OPTICAL MEASURING PROCESS

Abstract: An optical measuring method for glass fibre links in which a transmitter is connected to the start of the link and a receiver is connected to its end, the transmitted optical signal being sinusoidally or rectangularly modulated and being evaluated by means of a correlation process in the measuring receiver for the measurement. <IMAGE>

Description: Messverfahren zur Messung einer GlasfÅaser-Strecke Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Messung einer Glasfaser-Strecke in der Nachrichtentechnik. Solche Messverfahren sind in den Literaturzitaten (1-6) beschrieben. Diese Verfahren beruhen darauf, dass in das eine Ende der Glasfaser ein optisches Signal eingekoppelt wird und am anderen Ende die austretende Lichtleistung gemessen wird. Dabei unterscheidet man zwischen dem Abschneide-Verfahren (twopoint-method) und dem Einfügungs-Verfahren (insertion-lass- method). Das Abschneide-Verfahren ist das am längsten bekannte Verfahren. Bei dieser Methode wird zweimal gemessen. Zuerst wird die Lichtleistung P1 am Ende der Testfaser festgestellt und danach schneidet man einige Meter nach der Einkoppelstelle die Faser ab und misst die dort austretende Lichtleistung P2. Aus der Differenz der beiden Werte (P1 und P2) kann der Dämpfungswert ermittelt werden. Eine mögliche Alternative zum Abschneide-Verfahren ist das Einfügungs-Verfahren, bei dem die Faser einfach zwischen Sender und Empfänger eingefügt wird. Durch eine einmalige Eichung, mit einer artgleichen Eichfaser, wird der Betrag der eingekoppelten Lichtleistung vorbestimmt. Die Messeinrichtung für beide Verfahren ist dieselbe. Sie besteht üblicherweise aus einem Messsender und einem Messempfänger. Beide sind konstruktiv getrennt, da bei verlegten Glasfasern sich die beiden Faserenden an verschiedenen Orten befinden. Die in diesen Messeinrichtungen verwendete Technik weist ei nige markante Nachteile auf: 1.) Aufgrund der beiden Forderungen - Messung möglichst hoher Dämpfungswerte - mit möglichst hoher Genauigkeit wird bei den heute üblichen Messgeräten das optische Sen designal sinus- oder rechteckförmig moduliert. Das Modulationssignal hat nur eine einzige Frequenz. Da durch ist im Messempfänger ein frequenzselektiver Empfang möglich. Dies ist notwendig um einen möglichst hohen Si gnal-Rauschabstand zu erzielen. Nur damit können dann die obigen Forderungen erfüllt werden. Eine solche selektive Messung erfordert Empfangsfilter mit nur wenigen Hertz Bandbreite und sehr hohe Frequenz konstanz des Sendesignales und der Empfangsfilter. Dem entsprechend ist ein sehr hoher Aufwand für Frequenz und Temperaturstabilisierung erforderlich. 2.) Die Messgenauigkeit einer Dämpfungsmesseinrichtung ist un ter anderem direkt abhängig von der Stabilität des opti schen Senders bzw. dessen Ausgangsleistung und der Sta bilität des optischen Empfängers bzw. der Umwandlung der optischen Empfangsleistung in ein elektrisches Signal. Um eine Stabilität der Ausgangslichtleistung bei einem Laser auf - 0,1 dB zu gewährleisten, muss seine Tempera- tur auf < 1 C stabilisiert werden. Entsprechend muss auch der optische Empfänger temperaturstabilisiert sein. Die Massnahmen für eine solche Temperaturstabilität sind mit hohem Aufwand, hohen Kosten und hohem Leistungsver brauch verbunden. 3.) Trotz der vorgenannten Stabilisierungsmassnahmen ist ei ne hohe Langzeitkonstanz der Messeinrichtungen nicht zu gewährleisten. Deshalb müssen Messsender und Messempfän ger vor jedem Messzyklus miteinander geeicht werden. Dies ist häufig nur mit grossen Schwierigkeiten und Ko sten lösbar insbesondere dann, wenn die beiden Faseren den räumlich sehr weit voneinander entfernt sind, wie es z.B. bei verlegten Kabeln der Fall ist. Die Entfer nungen können 50 km und mehr betragen. Häufig müssen bei Glasfasern die Dämpfungswerte bei un terschiedlichen Wellenlängen gemessen werden (z.B. 850 nm, 1,3 um, 1,5 zum). Dazu müssen im Messsender unter schiedliche Lichtquellen verwendet werden. Im Messempfän ger ist es jedoch möglich den gesamten Messbereich mit nur einer Fotodiode abzudecken. Allerdings sind zwei Probleme dabei zu beachten. Erstens hat die Fotodiode bei den verschiedenen Wellen längen unterschiedliche Umwandlungsfaktoren. Und zwei tens ist dieser Umwandlungsfaktor temperaturabhängig. Dies hat zur Folge, dass beim Umschalten auf eine neue Wellenlänge der Messsender und -empfänger neu kalibriert werden müssen. 5.) Die optischen Sende- und Empfangsdioden unterliegen sehr starken Exemplarstreuungen bezüglich der Lichtaus gangsleistung, der Wellenlänge, dem Umwandlungsfaktor, der Wellenlängenabhängigkeit, der Empfindlichkeit, der Rauscheigenschaften usw.. Dies hat zur Folge, dass bei der Herstellung und Produk tion von Messgeräten ein sehr grosser zusätzlicher Hard wareaufwand für Kalibrierung und Justage anfällt und ho he Prüf- und Abgleichkosten entstehen. Alle diese Nachteile werden durch die nachstehend beschriebene Erfindung vermieden. Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 9 erläutert. Fig. 1 zeigt die prinzipielle Messanordnung. Im Sender wird beispielsweise ein sinus- oder rechteckförmiges Messsignal erzeugt und in die Glasfaser eingekoppelt. Im Empfänger wird das empfangene Signal mittels eines Korrelationsverfahrens ausgewertet und damit z.B. die Dämpfung der Faser bestimmt. Zusätzlich werden im Sender Informationen codiert und vorzugsweise mit FSK (Frequenzumtastung) zum Empfänger übertragen, dort demoduliert und zur Korrektur und Auswertung des Dämpfungswertes herangezogen. Die Funktionsweise ist also derart, dass der Sender im Rythmus der digitalen Information, die aus "1"- und "O"-Elementen besteht, die Modulationsfrequenz für den optischen Sender zwischen zwei verschiedenen Werten umschaltet. Wobei die Frequenz f1 dem "1"-Element und f2 dem "O"-Element der digitalen Information entspricht. Mit dieser digitalen Information kann nun dem Empfänger fortlaufend, z.B. der Betriebszustand, die Wellenlänge, die Ausgangsleistung, die Temperatur, die Korrekturfaktoren usw. des Senders, mitgeteilt werden. Der Empfänger wertet diese In formation in seiner Auswerteeinrichtung entsprechend vorgegebener Regeln aus. Prinzipiell ist auch die Übertragung von anderen beliebigen Daten möglich, die dann an einem Ausgangsport des Messempfängers abgenommen werden können. Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild des Senders. Der Sender lässt sich in zwei Funktionsblöcke unterteilen, in einen analogen und einen digitalen Schaltungsteil. Der analoge Schaltungsteil besteht aus dem Modulator und der Treiberstufe, einem optischen Sender und Empfänger, einem Verstärker und einer Regelung. Der digitale Schaltungsteil besteht aus A/D-Wandler, Coder, FSK-Generator und D/A-Wandler. Der FSK-Generator erzeugt die beiden Modulationssignale mit den Frequenzen f1 und f2. Die Generierung kann sowohl auf analoge, als auch auf digitale Weise durch Auslesen von z.B. in einem ROM gespeicherten Werten erfolgen. Ein nachfolgender D/A-Wandler wandelt die digitalen Modulationssignale in eine analoge Form um. Ein Modulator mit Treiberstufe steuert damit den optischen Sender OS an. Dieser optische Sender kann beispielsweise eine LED oder Laserdiode sein. Ein Teil des vom optischen Sendeelement emittierten Lichtes wird von einem optischen Empfänger OE detektiert, in einem Verstärker verstärkt und sowohl einer Regelung zur Vorregelung des Treiberstromes für den optischen Sender, als auch einem A/D-Wandler zugeführt. Im A/D-Wandler wird das Signal digitalisiert und dient dem Coder als Messwert, welcher die augenblickliche Ausgangsleistung des optischen Senders angibt. Der Coder wiederum steuert nun den FSK-Generator, d.h. abhängig von der digitalen Information wird ein Signal mit der Frequenz f1 oder f2 abgegeben. Der Coder hat einen zweiten Eingang, über den sich beliebige andere Daten zuführen lassen, die dem Empfänger mitgeteilt werden sollen. Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild des Empfängers. Der Empfänger hat folgende Aufgaben durchzuführen: - Signalleistung eines verrauschten Messsignals (f1; S/N > 1) bestimmen, - verrauschtes FSK-Signal (f1, f2; S/N=1) demodulieren und die Information dekodieren und - aus der Signalleistung und der übertragenen Information die Dämpfung der Faser berechnen und anzeigen. Zur Lösung dieser Aufgaben dienen die in Fig. 3 gezeigten Fuktionsblöcke. Die von der Fotodiode detektierte Lichtinformation wird im Verstärker V verstärkt, tiefpassgefiltert (TP) und mit einem Analog-Digitalwandler A/D digitalisiert. Die weitere Verarbeitung erfolgt in einer digitalen Recheneinheit DRE, die z.B. mit einem Signalprozessor realisiert werden kann. Das Prinzip der Verarbeitung beruht darauf, dass die Bestimmung der Signalleistung und die Demodulation des FSK-Signales realisiert wird durch die Berechnung der Kurzzeit-Autokorrelationsfunktion AKF des Empfangssignales. Die Bestimmung der Signalleistung wird anhand der Fig. 4 und 5 erläutert. Um die Signalleistung beispielsweise eines sinusförmigen Signals x(t) : S . cos (2 . # . f1 . t + #) (Fig. 4) zu bestimmen, genügt es, die zeitdiskrete Kurzzeit Autokorrelationsfunktion AKF EMI6.1 = (S /2) cos (2 f1 9 . k Ta) an einer geeigneten Stelle k 2 . # . f1 . k / fa = n . # , n = 1, 2, 3 f1 : Frequenz des Messsignals f = 1/Ta : Abtastfrequenz k : Zahl der Verschiebungen k um Ta der AKF zu berechnen (Fig. 5). Die Genauigkeit des Verfahrens ist abhängig von - der Integrationslänge N der AKF, - der Wortbreite des Digital/Analogwandlers und der di gitalen Recheneinheit, - dem Signal/Rauschverhältnis, - der Art des Rauschsignals, - der Konstanz des Frequenzverhältnisses 1/fa. Die Demodulation des FSK-Signales und die Ermittlung der darin enthaltenen Information zeigt Fig. 6. Um ein FSK-Signal zu demodulieren, genügt es wiederum, die AKF an einer geeigneten Stelle k 2 . # . f1 . k/ fa zur , n : 1, 2, 3 zu berechnen. Die beiden Sende frequenzen müssen in einem bestimmten Verhältnis f1 / f2 = n / (n + 1) f1, f2 : Frequenzen, zwischen denen umgetastet wird (mark & space) stehen (Fig. 6). Die Demodulation reduziert sich damit auf die Entscheidung AKF > 0 oder AKF < 0. Die erreichbare Bitfehlerwahrscheinlichkeit hängt von den oben genannten Faktoren ab. Schliesslich zeigt Fig. 7 den zeitlichen Ablauf einer Dämpfungsmessung. Während einer Zeit Tg wird im Messsender das Messsignal und während der Zeit T1 das FSK-Signal erzeugt. FSK- und Messsignal werden periodisch übertragen und im Messempfänger wie vorstehend beschrieben ausgewertet. Eine erfindungsgemässe Ausführungsmöglichkeit des Messsenders zeigt Fig. 8. Der periodische Messablauf wird durch eine Takterzeugung, beispielsweise einem Quarzgenerator, und zwei Zählern 1 und 2 erzeugt. Der Zähler 1 generiert den Adressbereich für die in einem Speicher digital abgespeicherten Sinuswerte, die in einem folgenden Analog-Digital-Wandler in analoge Spannungswerte umgesetzt werden. Der Zähler 2 mit Steuerungsnetzwerk steuert den periodischen Ablauf von Mess- und Datenzyklus. Dazu fasst der Multiplexer den digitalen Messwert für den Sendepegel und evtl. anliegende externe Daten zusammen. Im Modulator wird der Modulationsstrom für den optischen Sender OS aus der Sinusspannung und der sendepegelabhängigen Vergleicherspannung erzeugt. Ein kleiner Teil des optischen Ausgangssignales wird abgezweigt und von einem optischen Empfänger OE detektiert. Die Auskopplung des Messsignales kann z.B. wie in Fig. 8 gezeigt mittels eines Strahlteilers oder Kopplers erfolgen. Das Messsignal wird in einem Verstärker verstärkt und gleichgerichtet. Der so gewonnene Gleichspannungswert wird digitalisiert und ist dann der Messwert, der in codierter Form dem Messempfänger übermittelt wird. Eine erfindungsgemässe Ausführungsmöglichkeit des Messempfängers zeigt Fig. 9. Das optische Empfangssignal wird nach dem optoelektrischen Wandler einer analogen Vorverarbeitung zugeführt, welche einen umschaltbaren Verstärker V, ein Tiefpassfilter TP sowie die Einheit (S+H, A/D) zur Analog-Digital-Wandlung enthält. Die eigentliche Signalverarbeitung wird in einem digitalen Signalprozessor und einem Mikroprozessor durchgeführt. Der Signalprozessor berechnet im wesentlichen die beiden Autokorrelationsfunktionen AKF 1 und AKF 2 und führt eine Entscheidung durch. Zur Demodulation des FSK-Signales dient die Funktion AKF 1 in Verbindung mit einem Entscheider, der feststellt, ob eine logische "0" oder "1" übertragen wurde. Die Messwertgewinnung erfolgt mit der Funktion AKF 2. Der Block Sync. sorgt dafür, dass die AKF 2 zum Beginn des Messin- tervalles neu synchronisiert wird. Im Mikroprozessor wird der serielle Datenstrom von einem asynchronen Receiver/Transmitter UART empfangen, mit dem Decoder nach Wunsch aufbereitet und der Messwertkorrektur zugeführt. Gegebenenfalls kann dieser Wert auch angezeigt werden. Der Messwert selbst wird mit der übertragenen Information korrigiert und dann in der gewünschten Masseinheit (dB, dBm, uW usw.) angezeigt. Das erfindungsgemässe Verfahren gibt somit die Möglichkeit, bei gleichbleibender Genauigkeit gegenüber dem vorbekannten Verfahren, die Messung, insbesondere die Bestimmung der Dämpfung einer Glasfaserstrecke, mit verkleinertem Aufwand auf Sende- und Empfangsseite auszuführen. Die Anwendung des digitalen Korrelationsverfahrens bringt eine Verbesserung des Signalrauschabstandes und dadurch auch bei hohen Dämpfungswerten noch ausreichende Genauigkeit der Messung. Durch die aufgezeigte Abspeichermöglichkeit von Korrekturfaktoren für Exemplarstreuungen wird ebenfalls eine Verringerung des Aufwandes für die Prüfung und den Abgleich von Messsender und Messempfänger erzielt. Ausserdem entfällt auf der Sende- und Empfangsseite eine Frequenz- und Temperaturstabilisierung. Literaturverzeichnis (1) P. Schlang Dämpfungsmessung an optischen Fasern NTZ 33(1980)1 S. 30-31 (2) M. Tateda; T. Horiguchi; M. Tohuda; N. Uchida Optical loss measurement in graded-index fiber using a dummy fiber Applied Optics 18(0ct. 1979)19 5. 3272-3275 (3) Egon Meier-Engelen Das Licht in der Glasfaser unter Kontrolle haben Net 38(1984)1 S. 9-17 (4) M. Kaiser Messung der Übertragungseigenschaften von Multimode Lichtwellenleitern NTZ 34(1981)7 5. 418-422 (5) D. Rittich; W. Meininghaus Messgeräte für die optische Nachrichtentechnik Frequenz 32 (1978)12 S. 350-355 (6) div. Verfasser Technical Digest-Symposium on optical Fiber Measure ment, 1980 NBS Publication 597

Claims: Optical measuring method, in particular for the measurement of the attenuation of stretches of glass fibre, with the following features: a) a transmitter is connected to the beginning of the stretch and a receiver is connected to its end, b) the optical transmission signal is modulated sinusoidally or rectangularly for the measurement, c) the optical transmission signal is modulated at two modulation frequencies, which are shift-keyed in the rhythm of a digital information, for the transmission of the digital information, d) the optical transmission signal modulated for the measurement and the optical transmission signal modulated for the transmission of the information are transmitted periodically and e) the optical transmission signal is evaluated in the measurement receiver by means of an auto-correlation function (AFK). Method according to claim 1, characterised thereby, that all magnitudes of the transmitter, that are of interest, are transmitted by means of frequency shift-keying and indicated in the receiver or serve for correction. Method according to one of the claims 1 and 2, characterised thereby, that a digital auto-correlation function (AFK) is used. Method according to one of the claims 1 to 3, characterised thereby, that the signal-processing is performed with only one processor. Method according to claim 4, characterised thereby, that the processor for the signal-processing also takes over the measurement value correction and the measurement value representation (in dB, dBm, µW and so forth). Method according to claim 5, characterised thereby, that all correction factors and sample scatters in the manufacture of the measuring instrument are stored once in the receiver and drawn upon for the respective measurement adjustment for the correction of the measurement value. Method according to claim 4, characterised thereby, that it finds application for the measurement of dispersion.

Inventors: FREYHARDT, WERNER, DIPL.-ING.(FH), HAGEN, MICHAEL, DIPL.-ING., KRULL, KLAUS, DIPL.-ING. (FH), WARM, WOLFGANG, DIPL.-ING.
Applicants: ANT NACHRICHTENTECHNIK GMBH
Application year: 1986
Main classification: G01M11
IPC codes: G01M11