有线电视网络的测量工具--光时域反射仪OTDR

有线电视网络的测量工具--光时域反射仪OTDR
【摘要】本文着重介绍了OTDR的功能、工作原理、技术参数以及在网络测量中的应用。

【关键字】光功率、OTDR、背向散射、盲区
一、引言
随着光学技术、数字技术的飞速发展,光纤通讯已广泛地应用于网络传输领域。

特别是近年来,由于光纤传输频带宽、损耗小、抗干扰能力强等特点,在有线电视网络建设和改造中逐渐处于主导地位,有线电视网络中主要应用光纤传输技术有:数字基带传输,AM-VSB通道传输,FM通道传输,数据通道传输等。

光纤技术的应用为有线电视网络发展带来了巨大的生机,如何保证网络安全畅通非常重要,这就需要一种能够准确测量光纤传输特性的工具,它能够测得光链路各种参数并进行分析,如可用于光功率的测量、光纤衰减、接头损耗、光纤故障定位以及了解光纤沿长度的损耗分布情况等,光时域反射仪就是光缆施工.、维护及测试必不可少的工具。

二、OTDR的功能和工作原理
光时域反射仪即Optical Time Domain Reflectometer,简称OTDR。

作为光缆施工、维护以及监测的工具，了解和掌握它的功能、原理非常重要,以美国精密激光公司生产的OTDR为例，介绍如下：
大部分的OTDR具有大屏幕中文显示、菜单式操作、使用方便等特点。

作者所使用的OTDR由美国精密激光公司生产，在其顶部有两个耦合器可
与外界光纤相连，一个是Power Meter口，一个是OTDR口，我们就它的两个口来讨论它所完成的功能和工作原理：
2.1P ower Meter口
通过仪器顶部的Power Meter口可进行光功率的测量，内部与此口相连的主要是一个光检测器，它可以检测接收从光源或光纤输出的光功率信号，通过光电转换模块将接收的光信号转换为电信号，这样通过按下控制面板上的“Power Meter”按钮，结合仪器自带的软件控制，可以实时分析接收到的信号将其显示在屏幕上。

用OTDR上的“Power Meter”口来测量光功率有很大的优势：可测量的光信号范围大，可以按接入光信号波长类型来选择850nm、1310nm、1550nm，大屏幕数显，电池电量不足告警，以及存储记忆功能等。

2.2OTDR口
2.2.1电路组成
与OTDR口相连的电路如图所示：
它主要可分为光发送电路、光接收电路、信号处理电路、示波管及外围电路组成。

①光发送电路
光发送电路就是来产生窄的光脉冲。

激光二极管（LD）一般作为发光器件产生光源，脉冲触发器主要是用来调制光源的发光强度，通过改变注入激光二极管的电流就能使它的输出光功率随之变化。

②光接收电路
从光纤返回的背向散射光和反射光信号经光耦合器进入光接收电路，由光检波器把微弱的光信号转换成对应的电信号。

最常用的光检波器有p-I-n 光电二极管（PIN-PD）或雪崩光电二极管（APD）。

因为背向散射和反射的光信号比较弱，所以转换成对应的电信号也非常弱。

为了提高OTDR的灵敏度，常常采用场效应管（FET）作为前置放大器，并与PIN-PD或APD组合成PIN-FET或APD-FET。

③信号处理电路
信号处理电路包括高速取样保持电路、高速A/D变换电路、数字平均电路以及D/A变换电路等。

其作用主要是对光接收电路的电信号进行采样保持，然后经高速的模数转换电路把采样信号变成数字信号，再经过数字平均电路，提高信号的信噪比，最后经过D/A变换，将信号转换成模拟信号供CRT显示和作为视频输出。

2.2.2工作原理
OTDR一般是采用光的背向散射和菲涅耳反向原理来制作的。

首先，把光发送电路产生的光脉冲通过光耦合器注入光纤端面，当光脉冲在光纤内传播时，会在光纤接续处、活动接头处，以及断裂处，根据光的传输特性，产生瑞利散射和菲涅耳反射，这样光接收电路会接收到从光纤反射回的光信号，此信号通过光耦合器的耦合和光接收电路的高速取样保持、A/D变换、
平均处理、D/A变换等信号处理，再送到信号处理电路进行分析，即可定量测出光纤的衰减、长度等参数。

如图所示：
瑞利散射是由于光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成的。

OTDR即会对部分反射光进行测量分析，根据形成的轨迹是一条倾斜向下的曲线，说明经过一段距离的传输后，发射的和背向散射的信号都有所损耗，所以曲线的倾斜程度就表明出了光纤的损耗特性。

菲涅耳反射是在光纤的断裂处或当连接器接续中留有空隙时，由于光纤和空气两种介质的折射率差异而形成的。

所以光纤长度的测量是根据下面公式计算出来的：
d=(c×t)/2(IOR)
其中，c是光在真空中的传播速度；t是从光脉冲的发出，到菲涅耳反射的发生，再到接收到反射信号的总时间，所以除以2应为光从发出到断裂点的单程时间；IOR是光纤的折射率。

总上所述，我们可以通过Power Meter口测出光功率的大小，通过OTDR
口可以测出光纤的总体损耗、接头损耗、故障的定位，以及光纤的长度等参数。

三、OTDR的几个主要技术指标
3.1动态范围
OTDR的动态范围即初始背向散射电平与噪声低电平的DB差值。

背向散射电平初始点是入射光信号的电平值，而噪声低电平为背向散射信号是不可见信号，当信号的信噪比（S/N）小于一定的值时，我们将无法准确地分析这些信号的部分或全部特性，所以动态范围越大越好。

增大动态范围主要有两个途径：既可以增加初始背向散射电平，又可以降低噪声低电平。

而影响初始背向散射电平的因素是光的脉冲宽度，影响噪声电平的因素是扫描平均时间。

多数型号的OTDR允许用户选择注入被测光纤的光脉冲宽度参数，我们可以根据光脉冲宽度越大，OTDR的动态范围越大的原则来改变OTDR的动态范围。

OTDR向被测的光纤反复发送脉冲，并将每次扫描的曲线平均从而得出结果曲线，这样接收器的随机噪声就会随着平均时间的加长而得到抑制，也就是说，平均时间越长，OTDR的动态范围就越大。

3.2盲区
当OTDR接收电路接收到比背向散射信号强得多的反射信号时，就会处于饱和状态，OTDR要使接入器在饱和之后重新恢复到正常状态，需要一定的时间，在这段时间内，OTDR将无法接收返回的散射信号，此段距离的信息将无法显示。

这就是OTDR的盲区效应。

盲区的大小决定了OTDR的测量精度，所以我们希望盲区越小越好。

盲区会随着脉冲宽度的增加而增大，增加脉冲宽度虽然增加了测量长度，但也
增加了测量盲区，所以，我们在测试光纤时，对OTDR附件的光纤和相邻事件点的测量要使用窄脉冲，而对光纤远端进行测量时要使用宽脉冲。

四、OTDR的日常维护与保养
OTDR作为光纤测量的精密仪器，在日常的使用和维护必须由专人负责，现总结如下：
●无论进行哪种测量，在向OTDR顶部耦合器插入陶瓷头之前必须进行清洗，防止灰尘进入耦合器造成测量失真。

●OTDR的日常充电，要根据它的电量指示，在其完全耗尽之后进行满充，如果进行一次性长时间测量，尽量使用OTDR的220V外置电源。

●OTDR对光纤范围的完全地、自动地识别能力大部分是源于其自带的高级分析软件，这种软件对OTDR的采样进行审查并创建一个事件表，这个事件表显示了所有与轨迹有关的数据，如故障定位、故障类型，到故障点的距离、衰减、回损和熔接损耗。

所以，我们在日常的使用和维护过程中必须经常和厂家取得联系，以便得到OTDR分析软件的最新升级版。

五、结束语
以上是作者在使用OTDR中的一点体会，OTDR作为光纤测量的精密仪器可能会因生产厂家、仪器型号的不同，而出现操作方法、显示界面等的不同，但它的工作原理都是一样的，大家可以在使用进一步进行总结。