DE10151229C1 - Verfahren zur Überwachung einer Datenübertragungsstrecke sowie Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung für eine Datenübertragungsstrecke - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Datenübertragungsstrecke, insbesondere einer optischen Datenübertragungsstrecke in einem industriellen Kommunikationsnetzwerk. Eine Sendeeinrichtung (3) speist in bestimmten Testphasen jeweils zumindest eine Testsignalfolge (20) als Sendesignal in den Übertragungskanal (4) ein, deren Signalpegel in einer vorgegebenen Weise variiert wird. Eine Empfangseinrichtung (5) bestimmt, welche Teile der Testsignalfolge detektierbar sind, ermittelt aus dem Ergebnis eine Aussage über die Qualität der Übertragungsstrecke und gibt ein entsprechendes Anzeigesignal aus. Die Qualität wird anhand einer Messung der Systemreserve beurteilt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Datenübertragungsstrecke, insbesondere einer optischen Daten­ übertragungsstrecke, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung für eine Datenübertragungsstrecke nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 4 bzw. des Anspruchs 5.

Eine optische Datenübertragungsstrecke ist beispielsweise aus der DE 198 32 562 A1 bekannt. Eine derartige Datenübertra­ gungsstrecke kann untergliedert werden in die Bestandteile Sendeeinrichtung, Übertragungskanal und Empfangseinrichtung. Die Sendeeinrichtung speist ein den zu übertragenden Daten entsprechendes Signal in den Übertragungskanal ein. Die Emp­ fangseinrichtung bestimmt aus dem Empfangssignal möglichst unverfälschte Empfangsdaten. In einer derartigen optischen Datenübertragungsstrecke können die Daten unmoduliert über­ tragen werden, d. h., zur Übertragung einer 10 g. "0" wird Licht eingeschaltet und durch das Medium übertragen, während bei einer 10 g. "1" kein Licht gesendet wird. Durch die Dämp­ fung wird die Signalstärke des Lichts mit zunehmender Lei­ tungslänge immer geringer. In der Empfangseinrichtung können die Daten jedoch nur fehlerfrei empfangen werden, wenn die Lichtintensität bei eingeschaltetem Licht am Empfangsort einen bestimmten Grenzwert nicht unterschreitet. Beispiels­ weise Materialalterung kann die Qualität der Übertragungs­ strecke erheblich mindern und in kritischen Konstellationen sogar zum Ausfall der Datenübertragungsstrecke führen. Aus­ wirkungen einer Materialalterung sind typischerweise Trübung der optischen Faser eines Lichtwellenleiters durch chemische oder mechanische Einflüsse oder ein Nachlassen der Leucht­ stärke der Sendediode. Als Maß für die Ausfallsicherheit ei­ ner Datenübertragungsstrecke kann die so genannte Systemre­ serve dienen. Die Systemreserve gibt an, um welchen Anteil, ausgedrückt als ein Prozentwert, der Pegel des Empfangssig­ nals über der maximalen Empfindlichkeit der Empfangseinrich­ tung liegt. Ist beispielsweise der Pegel des Empfangssignals doppelt so hoch wie die maximale Empfindlichkeit, so beträgt die Systemreserve 50%.

Die Messung der Systemreserve kann offline, d. h. außerhalb der regulären Datenübertragung, mit externen Messgeräten er­ folgen. Damit sind jedoch einige Nachteile verbunden. Die erforderlichen Messgeräte sind vergleichsweise teuer und ungeschultes Personal kann sie nicht ohne weiteres bedienen. Bei späteren Messungen nach der Inbetriebnahme einer Daten­ übertragungsstrecke muss zunächst das Messgerät herbeige­ schafft werden. Ein Nachmessen der Dämpfungswerte einer Übertragungsstrecke ist von Zeit zu Zeit erforderlich, da sich ihre Eigenschaften mit der Zeit aufgrund der oben ge­ nannten Alterung verändern können.

Bei Verwendung eines analogen Empfängers in der Empfangs­ einrichtung kann prinzipiell die empfangene Lichtleistung gemessen werden. Dies würde jedoch einen hohen Aufwand für die analoge Elektronik erfordern, da sehr niedrige Signal­ pegel zu verarbeiten wären.

Aus der EP 0 771 088 A2 ist ein Verfahren zur Überwachung einer optischen Datenübertragungsstrecke bekannt, bei welchem in einem Testmodus ein Sendestrom mit einer Frequenz modu­ liert wird, indem der Strom zwischen einem Normalwert und einem geringeren Testwert umgeschaltet wird. Eine ausreichen­ de Leistungsreserve wird festgestellt, wenn der Empfänger im Testmodus ein elektrisches Dauersignal abgibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung einer Datenübertragungsstrecke zu finden sowie eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung für eine Datenübertragungsstrecke zu schaffen, die mit geringem Auf­ wand eine sichere Aussage über die Qualität der Datenübertra­ gungsstrecke ermöglichen, wenn ein Empfangsdiskriminator mit adaptiver Schwelle verwendet wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der ein­ gangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen An­ sprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung be­ schrieben. Eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung mit den zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen tech­ nischen Mitteln sind in den Ansprüchen 4 bzw. 5 angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die zur Ableitung einer Qualitätsaussage erforderliche Messung nahezu ohne Rückwir­ kungen auf den Betrieb der Datenübertragungsstrecke durch­ führbar ist. Die Messung kann mit vergleichsweise preiswerten Schaltungsteilen erfolgen. Beispielsweise genügen auf der Empfängerseite in messtechnischer Hinsicht bereits ein Emp­ fangsdiskriminator mit einem nachgeschalteten Timer oder Zäh­ ler, die bei digitalen Übertragungsstrecken meist ohnehin vorhanden sind.

Eine Messung der Systemreserve hat den Vorteil, dass sie eine quantitative Beurteilung der Qualität der Übertragungsstrecke ermöglicht. Durch mehrfache Messungen in vorgegebenen Zeit­ abständen kann zudem eine Trendaussage über die Qualität ge­ wonnen werden. Da in einer Testsignalfolge, bei welcher der Pegelbereich des Sendesignals in ansteigender Richtung durch­ fahren wird, die Messung ausgehend vom Dunkelpegel erfolgt, stellt sich ein Empfangsdiskriminator mit einer adaptiven Schwelle zu Beginn der Messung auf seine höchste Empfindlich­ keit, d. h. seine Schwelle auf die minimale Größe, ein. Eine derartige Ausbildung der Testsignalfolge hat somit den Vor­ teil, dass die Systemreserve unabhängig von der während des Datenverkehrs eingestellten Schwelle des Empfangsdiskrimina­ tors erfolgt.

Wenn der Pegelbereich des Sendesignals in einer Testsignal­ folge kontinuierlich ansteigend durchfahren wird, hat dies den Vorteil, dass die Systemreserve mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Die Messung basiert dann in der Emp­ fangseinrichtung auf einer Zeitmessung, deren Genauigkeit lediglich durch die Taktfrequenz und Zählergröße begrenzt ist. Die Erzeugung eines exakten Verlaufs der Testsignalfolge ist um so aufwendiger, je höher die Präzisionsanforderungen sind. In der Praxis ist jedoch keine allzu hohe Genauigkeit erforderlich.

Eine Folge von Impulsen zu verwenden, deren Signalpegel sich von Impuls zu Impuls vergrößert und die jeweils durch eine Impulspause voneinander getrennt sind, hat den Vorteil, dass der Aufwand in der Empfangseinrichtung noch weiter reduziert wird. Anstelle einer Zeitmessung muss nur eine Ereignis­ zählung durchgeführt werden.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt sind, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Übertragungsstrecke,

Fig. 2 eine Testsignalfolge mit sägezahnförmigem Verlauf,

Fig. 3 ein Empfangssignal bei geringer Dämpfung,

Fig. 4 ein Empfangssignal bei größerer Dämpfung,

Fig. 5 eine Testsignalfolge mit ansteigenden, aufeinander folgenden Impulsen,

Fig. 6 ein Schaltbild zur Erläuterung der Funktionsweise einer Sendeeinrichtung und

Fig. 7 ein Prinzipschaltbild einer Empfangseinrichtung.

In Fig. 1 sind eine Datenverarbeitungseinrichtung 1, die z. B. ein an einem Prozess in elektromagnetisch verseuchter Umgebung angeordneter Messumformer sein kann, und eine Daten­ verarbeitungseinrichtung 2, z. B. ein Industrie-PC zur Ver­ arbeitung der Daten des Messumformers, durch eine optische Datenübertragungsstrecke miteinander verbunden. Die optische Datenübertragungsstrecke besteht im Wesentlichen aus einer Sendeeinrichtung 3, einem Übertragungskanal 4, z. B. ein Glas- oder Kunststofflichtwellenleiter, und einer Empfangs­ einrichtung 5. Während des Betriebs werden die von einer Messelektronik 6 berechneten Messwerte an die Sendeeinrich­ tung 3 übergeben, welche ein den Daten entsprechendes Signal in den Übertragungskanal 4 einspeist. Die Empfangseinrichtung 5 bestimmt aus dem empfangenen Signal die Empfangsdaten und gibt diese an eine Verarbeitungseinrichtung 7 weiter. Zusätz­ lich zu einem in üblicher Weise ausgebildeten Lichtsender 8 ist zur Durchführung des im Folgenden beschriebenen Verfah­ rens zur Überwachung der Datenübertragungsstrecke ein Test­ signalgenerator 9 in der Sendeeinrichtung 3 angeordnet. Die Empfangseinrichtung 5 auf der gegenüberliegenden Seite der Übertragungsstrecke weist eine Auswerteeinrichtung 10 auf, mit welcher die durch einen Lichtempfänger 11 detektierten Empfangssignale zur Ermittlung einer Aussage über die Qua­ lität der Übertragungsstrecke ausgewertet werden. Ein ent­ sprechendes Anzeigesignal kann beispielsweise auf einem Bildschirm oder über eine weitere Kommunikationsverbindung ausgegeben werden, die in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht mehr dargestellt sind.

Fig. 2 zeigt in einem Zeitdiagramm den Intensitätsverlauf 20 des gesendeten Lichtsignals als Beispiel einer Testsignal­ folge, welche von der Sendeeinrichtung 3 in den Übertragungs­ kanal 4 eingespeist wird. Von einer Lichtintensität 0 steigt der Pegel des Signals kontinuierlich auf seinen Maximalwert 1,0 an. Die Dauer des sägezahnförmigen Impulses ist mit TS bezeichnet. Die Rampensteilheit des Sägezahns wird so ge­ wählt, dass eine adaptive Schwelle eines Empfangsdiskrimina­ tors in der Empfangseinrichtung sich gut an den Pegel anpas­ sen kann. Durch die Dunkelphase wird dieser somit auf seine maximale Empfindlichkeit eingestellt.

Fig. 3 zeigt einen Intensitätsverlauf 30 des bei der Emp­ fangseinrichtung 5 aufgrund des eingespeisten Lichtimpulses ankommenden Lichts bei geringer Dämpfung durch den Übertra­ gungskanal 4. Die Intensität steigt von einem Anfangswert 0 auf einen Maximalwert 0,4 an. Aufgrund einer Einstellung der adaptiven Schwelle des Empfangsdiskriminators auf den Wert 0,1 wird während eines Zeitraums T1 das ankommende Empfangs­ signal detektiert. Dies ist in Fig. 3 durch einen Verlauf 31 des Ausgangssignals des Diskriminators angedeutet.

Die Zeitdauer TS ist im System vorgegeben. Die Dauer T1 des detektierten Empfangssignals, die auch als Empfangszeit be­ zeichnet werden kann, wird in der Empfangseinrichtung ge­ messen. Anhand des Zeitverhältnisses T1/TS kann in einfacher Weise die Systemreserve berechnet werden. Beträgt das Zeit­ verhältnis wie in dem anhand der Fig. 2 und 3 verdeut­ lichten Beispiel 3/4, so beträgt die Systemreserve 75%.

Fig. 4 zeigt einen Verlauf 40 eines Empfangssignals bei einer etwas stärkeren Dämpfung durch den Übertragungskanal. Die Schwelle des Empfangsdiskriminators ist wiederum auf den Wert 0,1 eingestellt. Ausgehend vom Wert 0 steigt das Emp­ fangssignal nun lediglich auf einen Wert 0,2 an. Infolge­ dessen wird in einem kürzeren Zeitraum T2 der Empfang des Empfangssignals durch den Diskriminator detektiert. Das Zeit­ verhältnis T2/TS ist 1/2 und die Systemreserve beträgt somit lediglich noch 50%. Die Qualität der Übertragungsstrecke hat sich daher im Zeitraum zwischen den beiden Messungen erheb­ lich verschlechtert. Anhand des zeitlichen Abstands der bei­ den Messungen und der Abnahme der Systemreserve kann eine Trendaussage abgeleitet werden, wann mit einiger Wahrschein­ lichkeit ein Ausfall der Übertragungsstrecke zu erwarten ist.

Aufgrund der Verwendung eines sägezahnförmigen Lichtimpulses mit vom Dunkelpegel ausgehender, langsam ansteigender Flanke stellt sich in der Testphase immer die optimale, d. h. maxi­ male, Empfindlichkeit ein: die Schwelle des Empfangsdiskrimi­ nators wird auf den niedrigsten Wert gesetzt. Durch die steil abfallende Flanke des Lichtimpulses hat der bei der Adaption nachgeführte Wert der Schwelle zum Abschaltzeitpunkt keine Auswirkung auf die gemessene Dauer des Empfangssignals T1 bzw. T2.

Das bisher beschriebene Verfahren zur Überwachung einer Datenübertragungsstrecke kann prinzipiell mit sehr hoher Genauigkeit realisiert werden. Die Auswertung in der Emp­ fangseinrichtung wird durch eine Zeitmessung realisiert, die lediglich durch die verwendete Taktfrequenz und den Aufwand für den Zeitzähler in der Genauigkeit begrenzt ist. Die Er­ zeugung eines exakt sägezahnförmigen Lichtimpulses ist um so aufwendiger, je höher die Präzisionsanforderungen sind. In der Praxis ist jedoch keine allzu hohe Genauigkeit erforder­ lich. Eine Genauigkeit in der Größenordnung von 10% reicht bereits aus, um die Qualität einer Übertragungsstrecke be­ urteilen zu können. Statt eines sägezahnförmigen Impulses mit einer linear ansteigenden Rampe könnte daher alternativ ein Lichtimpuls als Testsignalfolge verwendet werden, dessen Rampe treppenförmig ansteigt. Eine derartige Kurve hat den Vorteil, dass sie mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers in einfacher Weise realisiert werden kann.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Testsignalfolge, die mehrere Impulse 50. . .56 aufweist. Der Signalpegel wird bei nachfolgenden Impulsen jeweils größer und zwischen aufeinander folgenden Impulsen sind Impulspausen eingefügt. Bei dieser Variante ist der Aufwand für die Aus­ wertung des detektierten Empfangssignals auf der Seite der Empfangseinrichtung erheblich geringer. Anstelle einer Zeit­ messung muss lediglich eine Ereigniszählung durchgeführt werden. Der Schaltungsaufwand reduziert sich daher deutlich. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel beträgt die auf den Maximalwert 100% bezogene Amplitudenschrittweite 100%/7, also etwa 15%. Empfängt die Auswerteeinrichtung in der Emp­ fangseinrichtung von den sieben ausgesendeten Impulsen bei­ spielsweise drei, so ist die Systemreserve größer als das Dreifache von 15%, also größer als 45%.

Fig. 6 zeigt einen einfachen Aufbau eines Testsignalgenera­ tors. Der Strom, der durch eine lichtemittierende Diode 60 geleitet wird, ist durch Widerstände 61, 62 und 63 sowie durch Transistoren 64, 65 und 66 einstellbar. Der Wert des Widerstands 63 beträgt das Doppelte des Wertes des Wider­ stands 62, welcher wiederum den doppelten Wert des Wider­ stands 61 hat. Dies wird in Fig. 6 durch die Kennzeichnungen R, 2R und 4R verdeutlicht. Mit dieser Schaltung können in einfacher Weise durch eine geeignete Ansteuerung, die in Fig. 6 der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist, die in Fig. 5 gezeigten Impulse 50. . .56 erzeugt werden. Die drei Widerstände 61. . .63 und die drei Transistoren 64 . . .66 haben die Funktion eines 3-Bit-Digital-Analog-Umset­ zers. Teile der Schaltung können während des Normalbetriebs zum Senden der Daten verwendet werden. Der Mehraufwand einer Sendeeinrichtung mit einem Testsignalgenerator gegenüber einer herkömmlichen Sendeeinrichtung beträgt dann lediglich zwei Transistoren und zwei Widerstände.

In Fig. 7 ist ein optischer Empfänger 70, ein Empfangs­ diskriminator 71 mit adaptiver Schwelle und ein Zähler 72 dargestellt. In messtechnischer Hinsicht genügen bereits diese Komponenten, um ein Empfangssignal auszuwerten, das aus der in Fig. 5 dargestellten Testsignalfolge resultiert. In diesem Ausführungsbeispiel reicht ein 3-Bit-Zähler aus, da lediglich sieben Ereignisse gezählt werden. Dieser Zähler kann in einem digitalen ASIC, das zur Auswertung der Nutz­ daten ohnehin erforderlich ist, integriert sein. Der zusätz­ liche Aufwand für die Auswertung in den Testphasen ist somit äußerst niedrig. Die Auswertung des Zählerstands zur Ermitt­ lung der Systemreserve als Qualitätsaussage und zur Ausgabe eines entsprechenden Anzeigesignals 73 erfolgt in einer Ein­ heit 74.

Abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen ist eine Erweiterung des Dynamikbereichs erreichbar, wenn ein loga­ rithmischer Verlauf der Testsignalfolge gewählt wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Überwachung einer Datenübertragungsstrecke, insbesondere einer optischen Datenübertragungsstrecke in einem industriellen Kommunikationsnetzwerk, mit einer Sende­ einrichtung (3), einem Übertragungskanal (4) und einer Emp­ fangseinrichtung (5), wobei die Sendeeinrichtung (3) ein den zu übertragenden Daten entsprechendes Signal in den Über­ tragungskanal (4) einspeist und die Empfangseinrichtung (5) aus einem Empfangssignal die Empfangsdaten bestimmt, und wobei die Sendeeinrichtung (3) in bestimmten Testphasen je­ weils zumindest eine Testsignalfolge (20) als Sendesignal in den Übertragungskanal (4) einspeist, deren Signalpegel in einer vorgegebenen Weise variiert wird, und die Empfangsein­ richtung (5) bestimmt, welche Teile der Testsignalfolge de­ tektierbar sind, aus dem Ergebnis eine Aussage über die Qua­ lität der Übertragungsstrecke ermittelt und ein entsprechen­ des Anzeigesignal ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Testsignalfolge (20) der Pegelbereich des Sen­ designals mit mehreren Zwischenwerten in ansteigender Rich­ tung durchfahren wird und dass als Aussage über die Qualität der Übertragungsstrecke die Systemreserve ermittelt wird, welche angibt, um welchen relativen Betrag der maximale Pegel des Empfangssignals die Schwelle eines Empfangsdiskriminators (71) bei maximaler Empfindlichkeit übersteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Testsignalfolge (20) der Pegelbereich des Sendesignals kontinuierlich ansteigend durchfahren wird und dass die Systemreserve anhand des Zeitverhältnisses der Dauer (TS) der Testsignalfolge und der Dauer (T1, T2) der detek­ tierbaren Teile der Testsignalfolge ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Testsignalfolge mehrere Impulse (50. . .56) auf­ weist, wobei der Signalpegel bei aufeinander folgenden Impulsen ansteigt und zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Impulsen eine Impulspause eingefügt ist.

4. Sendeeinrichtung für eine Datenübertragungsstrecke, ins­ besondere für eine optische Datenübertragungsstrecke in einem industriellen Kommunikationsnetzwerk, wobei die Sendeein­ richtung (3) zur Überwachung der Datenübertragungsstrecke ei­ nen Testsignalgenerator (9) aufweist zur Einspeisung einer Testsignalfolge (50. . .56) als Sendesignal in den Übertra­ gungskanal (4), deren Signalpegel in einer vorgegebenen Weise variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Testsignalfolge (20) der Pegelbereich des Sendesignals mit mehreren Zwischenwerten in ansteigender Richtung durchfahren wird.

5. Empfangseinrichtung für eine Datenübertragungsstrecke, insbesondere für eine optische Datenübertragungsstrecke in einem industriellen Kommunikationsnetzwerk, wobei die Emp­ fangseinrichtung (5) zur Überwachung der Datenübertragungs­ strecke eine Auswerteeinrichtung (10) aufweist zur Bestim­ mung, welche Teile einer Testsignalfolge detektierbar sind, zur Ermittlung einer Aussage über die Qualität der Übertra­ gungsstrecke aus deren Ergebnis und zur Ausgabe eines ent­ sprechenden Anzeigesignals, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Empfangseinrichtung anhand der Testsignal­ folge, bei welcher der Pegelbereich des Sendesignals mit mehreren Zwischenwerten in ansteigender Richtung durchfahren wird als Aussage über die Qualität der Übertragungsstrecke die Systemreserve ermittelbar ist, welche angibt, um welchen relativen Betrag der maximale Pegel des Empfangssignals die Schwelle eines Empfangsdiskriminators (71) bei maximaler Empfindlichkeit übersteigt.