DE69015079T2

DE69015079T2 - Optische Multiplexierung.

Info

Publication number: DE69015079T2
Application number: DE69015079T
Authority: DE
Inventors: Robert Myles Taylor
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1989-09-21
Filing date: 1990-09-12
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2010-09-13
Also published as: EP0419120A2; GB2236226A; GB2236226B; DE69015079D1; CA2025437A1; EP0419120B1; US5216532A; GB8921341D0; GB9020237D0; EP0419120A3

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Multiplexsystem, welches eine Vielzahl optischer Vorrichtungen umfaßt, welche zwischen einer optischen Strahlungsquelle und einem Detektor angeschlossen sind, wobei die optische Weglänge zwischen der Quelle und dem Detektor über jede Vorrichtung unterschiedlich ist.
Ein System dieser Art kann durch ein Zeitmultiplexverfahren gemultiplext werden, bei dem ein einziger kurzer Strahlungsimpuls durch eine Quelle in das System eingegeben wird, der in einer Serie von Impulsen am Detektor resultiert, die voneinander im zeitlichen Abstand liegen mit einem Betrag gemäß der Differenz in der Weglänge über jeden Sensor. Der jedem Rückimpuls zugeordnete spezielle Sensor kann identifiziert werden durch seine Lage in der Serie von Rückimpulsen.
Eine Schwierigkeit bei dieser Anordnung ist die der Sicherstellung, daß die Impulse am Ausgang sich nicht überlappen. Um sicherzustellen, daß die dem gleichen Eingangsimpuls zugeordneten Ausgangsimpulse sich nicht überlappen, besteht darin, daß die Eingangsimpulse ausreichend kurz sein müssen und die Differenz in der Zeitverzögerung zwischen jedem Sensor ausreichend lang sein muß. Um sicherzustellen, daß die früheren Ausgangsimpulse, welche durch einen Eingangsimpuls erzeugt wurden, sich nicht überlappen mit späteren Ausgangsimpulsen, die von einem vorherge henden Eingangsimpuls erzeugt wurden, muß die Eingangsimpulsfolgefrequenz klein gehalten werden. Die maximale Impulsfolgefrequenz ist umgekehrt proportional zur Anzahl der Sensoren. Die Verkürzung der Eingangsimpulse und die Begrenzung der Folgefrequenz wirkt sich ungünstig auf den Energiehaushalt des Systems und damit für das Signal-Rauschverhältnis am Detektor aus.
Die EP-A-0033237 beschreibt ein Zeitmultiplexsystem und bezieht sich auf die Möglichkeit, daß die Quelle und die Rücksignale mit derselben variablen Frequenz moduliert werden. Diese Anordnung jedoch benötigt noch eine zeitliche Trennung zwischen der Ankunft der Impulse am Detektor.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Multiplexsystem und ein Verfahren bereitzustellen, das zur Verminderung dieser Schwierigkeiten verwendet werden kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Multiplexsystem der vorgenannten Art vorgeschlagen, das dadurch charakterisiert ist, daß das System einen Modulator umfaßt, der die Ausgänge der Quelle mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzen zu verschiedenen Zeitpunkten aufeinanderfolgend moduliert, wobei die Anzahl der unterschiedlichen Frequenzen gleich der Anzahl der optischen Vorrichtungen ist, daß das System einen Demodulator umfaßt, der eine Vielzahl von Mischern umfaßt, die Anzahl der Mischer gleich der Anzahl der optischen Vorrichtungen ist und daß zu jedem Zeitpunkt jedem Mischer an einem Eingang eine andere der unterschiedlichen Frequenzen und am anderen Eingang ein Augenblickswert der Ausgänge aller optischen Vorrichtungen zugeführt wird, so daß jeder Mischer einen Ausgang liefert, der repräsentativ für den Ausgang einer anderen der optischen Vorrichtungen ist.
Das optische System umfaßt bevorzugt einen optischen Sensor. Das System umfaßt bevorzugt einen Detektor, der die Ausgänge der optischen Vorrichtungen empfängt und hiervon einen elektrischen Ausgang erzeugt und dem einen Eingang jedes Mischers ein elektrisches Signal mit einer anderen der verschiedenen Frequenzen und dem anderen Eingang ein Augenblickswert des Ausgangs des Detektors zugeführt wird.
Der Modulator kann einen Frequenzgenerator umfassen, der kontinuierlich an jeder einer Vielzahl von Ausgängen eine der Vielzahl der unterschiedlichen Frequenzen erzeugt, das System einen Schalter umfaßt, der einen der Ausgänge des Frequenzgenerators sowohl mit der Quelle und einem der Mischer verbindet und der die anderen Ausgänge mit den anderen Mischern verbindet und der Schalter die anderen Ausgänge des Frequenzgenerators mit der Quelle und den Mischern zu verschie denen Zeitpunkten aufeinanderfolgend aufschaltet. Das System umfaßt bevorzugt einen Oszillator, dessen Ausgang sowohl zum Antrieb des Frequenzgenerators und mit einem Zähler verbunden ist und der Zähler mit dem Schalter zur Steuerung seiner Schaltung verbunden ist.
Alternativ kann das System einen einzelnen Oszillator für jede der Vielzahl der unterschiedlichen Frequenzen umfassen, wobei der Ausgang eines der Oszillatoren mit der Quelle und mit einem Eingang einer der Mischer verbunden ist, der Ausgang jedes der anderen Oszillatoren mit einem der anderen Mischer verbunden ist, der Frequenzausgang jedes Oszillators zeitlich aufeinanderfolgend zwischen der Vielzahl der unterschiedlichen Frequenzen wechselt, derart, daß zu jedem Zeitpunkt der Ausgang jedes Oszillators eine unterschiedliche Frequenz aufweist. Jeder Oszillator ist bevorzugt ein spannungsgesteuerter Oszillator, dessen Ausgangsfrequenz abhängig ist von der Amplitude einer Eingangsspannung. Das System umfaßt bevorzugt einen Zähler, eine Vielzahl von Addierern, wobei jeder Addierer zwischen dem Zähler und dem Eingang eines der Oszillatoren geschaltet ist, mit einer Vorrichtung zur Erhöhung der Zählung, die vom Zähler erzeugt wird für alle bis auf den einen Addierer, so daß der Ausgang jedes Addierers zu jedem Zeitpunkt eine unterschiedliche Spannungsamplitude aufweist, so daß der Ausgang jedes Oszillators eine unterschiedliche Frequenz aufweist.
Alternativ kann das System einen Oszillator umfassen, der einen Ausgang aufweist, welcher aufeinanderfolgend zwischen einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzen sich ändert, der Ausgang des Oszillators sowohl der Quelle als auch dem einen Eingang jedes Mischers zugeführt wird und das System zwischen dem Oszillator und jedem Mischer eine Verzögerungsleitung umfaßt, derart, daß zu jedem Zeitpunkt dem einen Eingang jedes Mischers eine unterschiedliche Frequenz zugeführt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mulitplexverfahren in einem optischen System vorgeschlagen, das eine Vielzahl von optischen Vorrichtungen umfaßt, die zwischen einer optischen Strahlungsquelle und einem Detektor angeordnet sind, die optische Weglänge zwischen der Quelle und dem Detektor über jede Vorrichtung unterschiedliche ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Quelle zu verschiedenen Zeitpunkten aufeinanderfolgend mit einer Anzahl der verschiedenen Frequenzen moduliert ist, die Anzahl der verschiedenen Frequenzen gleich der Anzahl der optischen Vorrichtungen ist, so daß der Ausgang des Detektors zu jedem Zeitpunkt eine Vielzahl bei verschiedenen Frequenzen modulierte Signale umfaßt und daß der Ausgang des Detektors zu jedem Zeitpunkt mit einem Signal jeder der verschiedenen Frequenzen gemischt wird, um Ausgänge zu erzeugen, welche repräsentativ sind fiir die Ausgänge der verschiedenen optischen Vorrichtungen.
Optische Multiplexsysteme und Multiplexverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden beispielshaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in de nen
Fig. 1 schematisch ein optisches Multiplexsystem zeigt;
Fig. 2 einen Teil des Systems nach Figur 1 in größerem Detail zeigt;
Fig. 3 eine Tabelle zur Erläuterung der Arbeitsweise des Systems ist und
Fig. 4 und 5 unterschiedliche Modifikationen des Systems nach den Figuren 1 und 2 zeigt.
Bezugnehmend auf die Figur 1 umfaßt das System eine optische Strahlungsquelle 1, welche durch eine Energieversorgung oder Modulator 2 gespeist wird, um optische Strahlung zu einem Parallelschaltungsnetzwerk 3 zu liefern. Die Parallelschaltung 3 umfaßt einen Eingangsbus 30, welcher sich zur Quelle 1 erstreckt, einen Ausgangsbus 40 und vier Sensoren S1 bis S4, welche zwischen dem Eingangs- und Ausgangsbus an verschiedenen Punkten längs deren Länge parallel geschaltet sind. Der Ausgangsbus 40 erstreckt sich zu einem Detektor 4, der über einen Demulator 6 einen elektrischen Ausgang zu einer Anzeige 5 oder einer anderen Verwertungsvorrichtung liefert. Der Eingangsbus 30 umfaßt eine Zeitverzögerung 32, 33 und 34 zwischen aufeinanderfolgenden Sensoren S1 und S2, S2 und S3 und S3 und S4, so daß die Strahlung unterschiedliche Zeiten benötigt, um über jeden Sensor von der Quelle 1 zum Detektor 4 zu gelangen. Es ist anzumerken, daß eine Zeitverzögerung auch durch die Distanz bewirkt wird, mit welcher die Strahlung längs der Eingangs- und Ausgangsbusse 30 und 40, der Zweige des Netzwerks und der Sensoren S1 bis S4 selbst zu wandern hat.
Nunmehr bezugnehmend auch auf die Figur 2, umfaßt die Quelle 1 eine lichtemittierende Diode (LED) 10, die aufeinanderfolgend mit einer von vier verschiedenen Frequenzen RF1 bis RF4 moduliert wird, welche kontinuierlich an vier Ausgängen eines Frequenzgenerators 100 innerhalb der Energieversorgung 2 erzeugt werden. Die Energievesorgung 2 umfaßt weiterhin einen Schalter 101, der durch einen 2- Bit-Zähler 102 gesteuert wird, welcher mit einem Taktoszillator 103 verbunden ist, der den Frequenzgenerator 100 antreibt. Der Schalter 101 hat vier Ausgänge 111 bis 114, welche zu jedem Zeitpunkt mit einer anderen der vier unterschiedlichen Frequenzen RF1 bis RF4, die vom Generator 100 erzeugt werden, verbunden sind. Der Ausgang der einen Leitung 111 dient zum Antrieb der LED 10, so daß diese aufeinanderfolgencl mit verschiedenen Frequenzen RF1, RF2, RF3, RF4, RF1, RF2 moduliert wird. Die LED 10 speist diese modulierte Strahlung in den Eingangsbus 30 ein, so daß sie allen vier Sensoren S1 bis S4 zugeführt wird. Infolge der unterschiedlichen Zeitverzögerungen zwischen jedem Sensor S1 bis S4, überlappen sich deren Ausgänge und der dem Detektor 4 zugeführte Ausgang weist zu jedem Zeitpunkt nicht eine Frequenz auf, sondern besteht aus einer Mischung der vier Frequenzen. Wie beispielsweise in Bezug auf Figur 3 gezeigt ist, kann zum Zeitpunkt T1 der Ausgang vom Sensor S1 eine Frequenz RF4 aufweisen, während der Ausgang vom Sensor S2 bei RF3 liegt und der Ausgang vom Sensor S3 bei RF2 und derjenige vom Sensor S4 bei RF1.
Der Ausgang der Leitung 111 vom Schalter 101 wird weiterhin einem Eingang eines Mischers 121 zugeführt, dessen anderer Eingang zum Empfang eines Augenblickwerts eines verstärkten Ausgangs vom Detektor 4 verbunden ist. In entsprechender Weise werden die Ausgänge der Leitungen 112 bis 114 einem Eingang der entsprechenden Mischer 122 bis 124 zugeführt, welche ebenfalls an ihren zweiten Eingängen den Ausgang des Detektors 4 empfangen. Die vom Schalter 101 dem einen Eingang jedes Mischers 121 bis 124 zugeführte Frequenz wird daher zeitlich von RF1 bis RF4 verändert. Die Frequenz des dem anderen Eingang der Mischer 121 bis 124 zugeführten Signal ist zu jedem Zeitpunkt stets eine Mischung der vier verschiedenen Frequenzen RF1 bis RF4. Jeder Mischer 121 bis 124 produziert daher einen Ausgang in Form eines Gleichstromsignals, welches repräsentativ ist für die Amplitude des Detektorsignals bei der seinem ersten Eingang zugeführten Frequenz. Eine optische Verzögerung bei 150 kann dazu verwendet werden, die Sensorausgänge mit dem Schalter 101 zu synchronisieren. Die Ausgänge der Mischer werden über entsprechende Tiefpaßfilter 125 geliefert zur Bereitstellung von vier unterschiedlichen Ausgängen für die Anzeige 5, welche repräsentativ sind für die Arbeitsweise jedes der entsprechenden Sensoren.
Die in Figur 4 gezeigte Anordnung ist ähnlich derjenigen, wie im Zusammenhang mit der Figur 3 beschrieben, indem vier Mischer 121 bis 124 verwendet werden, welche jeweils einen Augenblickwert des Ausgangs des Detektors 4 mit Eingangssignalen unterschiedlicher, sich ändern der Frequenzen mischen, so daß die Mischer Ausgänge erzeugen, welche repräsentativ sind für die Variable, welche durch die entsprechenden Sensoren erfaßt werden. Bei der Anordnung nach Figur 4 werden jedoch die dem ersten Eingang jedes Mischers zugeführten Signale abgeleitet von entsprechenden unterschiedlichen spannungsgesteuerten Oszillatoren 131 bis 134. Jeder Oszillator 131 bis 134 wird angesteuert durch einen treppenförmigen Spannungseingang, welcher von unterschiedlichen Addierern 135 bis 138 abgeleitet wird. Ein Zähler 139 bildet einen Direkteingang für den ersten Addierer 135, jedoch wird jeder Eingang der anderen Addierer 136 bis 138 durch entsprechende Vorrichtungen 140 bis 142 angehoben, die jeweils eine Eins zu dem Wert des Ausgangs des Zählers hinzuaddieren. Auf diese Weise ist der Ausgang des Addierers 136 um Eins größer als derjenige des Addierers 135, während der Ausgang des Addierers 137 um Zwei größer ist als derjenige des Addierers 135 und so weiter. Dies bewirkt, daß die dem Eingang jedes Oszillators 131 bis 134 zugeführten stufenförmigen Spannungen jeweils um eine Stufe außer Phase mit den anderen sind, so daß die am ersten Eingang jedes Mischers 121 bis 124 anliegende Frequenz zu jedem Zeitpunkt zueinander unterschiedlich sind. Bei dieser Anordnung kann eine optische Verzögerung 150 im Ausgangsbus 40 vorhanden sein oder eine elektronische Verzögerung 151 nach dem Detektor 4 angeschlossen sein, um den Ausgang der Sensoren mit dem Ausgang der Oszillatoren 131 bis 134 zu synchronisieren.
In einer weiteren, in Figur 5 gezeigten Modifikation liefert ein einziger Spannungsgesteuerter Oszillator 20 ein Antriebssignal zur LED 10 mit einer Frequenz, welche durch die Spannung an seinem Eingang bestimmt wird. Der Eingang des Oszillators 20 ist stufenförmig und wird abgeleitet von einem 2-Bit-Zähler 21 und einem Addierer 22, um vier verschiedene Spannungsamplituden zu ergeben. Der Ausgang des Oszillators 20 wird hierdurch aufeinanderfolgend in Schritten verändert und wird dazu verwendet, die LED 10 anzusteuern. Ein Augenblickswert des elektrischen Ausgangs des Oszillators 20 wird über eine Verzögerung 160 einer Verzögerungsstrecke 161 zugeführt. Die ersten Eingänge der vier Mischer 121 bis 124 sind an vier verschiedenen Punkten mit der Verzögerungsleitung 161 verbunden, wobei die Verzögerung zwischen jedem Abgriffspunkt gleich dem Zeitintervall für jede der verschiedenen Frequenzen am Ausgang des Oszillators 20 ist. Die Frequenz des dem ersten Eingang jedes Mischers zugeführten Signals unterscheidet sich um Eins von den anderen und verändert sich synchron mit dem dem Eingangsbus 30 zugeführten Signal.
Anstelle der Umwandlung von optischen Signalen in elektrische Signale und der Verwendung von elektrischen Mischern können auch optische Mischer verwendet werden.

Claims

1. Optisches Multiplexsystem, welches eine Vielzahl zwischen einer optischen Strahlungsquelle (1) und einem Detektor (4) angeschlossene optische Vorrichtungen umfaßt, wobei die optische Weglänge zwischen der Quelle und dem Detektor über jede Vorrichtung unterschiedlich ist, das System einen Modulator (2) umfaßt, der die Ausgänge der Quelle (1) mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzen (RF1 bis RF4) zu verschiedenen Zeitpunkten aufeinanderfolgend moduliert, wobei die Anzahl der unterschiedlichen Frequenzen gleich der Anzahl der optischen Vorrichtungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen Demodulator (6) umfaßt, der eine Vielzahl von Mischern (121 bis 124) umfaßt, die Anzahl der Mischer gleich der Anzahl der optischen Vorrichtungen (S1 bis S4) ist, und daß zu jedem Zeitpunkt jedem Mischer (121 bis 124) an einem Eingang eine andere der unterschiedlichen Frequenzen und am anderen Eingang ein Augenblickswert der Ausgänge aller optischen Vorrichtungen (S1 bis S4) zugeführt wird, so daß jeder Mischer (121 bis 124) einen Ausgang liefert, der repräsentantiv für den Ausgang einer anderen der optischen Vorrichtungen ist.

2. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Vorrichtungen einen optischen Sensor (S1 bis S4) umfassen.

3. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen Detektor (4) umfaßt, der die Ausgänge der optischen Vorrichtungen (S1 bis S4) empfängt und hiervon einen elektrischen Ausgang erzeugt und daß dem einen Eingang jedes Mischers (121 bis 124) ein elektrisches Signal mit einer anderen der verschiedenen Frequenzen (RF1 bis RF4) und dem anderen Eingang ein Augenblickswert des Ausgangs des Detektors (4) zugeftihrt wird.

4. Optisches Multiplexsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (2) einen Frequenzgenerator (100) umfaßt, der kontinuierlich an jeder einer Vielzahl von Ausgängen eine der Vielzahl der unterschiedlichen Frequenzen (RF1 bis RF4) erzeugt und daß das System einen Schalter (101) umfaßt, der einen der Ausgänge des Frequenzgenerators (100) sowohl mit der Quelle (1) und einem der Mischer (121) und die anderen Ausgänge mit den anderen Mischern (122 bis 124) verbindet und daß der Schalter (101) die anderen Ausgänge des Frequenzgenerators (100) mit der Quelle (1) und den Mischern (121 bis 124) zu verschiedenen Zeitpunkten aufeinanderfolgend aufschaltet.

5. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen Oszillator (103) umfaßt, dessen Ausgang sowohl zum Antrieb des Frequenzgenerators (100) und mit einem Zähler (102) verbunden ist und daß der Zähler (102) mit dem Schalter (101) zur Steuerung dessen Schaltung verbunden ist.

6. Optisches Multiplexsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen einzelnen Oszillator (131 bis 134) für jede der Vielzahl der unterschiedlichen Frequenzen (RF1 bis RF4) umfaßt, daß der Ausgang eines der Oszillatoren (131) mit der Quelle (1) und mit einem Eingang einer der Mischer (121) verbunden ist, daß der Ausgang jedes der anderen Oszillatoren (132 bis 134) verbunden ist mit einem der anderen Mischer, und daß der Frequenzausgang jedes Oszillators (131 bis 134) zeitlich aufeinanderfolgend zwischen der Vielzahl der unterschiedlichen Frequenzen (RF1 bis RF4) wechselt, derart, daß zu jedem Zeitpunkt der Ausgang jedes Osziallators (131 bis 134) eine unterschiedliche Frequenz aufweist.

7. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je der Oszillator (131 bis 134) ein spannungsgesteuerter Oszillator ist, dessen Ausgangsfrequenz abhängig von der Amplitude einer Eingangsspannung ist.

8. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen Zähler (139), eine Vielzahl von Addierern (135 bis 138) umfaßt, jeder Addierer zwischen dem Zähler (139) und dem Eingang eines der Oszillatoren (131 bis 134) geschaltet ist, eine Vorrichtung (140 bis 142) umfaßt, die die von dem Zähler (139) gezählte Zählung für alle bis auf einen der Addierer (136 bis 138) erhöht, so daß der Ausgang jedes Addierers (135 bis 138) zu jedem Zeitpunkt eine unterschiedliche Spannungsamplitude aufweist, so daß der Ausgang jedes Oszillators (131 bis 134) eine unterschiedliche Frequenz aufweist.

9. Optisches Multiplexsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen Oszillator (20) umfaßt, der einen Ausgang aufweist, welcher aufeinanderfolgend zwischen einer Vielzahl unterschiedlichen Frequenzen (RF1 bis RF4) sich änder, daß der Ausgang des Oszillators (20) sowohl der Quelle (10) als auch dem einen Eingang jedes Mischers (121 bis 124) zugeführt wird und daß das System eine Verzögerungsleitung (160, 161) zwischen dem Oszillator (20) und jedem Mischer (121 bis 124) umfaßt, derart, daß zu jedem Zeitpunkt dem einen Eingang jedes Mischers (121 bis 124) eine unterschiedliche Frequenz zugeführt wird.

10. Multiplexverfahren in einem optischen System, welches eine Vielzahl von optischen Vorrichtungen umfaßt, die zwischen einer optischen Strahlungsquelle (1) und einem Detektor (4) geschaltet sind, die optischen Weglänge zwischen der Quelle und dem Detektor über jede Vorrichtung unterschiedlich ist, der Ausgang der Quelle (1) zu verschiedenen Zeitpunkten aufeinanderfolgend mit einer Anzahl verschiedener Frequenzen (RF1 bis RF4) moduliert ist, die Anzahl der verschiedenen Frequenzen gleich der Anzahl der optischen Vorrichtungen (S1 bis 54) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Detektors (4) zu jedem Zeitpunkt eine Vielzahl von Signalen umfaßt, die mit verschiedenen Frequenzen moduliert sind und daß der Ausgang des Detektors (4) zu jedem Zeitpunkt mit einem Signal jeder der verschiedenen Frequenzen (RF1 bis RF4) gemischt wird, um Ausgänge zu erzeugen, welche repräsentativ sind für die Ausgänge der verschiedenen optischen Vorrichtungen (S1 bis S4).