ANALOG-TO-DIGITAL STORAGE RING WITH MEMORY RING

Full Text

Введение В корреляционных рефлектометрах, зондиру- ющие сигналы которых представляют собой фраг- менты М-последовательностей (рисунок 1, а) с изменяющейся начальной фазой, длительность импульсов τ определяет разрешающую способ- ность рефлектометра, а длительность М-последовательности - длину исследуемого волоконно- оптического тракта. Сигналы обратного рассеяния с выхода уси- лителя фототока оцифровываются аналого-циф- ровым преобразователем (АЦП) и накаплива- ются в кольцевом регистре памяти. Число ячеек памяти регистра равно числу символов периода «Infokommunikacionnye tehnologii» 2021, Vol. 19, No. 3, pp. 303-309 Рисунок. Диаграммы работы корреляционного рефлектометра М-последовательности и должно быть больше суммы числа элементов регистрируемой рефлек- тограммы R и числа импульсов в фрагменте зон- дирующего сигнала K: M 2 -1 R K , по экспоненциальному закону (рисунок, б), и за- тухание может достигать 100 дБ. Динамический диапазон АЦП значительно меньше, порядка 30 дБ, поэтому для регистрации сигнала обрат- ного рассеяния во всем диапазоне затуханий его необходимо усиливать. Если сигнал обратного где γ - любое целое число. рассеяния разделить на ряд фрагментов TF оди- Фрагментарная регистрация сигнала обратного рассеяния Амплитуда сигнала обратного рассеяния во- локонно-оптического тракта затухает во времени наковой длительности, то затухания сигналов в каждом фрагменте будут примерно одинаковыми. Эти затухания могут быть компенсированы ли- нейкой масштабных усилителей с одинаковыми коэффициентами усиления, равными среднему затуханию сигнала во фрагментах (рисунок, в-д). Во время первого фрагмента на АЦП поступа- ет сигнал обратного рассеяния непосредственно с выхода усилителя фототока и оцифрованные сигналы накапливаются в первом регистре па- мяти. Во время второго фрагмента на АЦП по- ступает сигнал обратного рассеяния с выхода первого масштабного усилителя и оцифрован- ные сигналы накапливаются во втором регистре памяти. Во время третьего фрагмента на АЦП поступает сигнал обратного рассеяния с выхода второго масштабного усилителя и оцифрованные сигналы накапливаются в третьем регистре па- мяти и т. д. Таким образом, на АЦП поступают сигналы с различных масштабных усилителей приблизительно равной амплитудой, и в каж- дом регистре памяти накапливается только один фрагмент сигнала обратного рассеяния. Для обеспечения максимального отношения сигнал - шум длительность фрагмента М-после- довательности зондирующего сигнала выбира- ется равной длительности фрагмента сигнала обратного рассеяния, накапливаемого в каждом регистре. Так как на выходе последнего масштаб- ного усилителя шум сигнала обратного рассеяния максимален и его среднее квадратичное значение соизмеримо с номинальным значением входного напряжения АЦП, то длительность фрагмента сигнала обратного рассеяния, накапливаемого в последнем регистре памяти, больше длительно- сти остальных фрагментов и заканчивается толь- ко с началом следующего зондирующего сигнала. Число ячеек в каждом регистре памяти одинако- вое, равное числу импульсов М-последователь- ности. Запись значений сигнала обратного рассеяния в кольцевые регистры памяти После генерации первого фрагмента зондиру- ющего сигнала мгновенные значения сигнала об- ратного рассеяния заносятся в каждом регистре памяти в ячейки с номерами 1, 2, …, K, а в по- следнем регистре памяти мгновенные значения заносятся в большее число ячеек с номерами 1, После его генерации мгновенные значения зано- сятся в каждом регистре в ячейки с номерами 3, 4, …, K 2 , а в последнем регистре - с номерами 3, 4, …, M -VK 2 и т. д. Последовательно генерируется М фрагментов последовательности, и мгновенные значения в каждой ячейке каждого регистра памяти суммируются с накопленными ранее, а при превышении номера ячейки значе- ния М заносятся по кольцу в ячейки с номером 1, 2, … и т. д. После регистрации сигналов обратного рассе- яния от всех М фрагментов зондирующего сигна- ла в ячейках каждого регистра памяти накапли- ваются мгновенные значения сигналов обратного рассеяния от ряда элементов волоконно-оптиче- ского тракта с различным числом накоплений. Так, например, во втором регистре памяти число накоплений от первого элемента фрагмента - 1, от второго - 2, от третьего - 3 и т. д., линейно увеличиваясь до K-го - K, от (K + 1)-го - (K - 1), от (K + 2)-го - (K - 2), от (K + 3)-го - (K - 3) и т. д., линейно уменьшаясь до (2K - 1)-го - 1. На ри- сунке, е показана зависимость числа накоплений мгновенных значений сигнала обратного рассея- ния от элементов волоконно-оптического тракта во втором регистре памяти. В последнем реги- стре памяти от K-го и последующих элементов число накоплений постоянно и равно K до начала следующего зондирующего сигнала. Если про- суммировать число накоплений мгновенных зна- чений сигнала обратного рассеяния во всех реги- страх памяти (рисунок, ж), то число накоплений всех, за исключением первых K, элементов будет одинаково и равно K. Корреляционная обработка сигнала обратного рассеяния Для корреляционной обработки накопленных в регистрах памяти сигналов обратного рассея- ния в качестве опорного сигнала используется исходная М-последовательность. В результате корреляционной обработки накопленных в реги- страх памяти сигналов формируются фрагменты рефлектограммы, сумма которых и является пол- ной рефлектограммой исследуемого волоконно- оптического тракта (рисунок, з). Для устранения 2, …, M -VK , то есть до начала генерации искажений рефлектограммы в ее первом фрагвторого фрагмента зондирующего сигнала. После его генерации мгновенные значения заносят- ся в каждом регистре в ячейки с номерами 2, 3, менте используется множитель: x r z r K r , …, K 1 , а в последнем регистре - с номерами где x r - рефлектограмма как функция от рас- 2, 3, …, M -VK 1 , то есть до начала генерастояния r; z r - зарегистрированная рефлектоции третьего фрагмента зондирующего сигнала. грамма с искажениями. Погрешности при измерениях При измерении мгновенных значений сигнала обратного рассеяния АЦП возникают составля- ющие погрешности преобразования, обуслов- ленные шумами фотоприемника, неточностью тельности импульсов зондирующего сигнала τ, заносятся и накапливаются в регистре памяти рефлектометра. Длительность всего регистрируемого фраг- мента: установки коэффициента передачи масштабn Q2 i 0,5 TF ln , ных усилителей и нелинейностью передаточной 1 c i Q i - 0,5 функции преобразователя. Составляющая погрешности из-за шумов фотоприемника уменьгде Q1 и Q2 - минимальное и максимальное цифшается при увеличении числа импульсов в фрагменте зондирующего сигнала и увеличении времени регистрации рефлектограммы, состав- ляющая погрешности из-за неточности установровое значение сигнала обратного рассеяния в V-м фрагменте. Нормированный интервал времени каждого цифрового значения: Q2 ки коэффициента передачи масштабных усилиt i ln i 0,5 ln i 0,5 . n i - 0,5 i - 0,5 телей уменьшается калибровкой рефлектометра, а составляющая погрешности от нелинейности преобразователя носит случайный характер и за- висит от величины мгновенного значения оциф- рованного сигнала обратного рассеяния. Сигнал обратного рассеяния волоконно-опти- ческого тракта затухает во времени по экспонен- циальному закону: y t U exp - ctn , где U - максимальное значение сигнала обратно- го рассеяния в начале тракта; - коэффициент затухания оптического волокна; с - скорость све- i Q1 Так как зондирующие сигналы представляют собой фрагменты М-последовательностей, на- чальная фаза которых последовательно изменяет- ся от 1 до М, а измеренные мгновенные значения сигнала обратного рассеяния заносятся в ячейки регистра памяти начиная с номера, который так же последовательно изменяется от 1 до M, то в каждой из М ячеек каждого регистра памяти на- капливается сумма K - мгновенных значений сиг- налов обратного рассеяния, изменяющихся в пре- делах затухания сигнала в выбранном фрагменте: та в вакууме; n - коэффициент преломления сердn Q2 i 0,5 цевины волокна. Сигнал обратного рассеяния в V-фрагменте волоконного тракта: V c i ln i - 0,5 . i Q1 Погрешность измерения мгновенного значения сигнала обратного рассеяния (i) не преyV t UV exp - ctn . АЦП имеет Q положительных и Q отрицатель- ных единиц младшего разряда Δ, поэтому сигнал обратного рассеяния измеряется в целых числах вышает половины единицы младшего разряда. Погрешность накопленной суммы мгновенных значений: n Q2 i 0,5 единиц этого разряда yV t i с погрешностью i ln , преобразования, не превышающей половины еди- 1 c i Q i - 0,5 ницы младшего разряда 2. Преобразоваа среднее квадратичное значение этой погрешнотель имеет динамический диапазон D 2Q и сти: последовательно формирует цифровые значения сигнала обратного рассеяния, которые изменя- n 2 Q2 i 0,5 ln , c i - , ются в моменты времени перехода этого сигнала 2 i Q1 0 5 через границу, разделяющую младшие разряды. Каждое цифровое значение сигнала обратного рассеяния на выходе АЦП существует некоторый интервал времени: t i - n ln i - - ln i где Δ/2 - среднее квадратичное значение погреш- ности измерения мгновенного значения сигнала обратного рассеяния. Средняя квадратичное значение погрешности измерения i-х значений сигнала обратного рассе- c 2 2 яния: Q2 Q2 n ln i 0,5 . c i - 0,5 2 i 0, 5 i 2 0 5 ln i 0, 5 . 0,5 ln i - , i - i Q1 i Q1 Цифровые значения сигнала обратного рас- Например, при 0, 05, n 1,5, Q1 10 сеяния через интервал времени, равный длии Q2 100 эта погрешность составляет i 0,13 2 , то есть погрешность уменьшается Шумы фотоприемника последнего масштабприблизительно в восемь раз и во столько же раз расширяется динамический диапазон. Рассмо- тренное уменьшение погрешности АЦП справед- ливо только при малых шумах фотоприемника на его входе, при оцифровывании сигналов с выхо- дов первых масштабных усилителей. Механизм уменьшения погрешности обусловлен ее усред- нением в диапазоне изменений сигнала обратно- го рассеяния в каждом фрагменте. Для обеспечения высокой точности оциф- ровки сигнала обратного рассеяния амплитуда выходного сигнала усилителя фототока устанав- ливается приближенно равной номинальному ного усилителя не зависят от параметров измеряемого волоконно-оптического тракта, а зависят только от коэффициентов усиления масштабных усилителей, их полосы пропускания и являют- ся характеристикой рефлектометра. Амплитуда сигнала обратного рассеяния на выходе этого усилителя зависит от длительности фрагмента последовательности зондирующего сигнала, рав- ного длительности фрагмента сигнала обратного рассеяния, и затухания волоконно-оптического тракта. Это позволяет, не изменяя уровня шумов и незначительно изменяя длительность фраг- ментов, изменять амплитуду сигнала обратного рассеяния на выходе последнего масштабного значению АЦП. Через интервал времени TF вход усилителя и устанавливать ее уровень меньше АЦП переключается к выходу первого масштабного усилителя, который частично компенсирует затухание сигнала обратного рассеяния за интершумов фотоприемника. Заключение вал времени TF . Через интервал времени 2TF Рассмотренные выше положения показывают, вход АЦП переключается к выходу второго масштабного усилителя, который частично компен- сирует затухание сигнала обратного рассеяния за что в корреляционных рефлектометрах, зонди- рующие сигналы которых представляют собой фрагменты М-последовательностей с изменявторой интервал времени TF и т. д. Общее число ющейся начальной фазой, погрешности преобрамасштабных усилителей ограничивается шумами на выходе последнего масштабного усилите- ля, которые не должны приводить к насыщению АЦП. Амплитуда сигнала обратного рассеяния должна быть меньше шума и не оказывать суще- ственного влияния на насыщение АЦП. На выходе последнего масштабного усилите- ля присутствуют значительные шумы фотопри- емника, которые при накоплении уменьшают по- грешность согласно: зования АЦП значительно меньше, чем собствен- ная погрешность АЦП, а динамический диапазон шире.

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