DK148564B - Fremgangsmaade ved signalbehandling af en modtaget impulsraekke, samt modtager til udoevelse af fremgangsmaaden - Google Patents

Description

148564 i

Opfindelsen vedrører en fremgangsmåde ved forstemt eksem-plering af en række impulser med stabil, høj repetitions-frekvens, f , som er modtaget af et støjgenererende detektorkredsløb, især til måling af impulsforbredning 5 gennem en optisk fiber, hvis udgangsende er koblet til detektorens indgang.

Opfindelsen er specielt anvendelig til måling af impulsforbredning i en multimode optisk fiber. Impulsforbredning betegnes også som dispersion og dækker over 10 det fænomen, at impulsbredden forøges, når en lysimpuls udbreder sig i den optiske fiber, hvilket beror på, at de forskellige svingningstyper, der tilsammen udgør signalet, udbreder sig med lidt forskellige hastigheder gennem fiberen som følge af, at fiberen i praksis ikke 15 kan fremstilles med ideelle parametre. Pulsforbredningen er i det væsentlige bestemmende for fiberens transmissionskapacitet til telekommunikation, idet stigende pulsforbredning svarer til faldende båndbredde. Det er derfor vigtigt at kunne udføre denne måling på en 20 udlagt fiberstrækning, da det ikke i praksis er muligt at forudsige båndbredden af en total strækning ud fra kendskab til båndbredden af de enkelte fibre, som strækningen er splidset sammen af.

Der kendes to principielt forskellige måder til måling 25 af impulsforbredning (se f.eks. NBS special publication 597 : Technical Digest Symposium on optical fiber measurements 1980, p. 49-54). Den ene metode betegnes "frekvens-sweep"-metoden, hvor der på indgangen af fiberen tilføres et signal med periodisk varierende frekvens. På udgangen 30 af fiberen frekvensanalyseres det transmitterede signal, og der kan ved beregning opnås oplysning om impulsfor-bredningen. Selv om der ved denne metode i praksis ikke kan måles faseforskel, har det hidtil været den dominerende metode for måling over store afstande. Dette 2 148564 skyldes, at den anden metode, som betegnes "impuls"-metoden hidtil har haft den ulempe, at den ikke er pålidelig, når dæmpningen i den optiske fiberstrækning er stor, hvorfor denne metode mest har fundet anvendel-5 se til laboratoriemålinger, hvor fiberlængden og dermed dæmpningen er relativt lille. Dæmpningen er ved denne metode et problem, fordi detektorens egenstøj er relativ stor, således at signal/støj-forholdet bliver ringe.

Detektorens egenstøj kan ikke uden videre reduceres, 10 da detektoren skal have en så stor båndbredde, at dens impulssvar er lille sammenlignet med de impulser, som under målingen transmitteres gennem den optiske fiber.

Ued de kendte impuls-metodeapparater har man derfor søgt at afhjælpe det dårlige signal/støj-forhold ved 15 at benytte højeffektlasere som sendekilde, men da høj effekt lasere kun kan arbejde med en væsentlig lavere repetitionsfrekvens og ved andre bølgelængder, end det er tilfældet for de laveffektlasere, som i praksis benyttes til kommunikationsformål, vil denne kendte måle-20 metode ikke fuldstændigt afspejle de fiberegenskaber, der er relevante under normale kommunikationsanvendelser.

Formålet med opfindelsen er at angive en fremgangsmåde ved signalbehandling af en række af impulser, hvilken fremgangsmåde medfører, at båndbredden af en optisk 25 fiber kan måles i overensstemmelse med den nævnte pulsmetode selv i tilfælde, hvor den optiske fiber har en så stor dæmpning, at den hidtil kendte pulsmåleteknik har vist sig at være utilstrækkelig, når der i pulsmålesenderen ønskes benyttet en laser af samme type, 30 som i praksis anvendes til telekommunikation.

Dette formål opnås ved, at den forstemte frekvens f , ved hvilken det modtagne signal eksempleres, er givet ved 148564 3 f + f : Γ - 4f S _, n hvor n er et helt tal og 4f er flere størrelsesordener mindre end f , og at eksempleringssignalet frembringes ved hjælp af en impulsgenerator, hvis repetitionsfrekvens 5 er styret ved hjælp af et fasedetekterende kredsløb, som tilføres dels et referencesignal, der repræsenterer forskydningsfrekvensen ^f? og dels et lavfrekvenssignal, som afledes af det modtagne og ved frekvensen f eksem-pierede signal, og som er tilstrækkeligt bredbåndet 10 til at indeholde i det væsentlige al informationen i det modtagne signal. Ved at låse eksempleringsfrekvensen ved hjælp af et signal, som på grund af eksempleringen er konverteret til et lavfrekvenssignal med stort signal/-støj-forhold, opnås, at låsningen er effektiv, selv 15 om signal/støj-forholdet, henført til modtagerens indgang, er væsentligt mindre, end det hidtil har været tilladeligt. Derved undgås den begrænsning, som findes i de hidtil kendte pulsmålesystemer, nemlig at signal/støj-forholdet skal være relativt stort, inden eksempleringen 20 for at sikre pålidelig trigning af det samplingoscillo skop, der i disse systemer anvendes til eksempleringen.

Fra heterodynteknikken er det kendt at blande et modtagesignal med et lokaloscillatorsignal, hvor lokaloscillatorens frekvens er afhængig af blandingsproduktet, se 25 f.eks. tysk offentliggørelsesskrift nr. 2 644 159. Denne teknik forudsætter et sinusformet lokaloscillatorsignal og båndpasfiltrering i et relativt smalt mellemfrekvens-område, hvorved en overvejende del af informationen i et impulssignal ville gå tabt. Eksempelvis kan en 30 optisk fiber have en båndbredde på 300 MHz svarende til en impulsforbredning på 1 ns. Under forudsætning 4 148564 af de i den senere beskrivelse givne eksempler på målefrekvenser er informationen indeholdt i op til 4Q harmoniske af både repetitions- og forskydningsfrekvensen, og det vil derfor kunne forstås, at heterodynteknikken, 5 som på grund af båndpasfiltrering i mellemfrekvensområdet kun ville medtage 1. harmoniske, er utilstrækkelig.

Ved at anvende et impulsformet eksempleringssignal sammen med et bredbåndet eksempleringskredsløb opnås, at den harmoniske række af repetitionsfrekvensen, der udgør 10 indgangssignalet (se fig. 1 A), transformeres til en dermed ækvivalent harmonisk række af forskydningsfrekvensen, og at der ved lavpasfiltrering af dette signal opnås en væsentlig reduktion af støjen, når der anvendes målefrekvenser af de størrelsesordener, der er angivet 15 som eksempel i den følgende beskrivelse.

Referencesignalet til det fasedetekterende kredsløb kan frembringes ved hjælp af en særskilt lokaloscillator, og i-forbindelse hermed kunne den styrende impulsgenerator være et frekvenssyntetiserende netværk, men fortrinsvis 20 frembringes referencesignalet som anført i krav 2 i forbindelse med en impulsgenerator med relativt lille - afstemningsområde, idet fremgangsmåden til de fleste anvendelser vil blive udøvet ved en bestemt repetitions-frekvens, fortrinsvis S.MHz.

25 ..Ved at vælge forskydningsfrekvensen Af på mellem 10 og 100 Hz opnås et fordelagtigt kompromis mellem, at det til lavfrekvens konverterede udgangssignal kan fremvises direkte på et sædvanligt lavfrekvens realtids-oscilloskop, og at der opnås en tilstrækkelig forbedring 148564 5 af modtagerens følsomhed til, at der kan måles over de i praksis forekommende fiberlængder, samt at kredsløbene kan realiseres uden store stabilitetsproblemer.

Opfindelsen angår endvidere en modtager til udøvelse 5 af fremgangsmåden ifølge krav 1 og omfattende en optisk modtager samt et filter til eksemplering og signalbehandling af en modtaget række af impulser med en stabil, høj repetitionsfrekvens f , hvilket filter omfatter et eksempleringskredsløb og omfatter et fasedetekteren-10 de styrekredsløb, som er indrettet til ved fasesammenligning af et referencesignal, der repræsenterer en forskydningsfrekvens, Æf, og et på en yderligere indgang modtaget signal, at regulere en eksempleringsfre- kvens f . s 15 , Formålet med modtageren er at kunne udøve fremgangsmåden væsentligt simplere og billigere end kendte pulsmåleanlæg. Dette opnås ved, at der findes en impulsgenerator, som er styret af nævnte styrekredsløb, således at fr - Af , 20 f3 = -1 n hvor n er et helt tal, og at styrekredsløbets yderligere indgang er forbundet til eksempleringskredsløbets udgang via et lavpasfilter.

Det fasedetekterende styrekredsløb har fortrinsvis to 25 indgange, hvor det er væsentligt at bemærke, at den ene indgang modtager den eksemplerede version af det signal, som modtageren modtager, medens en yderligere indgang på det fasedetekterende styrekredsløb kan være forbundet som anført i krav 5. Jo mindre n er, jo 30 større bliver signal/støj-forholdet, og i den senere 6 148564 beskrivelse forudsættes, at n = 1, hvorved der opnås maksimal forøgelse af modtagerens signal/støjforhold.

En tilsvarende forøgelse kan ikke opnås i de kendte systemer, hvor der anvendes samplingsoscilloskop, da 5 dettes maksimale eksempleringssekvens typisk er 100 kHz, hvilket med den foretrukne repetitionsfrekvens på 8 MHz giver n = 80.

De i krav 7 anførte impulsformekredsløb medfører, at konstruktionen ifølge krav 4 kan optimeres på bedre 10 måde, end det kan opnås for et enkelt impulsformekreds-løbs vedkommende. Ved hjælp af de i krav 8 anførte foranstaltninger udnyttes det optimalt store signal/støjforhold på dette sted til yderligere forbedring af eksempleringsenhedens eksempleringsnøjagtighed selv 15 med et meget lavt signal/støj-forhold på modtagerens indgang.

Opfindelsen vil blive nærmere forklaret ved den følgende beskrivelse af nogle foretrukne udførelsesformer, idet der henvises til tegningen, hvor 20 fig. 1A-C viser en del af frekvensspektret for signaler, som forekommer i det på fig. 2 viste kredsløb, hvor frekvensen er angivet i enheder af henholdsvis f , f r s og åf, fig. 2 viser et forenklet blokdiagram over et kredsløb 25 til forklaring af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, medens fig. 3A og B viser henholdsvis en sender og modtager som det foretrukne anlæg til udførelse af fremgangsmåden.

30 Fig. 1A og B viser dele af frekvensspektret for impulsrækker, hvor repetitionsfrekvenserne eksempelvis er 148564 7 henholdsvis f = 8MHz og f = 7,99992 MHz. Når den første impulsrække eksempleres ved den anden impulsrækkes repetitionsfrekvens, fremkommer et spektrum, hvis lavfrekvens-del er vist på fig. 1C, hvor der forekommer en grund-5 frekvens Af, svarende til differencen mellem de nævnte impulsrækkers repetitionsfrekvens. Da forskydningsfrekvensen Af, som ved den foretrukne udførelsesform er 80 Hz, er adskillige størrelsesordener mindre end f og f , er fig. 1C skaleret forskelligt fra fig. 1A og 10 IB. Det bemærkes, at de nævnte frekvenser kun tjener som et eksempel og således ikke er begrænsende for opfindelsens anvendelsesområde.

Det på fig. 2 viste blokdiagram af en signalbehandlingsenhed ifølge opfindelsen omfatter en eksempleringsenhed 15 1, som er indrettet til at eksemplere et indgangssignal med en repetitionsfrekvens f , som kan have det på fig.

1A viste spektrum, ved en eksempleringsfrekvens f , hvor eksempleringssignalet frembringes af en impulsgenerator 2 og kan have det på fig. IB viste spektrum.

20 Impulsgeneratoren 2 styres af en regulerbar oscillator 3, som reguleres ved hjalp af udgangssignalet fra et fasedetekterende kredsløb 4, således, at f = Tr — ', n hvor n er et helt tal, og Af er flere størrelsesordener mindre end f . Som nævnt vil udgangssignalet fra eksem-25 pieringsenheden 1 indeholde en grundfrekvens f ->nf , som eksempelvis er 80 Hz. Dette signal overføres via et amplitudebegrænsende filter 5 til den ene indgang af det fasedetekterende kredsløb 4, hvis anden indgang er forbundet til en lokaloscillator 6, som er indstillet 30 til frekvensen Af.

Fordelen ved det på fig. 2 viste kredsløb er, at eksemple-ringsfrekvensen f kan styres meget nøjagtigt i forhold til impulsrepetitionsfrekvensen f , selv om signal/støj- 8 148564 forholdet på indgangen af eksempleringsenheden 1 er ringe. Dette skyldes, at eksempleringen og en efterfølgende lavpasfiltrering af det eksemplerede signal medfører en væsentlig forøgelse af signal/støj-forholdet, 5 således at der kan opnås en præcis eksempleringsfrekvens f ved frekvenser helt op til 100 MHz. Den nævnte s lavpasfiltrering kan ved det på fig. 2 viste kredsløb være indeholdt i det begrænsende filter 5, som også medfører en amplitudebegrænsning, der er nød-10 vendig for de mest almindelige fasedetekterende kredsløb.

Der kan imidlertid også tænkes fasedetekterende kredsløb, som ikke forudsætter en separat lavpasfiltrering af det eksemplerede signal.

Ved hjælp af det på fig. 2 viste kredsløb kan i princippet 15 alle repetitionsfrekvenser f komme på tale, men dette forudsætter, at den regulerbare oscillator 3 er et relativt kostbart frekvenssyntetiserende netværk med et bredt frekvensområde, og at frekvensen for oscillatoren 6 kan varieres for at opnå optimal drift ved alle repe-20 titionsfrekvenser. En anden generel forudsætning for kredsløbets funktion er, at repetitionsfrekvensen f er meget præcis, idet den skal være fasestabil af hensyn til eksempleringen og være frekvensstabil med en variation, som er noget mindre end frekvensen for oscillatoren 6, 25 for.at det fasedetekterende kredsløb 4 kan låse eksemple- ringsfrekvensen f fast. y s

Opfindelsen er specielt hensigtsmæssig i forbindelse med måling af dispersion i optiske fibre, hvor der til langt de fleste målinger kan benyttes en fast repetitions-30 frekvens, som relativt let kan frembringes således, at den opfylder de ovennævnte krav. Derved kan det på fig. 2 viste kredsløb også gøres mindre generelt og derfor billigere, f.eks. således som det er vist i modtageren på fig. 3B.

9

14856A

Fig. 3A og B viser henholdsvis en sender og en modtager for et anlæg til måling af dispersion gennem en optisk fiber 7. Senderen er indrettet til at sende korte lys-impulser (ca. 0,7 ns) ind i fiberen 7, og modtageren 5 er indrettet til at detektere fiberens impulssvar. For at få størst mulig målenejagtighed skal både den udsendte impuls og modtagerens impulssvar være korte sammenlignet med fiberens impulssvar, hvilket kræver en stor båndbredde i modtageren, som derved får en ringe følsomhed.

10 Ued hjælp af den på fig. 3B viste ud førelses form for modtageren ifølge opfindelsen kan der i forhold til kendte modtagere opnås en forbedring i signal/støj-for-holdet på ca. 25 dB.

Den på fig. 3A viste sender omfatter en stabil oscil- 15 lator 17, hvis frekvens f , som ved den viste udførelses- r form er 8 MHz, har en total frekvensusikkerhed, som er væsentligt mindre end ^f, som ved den viste udførelsesform er ca. 80 Hz. Oscillatoren 17 styrer en impuls-generator 18, som frembringer 0,7 ns brede strømimpulser 20 med en amplitude på 20-50 mA afhængig af den anvendte type laser 19. Ved hjælp af et forspændingskredsløb 20 forspændes laseren 19 således, at spidsniveauet af de optiske impulser er konstant. Lysimpulserne overføres til den optiske fiber 7, for hvilken dispersionen skal 25 måles, via en modescrambler 21 og et koblingsorgan 22.

Modescrambleren er, ligesom de tidligere nævnte komponenter i senderen, i og for sig kendt og er tilstrækkelig til at sikre reproducerbare målinger på lange fiberlængder. Ved målinger på korte længder og ved målinger, 30 hvor der kræves ekstrem reproducerbarhed, kan yderligere indkoblingsarrangementer være nødvendige.

I modtageren 3B er den optiske fiber 7 via et koblingsorgan 23 koblet til en avalance fotodetektor 24, som er forbundet dels til et forspændingskredsløb 25 og 148564 ίο et indgangskredsløb 26. Indgangskredsløbet 26 er opbygget som et kendt indgangs-trin og indeholder endvidere automatisk forstærkningsregulering, således at modtageren ikke overstyres. Idet der foreløbigt ses bort fra impuls-5 formekredsløb 27 og 28, vil de øvrige komponenter i modtageren 11-16 i princippet kunne jævnføres med komponenterne 1-6 fra fig. 2. Modtageren omfatter således en eksempleringsenhed 11, en impulsgenerator 12, en styret oscillator 13, et fasedetekterende kredsløb 14, 10 et filter 15 og et kredsløb 16 til frembringelse af frekvensen Af. Da den på fig. 3B viste modtager er indrettet til at modtage ved en fast repetitionsfrekvens f , er der ikke behov for den på fig. 2 viste lokaloscillator 6. Frekvensen Af frembringes ved frekvens-15 deling af oscillatoren 13's udgangssignal, idet kredsløbet 16 er indrettet til at dele frekvensen i forholdet f / Af. På grund af den konstante repetitionsfrekvens f kan oscillatoren 13 være en sædvanlig, styret oscillator med et relativt lille afstemningsområde, hvor 20 frekvensen f er styret af udgangssignalet fra det fase-

S

detekterende kredsløb 14, således som det blev forklaret i forbindelse med fig. 2.

Ved hjælp af den på fig. 3B viste modtager undgås de trigge-problemer, som kendes fra samplingsoscilloskoper, 25 og som hidrører fra det dårlige signal/støj-forhold i indgangskredsløbet 26. Som følge af at eksemplerings-frekvensen er låst ved hjælp af udgangssignalet, hvor signal/støj-forholdet er stort, kan modtageren fungere med et så ringe signal/støj-forhold i indgangskredsløbet 30 26, at der i senderen (fig. 3A) kan benyttes en laveffekt- laser 19 af samme type, som normalt benyttes i telekommunikationssystemer. Ved hjælp af modtageren ifølge opfindelsen kan der derfor måles netop de parametre, som er relevante under sædvanlig telekommunikationsanvendelse 35 af den optiske fiber 7. Eksempleringsfrekvensen i den 11 14856Λ på fig. 3B viste modtager kan endvidere uden større vanskeligheder være så høj som 100 MHz, således at der kan tages en eksemplering i hver impulsrepetitionsperiode. Impulsrepetitionsfrekvensen er ved den foretrukne 5 udførelsesform valgt til 8 MHz, hvilket er et hensigts massigt kompromis mellem, at en høj frekvens medfører, at der overføres mest mulig energi, og at frekvensen ikke er højere, end at impulssvarene fra den mest dispersive fiber, som skal måles, ikke overlapper indbyrdes.

10 En repetitionsfrekvens på 8 MHz medfører en afstand mellem sendeimpulserne svarende til 4 gange taktimpuls-perioden for et 34 Mb/s signal.

Indgangskredsløbet 26 er normalt konstrueret til at give det bedst mulige signal/støj-forhold, hvilket med-15 fører en forvrængning af impulserne, således at en mod- forvrængning er nødvendig. Ifølge opfindelsen opnås modforvrængningen ved hjælp af to impulsformekredsløb 27 og 28, som er anbragt på hver sin side af eksemple-ringsenheden 11, hvilke har vist sig at forbedre mulig-20 hederne for optimering af kompensationen til modvirkning af forvrængning fra indgangskredsløbet 26. Ved at benytte udgangssignalet fra impulsformekredsløbet 28 som indgangssignal til det fasedetekterende kredsløb 14, eventuelt yderligere filtreret i begrænseren 15, opnås, derfor en 25 yderligere forbedring af kredsløbets evne til at fastlåse eksempleringsfrekvensen i forhold til den høje repetitions-frekvens.

Da udgangssignalet fra kredsløbet 28 repræsenterer de modtagne impulser med en repetitionsfrekvens på Af, 30 som her er ca. 80 Hz, kan udgangssignalet direkte frem vises på et lavfrekvens realtidsoscilloskop. Udgangssignalet kan imidlertid også signalbehandles yderligere på i og for sig kendt måde, f.eks. ved hjælp af et fourier-transformationskredsløb. Generelt kan udgangs-

Claims (7)

148564 signalet overføres til en datamat for yderligere signalbehandling, lagring, udskrift m.v.

1. Fremgangsmåde ved forstemt eksemplering af en række 5 impulser med stabil, høj repetitionsfrekvens, f , som er modtaget af et støjgenererende detektorkredsløb, især til måling af impulsforbredning gennem en optisk fiber, hvis udgangsende er koblet til detektorens indgang, kendetegnet ved, at den forstemte frekvens 10 f , ved hvilken det modtagne signal eksempleres, er givet ved f = fr ± Af s - n hvor n er et helt tal og Af er flere størrelsesordener mindre end f , og at eksempleringssignalet frembringes ved hjælp af en impulsgenerator, hvis repetitionsfrekvens 15 er styret ved hjælp af et fasedetekterende kredsløb, som tilføres dels et referencesignal, der repræsenterer forskydningsfrekvensen Af, og dels et lavfrekvenssignal, som afledes af det modtagne og ved frekvensen f eksem-plerede signal, og som er tilstrækkeligt bredbåndet 20 til at indeholde i det væsentlige al informationen i detmodtagne signal.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det fasedetekterende kredsløbs referencesignal frembringes ved neddeling af impulsgeneratorens udgangs- 25 frekvens.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, k e n d e- tegnet ved, at f = f - Af, hvor Af er mellem 3 s r 10 og 100 Hz, fortrinsvis svarende til fem størrelsesordener mindre end f . s U8564

4. Modtager til udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav • 1 og omfattende en optisk modtager samt et filter til eksemplering og signalbehandling af en modtaget rakke af impulser med en stabil, høj repetitionsfrekvens, 5 f , hvilket filter omfatter et eksempleringskredsløb og omfatter et fasedetekterende styrekredsløb (4, 14), som er indrettet til ved fasesammenligning af et referencesignal, der repræsenterer en forskydningsfrekvens, £f, og et på en yderligere indgang modtaget signal, 10 at regulere en eksempleringsfrekvens f , kende- S tegnet ved, at der findes en impulsgenerator (2, 13), som er styret af nævnte styrekredsløb (4, 14) således, at f = fr * Af , n hvor n er et helt tal, og at styrekredsløbets yderligere 15 indgang er forbundet til eksempleringskredsløbets udgang via et lavpasfilter (5, 15).

5. Modtager ifølge krav 4, kendetegnet ved, at der findes et frekvensdelekredsløb (16) med et dele-f orhold f _s_ , Af 20 hvilket kredsløb er forbundet mellem den styrede impulsgenerators (13) udgang og det fasedetekterende styrekredsløbs referenceindgang.

6. Modtager ifølge krav 4, kendetegnet ved, at n er mindre end 10.

7. Modtager ifølge krav 4, og hvor der findes impuls- formekredsløb til modvirkning af forvrængning i den