Многоканальное волоконно-оптическое устройство для передачи и регистрации однократных импульсных электрических сигналов

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат заключается в увеличении числа каналов регистрации однократных импульсных электрических сигналов без увеличения числа каналов регистрации регистратора оптических сигналов. Для этого на каждый оптический канал регистратора устанавливают по оптическому мультиплексору, а сам регистратор (осциллограф) снабжают дополнительной функцией демультиплексирования. 1 ил.

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и предназначено для передачи и цифровой регистрации однократных импульсных электрических аналоговых сигналов. Оно может быть использовано в научных исследованиях по ядерной физике.

Известно устройство [1], позволяющее передавать электрические сигналы по оптическому волокну. В его состав входит оптический передатчик, преобразующий входной электрический сигнал в оптический аналог, оптическое волокно как линия передачи, по которой этот аналог передается, и фотоприемник, осуществляющий обратное преобразование оптического сигнала в исходный электрический, который может быть зарегистрирован с помощью аналого-цифрового регистратора. Однако данное устройство является одноканальным.

Известно многоканальное устройство для передачи информации [2], состоящее из четырех оптических передатчиков, входящих в состав передающего блока, четырех оптических волокон и четырех фотоприемников, входящих в состав приемного блока. Аналоговые выходы фотоприемников подсоединены каждый к своему аналого-цифровому регистратору. Также в состав этого устройства входят блоки и схемы управления, осуществляющие включение/выключение оптических передатчиков и калибровку каналов передачи информации: оптический передатчик - оптическое волокно - фотоприемник. Данное устройство позволяет передавать одновременно четыре электрических сигнала, которые можно зарегистрировать с помощью четырех аналого-цифровых регистраторов, подключенных к выходам фотоприемников.

Недостатком данного устройства является необходимость использования четырех высокоскоростных аналого-цифровых регистраторов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является многоканальное устройство [3], реализующее высокоскоростной оптоэлектронный метод регистрации аналоговых данных, состоящих из N электрических импульсных сигналов. Данное устройство состоит из N оптических передатчиков, преобразующих входные электрические сигналы в оптические. Оптический выход каждого из передатчиков подсоединен к оптическому волокну. Оптические волокна выстроены в ряд и подсоединены через входную щель к высокоскоростному многоканальному регистратору оптических сигналов, состоящему из пикосекундной электронно-оптической камеры и компьютера. В этом устройстве сигналы с оптических передатчиков по оптическим волокнам передаются на высокоскоростной многоканальный регистратор оптических сигналов. В регистраторе производится их временная развертка на экране электронно-оптической камеры в виде параллельных линий, число которых соответствует числу входных оптических волокон N, а яркость точек вдоль этих линий пропорциональна величине оптических сигналов. Записанное изображение на экране электронно-оптической камеры оцифровывается и поступает на компьютер, где по специальной программе производится восстановление зарегистрированных электрических сигналов. Данное многоканальное устройство позволяет передавать и регистрировать электрические импульсные сигналы, используя один многоканальный высокоскоростной регистратор.

Недостатком прототипа является ограниченное количество регистрирующих каналов многоканального регистратора, обусловленное пространственным разрешением электронно-оптической камеры.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является увеличение числа каналов передачи и регистрации однократных импульсных электрических сигналов без увеличения числа каналов регистрации многоканального регистратора оптических сигналов.

Технический результат достигается тем, что многоканальное волоконно-оптическое устройство для передачи и регистрации однократных импульсных электрических сигналов, содержащее N оптических передатчиков по числу передаваемых электрических сигналов, N оптических волокон, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего оптического передатчика, многоканальный регистратор оптических сигналов с К входами, дополнительно содержит К одинаковых волоконно-оптических разветвителей, каждый из которых имеет М входов и один выход, где M=N/K, выходы оптических передатчиков через соответствующие им оптические волокна, подключены к соответствующим входам соответствующих оптических разветвителей, выходы которых подключены к соответствующим входам многоканального регистратора, оптические волокна, соединенные с входами одного и того же разветвителя, выполнены разной длины, определяемой из условия:

L_n=L₀+(n-M·(k-1)-1)·ν_gt_рег, n=M·(k-1)+1, ..., M·k; k=1, ... K,

где L_n - длина оптического волокна; L₀ - расстояние от оптических передатчиков до разветвителей вдоль оптического волокна; ν_g - скорость распространения оптического сигнала в оптическом волокне; t_рег - время регистрации электрического сигнала,

многоканальный регистратор оптических сигналов, выполнен с возможностью реализации по каждому своему каналу функции:

где U_n(t) - электрический сигнал, поступающий на вход n-го оптического передатчика, S_n - коэффициент преобразования устройства по n-му каналу; P_k(t) оптический сигнал, зарегистрированный по k-му входу регистратора оптических сигналов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в оптическом мультиплексировании по времени сигналов с разных оптических передатчиков за счет разных времен прохождения оптических сигналов по оптическим волокнам разной длины с последующим программно-аппаратным демультиплексированием, осуществляемым в регистраторе по специальной программе, за счет чего удается увеличить число каналов регистрации без увеличения числа входов многоканального регистратора оптических сигналов.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже.

Волоконно-оптическое многоканальное устройство передачи и регистрации импульсных электрических сигналов содержит 1₁, ..., 1_N оптических передатчиков, число которых равно числу N передаваемых электрических сигналов, которые через равное им количество оптических волокон 2₁, ..., 2_N подключены к входам соответствующих одинаковых волоконно-оптических разветвителей 3₁, ..., 3_К, выходы которых подключены к соответствующим входам многоканального регистратора оптических сигналов 4.

Число М входов волоконно-оптического разветвителя определяется условием:

где t_разв. - длительность временной развертки многоканального регистратора оптических сигналов 4; t_рег. - длительность регистрируемых входных импульсных электрических сигналов, одинаковая для всех N входных сигналов, которая должна удовлетворять условию:

t_рег.≥t_d,

где t_d - ожидаемая максимальная длительность входных электрических сигналов.

Число К волоконно-оптических разветвителей 3₁, ..., 3_К и соответственно входов многоканального регистратора оптических сигналов 4 определяется условием:

Длины оптических волокон 2_М·(k-1)+1, ..., 2_M·k, подключенных к входам одного и того же k-го волоконно-оптического разветвителя 3_k, выбираются из условия:

где L_n - длина оптического волокна 2_n, подключенного к (n-М(k-1))-му входу k-го волоконно-оптического разветвителя; L₀ - расстояние от оптических передатчиков до разветвителей вдоль оптического волокна; ν_g - скорость распространения оптического сигнала в оптическом волокне.

Многоканальный регистратор оптических сигналов 4 выполнен с возможностью производить вычисления для каждого из К своих каналов по следующей формуле:

где U_n(t) - электрический сигнал, поступающий на вход одного из оптических передатчиков 1_1...N, подключенного через одно из оптических волокон 2_1..N к (n-M(k-1))-му входу разветвителя 3_k, соответствующего данному передатчику; S_n - коэффициент передачи устройства по n-му каналу; P_k(t) - оптический сигнал, записанный по k-му входу регистратора оптических сигналов 4, к которому подключен данный разветвитель 3_k.

Устройство работает следующим образом. Импульсные электрические сигналы поступают на входы оптических передатчиков 1₁, ..., 1_N, где преобразуются в аналогичные им сигналы оптической мощности по формуле:

P'_n(t)=a·U_n(t),

где а - коэффициент преобразования электрического сигнала в оптический сигнал в соответствующем передатчике. Эти сигналы передаются по оптическим волокнам 2₁, ..., 2_N на входы волоконно-оптических разветвителей 3₁, ..., 3_K.

Так как оптические волокна, соответствующие одному и тому же волоконно-оптическому разветвителю 3_k, имеют разную длину, определяемую формулой (1), то на входы волоконно-оптического разветвителя 3_k эти сигналы P''_n(t) поступят в разные моменты времени, сдвинутые относительно прихода n-го входного электрического импульса на время L_n/ν_g:

где α - коэффициент экстинкции оптического волокна.

На выходе волоконно-оптического разветвителя 3_k образуется сигнал P_k(t), который является суммой сигналов на входах разветвителя 3_k:

где b - коэффициент потерь в разветвителе 3_k.

Сигнал P_k(t) с выхода разветвителя 3_k поступает на k-й вход регистратора оптических сигналов 4, где производится его запись для дальнейшей обработки.

Таким образом, регистратор оптических сигналов 4 по k-му входу запишет следующий сигнал:

где S_n - коэффициент преобразования устройства по n-му входу, равный произведению:

В регистраторе 4 сигнал P_k(t) оцифровывается и по специальной программе вычисляются исходные импульсные электрические сигналы U_n(t) по формуле:

Осуществление демультиплексирования по формуле (4) возможно, когда длительность входных импульсов U_n(t) будет меньше, чем время регистрации t_рег. В противном случае произойдет искажение сигнала из-за наложения импульсов друг на друга.

Действительно, если входные импульсные электрические сигналы U_n(t) представимы в виде:

где t_dn - длительность входного электрического импульса, поступающего на n-й передатчик; U_Pn(t) - функция, описывающая форму импульса, а отсчет времени t здесь ведется от начала регистрации сигналов, общего для всех оптических передатчиков, то U_n(t) можно записать в виде:

где t_рег. - время регистрации сигналов, которое должно удовлетворять условию:

t_рег.≥max{t_dn}^N _n=1;

H(t) - функция Хевисайда.

Подставим выражение (5) в (3):

сделаем замену переменных тогда

Исходя из свойств функции Хевисайда, это выражение перепишется в виде:

P_k(t'+L_n/ν_g)=S_nU_n(t'),

откуда сразу следует формула (4).

Вышеприведенный анализ показал, что в предлагаемом устройстве по одному входному каналу многоканального регистратора оптических сигналов 4 можно зарегистрировать М входных оптических сигналов. Соответственно, при К входных каналах регистратора можно зарегистрировать КМ сигналов.

Таким образом, предлагаемое устройство в сравнении с прототипом позволяет зарегистрировать в М раз больше электрических сигналов при использовании одного и того же регистратора, что и в прототипе, имеющего К каналов регистрации.

Источники информации

1. Дж.Гауэр. «Оптические системы связи». М.: «Радио и связь», 1989, с.16.

2. Демьянович М.В., Евреев А.И., Сорокин В.Б. «Многоканальное устройство передачи информации». - Технический прогресс в атомной промышленности, № 10-11, 1990, с.34.

3. Чанг и др. «Высокоскоростной оптоэлектронный метод регистрации аналоговых данных». - Приборы для научных исследований, № 10, 1985, с.3.

Многоканальное волоконно-оптическое устройство для передачи и регистрации однократных импульсных электрических сигналов, содержащее N оптических передатчиков по числу передаваемых электрических сигналов, N оптических волокон, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего оптического передатчика, многоканальный регистратор оптических сигналов с К входами, отличающийся тем, что оно дополнительно содержит К одинаковых волоконно-оптических разветвителей, каждый из которых имеет М входов и один выход, где M=N/K, выходы оптических передатчиков через соответствующие им оптические волокна подключены к соответствующим входам соответствующих оптических разветвителей, выходы которых подключены к соответствующим входам многоканального регистратора, оптические волокна, соединенные с входами одного и того же волоконно-оптического разветвителя, выполнены разной длины, определяемой из условия:

L_n=L₀+(n-M·(k-1)-1)·v_gt_рег., n=M·(k-1)+1, ..., M·k; k=1, ..., K;

где L_n - длина оптического волокна; L₀ - расстояние от оптических передатчиков до разветвителей вдоль оптического волокна; v_g - скорость распространения оптического сигнала в оптическом волокне; t_рег - время регистрации электрического сигнала, k - индекс волоконно-оптического разветвителя, многоканальный регистратор оптических сигналов выполнен с возможностью реализации по каждому своему каналу функции:

U_n(t)=(1/S_n)·P_k(t+L_n/v_g), t∈[0,t_рег],

где U_n(t) - электрический сигнал, поступающий на вход n-ого оптического передатчика; S_n - коэффициент преобразования устройства по n-му каналу; P_k(t) - оптический сигнал, зарегистрированный по k-ому входу регистратора оптических сигналов.