數(shù)控點(diǎn)，83%輸出成可調(diào)諧混沌光。光纖光柵衍射率大于75%，可調(diào)諧混沌光波長(zhǎng)可選范圍在1 500～1 600 nm之間，線寬為0.3 nm。endprint

光纖光柵在獲取可調(diào)諧混沌光過(guò)程中貢獻(xiàn)最大，直接影響反饋強(qiáng)度以及光纖光柵衍射率，決定光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障輸出狀態(tài)。邊模抑制比和平衡指數(shù)越高，輸出狀態(tài)越好，通信失真率越低[5]，可擴(kuò)大動(dòng)態(tài)檢測(cè)區(qū)間。

圖2（a）、圖2（b）描述的是當(dāng)混沌光波長(zhǎng)失調(diào)值在絕度值為0.15 nm的區(qū)間內(nèi)，邊模抑制比、平衡指數(shù)同反饋強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線圖，其中，平衡指數(shù)始終為正數(shù)，在失調(diào)值等于0 nm的狀態(tài)下，平衡指數(shù)和邊模抑制比的最大值同時(shí)出現(xiàn)[6]，反饋強(qiáng)度也達(dá)到最大值。

圖3描述的是光纖通信局域網(wǎng)帶寬同平衡指數(shù)之間的關(guān)系曲線圖，平衡指數(shù)表示整體與平均值偏移程度[7]。局域網(wǎng)總帶寬為10 GHz，在8 GHz時(shí)平衡指數(shù)為最大值。根據(jù)以上結(jié)論，基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障檢測(cè)方法將混沌光波長(zhǎng)失調(diào)值設(shè)為0 nm，帶寬設(shè)為光纖通信局域網(wǎng)帶寬的80%。

1.3 基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障檢測(cè)函數(shù)

圖4描述的是基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障檢測(cè)方法流程圖?？烧{(diào)諧混沌光輸入到光纖通信局域網(wǎng)信道時(shí)，由于反饋結(jié)構(gòu)中電流磁場(chǎng)的存在，將通信延時(shí)也一并輸入信道。通信延時(shí)在狄拉克δ函數(shù)[8]自體相關(guān)原理給出的斷點(diǎn)故障檢測(cè)曲線中顯示為信號(hào)干擾峰，極大地縮小了動(dòng)態(tài)檢測(cè)區(qū)間，非常容易產(chǎn)生斷點(diǎn)故障錯(cuò)判。所提方法在混沌光的相關(guān)性上做出了優(yōu)化，通過(guò)光纖振蕩器提高低頻信號(hào)比例，達(dá)成延時(shí)信號(hào)過(guò)濾，獲取不存在信號(hào)干擾峰的斷點(diǎn)故障檢測(cè)曲線。如果曲線仍存在干擾峰，這段干擾峰對(duì)應(yīng)的位置就是斷點(diǎn)故障點(diǎn)產(chǎn)生延時(shí)。

基于混沌光獲取的斷點(diǎn)故障檢測(cè)曲線與自協(xié)方差曲線幾乎重合，混沌光功率的時(shí)間排序規(guī)律同延時(shí)排序規(guī)律也滿足自協(xié)方差曲線特質(zhì)。所提方法將對(duì)混沌光信號(hào)與探測(cè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，獲取到斷點(diǎn)故障定位值。設(shè)自協(xié)方差曲線為[Y（t）]，用函數(shù)[X（t）]代表混沌信號(hào)，[t]為混沌信號(hào)在局域網(wǎng)信道中的傳輸時(shí)間。延時(shí)信號(hào)與混沌信號(hào)的混合函數(shù)用[kX（t-τ）]表示，[k]為傳輸損耗系數(shù)，[t-τ]為延時(shí)信號(hào)傳輸時(shí)間。經(jīng)由相關(guān)性分析，混沌信號(hào)與延時(shí)信號(hào)存在如下關(guān)系：

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由光纖母線、光纖饋線、光柵、耦合器、光譜儀、數(shù)據(jù)采集板等構(gòu)成，光纖通信局域網(wǎng)的各條信道相距0.5 nm，頻率相距48 GHz，光纖損耗系數(shù)為0.3 dB/km。激光從坐標(biāo)原點(diǎn)發(fā)出，通過(guò)耦合器合成單線激光輸入光纖母線，在光纖母線中傳導(dǎo)10 km，輸出到各支路的光纖饋線中，從光柵處衍射到斷點(diǎn)故障檢測(cè)設(shè)備中。母線傳導(dǎo)線規(guī)的損耗制定在5 dB以內(nèi)。

在檢測(cè)光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，依次將自變量設(shè)為光纖饋線傳導(dǎo)距離和通信損耗，從光譜儀顯示數(shù)據(jù)中分析斷點(diǎn)故障存在于哪條局域網(wǎng)信道。數(shù)據(jù)采集板采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)傳導(dǎo)距離和光波功率數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將數(shù)據(jù)繪制成相關(guān)曲線圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

如果想要分析基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障檢測(cè)方法的動(dòng)態(tài)檢測(cè)區(qū)間，需要獲取峰值信噪比和光波功率兩項(xiàng)數(shù)據(jù)。峰值信噪比表示的是信號(hào)在最大功率下受到噪音破壞從而影響到傳導(dǎo)精度的比率數(shù)據(jù)，也可以用來(lái)評(píng)估通信中的信號(hào)失真率[10]。在實(shí)驗(yàn)中設(shè)數(shù)據(jù)采集板采集到的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)距離為[L]，激光在光纖饋線中的傳導(dǎo)距離為[L0]，按照數(shù)據(jù)自體相關(guān)性原則，峰值信噪比的理論值計(jì)算公式如下：

[H=1-L0L] （3）

為了方便數(shù)據(jù)處理，實(shí)驗(yàn)將坐標(biāo)原點(diǎn)的峰值信噪比設(shè)為1，由此可見：當(dāng)[4L0=L]時(shí)，[H=0.75 dB]，信道開始衰減，峰值信噪比的理論值不能準(zhǔn)確表達(dá)實(shí)際值，為此，對(duì)光纖饋線進(jìn)行3 dB的損耗補(bǔ)償，在數(shù)據(jù)采集板采集數(shù)據(jù)時(shí)將耦合器坐標(biāo)設(shè)成光柵衍射原點(diǎn)，光纖母線的末端不參與實(shí)驗(yàn)，相當(dāng)于對(duì)[L]進(jìn)行校正。

圖5、圖6描述的是峰值信噪比和光波功率隨自變量變化的曲線圖。由圖5可知，當(dāng)光纖饋線傳導(dǎo)距離從0變化至70 km，本文方法所能進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)的區(qū)間高于70 km，預(yù)計(jì)在85 km左右，峰值信噪比曲線高度優(yōu)于諧波檢測(cè)方法和距離傳感檢測(cè)方法，改進(jìn)方法在進(jìn)行大面積光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障檢測(cè)的同時(shí)，能夠確保信號(hào)的有效性。由圖6可知，隨著通信損耗的不斷增加，光波功率表現(xiàn)出線性縮減狀態(tài)。在損耗為23 dB和27 dB時(shí)，距離傳感檢測(cè)方法和諧波檢測(cè)方法的光波功率到達(dá)最低值0 dB，已經(jīng)不能再繼續(xù)進(jìn)行斷點(diǎn)故障檢測(cè)。連接本文方法的光波功率曲線與橫坐標(biāo)相接，當(dāng)損耗約為40 dB時(shí)本文方法才停止檢測(cè)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)區(qū)間大。

3 結(jié) 論

本文提出基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點(diǎn)故障檢測(cè)方法，不但實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)制，還保留了混沌光對(duì)信號(hào)失真的抑制作用，能夠精準(zhǔn)檢測(cè)出光纖通信局域網(wǎng)中的斷點(diǎn)故障。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，本文方法擁有動(dòng)態(tài)檢測(cè)區(qū)間大的明顯優(yōu)勢(shì)。

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