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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer optischen Übertragungsleitung
eines optischen Datennetzwerks, wobei an einem Leitungseingang Licht
in die optische Übertragungsleitung
eingespeist wird und Rückstreulicht
dieses Lichts an diesem Leitungseingang erkannt und analysiert wird.
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Ein
solches Verfahren wurde beispielsweise in einem Vortrag von W. Bludau, "Messverfahren zur Charakterisierung
von Lichtwellenleitern und -komponenten" auf dem Symposium "Nachrichtenübertragung mit Lichtwellenleitern", Technische Akademie Esslingen,
18.–20.
Oktober 2000 in Ostfildern-Nellingen (Deutschland) beschrieben.
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Optische
Netzwerke werden zur Übertragung
digitaler Daten verwendet. Zu diesem Zweck erfordert ein optisches
Netzwerk voll funktionsfähige optische Übertragungsleitungen.
Aus diesem Grund müssen
optische Übertragungsleitungen
geprüft
werden, insbesondere bei der Installation und bei Problemen mit
der Datenübertragung über eine
bestimmte Übertragungsleitung.
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Ein
Verfahren zur Prüfung
des Status einer optischen Übertragungsleitung
ist die optische Photometrie des Reflexionsgrades ("Optical Time Domain
Reflectometry",
OTDR), wie im Vortrag von W. Bludau (s. o.) beschrieben. Kurze Test-Lichtimpulse werden
in eine Glasfaser eingespeist, um eine Rayleigh-Rückstreuung
in der Glasfaser zu aktivieren. Das Rückstreulicht wird erkannt.
Ein Plot des Rückstreulichts über einen
Zeitraum stellt, sofern die Glasfaser vollständig funktionsfähig ist,
eine exponentiell fallende Kurve dar. Bei Defekten in der Glasfaser werden
abrupte Veränderungen
innerhalb der Kurve registriert. Die Zeitverzögerung zwischen der Illumination
am Glasfasereingang und der Registrierung des Rückstreulichts gibt die Stelle
innerhalb der Glasfaser an, an der ein problematisches Streuereignis aufgetreten
ist. Zur Prüfung
des Status einer Glasfaser mit diesem bekannten Verfahren muss der
Datenverkehrsdienst unterbrochen werden, insbesondere zum Senden
der kurzen Testimpulse und zum manuellen Neukonfigurieren der Verbindungen;
dadurch wird das Verfahren mühsam
und teuer.
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In
einem modifizierten OTDR-Verfahren wird zusätzlich zu einer kontinuierlichen
Datenmodulation (=Supermodulation) auch eine Sinuskurvenmodulation
vorgenommen, die komplexen Frequenzmerkmale des Rückstreukanals
werden gemessen, und anschließend
wird eine inverse Fourier-Transformation durchgeführt. Somit
wird die erforderliche Impulsantwort erhalten. Dieses modifizierte
Verfahren verwendet einen funktionsfähigen Datenkanal, reduziert
jedoch das Extinktionsverhältnis
der Datenmodulation. Darüber
hinaus erfordert es einen linearen Betrieb des Modulators und seines
Treibers. Linear arbeitende Treiber und Modulatoren sind relativ
teuer im Vergleich zu den gängigen
optischen Datensendern, die nichtlineare Ein/Aus-Modulationstechniken verwenden.
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G.
Biain et al., Electronics letters Vo. 30, Nr. 17, 1994, S. 1443
ff beschreibt einen Datenverkehrs-Korrelations-Reflektometer, der eine Rückstreuung
der gesendeten Daten verwendet, um eine Leistungsdämpfung einer
Verbindung durch OTDR zu ermitteln.
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Im
Dokument
EP 1 524 781
A1 wird ein Transceiver-Modul beschrieben aus Sende- und
Empfangsmitteln für
die Datenübertragung
sowie Mitteln zur OTDR-Messung. Die Mittel zur ODTR-Messung verwenden
die Sendemittel zum Senden der Testsignale auf eine Glasfaser, deren
Status geprüft
werden soll.
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Die
Patentschrift
US 6,075,628 beschreibt ein
optisches Sendesystem mit einem Sender und einem Empfänger, die über einen
optischen Pfad miteinander verbunden sind, die mit Verstärkerstationen ausgestattet
sind und die einen Reflektometer umfassen zum Ermitteln der Position
eines optischen Fehlers im Pfad. Übertragene Signale werden vom Pfad
an einer Verstärkerstation
abgenommen und über
eine Korrelationstechnik verarbeitet.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
dieser Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur einfachen und zugleich
kostengünstigen Überwachung
einer optischen Übertragungsleitung
bereitzustellen.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
erreicht durch ein Verfahren wie eingangs beschrieben, dadurch gekennzeichnet,
dass im normalen Betrieb dieses optischen Netzwerks optische Burst-Signale, die
eine digitale Nutzlast transportieren, am Leitungseingang auf die
optische Übertragungsleitung
gesendet werden und das Rückstreulicht
dieser optischen Burst-Signale an diesem Leitungseingang erkannt und
analysiert wird.
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Während der
Analyse werden das ursprüngliche
Eingangssignal, bevorzugt noch immer in seinem digitalen Zustand,
und das Rückstreuungssignal korreliert.
Gemäß der Erfindung
werden aus dem Telefoniesektor und der Modementwicklung bekannte Kanalbeurteilungsverfahren
zur Beurteilung des Rückstreuungskanals
verwendet. Diese Techniken sind anwendbar, da der Rückstreuungskanal
ausreichend stationär
ist und da das Eingangssignal die relevanten Spektralkomponenten
umfasst; diese letztgenann te Anforderung wird erfüllt über eine Übertragung
in der asynchronen optischen Burst-Betriebsart ohne zusätzliche
Modulation.
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Durch
diese Mittel ist die Überwachung
einer optischen Übertragungsleitung
und die Umsetzung einer Reihe von Vorteilen, möglich:
Automatische Fernüberwachung
im Betrieb: Im Gegensatz zum klassischen OTDR kann die Erfindung im
normalen Betrieb des optischen Netzwerks betrieben werden. Weder
eine Dienstunterbrechung für
die Messung noch das manuelle Anschließen von Geräten oder Vorrichtungen ist
erforderlich.
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Umgehung
von Zusatzeinrichtungen zur zugelassenen Übertragungstechnologie: Im
Gegensatz zu anderen Messungstechniken im laufenden Betrieb erfordert
die Erfindung keine Modifizierung des Sende-Signalpfads.
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Anwendbar
auf die optische Burst-Betriebsart: Die Erfindung verwendet die
optische Betriebsart (Variationen von PON), die die Verwendung preisgünstiger
und gängiger
Vorrichtungen erlaubt. Im Gegensatz dazu ist das bekannte Verfahren
der Supermodulation auf die optische Burst-Betriebsart nicht anwendbar.
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In
einer bevorzugten Variante des Erfindungsverfahrens werden die optischen
Burst-Signale und die rückgestreuten
optischen Burst-Signale korreliert zur Beurteilung der Kanalparameter
durch Mittel der Fourier/Invers-Fourier-Transformation und/oder
zur automatischen oder Kreuzkorrelationsanalyse und/oder zur adaptiven
digitalen Filterung. Diese Verfahren zur Beurteilung der Kanalparameter sind
in der Praxis geprüft
und bewährt.
Beachten Sie, dass das ursprüngliche
Signal zur Analyse gemäß der Erfindung
weiterhin einen digitalen Nutzlast-Datenstatus aufweisen kann, d.
h. bevor es zur Korrelation mit dem rückgestreuten optischen Burst-Signal in
eine Treibereinheit und in eine Laser/Modulatoreinheit eingespeist wird.
Diese Korrelation ist unabhängig
von dem verwendeten Verfahren zur Beurteilung der Kanalparameter.
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Eine
stark bevorzugte Variante des Erfindungsverfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
dass die optischen Burst-Signale und die rückgestreuten optischen Burst-Signale
zur Beurteilung der Kanalparameter durch adaptive digitale Filterung
korreliert werden, und dass für
die Analyse die Bandbreite des digitalen Nutzlastsignals begrenzt
ist und auf einen erforderlichen Spektralbereich heruntergesampelt wird;
das
resultierende Signal wird anschließend durch eine als Kanalmodell
agierende adaptive finite Impulsantwort ("Finite Impulse Response", FIR) gefiltert,
wobei der Ausgang dieses Kanalmodells anschließend mit dem Ausgang des realen
Rückstreukanals
verglichen wird; das resultierende Fehlersignal wird in einen Adaptationsalgorithmus
eingespeist, der Filterkoeffizienten in einer Weise anpasst, die den
durchschnittlichen quadratischen Fehler minimiert, und nach der
Konvergenz des Algorithmus werden die Filterkoeffizienten ausgelesen,
um einen Plot einer optischen Photometrie des Reflexionsgrades ("Optical Time Domain
Reflectometry",
OTDR) zu liefern. Diese Variante beschreibt ausführlich eine adaptive digitale
Filterung, die mit preisgünstigen Vorrichtungen
einfach durchgeführt
werden kann. Der erforderliche Spektralbereich hängt von der zu überwachenden
optischen Übertragungsleitung
ab. Die erste, untere Frequenzbegrenzung gibt die Länge an,
die überwacht
werden kann, wobei eine größere Länge eine
niedrigere untere Frequenzbegrenzung erfordert. Die zweite, obere
Frequenzbegrenzung gibt die räumliche
Auflösung
der Überwachung an,
wobei eine höhere
räumliche
Auflösung
eine höhere
obere Frequenzbegrenzung erfordert. Die räumliche Auflösung wird
typischerweise entsprechend den Anforderungen der Wartungsmitarbeiter vor
Ort gewählt.
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In
einer weiteren Entwicklung dieser Variante umfasst der erforderliche
Spektralbereich den Bereich von 5 kHz bis 5 MHz. Unter der Annahme
einer typischen Lichtgeschwindigkeit von 2/3 c0 (wobei
c0 die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist)
in der optischen Übertragungsleitung
entspricht dies einer überwachten
Gesamtlänge
von ca. 20 km und einer räumlichen
Auflösung
von 10 m. Diese Werte sind in der Praxis gut geeignet, um Faserprobleme
in bestehenden optischen Netzwerken mit einem akzeptablen Aufwand
schnell aufzufinden.
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Ebenfalls
zum Anwendungsbereich der Erfindung gehört eine Messvorrichtung mit
Mitteln zur Durchführung
der Schritte des oben beschriebenen Erfindungsverfahrens. Eine solche
Messvorrichtung kann einem optischen Sender einfach hinzugefügt werden.
Im Wesentlichen erfordert die Messvorrichtung Zugang zu der digitalen
Nutzlast, der ohne analoge Vorrichtungen, sondern allein durch ein
zusätzliches
Anzapfen einer elektrischen Leitung erzielt werden kann, und sie
erfordert eine Möglichkeit
zum Messen des Rückstreulichts
am Leitungseingang der optischen Übertragungsleitung. Die Installation
der Messvorrichtung gemäß der Erfindung
hat keine Auswirkung auf den Sender-Signalpfad. Die Messvorrichtung
umfasst typischerweise einen Strahlen-Splitter, einen Fotoempfänger mit
niedriger Geschwindigkeit, eine A/D-Wandlereinheit und eine Verarbeitungseinheit,
die einen OTDR-Plot oder entsprechende Daten liefert.
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Außerdem gehört zum Anwendungsbereich der
Erfindung ein optischer Sender, der eine Messvorrichtung gemäß der Erfindung
wie oben beschrieben umfasst. Die optische Übertragungsleitung, in die
der optische Sender Licht emittiert, kann konstant überwacht
werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des optischen Senders gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass
eine Eingabevorrichtung für digitale
Nutzlastdaten direkt an eine Verarbeitungseinheit und an eine Treibereinheit
angeschlossen ist zur Bereitstellung digitaler Nutzlastdaten an
die Verarbeitungseinheit und die Treibereinheit,
die Treibereinheit
an eine Laser-/Modulatoreinheit angeschlossen ist,
die Laser-/Modulatoreinheit
so angepasst ist, dass sie Licht durch einen Strahlen-Splitter in
einen Leitungseingang einer optischen Übertragungsleitung einspeist,
der
Strahlen-Splitter so angepasst ist, dass er Rückstreulicht aus dem Leitungseingang
der optischen Übertragungsleitung
auf einen Fotoempfänger
mit niedriger Geschwindigkeit reflektiert, der Fotoempfänger mit
niedriger Geschwindigkeit an eine A/D-Wandlereinheit angeschlossen ist,
die
A/D-Wandlereinheit an die Verarbeitungseinheit angeschlossen ist,
die
Verarbeitungseinheit einen Ausgang hat zum Bereitstellen eines Plots
der optischen Photometrie des Reflexionsgrades ("Optical Time Domain Reflectometry", OTDR),
die
Treibereinheit und die Laser-/Modulatoreinheit so konzipiert sind,
dass sie optische Burst-Signale erzeugen. Diese Ausführungsform
ist einfach und preisgünstig.
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Weitere
Vorteile lassen sich der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung
entnehmen. Die weiter oben und unten aufgeführten Merkmale können gemäß der Erfindung
entweder einzeln oder in beliebigen Kombinationen zusammen verwendet werden.
Die hier aufgeführten
Ausführungsformen sind
nicht als vollständige
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben für
die Beschreibung der Erfindung Beispielcharakter.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm eines optischen Senders ohne Glasfaserüberwachung gemäß dem Stand
der Technik;
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2 zeigt
ein schematisches Diagramm eines optischen Senders mit Glasfaserüberwachung gemäß dem Stand
der Technik unter Verwendung der Supermodulation;
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3 zeigt
ein schematisches Diagramm eines optischen Senders mit Glasfaserüberwachung gemäß der Erfindung
unter Verwendung von optischen Burst-Signalen;
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4 zeigt
ein Beispiel einer Implementierung einer Verarbeitungsanordnung
zur Verwendung in einem optischen Sender gemäß der Erfindung.
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Einführung
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Die
Glasfaserüberwachung
durch Verwendung der Rayleigh-Streuung
ist ein bekanntes Verfahren zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit
einer installierten Glasfaser. Folgende Idee liegt diesem Konzept
zugrunde: In einem bestimmten Abschnitt der Glasfaser geht ein Anteil
des eintretenden Lichts durch Streuung verloren, und ein Teil des
Streulichts wandert zurück
zum anfänglichen
Fasereingang. Das Rückstreulicht
kann am Fasereingang gemessen werden. Leider hat es als Nachweis
nur einen geringen Nutzen, da es sich dabei um eine Überlagerung
von Anteilen aus allen (unendlich kleinen) Abschnitten der Faser
handelt. Um ein Maß für bestimmte
Faserabschnitte zu erhalten, kann die Faser mit kurzen Impulsen
gespeist werden.
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Der
Impuls wandert mit konstanter Geschwindigkeit entlang der Faser.
Er erleuchtet zu jedem Zeitpunkt immer nur einen kurzen Abschnitt
der Faser. Das Rückstreulicht
unterliegt bei seiner Rückkehr
zum Fasereingang der gleichen Verzögerung und der gleichen Dämpfung wie
der Impuls. Somit bietet der Plot über den Zeitraum des Rückstreulichts ein
Maß der
Lichtstärkenverteilung über die
Faser. Es kann gezeigt werden, dass der Plot für eine homogene Faser eine
exponentielle Kurve mit konstanter Abnahme oder – bei einem logarithmischen
Plot – eine gerade
Linie darstellt. Abrupte Änderungen
der Abnahme weisen auf potenzielle Probleme in der Faser (starke
Knicke, Spannung, etc.) hin. Die Verzögerung vom Anfang des Plots
bis zu der Abnormalität
gibt die Entfernung entlang der Faser bis zu der Problemstelle an.
Das umrissene Verfahren wird als optische Photometrie des Reflexionsgrades
("Optical Time Domain
Reflectometry",
OTDR) bezeichnet.
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Aus
der Sicht der Systemtheorie ist OTDR nichts anderes als das Maß der Impulsantwort
des Rückstreuungskanals:
Wir speisen einen kurzen Impuls in den Kanal ein und messen das
Ausgangssignal (das Rückstreulicht) über einen
Zeitraum. Es können
daher auch alle weiteren bekannten Verfahren zur Ermittlung unbekannter
Impulsantworten für
die OTDR-Messung eingesetzt werden. Eines dieser Verfahren ist die
Messung der komplexen Frequenzmerkmale des Rückstreukanals, gefolgt von
einer Invers-Fourier-Transformation. In diesem Fall ist das Eingangssignal
ein über
eine Sinuskurve modulierter Laserstrahl. Für eine Reihe von Frequenzen
mit gleichmäßigen Abständen muss
sowohl die Amplitude als auch die Phase der Modulation des Rückstreulichts
ermittelt werden. Die Invers-Fourier-Transformation der Messreihe ist die
erforderliche Impulsantwort. Das Verfahren hat mit Bezug auf die
ursprüngliche
OTDR verschiedene Vor- und Nachteile. Einer der großen Vorteile
liegt darin, dass die Messung eines einzelnen Frequenzantwort musters
nur die Ermittlung eines konstanten Durchschnittspegels nach einer
zusammenhängenden
Demodulation darstellt. Auf diese Weise können Störungen durch unkorreliertes
Rauschen leicht entfernt werden.
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Eine
weitere Verfeinerung kann in Betracht gezogen werden, wenn der Laserstrahl
nicht konstant ist, sondern es sich dabei um einen modulierten optischen
Kanal handelt. Optische Kanäle
verwenden eine Zeilencodierung und/oder eine Verwürfelung
der übertragenen
Datenbits. Auf diese Weise ist die optische Leistung auch über relativ
kurze Zeiträume
konstant. Zusammen mit der oben beschriebenen Durchschnittsbildung
des Frequenz-Antwortverfahrens
kann dieses Verfahren verwendet werden, um gleichzeitig Daten zu übertragen
und den Rückstreuungskanal
zu messen. Hierzu muss das modulierte Datensignal zusätzlich über eine
Sinuskurve mit geringer Extinktion moduliert werden. Für den Datenkanal
ist die Sinuskurven-Supermodulation nur eine geringe Reduzierung
der Augenöffnung.
Für den Rückstreuungskanal
ist die Datenmodulation eine Art Rauschen, das durch die Durchschnittsbildungsfunktion
des Frequenzantwortverfahrens wie oben beschrieben unterdrückt werden
kann. Der größte Vorteil
dieses Verfahrens ist, dass es einen operativen Datenkanal verwendet
und nicht ein spezielles Testsignal. Die Supermodulation hat jedoch
auch einige grundlegende Nachteile:
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- 1. Die Daten- und die Sinuskurvenmodulation
nutzen den gleichen Träger – die Lichtquelle.
Bei einem bestimmten Modulatormittel kann keine der beiden Komponenten
die volle Extinktion nutzen, jede der Komponenten muss der jeweils
anderen etwas Raum geben.
- 2. Die Überlagerung
der beiden Modulationssignale erfordert einen linearen Betrieb des
Modulators und seines Treibers. Dies ist ein großer Unterschied (Aufwand, Kosten)
zu gän gigen
optischen Datensendern, bei denen nichtlineare Ein/Aus-Modulationstechniken
verwendet werden können.
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Beurteilung des Rückstreuungskanals
in der Burst-Betriebsart
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf dem Messprinzip wie oben beschrieben,
sie erfordert jedoch keine zusätzliche
Supermodulation zum Sendersignal. Auf diese Weise bleiben die Modulator- und
Treiberschaltung unverändert
gegenüber
den konventionellen Sendern, die keine Glasfaserüberwachung umfassen. Die Glasfaserüberwachung
wird zu einem nicht-störenden
Zusatz zum normalen Sender.
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Die
Frequenzantwort des Rückstreuungskanals
kann nicht nur über
ein dediziertes moduliertes Sinuskurven-Eingangssignal ermittelt
werden, sondern auch über
ein beliebiges anderes zufälliges
Eingangssignal. In diesem Fall ist die Frequenzantwort des Kanals
der komplexe Quotient des Rückstreuungsspektrums
geteilt durch das Eingangsspektrum. Hinsichtlich der Fehlerweitergabe
muss jedoch das Eingangsspektrum ausreichend flach sein und sich im
relevanten Spektralbereich von Null unterscheiden. Das Eingangsspektrum
braucht nicht konstant (stationär)
zu sein, solange der Erkennungszeitraum von Ein- und Ausgangsspektrum identisch ist.
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Der
relevante Spektralbereich lässt
sich wie folgt grob schätzen:
Die Dauer der Impulsantwort beträgt
das Doppelte der maximalen Faserlänge geteilt durch die Verbreitungsgeschwindigkeit.
Die Sampling-Dauer wird durch die erforderliche Genauigkeit der
Fehlerlokalisierung vorgegebenen (20 km Glasfaser entsprechen beispielsweise
einer Impulsantwortdauer von (2 · 20 km)/(2/3 · C0) = 200 μs, 10
m räumliche
Auflösung
entsprechen einer Sampling-Dauer von (2 · 10 km)/(2/3 · C0) = 0,1 μs,
insgesamt beträgt
die Impulsdauer also ca. 2000 Samples). Die obere Frequenzbegrenzung
des Rückstreukanals
beträgt,
mit Bezug auf das Sampling-Theorem, die Hälfte des reziproken Sampling-Zeitraums (in unserem
Beispiel 5 MHz Bandbreite mit einem Frequenzabstand von 5 kHz).
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Zurückkommend
auf die Frage, ob die normale Datenmodulation ausreichend große Spektralkomponenten
umfasst, um die Frequenzantwort des Rückstreukanals zu ermitteln,
stellen wir fest: Eine kontinuierliche Datenmodulation im Gbit/s-Bereich umfasst
die relevanten Spektralkomponenten 5 kHz–5 MHz nicht. Dieser Niederfrequenzbereich
ist durch eine entsprechende Liniencodierung und Verwürfelung
absichtlich aus dem Spektrum ausgeschlossen, um Probleme mit Schaltungen,
die mit Wechselstrom gekoppelt sind, zu vermeiden. Ein asynchrones
optisches Burst-Signal hat jedoch, und das ist der Kern der vorliegenden
Erfindung, im Gegensatz zu kontinuierlichen Datensignalen keine
untere Bandbegrenzung. Es umfasst alle Frequenzen bis hinunter zum
Gleichstrom. Das Signalspektrum ist vom Datenverkehr unabhängig und
nicht stationär. Das
bedeutet, nicht alle Spektralkomponenten sind in jedem Beobachtungsfenster
vorhanden, es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass über einen ausreichend
langen Beobachtungszeitraum alle relevanten Frequenzen auftreten.
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Das
Spektrum eines über
ein Basisband modulierten digitalen Signals kann mit Kenntnis des übertragenen
Datenbits berechnet werden ohne Berücksichtigung der Merkmale analoger
Treiber oder Modulatoren – dies
gilt zumindest für
die hier behandelten niederfrequenten Bereiche. Für die Beurteilung
des Rückstreuungskanals
bedeutet dies, dass wir das tatsächliche
Eingangsspektrum aus den übertragenen
Datenbits berechnen. Es ist weder eine Supermodulation noch eine
lineare Kette aus Treiber und Modulator noch eine analoge Messung
des tatsächlichen
Eingangsspektrums erforderlich.
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Implementierung
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Aus
der obigen Erläuterung
ergeben sich die erforderlichen Bausteine und die Betriebsart. Der vorgestellte
Algorithmus unter Verwendung der Fast-Fourier-Transformation (FFT)
stellt jedoch nicht die einzige mögliche Implementierung dar.
Adaptive Filterkonzeptionen werden ebenfalls in breitem Umfang zur
Kanalbeurteilung eingesetzt. Auch bei der Echounterdrückung im
Bereich der Freisprechtelefonie werden Modelle mit adaptiven Kanälen für den Akustik-Echokanal
verwendet. Bidirektionale Modems verwenden die adaptive Kanalbeurteilung
zur Kompensation des Nebensprechens bei Kupferkabeln. Adaptive Filterkonzeptionen
verwenden verschiedene Verfahren zur Kanalbeurteilung. Die Hauptunterschiede
gegenüber
der oben beschriebenen Frequenzbereichslösung sind die numerische und
algorithmische Komplexität,
die Konvergenzgeschwindigkeit und die Robustheit. Die meisten dieser Filterkonzepte
können
auch auf die Beurteilung des Rückstreukanals
angewandt werden. Trotz aller Unterschiede gelten für alle Verfahren
zur Kanalbeurteilung die Spektralanforderungen hinsichtlich des
Eingangssignals, wie im vorigen Kapitel beschrieben. Unabhängig von
der Implementierung kann der Rückstreukanal
digital berechnet werden, wenn. die relevanten Spektralkomponenten
in den Daten auftreten, was in der asynchronen optischen Burst-Betriebsart
der Fall ist, nicht jedoch bei der kontinuierlichen Modulation.
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1 zeigt
einen optischen Sender ohne Glasfaserüberwachung gemäß dem Stand
der Technik. Ein digitales Nutzlast-Datensignal 1 wird in eine Treibereinheit 2 eingespeist,
die eine Laser-/Modulatoreinheit 3 steuert. Ein erzeugter
modulierter Laserstrahl 4 wird in einen Leitungseingang 5 einer
optischen Übertragungsleitung 6,
d. h. in ein Glasfaserkabel eingespeist.
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2 zeigt
einen optischen Sender gemäß dem Stand
der Technik mit Glasfaserüberwachung auf
der Basis einer Supermodulation. An der Modulationseinheit 21 wird
ein am Signalgenerator 23 erzeugtes analoges Sinussignal 22 auf
das digitale Nutzlastsignal 1 moduliert. Das resultierende
modulierte Signal 24 wird in eine lineare Treibereinheit 25 eingespeist.
Die lineare Treibereinheit 25 steuert eine Laser-/Modulatoreinheit 3,
und sein modulierter Laserstrahl 4 wird in den Leitungseingang 5 der
optischen Übertragungsleitung 6 eingespeist.
Der modulierte Laserstrahl 4 durchläuft hierzu einen Strahlen-Splitter 26.
Das am Leitungseingang 5 der optischen Übertragungsleitung 6 emittierte
Rückstreulicht 27 wird
am Strahlen-Splitter 26 auf einen Fotoempfänger 28 mit
niedriger Geschwindigkeit reflektiert. Sein gemessenes Signal durchläuft eine
Analog-Digital-Wandlung
in einer A/D-Wandlereinheit 29 und wird in eine Verarbeitungseinheit 30 eingespeist. Die
Verarbeitungseinheit 30 empfängt außerdem das Sinussignal 22 nach
einer A/D-Umwandlung in einer weiteren A/D-Wandlereinheit 31.
In der Verarbeitungseinheit 30 wird eine Korrelation der
beiden dort empfangenen Signale durchgeführt, um daraus einen OTDR-Plot
zu erzeugen.
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Zusammenfassend
zeigt 2, dass ein Testsignal (d. h. das Sinussignal)
auf das Datensignal moduliert wird. Ein Strahlen-Splitter trennt das Rückstreulicht
von dem gesendeten Licht; Der OTDR-Plot kann durch eine Fourier/Invers-Fourier-Transformation aus
dem Testsignal und dem Rückstreulicht
berechnet werden.
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3 zeigt
einen optischen Burst-Sender 41 mit Glasfaserüberwachung
gemäß der Erfindung.
Ein an einem digitalen Nutzlast-Dateneingang (nicht dargestellt)
bereitgestelltes digitales Nutzlast-Datensignal 1 wird
direkt in eine Treiber einheit 42 und in eine Verarbeitungseinheit 43 eingespeist.
Die Treibereinheit 42 steuert eine Laser-/Modulatoreinheit 44,
wobei die Treibereinheit 42 und die Laser-/Modulatoreinheit 44 zusammen
ein optisches Burst-Signal 45 erzeugen. Dieses Signal durchläuft einen
Strahlen-Splitter 26 und wird in einen Leitungseingang 5 einer
optischen Übertragungsleitung 6 eingeführt. Ein
Teil dieses Lichts wird zurückgestreut,
und das Rückstreulicht 46 des
optischen Burst-Signals 45 wird am Strahlen-Splitter 26 reflektiert
und in einen Fotoempfänger 28 mit
niedriger Geschwindigkeit eingespeist. Sein Signal wird an einer
A/D-Wandlereinheit 47 in ein digitales Signal umgewandelt
und in die Verarbeitungseinheit 43 eingespeist. An der
Verarbeitungseinheit 43 wird der OTDR-Plot erzeugt und am
Ausgang 48 bereitgestellt.
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3 zeigt
zusammenfassend, dass kein künstliches
Testsignal erforderlich ist. Das optische Burst-Signal umfasst ausreichende
Spektralkomponenten zur Berechnung des OTDR-Plots. Wegen der Ein-/Aus-Verschlüsselung
des digitalen Signals weisen die niederfrequenten Komponenten keine
Nichtlinearitäten
in der Treiber-Modulator-Kette auf. Die Verarbeitungsanordnung kann
den OTDR-Plot durch ein beliebiges Kanalbeurteilungsverfahren berechnen:
Fourier-/Invers-Fourier-Transformation, automatische und Kreuzkorrelationsanalyse,
adaptive digitale Filter.
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4 zeigt
ein Implementierungsbeispiel der Verarbeitungseinheit durch adaptive
digitale Filterung. Die Theorie der adaptiven Filter ist weithin
bekannt. Das hier gezeigte Beispiel dient lediglich der Vollständigkeit.
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Zunächst ist
das digitale Nutzlastsignal
1 in seiner Bandbreite begrenzt
und heruntergesampelt auf den erforderlichen Spektralbereich an
einer Tiefpass- und Dezimierungsanordnung
51. Das resultierende
Signal x wird anschließend
durch einen adaptiven FIR-Filter
52 (Finite Impulse Response),
der als Kanalmodell agiert, gefiltert. Der Ausgang des Kanalmodells
y wird anschließend
mit dem Ausgang des realen Rückstreuungskanals
z verglichen. Das resultierende Fehlersignal ε wird anschließend in
den Adaptationsalgorithmus
53 eingespeist, der die Filterkoeffizienten
a
1–a
N in einer Weise anpasst, die den durchschnittlichen
quadratischen Fehler (E[ε
2]→min) minimiert.
Die Filterfunktion für
den beurteilten Kanalausgang y im Zeitschritt k lautet:
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Der
Adaptationsalgorithmus der Koeffizienten ai lautet: ak+1i = aki + γ·xk–1·(zk – yk)wobei a k / i den i-ten Filterkoeffizienten
im Zeitschritt k angibt. y ist eine kleine positive Konstante, die
die Konvergenzgeschwindigkeit und Robustheit des Algorithmus angibt.
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Nach
der Konvergenz des Algorithmus sind die Koeffizienten a0–aN die Samples des gewünschten OTDR-Plots.
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Zeichnungen
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