Устройство для контроля цифровых волоконно-оптических систем передачи Советский патент 1989 года по МПК H04B3/46 

(Л

Изобретение относится к технике связи. Цель изобретения - повышение точности локализации неисправностей. Устр-во содержит оптическое волокно I, лавинный фотодиод 2, резистор 3, усилители 4 и 10, детекторы 5, 17, 19, 20 и 22, усилитель 6 смещения, датчик 7 температуры, полосовые фильтры 8, 15, 16 и I8, предварительный усилитель 9, выпрямительный блок II, переменные резисторы 12, 28, 30 и 31, компараторы 13, 29, 36 и 37, согласующий эл-т 14, интеграторы 21, 23, 24 и 25, измерители 26 и 27 отношения, сумматоры 32 и 33 и эл-ты И 34 и 35. Данное выполнение устр-ва позволяет с высокой точностью локализовать неисправность, связанную с изменением параметров излучения лазерного диода, входящего в состав оптического передатчика, а также неисправности, вызванные обрывом оптического волокна 1, выходом из строя лавинного фотодиода 2 и усилителя 4. 3 ил.

4 05 1

О5

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано для локализации неисправностей в основных функциональных узлах цифровых волоконно-оптических систем передачи (ЦВОСП): оптическом передатчике, оптическом волокне и фотоприемнике.

Цель изобретения - повышение точности локализации неисправностей.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема устройства для контроля цифровых волоконно-оптических систем передачи; на фиг. 2 и 3 - диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для контроля цифровых волоконно-оптических систем передачи содержит оптически связанный с оптическим волокном 1 лавинный фотодиод 2, резистор 3, первый усилитель 4, детектор. 5, усилитель 6 смещения, датчик 7 температуры, первый полосовой фильтр 8, предварительный усисхеме, аналогичной схеме детектора 5, выделяет из сигнала постоянное напряжение УО, пропорциональное энергии сигнала (фиг. 2а) на частоте f|. Одновременно с этим импульсный сигнал, энергетический 5 спектр которого показан на фиг. 2а, поступает на последовательно соединенные полосовой фильтр 15, детектор 19, интегратор 23, а также на последовательно соединенные полосовой фильтр 16, детектор 20 и инте1Q тратор 24. Полосовые фильтры 15 и 16, построенные по схеме, аналогичной схеме полосового фильтра 8, настроены на частоты f| и f2 соответственно (фиг. 2). Как видно из фиг. 2, на частоте fi энергия сигнала является максимальной, а на частоте f2 она

близка к нулю.

Детекторы 19 и 20 осуществляют выпрямление входных сигналов, а интеграторы 23 и 24 выделяют из входного сигнала постоянное напряжение, причем на выходе

литель 9, второй усилитель 10, выпрямитель- п интегратора 23 напряжение, пропорциональный 11, первый переменный резистор 12,ное энергии сигнала (фиг. 2а) на частоте fi, первый компаратор 13, согласующий эле-а на выходе интегратора 24 напряжение, прсу- мент 14, второй 15 и третий 16 полосовыепорциональное энергии сигнала на частоте f-. фильтры, второй детектор 17, четвертый по-Постоянные напряжения с выходов интегра- лосовой фильтр 18, третий 19 и четвертый 20торов 23 (Ui) и 24 (U2) поступают на входы

25 первого измерителя 26 отношения. При нор35

40

детекторы, третий интегратор 21, пятый детектор 22, первый 23, второй 24 и четвертый 25 интеграторы, первый 26 и второй 27 измерители отношения, второй переменный резистор 28, второй компаратор 29, третий 30 и четвертый 31 переменные резисторы, первый 32 и второй 33 сумматоры, первый 34 30 и второй 35 элементы И, третий 36 и четвертый 37 компараторы.

Устройство работает следующим образом.

При нормальном функционировании системы передачи подающийся на чувствительную поверхность лавинного фотодиода 2 цифровой оптический сигнал преобразуется в последовательность электрических импульсов, которые усиливаются первым усилителем 4 до уровня, при котором возможна их дальнейшая обработка. Система АРУ, включающая в себя детектор 5 и усилитель 6 смещения, поддерживает постоянным средний уровень сигнала на nepBoiyi выходе устройства. Согласующий элемент 14 предназначен для развязки первого выхода устройства и подключенных к нему полосовых фильтров 8, 15, 16 и 18 и выполнен в виде усилителя. С выхода согласующего элемента 14 импульсный код, энергетический спектр которого показан на фиг. 2а, поступает на последо1 ательно соединенные полосовой фильтр 8, предварительный усилитель 9 и второй усилитель 10 и выпрямительный блок 11. Полосовой фильтр 8 настроен на частоту fi (фиг. 2), на которой энергия линейного сигнала является максимальной. Предварительный 9 и второй 10 усилители осуществляют усиление сигнала, а выпрямительный блок 11, выполненный по

мальном функционировании системы передачи отношение энергии сигнала на частоте fi к энергии сигнала на частоте f2, а следои,

вательно, и отношение -у составляет десятU2

ки и даже сотни единиц. Таким образом, на выходе измерителя 26 отношения имеется

и,

напряжение, равное pp. U

45

При обрыве оптического волокна на выходе первого усилителя 4 появляется шум, определенный в основном темновым током лавинного фотодиода 2, а также тепловым и собственным шумами усилителя 4. Вследствие работы системы АРУ, состоящей из детектора 5 и усилителя 6 смещения, система лавинный фотодиод 2 - первый усилитель 4 приобретает максимальный коэффициент усиления, что приводит к значительному увеличению амплитуды шумов. Таким образом, на выходе согласующего элемента 14 имеется шум, энергетический спектр которого на фиг. 26. Последовательно соединенные полосовой фильтр 8, предварительный усилитель 9 и второй усилитель 10 и выпрямительный блок 11 выполняют те ж-е функции, что и при нормальной работе системы передачи, однако выпрямительный блок 11 выделяет из сигнала постоянное напряжение Uj, пропорциональное энергии шума (фиг. 26) на частоте fi. Неизменной 22 остается и работа полосовых фильтров 15 и 16, детекторов 19 и 20, интеграторов 23 и 24 и измерителя 26 отношения. Но при об- ptiBe оптического волокна на выходе интегра50

схеме, аналогичной схеме детектора 5, выделяет из сигнала постоянное напряжение УО, пропорциональное энергии сигнала (фиг. 2а) на частоте f|. Одновременно с этим импульсный сигнал, энергетический 5 спектр которого показан на фиг. 2а, поступает на последовательно соединенные полосовой фильтр 15, детектор 19, интегратор 23, а также на последовательно соединенные полосовой фильтр 16, детектор 20 и интеQ тратор 24. Полосовые фильтры 15 и 16, построенные по схеме, аналогичной схеме полосового фильтра 8, настроены на частоты f| и f2 соответственно (фиг. 2). Как видно из фиг. 2, на частоте fi энергия сигнала явля, ется максимальной, а на частоте f2 она

близка к нулю.

Детекторы 19 и 20 осуществляют выпрямление входных сигналов, а интеграторы 23 и 24 выделяют из входного сигнала постоянное напряжение, причем на выходе

п интегратора 23 напряжение, пропорциональное энергии сигнала (фиг. 2а) на частоте fi, а на выходе интегратора 24 напряжение, прсу- порциональное энергии сигнала на частоте f-. Постоянные напряжения с выходов интегра- торов 23 (Ui) и 24 (U2) поступают на входы

первого измерителя 26 отношения. При нормальном функционировании системы передачи отношение энергии сигнала на частоте fi к энергии сигнала на частоте f2, а следои,

вательно, и отношение -у составляет десятU2

ки и даже сотни единиц. Таким образом, на выходе измерителя 26 отношения имеется

и,

напряжение, равное pp. U

5

0

5

При обрыве оптического волокна на выходе первого усилителя 4 появляется шум, определенный в основном темновым током лавинного фотодиода 2, а также тепловым и собственным шумами усилителя 4. Вследствие работы системы АРУ, состоящей из детектора 5 и усилителя 6 смещения, система лавинный фотодиод 2 - первый усилитель 4 приобретает максимальный коэффициент усиления, что приводит к значительному увеличению амплитуды шумов. Таким образом, на выходе согласующего элемента 14 имеется шум, энергетический спектр которого на фиг. 26. Последовательно соединенные полосовой фильтр 8, предварительный усилитель 9 и второй усилитель 10 и выпрямительный блок 11 выполняют те ж-е функции, что и при нормальной работе системы передачи, однако выпрямительный блок 11 выделяет из сигнала постоянное напряжение Uj, пропорциональное энергии шума (фиг. 26) на частоте fi. Неизменной 2 остается и работа полосовых фильтров 15 и 16, детекторов 19 и 20, интеграторов 23 и 24 и измерителя 26 отношения. Но при об- ptiBe оптического волокна на выходе интегра0

тора 23 имеется напряжение LJ4, пропорциональное энергии шума (фиг. 26) на частоте fi, а на выходе интегратора 24 - напряжение Us, пропорциональное энергии шума на частоте h. Как видно из фиг. 2, при обрыве оптического волокна энергия шума на частоте fi приблизительно равна энергии шума на частоте Н, а следовательно и отноU4

шение г-г приблизительно равно единице.

Us

В случае выхода из строя таких блоков, как лавинный фотодиод 2 и (или) первый усилитель 4, на первом выходе устройства также появляется шум, но он в данном случае определен лишь тепловыми и собствен- . ными шумами усилителя 4. Вследствие того, то при данном виде неисправности в состав шумов на первом выходе устройства не входят шумы, определяемые темновым током лавинного фотодиода 2 (что имеет место при

кой-либо неисправности напряжение на первом входе компаратора 13 становится ниже порогового, при этом на его выходе формируется логическая единица. Одновременно с этим с выхода выпрямительного блока 11 постоянное напряжение поступает на первые входы компараторов 36 и 37, на вторые входы которых подаются опорные напряжения. Формирование опорного напряжения для компаратора 36 осушествляется

обрыве оптического волокна), а также вслед- 20 с помощью датчика 7 температуры, выполствие неэффективной работы системы АРУ амплитуда шума значительно снижается. Таким образом, на выходе согласующего элемента 14 энергетический спектр шума приобретает вид прямой, показанной на фиг. 2в. Далее блоки устройства работают по описанному алгоритму. Отличие заключается в том, что выпрямительный блок 11 выделяет из сигнала постоянное напряжение Ue, пропорциональное энергии шума (фиг. 2в) на частоте f|. Кроме того, при данной неисправности на выходе интегратора 23 выделяется напряжение U, пропорциональное энергии шума (фиг. 2в) на частоте fi, а на выходе интегратора 24 - напряжение Us, пропорциональное энергии шума на

25

ненного в виде термопары, переменного резистора 30, сумматора 32. С помощью переменного резистора 30 на втором входе компаратора 36 устанавливается опорное напряжение несколько больше, чем Us. Формирование опорного напряжения для компаратора 37 осуществляется с помощью датчика 7, переменного резистора 31 и сумматора 33. С помощью переменного резистора 31 на втором входе компаратора 37 устанав- Зд ливается опорное напряжение несколько больше, чем напряжение Ue. Таким образом, при нормальном функционировании системы передачи напряжение на первых входах компараторов Uo больще, чем опорные напряжения на их вторых входах. Это причастоте f2. Как видно из фиг. 2, при выходе из 35 водит к формированию на их выходах логистроя лавинного фотод юда 2 и (или) перво-

го усилителя 4 энергия шума на частоте fi (фиг. 2в) приблизительно равна энергии шума на частоте fg, а следовательно, и отно

ческих нолей. При возникновении такого рода неисправности, как обрыв оптического волокна, напряжение на первых входах компараторов 36 и 37 уменьшается до величины Us. Напряжение на первом входе компаUT

ческих нолей. При возникновении такого рода неисправности, как обрыв оптического волокна, напряжение на первых входах компараторов 36 и 37 уменьшается до величины Us. Напряжение на первом входе компашение |-|, измеренное измерителем 26 отно- 40 ратора 36 становится меньше, чем порого- вое, и на его выходе формируется логическая

шення, приблизительно равно единице.

Из изложенного следует, что на выходе выпрямительного блока 11 при нормальном функционировании системы передачи, при

единица, напряжение на первом входе компаратора 37 остается больше, чем пороговое - на его выходе логическая единица. В случае выхода из строя лавинного фотообрыве оптического волокна 1, при выходе диода 2 и (или) усилителя 4 напряжение на

50

из строя лавинного фотодиода 2 и (или) усилителя 4 имеются постоянные напряжения Uo, Us, Ue соответственно, причем различие между Uo, Us, Ue, определенное алгоритмом работы устройства, является довольно существенным. На выходе измерителя 26 при нормальном функционировании системы величина напряжения, определяеи,

мая отношением г-г, может составлять десятU2

ки и даже сотни единиц, а при любой не- 55 ментов исправности (обрыв оптического волокна 1, выход из строя лавинного фотодиода 2 и (ил1

первых входах компараторов 36 и 37 уменьшается до величины Ue. Следовательно, напряжение на первых входах компараторов 36 и 37 становится меньше установленных для них пороговых напряжений, что приводит к формированию на выходах компараторов логических единиц.

Таким образом, в случае нормального функционирования системы передачи с выхода компаратора 13 на первые входы эле- И 34 и 35 поступает логический ноль, на вторые входы их с выходов компараторов 36 и 37 также поступают логичесусилителя 4) напряжение, определенное от- кие ноли. При этом на выходах 3 и 4 устU4

U7

и гг- при появлении в устройстве каUe

,

ношением рг или -г, приблизительно равно

UsUs

единице.

С выхода измерителя 26 постоянное на- пряжение поступает на первый вход компаратора 13, на второй вход которого с переменного резистора подается опорное напряжение несколько большее, чем напряжение

U4U7

0 Us

кой-либо неисправности напряжение на первом входе компаратора 13 становится ниже порогового, при этом на его выходе формируется логическая единица. Одновременно с этим с выхода выпрямительного блока 11 постоянное напряжение поступает на первые входы компараторов 36 и 37, на вторые входы которых подаются опорные напряжения. Формирование опорного напряжения для компаратора 36 осушествляется

5

ненного в виде термопары, переменного резистора 30, сумматора 32. С помощью переменного резистора 30 на втором входе компаратора 36 устанавливается опорное напряжение несколько больше, чем Us. Формирование опорного напряжения для компаратора 37 осуществляется с помощью датчика 7, переменного резистора 31 и сумматора 33. С помощью переменного резистора 31 на втором входе компаратора 37 устанав- д ливается опорное напряжение несколько больше, чем напряжение Ue. Таким образом, при нормальном функционировании системы передачи напряжение на первых входах компараторов Uo больще, чем опорные напряжения на их вторых входах. Это приводит к формированию на их выходах логи

ческих нолей. При возникновении такого рода неисправности, как обрыв оптического волокна, напряжение на первых входах компараторов 36 и 37 уменьшается до величины Us. Напряжение на первом входе компаратора 36 становится меньше, чем порого- вое, и на его выходе формируется логическая

единица, напряжение на первом входе компаратора 37 остается больше, чем пороговое - на его выходе логическая единица. В случае выхода из строя лавинного фотодиода 2 и (или) усилителя 4 напряжение на

0

5 ментов

первых входах компараторов 36 и 37 уменьшается до величины Ue. Следовательно, напряжение на первых входах компараторов 36 и 37 становится меньше установленных для них пороговых напряжений, что приводит к формированию на выходах компараторов логических единиц.

Таким образом, в случае нормального функционирования системы передачи с выхода компаратора 13 на первые входы эле- И 34 и 35 поступает логический ноль, на вторые входы их с выходов компараторов 36 и 37 также поступают логические ноли. При этом на выходах 3 и 4 устройства формируются логические ноли. В случае обрыва оптического волокна на выходе компаратора 13 - логическая единица, на выходе компаратора 36 - также логическая единица, на выходе компаратора 37 - логический ноль, это ведет к появлению на выходе 3 устройства логической единицы, а на выходе 4 устройства - логического ноля. При появлении неисправностей, связанных с выходом И.З строя лавинного фотодиода 2 и (или) усилителя 4, на выходах компараторов 13, 36 и 37 - логические единицы, что ведет к формированию в свою очередь на выходах 3 и 4 устройства логических единиц. Таким образом, с помощью описанного

отношения и компаратора 29. При нормальном функционировании системы передачи линейный сигнал, возможная реализация которого показана на фиг. За, поступает на г входы детектора 17 и полосового фильтра 18. Последовательно включенные детектор 17 и интегратор 21 выделяют из линейного сигнала (фиг. За) постоянное напряжение Ug, пропорциональное полной энергии линейного сигнала. Полосовой фильтр 18 настроен на тактовую частоту линейного сигнала f и выделяет из него гармонический сигнал, представленный на фиг. 36. Детектор 22 и интегратор 25 выделяют из тактовой частоты (фиг. 36) постоянную состав10

алгоритма удается высокоэффективно, с вы- - ляющую Uo, величина которой пропор- сокой точностью разделять нормальное функ- циональна энергии сигнала на тактовой час- ционирование системы передачи, неисправ-

кость, вызванную обрывом оптического волоктоте. При этом на выходе измерителя 27 отношения имеется напряжение, равное отношению полной энергии сигнала к энергии

на, и неисправность, вызванную выходом из строя лавинного фотодиода 2 и (или) уситоте. При этом на выходе измерителя 27 отношения имеется напряжение, равное отношению полной энергии сигнала к энергии

Ug

лителя 4. Использование в данном устрой- 20 на тактовой частоте стве принципа локализации неисправностей

по двум признакам (с последующим сопоставлением их на схеме И) позволяет значительно повысить точность разделения различных типов неисправностей. Кроме того, введение в устройство термокомпенсирующих элементов позволяет избавить устройство от воздействия изменения температуры. Под действием изменения температуры окружающей среды темновой ток фотодиода 2, а также 1нумы усилителя 4 могут изменяться в широких пределах, что, соответственно, приводит к изменению напряжений Цч и UG в случае возникновения неисправностей. Введение датчика 7, в состав которого входит масштабный усилитель, позвоВ случае изменения параметров излучения лазерного диода на выходе согласующего элемента 14 имеются флуктуации вре2 менного положения импульсов линейного кода. Данные флуктуации показаны на фиг. Зв, где импульсы могут менять свое временное положение в диапазоне от 2 до 3. При этом энергия линейного сигнала практически не изменяется, т. е. постоянное напря30 жение на выходе интегратора 21 . Флуктуирующие импульсы линейного кода (фиг. Зв) поступают на полосовой фильтр 18, настроенный на тактовую частоту. Это приводит к уменьшению амплитуды гармонического сигнала (фиг. Зг) на выходе полосово- чяет одновременно с изменением УЗ и UG из- 35 о фильтра 18, причем, чем больше вре.мен- менять напряжения на компарато- ные флуктуации импульсов линейного сигна-.

ла, тем меньше энергия сигнала вблизи тактовой частоты. Детектор 22 и интегратор 25 выделяют из тактовой частоты (фиг. Зг) напряжение постоянной составляющей Ui2, величина которого пропорциональна энеррах 36 и 37, что устраняет пропуски и ложные срабатывания, связанные с изменением темнературы.

В одномодовых системах передачи возможны изменения параметров излучения ла- зерного диода, входящего в состав одно- модового оптического передатчика. Изменение параметров излучения лазерного диода влечет за собой увеличение уровня шумов

гии тактовой частоты. При этом на выходе измерителя 27 отношения имеется наи,

и,2На ВТОпряжение, равное отношению разделения мод, которые выражаются во ,с флуктуациях временного положения и фор- рой вход компаратора 29 подается опорное мы оптических импульсов на выходе одно- , модового оптического волокна. Флуктуации напряжение несколько меньшее, чем -Uio

временного положения и фор.мы оптических импульсов снижают помехоустойчивость приустанавливаемое с помощью переменного

ема информационнь1х посылок, а прИ дости- 50 резистора 28. На первый вход компарато 29 подается постоянное напряжение с

выхода измерителя 27 отношения. При нормальном функционировании ЦВОСП на пержении флуктуации определенного уровня прием информационного сигнала с заданной достоверностью становится невозможным, что расценивается как неисправность системы передачи. Локализация данного типа неисправности осуществляется с помощью детектора 17, интегратора 21, последовательно включенных полосового фильтра 18, детектора 22, интегратора 25, измерителя 27

Uo

BOM входе комнаратора напряжение - в

55,L u,

случае возникновения неисправности, связанной с изменением параметров излучения лазерного диода, напряжение увеличивается

ляющую Uo, величина которой пропор- циональна энергии сигнала на тактовой час-

тоте. При этом на выходе измерителя 27 отношения имеется напряжение, равное отношению полной энергии сигнала к энергии

Ug

ла, тем меньше энергия сигнала вблизи тактовой частоты. Детектор 22 и интегратор 25 выделяют из тактовой частоты (фиг. Зг) напряжение постоянной составляющей Ui2, величина которого пропорциональна энергии тактовой частоты. При этом на выходе измерителя 27 отношения имеется наи,

и,2На ВТОпряжение, равное отношению рой вход компаратора 29 подается опорное напряжение несколько меньшее, чем -устанавливаемое с помощью переменного

резистора 28. На первый вход компаратодо величины

и

и,2

что и фиксируется компаратором. При этом на выходе компаратора формируется логическая единица. Таким образом, удается высокоэффективно, с высокой точностью локализовать неисправность, связанную с изменением параметров излучения лазерного диода.

Формула изобретения

Устройство для контроля цифровых волоконно-оптических систем передачи, содержащее резистор, один вывод которого соединен с общей шиной, а другой вывод - с анодом лавинного фотодиода, последовательно соединенные первый усилитель, выход которого является первым выходом устройства, детектор и усилитель смещения, выход которого соединен с катодом лавинного фотодиода, а вход первого усилителя соединен с анодом лавинного фотодиода, оптический вход которого является оптическим входом устройства, первый переменный резистор, один вывод которого соединен с общей щпной, а другой вывод соединен с источником питания, первый компаратор, первый вход которого соединен со средним выводом первого переменного резистора, последовательно соединенные согласующий элемент, вход которого соединен с выходом первого усилителя, первый полосовой фильтр, предварительный усилитель, второй усилитель и выпрямительный блок, отличающееся тем, что, с целью повышения точности локализации неисправностей, введены последовательно соединенные второй полосовой фильтр, третий детектор, первый интегратор и первый измеритель отношения, вы0

5

ход которого соединен с вторым входом первого компаратора, последовательно соединенные третий полосовой фильтр, четвертый детектор и второй интегратор, выход которого соединен с вторым входом первого измерителя отношения, последовательно соединенные второй детектор, третий интегратор, второй измеритель отнощения и второй компаратор, выход которого является вторым выходом устройства, последовательно соединенные четвертый полосовой фильтр, пятый детектор и четвертый интегратор, выход которого соединен с вторым входом второго измерителя отношения, последовательно соединенные первый сумматор, третий компаратор и первый элемент И, выход которого является третьим выходом устройства, последовательно соединенные второй сумматор, четвертый компаратор, второй элемент И, выход которого является четвертым выходом устройства, а второй вход соединен с вторым входом первого элемента И и с выходом первого компаратора, датчик температуры, вход которого соединен с корпусом устройства, а выход соединен с первыми входами первого и второго сумматоров, второй, третий и четвертый переменные резисторы, одни выводы которых соединены с общей шиной, другие выводы соединены с источником питания, а средние выводы соединены соответственно с вторыми входами второго компаратора, первого сумматора и второго сум- матора, при этом второй вход третьего компаратора соединен с вторым входом четвертого компаратора и с выходом выпрямительного блока, выход согласующего элемента соединен с входами второго, третьего и четвертого полосовых фильтров и второго детектора.

0

Л /2

У

Фиг. г

и

/t

a

a