-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Fehlerortungs-Tonverfahren für Unterseenetzwerke und konkret
ein Verfahren zum Erhöhen
der Ausbreitungsentfernung eines Niederfrequenztons.
-
Allgemeiner
Stand der Technik
-
Es
ist bekannt, einen Niederfrequenzton zu verwenden, der auf dem normalen
Arbeitsstrom an der Stromversorgung eines Unterseekabelsystems überlagert
ist, um einem Kabelschiff zu ermöglichen, das
Kabel zur Inspektion oder Reparatur unter Verwendung eines Unterwasserschmalbanddetektors
zu lokalisieren. Es ist üblich,
eine Sinuswelle von in der Regel zwischen 4 und 25 Hz zu verwenden,
die eine Spitzenamplitude von ungefähr 400 mA aufweist. Die Frequenzkennlinie
des Unterseekabels ist derart, daß das Tonsignal mit der Entfernung
gedämpft
wird und folglich normalerweise über
1.000 Kilometer nicht nachweisbar ist. Der Effekt der Dämpfung ist
in 7A bis 7D für ein Sinuswellen-Tonsignal dargestellt,
das sich durch eine Reihe von vier optischen Zwischenverstärkern in
einer Entfernung von entsprechend 40 km (7B), 80
km (7C) und 160 km (7D) von
der Stromversorgung ausbreitet. Wie dargestellt ist, verringert
sich nach dem vierten Zwischenverstärker die Spitzenamplitude des Tonsignals
auf nur ungefähr
3 mA.
-
Die
maximale Amplitude eines Tonsignals, das durch die Stromversorgungsausrüstung erzeugt wurde,
wird durch die elektrischen Charakteristika der Verstärker innerhalb
der optischen Zwischenverstärker
begrenzt, die in Abständen
entlang der Länge des
Unterseekabels bereitgestellt sind, welche empfindlich gegen die
negative Halbwelle des Tonsignals sind.
-
Zukünftig werden
die Zwischenverstärker Verstärker des
Standes der Technik enthalten, die bei viel niedrigeren Strömen arbeiten,
so daß die
erwartete maximale Tonamplitude ungefähr 200 mA Spitze-zu-Spitze
sein wird. Von einem Tonsignal bei dieser Amplitude würde man
nicht erwarten, daß es
sich über
eine große
Entfernung ausbreitet und immer noch nachweisbar ist. Da die Schiffszeit
teuer ist, könnte
jede Verringerung des Tonabstandes kostspielig sein.
-
Ein
Verfahren zum Lokalisieren der Position eines Fehlers in einem Unterseekabel
ist aus der Japanischen Patentschrift 07 240704 A (NEC MIYAGI LTD)
bekannt, welches das Erkennen der Position des Fehlers unter Verwendung
eines Magnetfeldes betrifft, das durch ein Wechselstromsignal erzeugt wurde,
das auf einem Gleichstromstrom überlagert ist,
der entlang dem Unterseekabel gesendet wurde. Ein Magnetsensor wird
von einem Reparaturschiff auf den Meeresboden zu dem Unterseekabel
herabgelassen, um das Magnetfeld zu erkennen, das von dem Wechselstromsignal
durch das Unterseekabel erzeugt wurde. Anschließend wird der Magnetsensor um
das Kabel herum bewegt, bis er einen Punkt erreicht, wo das Magnetfeld
nicht nachgewiesen wird, was ein Hinweis auf eine Fehlerstelle ist.
Um das Tonsignal, wenn es gedämpft
wird, vom Rauschen zu unterschieden, wird das Wechselstromsignal
auf dem Gleichstromsignal nur in vorgegebenen Zeitintervallen überlagert,
was durch Einschalten und Ausschalten des Wechselstromsignals infolge
des Kombinierens des letzteren mit einer Rechteckwelle erfolgt,
die Ein-Aus-Perioden gemäß den vorgegebenen
Zeitintervallen aufweist, die für
den Nachweis des Wechselstromsignals erwünscht sind.
-
Ein
weiteres Verfahren zur Fehlererkennung in einem Kabel ist aus der
US-Patentschrift A-5 210 49.7 bekannt. Gemäß diesem Verfahren werden drei Signale
an dem Kabel angelegt, wobei zwei davon Hochfrequenzsignale sind
und das dritte Signal ein Niederfrequenzsignal ist, das ein ganzes
Vielfaches der Differenz zwischen den Frequenzen der ersten zwei
Hochfrequenzsignale ist. Die niedrigen und die hohen Frequenzen
werden anschließend
separat erkannt und die zwei hohen Frequenzen werden verarbeitet,
um ein synchrones niederfrequentes Bezugssignal zu erhalten, das
anschließend
mit dem ursprünglichen
Niederfrequenzsignal verglichen wird. Wenn ein Fehler vorhanden
ist, wird es eine Phasenänderung
zwischen dem Niederfrequenzsignal, das aus der Differenz zwischen
den zwei Hochfrequenzsignalen ermittelt wurde, und dem erkannten Niederfrequenzsignal
geben, was auf den Fehlerort hinweist.
-
Kurzdarstellung
der Erfindung
-
Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Lokalisieren eines Unterseekabels nach Anspruch 1 bereitgestellt.
-
Vorzugsweise
ist jede der ersten Signalwellenform und der zweiten Signalwellenform
sinusförmig.
Mehr vorzugsweise ist die zweite Signalwellenform von einer höheren Frequenz
als die erste Signalwellenform.
-
Vorzugsweise
ist das Tonsignal eine Rechteckwelle, in welcher die erste Signalwellenform
der Grundfrequenz entspricht und die zweite und jede folgende Signalwellenform
einer entsprechenden der harmonischen Frequenzen entspricht.
-
Vorzugsweise
werden mehrere Oberwellen der Rechteckwelle um einen vorgegebenen
Wert vorverzerrt, um die Frequenzkennlinie des Unterseekabels zu
berücksichtigen.
-
Gemäß einem
zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Stromversorgungsschaltung
für ein
Unterseekabel nach Anspruch 6 bereitgestellt.
-
Vorzugsweise
umfaßt
die Tonsignalsteuerschaltung einen digitalen Signalprozessor, der
angeordnet ist, um periodisch eine Nachschlagetabelle zu durchlaufen,
die in einem Speicher gespeichert ist, und eine Reihe von Abtastwerten
auszugeben, die verwendet werden, um den elektrischen Ausgang der Stromversorgungsschaltung
zu steuern.
-
Vorzugsweise
definiert der Inhalt der Nachschlagetabelle, der im Speicher gespeichert
ist, eine vollständige
Periode einer Rechteckwelle. Mehr vorzugsweise dienen die Abtastwerte
in der Nachschlagetabelle dazu, um einen Grad der Vorverzerrung
der Oberwellen des Rechteckwellentonsignals bereitzustellen.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Kompensieren der
Verringerung der Übertragungsentfernung
aufgrund der Verwendung von optischen Zwischenverstärkern des
Standes der Technik bereit. Es wird vorgeschlagen, die Form des Tonsignals
zu optimieren, so daß mehr
Strom in das Unterseekabel gekoppelt werden kann, ohne die Zwischenverstärker zu
beschädigen,
und dadurch der nutzbare Tonabstand wesentlich vergrößert wird. Wenn
eine Rechteckwelle verwendet wird, ist die Amplitude der Grundwelle
ungefähr
20 % höher
als der Spitzenwert der Gesamtwelle. Eine weitere Verbesserung kann
durch das Ausnutzen des Umstandes erreicht werden, daß die Komponenten
der höheren Frequenz
des Rechteckwellentonsignals stärker durch
das Unterseekabel gedämpft
werden als jene bei einer niedrigeren Frequenz. Insbesondere verändert sich
die Tonsignalwellenform wesentlich zwischen der Stromversorgung
und dem ersten Zwischenverstärker
und dies kann durch Erhöhen
der Amplitude der höheren
Oberwellen kompensiert werden, so daß sie in der Zeit, bis sie
den Zwischenverstärker
erreicht, eine maximale annehmbare Amplitudenrechteckwelle aufweist.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
Ein
Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nun mit Verweis auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigen:
-
1 – ein vereinfachtes
Beispiel eines Unterseekommunikationssystems;
-
2 – ein Blockschaltbild
einer Endstation;
-
3 – ein Blockschaltbild
einer Stromversorgungsschaltung der Endstation von 3;
-
4 – ein Blockschaltbild
einer Tonsignalsteuerschaltung;
-
5A bis 5D veranschaulichen
die Ausbreitung eines Rechteckwellentonsignals;
-
6A bis 6D veranschaulichen
die Ausbreitung eines kompensierten Rechteckwellentonsignal; und
-
7A bis 7D veranschaulichen
die Ausbreitung eines Sinuswellentonsignals.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
1 zeigt
ein vereinfachtes Beispiel eines Unterseekommunikationssystem 1,
das aus einer ersten Endstation 2, die sich auf einer Landmasse 3 befindet,
und einer zweiten Endstation 4, die sich auf einer anderen
Landmasse 5 befindet, besteht, mit zwei Endstationen, die
durch ein Unterseekabel 6 verbunden sind. Das Unterseekabel 6 beinhaltet mehrere
optische Zwischenverstärker 7,
die einzeln in Abständen
entlang der Länge
des Kabels angeordnet sind. Das Unterseekabel 6 wird durch
die Stromversorgungsanlage (PFE) (nicht gezeigt) gespeist, die sich
an jeder der Endstationen befindet. Die Leistung ist erforderlich,
um die optischen Zwischenverstärker 7 und
etwaige Verzweigungseinheiten (nicht gezeigt) in dem Kabelsystem
zu betreiben.
-
2 zeigt
ein Blockschaltbild der Hauptelemente einer Endstation 2.
Die Endstation 2 beinhaltet das Übertragungsendgerät 8,
das mehrere E/A-Ports 9 für Verbindungen aufweist, welche
den Kundenverkehr übertragen.
Das Übertragungsendgerät 8 ist zum
Multiplexen von ankommenden Datenströmen angeordnet, um ein optisches
Wellenlängen-Multiplexsignal zu
bilden, das durch eine optische Faser 10 an einen Kabelendverschluß 11 gekoppelt
wird. Der Kabelendverschluß 11 empfängt und
sichert ebenfalls das Ende des Unterseekabels 6, das von
einer Stromversorgungsschaltung 12 gespeist wird. Ein optisches
Wellenlängen-Multiplexsignal,
das von der Endstation 2 empfangen wurde, wird an das Übertragungsendgerät 8 über den
Kabelendverschluß 11 gekoppelt,
wo die einzelnen Kanäle
demultiplexiert und auf einen entsprechenden E/A-Port 9 zur
Weiterübertragung
an die Kunden geführt
werden. Wie unten detaillierter beschrieben wird, beinhaltet die
Stromversorgungsschaltung 12 eine Steuerschaltung 13 zum Überlagern
eines Tonsignals auf dem Arbeitsstrom, der durch mehrere in Reihe
verbundene 50 V/2,5 kV-Leistungswandler 141 bis 144 bereitgestellt wird.
-
3 ist
ein Blockschaltbild der Stromversorgungsschaltung 12. Die
Stromversorgungsschaltung beinhaltet einen digitalen Signalprozessor (DSP) 15 zum
Erzeugen einer Reihe von Sollwertkoeffizienten (die in einer Tabelle
des Ausgangsstromes in Abhängigkeit
von der Zeit angeordnet sind), die verwendet werden, um den Stromausgang
des Leistungswandlers zu steuern, der effektiv ein DC-DC 50 V/10
kV-Leistungswandler 14 ist, und so ein Rechteckwellentonsignal
auf dem Unterseekabel 6 bereitzustellen. Der DSP 15 ist
detaillierter in 4 gezeigt und wird unten detailliert
beschrieben.
-
Jeder
Sollwertkoeffizient, der durch den DSP 15 erzeugt wird,
ist ein digitaler Wert, der in ein analoges Signal durch den Digital-Analog-Wandler 16 umgewandelt
wird. Das analoge Signal ist das Eingangssignal an einen Impulsbreitenmodulator (PWM) 17,
dessen Ausgangssignal in ein optisches Signal an einer optischen
Schnittstelle 18 der Stromversorgungsschaltung umgewandelt
wird. Das optische Signal (eine Folge von Impulsen) wird anschließend verwendet,
um den Ausgang des Leistungswandlers 14 zu steuern. Insbesondere
werden die optischen Impulse auf der Platine der Leistungswandlerschaltung
zurück
in ein elektrisches Signal umgewandelt und verwendet, um die Transistoren des
Wandlers zu schalten, so daß der
Ausgangsstrom von den Leistungswandlern der gleiche wie der Wert
ist, der in die Regelschleife eingegeben wurde, wenn der DSP 15 die
Tabelle der Sollwertkoeffizienten durchläuft.
-
Der
Ausgang des Leistungswandlers 14 wird durch eine Stromüberwachungsvorrichtung 19 überwacht,
wobei ein Signal davon an die optische Schnittstelle 18 nach
der Wandlung durch einen Analog-Digital-Wandler 20 übertragen
wird. Der elektrische Ausgang der optischen Schnittstelle ist in
einem positiven Rückkopplungsweg 21 rückgekoppelt,
wo er mit der Sollwertkoeffizientenausgabe des DSP 15 kombiniert
wird.
-
Der
DSP 15 ist angeordnet, um eine Reihe von Werten auszugeben,
die periodisch wiederholt werden, um ein niederfrequentes Rechteckwellentonsignal
zu erzeugen. Wie unten beschrieben wird, ist es ebenfalls möglich, für den DSP 15 geeignete Koeffizienten
auszugeben, welche einen veränderlichen
Grad der Vorverzerrung auf die Oberwellen der Rechteckwelle anwenden,
um die bekannte Frequenzkennlinie des Unterseekabels 6 zu
kompensieren und dadurch das Ausbreitungspotential noch weiter zu
erhöhen.
-
4 zeigt
ein Blockschaltbild des DSP 15 zum Erzeugen der Sollwertkoeffizienten,
die verwendet werden, um ein Rechteckwellentonsignal abzuleiten.
Der DSP 15 umfaßt
ein Steuersystem, welches die Eingaben (Spitzenstrom und Frequenz)
von einer Benutzerschnittstelle 23 empfängt. Das Steuersystem 22 steuert
einen Zähler 24,
der mit einer Rate arbeitet, die der gewünschten Frequenz des Tonsignals entspricht.
Das Steuersystem 22 greift auf eine Nachschlagetabelle 25 zu,
die in einem Speicher gespeichert ist, welcher mehrere Abtastwerte
enthält
und funktionsfähig
ist, um jeden Abtastwert der Reihe nach als Sollwertkoeffizientenausgabe
für das
System auszugeben. Die vollständige
Sequenz der Abtastwerte definiert die Koeffizienten zum Erzeugen
einer vollständigen
Periode einer Rechteckwelle. In diesem Beispiel betreffen die dargestellten
Koeffizienten eine Spitze-Spitze-Rechteckwelle 200 mA (nominell
1.100 mA).
-
Eine
Rechteckwelle ist durch die folgende Funktion definiert: F(Sq.) = F1 + 1/3 F3 + 1/5 F5 ... 1/nFn wobei F1 die
Amplitude der Grundfrequenzkomponente ist und F3 bis
Fn die Amplituden der harmonischen Komponenten
ungeradzahliger Ordnung sind.
-
Jede
der Grundwelle und der Oberwellen der Rechteckwelle kann als eine
separate Sinuswelle betrachtet werden. Die Amplitude der Grundwelle
in einer Rechteckwelle ist in der Regel 20 höher als der Spitzenwert der
Gesamtwelle, so daß eine
Grundwelle von zum Beispiel 250 mA Spitze-zu-Spitze aus einer Rechteckwelle
von 200 mA Spitze-zu-Spitze erhalten werden würde. Aus diesem Grund wird
die Amplitude der Grundwelle in einer Rechteckwelle durch die auslöschende
Interferenz mit den Oberwellen ungeradzahliger Ordnung unterdrückt. Dies
bedeutet, daß sich
die Grundfrequenzkomponente weiter ausbreiten kann. Der Effekt der
Oberwellen verringert sich mit der Ausbreitungsentfernung, bis nur
die Grundwelle übrigbleibt.
Dies ist in 5A bis 5D dargestellt.
Das Rechteckwellentonsignal breitet sich durch eine Reihe von vier
optischen Zwischenverstärkern
in einer Entfernung von entsprechend 40 km (5A), 80
km (5B) und 160 km (5D) von der
Stromversorgung aus. Wie dargestellt ist, ist das Tonsignal nach
dem vierten Zwischenverstärker
im Wesentlichen eine Sinuswelle mit einer Frequenz, die der Grundfrequenz
der ursprünglichen
Rechteckwelle entspricht, die durch die Stromversorgung erzeugt wurde.
Die Spitzenamplitude wird auf ungefähr 3,5 mA verringert, was immer
noch nachweisbar ist.
-
Wie
oben erwähnt
ist, kann eine weitere Verbesserung mindestens über die erste Verbindung von
der Endstation zu einem ersten optischen Zwischenverstärker durchgeführt werden.
Es ist möglich, die
Abtastwerte in der Nachschlagetabelle 25 anzupassen, um
die höherfrequenten
Oberwellen etwas vorzuverzerren, um zu ermöglichen, daß sich die Amplitude der Grundfrequenzkomponente
noch weiter erhöhen
kann, ohne einen scheinbaren Anstieg der Spitzenamplitude der Rechteckwelle
in der Zeit, bis sie den ersten optischen Zwischenverstärker erreicht.
Dies erlaubt, daß sich
das Tonsignal (die Grundwelle) weiter ausbreiten kann.
-
Ein
Beispiel einer geeigneten modifizierten Rechteckwellenfunktion ist
wie folgt: F(Sq.)mod =
F1 + 0,664F3 + 0,37F5 + 0,363F7
-
Dies
kann zu einer Funktion von: F(Sq.)mod =
F(Sq.) – (0,54
sin φ)approximiert
werden.
-
Ein
Beispiel davon ist in 6A bis 6D dargestellt.
Das Rechteckwellentonsignal mit Vorverzerrung breitet sich durch
eine Reihe von vier optischen Zwischenverstärkern in einer Entfernung von entsprechend
40 km (6B), 80 km (6C)
und 160 km (6D) von der Stromversorgung
aus. Wie gezeigt ist, beträgt
die Spitzenamplitude des Tonsignals ungefähr 4 mA nach dem vierten Zwischenverstärker, was
eine erhebliche Verbesserung darstellt.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren des Verschiebens der
Abnahme der Übertragungsentfernung
aufgrund der Verwendung von optischen Zwischenverstärkern des
Standes der Technik bereit. Die Fähigkeit eines Schiffes, ein
Tonsignal zu erkennen, beschleunigt die Reparatur- und Wartungsabläufe sehr.
Da die Schiffszeit enorm kostspielig ist, wird jede Erhöhung der
effektiven Entfernung von der Meeresküste eine Kosteneinsparung zur
Folge haben.