光纤网络光信号实时监测系统项目报告

郑州大学毕业设计（项目报告）

题目：光纤网络光信号实时监测系统

指导教师：李翠霞职称：副教授

学生姓名：李文豪学号：

专业：计算机科学与技术（软件开发JAVA）

院（系）：软件学院

完成时间： 2013-12-9

2013年12月9日

目录

第1章项目概述

项目背景

近年来，多个路局报告了进入维护期的二型车光纤网络线路故障的事件。

以西安路局为例，就该问题做了故障统计，统计结果如下：

当动车组发生恒速打闪问题以后，伴随部分动车失流，如果长时间不能自复位，则列车速度将会下降，司机需要重新提手柄加速并恒速。因光纤隐蔽走线，且在地面测试光纤状态性能均良好，故障仅在运行期出现，因此不能锁定光纤精确故障位置。当前采取高级修时整体更换被怀疑车厢的车底光缆、连接器电钩光纤模块的办法，更换过程中需要拆除LJB箱、车钩、辅助空压机、空调等各种设备，且无法进行责任判定。

项目来源

该项目来自网新智能技术有限公司的真实项目，该项目用于解决多个路局的光信号故障问题。

光时域反射测距设计依据

光时域反射测距通过使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。

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，通过测量回到光时域反射设备端口的散射光，可表明因光纤引起的衰减（损耗/距离）程度。若测试形成的轨迹是一条向下的曲线，它说明了背向散射的功率不断减小（这是由于经过一段距离的传输后发射和背向散射的信号都有所损耗）。在波长已知情况下，瑞利散射功率与信号的脉冲宽度成比例：脉冲宽度越长，背向散射功率就越强。瑞利散射的功率还与发射信号的波长有关，波长较短则功率较强。如图所示：

图 1-3-1 瑞利散射

菲涅尔反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点而引起的，这些点是由造成反向系数改变的因素组成，例如玻璃与空气的间隙。在这些点上，会有很强的背向散射光被反射回来。光时域反射测试模块就是利用菲涅尔反射的信息来定位连接点，光纤终端或断点。如下图分别表示了机械熔接、法兰盘、连接器断开造成的菲涅尔反射：

图 1-3-2 机械熔接（1）、法兰盘（2）和连接器（3）断开造成的菲涅尔反射

光网络实时信号监测模块设计目标

1)性能指标

中心波长：13l0nm±20nm

事件盲区：≤

动态范围：35 / 33dB

衰减读出分辨率：

群折射率设置范围：～

光纤连接器：FC

单系统功耗：≤ 30W

测距精度：光信号动态监测精度：≤。

2)系统功能

下位机设备实现光信号的获取、解析、故障判定及故障信息上报，实时监测上位机完成波形分析、光信号统计信息的获取及在线故障判定。列车实时运行中，一旦发现光信号的故障，即可实时获取环境信息，并将故障信息传输给上位机，由上位机分析后通过发送器发送给地面GSM接收机。

故障通告内容应包括：光纤长度，事件故障点在光纤长度上所处的位置，光纤串联中可能的故障器件，发生故障时列车行所处的经度和纬度及故障发生时间（需在上位机中预植列车图形化运行线路）。

所有故障信息通报信息在上位机保存。故障信息保存容量大于1000条，断电后信息不丢失。地面终端可查取保存完毕的故障信息。

第2章项目设计

项目总体设计

光网络实时信号监测系统包含OTDR模块、GSM模块、GPS模块、下位机管理模块、实时监测上位机模块及电源模块六大功能模块。设计方案如下图所示。

图2-1 光网络实时信号监测系统设计方案

其中：

（1）OTDR模块：负责定位光路故障点，分析故障类型及故障产生的具体位置；（2）GSM模块：负责将故障信息发送至地面接收端，并传递地面接收端的查询信息；

（3）GPS模块：负责故障时获取列车运行地理位置信息；

（4）下位机管理模块：负责总体接受和处理来自OTDR、GPS、GSM模块数据，并保证各模块的协同工作，对外输出计算统计结果；

（5）实时监测上位机模块：完成波形分析、光信号统计信息的获取及在线故障判定；

（6）电源模块：独立供电，系统功耗 < 30W。

研究思路与技术路线

本设计里，主要通过实时监测上位机与下位机设备完成系统功能，其中：

（1）下位机，实现设备光信号的获取、解析、故障判定及故障信息上报；

（2）实时监测上位机，完成波形分析、光信号量的实时获取与在线故障判定。

通过以上设计，可实现：

在列车实时运行中，一旦发现光信号的故障，即可实时获取环境信息，并将故障信息发送给地面GSM接收终端。

模块选型与设计

系统包括AQ7275 OTDR 模块、GSM 模块、GPS 模块、下位机管理模块、实时监测上位机模块及电源模块。总体硬件架构如下图所示：

图 2-3总体硬件架构图

AQ7275 OTDR 模块介绍

AQ7275 OTDR 模块实际包含了OTDR 接口、滤波、合波等，其功能可简记如下：

图 2-3-1 光信号处理示例图

模块功能说明：

1) OTDR 接口。包括激光器发射输出与反射光输入，测试接口与WDM 对接。

2) 激光器控制电路。负责激光器的打开与关闭，同时可以控制激光器的工作电路。

3) 数据采集电路。负责将反射回来的光信号转换成数字电信号。

4) FPGA 。根据DSP 的命令控制激光器开与关，同时收集数据采集电路的数字信号，在内

部进行数据累加，并提供给DSP 。

5) DSP 。根据命令控制FPGA ，向FPGA 读取数据，并按OTDR 算法处理数据，将处理结果

发送到外部电路。

外部接口电路。外接通信处理单元。

GSM 模块设计

工业级双频GSM/GPRS 模块，工作频段双频：900/1800MHz ，可以低功耗实现语音、SMS （短信）、数据和传真信息的传输，支持基站定位功能。

OT DR 接

口 光设备（TX ） WDM 激光器

数据采集 FPGA DSP 外部 电路 OUT 光路部分 信号发收 信号处理 协同处理