判定光放大器故障的方法
2023-10-07 03:54:19
專利名稱：判定光放大器故障的方法
技術領域：
及工業適應性本發明涉及一種用於測量光放大器性能的方法和裝置，具體地說是涉及一種判定光放大器故障的方法。
現代的光傳輸系統包括一個發送終端和一個經由光纜連接的接收終端。當光信號沿光纜傳輸時會衰減，正是此原因限制了終端的可能空間間距。為了實現高連線速率的遠距離傳輸，沿著光傳輸鏈路在多個位置放置再生器(中繼器)和/或光放大器來增大光纖上的信號。對於工作於每秒幾千兆比特(GBps)數據速率的系統，可以間隔的再生器距離範圍是35到80Km之間，它取決於所選擇的傳輸波長。一般地，在連線放大的配置中，光放大器之間的距離幾乎可以加倍，距離範圍達到80到160Km之間。前一級放大器輸送進光纖的光功率、光纖與上述放大器互連的最近下一級放大器的損耗及色散、以及下一級放大器的靈敏度，它們將決定上述距離。
光放大器應用於長途系統不僅受到模塊之間的較長距離支持，而且因為光放大器不需要沿光纖傳輸的光信號來回地轉換為電信號，以及同樣地因為它們較容易地嵌入光傳輸鏈路。儘管通過監測再生電信號的特性可以測量光電再生器的性能，但是測量光放大器性能要求專門的監測技術，因為再生的電信號不可用。
在光放大器中，存在著因通過增加光噪聲而不是減少淨增益而惡化性能的缺點。增加的光噪聲引起傳輸系統終端處的比特錯誤，即使收到光信號的強度滿足設計目標。此外，放大器的光器件內故障可以惡化光性能，此時並不阻止放大器獲得所需的輸出功率。檢測上述的各種惡化是十分有價值的，因為它們能夠引起過多的噪聲、降低性能特性的淨增益、或者其它故障的一個預告警。
摻餌光放大器(EDFA)的故障可以分為電子故障、泵雷射故障、以及光器件故障。例如，由於老化或者溫度控制系統的故障導致泵雷射波長的變化能夠增加光噪聲。輸入信號的過多損耗或者總損耗需要完全地檢測，因為通過EDFA輸出埠更高的增益基本上能夠補償上述損耗，結果是淨效益為一個輸出信號的降低的信噪比。
給定光放大器可以產生的增益量不僅是輸入功率的函數，而且也是由於高功率增益飽和所導致的輸出功率的函數。當前，用戶能夠規定光放大器內輸出功率電平來允許光傳輸系統的設計配置的靈活性。例如，傳輸系統配置設計中的誤算可能使用戶規定的的輸出功率比放大器能夠提供的功率高。
當光放大器不能得到所要求的功率時，可能是因為放大器惡化、可能是因為輸入信號對所要求的功率太小、或者可能是因為用戶設定的規定功率高於設計的參數。對於系統的用戶，假如傳輸鏈路的任何放大器不能得到所需要的輸出功率，能夠準確地識別上述情況是十分有價值的。
當放大器有多個輸出方向或者波段並具有獨立地控制每個波段功率的能力時，另一問題將會出現。放大器可能失去對一組給定輸入信號功率電平動態範圍的控制，並且不能同時地保持所有的輸出功率電平為各自的規定值。例如，一個電平可能太高而另一個電平可能太低。上述動態範圍基本上是輸入功率電平和規定輸出功率電平的函數。對於系統的管理者，在放大器故障與放大器設計不能滿足一組輸入的規定輸出的情況之間進行識別是十分有價值的。
現在可以用信號表示某些故障。因此，當輸入信號具有低於一個給定的門限時，產生一個損耗告警信號是光纖傳輸設備內一個標準的慣例。此外，當放大器不能滿足規定的增益或者可選擇地不能滿足規定的輸出功率時，產生告警同樣是眾所周知的。
美國專利申請號No.08/261,350(Roberts et al.,1994年6月提交，並且已授予Northern Telecom Ltd.)，它公布了一個測量放大器產生的光信噪比的方法，假如可能的抖動存在於雷射源。
然而，現有的技術基本上沒有提供一種用於檢測光放大器光器件的惡化和故障以及用於區別是設備故障還是丟失輸入信號的方法。本發明涉及此類方法及裝置。
本發明的目的之一是提供用於監控光放大器性能的方法和裝置，它減少或克服了目前所有技術的監控技術的缺點。
本發明的另一個目的是提供用於檢測光放大器光器件內惡化和故障的方法和裝置。
本發明的又一個目的是提供一種區別設備故障和丟失輸入信號二者之一的方法和裝置。
根據本發明的一個方面，本發明提供了一個光放大器模塊的故障檢測系統，它包括用於測量模塊性能參數的裝置、用於提供預期性能參數的裝置、以及一個用於接收性能參數和預期性能參數的比較裝置，並且當性能參數基本上偏離預期參數時產生一個差錯信號。
根據另一方面，本發明提供了一個含有多個(M)傳輸信道的多信道光放大器模塊的故障檢測系統，它包括用於測量模塊性能參數的裝置、用於存儲預期性能參數的存儲器裝置、以及一個用於比較接收性能參數和預期性能參數的比較器裝置，並且當性能參數偏離預期參數時產生一個差錯信號。
根據本發明的另一方面，它提供了一種用於檢測光放大器模塊故障的方法，包括的步驟如下提供模塊的一個預期性能參數、測量模塊的性能參數、比較性能參數和預期性能參數，並且當性能參數不等於規定的性能參數時產生一個差錯信號，以及用真/假信號觸發一個告警/顯示單元來通知模塊故障。
由於設計裕度，一個放大器可能多年來工作於其輸入功率電平低於保證的電平。只有當一個或者多個器件的惡化減少了餘量時，放大器才不能得到保證的輸出功率。用戶可以選擇設置門限來表示輸入損耗(LOS門限)低於規定的電平以便利用設計餘量。這樣一來，由於用戶選擇、或錯誤、或缺乏知識可能對具體的放大器輸出功率設置了較低的LOS門限。
本發明方法的優點在於確保了無論放大器任何時候沒有達到預期的性能參數時，它總是產生一個告警，此外，產生一個合適的告警，它區別輸入損耗和光器件故障二者之一。
例如，根據本發明，其確定的性能參數是輸出功率或者增益。此外，本發明提出了使用品質因子來規定放大器的潛在性能，其中品質因子是一個比增益或者輸出功率更加靈活的放大器性能量度。藉此方式，提供了更好的故障範圍以及在改變增益或者輸出功率之前也能夠檢測出潛在的問題。
根據本發明的方法，採用預期數量的放大的自發發射(ASE)電平並且將其與已測噪聲比較以及計算增益擺動同樣地提供了比剛才已測的附加噪聲和增益更準確的放大器性能估計。預測特性與已測者的比較消除了放大器中正常的噪聲或增益分布的明顯變化，因此允許準確地觀察到惡化並發起合適的操作。
根據本發明，除了上述列舉的優點之外，該方法還消除了需要用戶完全地理解多頻帶放大器動態範圍的麻煩，其中上述動態範圍是多個變量的相當複雜的函數。這是因為放大器自身估計動態範圍故障的各種情況。
正如下述的各圖所示的，根據優選實施方案的詳述，本發明的前述及其它目的以及特徵和優點將是顯而易見的
圖1A說明了根據本發明的一個配置有故障檢測系統的單向放大器模塊的方框圖；圖1B是一個判定圖1A的光放大器模塊故障方法的流程圖；圖2A說明了一個配置有故障檢測系統的雙向放大器模塊的方框圖；圖2B是一個判定圖2A的光放大器模塊故障方法的流程圖；圖3說明了根據另一個實施方案的故障檢測系統的方框圖；圖4A是一個判定裝備有圖3的故障檢測系統的光放大器模塊故障方法的流程圖；圖4B是一個判定裝備有圖3的故障檢測系統的光放大器模塊故障另一個方法的流程圖；圖5A說明了根據另一個實施方案的一個故障檢測系統的方框圖；圖5B說明了一個判定裝備有圖5A的故障檢測系統的光放大器模塊故障方法的流程圖；圖6A說明了依然是根據另一個實施方案的一個故障檢測系統的方框圖；圖6B說明了一個判定裝備有圖6A的故障檢測系統的光放大器模塊故障方法的流程圖；圖7A說明了依然是根據另一個實施方案的一個故障檢測系統的方框圖；以及圖7B說明了一個判定裝備有圖7A的故障檢測系統的光放大器模塊故障方法的流程圖。
圖1A說明了配置有故障檢測系統的單向/單一信道的光放大器模塊的方框圖。光放大器模塊包括一個光放大器10，它在圖1的實例中是一個摻餌光放大器(EDFA)。上述放大器模塊嵌入光纖來放大輸入埠22收到的輸入光信號以便得到輸出埠14的輸出光信號。EDFA模塊傳統地包括一個輸入功率監視器16、一個輸出功率監視器18和一個泵源功率監視器20。輸出功率監視器18在輸出光信號轉換為輸出電信號之後，它接收輸出光信號的幾分之一併且測量輸出光信號內的功率。控制單元22處理反饋的功率信息，它同樣地控制泵源功率監視器20來根據反饋信號調整雷射泵21的功率。輸入功率監視器16測量輸入光信號的功率，它隨後用來判決光放大器的各種參數。例如，輸入功率可以用來得到噪聲信息，正如前述的美國專利申請號No.08/261,350中所公開的內容。控制單元22與遠端或本地計算機沿數據總線45交換信息。
輸入和輸出抽頭傳統地用於輸入埠12和輸出埠14用來將輸入和輸出光信號的幾分之一分送給各自的功率監視器。PIN二極體23和24分送各自抽頭的幾份數為電信號，跨阻放大器25和26隨後放大上述各自抽頭的份數，以及模數轉換器27和28轉換上述各自抽頭的份數為數位訊號。測量光輸入和輸出信號功率的這種方法技術上是眾所周知的，因此，此處不提供更詳盡的細節。
一般地，裝備光放大器模塊一個當輸入信號小於門限電平時通知LOS的告警器。如果光放大器不能得到其規定的輸出功率，它正如當驅動泵光源至其極限時輸出功率控制環路所決定的功率，那麼通知一個內部的告警狀態。這不是足夠的，因為存在不可能得到輸出功率的各種原因以及對應地校正上述情況或者通知一個合適告警的多種方式。
根據本發明，光放大器裝備有一個故障檢測系統，該系統包括用於測量模塊性能參數的裝置、用於提供一個預期性能參數的裝置、以及一個用於比較測量性能參數和預期性能參數的裝置來產生一個「錯誤」信號。差錯信號觸發合適的告警，也可以提供一個錯誤類型的顯示。
圖1A的實施方案中，性能參數最好是傳輸信道的輸出與輸入功率之間的對應值。輸入功率監視器16提供了連線37上的已測輸入值(I)作為光輸入信號功率的函數，以及輸出功率監視器18提供了連線31上的已測輸出值(O)作為光輸出信號功率的函數。預期的性能參數是一個對應於得到各自輸出(O)所必須的一個門限值(T)的規定輸出功率(P)。提供裝置4最好是一個存儲器32，它存儲(P)和(T)之間的一個對應值。存儲器32可以是非易失類型的存儲器，其中製造商可以存儲預期的參數而且用戶不能修改。
比較裝置3包括一個第一比較器34來比較已測輸出值(O)與連線35上收到的規定值(P)並且產生一個差錯信號33，它表示放大器輸出小於規定值。這可以是輸出功率控制環路的一部分。
在通知模塊故障之前，系統判定是否提供了足夠的輸入功率來得到規定的輸出功率，它不依賴於可能提供的LOS門限。因此，如果信號33表示輸出功率太低，那麼一個第二比較器36比較已測的輸入值(I)與從連線39上存儲器32所恢復的門限輸入值(T)。如果已測輸入值(I)低於門限，那麼產生一個「輸入低」的告警41，它表示用戶期望從放大器得到更多的增益。這是因為輸入功率太低或者規定輸出功率太高。如果輸入功率高於門限，那麼產生一個「單元故障」告警43，它表示放大器沒有工作到保證的性能電平。
故障檢測系統也提供了一個顯示/告警單元38來表示(O)低於(P)時的一個模塊故障以及表示是一個模塊故障還是一個輸入低的情況。
可以理解的是控制單元22與輸入功率監視器16和18、比較器34和36及存儲器32交換控制信號。上述信號為了簡化畫圖而沒有圖示說明。
圖1B說明了判定單向/單一信道放大器模塊的故障的方法。在起始步驟100期間，規定輸出(P)和對應門限值(T)存儲於存儲器32。對應值也可以是一個給出多個預期功率值的表，每個與輸入的對應門限配對。步驟110處測量輸出信號的功率來給出已測輸出值(O)。接著步驟120處，從存儲器32恢復規定功率(P)並且規定功率(P)在比較器34內與已測輸出值(O)比較。如果輸出值(O)大於或者等於規定功率值(P)，那麼根據規定的參數作為模塊的函數來重複步驟110和120。
如果信號33是假，那麼步驟130處的輸入功率監視器16決定已測輸入值(I)。步驟140處，從存儲器32恢復規定功率(P)並且規定功率(P)在第二比較器36內與已測輸入值(I)比較。如果比較器36發布控制信號41，那麼控制單元22決定在此種情況下輸入光信號是太低還是規定功率太高，以及方框38將在步驟150處顯示合適的指示。如果比較器36發布控制信號43，那麼控制單元22將上述信號作為解釋模塊故障並且據此通知告警方框38在步驟160處觸發合適懂得告警。
雙向光放大器或多信道放大器中，分別應用了上述方法於各自的方向/信道。圖2A說明了一種情況，即此時使用組合的性能參數來應用上述方法於雙向放大器模塊。提供了圖2A的放大器模塊獨立的功率監視器和每個方向的雷射源。圖2A說明了一個用於兩個功率監視器的方框16、一個用於輸出功率監視器的方框18、以及為了簡化目的，一個用於泵監視器的方框和雷射源方框。
圖示的該圖從右向左的第一個方向A的輸入光信號在輸入埠12處具有抽頭，PIN二極體23和跨阻放大器25轉換上述信號為電模擬信號，模數轉換器27隨後轉換上述信號為數位訊號，以及加至輸入功率監視單元16來產生已測輸入值(I1)。第一方向的輸出光信號沿PIN二極體24、跨阻放大器26、模數轉換器28以及輸出功率監視單元18所構成的路徑給出第一個已測輸出值(O1)。
同樣地測量圖示於圖2A從左向右的第二個傳輸方向(或第二個信道)B的輸入和輸出光信號。沿PIN二極體13、跨阻放大器15、模數轉換器19以及輸入功率監視單元16所構成的路徑得到第二個已測輸入值(I2)。沿PIN二極體14、跨阻放大器16、模數轉換器18以及輸出功率監視單元18所構成的路徑得到對應的已測輸出值(O2)。控制單元22接收關於輸入和輸出光信號功率的信息並且控制每個泵功率監視器20來設置雷射源21的功率以便得到各個方向(信道)所需的放大。控制單元監視模塊的其它參數。正如圖1A的實施方案，控制單元22與數據總線45上的計算機交換信息。
第一個(O1)和第二個輸出值(O2)加至一個第一計算裝置40，它是作為一個函數F(O1,O2)來計算連線45上組合已測的輸出信號F(O)。第二個計算裝置42接收已測的輸入值(I1)和(I2)以及作為一個函數J(I1,I2)來計算連線47上的一個已測的輸入信號J(I)。
存儲器32存儲了一個規定組合輸出F(P)與組合門限J(T)之間的直接對應值，其中規定組合輸出F(P)是兩個方向(信道)的規定輸出功率的同一個函數F，組合門限J(T)是兩個方向(信道)的門限的同一個函數J。
第一個組合方框34接收已測的規定組合輸出以及產生一個差錯信號33，它表示輸出功率太低，正如上面結合圖1A和1B所公開的內容。如果F(O1,O2)低於F(P)，那麼第二個比較器36比較組合已測輸入J(I1,I2)與組合門限J(T)。如果組合已測輸入大於組合門限J(T)，那麼產生一個「單元故障」告警43並且顯示/告警單元38通知放大器沒有工作於其規定性能電平。如果組合已測輸入低於門限，那麼產生一個「輸入低」告警41並且顯示/告警單元38通知用戶期望從放大器得到更多的增益。
圖2B說明了用於如圖2A所說明兩信道的多信道光放大器的故障檢測系統工作的流程圖。步驟200選擇函數F和J，並且步驟210處計算的組合規定輸出功率F(P)和組合門限J(T)之間的對應值存儲於存儲器32。接著步驟220處，所有M傳輸信道的輸出光信號的幾分數轉移給輸出功率監視器方框18並且處理來決定輸出值O1、O2、…,Om,…,OM。步驟230處的第一個計算裝置方框40內計算函數F(O1、O2、…,Om,…,OM)來得到組合已測輸出功率F(O)。對於圖2A所示的兩傳輸信道，計算裝置40決定函數F(O1,O2)。
如果步驟240處決定組合已測值輸出F(O)等於或者大於從存儲器恢復的組合規定輸出功率發F(P)，那麼重複規定參數和步驟220、230及240內的模塊函數來連續檢測故障。如果決定組合已測輸出F(O)小於組合規定輸出F(P)，那麼系統檢測輸入功率是否足夠來得到規定輸出功率。步驟250處輸入功率監視器提供已測輸入值。已測輸入值加至第二計算裝置42，此處步驟260計算函數J(I1,I2,…,Im,…,IM)來提供組合已測輸入值J(I)。對於如圖2B所示的具有兩個傳輸信道的傳輸系統的情況，第二個計算裝置方框44計算函數J(I1,I2)。
接著，步驟270處從存儲器32內檢索J(T)並且J(T)與J(I)比較來證實輸入信號是否高於門限以便得到輸出信號的規定功率。如果J(I)小於J(T)，那麼系統通知用戶輸入功率太低或者規定功率太高，正如步驟280所示。方框36產生信號41並且控制單元22在告警/顯示方框38上顯示合適的信息。此外，如果J(I)大於或者等於J(T)，那麼控制單元22觸發告警方框38來在步驟290處通知用戶模塊故障。
函數F和J可以是兩個輸入或者輸出值的和。其它的數學函數如最大值也可以用於代替上述和。例如，實施1dB的滯後來防止觸發過多的告警狀態。能夠使用插入來提供比所選表步長更好的解析度，例如，表步長可能是2dB。能夠使用一個多項式擬合或者其它的數據減小方法來代替一個以更多的處理為代價而要求較少的存儲量的表。此外，可能存儲一個帶有每個信道輸入的規定輸出的表於存儲器32中，並且使計算裝置根據實際使用的信道數來決定函數F(P)和J(I)。優選實施方案取決於其應用。
圖3和4A說明了一個如下文所描述的光放大器模塊的故障檢測系統。
美國專利申請號No.08/261,350(Roberts，等人)所公布的方法可以認為是測量輸入和輸出信號功率以及信號波長的一個實例。控制單元22給波長λ1至λM的輸入和輸出信道分別轉換上述功率值為光子流速值FSIGI1到FSIGIM以及FSIGO1到FSIGOM。類似地，放大的自發發射(ASE)功率值採用任何合適的方法測量，例如上面已描述的U.S專利申請所公布的方法，控制單元轉換上述功率值為流速FASEin和FASEout。此外，控制單元轉換泵背面監視電流值(L)成為泵光子流速值FPUMPin。
所有上述轉換係數均是最差情況下的值，它對所有的放大器單元是共同的以及是從放大器設計的先驗知識中得到的。使用剛開始使用得到的流速，緩慢變化的單調函數FOM1得以評估以及存儲於與每個放大器單元相伴的非易失閃速存儲器32中，具體說是FOM=1-FPUMPin+2(FASEin-FASEout)+nM(FSIGIn-FSIGOn)nMFSIGIn+FPUMPin+FASEin]]>(式1)能夠在工廠內決定預期的品質因子，一旦放大器通過了仔細的光測試，那麼品質因子和某些測試結果能夠存儲於每個放大器的非易失存儲器32內。品質因此能夠報告給用戶或者工廠修理人員。對函數FOM1在開始使用時(t=0)所採用的通過/失敗標準能夠用來識別所懷疑的不可接受泵性能模塊或者用來決定不可接受性能的模塊。
從開始使用值FOMt=0與放大器投入「業務服務期」期間所測得的對應值FOMt=t之間得到的差值能夠用來測量泵雷射效率的惡化，具體的是epump=FOM1t=0-FOM1t=t(式2)為了實現此目的，當前的品質因子在比較器34內與從存儲器32所恢復的規定(起始)值相比較。測量泵效率的惡化表示為epump之值的增加。使用上述差錯信號能夠得到告警。此外，對某個特定的信道能夠估計epump或者可能是n個值之組合。
泵效率可能由於某些原因如泵波長的變化、光路徑或校準的變化、以及器件損壞等而導致惡化。如果由於增加內部噪聲、耦合的變化、或者泵波長的變化等導致惡化了放大器光性能，那麼品質因子將會降低，即已測FOM將小於規定值。在此情況下，誤差信號33通知控制單元22，它依次地觸發合適的告警和/或顯示一個對應消息。
圖4A說明了圖3故障檢測系統的工作流程圖。步驟300處，建立品質因子FOM1的定義，步驟310和320處，決定了預期FOMt=0，即初始值，以及上述初始值存儲於存儲器32。步驟330處，輸入和輸出功率與ASE功率值一起測量。控制單元根據上述測量決定值FSIGIn和FSIGOn。步驟340處的方框44計算當前FOM1，步驟350處當前FOM1在比較器34內與初始值FOMt=0比較來產生epump信號33。如果預期FOMt=0小於已測值，那麼控制單元22觸發告警方框38來通知並顯示模塊已經惡化了其性能及業務並且需要替換。
可以測量用於判決光放大器模塊性能的另一個參數是已放大自發發射(ASE)。基於上述參數來檢測一個模塊故障的基本實施方案圖示於圖3中。圖4B說明了此實施方案的工作方框圖。
使用來自輸入功率監視器16和泵功率監視器20的輸入功率和泵功率在計算單元44內計算預期的ASE值。函數FOM2n決定了光放大器的有效輸入損耗或者相當地已放大自發發射。已知有效輸入損耗相當於已知給定放大器設計的已放大自發發射值，因為有效輸入損耗直接地加至放大器的噪聲係數，具體的是FOM2n=(FASEout-FASEin)FSIGInFSIGOn]]>(式3)開始使用時估計FOM2n以及FOM2n存儲於非易失閃速存儲器32。FOM2的更高值對應於給定放大器設計的更高輸入損耗。
比較器34從開始使用時的值FOMt=0與放大器進入服務壽命期間的對應值FOMt=t之間的差值得到誤差信號33的輸出。誤差信號能夠用來測量輸入損耗的惡化，具體的是eloss=FOM2nt=tFSGOnFSIGIn-FOM2nt=0FSIGOnFSIGIn]]>(式4)測量輸入損耗的惡化作為elossn值的增量。根據具體的n或者n值的組合值所估計的信號33能夠得到告警。
圖4B說明了圖4A實施方案的工作方框圖。首先，步驟400處選擇函數FOM2，步驟410處決定初始值FOMt=0(t=O)。使用來自輸入功率監視器16的輸入(I)和來自泵功率監視器20的輸入ASE之值決定上述值。步驟420處，初始值存儲於存儲器32中。其次，步驟430處，模塊測量輸入(I)、輸出(O)和泵(L)功率，並且計算單元44在步驟440處決定FOM2n的當前值。時刻t的品質因子的已測值在比較器34內與步驟450的初始值相比較來產生控制單元22的誤差信號33。如果信號33表示FOM2n的當前值小於或者等於初始值FOMt=0，那麼重複步驟430至450，因為放大器工作於規定的參數之內。當噪聲變得大於預期ASE時，步驟460處的告警/顯示單元38通知模塊故障。
增益擺動也可以用作測量放大器性能的參數，正如圖5A的實施方案所示。下面描述增益擺動計算的優選實施方案。
給定放大器單元工作於一組預定的波長，即波長λ1到λM。工廠在標稱增益如1557nm為23dB的條件之下測量波長λ1到λM各自的增益G1到GM。增益隨後存儲於放大器模塊上的非易失閃速存儲器32。
當放大器逆變換條件由於提供的輸入功率或者泵功率而偏離正常值時，每個波長的增益變化是不同的，但是是可預測的相對量。對於給定的放大器設計，有一組固定的傾斜係數C1到CM(dB)，它們定義了增益的正常相對變化。上述係數也存儲於每個放大器模塊內的閃速存儲器32中，因此，它們能夠用來區別正常變化增益的異常波動。此外，製造商提供的給定誤差門限(T)也存儲於存儲器32中。
增益擺動誤差的計算如下em=(gm-Gm)-(gn-Gn)×(Cm/Cn)(式5)此處m是整數，m∈[1,M],n是當前的最小波長數，gm是信道(m)當前的增益，以及Gm是信道(m)的預期增益。
圖5A說明了使用根據關係式EQ5所計算的增益擺動誤差來決定放大器故障的實施方案方框圖。當前波長的增益檢測器50工作時周期地或者得到請求來測量放大器所提供的當前增益g1到gM。接著，系統使用最小檢測器48來決定存在的最小波長數。採用「n」來表示上述的信道數，採用「m」來表示被測信道。(n)信道的預期增益Gn從連線49上與各自的增益擺動係數Cn和Cm一起從存儲器32中得以恢復並且加至一個第一計算裝置44。單元44隨後決定第一項(gn-Gn)Cm/Cn。第二計算裝置46同時從存儲器32接收正在考慮中的預期增益Gm並且從控制單元接收已測增益gm。第二計算裝置決定第二項(gm-Gm)。第一項和第二項分別經由連線47和51加至比較器34。
如果任何錯誤或者誤差函數如絕對值之和超過了連線55上的門限，那麼誤差信號將觸發增益波動告警。上述告警表示放大器增益的波動極大地是由於器件的故障如光濾波器的故障引起和放大器需要替換。
上述方法的一個改進是採用最小均方最佳擬合曲線來決定增益的性能參數go，而不是使用信號增益gn之一。最佳擬合計算是眾所周知的均方誤差之和最小的方法。通過最佳擬合多個測量而不是根據一個點取平均實現了對增益測量誤差的更高的容忍度。例如，能夠選擇波長零作為不是信號波長的任意參考點，其中參考點如1545nm。通過按比例測量數組來設置C0為1.0。誤差方程將變為em=(gm-Gm-(g0-G0)×Cm(式6)圖5B說明了上述實施方案的工作。步驟500處，對各個模塊在標稱增益如1557nm為23dB的條件之下，決定每個波長的增益G1到GM。增益隨後存儲於步驟510所預期的性能參數於非易失閃速存儲器32。固定的傾斜係數C1到CM(dB)，它們定義了增益的正常相對變化。以增益定義的正常相對變化的係數C1到CM也與允許的誤差門限一起存儲。步驟520處，測量輸入和輸出及泵功率並且也使用增益擺動係數據此決定當前的增益g1到gM。例如，步驟530處根據EQ5或者EQ6計算誤差。如果誤差超過了步驟540所確定的門限，那麼控制單元22通知模塊內一個故障並且步驟550處觸發告警方框38。
得到關於多頻帶放大器工作信息的另一個性能參數是控制動態範圍。用於此類測量的實施方案以圖6AA所示的兩個頻帶放大器來說明，並且圖6B說明了多頻帶放大器的工作方式。
如果具有兩個頻帶的光放大器含有某些獨立的功率控制，它不能同時地在兩個頻帶得到其規定的輸出功率，因為控制超出了其動態範圍，那麼故障檢測系統首先與兩個規定的輸出功率比較表示輸出功率的兩個已測輸出值。非易失存儲器32包含一個三維表，該表的維數包括第一個規定輸出功率P1、第二個規定輸出功率P2、以及第一個輸入值I1。表的每個位置是在此情況下的第二輸入I2即I2Min和I2Max的最大和最小功率。
下面給出了表的一個實例，為了簡化I1隻有兩個值表
系統測量第一個和第二個傳輸信道的輸出功率並且提供已測的輸出值O1和O2。一個第一比較器34在其輸入上接收已測的輸出值O1和O2並且比較它們與從連線35存儲器32上接收的規定值P1和P2。
如果輸出功率超過了該放大器的設計範圍，那麼第一個比較器34將發布誤差信號33給控制單元來發起輸入證實。隨後對第一個和第二個信道測量輸入功率來給出已測的輸入值I1和I2。對應於值I1、O1和O2的範圍I2Min-I2Max從存儲於存儲器32的表中得以恢復。輸入上述記錄入第二個比較器36。第二個比較器36也接收來自第二個輸入功率監視器的已測輸入值I2，並且把它與I2Min和I2Max相比較。如果第二個輸入已測的功率處於表中的範圍內，那麼採用表示放大器模塊沒有工作於其規定性能電平的信號41通知放大器故障。如果已測功率超出了表中的範圍，那麼控制單元一旦接收到信號34則通知「控制動態範圍」告警。
能夠實施滯後電平如1dB來防止過多地觸發告警狀態。三維插入能夠用來提供比所選的表步長如2dB更高的解析度。多項式擬合或者數據降低的其它方法能夠用來代替表所要求的存儲量，它是以更多處理為代價來減少存儲量的。
採用含有M頻帶的放大器，通過使用維數為2*M-1的表能夠更一般化上述方法。在此情況下，輸入之一，將其表示為輸入I1，使其範圍制表成為所有其它的一個函數。正如圖6B步驟600所示，表TAB2M-1存儲於存儲器32。表具有以I1Min-I1Max形式的記錄。步驟601處，控制單元22通知輸出功率監視器來提供所有M傳輸信道的已測輸出值。接著，步驟602處，第一個比較器34比較已測輸出值與規定的功率來得到差錯信號33。如果輸出功率處於所有輸出的規定範圍之內，那麼重複步驟610和步驟620。如果信號33是假，那麼步驟630處測量輸入來得到所有信道的已測輸入值I1,…,IM。步驟640處，訪問存儲器並且從表TAB2M-1中恢復對應於已測O1,…,OM,I1,…,IM的記錄I1Min-I1Max。步驟650處，比較器36決定已測值I1是否處於I1Min-I1Max範圍。如果I1處於範圍內，那麼通知模塊失敗，正如步驟660處所示。如果輸入超出了範圍，那麼步驟670處顯示合適的告警。
在某些情況下，這沒有給出有效工作空間足夠的觀測度，並且使用不同選擇的變量來查詢幾個上述表。在其它情況下，表能夠減少維數並且具有幾個制表變量。上述情況是由具體放大器及所要求精度的控制要求特性所決定的。
用於決定放大器模塊故障的另一個性能參數是「輸出損耗」。「輸出損耗」能夠以類似於使用增益值的上述方法來計算．根據上述方法，從已測增益中選擇兩個波長λ1和λ2的模塊的增益g1和92以便為了更加準確地具有各個增益擺動係數C1-C2之間的最大差值。根據下面的關係式隨後決定平均逆變換INV2=(g1-g2)+C1-C2]]>(式7)此處α、β對給定放大器設計是常數。採用下式計算預期的加性ASE光子流FASEcalc=(eAINV2-1)]]>(式8)此處A、γ對給定的設計是常數。輸出損耗等於下列比例式outputloss=FASEcalcFASEout-FASEin]]>(式9)圖7A說明了使用此參數的故障檢測系統的方框圖。對所有M個信道的校準增益擺動係數C1到CM由工廠決定並且存儲於存儲器32內。最大檢測器48以預定的間隔決定那一個傳輸信道處於激活，並且採用增益擺動係數之間的最高差值來決定信道「n」和「m」。增益檢測器單元50對波長λn和λm測量放大器所提供的當前增益gn和gm。一個第一計算裝置44接收上述信道的增益擺動係數Cn和Cm並且已測增益gn及gm計算FASEcalc。一個第二計算裝置46接收FASEcalc並且已測FASEin和FASEout根據EQ9計算信號「輸出損耗」。
「輸出損耗」與一個在工廠時存儲於非易失閃速存儲器32內的輸出損耗的校準值相比較，並且如果差值超過了給定的門限，那麼通知輸出損耗告警。
圖7B說明了根據圖7A的實施方案由檢測放大器模塊故障的系統執行的工作流程圖。步驟700處，校準C1到CM以及輸出損耗的校準值T存儲於存儲器32。檢測器48在步驟710處決定不包括所有激活傳輸信道的提供了增益擺動係數之間最大差值的信道(n)和(m)。接著，對檢測器48所選擇懂得信道在第一個計算裝置44內計算FASEcalc。步驟730處，放大器模塊測量輸入和輸出的ASE，以及在步驟740處上述值用於計算輸入損耗。接著，步驟750處比較輸出損耗與校準值T，步驟760處當輸出損耗高於校準值時，誤差信號觸發告警方框38。
此外，放大器模型能夠在微處理器內計算，並且該放大器的性能能夠與模型結果相比較。通過建立放大器模型為一組多項式能夠有效地減少上述運算量。能夠發送放大器參數只一個獨立的或者中央計算機並且上述參數的估計也在此計算。放大器模塊能夠裝備某些或者全部的上述公開實施方案，以及再添加最少量的器件和軟體。
儘管參照特定的實例實施方案描述了本發明，對本技術領域的技術人員存在其它的修改和改進也屬於隨後的權利要求之內，它們在更加廣泛的方面沒有脫離本發明的範圍。
權利要求
1．一種用於光放大器模塊的故障檢測系統，包括用於測量上述模塊性能參數的裝置；用於提供一個預期性能參數的裝置；以及比較裝置，用於接收上述性能參數和上述預期性能參數，以及當上述性能參數偏離上述預期性能參數時產生一個誤差信號。
2．按照權利要求1的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述的提供裝置包括一個用於存儲上述預期性能參數的存儲器單元。
3．按照權利要求1的故障檢測系統，其特徵在於，還包括一個用於接收上述差錯信號和據此通知上述模塊一個故障的顯示/告警單元。
4．按照權利要求2的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述的測量裝置包括用於提供一個輸入值作為上述放大器模塊在傳輸信道上所收到的輸入光信號功率的函數的裝置；以及用於提供一個輸出值作為上述放大器模塊在上述傳輸信道上所發送的輸出光信號功率的函數的裝置。
5．按照權利要求4的故障檢測系統，其特徵在於，其中比較單元包括一個用於比較上述輸出值與存儲於上述存儲器的規定輸出值並提供上述差錯信號的第一比較器；以及一個用於響應上述差錯信號比較上述輸入值與存儲於上述存儲器的門限並且產生模塊失敗告警信號和輸入低告警信號二者之一的第二比較器。
6．按照權利要求2的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述的測量裝置進一步地包括用於估計放大自然發送(ASE)值的裝置；用於提供一個泵功率值作為上述傳輸信道上的上述放大器模塊的雷射泵所注入功率的函數的裝置；以及用於接收上述輸入值、上述輸出值、上述ASE值、以及上述泵功率並且決定品質因子作為上述規定性能參數的計算單元。
7．一種用於含有多個傳輸信道的多波段光放大器模塊的故障檢測系統，包括用於測量上述模塊性能參數的裝置；用於存儲一個預期性能參數的裝置；以及比較裝置用於比較上述性能參數與上述預期性能參數，以及當上述性能參數偏離上述預期性能參數時產生一個誤差信號。
8．按照權利要求7的故障檢測系統，其特徵在於，還包括一個用於接收上述差錯信號和據此通知上述模塊一個故障的顯示/告警單元。
9．按照權利要求7的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述的測量裝置包括用於提供一個對每個傳輸信道(m)的輸入值(Im)作為上述放大器模塊在傳輸信道(m)上所收到的輸入光信號功率的函數的裝置，其中m是一個整數，m∈[1,M]；以及用於提供一個對每個傳輸信道(m)的輸出值作為上述放大器模塊在上述傳輸信道(m)上所發送的輸出光信號功率的函數的裝置。
10．按照權利要求7的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述的測量裝置進一步地包括一個用於接收上述(M)輸出值以及決定一個組合已測輸出值F(O)的第一計算裝置；以及一個用於接收上述(M)輸入值以及決定一個組合已測輸入值F(I)的第二計算裝置。
11．按照權利要求7的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述比較單元包括一個用於比較上述組合已測輸出值F(O)與存儲於上述存儲器單元內組合的規定輸出值並提供上述差錯信號的第一比較器；以及一個用於響應上述差錯信號比較上述組合輸入值與存儲於上述存儲器單元內門限(T)並且產生模塊失敗告警信號和輸入低告警信號二者之一的第二比較器。
12．按照權利要求9的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述的測量裝置包括用於決定一個含有最小波長的第一傳輸信道(n)的最小檢測器；用於決定一個第一增益(gm)和一個第二增益(gn)的裝置，計算上述的第一和第二增益作為上述各個傳輸信道(m)和(n)的上述輸出和上述輸入值之間的一個函數；一個用於分別對上述傳輸信道(n)和(m)接收上述第二增益gn、從上述存儲單元接收一個對應的校準增益Gn、以及校準的增益擺動係數Cn和Cm的第一計算裝置，它計算第一項作為差值(gn-Gn)以及根據比率Cn/Cm來調整上述差值；以及一個用於接收上述增益gm、從上述存儲器單元接收一個對應的增益Gm的第二計算裝置，它計算第二項作為差值(gm-Gm)。
13．按照權利要求12的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述的比較器單元比較上述已調的第一項與上述的第二項。
14．按照權利要求9的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述的比較裝置包括一個用於接收上述已測輸出值(Om)並且比較每個輸出值與對應的規定輸出值(Pm)以及據此產生上述差錯信號的第一比較器；以及一個用於響應上述差錯信號比較上述輸入值I1與從上述上述存儲器單元內提取的記錄I1Max、I1Min並且產生模塊失敗告警信號和故障告警信號二者之一的第二比較器。
15．按照權利要求9的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述的測量裝置包括從上述存儲器中對所有上述傳輸信道提取多個(M)校準增益擺動係數的裝置；一個用於識別一對含有各個增益擺動係數之間最大差值的信道(n)和(m)的最大檢測器；一個用於接受上述增益值(gn)和(gm)以及計算一個ASE值(FASEcalc)的第一計算裝置；以及一個用於接收上述ASE值(FASEcalc)、一個上述輸入光信號內已測的輸入ASE值、以及一個上述輸出光信號內已測的輸處ASE值並且產生一個輸出損耗信號的第二計算裝置。
16．按照權利要求15的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述的比較器單元包括一個用於接收上述輸出損耗信號和一個來自上述存儲器裝置的目標輸出損耗信號以及據此產生一個誤差信號的比較器。
17．一種用於檢測光放大器模塊的方法，包括的步驟提供一個上述模塊的預期性能參數；測量上述模塊性能參數；當上述性能參數不等於上述規定的性能參數時，比較上述性能參數與上述預期性能參數來產生一個誤差信號；以及使用上述的真/假信號觸發一個顯示/告警單元來據此通知一個上述模塊的故障。
18．按照權利要求17的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述的測量裝置包括對多個(M)傳輸信道，測量一個表示每個傳輸信道(m)上的輸入光信號的輸入值Im；以及對上述多個(M)傳輸信道，測量一個表示每個傳輸信道(m)上的輸出光信號的輸出值。
19．按照權利要求18的方法，其特徵在於，其中上述性能參數是上述輸出值，以及上述的預期參數是一個對上述每個傳輸信道的規定輸出值。
20．按照權利要求18的方法，其特徵在於，其中上述性能參數是一個上述輸出值和上述輸入值之間的對應值，以及上述的預期參數是一個對一個傳輸信道的規定輸出值和門限之間的對應值。
21．按照權利要求18的方法，其特徵在於，其中上述性能參數是一個對所有上述傳輸信道(M)的組合輸入值和組合輸出值之間的對應值，以及上述的預期參數是一個門限與組合規定輸出值之間的對應值。
22．按照權利要求18的方法，其特徵在於，其中上述性能參數是一個品質係數(FOMt=t)，以及上述的預期參數是一個對規定品質係數(FOMt=O)。
23．按照權利要求22的方法，其特徵在於，其中測量的上述步驟包括對一個傳輸信道(n)從上述輸入值中決定一個輸入光子流速FSIGIn；對上述傳輸信道(n)從上述輸出值中決定一個輸出光子流速FSIGOn；測量一個表示雷射泵功率的泵值並且決定一個值FPUMPin；測量輸入光信號內檢測的ASE值並且決定一個FASEin值；以及測量輸出光信號內檢測的ASE值並且決定一個FASEout值；
24．按照權利要求23的方法，其特徵在於，其中測量的上述步驟進一步包括使用下列公式計算上述品質因子FOM=1-FPUMPin+2(FASEin-FASEout)+nM(FSIGIn-FSIGOn)nMFSIGIn+FPUMPin+FASEin]]>
25．按照權利要求23的故障檢測系統，其特徵在於，其中測量的上述步驟進一步包括使用下列公式計算上述品質因子FOM2n=(FASEout-FASEin)FSIGInFSIGOn]]>
26．按照權利要求18的方法，其特徵在於，其中上述性能參數是一個增益擺動誤差(em)以及上述預期性能參數是一個誤差門限。
27．按照權利要求26的方法，其特徵在於，其中測量的上述步驟包括對每個傳輸信道決定增益(gm)作為一個每個傳輸信道(m)的上述輸出值和上述輸入值之間的比率；以及使用最小波長來決定一個傳輸信道(n)。
28．按照權利要求27的方法，其特徵在於，其中提供一個預期性能參數的上述步驟包括由校準測量確立一個對每個傳輸信道(m)的預期增益Gm；測量一個定義上述增益Gm內的預期相對變化的增益擺動係數Cm；以及存儲上述預期增益、上述增益擺動係數、以及上述誤差門限於存儲器單元。
29．按照權利要求28的方法，其特徵在於，其中測量的上述步驟進一步地包括根據下列公式計算上述增益擺動誤差em=(gm-Gm)-(gn-Gn)(Cn/Cn)
30．按照權利要求27的方法，其特徵在於，其中提供一個預期性能參數的上述步驟包括由校準測量確立一個對每個傳輸信道(m)的預期增益Gm並且使用最小均方最佳擬合方法來決定一個預期增益G0；測量一個上述預期增益Gm內所定義的預期相對變化的增益擺動係數Cm；以及存儲對上述所有傳輸信道的上述預期增益和上述增益擺動係數於存儲器單元。
31．按照權利要求30的方法，其特徵在於，其中測量的上述步驟進一步地包括使用最小均方最佳擬合方法來決定一個性能增益g0；根據下式來計算上述增益擺動誤差em=(gm-Gm-(g0-G0)×Cm
32．按照權利要求18的故障檢測系統，其特徵在於，其中上述性能參數是一個動態範圍值以及上述的預期參數是一個動態範圍值。
33．按照權利要求32的方法，其特徵在於，其中提供上述性能參數的上述步驟包括配置一個2(M-1)維的表，其中第一維(Pm)表示一個規定輸出值、第二維(Tm)表示一個門限、以及記錄(I1Max,I1Min)表示一個上述輸入值的範圍，傳輸信道(l)和(m)表示一個傳輸信道m∈[2,M]；以及存儲上述表於存儲器單元。
34．按照權利要求33的方法，其特徵在於，其中比較的上述步驟包括從上述存儲器單元中提取對應於傳輸信道(n)的所有上述輸入值的上述記錄，其中n∈[2,M]，以及也對應於傳輸信道(m)的所有上述輸出值的上述記錄，其中m∈[1,M]；以及比較上述傳輸信道(1)的上述輸入值與上述記錄。
35．按照權利要求18的方法，其特徵在於，其中上述性能參數是一個輸出損耗，以及上述的預期參數是校準輸出損耗。
36．按照權利要求35的方法，其特徵在於，其中測量的上述步驟包括由校準測量確立一個預期增益Gm並且計算一個對每個傳輸信道(m)的上述預期增益Gm的預期相對變化的增益擺動係數Cm；以及對所有的傳輸信道存儲上述增益擺動係數於存儲器單元。
37．按照權利要求36的方法，其特徵在於，其中測量的上述步驟包括決定一個對一個傳輸信道(m)的增益(gm)作為對所有(M)傳輸信道的上述輸出值與輸入值之間的一個比率；決定上述各個增益擺動係數之間具有最大差值的一對傳輸信道(n,m)；以及根據下式計算一個預期加性ASE光子流FASEcalc=(eAINV2-1)]]>其中INV2=(g1-g2)+C1-C2]]>以及α、β、A以及γ是常數，這些常數表示了上述放大器模塊的特性。
38．按照權利要求37的方法，其特徵在於，其中測量的上述步驟進一步地包括根據下式計算上述輸出損耗誤差outputloss=FASEcalcFASEout-FASEin]]>
全文摘要
本發明是一個用於檢測系統及檢測帶有一個或者多個傳輸信道故障的方法。故障檢測系統包括用於測量模塊性能參數的裝置、用於提供預期性能參數的裝置、以及一個用於接收性能參數和預期性能參數的比較裝置,並且當性能參數實質上偏離了預期參數時產生一個差錯信號。上述系統也包括一個用於接收差錯信號及其上述模塊所對應的信令故障的顯示/告警裝置。上述性能參數是一個模塊輸出值、一個輸出值與輸入值之間的傳輸信道對應值、一個品質因子(FOM
文檔編號H01S3/10GK1214824SQ97193429
公開日1999年4月21日 申請日期1997年1月22日 優先權日1996年3月28日
發明者K·B·羅伯茨, M·S·奧蘇利範, R·A·哈貝爾, C·B·肯內戴 申請人:北方電訊有限公司