Brevet FR2908513A1 — publié le 20080516

SYSTEME D'ECHANTILLONNAGE EN TEMPS EQUIVALENT Cette invention concerne des instruments de test et de mesure, et plus particulièrement l'échantillonnage en temps équivalent et, par exemple, un réflectomètre optique dans le domaine temporel (OTDR pour "Optical Time Domain Reflectometer") qui emploie un système d'échantillonnage en temps équivalent perfectionné. Un réflectomètre OTDR est un instrument de test pour fibre op-tique qui lance des impulsions lumineuses dans une fibre, puis mesure les signaux lumineux réfléchis en arrière, en fonction du temps. En examinant le résultat, on peut déterminer une information utile telle que la position et les pertes de connecteurs et la longueur de fibre. En se référant à la figure 1 qui est un schéma synoptique d'un réflectomètre OTDR conforme à l'art antérieur, on note que certains des blocs fonctionnels caractéristiques dans un réflectomètre OTDR compren-nent : Une source de lumière à diode laser 12, une source de courant pulsé pour le laser, 14, un récepteur de lumière à photodiode 16, un cou-pleur directionnel à fibre 18, des amplificateurs 20, un convertisseur ana-logique - numérique (CAN) 22, une unité de génération de conditions temporelles d'acquisition comprenant un dispositif de déclenchement d'impulsions 24 et une horloge de CAN 26, une mémoire pour l'acquisition de trace 28, une unité de commande (Processeur de Signal Numérique (DSP pour "Digital Signal Processor")) 30, et une interface / visualisation d'utilisateur 32. Un réflectomètre OTDR doit être capable de générer des enregistrements temporels sur une large gamme de longueurs d'enregistrement et de pas temporels, pour admettre diverses longueurs de fibre, de- 2908513 2 puis des très courtes jusqu'à des très longues, par exemple 100 kilomètres, avec des pas temporels de trace de 0,3125 ns jusqu'à 40 ns. Des enregistrements de mesure de temps sont construits sur de nombreuses répétitions d'impulsions au lieu d'une seule impulsion, pour deux raisons : 5 - de petits pas temporels, inférieurs à 1,0 ns, sont nécessaires pour des câbles courts. Des CAN pratiques ne peuvent pas échantillonner aussi rapidement en temps réel. Par exemple, un CAN caractéristique pourrait avoir une période d'échantillonnage de 40 ns; et - des niveaux de signaux reçus sont si faibles que de nombreux 10 échantillons doivent être prélevés et faire l'objet d'un calcul de moyenne pour chaque point de trace, pour augmenter le rapport signal à bruit. Pendant chaque répétition d'impulsion, un sous-ensemble des points de données de trace exigés est acquis. Tous les différents sous-ensembles qui, pris ensemble, constituent l'enregistrement de trace, sont 15 acquis et stockés en mémoire sur une séquence de répétitions d'impul- sions dont le nombre est au moins le suivant : (période d'horloge de CAN) / (pas temporel de trace). Ce processus d'acquisition et de stockage sur une séquence de répétitions d'impulsions est répété si un calcul de moyenne est employé. 20 Par exemple, avec (période d'horloge de CAN) = 40 ns et (pas temporel de trace) = 0,3125 ns, le nombre exigé de répétitions d'impulsions est au moins de 40/0,3125 = 128. Si 64 termes de calcul de moyenne sont nécessaires, le nombre de répétitions d'impulsions est égal à 128*64 = 8192. 25 Lorsque la mémoire de trace résultante est correctement ordonnée, le résultat est une trace en temps équivalent qui est identique à ce qui serait obtenu en temps réel à la cadence de pas temporels de trace, ou 3,2 GHz pour l'exemple présent. Des formes de réalisation d'OTDR en conformité avec l'art anté- rieur parviennent à une résolution de base de temps fine en utilisant une technique d'entrelacement d'échantillonnage séquentiel, dans laquelle la cadence d'horloge de CAN détermine des intervalles d'échantillons grossiers, et un circuit de retard réglable analogique qui précède le générateur d'impulsions produit les intervalles fins. Chaque répétition d'impul- sion emploie un réglage de retard différent pour couvrir tous les points de 2908513 3 trace exigés. Cependant, dans une telle forme de réalisation, le circuit de retard exige des composants rapides et de précision, et doit également être étalonné pour tenir compte de variations de composants, et il est su-jet à une erreur induite par la température. Un tel système de l'art anté- 5 rieur comprend de façon caractéristique un générateur de signaux en rampe à condensateur I source de courant constant, qui est connecté à un comparateur rapide. L'autre signal d'entrée du comparateur provient d'un convertisseur numérique -analogique (CNA). En faisant varier le réglage du CNA avec le processeur de signal numérique 30, on obtient un retard 10 variable entre le début de la rampe et le déclenchement du comparateur, pour produire un retard du signal de déclenchement réel des lasers d'OTDR. Certains inconvénients de la technique de l'art antérieur comprennent 15 - la nécessité d'effectuer un étalonnage avant une séquence d'acquisition pour étalonner le générateur de retard variable, en déterminant les valeurs de CNA qui correspondent à la position de deux fronts d'horloge de conversion AIN successifs, en utilisant le signal "Etat d'Etalonnage" comme une rétroaction indiquant la position relative du Déclenchement 20 Retardé, vis-à-vis du front d'horloge de conversion AIN; - la nécessité de calculer des valeurs de CNA pour créer l'entre-lacement désiré d'échantillons dans le système d'échantillonnage en temps équivalent; - un matériel analogique très exigeant en ce qui concerne la ra-25 pidité et la précision est nécessaire; et - des erreurs résultant d'effets du second ordre. Le calcul de valeurs de CNA pour créer l'entrelacement d'échantillons est sujet à certains problèmes dans la mesure où le retard est créé en utilisant des systèmes analogiques, et est donc sujet à erreurs. En ou- 30 tre, l'étalonnage exige de déplacer le front montant du signal de Déclenchement Retardé jusque dans la région d'établissement I maintien d'un composant numérique attaqué par un signal d'horloge, ce qui est susceptible d'occasionner une condition métastable qui peut conduire à un étalonnage erroné du générateur de retard variable. De plus, le générateur 35 d'impulsions laser dépend de l'utilisation de constantes de temps RC pour 2908513 4 commander les largeurs d'impulsions laser. Des variations et des erreurs de composants individuels occasionnent des variations entre un dispositif et le suivant lorsqu'on fabrique des dispositifs. Il serait souhaitable d'avoir un système OTDR qui procure une 5 meilleure précision de taille de pas, qui ne nécessite pas de réglages d'étalonnage et qui soit dépourvu de dérive en température. Résumé de l'Invention Conformément à l'invention, un réflectomètre OTDR emploie deux sources de fréquence asservies en phase, parmi lesquelles une 10 source applique un signal d'horloge à un générateur d'impulsions de stimulus, et l'autre source règle la cadence d'échantillonnage de signal. On obtient ainsi un échantillonnage en temps équivalent avec une large gamme de cadences de répétition d'impulsions et de pas temporels. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront 15 mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels des caractères de référence semblables désignent des éléments semblables, et dans les-quels : 20 La figure 1 est un schéma synoptique d'un réflectomètre OTDR conforme à l'art antérieur; La figure 2 est un schéma synoptique d'un réflectomètre OTDR conforme à la présente invention; La figure 3 est un schéma illustrant les calculs d'adresse qui 25 sont employés en conformité avec la présente invention pour le stockage d'échantillons en temps équivalent acquis; La figure 4 est une représentation graphique montrant un exemple de relation entre des positions de temps réel et de temps équivalent en mémoire de données; et 30 La figure 5 est un schéma d'un mode de réalisation particulier du système d'acquisition. Le système conforme à un mode de réalisation préféré de la présente invention comprend un réflectomètre optique dans le domaine temporel employant un système d'échantillonnage en temps équivalent 35 perfectionné. 2908513 5 Le système est conçu de façon que l'horloge d'impulsions soit suffisamment différente de l'horloge d'échantillons pour que, sur chaque répétition d'impulsion, un ensemble différent d'instants d'échantillons soit obtenu. Lorsque ces échantillons en désordre sont réarrangés, un enre- 5 gistrement de réponse d'impulsion complète est obtenu avec la taille de pas temporel désirée. La séquence d'acquisition est continue dans le sens où le convertisseur analogique -numérique (CAN) est constamment attaqué avec la même cadence d'horloge, et des impulsions sont générés tous les M cycles d'horloge d'impulsions, sur le temps d'acquisition entier, 10 incluant des répétitions pour le calcul de moyenne. Du fait que le CAN est toujours attaqué avec un signal d'horloge à sa cadence maximale, le processus a l'efficacité temporelle la plus élevée possible. La sélection de fréquences d'échantillons et d'impulsions est effectuée conformément à une explication donnée ci-dessous. 15 En se référant à la figure 2, qui est un schéma synoptique d'un réflectomètre optique dans le domaine temporel conforme à la présente invention, on note qu'un bloc d'unité de commande d'acquisition d'échantillons 40 est connecté à une mémoire d'acquisition 42 et un convertisseur AIN 44. Le convertisseur AIN fournit de façon appropriée, à l'unité de 20 commande d'acquisition d'échantillons 40, des données résultant d'une conversion A/N à 12 bits. Le convertisseur A/N 44 reçoit par l'intermédiaire d'un amplificateur 46 des signaux analogiques provenant d'un bloc de détecteurs 48, qui sont de façon appropriée des détecteurs à photo-diodes, connectés au réseau optique à fibre sous test 50. 25 Une horloge d'échantillons 52, ayant de façon appropriée une fréquence de 25 MHz, applique un signal d'horloge au convertisseur A/N 44, à l'unité de commande d'acquisition d'échantillons 40 et à un bloc de boucle d'asservissement de phase 54. Le bloc de boucle d'asservissement de phase fournit un signal SYNC à l'unité de commande d'acquisition 30 d'échantillons 40 et à un générateur d'impulsions 56. La boucle d'asservissement de phase 54 génère également un signal de tension de commande qui est appliqué à un oscillateur commandé par tension 58, qui applique un signal d'horloge d'impulsions au générateur d'impulsions 56. Le générateur d'impulsions 56 produit un signal de déclenchement, appli35 qué à un bloc de laser 60 qui est connecté à la sortie du réseau à fibre 2908513 6 optique 50. Un bloc de visualisation / interface d'utilisateur 62 est égale-ment incorporé pour interagir avec l'utilisateur, pour recevoir des ordres de fonctionnement et visualiser des résultats. En fonctionnement, la boucle d'asservissement de phase fait en 5 sorte que l'horloge d'impulsions provenant de l'oscillateur commandé par tension 58 et appliquée au générateur d'impulsions 56 fonctionne à une fréquence de Horloge d'Échantillons * 128/67, dont la valeur nominale est de 47,76119 MHz dans le mode de réalisation illustré, avec l'horloge d'échantillons de 25 MHz. Le signal SYNC provenant de la boucle d'asservissement de phase indique l'instant auquel les deux horloges sont en phase et leurs fronts montants sont alignés. Le bloc d'unité de commande d'acquisition d'échantillons 40 et le bloc de générateur d'impulsions 56 utilisent le signal SYNC pour déterminer l'instant idéal pour commencer le déclenchement d'un laser 60 et pour stocker des données d'échantillons 15 provenant du convertisseur A/N. Les fréquences des échantillons et des impulsions peuvent être choisies conformément aux critères suivants. Premièrement, on choisit la cadence d'horloge d'échantillons, qui est la cadence de conversion pour le CAN. On désire généralement 20 que celle-ci soit aussi rapide qu'il est possible en pratique, compte tenu du nombre de bits nécessaire et du fait que l'unité de commande doit être capable d'admettre cette vitesse. Ts = période d'échantillonnage (cadence d'horloge du CAN) Ensuite, on choisit la taille désirée de pas temporel minimal, qui 25 est la plus fine résolution de pas temporel disponible pour le réflectomè- tre OTDR. Elle doit être égale à Ts divisée par un entier Ns. Tq = Ns Ns = nombre de pas minimaux, ou quanta, par s période d'échantillon L'ensemble de diviseurs de Ns sont les choix possibles de pas 30 temporels de trace, en unités de pas temporel minimal. Exemple Si l'horloge d'échantillons est de 25 MHz et Ns = 128, alors: 2908513 7 TS=40ns=NSxTq= 128 x (0,3125 ns) L'ensemble de diviseurs pairs de 128 (tailles de pas disponibles, qui sont des multiples du pas minimal), est : 1 2 4 8 16 32 64 128 5 Ceci est l'ensemble de pas temporels de trace disponibles, en unité de 0,3125 ns. On notera que si on le désire, il est possible d'obtenir des pas temporels plus rapprochés, non binaires, en choisissant un NS approprié, tel que le nombre surabondant 120. Ce nombre a pour diviseurs : 10 1 2 3 4 5 6 8 10 12 15 20 24 30 40 60 120 Ensuite, nous choisissons la période d'horloge d'impulsions. Comme la période d'horloge d'échantillons, la période d'horloge d'impulsions doit être un nombre entier de pas temporels minimaux : Tp=NpxTq 15 La période d'horloge d'impulsions et la période d'horloge d'échantillons, en unité de pas temporel minimal, ne doivent pas avoir de diviseurs communs autres que 1, pour obtenir tous les pas temporels disponibles. Ceci est toujours vrai si Np est premier, mais le caractère premier n'est pas obligatoire. 20 Np et NS ne doivent pas avoir de diviseurs communs En poursuivant l'exemple, avec NS = 128, nous pouvons choisir Np = 67, du fait que 67 est premier et ne partage aucun facteur commun avec 128. Tp = 20,9375 ns = Np x Tq = 67 x (0,3125 ns) 25 Fréquence d'horloge d'impulsions = T = 47,7612 MHz P Une taille particulière de pas temporel issue de l'ensemble de valeurs disponibles est obtenue en choisissant de façon appropriée la période de répétition d'impulsions, qui est un multiple entier de périodes d'horloge 2908513 d'impulsions. PRP = M x Tp, période de répétition d'impulsions Il y a de nombreuses valeurs de M qui donnent une taille de pas particulière, et elles doivent être choisies conformément à la règle sui-5 vante. La taille de pas est le plus grand commun diviseur du nombre d'horloges d'impulsions et de la période d'horloge d'échantillons, avec la taille de pas et la période d'horloge d'échantillons exprimées en unités de quanta. 10 La condition s'exprime mathématiquement de la façon suivante : Q = pgcd(M, Ns) nombre de "quanta" temporels par pas temporel de trace En poursuivant l'exemple, si nous désirons Tet = 1,25 ns = pas temporels de trace, alors avec Tq = 0,3125 ns, nous avons besoin d'avoir 15 Q = 4, et nous devons vérifier l'équation : Q = 4 = pgcd(M, 128) Nous supposons également que nous avons une période de ré-pétition d'impulsions minimale de 1 ps. Ceci établit une valeur minimale pour M : 20 M > partie entière de PZ = 1 s = 47 Tp 20,9375 ns Nous effectuons maintenant une incrémentation à partir de cet entier minimal jusqu'à ce que la condition relative au plus grand commun diviseur, mentionnée ci-dessus, soit remplie, ce qui dans l'exemple se produit pour M = 52, ce qui donne une période de répétition d'impulsions 25 de 1,089 ps. En résumé, nous avons les paramètres de système suivants : Q = pas temporel en unité de Tq = 4 Tq = taille de pas minimal = 0,3125 ns TS = période d'échantillons = 40 ns (horloge d'échantillons de 30 25 MHz) 2908513 9 Tp = période d'horloge d'impulsions = 20,9375 ns (horloge d'impulsions de 47,7612 MHz) M = nombre de périodes d'horloge d'impulsions par répétition d'impulsions = 52 5 R = longueur d'enregistrement de trace (M * Np) l Q = 871 points à un espacement de 1,25 ns Npr = nombre de répétitions d'impulsions = Ns I Q = 32 par moyenne. Séquence d'acquisition : 10 Pour effectuer une acquisition de données, un bloc de mémoire de traces 42 (figure 2) de longueur R est alloué et initialisé à zéro. Des signaux de déclenchement d'impulsions sont produits par un circuit de compteur qui forme un signal de déclenchement d'impulsions tous les M cycles d'horloge d'impulsions. Des lectures de CAN sont produites conti- 15 nuellement à la cadence d'horloge d'échantillons. En partant d'une position de déclenchement d'impulsion prédéterminée, par rapport à l'horloge d'échantillons, des lectures de CAN sont sommées dans la mémoire de traces. Ceci peut être accompli de deux manières : Dans la première manière, on fait la somme de lectures de CAN 20 dans R positions de mémoire successives. Dans cette version, des positions de mémoire sont en ordre d'acquisition en temps réel, et ce processus est recommencé en boucle pour le nombre de termes désirés dans le calcul de moyenne. Après l'achèvement de l'acquisition, la trace en temps équivalent est obtenue en réordonnant les points en temps réel de la fa- 25 çon suivante : mod(kxNs, MxNp ) indexéquiv(k) Q O s k R-1 On notera que mod(x, y) signifie x modulo y, ce qui signifie le reste après division de x par y. Suite de l'exemple : 30 L'index en temps équivalent, en fonction de la séquence de mémoire en temps réel, dans lequel k est l'adresse de mémoire relative, est : indexéquiv(k) = mod(k x 148, 3 484) 0 REVENDICATIONS 1. Système de réflectométrie optique dans le domaine temporel en temps équivalent, caractérisé en ce qu'il comprend : une horloge d'échantillons; une horloge d'impulsions; une boucle d'asservissement de phase (54) recevant l'horloge d'échantillons et l'horloge d'impulsions et générant un signal de synchronisation, SYNC; un générateur d'impulsions (56) recevant le signal SYNC et l'horloge d'impulsions et générant un signal de déclenchement pour déclencher une impulsion de test; et un bloc d'acquisition d'échantillons (40) recevant le signal SYNC pour recevoir un signal de réponse qui est produit à partir de l'impulsion de test. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une mémoire (42) pour stocker des échantillons acquis provenant du bloc d'acquisition d'échantillons (40); et un calculateur d'adresse pour déterminer une adresse de mémoire dans laquelle stocker des échantillons en temps réel respectifs, afin de stocker lesdits échantillons en ordre de temps équivalent. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une mémoire (42) pour stocker des échantillons acquis provenant du bloc d'acquisition d'échantillons (40), en un ordre de temps réel d'acquisition; et un système pour réordonner des échantillons, conçu pour adresser la mémoire (42) pour extraire des échantillons de celle-ci en ordre de temps équivalent, après l'acquisition. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système comprend un réflectomètre optique dans le domaine temporel. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la-dite impulsion de test déclenche un signal d'impulsion de test optique. 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de réponse reçu comprend un signal optique. 7. Système d'échantillonnage en temps équivalent, comprenant : des première et deuxième sources de fréquence (52, 58), asservies en phase; un convertisseur analogique - numérique (44) ayant une horloge d'échantillons élaborée à partir de l'une (52) desdites première et 2908513 14 deuxième sources de fréquence; et un générateur d'impulsions de test (56) ayant une horloge d'impulsions de test élaborée à partir de l'autre (58) desdites première et deuxième sources de fréquence. 8. Système d'échantillonnage en temps équivalent selon la re- 5 vendication 7, caractérisé en ce que les fréquences desdites première et deuxième sources (52, 58) sont choisies de façon à être mutuellement différentes. 9. Réflectomètre optique dans le domaine temporel, utilisant le système d'échantillonnage en temps équivalent selon la revendication 7. 10 10. Procédé pour l'échantillonnage en temps équivalent, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : fournir une allocation de mémoire de stockage d'échantillons (42); fournir des stimuli à une première cadence d'horloge; échantillonner une réponse aux stimulus à une deuxième cadence d'horloge; stocker les réponses échantillonnées 15 dans la mémoire de stockage d'échantillons (42). 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel ladite étape de stockage des réponses échantillonnées dans la mémoire d'échantillons (42) comprend la détermination d'une position en temps équivalent d'un échantillon donné, et le stockage dudit échantillon à sa position en temps 20 équivalent respective dans la mémoire (42), pour fournir un ensemble de réponses ordonnées en temps équivalent. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'étape de stockage des réponses échantillonnées dans la mémoire d'échantillons comprend le stockage de la réponse échantillonnée dans 25 une position relative en temps d'échantillonnage réel dans la mémoire ; et l'opération consistant à réordonner les échantillons en un ordre de temps équivalent après l'obtention d'un ensemble d'échantillons désiré. 13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la première cadence d'horloge est déterminée de la façon suivante : sélec- 30 tionner une taille de pas temporel minimal, Tq, comme étant une valeur de la période d'horloge d'échantillons divisée par un entier N; sélectionner une période d'horloge d'impulsions comme étant un nombre entier de pas temporel minimal, la période d'horloge d'impulsions et la période d'horloge d'échantillons n'ayant pas de diviseurs communs autres que 1; sélec- tionner une période de répétition d'impulsions comme un multiple entier M 2908513 15 de périodes d'horloge d'impulsions, pour déterminer la taille de pas temporel, la taille de pas temporel étant le plus grand commun diviseur du nombre de périodes d'horloge d'impulsions et de la période d'horloge d'échantillons, en unité de taille de pas.