Brevet FR2699352A1 — publié le 19940617

L'invention concerne des systèmes de transmission optique dans lesquels le trajet de transmission comprend une chaîne d'amplificateurs optiques, par exemple d'ampli- f icateurs à l'erbium En particulier, l'invention concerne5 des ensembles de surveillance destinés à un tel système de transmission. Un récent progrès dans le domaine des transmissions optiques a été l'introduction des systèmes à amplification. Ces systèmes évitent les répéteurs ou régénérateurs numé-10 riques classiques, souvent appelés "répéteurs 3 R' et assurent au contraire des amplifications directes du signal transmis Cette disposition peut provoquer une réduction importante du coût, car les coûteux répéteurs 3 R d'un système classique peuvent être remplacés par des amplifica- teurs de coût relativement faible Par exemple, un système à amplificateurs comprend un trajet à fibre optique le long duquel sont disposés des amplificateurs optiques à inter- valles réguliers Ces amplificateurs peuvent comprendre des amplificateurs à l'erbium. Un problème posé par l'introduction des systèmes à amplification a été l'absence de système convenable de surveillance permettant un contrôle à distance des perfor- mances de chaque amplificateur du système Il faut noter que, dans un système à amplification dans lequel il n'existe aucune nouvelle synchronisation ou remise en forme du signal transmis, des mauvaises performances sur l'ampli- ficateur peuvent perturber sérieusement le fonctionnement du système Le fonctionnement commercial satisfaisant d'un tel système ne peut donc pas être obtenu sans un ensemble convenable de surveillance. L'invention a pour objet de réduire au minimum ou de supprimer cet inconvénient. L'invention concerne ainsi un ensemble de surveil- lance destiné à un système de transmissions optiques comprenant une station locale, une station distante et des trajets aller et retour de signaux formés entre les sta- tions locale et distante, chaque trajet comprenant une chaîne d'amplificateurs optiques, l'ensemble de surveil- lance comprenant un dispositif destiné à appliquer des signaux de surveillance à un signal optique transmis par la station locale, un dispositif destiné à coupler une petite proportion du signal de sortie de chaque amplificateur du trajet aller au trajet retour, et un dispositif placé à la station locale et destiné à recevoir les signaux renvoyés par chacun des amplificateurs et à analyser les signaux afin qu'il évalue les performances de chaque amplifica- teur; selon l'invention, les signaux de surveillance sont modulés en fréquence par une forme d'onde répétitive à variation progressive linéaire. L'invention concerne aussi un procédé de commande de surveillance d'un système de transmissions optiques ayant des trajets aller et retour de transmission de données, comprenant chacun des amplificateurs optiques espacés, le procédé comprenant l'application d'un signal de surveil- lance modulé en fréquence par une forme d'onde répétitive à variation progressive linéaire à des données transmises par le trajet aller, la formation, à chaque amplificateur du trajet aller, d'un bouclage de signaux de manière qu'une petite proportion du signal transmis soit couplée au trajet de retour, l'extraction des signaux de surveillance ren- voyés à partir des données reçues du trajet de retour, et l'analyse des signaux extraits afin que les performances de chaque amplificateur du trajet aller soient déterminées. Dans un mode de réalisation préféré, la surveillance est réalisée depuis les deux extrémités du trajet de transmission Ceci est particulièrement avantageux pour la localisation des pannes du système dues à la fois aux pannes des amplificateurs et aux ruptures de la fibre. Dans la description qui suit, il faut noter que la surveillance peut être réalisée à partir de l'une quel- conque des extrémités du système ou des deux. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un système de transmis- sion optique ayant plusieurs amplificateurs; la figure 2 illustre un procédé de formation d'un bouclage des signaux dans les systèmes de la figure 1; la figure 3 représente un analyseur de signaux à modulation à fréquence linéaire, destiné à être utilisé dans le système de la figure 1; et les figures 4 a et 4 b sont des graphiques illustrant le fonctionnement de l'analyseur de la figure 3. On se réfère à la figure 1; le système comprend une station locale 11 ayant un émetteur 110 et un récepteur 210, et une station distante 13 comprenant un récepteur 130 et un émetteur 230 Chaque émetteur comporte une source de lumière 112, 212 respectivement, comprenant par exemple un laser infrarouge Les stations locale et distante sont couplées par des trajets de transmission optique aller ( 15 a) et retour ( 15 b), comprenant chacun plusieurs amplifi- cateurs optiques 17, par exemple des amplificateurs à l'erbium Dans un système transocéanique, chaque trajet de transmission peut comprendre jusqu'à trois cents amplifica- teurs Chaque amplificateur 17 du trajet aller 15 a a un bouclage optique 25 sur le trajet de retour, si bien qu'une petite partie du signal de sortie de cet amplificateur est renvoyée vers la station émettrice 11 par le trajet de retour 15 b De même, chaque amplificateur du trajet de retour peut comporter un bouclage optique afin qu'une petite partie du signal de sortie de l'amplificateur soit renvoyée à la station distante par le trajet aller. A la station locale, un signal de surveillance provenant du générateur 114 est superposé au signal de données optiques lancé dans le trajet de transmission, par exemple par modulation de l'intensité de la source lumi- neuse 112 L'amplitude de la modulation est faible, par exemple de 5 à 10 %, afin que la perturbation du signal de données soit minimale Lorsque le système n'est plus en service à cause d'un défaut sous l'eau, l'indice de modula- tion peut être accru, par exemple de 50 à 100 %, afin que la sensibilité augmente. La figure 2 représente une technique dans laquelle le bouclage des signaux peut être réalisé pour la surveil- lance La disposition bouclée représentée permet la sur- veillance par l'une ou l'autre extrémité du système, par exemple, pour la détermination du gain de la boucle et pour le contrôle des réflexions créées par les défauts de la fibre. De nombreuses autres dispositions de coupleurs qui relient les deux sens de transmission sont possibles. Comme l'indique la figure 2, les bouclages 25 a, 25 b peuvent être formés entre les fibres aller et retour 15 a, 15 b et peuvent être disposés entre les entrées et sorties respectives des amplificateurs 17 a et 17 b aller et retour. Chaque bouclage comprend un premier coupleur 31 a, 31 b associé au trajet respectif à fibre à la sortie de l'amplificateur correspondant, et un second coupleur 32 a, 32 b associé à l'autre trajet à fibre respectif à la sortie de l'amplificateur correspondant Chaque boucle peut comprendre un coupleur supplémentaire 33, afin qu'une atténuation différentielle soit obtenue entre les bouclages et les trajets de réflexion. Chaque coupleur du bouclage 25 a, 25 b donne une atténuation des signaux couplés, les pertes des coupleurs étant ajustées afin que les signaux transférés d'une fibre à une autre soient faibles par rapport aux signaux de données transportés sur les fibres Ceci réduit au minimum les perturbations des signaux de données Dans certaines applications, des atténuateurs optiques (non représentés) peuvent être utilisés afin qu'ils réduisent encore le couplage entre les deux trajets de transmission à fibre. Des exemples de pertes dues au bouclage et aux trajets de réflexion sont de 45 d B et 25 d B respectivement. Il faut noter que le signal de surveillance qui est renvoyé, représentant les signaux de bouclage et, dans le cas d'un défaut de la fibre, les signaux réfléchis des amplificateurs du trajet aller sont à un très faible niveau par rapport aux signaux de données reçus et au bruit de fond inévitable Pour que ces signaux de surveillance renvoyés puissent être récupérés et analysés, on utilise une technique dans laquelle une modulation linéaire en fréquence est appliquée au signal de surveillance. L'ensemble des circuits de modulation de fréquence des signaux de surveillance et d'analyse des signaux renvoyés est représenté sous forme schématique sur la figure 3 des dessins annexés Le signal de surveillance est créé par un oscillateur 41 qui est modulé en fréquence par un générateur 42 de dents de scie ou d'une tension variant progressivement, afin qu'une modulation pratiquement linéaire soit réalisée Le signal modulé est transmis à l'émetteur 110 et est ainsi lancé dans le trajet de trans- mission aller 15 a avec les données transmises. Le signal composite du trajet de retour 15 b est transmis au récepteur 210 qui extrait les données reçues et les régénère pour la formation du signal de sortie de données Le récepteur amplifie aussi le signal composite et forme un signal de sortie comprenant les données avec les signaux de surveillance qui sont renvoyés Une partie du signal de sortie de données du récepteur est transmise à un inverseur 43 pour la formation d'un signal de données inversées Ce signal de données est transmis à une première entrée d'un circuit 44 de sommation dont l'autre entrée reçoit les données avec le signal renvoyé du récepteur Le signal de sortie du circuit de sommation, qui est ainsi le signal voulu de surveillance qui est renvoyé, est transmis à une première entrée d'un circuit multiplicateur 45 dont l'autre entrée est couplée à la sortie de l'oscillateur. On a constaté que l'utilisation de cette technique de compensation des données pouvait assurer une augmenta- tion d'environ 20 d B du rapport signal-sur-bruit du signal de surveillance qui est renvoyé Ceci est particulièrement avantageux car les signaux de surveillance qui sont ren- voyés sont à un très faible niveau. Le signal de sortie de multiplicande du circuit multiplicateur 45 est transmis par un filtre passe-bas 46 à un convertisseur analogiquenumérique 47 Ce convertisseur est synchronisé sur le générateur 41 de tension variant progressivement Le signal de sortie du convertisseur 46 peut être transmis à un ordinateur 48 qui est programmé afin qu'il effectue une analyse de Fourier des signaux et détermine ainsi par exemple le gain de la boucle correspon- dant à chaque amplificateur du système. Les bouclages réalisés à chaque répéteur donnent N copies du balayage émis qui doit être renvoyé à la borne d'émission de la fibre tournée vers l'intérieur La multi- plication par le signal transmis crée des fréquences différences, une pour chaque bouclage (les fréquences additives sont rejetées par le filtre passe-bas anti- crénelage) Si on néglige le bruit, cette forme d'onde est la somme de N sinusoïdes, et ceci constitue la forme d'onde qui est échantillonnée par le convertisseur analogique- numérique 47 Pour que la forme d'onde comporte chaque fréquence présente, l'échantillonnage est synchronisé afin qu'il commence lorsque la boucle formée par le répéteur le plus éloigné est revenue au début du balayage. En outre, le dernier échantillon qui peut être prélevé doit se trouver à la fin du balayage Ces deux synchronisations peuvent être créées à partir du balayage pour l'obtention des signaux de début et de fin transmis au convertisseur 47 afin que celui-ci soit synchronisé sur le signal de balayage. Le rapport signal-sur-bruit peut être amélioré par addition de balayages successifs Ceci nécessite que les signaux renvoyés aient toujours la même phase, et il faut donc que tous les balayages soient identiques et que les échantillons prélevés par le convertisseur se trouvent au même moment dans chaque balayage de fréquence Le bruit étant aléatoire donne une moyenne nulle pour un grand nombre de balayages. Dans la disposition de la figure 3, l'application d'un signal modulé en fréquence linéairement au trajet de transmission aller donne N copies du signal renvoyé par les bouclages et le trajet de retour, N étant le nombre d'am- plificateurs du trajet aller A la station locale, les N copies ou échos du signal modulé en fréquence sont multi- pliés par le signal original modulé en fréquence Le multiplicande subit un filtrage passe-bas permettant l'extraction des fréquences différences produites par multiplication. Le signal modulé en fréquence transmis à la ligne est Vd = sin(wt + Awt 2/2 T) ( 1) et on a fréquence instantanée dw(t)/dt = W + (Aw/T)t phase instantanée = wt + (Aw/2 T)t 2 La variation de fréquence angulaire pendant le temps T est Lw Chaque bouclage crée une copie du signal modulé en fréquence, si bien que N copies sont renvoyées Le signal reçu de surveillance est alors donné par l'expres- sion V EN reçuk=l Vksinlw(Y Tk) + (àw/2 T)(t-Tk) 2 ( 2) Tk étant le retard dans le kleme amplificateur et Vk étant l'amplitude de la k ime copie du signal. La multiplication de l'équation ( 1) par l'équation ( 2) et la conservation des seules fréquences différence donnent alors Vdiff = ( 1/2) EN Vcosl(Aw Tk/T)t + wrk-(wt 2 k/2 T) ( 3) diff k=(Awk/T k èe Aw Tk/2 T étant la fréquence représentant le k e répéteur et Tkw-(Aw T k/2 T) étant sa phase. Ainsi, grâce au signal de surveillance modulé en fréquence linéairement, un ensemble de fréquences peut être créé avec des amplitudes et des fréquences représentant le gain de boucle et la position de bouclage respectivement pour chaque bouclage du système Les figures 4 a et 4 b montrent comment les fréquences sont créées à l'aide du retard et de la multiplication La figure 4 a représente le diagramme fréquence-temps des signaux renvoyés et la figure 4 b représente le spectre de fréquence du signal renvoyé. Dans un exemple de fonctionnement du système, on considère un système ayant par exemple une longueur de 000 km ayant cent amplificateurs séparés par des inter- valles de 50 km dans chacun des trajets aller et retour. Dans un tel système, le retard dans la kième boucle est le rapport des distances de boucle et de la vitesse de la lumière dans la matière de la fibre, cette vitesse étant habituellement égale à 2 105 km/s Les retards pour la boucle la plus courte et la boucle la plus longue sont ainsi de 0,5 ms et 50 ms respectivement. Pour que le rapport signal-sur-bruit des signaux renvoyés de surveillance soit maximal, une étroite largeur de bande doit être utilisée par les circuits de détection. Ce-résultat peut être obtenu par échantillonnage numérique et utilisation de la transformation de Fourier Dans l'exemple donné précédemment, la fréquence correspondant à la plus longue boucle est par exemple de 1 Hz et la vitesse correspondante de changement de fréquence, qui est l'in- verse du retard, est de 20 Hz/s La plus faible fréquence correspondant à la boucle la plus courte est de 10 m Hz, les signaux correspondant aux amplificateurs intermédiaires étant espacés à des intervalles de 10 m Hz Grâce à l'échan- tillonnage des signaux renvoyés sur une période, la largeur de bande équivalente créée par transformation de Fourier peut être très petite si bien que le rapport signal-sur- bruit est amélioré Un autre perfectionnement peut être obtenu par sommation de balayages répétés en fréquence et formation de la moyenne des résultats Le facteur d'amélio- ration du rapport signal-sur-bruit obtenu est approximati- vement égal à 10 1 og 10 (S), S étant le nombre de balayages. Lors du fonctionnement normal du système, les signaux de surveillance renvoyés par les trajets réflecteurs sont négligeables car le trajet optique compris entre les amplificateurs est réalisé afin qu'il élimine des discontinuités qui provoquent des réflexions Cependant, dans le cas d'un défaut tel qu'une cassure de câble, les fibres cassées du câble produisent une réflexion. Dans une installation sous-marine, la conductivité de l'eau de mer environnante forme une masse efficace si bien que les amplificateurs du système peuvent être alimen- tés jusqu'au défaut Comme les amplificateurs sont ali- mentés, le signal de surveillance renvoyé par le trajet de réflexion peut alors être utilisé pour la détermination de l'emplacement du défaut. Dans le système décrit précédemment, les bouclages sont réalisés afin qu'ils donnent une moindre alternance des signaux réfléchis que des signaux de bouclage utilisés pendant le fonctionnement normal Ceci est souhaitable car le signal de réflexion par l'extrémité d'une fibre cassée est faible, et il est atténué par la longueur de fibre comprise entre la cassure et l'amplificateur le plus proche. Lorsqu'une cassure de fibre a été subie, le système ne peut évidemment plus transmettre les données de la station locale à la station distante Il est donc possible d'augmenter le rapport signal-sur-bruit du signal réfléchi par augmentation de l'amplitude de modulation du signal de surveillance transmis par la station locale En outre, comme les amplificateurs optiques du trajet de retour ne transmettent plus des données, ils ne sont pas pilotés à saturation par les signaux de données et peuvent donc donner un degré élevé d'amplification des signaux réfléchis. Bien qu'on ait décrit la technique précitée en référence à des systèmes de transmission sous-marins, elle peut évidemment s'appliquer à des systèmes à terre de grande longueur. REVENDICATIONS 1 Ensemble de surveillance destiné à un système de transmissions optiques comprenant une station locale ( 11), une station distante ( 13) et des trajets ( 15 a, 15 b) aller et retour de signaux formés entre les stations locale et distante, chaque trajet comprenant une chaine d'amplifica- teurs optiques ( 17 a, 17 b), l'ensemble de surveillance comprenant un dispositif ( 110) destiné à appliquer des signaux de surveillance à un signal optique transmis par la station locale ( 11), un dispositif ( 25 a) destiné à coupler une petite proportion du signal de sortie de chaque ampli- ficateur du trajet aller au trajet retour, et un dispositif ( 210) placé à la station locale et destiné à recevoir les signaux renvoyés par chacun des amplificateurs et à ana- lyser les signaux afin qu'il évalue les performances de chaque amplificateur, caractérisé en ce que les signaux de surveillance sont modulés en fréquence par une forme d'onde répétitive à variation progressive linéaire. 2 Ensemble de surveillance selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'analyse des signaux comporte un dispositif ( 210) destiné à extraire des signaux de données des signaux reçus, un dispositif ( 43) générateur de signaux inversés de données tirés des signaux extraits de données, et un dispositif ( 44) destiné à combiner les signaux inversés de données à une partie du signal reçu afin que les signaux de surveillance soient récupérés. 3 Ensemble de surveillance selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'analyse de Fourier agissant sur les signaux de surveillance de manière que chaque partie de signal de surveillance renvoyé par un amplificateur correspondant du système soit évalué. 4 Procédé de commande de surveillance d'un système de transmissions optiques ayant des trajets aller et retour ( 15 a, 15 b) de transmission de données, comprenant chacun des amplificateurs optiques espacés ( 17 a, 17 b), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend l'application d'un il signal de surveillance modulé en fréquence par une forme d'onde répétitive à variation progressive linéaire à des données transmises par le trajet aller, la formation, à chaque amplificateur ( 17 a) du trajet aller, d'un bouclage de signaux de manière qu'une petite proportion du signal transmis soit couplée au trajet de retour, l'extraction des signaux de surveillance renvoyés à partir des données reçues du trajet de retour, et l'analyse des signaux extraits afin que les performances de chaque amplificateur du trajet aller soient déterminées. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les signaux de surveillance qui sont renvoyés sont récupérés par extraction de signaux de données des signaux reçus, et par combinaison de l'inverse des signaux de données à une partie des signaux reçus afin que les signaux de données soient supprimés de cette partie du signal. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les signaux de surveillance récupérés sont soumis à une analyse de Fourier afin que chaque partie de signal de surveillance renvoyé par un amplificateur correspondant du système soit évaluée. 7 Système de transmissions optiques, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de surveillance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.