KR101053057B1 - In-service monitoring method and apparatus for optical transmission system - Google Patents

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조근영
정윤철
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한국과학기술원
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Abstract

광통신 시스템에서는, 데이터로 변조된 광신호가 광 송신기로부터 광섬유 전송 링크를 통해 전송된다. 본 발명은 광신호에 중첩된 의사랜덤잡음 신호를 이용한 상관 감지에 기초하여 광섬유 전송 링크를 따라서 분사도 분포를 측정하여 광 전송 시스템의 인서비스(in-service) 모니터링을 하는 방법 및 장치를 제공한다.In an optical communication system, an optical signal modulated with data is transmitted from an optical transmitter via an optical fiber transmission link. The present invention provides a method and apparatus for performing in-service monitoring of an optical transmission system by measuring a spraying distribution along an optical fiber transmission link based on correlation detection using a pseudorandom noise signal superimposed on the optical signal. .

Description

광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 방법 및 장치 {In-service monitoring method and apparatus of optical transmission systems}In-service monitoring method and apparatus of optical transmission systems

본 발명은 광섬유 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 광 전송 시스템의 인서비스(in-service) 모니터링을 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a fiber optic communication system, and more particularly to a method and apparatus for in-service monitoring of an optical transmission system.

광섬유 전송 링크를 따라 나타나는 후방 반사광의 분포는 외부 플랜트에서의 문제점을 식별함에 있어서 중요한 파라미터가 된다. 이러한 문제점 식별 목적을 위해, OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer)이 이 분포를 측정하도록 널리 이용되고 있다. OTDR에 기반을 둔 측정을 행함에 있어서, 짧은 광 펄스를 광섬유 전송 링크로 넣고, lidar(light detection and ranging) 시스템과 마찬가지로 시간의 함수로 반사 신호를 측정하게 된다. 현대적인 OTDR은 전송 링크의 특정화에 필요한 충분한 공간 해상도와 다이나믹 레인지(dynamic range)를 제공할 수 있다. 따라서, 다양한 종류의 광섬유 전송 시스템에 대한 인서비스(in-service)의 모니터링에 있어서 OTDR을 활용하기 위한 많은 노력이 이루어져 오고 있다. 이러한 기술들에서는, 서비스 중인 다른 신호 채널들을 방해하지 않도록 전송 신호의 파장과는 다른 파장으로 감시채널이 OTDR 펄스용으로 사용된다. 그러나, OTDR에 기반을 둔 이러한 기술을 PON 시스템에 적용하는 것은 간단하지 않다. 이 이유는 모든 ONU(Optical Network Unit)에서 OTDR 펄스를 막기 위해서는 추가적인 광학 필터가 요구되어 비용 문제를 야기시킬 수 있기 때문이다. 또한, 강한 OTDR 펄스가 라만 산란을 통해 서비스 중인 채널들의 성능에 나쁜 영향을 줄 수도 있다.The distribution of back reflected light along the optical fiber transmission link is an important parameter in identifying problems in external plants. For this problem identification purpose, Optical Time-Domain Reflectometers (OTDRs) are widely used to measure this distribution. In making OTDR-based measurements, short light pulses are introduced into the optical fiber transmission link and, like lidar (light detection and ranging) systems, the reflected signal is measured as a function of time. Modern OTDR can provide enough spatial resolution and dynamic range for the characterization of the transmission link. Accordingly, many efforts have been made to utilize OTDR in monitoring in-service for various types of optical fiber transmission systems. In these techniques, the supervisory channel is used for OTDR pulses at a wavelength different from that of the transmitted signal so as not to interfere with other signal channels in service. However, applying this technique based on OTDR to PON systems is not straightforward. This is because additional optical filters are required to block OTDR pulses in all optical network units (ONUs), which can cause cost problems. In addition, strong OTDR pulses may adversely affect the performance of the channels being served via Raman scattering.

전송 링크에 위치시킨 WDM 다중화기 및/또는 역다중화기를 이용하여 구현된 WDM 네트워크에서 종래의 OTDR을 사용하면 문제가 더 심각해진다. 예를 들어, 원격 노드에서 AWG(Arrayed-Waveguide Grating)를 사용하여 구현된 WDM PON(Passive Optical Networks)에서는, 이 기술로 드롭 광섬유(drop fiber)(원격 노드와 각 가입자를 연결하는 역할을 함)의 장애를 모니터링할 수 없는데, 그 이유는 OTDR 펄스가 원격 노드에서 막히기 때문이다. 원격 노드에서 AWG를 우회하하기 위해 추가적인 커플러들을 설치하거나, 가변 OTDR을 사용하거나, 대응되는 WDM 송신기를 사용하여 특정 드롭 광섬유에 대해 OTDR 펄스를 생성시키는 등의 몇몇 기술로 이 문제를 해결하려는 제안이 이루어졌다. 그러나, 이러한 모든 기술에서는, 드롭 광섬유의 상태를 모니터링하는 도중에 해당 WDM 채널의 서비스를 종료시켜야 한다는 점이 문제시 된다.The problem becomes more serious when using conventional OTDR in a WDM network implemented using WDM multiplexer and / or demultiplexer located on the transport link. For example, in WDM Passive Optical Networks (PON) implemented using Arrayed-Waveguide Grating (AWG) at remote nodes, this technology uses drop fiber (which serves to connect the remote node to each subscriber). Can not be monitored because the OTDR pulse is blocked at the remote node. Some proposals have been made to address this issue by installing additional couplers to bypass the AWG at the remote node, using variable OTDR, or generating a OTDR pulse for a specific drop fiber using a corresponding WDM transmitter. Was done. However, in all these techniques, the problem is that the service of the corresponding WDM channel must be terminated while monitoring the state of the drop fiber.

위의 문제에 대처하기 위한 한 가지 방법은 OTDR 펄스를 사용하는 대신 광학 프로브(optical probe)로서 광신호 자체를 사용하는 것이다. 디지털 전송에서, 각각의 '1' 비트는 본질적으로 작은 OTDR 펄스이다. 반사 신호는, 지나간 왕복시간에 보내어진 모든 비트들로부터 반사된 것들의 시간 지연 중첩인 것이다. 따라서, 데이터 신호와 후방 반사된 신호 사이의 상관관계를 계산함으로써, 반사 지점을 찾을 수 있다. 이러한 아이디어는 이미 선행기술에서 논의된 바 있다. 그 중 하나에서는 이러한 방법이 고속 데이터 통신으로 작동되는 시스템에는 매우 적용하기 어렵다고 지적하고 있는데, 그 이유는 대용량 고속 메모리 및 극단적으로 빠른 상관기(correlator)가 필요하기 때문이다. 또한, 이 방법은 다이나믹 레인지(dynamic range)에 대한 심각한 제한을 가지고 있다는 점도 종래기술이 지적하고 있다. 이 방법에서는, 광 신호의 자기 상관함수(autocorrelation function)가 델타 함수 같은 형태를 가지는 것이 바람직하다. 그러나, 광신호는 전송 데이터와 함께 단순 변조되기 때문에, 그의 자기 상관함수는 큰 배경잡음을 동반하게 된다. 이러한 배경 잡음은 반사측정(reflectometry)의 다이나믹 레인지에 대해 치명적인 한계를 가져온다. 유한한 데이터 길이 때문에 생기는 배경 잡음을 억제하기 위해서, 종래기술에서는 이산 성분 소거 알고리즘(discrete component elimination algorithm)을 제안했는데, 이는 이산 반사 지점에 동반되는 배경 잡음을 추정하고 이를 재귀적으로 줄여나가는 것이다. 이 알고리즘에 의해 다이나믹 레인지가 어느 정도 개선되기는 하였지만, 광섬유에서의 레일리 후방산란(Rayleigh backscattering)을 감지하기에는 여전히 충분하지 않다.
One way to deal with the above problem is to use the optical signal itself as an optical probe instead of using OTDR pulses. In digital transmission, each '1' bit is essentially a small OTDR pulse. The reflected signal is a time delay overlap of those reflected from all bits sent in the past round trip time. Thus, by calculating the correlation between the data signal and the back reflected signal, the reflection point can be found. This idea has already been discussed in the prior art. One of them points out that this method is very difficult to apply to systems operating with high-speed data communications because of the need for large amounts of high-speed memory and extremely fast correlators. The prior art also points out that this method has severe limitations on the dynamic range. In this method, it is preferable that the autocorrelation function of the optical signal has a form such as a delta function. However, since the optical signal is simply modulated with the transmission data, its autocorrelation function is accompanied by large background noise. This background noise introduces a lethal limitation on the dynamic range of reflectometry. In order to suppress background noise caused by finite data length, the prior art proposed a discrete component elimination algorithm, which estimates the background noise accompanying discrete reflection points and reduces it recursively. Although the dynamic range is somewhat improved by this algorithm, it is still not enough to detect Rayleigh backscattering in optical fibers.

광통신 시스템의 신뢰성 있는 작동을 위해, 광섬유 손실의 증가, 광섬유 파단 및 연결 불량 등의 광섬유 전송 링크에서의 문제를 확인하는 것은 매우 중요하다. 따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 추가적인 광신호 소스를 이용하지 않고, 단지 데이터 전송용 광신호 소스만을 이용하여, 광섬유 전송 링크를 모니터링하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 이렇게 하면, 광신호 자체를 프로브 광으로 이용하므로, 본 발명에 의한 모니터링은 전송 서비스를 중단하지 않고도 행해질 수 있고, 결과적으로 인서비스(in-service) 모니터링이 가능하기 때문이다.For reliable operation of optical communication systems, it is very important to identify problems in optical fiber transmission links such as increased fiber loss, fiber breaks and poor connections. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method and apparatus for monitoring an optical fiber transmission link using only an optical signal source for data transmission, without using an additional optical signal source. In this case, since the optical signal itself is used as the probe light, the monitoring according to the present invention can be performed without interrupting the transmission service, and as a result, in-service monitoring is possible.

본 발명은 점대점 시스템(point-to-point system)에 적용되는데, 이 시스템에서는 광 송신기에서 나오는 광신호가 지정된 광 수신기로 전송된다. 또한, 본 발명은 PONs(passive optical networks)와 같이 점대다중점 네트워크에도 적용되는데, 여기서는 광 송신기에서 나오는 광신호가 분기되어 많은 가입자에게 분산된다.
The present invention applies to a point-to-point system in which an optical signal from an optical transmitter is transmitted to a designated optical receiver. The invention also applies to point-to-multipoint networks, such as passive optical networks (PONs), where the optical signal from the optical transmitter is branched and distributed to many subscribers.

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 기술적 과제는 서비스 도중에 반사도의 분포를 더욱 현실적인 방법으로 모니터링하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.As mentioned above, the technical problem of the present invention is to provide a method and apparatus for monitoring the distribution of reflectivity in a more realistic way during service.

종래의 OTDR과는 달리, 제안된 기술은 짧은 펄스의 소스를 전혀 필요로 하지 않으며, 단지 데이터 변조된 광 송신기 자체를 이용한다. 상관 감지(correlation detection)를 활용하기 위해서, 광신호에 의사랜덤잡음(pseudo-random-noise; PN) 신호를 중첩시켜서 광신호의 진폭을 PN 신호로 약하게 변조시킨다. 광 전송 시스템을 따라서 나타나는 반사도의 분포는 PN 신호와 후방 반사된 신호 사이의 교차 상관 함수를 계산함으로써 얻어진다. 종래기술에서 제안한 방법과는 달리, 본 발명에서는 M-시퀀스(maximum-length sequences) 등의 우수한 교차 상관 특성을 가지는 PN신호들을 이용할 수 있는데, 이는 낮은 배경 잡음 수준을 가지는 델타 함수 같은 형태를 띤다. 따라서, 다이나믹 레인지를 획기적으로 향상시킬 수 있다. 그 결과, 교차 상관 감지에 기반을 두고 종래에 제안된 반사율 측정계를 사용하면서 발생하는 문제점을 해결될 수 있다.Unlike conventional OTDR, the proposed technique requires no source of short pulses at all, and only uses the data modulated optical transmitter itself. In order to utilize correlation detection, a pseudo-random-noise (PN) signal is superimposed on the optical signal to weakly modulate the amplitude of the optical signal into the PN signal. The distribution of reflectance along the light transmission system is obtained by calculating the cross correlation function between the PN signal and the back reflected signal. Unlike the method proposed in the related art, the present invention can use PN signals having excellent cross-correlation characteristics such as M-sequences (maximum-length sequences), which are shaped like delta functions having low background noise levels. Therefore, the dynamic range can be significantly improved. As a result, it is possible to solve the problem that occurs while using the conventional reflectance measuring system based on cross correlation detection.

본 발명에 제안된 기술은 데이터에 PN 신호를 중첩시키는 약간의 변경을 통해 기존의 광 송신기를 활용할 수 있다. 또한, 서비스 도중에 이루어지는 모니터링이 감시 파장에서가 아닌 신호 파장에서 실현될 수 있다. 따라서, 종래기술의 OTDR을 이용함에 따른 문제점이 해결될 수 있다.
The technique proposed in the present invention can utilize an existing optical transmitter with a slight change in superimposing a PN signal on the data. In addition, monitoring made during service can be realized at the signal wavelength and not at the monitoring wavelength. Therefore, the problem of using the OTDR of the prior art can be solved.

본 발명에 따르면, 광신호 자체를 프로브 광으로 이용하여 서비스 중에 광섬유 장애를 모니터링할 수 있다. 따라서, 다른 가입자들에게 서비스를 제공하는 도중에도 시스템 장애를 진단하는 것이 가능하다. 따라서, 서비스 종료를 사전에 행하고 장애 진단을 해야 하는 일부 종래기술에 비해 본 발명은 월등한 효과를 나타낸다.According to the present invention, an optical signal itself can be used as probe light to monitor an optical fiber failure during service. Thus, it is possible to diagnose a system failure even while providing services to other subscribers. Accordingly, the present invention has a superior effect compared to some prior arts in which service termination must be performed in advance and fault diagnosis must be performed.

또한, 본 발명에서는 프로브 광의 소스로서 광 송신기를 그대로 활용하므로 별도의 레이저 다이오드 등이 불필요하다. 따라서, 추가적으로 가변 레이저 소스를 갖춰야 하는 일부 종래기술에 비해서 본 발명은 장치의 구성이 간단해진다.In addition, in the present invention, since the optical transmitter is used as a source of probe light, a separate laser diode is not required. Thus, the present invention simplifies the construction of the device as compared to some prior art which must additionally have a variable laser source.

본 발명에서는 중첩된 PN 신호를 활용하므로, 임의의 종류의 PN 신호를 이용할 수 있다. 결과적으로, M-시퀀스와 같이 훌륭한 상관 특성을 갖는 PN 신호를 선택함으로써 다이나믹 레인지와 측정 정확도를 개선할 수 있다.
In the present invention, since the superimposed PN signal is used, any kind of PN signal can be used. As a result, it is possible to improve dynamic range and measurement accuracy by selecting PN signals with good correlation characteristics, such as M-sequences.

도 1은 본 발명의 방법을 나타내는 블록도이다. 광신호는 데이터 신호와 PN 신호로 변조되어 광섬유 전송 링크로 들어간다. 후방 반사되는 신호와 PN 신호는 A/D 컨버터를 이용하여 얻어지며, 그 다음 교차 상관 함수를 계산하도록 신호처리된다.
도 2는 본 발명에서 이용된 신호들의 파형을 나타낸 것이다. 도 2의 (a)는 데이터 신호, (b)는 PN 신호, 그리고 (c)는 광 전송기로부터 생성된 광신호를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 방법을 나타내는 블록도로서, 여기에서는 상관 감지를 위한 기준 신호(reference signal)가 광 전송기의 출력을 이용하여 얻어진다. 광신호는 데이터 신호와 PN 신호로 변조되어 광섬유 전송 링크로 들어간다. 기준 신호는 광 방향성 결합기-1을 이용하여 광 전송기의 출력으로부터 얻어진다. 전송 링크로부터 후방 반사된 광은 광 방향성 결합기-2를 이용하여 빼내어진다. 후방 반사 신호 및 기준신호는 A/D 컨버터를 이용하여 얻어지며, 그 다음 교차 상관 함수를 계산하도록 신호처리된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 방법을 나타내는 블록도로서, 여기에서는 도 3에서의 두 개의 광 결합기가 하나의 광 결합기로 통합되어 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 구성도를 나타낸 것이다.
도 6은 제1 실시예에서 얻어진 광 전송기의 출력에 대한 아이 다이어그램(eye diagram)을 나타낸 것이다.
도 7은 제1 실시예에서 측정된 비트 에러율(bit-error rate) 성능을 나타낸 것이다. 도 7에서 사각형과 원형은 중첩된 PN 신호가 있는 경우와 없는 경우의 결과를 각각 나타낸다.
도 8은 제1 실시예에서 얻어진 측정 결과를 나타낸 것이다. 점선은 등화(equalization) 없이 얻어진 교차 상관 트레이스(trace)를 나타낸다. 실선은 FIR 등화기를 교차 상관 트레이스에 적용하여 얻어진 교차 상관 트레이스를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예의 구성도를 나타낸 것이다. 여기서 본 발명은 도 1에 도시된 방법을 이용하여 구현된다.
도 10은 제2 실시예에서 얻어진 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 제3 실시예의 구성을 나타낸 것으로서, 여기서는 본 발명이 PON 시스템에 적용된다. PON 시스템에서, 4개의 ONU인 A, B, C 및 D가 서로 다른 길이의 드롭 광섬유(drop fiber)를 통해서 원격노드(remote node; RN)와 연결된다. 광섬유 장애를 모사하기 위해, ONU C에 대한 드롭 광섬유는 C’ 지점에서 절단된다.
도 12는 제3 실시예에서 얻어진 측정 결과를 나타낸 것이다. 실선은 ONU C의 드롭 광섬유를 절단하기 전에 측정된 교차 상관을 나타낸다. 점선은 C’ 지점에서 ONU C의 드롭 광섬유를 절단한 후에 측정된 교차 상관을 나타낸다.
도 13은 제4 실시예의 구성을 나타낸 것으로서, 여기서는 본 발명이 원격 노드에서 AWG(arrayed-waveguide grating)를 이용하는 WDM PON에 적용된다.
도 14는 제4 실시예에서 얻어진 측정 결과를 나타낸다.
1 is a block diagram illustrating the method of the present invention. The optical signal is modulated into a data signal and a PN signal to enter the optical fiber transmission link. The back reflected signal and the PN signal are obtained using an A / D converter and then signaled to calculate the cross correlation function.
Figure 2 shows the waveform of the signals used in the present invention. (A) of FIG. 2 shows a data signal, (b) shows a PN signal, and (c) shows an optical signal generated from an optical transmitter.
3 is a block diagram illustrating another method of the present invention, wherein a reference signal for correlation detection is obtained using the output of an optical transmitter. The optical signal is modulated into a data signal and a PN signal to enter the optical fiber transmission link. The reference signal is obtained from the output of the optical transmitter using optical directional coupler-1. The light reflected back from the transmission link is extracted using light directional coupler-2. The back reflection signal and the reference signal are obtained using an A / D converter and then signaled to calculate the cross correlation function.
4 is a block diagram illustrating another method of the present invention, in which two optical couplers in FIG. 3 are integrated into one optical coupler.
5 shows a configuration diagram of a first embodiment of the present invention.
6 shows an eye diagram of the output of the optical transmitter obtained in the first embodiment.
FIG. 7 shows the bit error rate performance measured in the first embodiment. In FIG. 7, the rectangles and circles represent the results with and without the overlapping PN signals.
8 shows the measurement results obtained in the first example. Dotted lines represent cross correlation traces obtained without equalization. The solid line represents the cross correlation trace obtained by applying the FIR equalizer to the cross correlation trace.
9 shows a block diagram of a second embodiment of the present invention. The present invention is here implemented using the method shown in FIG.
10 shows the measurement results obtained in the second example.
Fig. 11 shows the construction of the third embodiment, in which the present invention is applied to a PON system. In a PON system, four ONUs, A, B, C and D, are connected to a remote node (RN) via drop fibers of different lengths. To simulate fiber failure, the drop fiber for ONU C is cut at point C '.
12 shows the measurement results obtained in the third example. The solid line represents the cross correlation measured before cutting the drop fiber of ONU C. The dashed line represents the cross correlation measured after cutting the drop fiber of ONU C at point C '.
13 shows the configuration of the fourth embodiment, where the present invention is applied to a WDM PON using an arrayed-waveguide grating (AWG) at a remote node.
14 shows the measurement results obtained in the fourth example.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following examples are only presented to understand the content of the present invention, and those skilled in the art will be capable of many modifications within the technical spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as limited to these examples.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서서 우선 본 발명의 구성 및 전체 작동에 대해 아래에 설명한다.Prior to describing the preferred embodiment of the present invention, the configuration and overall operation of the present invention will be described below.

[본 발명의 작동 원리에 대한 상세 설명]Detailed description of the working principle of the present invention

도 1은 본 발명을 이용하여 구현되는 광 송신 시스템의 개략적 구성도이다. 광 송신기(110)는 비트 전송속도(bit-rate) B로 데이터 소스(102)에서 나오는 이진 데이터 신호로 구동되어 광신호를 생성한다. 또한, 상관 감지를 위하여, PN-신호 생성기(104)를 이용하여 생성된 PN신호가 데이터 신호에 더해지는데, 이 PN 신호는 광신호에 중첩되게 된다. PN 신호의 칩 속도(chip rate)는 C로 표시한다. (이하에서, 데이터 신호와 PN 신호를 구분하기 위해, PN 신호 1비트를 칩(chip)으로 표시한다.) 원리상, 어떤 종류의 PN 신호라도 본 발명의 방법에 이용될 수 있다. 그러나, 우수한 자기 상관 특성을 갖는 유한 길이의 PN 신호가 적합하다. 이 방법에 잘 맞는 PN 신호의 일 예가 M-시퀀스이다. PN 신호의 다른 예는 Gold 시퀀스이다.1 is a schematic structural diagram of an optical transmission system implemented using the present invention. The optical transmitter 110 is driven with a binary data signal from the data source 102 at a bit rate B to generate an optical signal. Also, for correlation detection, the PN signal generated using the PN-signal generator 104 is added to the data signal, which is superimposed on the optical signal. The chip rate of the PN signal is represented by C. (Hereinafter, one bit of the PN signal is represented by a chip to distinguish the data signal from the PN signal.) In principle, any kind of PN signal can be used in the method of the present invention. However, a finite length PN signal with good autocorrelation properties is suitable. An example of a PN signal that fits this method well is the M-sequence. Another example of a PN signal is the Gold sequence.

도 2의 (a), (b) 및 (c)는 데이터 신호 D(t), PN 신호 P(t), 그리고 광송신기에서 생성된 광신호 S(t)를 각각 나타내는 개략적 다이어그램이다. 광신호에서, PN 신호는 데이터 신호에 중첩되는데, PN 신호의 변조 진폭은 데이터 전송을 방해하지 않도록 데이터 신호의 진폭에 비해 작도록 설정된다. 그 다음, 광신호가 광섬유 전송 링크(120) 내로 들어간다. 후방 반사된 신호를 감지하기 위해, 광 방향성 결합기(optical directional coupler; 130)가 광 전송기(110)와 광섬유 전송 링크(120)의 사이에 삽입된다. (이 광 방향성 결합기(130)는 광 서큘레이터(optical circulator)와 같은 다른 광학 소자로 대체될 수 있다.) 이 후방 반사된 신호는 광 검출기(photo detector; 140)에 의해 검출되어 전기신호

Figure 112010007200813-pat00001
로 변환된다. 그 다음, 이 감지된 후방 반사 신호가 A/D 컨버터(150)를 이용하여 얻어진다. 마지막으로, 신호 처리 유닛(200)에서 교차 상관 함수에 기반을 둔 신호 처리에 의해 반사측정 기록이 얻어진다.(A), (b) and (c) of FIG. 2 are schematic diagrams showing the data signal D (t), the PN signal P (t), and the optical signal S (t) generated by the optical transmitter, respectively. In the optical signal, the PN signal is superimposed on the data signal, where the modulation amplitude of the PN signal is set to be small compared to the amplitude of the data signal so as not to disturb the data transmission. The optical signal then enters the optical fiber transmission link 120. To sense the back reflected signal, an optical directional coupler 130 is inserted between the optical transmitter 110 and the optical fiber transmission link 120. (This optical directional coupler 130 may be replaced by another optical element such as an optical circulator.) This back reflected signal is detected by a photo detector 140 to produce an electrical signal.
Figure 112010007200813-pat00001
Is converted to. This sensed back reflected signal is then obtained using A / D converter 150. Finally, the reflection measurement record is obtained by signal processing based on the cross correlation function in the signal processing unit 200.

신호처리 순서를 자세히 설명하면 다음과 같다. 작동 원리는 연속파 랜덤 lidar의 작동원리와 유사하다. 이 작동원리를 설명하기 위해, 길이가 m=2n-1인 M-시퀀스가 PN 신호로 이용되는 경우를 먼저 생각한다 (여기서 n은 2보다 큰 정수이다). The signal processing sequence is explained in detail as follows. The principle of operation is similar to that of continuous wave random lidar. To illustrate this principle, consider first the case where an M-sequence of length m = 2 n −1 is used as the PN signal (where n is an integer greater than 2).

만약 길이 m의 M 시퀀스를 pk로 나타낸다면(여기서 pk는 +1이나 -1의 값을 가지며, k는

Figure 112010007200813-pat00002
를 만족하는 정수이다), pk의 자기 상관 함수는 다음 수학식 1을 만족한다.If you represent an M sequence of length m as p k (where p k has a value of +1 or -1, k is
Figure 112010007200813-pat00002
), The autocorrelation function of p k satisfies Equation 1 below.

Figure 112010007200813-pat00003
Figure 112010007200813-pat00003

여기서, mod는 모듈러스 함수(modulus function)를 나타내며, pk는 pk=pk+m로서 주기적으로 정의된다. 수학식 1을 참조하면, 길이 m이 증가할수록, 자기 상관함수는 델타 함수로 접근함을 알 수 있다. pk를 이용함으로써, PN 신호 P(t)는 수학식 2와 같이 표시될 수 있다.Here, mod denotes a modulus function, and p k is periodically defined as p k = p k + m . Referring to Equation 1, as the length m increases, the autocorrelation function approaches the delta function. By using p k , the PN signal P (t) can be expressed as in Equation 2 below.

Figure 112010007200813-pat00004
Figure 112010007200813-pat00004

여기서, u(t)는, -1/2<t<1/2에서는 u(t)=1이며, 다른 영역에서는 u(t)=0으로 정의되는 단위 사각파 함수(unit rectangular function)이다. 여기서 P(t)가 주기함수라는 점, 즉 P(t)=P(t+m/C)을 만족한다는 것에 유의하여야 한다. 또한, 데이터 신호 D(t)는 수학식 3과 같이 표현된다. Here, u (t) is a unit rectangular function defined by u (t) = 1 in -1/2 <t <1/2 and u (t) = 0 in another region. It should be noted that P (t) satisfies that the periodic function, that is, P (t) = P (t + m / C). In addition, the data signal D (t) is expressed as in Equation (3).

Figure 112010007200813-pat00005
Figure 112010007200813-pat00005

여기서, dk는 {-1, +1}의 값을 갖는 이진 데이터이다. Here, d k is binary data having a value of {-1, +1}.

광신호 S(t)는 D(t)와 P(t)를 이용하여 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.The optical signal S (t) may be expressed by Equation 4 using D (t) and P (t).

Figure 112010007200813-pat00006
Figure 112010007200813-pat00006

여기서, qD0는 dc 레벨, qD 와 qP는 각각 데이터 신호 성분 및 PN 신호 성분의 진폭이다. 만약 왕복손실을 포함하는 반사도 분포를 R(z)으로 표시하면 (여기서, z은 광 송신기로부터의 거리임), 송신기 쪽으로 후방 반사된 신호의 파워는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.Where q D0 is the dc level, q D and q P are the amplitudes of the data signal component and the PN signal component, respectively. If the reflectivity distribution including the round trip loss is represented by R (z) (where z is the distance from the optical transmitter), the power of the signal reflected back toward the transmitter can be expressed as Equation (5).

Figure 112010007200813-pat00007
Figure 112010007200813-pat00007

여기서

Figure 112010007200813-pat00008
는 컨볼루션(convolution) 연산을 나타내며, vc 는 광섬유 내에서의 광의 군속도이다. 이어서, 이 후방 반사된 광은 광 검출기(photo detector; 140)에 의해 검출된다. 검출 후의 신호 전압
Figure 112010007200813-pat00009
은 다음 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.here
Figure 112010007200813-pat00008
Denotes a convolution operation, and v c is the group velocity of light in the optical fiber. This back reflected light is then detected by a photo detector 140. Signal voltage after detection
Figure 112010007200813-pat00009
May be expressed as Equation 6 below.

Figure 112010007200813-pat00010
Figure 112010007200813-pat00010

여기서

Figure 112010007200813-pat00011
는 광 검출기의 변환효율이다.here
Figure 112010007200813-pat00011
Is the conversion efficiency of the photo detector.

교차 상관 계산을 위해서, PN 신호는 기준 신호로 이용된다.

Figure 112010007200813-pat00012
와 P(t) 사이의 교차 상관 함수
Figure 112010007200813-pat00013
는 수학식 7과 같이 주어진다.For cross correlation calculation, the PN signal is used as the reference signal.
Figure 112010007200813-pat00012
Cross-correlation function between and P (t)
Figure 112010007200813-pat00013
Is given by equation (7).

Figure 112010007200813-pat00014
Figure 112010007200813-pat00014

여기서, < >는 앙상블 평균(ensemble average)을 나타내며, w0는 dc 오프셋이다.Here, <> represents an ensemble average and w 0 is a dc offset.

데이터 신호와 PN 신호가 서로 상관되지 않으므로, 우변의 두번째 항은 무시된다. 또한, dc 오프셋은 dc 커트(dc-cut)에 의해 제거된다. 따라서, 수학식 7은 수학식 8과 같이 쓸 수 있다.Since the data signal and the PN signal are not correlated with each other, the second term on the right side is ignored. In addition, the dc offset is removed by dc-cut. Therefore, Equation 7 may be written as Equation 8.

Figure 112010007200813-pat00015
Figure 112010007200813-pat00015

여기서

Figure 112010007200813-pat00016
는 P(t)의 자기 상관 함수로서,
Figure 112010007200813-pat00017
에 대해서는
Figure 112010007200813-pat00018
의 값을,
Figure 112010007200813-pat00019
에 대해서는
Figure 112010007200813-pat00020
의 값을 갖는다.
Figure 112010007200813-pat00021
Figure 112010007200813-pat00022
같은 델타 함수를 이용하여 잘 근사화될 수 있기 때문에, 수학식 3은
Figure 112010007200813-pat00023
로 표시될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 반사도 분포는
Figure 112010007200813-pat00024
같은 교차 상관 함수
Figure 112010007200813-pat00025
를 이용하여 추출해 낼 수 있다.here
Figure 112010007200813-pat00016
Is the autocorrelation function of P (t),
Figure 112010007200813-pat00017
About
Figure 112010007200813-pat00018
The value of,
Figure 112010007200813-pat00019
About
Figure 112010007200813-pat00020
Has the value of.
Figure 112010007200813-pat00021
Is
Figure 112010007200813-pat00022
Since it can be well approximated using the same delta function,
Figure 112010007200813-pat00023
It may be represented as. In this way, the reflectivity distribution is
Figure 112010007200813-pat00024
Same cross correlation function
Figure 112010007200813-pat00025
Can be extracted using

P(t)가 주기성을 갖기 때문에, 앙상블 평균은 다음 수학식 9와 같이 m/C 의 유한 구간에서의 단순 적분으로 대체할 수 있다.Since P (t) has periodicity, the ensemble mean can be replaced by a simple integration in a finite interval of m / C as shown in Equation (9).

Figure 112010007200813-pat00026
Figure 112010007200813-pat00026

이 수학식을 이용함으로써, 샘플링되어야 할 데이터 길이는 극단적으로 줄일 수 있다. 실제로, 위의 신호처리는 디지털 신호처리를 이용하여 행해진다. 따라서, 모든 감지신호들은 이산시간(discrete time)의 함수

Figure 112010007200813-pat00027
로서, 여기서 j는 정수이며,
Figure 112010007200813-pat00028
는 A/D 컨버터의 샘플링 시간이다. 예를 들어서,
Figure 112010007200813-pat00029
는 각각
Figure 112010007200813-pat00030
로 표현되어야 한다. 이 경우, 수학식 9는 다음 수학식 10과 같이 이산시간으로 표시된다.By using this equation, the data length to be sampled can be extremely reduced. In fact, the above signal processing is performed using digital signal processing. Thus, all sensed signals are a function of discrete time
Figure 112010007200813-pat00027
Where j is an integer,
Figure 112010007200813-pat00028
Is the sampling time of the A / D converter. For example,
Figure 112010007200813-pat00029
Respectively
Figure 112010007200813-pat00030
Should be expressed as In this case, Equation 9 is expressed as discrete time as in Equation 10 below.

Figure 112010007200813-pat00031
Figure 112010007200813-pat00031

여기서

Figure 112010007200813-pat00032
이다. 따라서,
Figure 112010007200813-pat00033
를 얻고 수학식 10을 이용하여
Figure 112010007200813-pat00034
를 계산함으로써, 반사도의 분포는
Figure 112010007200813-pat00035
와 같이 얻어질 수 있는데, 여기서
Figure 112010007200813-pat00036
이다. 또한,
Figure 112010007200813-pat00037
가 주기적이기 때문에, 수학식 10의 계산은 FFT(fast Fourier transformation)를 이용하여 행해질 수 있다. 만약 FFT 및 inverse FFT의 연산자들을 각각 F 및 F- 1 로 표시한다면, 수학식 10에서의
Figure 112010007200813-pat00038
는 다음 수학식 11에 의해 얻어질 수 있다.here
Figure 112010007200813-pat00032
to be. therefore,
Figure 112010007200813-pat00033
And using Equation 10
Figure 112010007200813-pat00034
By calculating the distribution of reflectivity
Figure 112010007200813-pat00035
Can be obtained as
Figure 112010007200813-pat00036
to be. Also,
Figure 112010007200813-pat00037
Since is periodic, the calculation of equation (10) can be done using fast Fourier transformation (FFT). If the operators of FFT and inverse FFT are represented by F and F - 1 , respectively,
Figure 112010007200813-pat00038
Can be obtained by the following equation (11).

Figure 112010007200813-pat00039
Figure 112010007200813-pat00039

여기서 오버바(over-bar)는 복소 켤레(complex conjugate)를 표시한다. 수학식 11을 이용하면, 계산시간을 극적으로 줄일 수 있다. Here, the over-bar represents a complex conjugate. Using Equation 11, the calculation time can be dramatically reduced.

Figure 112010007200813-pat00040
가 고주파 영역에서의 데이터 신호를 포함하기 때문에,
Figure 112010007200813-pat00041
의 SNR은 감지 신호
Figure 112010007200813-pat00042
의 밴드폭을 제한함에 의해 개선될 수 있다. 따라서, 광 감지기 바로 다음 또는 A/D 변환 후에 디지털 신호 처리에서 저역 통과 필터링이 이용된다. 마찬가지로, 저역 통과 필터링이 PN 신호
Figure 112010007200813-pat00043
에 적용될 수 있다.
Figure 112010007200813-pat00040
Since contains a data signal in the high frequency region,
Figure 112010007200813-pat00041
SNR signal detection
Figure 112010007200813-pat00042
It can be improved by limiting the bandwidth of. Thus, low pass filtering is used in digital signal processing immediately after the light detector or after A / D conversion. Similarly, low pass filtering of this PN signal
Figure 112010007200813-pat00043
Can be applied to

측정된 반사도 분포의 SNR은, 도 1에 도시한 바와 같이, 교차 상관

Figure 112010007200813-pat00044
을 여러 번 측정하고 교차 상관기(160) 처리한 후에 이들을 평균화기/등화기(170)에서 처리함으로써 개선될 수 있다. 또한, 교차 상관을 적용하기 전에 평균화를 행함에 의해서도
Figure 112010007200813-pat00045
의 SNR을 개선하는데 있어서 효과적이다. 이러한 평균화 기법은 A/D 변환에서 야기된 양자화 잡음 및 광 감지기의 잡음과 같은 원하지 않는 잡음을 억제하는 데 효과적이다.The SNR of the measured reflectivity distribution is cross correlated, as shown in FIG. 1.
Figure 112010007200813-pat00044
Can be improved by measuring several times and processing the cross correlator 160 and then processing them in the averager / equalizer 170. Also, by averaging before applying cross correlation
Figure 112010007200813-pat00045
It is effective in improving the SNR. This averaging technique is effective in suppressing unwanted noise such as quantization noise and light detector noise caused by A / D conversion.

측정된 교차 상관 함수는 광 송신기(110) 및 광 감지기(140)의 불완전한 응답에 의해 왜곡될 수 있다. 그러나, 도 1에 도시한 바와 같이,

Figure 112010007200813-pat00046
또는
Figure 112010007200813-pat00047
에 등화기(equalizer; 170)를 적용함으로써 이를 쉽게 보상할 수 있다.The measured cross correlation function may be distorted by the incomplete response of the light transmitter 110 and the light detector 140. However, as shown in FIG. 1,
Figure 112010007200813-pat00046
or
Figure 112010007200813-pat00047
This can be easily compensated by applying an equalizer 170 to the.

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는데, 여기서는 상관 감지를 위한 기준 신호가 광 송신기(110)의 광 출력으로부터 얻어진다. 기준 신호를 얻는 방법을 제외하고, 그 구성은 도 1의 구성과 거의 같다. 광 송신기(110)는 비트 전송속도 B로 데이터 소스로에서 나온 이진 신호(binary signal)로 구동되어 광 신호를 생성한다. 또한, 상관 감지를 위해, 데이터 신호에 PN 신호를 중첩하여 광신호의 진폭이 칩 속도(chip rate) C로 PN 신호로 변조된다. 광신호에서, PN 신호는 데이터 신호에 중첩되며, PN 신호의 변조 진폭은, 데이터 전송을 방해하지 않도록, 데이터 신호의진폭에 비해 작도록 설정된다. 도 3에 도시된 장치의 구성을 참조하면, 광신호의 일부가 광 방향성 결합기-1에 의해 분기되어(tapped) 광 감지기(140')에 의해 감지된다. (이 광 방향성 결합기-1은 반투명 거울(half mirror)과 같은 다른 광소자로 대체할 수 있다.) 후방 반사된 신호를 감지하기 위해서, 광 송신기(110)와 광섬유 광 전송 링크(120) 사이에 광 방향성 결합기-2가 삽입된다. (이 광 방향성 결합기-2는 광 서큘레이터(optical circulator)와 같은 다른 광학 소자로 대체될 수 있다.) 광신호는 광섬유 전송 링크(120)로 들어가고, 동시에 후방 반사된 광이 광 감지기(140)에 의해 감지되어 전기 신호를 얻게 된다. 그 다음, 분기된 광신호 및 감지된 후방 반사 신호가 A/D 컨버터(150)를 이용하여 얻어진다. 최종적으로, 반사도의 분포가, 도 1에서 사용된 방법과 마찬가지 방법으로 교차 상관 연산에 의해 얻어진다. 만약, A/D 컨버젼 후의 분기된 광신호를

Figure 112010007200813-pat00048
로 표시한다면, 교차 상관은 다음 수학식을 이용하여 얻어질 수 있다.3 shows another embodiment of the present invention wherein a reference signal for correlation detection is obtained from the light output of the optical transmitter 110. Except for the method of obtaining the reference signal, the configuration is almost the same as that of FIG. The optical transmitter 110 is driven with a binary signal from the data source at bit rate B to generate an optical signal. Also, for correlation detection, the amplitude of the optical signal is modulated into the PN signal at chip rate C by superimposing the PN signal on the data signal. In the optical signal, the PN signal is superimposed on the data signal, and the modulation amplitude of the PN signal is set to be small compared to the amplitude of the data signal so as not to disturb the data transmission. Referring to the configuration of the device shown in FIG. 3, a portion of the optical signal is sensed by the light detector 140 ′ tapped by the light directional coupler-1. (This optical directional coupler-1 can be replaced by another optical element, such as a half mirror.) In order to detect the back reflected signal, optical light is transmitted between the optical transmitter 110 and the optical fiber optical transmission link 120. Directional coupler-2 is inserted. (This optical directional coupler-2 can be replaced by another optical element, such as an optical circulator.) The optical signal enters the optical fiber transmission link 120, and at the same time the back reflected light is transmitted to the optical detector 140. Is detected by an electrical signal. Then, the branched light signal and the sensed back reflection signal are obtained using the A / D converter 150. Finally, the distribution of reflectivity is obtained by cross correlation calculation in the same manner as the method used in FIG. If the branched optical signal after A / D conversion
Figure 112010007200813-pat00048
If expressed as, cross correlation can be obtained using the following equation.

Figure 112010007200813-pat00049
Figure 112010007200813-pat00049

Figure 112010007200813-pat00050
를 만족하므로, 반사도의 분포는
Figure 112010007200813-pat00051
로부터 구할 수 있다. 도 3의 구성을 이용하는 이점은, 이 방법이 PN 신호 성분의 왜곡에 대해 강인하다는 것이다. 심지어 변조 파형의 왜곡이 광 전송기(110)에 도입되고(이는 광 전송기 내에 있는 레이저 다이오드에 직접 변조를 이용하는 경우에 특별히 발생할 수 있다) 광신호 내의 PN 신호 성분이 PN 신호 생성기에서 생성된 원래의 파형과 다르더라도, 왜곡에 기인한 측정 에러는 상관 감지에서 자동적으로 소거된다. 결과적으로, 정확도가 향상되게 된다.
Figure 112010007200813-pat00050
Since the distribution of reflectivity is
Figure 112010007200813-pat00051
Available from An advantage of using the configuration of FIG. 3 is that this method is robust against distortion of PN signal components. Even the distortion of the modulating waveform is introduced into the optical transmitter 110 (which can occur especially when direct modulation is used on the laser diode in the optical transmitter) and the PN signal component in the optical signal is generated by the PN signal generator. Although different from, measurement errors due to distortion are automatically canceled in correlation detection. As a result, the accuracy is improved.

도 1에 이용된 방법과 마찬가지로, 측정된 반사도 분포의 SNR은 태핑된 광신호 및 후방 반사된 광신호에 대해 저역 통과 필터를 사용하고,

Figure 112010007200813-pat00052
로 평균화하고,
Figure 112010007200813-pat00053
Figure 112010007200813-pat00054
로 평균화함으로써 개선될 수 있다. 또한, 광송신기 및 광 감지기의 불완전한 응답에 의해 야기된 왜곡은
Figure 112010007200813-pat00055
또는
Figure 112010007200813-pat00056
, 또는 그 모두에 등화기(equalizer)를 적용함으로써 보상될 수 있다. 또한, 이 왜곡은 측정된
Figure 112010007200813-pat00057
에 등화기를 적용함으로써 보상될 수도 있다.Similar to the method used in FIG. 1, the SNR of the measured reflectivity distribution uses a low pass filter for the tapped and back reflected optical signals,
Figure 112010007200813-pat00052
Averaged to,
Figure 112010007200813-pat00053
And
Figure 112010007200813-pat00054
Can be improved by averaging In addition, the distortion caused by the incomplete response of the optical transmitter and the optical sensor
Figure 112010007200813-pat00055
or
Figure 112010007200813-pat00056
Can be compensated by applying an equalizer to, or both. This distortion is also measured
Figure 112010007200813-pat00057
It may also be compensated by applying the equalizer to.

도 3에서 광 결합기 1 및 광결합기 2는 도 4에 도시된 바와 같은 하나의 광 결합기(132)로 통합될 수 있다.In FIG. 3, optical coupler 1 and optical coupler 2 may be integrated into one optical coupler 132 as shown in FIG. 4.

[제1 실시예][First Embodiment]

도 5는 본 발명의 제1 실시예의 구성도를 나타낸 것으로서, 본 발명이 광섬유 전송 링크에서의 광 라인 터미널에 적용된 것이다. 이 구성은 도 3에 도시된 구성과 대응된다. 1550 nm 에서 동작하는 DFB(distributed-feedback) 레이저 다이오드가 광 송신기로 사용되었고, 서비스 시스템을 입증하기 위해 그 출력이 2.5-Gb/s NRZ(non-return-to-zero) 데이터로 직접 변조되었다. 상관감지를 위해서, PN 신호가 파일럿 톤(pilot tone)처럼 광 송신기와 신호의 엔벌로프(envelope)에 덧붙여졌다. 도 6은 광 신호의 아이 다이어그램의 일 예를 보여준다. 상관 감지를 위해 중첩된 PN 신호는 길이가 215-1이며 칩속도가 2.5 Mchip/s인 M-시퀀스였다. 이러한 중첩된 신호로 인해, 아이 다이어그램의 하이 레벨은 두 개로 나뉜다. 그렇지만, 중첩 신호의 변조 깊이(modulation depth)는 단지 ±7 %였기 때문에, 그에 해당하는 수신기 감도에 대한 페널티는 작았다. 도 7은 중첩된 신호가 있는 경우와 없는 경우의 하향 신호에 대한 수신기 감도를 측정하여 보여준 것이다. 중첩신호로 인하여 발생한 페널티는 작은 것으로 측정되었다.Fig. 5 shows a schematic diagram of a first embodiment of the present invention, in which the present invention is applied to an optical line terminal in an optical fiber transmission link. This configuration corresponds to the configuration shown in FIG. A distributed-feedback (DFB) laser diode operating at 1550 nm was used as the optical transmitter and its output was directly modulated with 2.5-Gb / s non-return-to-zero (NRZ) data to demonstrate the service system. For correlation detection, the PN signal was added to the envelope of the signal and the optical transmitter as a pilot tone. 6 shows an example of an eye diagram of an optical signal. For correlation detection, the superimposed PN signals were M-sequences with lengths of 2 15 -1 and chip speeds of 2.5 Mchip / s. Due to this superimposed signal, the high level of the eye diagram is divided into two. However, since the modulation depth of the overlapping signal was only ± 7%, the penalty for the corresponding receiver sensitivity was small. 7 shows receiver sensitivity measured for a downlink signal with and without an overlapping signal. The penalty incurred due to the overlap signal was measured as small.

광 신호는 광 서큘레이터를 통해 광섬유로 들어갔다. 광섬유로 들어간 평균 입력 파워는 0 dBm 이었다. 후방 반사된 광을 감지하기 위하여, 밴드폭이 20 MHz인 통상적인 광 다이오드가 사용되었다. 데이터 신호 및 감지신호는 1.2-MHz LPF들에 의해 필터링되었으며, 샘플링 속도 10 Ms/s로 12-bit A/D 컨버터로 디지털화되었다. 그 다음, 이들의 교차 상관 함수가 개인 컴퓨터를 이용하여 계산되어졌다. 이 실시예에서, 공간분해능(spatial resolution)은 LPF의 밴드폭에 의해 66 m로 결정되었다. A/D 컨버터의 샘플링 포인트 수는 131068이었다. 광섬유 전송 링크는 6.3-km 단일 모드 광섬유와 광 수신기로 구성되었다. 광 감지기의 불완전한 응답을 보상하기 위해서, FIR(finite-impulse response) 등화기가 이용되었다. 도 8에서 실선과 점선은 FIR 등화기를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우이 교차 상관 함수를 각각 나타낸다. 여기서 보이는 바와 같이, 그 결과는 양단에서 프레넬(Fresnel) 반사가 있고 광섬유 내에서 레일리 산란(Rayleigh scattering)이 발생함을 보여준다. 또한, 광 감지기 응답의 불완전성 때문에 발생하는 긴 꼬리는 FIR 등화기의 사용에 의해 깨끗하게 제거되었음을 알 수 있다. The optical signal entered the optical fiber through the optical circulator. The average input power into the optical fiber was 0 dBm. To sense back reflected light, a conventional photodiode with a bandwidth of 20 MHz was used. The data and sense signals were filtered by 1.2-MHz LPFs and digitized with a 12-bit A / D converter at a sampling rate of 10 Ms / s. Then their cross-correlation function was calculated using a personal computer. In this example, spatial resolution was determined to be 66 m by the bandwidth of the LPF. The sampling point number of the A / D converter was 131068. The fiber optic transmission link consists of a 6.3-km single mode fiber and an optical receiver. To compensate for the incomplete response of the light detector, a fin-impulse response (FIR) equalizer was used. In FIG. 8, the solid line and the dotted line represent cross correlation functions with and without the FIR equalizer, respectively. As shown here, the results show that there are Fresnel reflections at both ends and Rayleigh scattering occurs in the optical fiber. In addition, it can be seen that the long tail caused by the imperfection of the light sensor response was cleanly removed by the use of an FIR equalizer.

[제2 실시예]Second Embodiment

도 9는 도 1에 도시된 방법을 이용하는 실시예를 나타낸다. 1550 nm 에서 동작하는 DFB(distributed-feedback) 레이저 다이오드가 광 송신기로 사용되었고, 서비스 시스템을 입증하기 위해 그 출력이 2.5-Gb/s NRZ(non-return-to-zero) 데이터로 직접 변조되었다. 상관감지를 위해서, PN 신호가 광 송신기와 신호의 엔벌로프(envelope)에 덧붙여졌다. 상관 감지를 위해 중첩된 PN 신호는 길이가 215-1이며 칩속도가 2.5 Mchip/s인 M-시퀀스였다. 광 신호는 광섬유 결합기와 광 서큘레이터를 통해 전송 링크로 들어갔다. 광섬유로 들어간 평균 입력 파워는 0 dBm 이었다. 태핑된(tapped) 광 신호와 후방 반사 신호를 감지하기 위하여, 두 개의 통상적인 광 다이오드가 사용되었다. 9 shows an embodiment using the method shown in FIG. 1. A distributed-feedback (DFB) laser diode operating at 1550 nm was used as the optical transmitter and its output was directly modulated with 2.5-Gb / s non-return-to-zero (NRZ) data to demonstrate the service system. For correlation detection, a PN signal was added to the envelope of the optical transmitter and signal. For correlation detection, the superimposed PN signals were M-sequences with lengths of 2 15 -1 and chip speeds of 2.5 Mchip / s. The optical signal entered the transmission link through the fiber coupler and the optical circulator. The average input power into the optical fiber was 0 dBm. In order to detect tapped light signals and back reflection signals, two conventional photodiodes have been used.

감지된 신호들은 1.2-MHz LPF들에 의해 필터링되었으며, 샘플링 속도 10 Ms/s로 12-bit A/D 컨버터로 디지털화되었다. 그 다음, 이들의 교차 상관 함수가 개인 컴퓨터를 이용하여 계산되어졌다. 이 실시예에서, 공간분해능(spatial resolution)은 LPF의 밴드폭에 의해 66 m로 결정되었다. A/D 컨버터의 샘플링 포인트 수는 131068이었다. 광섬유 전송 링크는 11-km 단일 모드 광섬유와 광 수신기로 구성되었다. 광 감지기의 불완전한 응답을 보상하기 위해서, FIR(finite-impulse response) 등화기가 이용되었다. 도 10에서 실선과 점선은 400개의 궤적을 평균화한 다음에 측정된 교차 상관 함수를 보여준다. 여기서 보이는 바와 같이, 그 결과는 양단에서 프레넬(Fresnel) 반사가 있고 광섬유 내에서 레일리 산란(Rayleigh scattering)이 발생함을 보여준다. The sensed signals were filtered by 1.2-MHz LPFs and digitized with a 12-bit A / D converter at a sampling rate of 10 Ms / s. Then their cross-correlation function was calculated using a personal computer. In this example, spatial resolution was determined to be 66 m by the bandwidth of the LPF. The sampling point number of the A / D converter was 131068. The fiber optic transmission link consists of an 11-km single-mode fiber and an optical receiver. To compensate for the incomplete response of the light detector, a fin-impulse response (FIR) equalizer was used. The solid and dashed lines in FIG. 10 show the cross correlation function measured after averaging 400 trajectories. As shown here, the results show that there are Fresnel reflections at both ends and Rayleigh scattering occurs in the optical fiber.

[제3 실시예]Third Embodiment

도 11은 PON 시스템에서 서비스 상태에서의 모니터링을 입증하는 데 사용되는 구성을 나타낸다. 점선의 박스는 광 라인 터미널(optical line terminal)의 구성을 나타내며, 이는 도 5에 도시된 것과 거의 유사하다. 1550 nm 에서 동작하는 DFB 레이저 다이오드가 하향 신호용 광 송신기로 사용되었고, 그 출력이 2.5-Gb/s NRZ데이터로 직접 변조되었다. 상관감지를 위해서, PN 신호가 광 송신기와 신호의 엔벌로프(envelope)에 덧붙여졌다. 상관 감지를 위해 PN 신호가 중첩되었다. 상관 감지를 위해 중첩된 PN 신호는 길이가 215-1이며 칩속도가 2.5 Mchip/s인 M-시퀀스였다. 광 신호는 광섬유 결합기와 광 서큘레이터 를 통해 PON으로 들어갔다. 피더 광섬유로 들어간 평균 입력 파워는 0 dBm 이었다. 태핑된(tapped) 광 신호와 후방 반사 신호를 감지하기 위하여, 두 개의 통상적인 광 다이오드가 사용되었다. 감지된 신호들은 1.2-MHz LPF들에 의해 필터링되었으며, 샘플링 속도 10 Ms/s로 12-bit A/D 컨버터로 디지털화되었다. 그 다음, 이들의 교차 상관 함수가 개인 컴퓨터를 이용하여 계산되어졌다. PON은 6.4-km의 피더 광섬유와 1x4 스타 결합기(star coupler)(원격 노드로 사용됨)와, A-D로 표시된 4개의 연결된 드롭 광섬유들과, ONU들(optical network units)로 구성된다. 도 12에서 실선은 측정된 교차 상관 함수를 보여준다. 측정된 레일리 산란 성분에서의 단차들로부터 원격 노드 및 4개의 드롭 광섬유를 명확하게 식별할 수 있다. 이어서, 도 11에 도시된 바와 같이 C' 지점에서 광섬유 장애를 모사하기 위해 광섬유 C를 의도적으로 절단하였다. 통상적인 OLT를 이용하는 경우, 이러한 장애는 광섬유 C에 연결된 ONU에 신호 손실을 야기하게 되는데, 이것이 단순히 그 ONU를 꺼서 발생한 것인지, 광섬유 장애가 와서 발생한 것인지 구별할 수 없었다. 그 반면에, 본 발명에 의하면, 광섬유 A, B 및 D에 연결된 ONU들에 대한 서비스를 끝내지 않고도 OTDR 궤적(trace)를 얻을 수 있어서 근본적인 원인을 알아낼 수 있다. 예를 들어서, 도 12의 파선(dashed curve)은 광섬유 절단 후에 측정된 OTDR 궤적을 보여준다. 광섬유 절단 전후 간의 차이도 역시 보여준다. 그 결과는 광섬유 C가 문제를 가지고 있다는 것을 명확히 나타내며, 광섬유 절단 위치를 밝혀준다. 11 shows a configuration used to verify monitoring in service state in a PON system. The dotted box indicates the construction of an optical line terminal, which is almost similar to that shown in FIG. A DFB laser diode operating at 1550 nm was used as the downlink optical transmitter and its output was directly modulated with 2.5-Gb / s NRZ data. For correlation detection, a PN signal was added to the envelope of the optical transmitter and signal. PN signals were superimposed for correlation detection. For correlation detection, the superimposed PN signals were M-sequences with lengths of 2 15 -1 and chip speeds of 2.5 Mchip / s. The optical signal enters the PON through the fiber coupler and the optical circulator. The average input power into the feeder fiber was 0 dBm. In order to detect tapped light signals and back reflection signals, two conventional photodiodes have been used. The sensed signals were filtered by 1.2-MHz LPFs and digitized with a 12-bit A / D converter at a sampling rate of 10 Ms / s. Then their cross-correlation function was calculated using a personal computer. The PON consists of a 6.4-km feeder fiber, a 1x4 star coupler (used as a remote node), four connected drop fibers, labeled AD, and optical network units. The solid line in FIG. 12 shows the measured cross correlation function. From the steps in the measured Rayleigh scattering component, the remote node and four drop optical fibers can be clearly identified. Subsequently, the optical fiber C was intentionally cut to simulate the optical fiber failure at the point C 'as shown in FIG. Using conventional OLT, this failure would cause signal loss in the ONU connected to fiber C, which could not be distinguished by simply turning off the ONU or by a fiber failure. On the other hand, according to the present invention, the OTDR trace can be obtained without ending the service for the ONUs connected to the optical fibers A, B, and D, thereby identifying the root cause. For example, the dashed curve of FIG. 12 shows the OTDR trajectory measured after fiber cutting. The difference between before and after fiber cutting is also shown. The results clearly indicate that fiber C has a problem and reveal the location of the fiber cut.

[제4 실시예][Example 4]

도 13은 WDM PON 시스템에서 서비스 중의 모니터링을 입증하는 데 사용되는 구성을 보여준다. 테스트되는 시스템은 광 송신기들, AWG, 6.3-km 길이의 피더 광섬유, 원격노드로 구성된 CO(central office)를 가지는데, 여기서 원격노드는 AWG와 2.4-km 길이의 드롭 광섬유로 구성된다. ONU는 드롭 광섬유의 단부에 연결되었다. 이 광섬유들은 0.21 dB/km의 전파 손실(propagation loss)을 가졌다. OLT는 제3 실시예에 사용된 것과 같은 것이다. 일반적으로, 종래의 OTDR을 이용하여 드롭 광섬유들에서의 장애를 모니터링하기 위해서는, OTDR 펄스를 위한 바이패스 루트를 구현하거나 가변(tunable) OTDR을 활용하여야 했다. 이와 비교할 경우, 본 발명을 적용하면 하향 신호가 도달하는 한 OTDR 궤적을 얻을 수 있다. 따라서, 값비싼 가변 OTDR을 이용하거나, WDM PON 외부의 장치를 변경할 필요가 없다. 도 14는 도 13에 도시된 구성에서 측정된 OTDR 궤적을 나타낸 일 예이다. 측정된 OTDR 궤적으로부터, RN에 연결된 드롭 광섬유를 쉽게 식별할 수 있다.13 shows a configuration used to verify monitoring in service in a WDM PON system. The system under test has a central office (CO) consisting of optical transmitters, AWG, 6.3-km long feeder fiber, and remote node, where the remote node consists of AWG and 2.4-km long drop fiber. ONU was connected to the end of the drop fiber. These optical fibers had a propagation loss of 0.21 dB / km. The OLT is the same as used in the third embodiment. In general, in order to monitor failures in drop optical fibers using conventional OTDR, it was necessary to implement a bypass route for OTDR pulses or utilize tunable OTDR. In comparison, the present invention can obtain the OTDR trajectory as long as the downlink signal arrives. Thus, there is no need to use expensive variable OTDRs or change devices outside the WDM PON. FIG. 14 is an example illustrating the OTDR trajectory measured in the configuration shown in FIG. 13. From the measured OTDR trajectory, it is easy to identify the drop fiber connected to the RN.

102: 데이터 소스 104: PN-신호 생성기
110: 광 송신기 120: 광섬유 전송 링크
130: 광 방향성 결합기 132: 광 결합기
140, 140': 광 감지기 150: A/D 컨버터(변환기)
160: 교차 상관기 170: 평균화기/등화기
200: 신호 처리 유닛
102: data source 104: PN-signal generator
110: optical transmitter 120: optical fiber transmission link
130: optical directional coupler 132: optical directional coupler
140, 140 ': Light Detector 150: A / D Converter (Converter)
160: cross correlator 170: averager / equalizer
200: signal processing unit

Claims (14)

광 송신기에 연결된 광섬유 전송 링크를 따라 반사도 분포를 측정하여, 광 전송 시스템을 인서비스 모니터링하는 방법에 있어서,
의사랜덤잡음(PN) 신호를 생성하는 제1 단계와;
광 송신기의 출력 광신호에 의사랜덤잡음 신호를 중첩시키는 제2 단계와;
광 송신기로 되돌아오는 후방 반사된 광신호를 감지하고 이를 전기신호로 변환시키는 제3 단계와;
의사랜덤잡음 신호를 기준 신호로 하여 감지된 후방 반사 광신호와의 사이에서 교차 상관 함수
Figure 112010007200813-pat00058
를 계산하는 제4 단계와, 여기서
Figure 112010007200813-pat00059
는 시간임;
계산된 교차 상관 함수의 수평축을 시간
Figure 112010007200813-pat00060
에서 광 송신기로부터의 거리 z 로 변환하고
Figure 112010007200813-pat00061
로서 반사도 분포를 구하는 제5 단계, 여기서
Figure 112010007200813-pat00062
는 광섬유 내의 광의 군속도임;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 방법.
A method for in-service monitoring an optical transmission system by measuring a distribution of reflectance along an optical fiber transmission link coupled to an optical transmitter, the method comprising:
Generating a pseudo random noise (PN) signal;
Superimposing a pseudo random noise signal on an output optical signal of the optical transmitter;
Detecting a back reflected optical signal back to the optical transmitter and converting it into an electrical signal;
Cross-correlation function between the back-reflected optical signal detected using the pseudorandom noise signal as a reference signal
Figure 112010007200813-pat00058
And a fourth step of calculating
Figure 112010007200813-pat00059
Is time;
Time the horizontal axis of the calculated cross-correlation function
Figure 112010007200813-pat00060
Is converted into the distance z from the optical transmitter
Figure 112010007200813-pat00061
A fifth step of obtaining the reflectance distribution as
Figure 112010007200813-pat00062
Is the group velocity of light in the optical fiber;
In-service monitoring method of an optical transmission system comprising a.
제1항에 있어서, 상기 제4 단계에서 이용되는 의사랜덤잡음 신호는 상기 제1 단계에서 생성된 신호를 분할함으로써 직접 얻어지는 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 방법.The in-service monitoring method of claim 1, wherein the pseudorandom noise signal used in the fourth step is directly obtained by dividing the signal generated in the first step. 제1항에 있어서, 상기 제4 단계에서 이용되는 의사랜덤잡음 신호는 광 송신기의 출력을 분할하고 이 분할된 신호의 파워를 감지함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 방법.The in-service monitoring method of claim 1, wherein the pseudorandom noise signal used in the fourth step is obtained by dividing an output of the optical transmitter and sensing the power of the divided signal. 제1항에 있어서, 상기 제1 단계에서 M-시퀀스(maximum-length sequences)가 의사랜덤잡음 신호로 이용되는 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 방법.The in-service monitoring method of claim 1, wherein in the first step, M-sequences are used as pseudorandom noise signals. 제1항에 있어서, 상기 제1 단계에서 Gold 시퀀스가 의사랜덤잡음 신호로 이용되는 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 방법.The method of claim 1, wherein the Gold sequence is used as a pseudorandom noise signal in the first step. 제1항에 있어서, 측정된 교차 상관 함수 또는 반사도 분포를 평균화함으로써 측정된 반사도의 SN비가 개선되도록 하는 단계를 더 거치는 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 방법.The method of claim 1, further comprising the step of averaging the measured cross-correlation function or reflectance distribution to improve the SN ratio of the measured reflectivity. 제1항에 있어서, 감지된 후방 반사 광 신호를 평균화함으로써 측정된 반사도의 SN비가 개선되도록 하는 단계를 더 거치는 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 방법.The method of claim 1, further comprising the step of averaging the sensed back reflected light signal to improve the SN ratio of the measured reflectivity. 데이터 신호로 변조된 광 송신기에 연결된 광섬유 전송 링크를 포함한 광 전송 시스템에서의 장애를 상기 링크에 따른 반사도 분포를 측정함으로써 인서비스 모니터링하는 장치에 있어서,
의사랜덤잡음(PN) 신호를 생성하는 신호 생성수단과;
광신호를 생성하고 이 광신호를 데이터 신호 및 의사랜덤잡음 신호로 변조하는 광신호 생성수단과;
광섬유 전송 링크에서 광 송신기로 되돌아오는 후방 반사 신호를 끄집어 내도록, 광신호 생성수단과 광섬유 전송 링크의 사이에 위치하는 광 방향성 결합수단과;
후방 반사 신호를 전기 신호로 감지하는 광 감지수단과;
의사랜덤잡음 신호를 전기신호로 얻어지는 신호 감지수단과;
감지된 후방 반사 신호 및 의사랜덤잡음 신호를 변환하는 데이터 획득수단과;
의사랜덤잡음 신호와 감지된 후방 반사 신호와의 사이에서 교차 상관 함수
Figure 112010007200813-pat00063
를 계산하고, 계산된 교차 상관 함수
Figure 112010007200813-pat00064
의 수평축을 시간
Figure 112010007200813-pat00065
에서 광 송신기로부터의 거리 z 로 변환하고
Figure 112010007200813-pat00066
로서 반사도 분포를 구하는 신호처리수단, 단 여기서
Figure 112010007200813-pat00067
는 광섬유 내의 광의 군속도임;
을 구비하는 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 장치.
An apparatus for in-service monitoring of a failure in an optical transmission system including an optical fiber transmission link connected to an optical transmitter modulated with a data signal by measuring reflectivity distribution along the link,
Signal generating means for generating a pseudo random noise (PN) signal;
Optical signal generating means for generating an optical signal and modulating the optical signal into a data signal and a pseudo random noise signal;
Optical directional coupling means positioned between the optical signal generating means and the optical fiber transmission link to pick up a back reflection signal from the optical fiber transmission link back to the optical transmitter;
Optical sensing means for sensing the back reflection signal as an electrical signal;
Signal sensing means for obtaining a pseudo random noise signal as an electrical signal;
Data acquisition means for converting the detected back reflection signal and the pseudorandom noise signal;
Cross-correlation function between pseudorandom noise signal and detected back reflection signal
Figure 112010007200813-pat00063
, Computed cross-correlation function
Figure 112010007200813-pat00064
The horizontal axis of time
Figure 112010007200813-pat00065
Is converted into the distance z from the optical transmitter
Figure 112010007200813-pat00066
Signal processing means for obtaining a reflectance distribution as
Figure 112010007200813-pat00067
Is the group velocity of light in the optical fiber;
In-service monitoring device of the optical transmission system comprising a.
청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 9 was abandoned upon payment of a set-up fee. 제8항에 있어서, 상기 광 방향성 결합수단이 광 서큘레이터인 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 장치.9. The in-service monitoring apparatus of the optical transmission system according to claim 8, wherein the optical directional coupling means is an optical circulator. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 10 was abandoned upon payment of a setup registration fee. 제8항에 있어서, 상기 광 방향성 결합수단이 광 결합기인 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 장치.9. The in-service monitoring apparatus of the optical transmission system according to claim 8, wherein the optical directional coupling means is an optical coupler. 제8항에 있어서, 상기 신호 감지수단이 상기 광신호 생성수단의 출력부에 연결된 전기적 분할기(electrical divider)인 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 장치.The apparatus of claim 8, wherein the signal sensing means is an electrical divider connected to an output of the optical signal generating means. 제8항에 있어서, 상기 신호감지수단이, 상기 광신호 생성수단과 광섬유 전송 링크 사이에 위치한 광 방향성 결합기와, 상기 광신호에 중첩된 의사랜덤잡음 신호를 감지하는 광 감지수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 장치.9. The apparatus of claim 8, wherein the signal sensing means comprises an optical directional coupler located between the optical signal generating means and the optical fiber transmission link, and optical sensing means for sensing a pseudo random noise signal superimposed on the optical signal. In-service monitoring device of the optical transmission system. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 13 was abandoned upon payment of a registration fee. 제8항에 있어서, 상기 광섬유 전송 링크가 광 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 장치.9. The apparatus of claim 8, wherein the optical fiber transmission link comprises an optical network. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 14 was abandoned when the registration fee was paid. 제8항에 있어서, 상기 광섬유 전송 링크가, 드롭 광섬유, 원격 노드 및 가입자에게 연결된 피더 광섬유를 구비하는 PON(passive optical network)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 전송 시스템의 인서비스 모니터링 장치.10. The apparatus of claim 8, wherein the optical fiber transmission link comprises a passive optical network (PON) having a drop optical fiber, a feeder optical fiber coupled to a remote node and a subscriber.
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논문(IEEE_2010.03)

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