METHOD FOR THE IMPROVEMENT OF THE SIGNAL TO NOISE LEVEL OF NOISY SIGNALS, PARTICULARLY FOR THE MESUREMENT OF BACK-SCATTERED SIGNALS IN OPTICAL WAVE GUIDES

Abstract: 1. A method of improving the signal-to-noise ratio of noisy electric signal variations, more specifically for measuring the back-scatter signal of optical wave guides, the back-scatter signal being averaged and subsequently time-expanded and thereafter transmitted as an at least partial segment of the variation of the overall back-scatter signal variation in accordance with the desired resolution, characterized in that an analogue storage chain (1) comprising a plurality of consecutively driven capacitive stores in accordance with the desired resolution, is used as an averaging and time-expanding means, and that for this averaging operation the analogue storage chain receives a sum signal (U1 ) of the back-scatter signal (Us ) which is always present in the measuring period and its instantaneous memory content (U2 ) and the memory content which constitutes the sum signal is read destructively (erasibly).

Description: Verfahren zur Verbesserung des Signal-Rauschabstandes verrauschter elektrischer Signalverläufe, insbesondere zur Messung des Rückstreusignals von Lichtwellenleitern Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Signal-Rauschabstandes verrauschter elektrischer Signalverläufe, insbesondere zur Messung des Rückstreusignales von Lichtwellenleitern, wobei das Rückstreusignal als zumindest teilweiser Verlaufabschnitt des gesamten Rückstreusignalverlaufs entsprechend dem gewünschten Verbesserungsgrad gemittelt und anschliessend zeit expandiert ausgegeben wird. Ein derartiges Verfahren ist bereits bei einer digitalen Verarbeitung des Rückstreusignals bekannt. Hierbei wird die Rückstreusignalkurve, d. h. der Rückstreusignalver-lauf, mit einem schnellen digitalen Transientenrekorder aufgezeichnet, und dann werden die einzelnen Rückstreukurven mit Hilfe eines digitalen Rechners aus N parallelen Addierern und Speichern addiert und gespeichert, wodurch eine Mittlung erfolgt und somit vom Rauschen befreit. Die digitale Verarbeitung ermöglicht eine sehr effektive Rauschunterdrückung. Für eine Verbesserung des Signalrauscnabstandes um den Faktor M werden nur M2 kur- venverläufe zur Surirnantion benötigt. Der Nachteil dieses Verfahren ist in den kosten für den schnellen, aber hochauflösenden digitalen Transietenrekorder und in der aufwendigen Weiterverarbeitung über N parallele Addierer zu sehen. Es ist bereits auch eine analoge Verarbeitung des Rückstreusignals bekannt. Hierbei wird jeweils nur ein Punkt der Rückstreukurve, d. h. des Rückstreusignalverlaufs, die aus N-Punkten bestehen soll, genutzt. Soll der Signal-Rauschabstand um den Faktor M verbessert werden, so sind M2 . N Wiederholungen des Rückstreusignals erforderlich. Rückstreugeräte nach diesem konzept haben den Nachteil, dass der Signal Rauschabstand erst nach längerer Mittlungszeit effektiv verbessert wird. Dieser Mittlungszeit sind aber aufgrund von Drift-Effekten bzw. praktischen Anforderungen Grenzen gesetzt. Mit der herkömmlichen analogen Verarbeitung lassen sich also nur relativ kurze Lichtleitfasern bezüglich ihrer lokalen Dämpfung vermessen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltung zu schaffen, wobei auf analoger Basis mit relativ geringem Schaltungsaufwand und somit geringen kosten eine M-fache Verbesserung des Signal-Rauschabstandes mit nut M2 Messungen erzielbar ist. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass als Mittlungselement und als Zeitexpander eine Analog-Speicherkette mit einer der gewünschten Auflösung entsprechenden Anzahl von nacheinander angesteuerten kapazitiven Speichern verwendet wird. Dabei wird unter Auflösung die Anzahl N der Messpunkte des Rückstreusignals verstanden, bei denen jeweils eine Messung stattfindet. Derartige Analog-Speicherketten sind an sich bekannt, jedoch werden sie bisher nur als Zeitexpander verwertet, wobei ein einzelner gewisser Signalverlauf (Signalkurve) gespeichert und zeitverzögert ausgegeben wird. Erfindungsgemäss wird aber nicht nur ein einzelner Signalverlauf gespeichert, sondern ein Summensignal entsprechend M2 Signalverläufen, d. h. beispielsweise bei der Messung des Rückstreusignals von Lichtwellenleitern M2 Rückstreusignalverläufe bei einer gewünschten Ver besserung des Signal-Rauschabstandes um den Faktor M. Erfindungsgemäss ist es hierbei weiter von Vorteil, wenn zur Mittlung die Analog-Speicherkette mit einem Summensignal aus dem im Messzeitraum vorhandenen Rückstreusignal und ihrem jeweiligen Speicherinhalt beaufschlagt und der das Summensignal teilweise bildende Speicherinhalt destruktiv ausgelesen (gelöscht) wird. Erfin dungsgemäss erfolgt die Bildung des Summensignals derart, dass die beiden Signalverläufe zeitrichtig addiert werden. Nach dem Abschluss der Mittlung, wobei die Anzahl der Mittlungen durch den Eingangs-Spannungsdynamikbereich und die maximale Speicherzeit festgelegt wird, wird das in der Analog-Speicherkette anstehende Su=en- signal zeitexpandiert zur Anzeige oder Weiterverarbeitung ausgelesen. Hierbei kann das verbesserte Signal seriell mit wählbarer Taktrate hinter einer Sample & Hold-Stufe zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen. Genügt der bereits erreichte Signal-Rauschabstand, so kann das Signal beispielsweise auf einem Schreiber zur Auswertung dargestellt werden. Ist der Signal-Rauschabstand noch nicht ausreichend, so ist eine Verarbeitung in Form weiterer digitaler Mittlung vorstellbar. Dabei genügt hier eine langsame und damit kostengünstige digitale Elektronik, beispielsweise aus Analog-Digital-Wandler, Addierer, Speicher, zur weiteren Verarbeitung. Erfindungsgemäss kann es ebenfalls vorteilhaft sein, jeweils nur einen Ausschnitt bestimmter Zeitdauer des Rückstreusignalverlaufs zur Summation einzulesen. Hierdurch kann dann beispielsweise bei der Rückstreumessung von Lichtwellenleitern ein bestimmter Abschnitt der gesamten Lichtwellenleitung in bezug auf seine Dämpfung ausgemessen werden. In den Unteransprüchen 7 bis 13 ist eine vorteilhafte Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens enthalten. Anhand des in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Schaltungsbeispiels wird nun die Erfindung näher erläutert. Eine erfindungsgemässe Schaltung zur Verbesserung des Signal-Rauschabstandes verrauschter elektrischer Signalverläufe, insbesondere zur Messung des Rückstreusignals von Lichtwellenleitern, besteht aus einer Analog Speicherkette 1, an deren Eingang ein Analog-Addierer 2, der durch einen entsprechend geschalteten Operationsverstärker realisierbar ist, über einen Analog-Schalter 3, der aus einem oder mehreren Feldeffekt-Transistoren aufbaubar ist, angeschlossem ist. Die erfindungsgemäB verwendete Analog-Speicherkette besteht aus einer der ge wünschen Auflösung entsprechenden Anzahl von nacheinander angesteuerten kapazitiven Speichern. Bekannte Analog Speicherketten sind die sogenannten Charge-Transfer-Devices (CTD) oder die sogenannten Single-Transfer-Devices (STD). Auf den Eingang der Analog-Speicherkette wird die Spannung U1 über den Analog-Schalter 3 angelegt. Am Ausgang der Analog-Speicherkette 1 steht die Spannung U2 an. Diese Spannung U2 wird über eine Rückführungsleitung L1 an den Eingang des Analog-Addierers 2 angelegt. Gleichzeitig steht an dem anderen Eingang des Analog-Addierers 2 eine Spannung U5 an, die dem gemessenen Rückstreusignalverlauf des Rückstreusignals eines Lichtwellenleiters entspricht. Hierbei kann es sich jedoch auch um jeden anderen beliebigen verrauschten Signalverlauf handeln. In dem Analog-Addierer 2 werden die Ausgangsspannung U2 der Analog-Speicherkette und die Eingangsspannung U5 zeitrichtig addiert, so dass sich die Aus gangsspannung U1 aus der Summe dieser beiden Spannungen wie folgt ergibt: Ul =Us + k b U2. Der Ausgang der Analog-Speicherkette ist weiterhin mit dem Eingang einer Sample & Hold-Schaltung 4, z.B. vom Typ FHM-UH3 der Fa. Datel, USA verbunden. Der Steuereingang 5 des Analogschalters und der Steuereingang 6 der Analog-Speicherkette 1 werden jeweils über eignen Zähler 7 und einen Trigger-Generator 8 angesteuert, die ihrerseits am Punkt T mit einem nicht dargestellten Laser Trigger verbunden sind. Der Generator und der Zähler sind aus mehreren digitalen, integrierten Schalterkreisen, z.B. der TTL (Transistor-Transistor-Logik)-Familie realisierbar. Der Laser-Trigger ist von T aus über eine Leitung L, ein UND-Gatter 9 und eine Diode 10 ebenfalls auf den Steuereingang 6 der Analog-Speicherkette 1 geschaltet. Die Verbindung des Laser-Triggers mit dem Trigger-Generator 8 erfolgt über ein UND-Gatter ii, und der Ausgang des Zählers 7 mit der Ausgangsspannung U3 ist mit einem negierenden Eingang des UND-Gatters 11 an den Trigger-Generator 8 angeschlossen. Die Ausgangsspannung des UND-Gatters ii ist U4, und die Ausgangsspannung des Trigger-Generators ist U5. Der Trigger-Generator 8 ist über eine Diode 12 mit dem Steuereingang 6 der Analog-Speicherkette 1 verbunden. Die Dioden 10 und 12 dienen zur Entkopplung. Die Sample & Hold-Schaltung 4 weist ebenfalls einen Steuereingang 1 5 auf, der über eine Leitung L2 mit dem Ausgang des UND-Gatters 9 verbunden ist. Der Ausgang des Zählers 7 ist direkt mit dem Steuereingang 5 des Analog-Schalters 3 verbunden, so da± dort die Spannung U3 ansteht, und weiterhin mit einem Eingang des UND Gatters 9, an dessen anderem Eingang die Leitung L vom Laser-Trigger über T angeschlossen Die Funktionsweise der erfindungsgemässen Schaltung ist wie folgt. Vor dem Einlesen der ersten Rückstreukurve, d. h. dem ersten Rückstreusignalverlauf, steht der Zähler 7 nach dem Einschalten auf O, d. h. z - O, wobei z die Anzahl der eingelesenen Rückstreukurven darstellt. In diesem Zustand befindet sich kein Signal in der Analog-Speicherkette 1. Damit ist U3 = O, und das UND-Gatter 11 vor dem Trigger-Generator 8 ist aktiviert. Wird nun ein nicht dargestellter Laser, dessen Licht in eine nicht dargestellte, zu messende Lichtleitfaser eingestrahlt wird, getriggert-, so -gelangt dessen Triggerimpuls von T aus über das UND-Gatter 11 auch auf den Trigger-Generator 8. Dieser Trigger-Generator 8 erzeugt N Taktimpulse am Steuer eingang 6-(Takteingang)der Analog-Speicherkette 1. Da für U3 = O der Analog- schalter 3 geschlossen ist, werden N-Abtastwerte in die Analog-Speicherkette eingelesen. Hierbei ent- spricht jeder Abtastwert einem Punkt auf der Rückstreukurve, d.h. dem Rückstreisignalverlauf, der durch die Spannung U5 wiedergegeben wird Aus diesem Grunde besitzt die Analog-Speicherkette eine der Zahl N entsprechende Anzahl von kapazitiven Speichern. Durch Verzögerung des Laser-Triggers am Eingang des Trigger-Generators 8 lässt sich ein Ausschnitt aus der zu messenden Rückstreukurve ebenfalls einlesen. Es wird demnach ein Zeitfenster aus dem gesamten Rückstreukurvenverlauf ausgewählt, das durch die Veränderung der Verzögerung entlang dem Rückstreukurvenverlauf verschoben werden kann. Nach dem Einlesen der ersten RückstreuEurve erfolgt nun die Addition von Rückstreukurven im Analog-Addierer 2. Dies erfolgt, wenn ein weiterer Laser-Triggerimpuls bei T ansteht und von dort auf den Trigger-Generator 8 über das UND-Gatter 11 gelangt. Hierdurch werden wieder N Taktimpulse an den Steuereingang 6 der Analog-Speicherkette gelegt. Am Ausgang der Analog-Speicherkette 1 treten nacheinander die Inhalte von N Speicherplätzen auf. Diese Inhalte werden dann über die Rückführungsleitung L1 mit Hilfe des Analog-Addierers 2 zeitrichtig zur vorliegenden Rückstreukurve mit der Spannung U5 addiert und erneut als Spannung U1 entsprechend der Formel U1 =U3 + k ¯ U2 addiert und erneut abgespeichert. Um diese zeitrichtige Addition zu garantieren, ist je nach Organisation des Analogie-Speichers der Analog-Speicherkette 1 ein Verzögerungselement in der Rückführungsleitung L1 erforderlich. Bei weiteren Triggerimpulsen erfolgt eine Wiederteilung des vorbeschriebenen Vorgangs. Beim Zählerstand z a (m-N) = Anzanl der Messpunkte auf der Rück streukurve wird der Eingang des Trigger-Generators 8 abgeschaltet und der Analog-Schalter 3 geöffnet. m bezeichnet den Zählerstand, bei dem der Zähler 7 wieder auf z = O gesetzt wird. Der Mittlungsvorgang ist jetzt abgeschlossen. Hiernach erfolgt nun ein zeitexpandiertes Auslesen des gemittelten Signals U1e In diesem Fall ist z zum-N, so dass U3 = 1 ist. Damit ist der Eingang des Trigger Generators 8 abgeschaltet. Über die Leitung L werden dann die Triggerimpulse des nicht dargestellten Lasers vom Punkt T aus direkt an die Steuereingänge 6, 15 der Analog-Speicherkette t und der Sample & Hold-Stufe 4 gelegt. Am Ausgang 13 der Sample & Hold-Stufe 4 liegen die N-Analog-Abtastwerte nach M-facher Verbesserung als Ua an (M2 s m-N-1). Die Rate, mit der die Abtastwerte am Ausgang 13 auftreten, entspricht hier der Lasertaktrate. Es sind Jedoch auch andere Ausleseraten möglich, wenn ein entsprechender Taktgenerator an den Eingang T des UND-Gatters 9 gelegt wird. Bei z = m ist in die N Speicherplätze eine O eingelesen. Der Zähler wird wieder auf O gesetzt und damit der Lasertakt auf den Trigger Generator 8 durchgeschaltet und der Analog-Schalter 3 geschlossen, so dass wiederum das Einlesen der ersten Rückstreukurve beginnen kann. Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens und der hierzu gehörigen Schaltung liegen in einer effektiven Rauschmittlung, da das gesamte Rückstreusignal genutzt wird, in einem kostengünstigen Verfahren, da ausschliesslich analoge Schaltelemente verwendet werden können, in einer einfachen Möglichkeit, einen Ausschnitt des Rückstreusignals darzustellen, und zwar durch Verzögerung des Laser-Triggers vor dem Trigger Generator und in einer einfachen Bestimmung des Rückstreuortes durch Impulszählung des Sample s Hold-Stufentaktes.

Claims: Ansprüche: 1. Verfahren zur Verbesserung des Signal-Rauschab standes verrauschter elektrischer Signalverläufe, insbesondere zur Messung des Rückstreusignals von Lichtwellenleitern, wobei das Rückstreusignal als zumindest teilweiser Verlaufabschnitt des gesamten Rückstreusignalverlaufs entsprechend dem gewünsch ten Auflösungsgrad gemittelt und anschliessend zeit expandiert ausgegeben wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Mittlungselement und als Zeitexpander eine Analog-Speicherkette mit einer der gewünschten Auflösung entsprechenden An zahl von nacheinander angesteuerten kapazitiven Speichern verwendet wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Mittlung die Analog-Speicherkette mit einem Summensignal (U1) aus dem im Messzeitraum jeweils vorhandenen Rück streusignal (uns) und ihrem jeweiligen Speicherin halt (U2) beaufschlagt und der das Summensignal teilweise bildende Speicherinhalt destruktiv aus gelesen wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abspeicherung des Summensignals (U1) entsprechend der gewünsch ten Verbesserung erfolgt, und zwar bei einer ge wünschten Verbesserung um den Faktor M erfolgt eine M2 -fache Summation. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 31 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die beiden das Summensignal (U1) bildenden Signalverläufe (u5 und U2) zeitrichtig addiert werden. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass nach Abschluss der Mittlung das in der Analog Speicherkette anstehende Summensignal (u2) zeit expandiert zur Anzeige oder Weiterverarbeitung ausgelesen wird. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jeweils nur ein Ausschnitt bestimmter Zeit dauer des Rückstreusignalverlaufs (uns) zur Summation eingelesen wird. 7. Schaltung zur Verbesserung des Signal-Rauschab standes verrauschter elektrischer Signalverläufe, insbesondere zur Messung eines durch eine Licht quelle erzeugten Rückstreusignals von Lichtwellen leitern, insbesondere zur Durchführung des Verfah rens nach den Ansprüchen 1 bis 6, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Analog-Speicher kette (1) mit einer der gewünschten Auflösung ent sprechenden Anzahl von nacheinander angesteuerten kapazitiven Speichern, an deren Eingang ein Analog Addierer (2) über einen Analog-Schalter (3) ange schlossen ist und der Ausgang der Speicherkette (1) an einen Eingang des Analog-Addierer (2) über eine Leitung (L1) rückgeführt ist, und an einem weite- ren Eingang des Analog-Addierers (2) der Rückstreu signalverlauf als Spannungssignal angelegt ist. 8. Schaltung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Analog-Schalter (3) und die Analog-Speicherkette (1) jeweils einen Steuereingang (5,6) aufweisen, die von einem Trigger (T) der das Rückstreusignal erzeugenden Lichtquelle direkt und/oder indirekt über einen Trigger-Generator (8) und/oder Zähler (7) ange steuert sind. 9. Schaltung nach Anspruch 8, d a d u r c'h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Lichtquellen Trigger (T) über ein UND-Gatter (9) mit dem Steuereingang (6) der Analog-Speicherkette (1) verbunden ist, und der zweite Eingang des UND Gatters (9) an den Ausgang des Zählers (7) ange schlossen ist, dessen Eingang mit dem Lichtquel len-Trigger (T) verbunden ist. 10. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ausgang des Zählers (7) über einen negier ten Eingang eines UND-Gatters (11) mit dem Trigger Generator (8) verbunden ist und der andere Eingang des UND-Gatters (11) an den Lichtquellen-Trigger (T) angeschlossen ist. 11. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ausgang des Zählers (7) direkt mit dem Steuereingang (5) des Analog-Schalters (3) verbunden ist. 12. Scaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ausgang der Analog-Speicherkette (1) mit einer Sample & Hold-Schaltung (4) ver bunden ist. 13. Schaltung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Steuereingang (¯5) der Sample & Hold-Schaltung (4) mit dem Ausgang des UND-Gatters (9) verbunden ist.

Inventors: HECKMANN, SIEGFRIED, DIPL.-ING., NEUMANN, ERNST-GEORG, PROF.DR.
Applicants: PHILIPS KOMMUNIKATIONS INDUSTRIE AG
Application year: 1982
Main classification: H04B9
IPC codes: G01R29, G01M11, H04B10