Аналого-цифровой накопитель с кольцевым регистром памяти

В корреляционных рефлектометрах, зондирующие сигналы которых представляют собой фрагменты М-последовательностей (рисунок 1, а) с изменяющейся начальной фазой, длительность импульсов τ определяет разрешающую способность рефлектометра, а длительность М-после- довательности ‒ длину исследуемого волоконнооптического тракта.

Сигналы обратного рассеяния с выхода усилителя фототока оцифровываются аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и накапливаются в кольцевом регистре памяти. Число ячеек памяти регистра равно числу символов периода

Рисунок. Диаграммы работы корреляционного рефлектометра

М-последовательности и должно быть больше суммы числа элементов регистрируемой рефлек-тограммы R и числа импульсов в фрагменте зондирующего сигнала Κ ։

M = (2Y -1)>(R + K), где γ ‒ любое целое число.

Фрагментарная регистрация сигнала обратного рассеяния

Амплитуда сигнала обратного рассеяния волоконно-оптического тракта затухает во времени по экспоненциальному закону (рисунок, б), и затухание может достигать 100 дБ. Динамический диапазон АЦП значительно меньше, порядка 30 дБ, поэтому для регистрации сигнала обратного рассеяния во всем диапазоне затуханий его необходимо усиливать. Если сигнал обратного рассеяния разделить на ряд фрагментов ТF одинаковой длительности, то затухания сигналов в каждом фрагменте будут примерно одинаковыми. Эти затухания могут быть компенсированы линейкой масштабных усилителей с одинаковыми коэффициентами усиления, равными среднему затуханию сигнала во фрагментах (рисунок, в‒д).

Во время первого фрагмента на АЦП поступает сигнал обратного рассеяния непосредственно с выхода усилителя фототока и оцифрованные сигналы накапливаются в первом регистре памяти. Во время второго фрагмента на АЦП поступает сигнал обратного рассеяния с выхода первого масштабного усилителя и оцифрованные 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 памяти и т. д. Таким образом, на АЦП поступают сигналы с различных масштабных усилителей приблизительно равной амплитудой, и в каждом регистре памяти накапливается только один фрагмент сигнала обратного рассеяния.

Для обеспечения максимального отношения сигнал ‒ шум длительность фрагмента М-после-довательности зондирующего сигнала выбирается равной длительности фрагмента сигнала обратного рассеяния, накапливаемого в каждом регистре. Так как на выходе последнего масштабного 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 длительности остальных фрагментов и заканчивается только с началом следующего зондирующего сигнала. Число ячеек в каждом регистре памяти одинаковое, равное числу импульсов М-последователь-ности .

Запись значений сигнала обратного рассеяния в кольцевые регистры памяти

После генерации первого фрагмента зондирующего сигнала мгновенные значения сигнала обратного рассеяния заносятся в каждом регистре памяти в ячейки с номерами 1, 2, …, Κ , а в последнем регистре памяти мгновенные значения заносятся в большее число ячеек с номерами 1, 2, .., ( M - VK ) , то есть до начала генерации второго фрагмента зондирующего сигнала. После его генерации мгновенные значения заносятся в каждом регистре в ячейки с номерами 2, 3, ..., ( K + 1 ) , а в последнем регистре - с номерами 2, 3, ., ( M - VK + 1 ) , то есть до начала генерации третьего фрагмента зондирующего сигнала.

После его генерации мгновенные значения заносятся 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 значения М заносятся по кольцу в ячейки с номером 1, 2, … и т. д.

После регистрации сигналов обратного рассеяния от всех М фрагментов зондирующего сигнала в ячейках каждого регистра памяти накапливаются мгновенные значения сигналов обратного рассеяния от ряда элементов волоконно-оптического тракта с различным числом накоплений. Так, нaпримeр, во втором регистре памяти число накоплений от первого элемента фрагмента ‒ 1, от второго ‒ 2, от третьего ‒ 3 и т. д., линейно увеличиваясь до Κ -го ‒ Κ , от ( Κ + 1)‐ᴦο ‒ ( Κ ‒ 1), от ( Κ + 2)‐ᴦο ‒ ( Κ ‒ 2), от ( Κ + 3)‐ᴦο ‒ ( Κ ‒ 3) и т. д., линейно уменьшаясь до (2 Κ ‒ 1)‐ᴦᴏ ‒ 1. На рисунке, е показана зависимость числа накоплений мгновенных значений сигнала обратного рассеяния от элементов волоконно-оптического тракта во втором регистре памяти. В последнем регистре памяти от Κ -го и последующих элементов число накоплений постоянно и равно Κ до начала следующего зондирующего сигнала. Если просуммировать число накоплений мгновенных значений сигнала обратного рассеяния во всех регистрах памяти (рисунок, ж ), то число накоплений всех, за исключением первых Κ , элементов будет одинаково и равно Κ .

Корреляционная обработка сигнала обратного рассеяния

Для корреляционной обработки накопленных в регистрах памяти сигналов обратного рассеяния в качестве опорного сигнала используется исходная М-последовательность. В результате корреляционной обработки накопленных в регистрах памяти сигналов формируются фрагменты рефлектограммы, сумма которых и является полной рефлектограммой исследуемого волоконнооптического тракта (рисунок, з ). Для устранения искажений рефлектограммы в ее первом фрагменте используется множитель:

x ( r ) = z ( r ) K[r , где x ( r ) - рефлектограмма как функция от расстояния r ; z ( r ) - зарегистрированная рефлекто-грамма с искажeниями.

Погрешности при измерениях

При измерении мгновенных значений сигнала обратного рассеяния АЦП возникают составляющие погрешности преобразования, обусловленные шумами фотоприемника, неточностью установки коэффициента передачи масштабных усилителей и нелинейностью передаточной функции преобразователя. Составляющая погрешности из-за шумов фотоприемника уменьшается при увеличении числа импульсов в фрагменте зондирующего сигнала и увеличении времени регистрации рефлектограммы, составляющая погрешности из-за неточности установки коэффициента передачи масштабных усилителей уменьшается калибровкой рефлектометра, а составляющая погрешности от нелинейности преобразователя носит случайный характер и зависит от величины мгновенного значения оцифрованного сигнала обратного рассеяния.

Сигнал обратного рассеяния волоконно-оптического тракта затухает во времени по экспоненциальному закону:

y ( t ) = U exp ( -a ctjn ) , где U ‒ максимальное значение сигнала обратного рассеяния в начале тракта; a - коэффициент затухания оптического волокна; c ‒ скорость света в вакууме; n ‒ коэффициент преломления сердцевины волокна.

Сигнал обратного рассеяния в V-фрагменте волоконного тракта։ yV (t) = UV exp (-act/n).

АЦП имеет Q положительных и Q отрицательных единиц младшего разряда Δ, поэтому сигнал обратного рассеяния измеряется в целых числах единиц этого разряда y_V ( t ) = i А с погрешностью преобразования, не превышающей половины единицы младшего разряда е<А/ 2 . Преобразователь имеет динамический диапазон D = 2 Q) А и последовательно формирует цифровые значения сигнала обратного рассеяния, которые изменяются в моменты времени перехода этого сигнала через границу, разделяющую младшие разряды.

Каждое цифровое значение сигнала обратного рассеяния на выходе АЦП существует некоторый интервал времени։

t ⁽ i ) = -

n ac

ln iА- -ln iА + —

I 2 JI 2

тельности импульсов зондирующего сигнала τ, заносятся и накапливаются в регистре памяти рефлектометра.

Длительность всего регистрируемого фраг- мента։

< i + 0 , 5 ( i - 0 , 5

Q ₂

Tf = - Z ln a c~Q где Q1 и Q2 ‒ минимальное и максимальное цифровое значение сигнала обратного рассеяния в V-м фрагменте.

Нормированный интервал времени каждого цифрового значения։ tn (i ) =ln

/ i + 0,5 ) /А, / i + 0,5 / In .

(i - 0,5 J/^ (i - 0,5 J

Так как зондирующие сигналы представляют собой фрагменты М-последовательностей, начальная фаза которых последовательно изменяется от 1 до M , 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 M ячеек каждого регистра памяти накапливается сумма K ‒ мгновенных значений сигналов обратного рассеяния, изменяющихся в пределах затухания сигнала в выбранном фрагменте։

- n Q^   Г i + 0 , 5

^ = -- / I ln

V   a c i t Q l     ( i - 0 , 5

.

Погрешность измерения мгновенного значения сигнала обратного рассеяния е ( i ) не превышает половины единицы младшего разряда. Погрешность накопленной суммы мгновенных значений:

а среднее квадратичное значение этой погрешности:

Аn 02л, 2/i + 0,5/

-—. Z In I I 2ac^i^Q (i - 0,5 J где Δ/2 ‒ среднее квадратичное значение погрешности измерения мгновенного значения сигнала обратного рассеяния.

Средняя квадратичное значение погрешности измерения i -х значений сигнала обратного рассе-яния։

= —In

a c

( i + 0 , 5 ^ i - 0 , 5

^i =

Цифровые значения сигнала обратного рассеяния через интервал времени, равный дли-

Например, при a = 0 , 05 , n = 1 , 5 , Q 1 = 10 и Q ₂ = 100 эта погрешность составляет ^ i «

~ 0 , 13 ( А/2 ) , то есть погрешность уменьшается приблизительно в восемь раз и во столько же раз расширяется динамический диапазон. Рассмотренное уменьшение погрешности АЦП справедливо только при малых шумах фотоприемника на его входе, при оцифровывании сигналов с выходов первых масштабных усилителей. Механизм уменьшения погрешности обусловлен ее усреднением в диапазоне изменений сигнала обратного рассеяния в каждом фрагменте.

Для обеспечения высокой точности оцифровки сигнала обратного рассеяния амплитуда выходного сигнала усилителя фототока устанавливается приближенно равной номинальному значению АЦП. Через интервал времени T_F вход АЦП переключается к выходу первого масштабного усилителя, который частично компенсирует затухание сигнала обратного рассеяния за интервал времени T F . Через интервал времени 2 T F вход АЦП переключается к выходу второго масштабного усилителя, который частично компенсирует затухание сигнала обратного рассеяния за второй интервал времени T_F и т. д. Общее число масштабных усилителей ограничивается шумами на выходе последнего масштабного усилителя, которые не должны приводить к насыщению АЦП. Амплитуда сигнала обратного рассеяния должна быть меньше шума и не оказывать существенного влияния на насыщение АЦП.

На выходе последнего масштабного усилителя присутствуют значительные шумы фотоприемника, которые при накоплении уменьшают погрешность согласно:

А 2oVn

Z =— i2

где о - среднее квадратичное значение шумов фотоприемника на выходе последнего масштабного усилителя.

Например, при о = 50 А эта погрешность составляет £ i ® 0 , 08 ( А/2 ) , то есть погрешность уменьшается приблизительно в двенадцать раз и во столько же раз расширяется динамический диапазон. Рассмотренное уменьшение погрешности АЦП справедливо только при больших шумах фотоприемника на выходе последнего масштабного усилителя. Механизм уменьшения погрешности обусловлен ее усреднением в диапазоне изменений шумового сигнала фотоприемника.

При преобразовании выходных сигналов остальных масштабных усилителей погрешность уменьшается за счет обоих усреднений.

Шумы фотоприемника последнего масштабного усилителя не зависят от параметров измеряемого волоконно-оптического тракта, а зависят только от коэффициентов усиления масштабных усилителей, их полосы пропускания и являются характеристикой рефлектометра. Амплитуда сигнала обратного рассеяния на выходе этого усилителя зависит от длительности фрагмента последовательности зондирующего сигнала, равного длительности фрагмента сигнала обратного рассеяния, и затухания волоконно-оптического тракта. Это позволяет, не изменяя уровня шумов и незначительно изменяя длительность фрагментов, изменять амплитуду сигнала обратного рассеяния на выходе последнего масштабного усилителя и устанавливать ее уровень меньше шумов фотоприемника.

Заключение

Рассмотренные выше положения показывают, что в корреляционных рефлектометрах, зондирующие сигналы которых представляют собой фрагменты М-последовательностей с изменяющейся начальной фазой, погрешности преобразования АЦП значительно меньше, чем собственная погрешность АЦП, а динамический диапазон шире.

Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям в рамках договора № 3855ГС1/63276.