SIGNAL PROCESSING IN AN OPTICAL CORRELATION REFLECTOMETER USING FRAGMENTS OF THE M-SEQUENCE FOR PROBING A FIBER-OPTIC PATH

Full Text

Введение В предыдущей статье под названием «Воз- можности использования фрагментов М-последо- вательностей с изменяющейся начальной фазой для корреляционных оптических рефлектоме- тров» показано, что зондирующие сигналы, сфор- мированные по рассмотренному алгоритму, могут использоваться в корреляционных рефлектоме- трах, так как их суммарная автокорреляционная функция имеет основной лепесток максимальной амплитуды и не имеет боковых лепестков. Алгоритм регистрации рефлектограммы В предложенном корреляционном рефлекто- метре лазерный диод излучает пачки импульсов, интенсивность которых изменяется по закону М-последовательности. Это излучение через на- правленный ответвитель вводится в исследуемый волоконно-оптический тракт, а сигнал обратного рассеяния тракта через этот же направленный ответвитель поступает на фотоприемник. Фото- приемник преобразует сигналы обратного рас- сеяния в электрические сигналы, а для исключе- ния перегрузок блокируется на время излучения пачек. АЦП оцифровывает мгновенные значения каждого сигнала обратного рассеяния и заносит их в отдельный регистр памяти рефлектометра. После излучения полного набора фрагментов М-последовательности, и накопления в памяти рефлектометра мгновенных значений всех сиг- налов обратного рассеяния вычисляется взаимно корреляционная функция каждого сигнала обрат- Y E X y j, m ного рассеяния и порождающего его фрагмента, E AM R E K и на дисплее отображается сумма всех взаимно корреляционных функций, которая и является k 1 a k m -1 x j - k 1 рефлектограммой исследуемого волоконно-оптического тракта. Выражение для одного периода непрерывной и для дополнительного фрагмента: YE 0 EA0 XR K М-последовательности: AM a(k ) , k 1, 2, , M , yE 0 j k 1 c k x j - k 1 , где a(k ) - принимает значения (-1) или (+1); j 1, 2, , (R K -1). M (2 -1) - число символов в М-после- Зарегистрированные сигналы обратного расдовательности; γ - любое целое число. Рассмотрим совокупность из М фрагменсеяния с учетом интервалов блокировки фото- приемника: тов, состоящих из K элементов, вырезанных K из одного периода М-последовательности, от- личающихся сдвигом на (m - 1), элементов от- носительно первого элемента в одном периоде М-последовательности. Запишем выражение для m-ного фрагмента, который при определенных условиях может использоваться в качестве зон- дирующего сигнала в корреляционном рефлекто- метре: a k m -1 , k m -1 M , ZE zE j, m a k m -1 x j - k 1 , k 1 K ZE 0 zE 0 j c k x j - k 1 , k 1 j (1 K ), (2 K ), , (R K -1). Изменяя нумерацию ячеек памяти регистра, принимая за первый номер - первый отсчет по- сле блокировки фотоприемника i j - K: EAM a k m -1 - M , k m -1 M , ZE zE i, m K k 1, 2, , K , m 1, 2, , M . a k m -1 x i K - k 1 , Для неискаженной регистрации сигнала об- ратного рассеяния в корреляционном рефлекто- метре необходим, как будет показано ниже, еще один дополнительный фрагмент: k 1 K ZE 0 zE 0 i c k x i K - k 1 , k 1 i 1, 2, , (R -1). EA0 c k , где c k 1. k 1, 2, , K , Для корреляционной обработки зарегистриро- ванных сигналов используются опорные сигналы, Волоконно-оптический тракт может быть представлен в дискретной форме последователь- ностью, каждый элемент которой определяет от- ражение и рассеяние света в этом элементе и его затухание при распространении света до этого кодовые последовательности которых совпадают с кодовыми последовательностями зондирующих сигналов, но сдвинутые на K для учета интерва- лов блокировки фотоприемника: FBM b i m K -1 , элемента и обратно. XR x j , j 1, 2, , R, FBM 0 d i K , где R - число элементов последовательности, которая зависит от тактового интервала τ зонди- рующего сигнала, коэффициента преломления сердцевины оптического волокна n, скорости све- та c и максимальной длины L оптического тракта: R 2nLc . Совокупность сигналов обратного рассеяния от каждой точки волоконно-оптического тракта с индексом r при использовании m-го фрагмен- та зондирующего сигнала можно представить в виде i 1, 2, , K. Взаимно корреляционные функции зареги- стрированных сигналов обратного рассеяния и их опорных сигналов: R K WEF wEF u, m a k m -1 i 1 k 1 x i K - k 1 b(i - u K m) , R K WEF 0 wEF 0 u c k i 1 k 1 x i K - k 1 d (i - u K 1) , u 1, 2, , (R -1), где u - номера ячеек памяти, в которые занесены Если K R, то: Интервал 1: мгновенные значения взаимно корреляционных Если 1 u K , то kmin 1, kmax K. функций. Так как автокорреляционные функции лю- Следовательно, S (u) u. Интервал 2: бого фрагмента имеют боковые лепестки, то ни Если K u R, то kmin (u - K ), kmax u. одна из полученных выше взаимно корреляционных функций не отражает рефлектограмму во- локонно-оптического тракта без искажений. Для получения рефлектограммы без искажений все взаимно корреляционные функции необходимо Следовательно, S (u) K. Если K R, то: Интервал 1: Если 1 u R, то kmin 1, Следовательно, S (u) u. kmax R. просуммировать. Сумма взаимно корреляционных функций всех фрагментов М-последовательности и допол- нительной последовательности: R K W w u x i K - k 1 i 1 k 1 M a(k m -1)b(i - u K m) m 1 c(k)d (i - u K 1) , u 1, 2, , (R -1). Из этого выражения видно, что если i - u K k -1 , то при любых u, i, k символы Рассмотренный способ позволяет регистри- ровать рефлектограмму волоконно-оптического тракта с высокой точностью, но при его реализа- ции все мгновенные значения сигнала обратного рассеяния от каждого фрагмента зондирующего сигнала заносятся в отдельный регистр памяти и отдельно производится корреляционная обработ- ка каждого занесенного в регистр памяти сигна- ла. Это существенно увеличивает необходимый объем памяти и значительно увеличивает объем вычислений.Применение кольцевого регистра памяти для записи значений СОР Для сокращения объема памяти и вычисле- ний может использоваться кольцевой регистр памяти с числом ячеек, равным числу символов М-последовательности. Сигналы обратного рас- сеяния от всех фрагментов М-последовательности заносятся в этот кольцевой регистр памяти со сдвигом, аналогичным сдвигу фрагментов зонди- рующего сигнала, и суммируются с занесенными ранее. Сигнал обратного рассеяния от дополни- тельного фрагмента записывается в дополни- тельный регистр памяти. Сумма зарегистрированных сигналов обрат- ного рассеяния с учетом сдвига адреса ячеек па- мяти и интервала блокировки фотоприемника:{ ( )}( ) ( )1 11 1 ,E EK Mk mZ z ja k m x j k m= == = = - - - + ΣΣj = (1+ K),(2 + K), ,(R + K -1).Дополнительный зарегистрированный сигнал:{ ( )} ( ) ( ) 0 011 ,KE EkZ z j c k x j k= = = - + Σj = (1+ K),(2 + K), ,(R + K -1).Изменяя нумерацию ячеек памяти регистра,принимая за первый номер - первый отсчет по-сле блокировки фотоприемника i = j - K:Z z i a k m x i K k m = = = = = + - + - - + ΣΣ { ( )} ( ) ( ) 0 0 1 1 , K E E k Z z i c k x i K k = = = + - + Σ i =1,2, ,(R -1). Для корреляционной обработки зарегистрированного в кольцевом регистре сигнала используется один опорный сигнал, представляющий собой полную М-последовательность, сдвинутую на K для компенсации интервалов блокировки фотоприемника: { ( )}, M F = b i + K i =1,2, ,M и дополнительный опорный сигнал: { ( )} 0 , M Z = d i + K i =1,2, ,K. Взаимно корреляционная функция зарегистрированного в кольцевом регистре сигнала обратного рассеяния и опорного сигнала:{ ( )} ( )1 1 11M K MM Mi k m W w u a k m= = = = = + - × ΣΣΣ×x (i + K - k - m +1)b(i - u + K)},u =1,2, ,M. Взаимно корреляционная функция зарегистрированного в дополнительном регистре сигнала и опорного сигнала:{ ( )} ( ) 0 01 1R KM Mi kW w u c k= = = = × ΣΣ×x (i + K - k +1)d(i - u + K +1)},u =1,2, ,(R -1).Сумма этих взаимно корреляционных функций:{ ( )} ( )1 11M KM Mi kW w u x i K k m Σ Σ= = = = + - - + × ΣΣ1( 1) ( )Mma k m b i u K= ×+ - - + + Σ+ c(k)d(i - u + K +1)]},u =1,2, ,M. Это выражение аналогично, рассмотренному выше и при равенстве (k + m -1) = (i - u - K) полностью с ним совпадает:{ ( )} ( )( 1){ ( )}, M M W w u S u M x u Σ Σ = = + u =1,2, ,M. Заключение Способ регистрации рефлектограммы оптического тракта с помощью зондирующих сигналов в виде фрагментов М-последовательности с изменяющимися начальными фазами, накоплении сигналов обратного рассеяния в кольцевом регистре памяти и вычислении корреляционной функции при использовании в качестве опорно го сигнала этой же М-последовательность, позволяет существенно уменьшить объем памяти рефлектометра, сократить объем вычисления при корреляционной обработке, увеличить динамический диапазон и повысить разрешающую способность корреляционного рефлектометра.

About the authors

V. B Arkhangelsky

Optical Technologies LLC

Email: v.b.arh@mail.ru
Vsevolozhsk, Russian Federation

S. F Glagolev

St. Petersburg State University of Telecommunications named after Professor M.A. Bonch-Bruevich

Email: glagolevsf@yandex.ru
Saint Petersburg, Russian Federation

V. A Khrichkov

St. Petersburg State University of Telecommunications named after Professor M.A. Bonch-Bruevich

Email: hrichkovv@gmail.com
Saint Petersburg, Russian Federation

References

Supplementary files