NO841334L - Fremgangsmaate ved signalbehandling av et mottatt pulstog og mottager for utfoerelse av behandlingen - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte ved forstemt sampling av et pulstog med en stabil, høy repetisjonsf rekvens fr mottatt av en støygenererende detektorkrets, nærmere bestemt for måling av pulsutvidelse gjennom en optisk flermodusfiber hvis utgangsende er forbundet med detektorens inngang.

Oppfinnelsen er spesielt nyttig for måling av pulsutvidel-sen ved en optisk fiber. Pulsutvidelse er også kalt spredning og dekker fenomenet hvor pulsbredden øker når en lys-puls utbreder seg i den optisk fiberen, som er på grunn av det faktum at forskjellige modustype, som i kombinasjon danner signalet, utbreder seg ved lett forskjellige has-tigheter gjennom fiberen på grunn av at i praksis kan ikke fiberen bli fremstilt med ideelle parametre. Pulsutvidel-sen bestemmer hovedsakelig overføringskapasiteten til fi-bren for telekommunikasjonsformål ved at den økede pulsut-videlsen korresponderer med redusert båndbredde. Det er derfor viktig at denne målingen kan bli gjort på stedet på grunn av at det ikke er mulig i praksis å vurdere båndbredden til den optiske fiberen som innbefatter flere skjøter på basis av kunnskapen om båndbredden til hver in-dividuell fiberdel.

I prinsippet er det to forskjellige pu1sutvi de1sesmåleme-toder (se f.eks. NBS spesielle publikasjon 597: Technical Digest SYmposium on optical fiber measurements, 1980, side 49-54). En metode er kalt frekvensavsøkning, hvor et peri-odisk signal med varierende frekvens blir tilført fiberens inngang. Frekvensen for det sendte signalet blir analysert ved utgangen av fiberen og informasjonen om pu1 sutvi de 1sen kan bli tilveiebrakt ved beregning. Selv om fasef orskje1-len ikke kan bli målt i praksis ved denne behandlingen har det vært en fremherskende metode å utføre denne målingen over store avstander. Dette er på grunn av at den andre metoden, den såkalte pulsmetoden, er belemret med den ulempen at den ikke er pålitelig når dempningen i den op tiske fibers trekningen er stor. Og denne metoden er derfor oftest anvendt for laboratoriemålinger hvor fiberlengden og således dempningen er relativt liten. I denne metoden er dempningen et problem på grunn av at detektorens støy er relativt stor slik at signa1/støyf orho ldet er dårlig. Støyen til detektoren kan ikke bli redusert helt bort siden detektoren må ha en slik stor båndbredde at dens puls-reaksjon er liten sammenlignet med pulsene sendt gjennom den optiske fiberen i løpet av målingen. Ved kjente puls-metodeanordninger ble det derfor forsøkt å avhjelpe det dårlige signa1/støyf orholdet ved å anvende høyef fektlasere som sendere, men høyeff ektlasere kan kun drives med en betydelig lav repetisjonsf rekvens og ved andre bølgelengder enn lave ff ekts1aserene som er anvendt ved praktiske kommu-nikasjonsformål. Denne kjente målemetoden vil derfor full-stendig reflektere f iberkarakteristikkene som er relevante ved normale kommunikasjonsoperasjone r.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en metode hvor signalbehandlingen av et pulstog klargjør båndbredden til en optisk fiber som skal bli målt i samsvar med pulsmetoden selv ved de tilfeller hvor den optiske fiberen har en slik stor dempning av tidligere kjente pu1småleteknik-ker inadekvat når en laser av samme type er anvendt ved praksis telekommunikasjon som skal bli anvendt ved pulsmå-lesenderen.

Formålet blir tilveiebrakt ved at den forstemte frekvensen f ved hvilken det mottatte signalet er samplet, er gitt av

hvor n er et helt tall og /\ f er flere størrelsesordner mindre enn f og at sampelsignalet er generert ved hjelp av en pu1sgene rator hvis repetisjons frekvens blir styrt

ved hjelp av en £asedekteringskrets , til hvilken det er tilført delvis et referansesigna1 indikativ for forskyvningsfrekvensen A f, delvis et lavfrekvenssigna1 utledet fra signalet mottatt og samplet ved frekvensen f og som har en tilstrekkelig båndbredde for å inneholde hovedsakelig alle informasjonene i det mottatte signalet. Når samp-li ng s f r ek vens en er synkronisert ved hjelp av et ,signal som har blitt overført til et lavfrekvenssignal med et stort signal/støyforhold på grunn av samplingen vil synkronise-ringen være effektiv selv om signal/støyforholdet på mot-tagerens inngang er betydelig mindre enn hva som var tillatt tidligere. Dette klargjør begrensningen ved tidligere kjente pulsmålesysterner, dvs. at signal/støyforho1det må være relativt stort før samplingen for å sikre pålitelig trigging av samp1 ingsosci 1loskopet anvendt for samplingen ved disse systemene.

Det er kjent fra heterodynoteknikk å blande et mottatt signal og et lokalosci 1latorsignal hvor frekvensen til lokalosci 1latoren avhenger av det kombinerte produktet, se f.eks. DOS 3197700. Her forutsettes at et sinusformet lo-ka1osci 1latorsignal og båndpassf i 11rering innenfor et relativt smalt me 1lomfrekvensområde slik at en fremherskende del av informasjonen i pulssignalet ville gå tapt. En optisk fiber kan f.eks. ha en båndbredde på 300 MHz som korresponderer med en pulsutvidelse på 1 ns . Med henvisning til eksempler på måling av frekvensen nevnt senere i beskrivelsen er informasjonen inneholdt i opptil 40 harmoniske av både repetisjons- og forskyningsf rekvens ene og det skal derfor bemerkes at den heterodynoteknikken, som vil kun innbefatte en harmonisk på grunn av båndpassfil-treringen i me 1lomfrekvensområdet er inadekvat. Når et pu1ssamplingssigna1 blir anvendt sammen med en bredbåndet samp1 ingskrets vil den harmoniske rekken med repetisjonsfrekvensen som danner utgangssignalet (se fig. IA) bli omformet til en ekvivalent harmonisk rekke med forskyv-nings f rekvens en og lavpassfi 11reringen for dette signalet vil tilveiebringe en betydelig reduksjon i støyen når må-le f r ek ven s ene til størrelsen gitt som eksempler i den føl-gende beskrivelsen blir anvendt.

Ref eransesigna1et ved fasedetekteringskretsen kan bli generert ved hjelp av en separat lokalosci 1lator og i denne forbindelsen kan den styrte pulsgeneratoren være et frek-venssyntetiseringsnettverk.., men referansesignalet er fortrinnsvis generert ved deling av ut gangs f rekvensen til pulsgeneratoren i forbindelse med en pu1sosci1lator med et relativt lite avstemningsområde, som for de fleste anven-deler vil metoden bli utført ved en bestemt reduksjonsf rekvens, fortrinnvis 8 MHz.

Når forskyvningsfrekvensen A f er valgt til å være mellom 10 og 100 Hz blir et fordelaktig kompromiss tilveiebrakt mellom direkte fremvisning av ut gangssignalet, omformet til lavfrekvens, på et ordinært 1avfrekvenssanntidsosci 1-loskop og en tilstrekkelig forbedring i mottagerfølsomhe-ten for målinger som skal bli gjort over fiberlengdene som forekommer i praksis, såvel som realisering av kretser uten store stabi1 itetsprob1emer.

Oppfinnelsen angår også en mottager for utførelse av oppfinnelsens behandling, idet mottageren innbefatter en optisk mottager og et filter for sampling og signalbehandling av et mottatt pulstog med en stabil, høy repetisjonsfrekvens f r , idet filteret innbefatter en samplingskrets og en fasedetekteringsstyrekrets for å justere en samp-li ngs f r ekve ns fs ved fasesammenligning med et referansesignal indikativ for en for skyvningsfrekvens Af, og et signal mottatt ved en ytterligere inngang i detektoren.

Formålet med mottageren er å tillate at fremgangsmåten kan bli utført betydelige enklere og billigere enn ved kjente målesystemer. Dette blir tilveiebrakt ved at pulsgeneratoren blir styrt ved hjelp av styrekretsen slik at hvor n er et helt tall og den ytterligere inngangen til styrekretsen er forbundet med utgangen til samplingskret-sen via et lavpassf i 11er.

F asedetekt eringsstyrekretsen har fortrinnsvis to inngan-ger. Det skal bemerkes at en inngang mottar den samplede versjonen av signalet mottatt av mottageren mens en refe-ranseinngang i fasedetekteringsstyrekretsen er forbundet med utgangen til pulsgeneratoren gjennom en frekvensdele-krets med et deleforhold på f /Af.

Jo mindre n erj jo større vil signa1/støyf orho ldet være. Det er forutsatt i beskrivelsen som følger at n = l , som tilveiebringer maksimal økning i signal/støyforholdet til mottageren. En tilsvarende økning kan ikke bli tilveiebrakt ved de kjente systemene som anvender samp 1 ingsosci 11oskop på grunn av at den maksimale samp1ingsf rekvens en i alminnelighet er 100 kHz, som med den foretrukne repetisjons f rekvens en på 8 MHz medfører n=80.

Når en høyfrekvenspu1sformingskrets er anordnet før sampl i ng s enh e t en og en lavfrekvenspulsformingskrets etter denne enheten, kan den ovenfor nevnte konstruksjonen bli optimalisert på en bedre måte enn er mulig med en enkel pulsformingskrets.

Innføringen av lavfrekvenspulsformingskretsen i forbindelse med utgangen til samplingsenhetene og den ytterligere inngangen til fasedetekteringsstyrekretsen tilveiebringer for anvendelsen det optimale store signa1/støyforho 1det ved dette punktet for ytterligere å forbedre samplingsnøy-aktigheten til samlingsenheten selv med et svært lavt sig-na1/støyforhold på inngangen til mottageren.

Oppfinnelsen skal nå bli beskrevet nærmere med henvisning til noen foretrukne utføre1ses former og henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1A-C viser en del av f rekvensspektrumet til signalene som forekommer ved kretsen vist på fig. 2, med frekvensen angitt med hhv. f , f og Af. Fig. 2 viser et forenklet blokkdiagram av en krets som tjener til å vise fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 3A og 3B viser en sender og en mottager hhv. som det foretrukne systemet for utførelse av fremgangsmåten . Fig. IA og fig. IB viser deler av frekvensspektrumet til pulstogene hvor repetisjonsfrekvensen er f.eks. ^r = 8 MHz og fs=7|99992 MHz hhv. Når det første pulstoget blir samplet ved repetisjonsfrekvens en til det andre pulstoget fremkommer et spektrum hvis lave frekvensdel er vist på fig. 1C, med en grunnfrekvens Af som korresponderer med forskjellen mellom repetisjonsf rekvensene til disse pulstogene. Når forskyvningsfrekvensen Af, som 80 Hz er den fortrukne utførelsesformen, er flere ganger mindre enn f og f , blir fig. 1C scallert forskjellig fra fig. IA og IB. Det skal bemerkes at disse frekvensene kun tjener som et eksempel og ikke begrenser oppfinnelsens anvendelsesom-råde.

B1okkdiagrammet vist på fig. 2 av en signa1behand1 ingsen-het ifølge oppfinnelsen innbefatter en samplingsenhet 1, som er anordnet for å sample et inngangssignal med en re-petis jonsf rekvens f , som kan ha spektrumet vist på fig. IA, ved en samplingsfrekvens f , hvor sa mp lingssignalet blir generert av pulsgeneratoren 2 og kan ha spektrumet vist pa fig. IB. Pulsgeneratoren 2 blir styrt ved hjelp av en justerbar oscillator 3 som blir justert ved hjelp av utgangssignalet fra en fasedetekteringskrets 4 slik at

hvor n er et helt tall og Af er flere s t ø r r e 1 s e s o r dne r mindre enn f . Utgangssignalet fra samplingsenheten 1 kan som nevnt inneholde en grunnfrekvens ff - nfg»som er f.eks. 80 Hz. Dette signalet blir sendt via et amplitude-begrensningsfilter 5 til ene inngangen til en fasedetekteringskrets 4, hvis andre inngang er forbundet med en lo-ka1osci 1lator 6 justert til frekvensen Af.

Fordelen tilveiebrakt ved hjelp av kretsen på fig. 1 er at samplingsf rekvensen f kan bli styrt svært nøyaktig med hensyn til pulsrepetisjonsf rekvensen fr, selv om signal/- støyforholdet til inngangen til samplingsenheten 1 er dårlig. Dette er på grunn av det faktum at samplingen og en påfølgende lavpassf i 11rer ing av det samplede signalet gir en betydelig økning i signal/støyforholdet for derved å tilveiebringe en nøyaktig samp1ingsfrekvens fg ved frek-venser opptil 100 MHz. Ved kretsen vist på fig. 2 kan denne lavpassf i 11reringen bli inneholdt i begrensningsf i 1-teret 5, som bevirker begrensningen i amplituden nødvendig for de fleste felles fasedetekteringskretsene. Det er dessuten også mulig å fasedetekteringskretser som ikke krever en separat lavpassf i 11rer ing av det samplede signalet.

Kretsen vist på fig. 2 tillater i prinsippet alle mulige repetisjonsf rekvenser f , men dette forutsetter at den ju-sterbare oscillatoren 3 er et relativt dyr frekvenssynte-tiseringsne11ve rk med et bredt frekvensområde og at frekvensen til oscillatoren 6 kan bli variert for å tilveiebringe optimal drift ved alle repetisjonsf rekvensene. En annen generell forutsetning for driften av kretsen er at repetisjonsfrekvensen f er svært nøyaktig på grunn av at den må være fasestabil på grunn av samplingen og være fre-kvensstabil med variasjon som er noe mindre enn frekvensen til oscillatoren 6 for at fasedetekteringskretsen 4 skal kunne synkronisere samp 1ingsf rekvensen fg.

Oppfinnelsen er spesielt hensiktsmessig i forbindelse med målinger av spredning ved optiske fibre hvor de fleste må-lingene tillater anvendelsen av en fast repet isjonsfrek-vens, som kan bli generert relativt enkelt for å tilfreds-stille ovenfor nevnte krav. Kretsen vist på fig. 2 kan således bli gjort mindre generell og således billigere, f.eks. som vist ved mottageren på fig. 3B.

Fig. 3A og 3B viser en sender og mottager hhv. for et sy-stem for måling av spredning gjennom en optisk fiber 7. Senderen er konstruert for å sende korte lyspunkter (omkring 0,7 ns) inn i fiberen 7, og mottageren er konstruert for å detektere pu1sreaksjonen til fiberen. For å tilveiebringe en så nøyaktig som mulig måling må både den sendte pulsen og pu1sreaksjonen til mottageren være kort sammenlignet med pulsreaksjonen til fiberen, som krever en bred båndbredde ved mottageren hvis følsomhet således er mini-malisert. Ved hjelp av utføre1sesf ormen av mottageren ifølge oppfinnelsen vist på fig. 3B kan en forbedring i signa1/støyforholdet på omkring 25 dB bli tilveiebrakt i forhold til kjente mottagere.

Senderen vist på fig. 3A innbefatter en stabil oscillator 17 hvis frekvens fr, 8 MHz ved den viste utføre1sesformen, har en total f rekvensupål ite1ighet som er betydelig mindre enn Af, som er omkring 80 Hz ved den viste utfdrelsesfor-men. Oscillatoren 17 styrer pulsgeneratoren 18 som genere-rer 0,7 ns brede strømpulser med en amplitude på 20 til 50 mA, som avhenger av lasertypen 19. En forspenningskrets 20 tjener til forspenning av en laser 19 slik at spissnivået til de optiske pulsene er konstant. Lyspulsene blir sendt til den optiske fiberen 7, hvis spredning skal bli malt, via en modusscrambler 21 og en koplingsinnretning 22. Som for tidligere nevnte komponenter i senderen er scrambler-modusen i og for seg kjent og er tilstrekkelig å sikre reproduserbare malinger på lange fiberlengder. Ytterligere koplingsanordninger kan være nødvendig i tilfelle av målinger på korte lengder og i tilfelle av målinger hvor ekstreme reproduksjonsevner er nødvendig.

Ved mottageren på fig. 3B er den optiske fiberen 7 koplet via en koplingsinnretning 23 med en lavinefotodetektor 24 forbundet delvis med en forspenningskrets 25, delvis med en inngangskrets 26. Inngangskretsen 26 er konstruert som et kjent inngangstr inn og inneholder dessuten automatisk forsterkningsjustering slik at overbelastningsnivået til mottageren ikke blir overskredet. Pu1sformingskretsen 27 og 28 skal utelates midlertidig fra betraktningen og de andre komponentene i mottgeren 11-16 kan i prinsippet bli sammenlignet med komponentene 1-6 på fig. 2. Mottageren innbefatter således en samplingsenhet 11, en pu1sgene rator 12, en styrt oscillator 13, en fasedetekter ingskrets 14, et filter 15 og en krets 16 for å generere frekvensen A f. Når mottageren på fig. 3B er konstruert for å motta en fast repetisjonsfrekvens fr, er det ikke behov for lokal-oscillatoren. 6 på fig. 2. Frekvensen A f blir generert ved hjelp av f rekvensde1 ing av utgangssignalet til oscillatoren 13, idet kretsen 16 er konstruert for å dele frekvensen ved forholdet f /Af. På grunn av den konstante repeti-sjon s f r ekvens en f kan oscillatoren 13 være en ordinær, styrt oscillator med et relativt lite avstemning sområde, hvor frekvensen f blir styrt av utgangssignalet fra fase-de t ek t er ing sk re t s en 14 j som ble forklart i forbindelse med fig. 2.

Mottageren vist på fig. 3B klargjør triggingsprob1emet forbundet med sa mplingsosci 1lo skopene og bevirket av det dårlige signa1/støyforho 1det ved inngangskretsen 26. Siden samp1ingsf rekvensen er synkronisert ved hjelp av utgangssignalet hvor signa1/støyforho1det er stort kan mottageren drives med et slikt dårlig signa1/støyf orho 1d ved inngangskretsen 26 slik at en lave f f ektlaser 19 av samme type som normalt anvendes ved telekommunikasjon kan bli anvendt ved senderen (fig. 3A) . Mottageren ifølge oppfinnelsen tillater derfor nøyaktig måling av de parametrene som er relevante ved ordinære telekommunikasjonsoperasjoner av den optiske fiberen 7. Samp1 ingsf r ekvensen ved mottageren vist på fig. 3B kan dessuten være så høy som 100 MHz uten mye vanskeligheter slik at en sampel kan bli tatt ved hver pu1srepetisjonsperi ode. Ved den foretrukne utførelsesfor-men blir pu1srepetisjonsf rekvens en valgt ved 8 MHz, som er et hensiktsmessig kompromiss mellom faktumet at en høyfre-kvens bevirker overføring av størst mulig energimengde og det faktumet at frekvensen ikke er høyere enn pulsreaksjonen fra den mest spredende fiberen som skal bli målt ikke overlapper hverandre. En repetisjonsf rekvens på 8 MHz med-fører et mellomrom mellom overføringspulsene som korresponderer 4 ganger tidspulsperioden for et 34 Mb/s signal.

Inngangskretsen 26 er vanligvis konstruert for å gi best mulig signa1/støyf orhold, som bevirker forvrengning av pulser slik at utjevning er nødvendig. Ifølge oppfinnelsen blir utjevning tilveiebrakt ved hjelp av to pulsfor-mingskretser 27 og 28 som er anbrakt på deres respektive sider av samplingsenheten 11. Dette har blitt funnet å være svært gunstig ved optimalisering av kompensasjonen for mottatt virkende forvrengninger fra inngangskretsen 26. Når utgangssignalet fra pu1sformingskretsen 28 er anvendt som inngangssigna1 til fasedetekteringskretsen 14j valgfritt ytterligere filtrert ved begrenseren 15, vil derfor kretsens evne til å synkronisere sampl ingskretsen med hensyn til høy repetisjonsf rekvens bli ytterligere forbedret.

Når utgangssignalet fra kretsen 28 representerer de mottatte pulsen med en repetisjonsf rekvens på Af, som er omkring 80 Hz her, kan utgangssignalet bli fremvist direkte på et lavfrekvenssanntidsosci 11oskop. Utgangssignalet kan imidlertid være signalbehandlet ytterligere på i og for seg kjent måte, f.eks. ved hjelp av en Fourier-transforma-sjonskrets. Generelt kan inngangssigna1et bli overført til en databehand1ingsenhet for ytterligere signalbehandling, lagring, utskriving etc.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte ved forstemt sampling av et pulstog med en stabil, høy repetisjonsf rekvens, fr, mottatt av en støyge-nererende detektorkrets , spesielt for måling av pulsutvidelse gjennom en optisk fiber hvis utgangsende er forbundet med inngangen til detektoren, karakterisert ved at den forstemte frekvensen, f , ved hvilken det mottatte signalet er samplet, er gitt ved hjelp av

hvor n er et helt tall og Af er flere s t ø r r e 1 s e s o r dne r mindre enn fr, og at samp1 ingssignalet blir generert ved hjelp av en pu1sgenerator hvis repetisjonsf rekvens blir styrt ved hjelp av en fasedetekteringskrets, til hvilken blir tilført delvis et referansesignal indikativ for for-skyvnings f r ekvens en Af, delvis et lavfrekvenssigna1 utledet fra signalet mottatt av den samplede frekvensen f og som har tilstrekkelig båndbredde for å inneholde vesentlig all informasjon i det mottatte signalet.

2 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at referansesignalet til fasedetekteringskretsen blir generert ved deling av utgangsf rekvensen til pulsgeneratoren.

3 . Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, k a r a k t e r i sert ved at f = fr - A f, hvor Af er mellom 10 og 100Hz, fortrinnsvis korresponderende med fem størrelses-ordner mindre enn fg.

4. Mottager for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, som innbefatter en optiske mottager og et filter for sampling og signalbehandling av et mottatt pulstog med en stabil, høy repetisjonsfrekvens fr, idet filteret innbefatter en samplingskrets og en fasedetekteringsstyrekrets konstruert for å justere en samplingsfrekvens fg ved fasesammenligning av et re ferans es igna1 indikativ for en for-skyvning s f r ek vens Af og et signal mottatt på en ytterligere inngang, karakterisert ved anordningen av en pu1sgene rator styrt av styrekretsen slik at

hvor n er et helt tall og at den ytterligere inngangen til styrekretsen er forbundet med utgangen til samplingskret-sen via et lavpassfilter.

5 . Mottager ifølge krav 4, karakterisert ved anordningen av en f rekvensdelekrets med et deleforhold på

idet kretsen er forbundet mellom utgangen til den styrte pulsgeneratoren og referanseinngangen til fasedetekteringskretsen.

6 . Mottager ifølge krav 4, karakterisert ved at ner mindre enn 10.

7 . Mottager ifølge krav 4, som innbefatter pulsforming skret-ser for motvirkende forvrengning ved den optiske mottag- ren, karakterisert ved en høyfrekvens-pulsformingskrets anbrakt foran samplingsenheten og en lavfrekvenspulsformingskrets anbrakt etter samplingsenheten.

8. Mottager ifølge krav 7, karakterisert ved at lavfrekvenspulsformingskretsen er anbrakt i forbindelse mellom utgangen til samplingsenheten og den ytterligere inngangen til fasedetekteringsstyrekretsen.