DE10021860C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Träger-zu-Rausch-Verhältnisses bei optischer Übertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schal­ tungsanordnung zur Bestimmung des Träger-zu-Rausch-Verhält­ nisses (OSNR) bei optischer Übertragung eines über eine opti­ sche Signalübertragungsstrecke übertragenen rauschbehafteten optischen Signals, in welchem ein Nutzsignal enthalten ist, durch optisches Detektieren des betreffenden optischen Sig­ nals und durch Ermitteln der Nutzsignalleistung und der Rauschsignalleistung zur Bildung des Träger-zu-Rausch-Ver­ hältnisses, wobei das optische Signal samt dem mit ihm über­ tragenen optischen Rauschen von einem optischen Filter aufge­ nommen wird, dessen optisches Ausgangssignal in einer Detek­ tiereinrichtung in ein ihm entsprechendes elektrisches Signal umgesetzt wird.

Die Bestimmung des Träger-zu-Rausch-Verhältnisses bei opti­ scher Signalübertragung ist im Zusammenhang mit der Sicherung der Übertragungsqualität auf einer optischen Signalübertra­ gungsstrecke von entscheidender Bedeutung. Um die für das je­ weilige Träger-zu-Rausch-Verhältnis benötigten Meßgrößen zu ermitteln, kann in konventioneller Weise mit einem optischen Spektrumanalysator gearbeitet werden. Es gibt eine Reihe von kommerziell erhältlichen Meßinstrumenten, welche die Wellen­ länge, die Nutzsignalleistung und das Träger-zu-Rausch-Ver­ hältnis der jeweiligen optischen Signalübertragungsstrecke zu ermitteln gestatten. Diese Meßgeräte sind jedoch zum einen relativ teuer, und zum anderen weisen sie erhebliche Abmes­ sungen auf, weshalb sie für einen mobilen Einsatz ungeeignet sind.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (US 5 943 147 A) wird das Träger-zu-Rausch-Verhältnis dadurch bestimmt, dass während des Abstimmens des optischen Filters auf die Wellenlänge des Kanal-Signals Werte der optischen Pe­ gel gespeichert werden und aus diesen gespeicherten Werten der Signalpegel als Maximum sowie mittels Interpolation der Rauschpegel ermittelt werden. Diese Vorgehensweise wird je­ doch wegen der erforderlichen Interpolation als nicht ausrei­ chend ganau angesehen, um ein Träger-zu-Rausch-Verhältnis ge­ nau zu bestimmen.

Das optische Träger-zu-Rausch-Verhältnis OSNR (aus dem Engli­ schen: Optical Signal to Noise Ratio) wird definiert als Ver­ hältnis zwischen der Nutzsignalleistung bei der Nutzsignal­ wellenlänge λ und der optischen Rauschleistung innerhalb ei­ ner vorgegebenen Bandbreite um die betreffende Nutzsignalwel­ lenlänge. Zur Bestimmung des genannten optischen Träger-zu- Rausch-Verhältnisses besteht die gebräuchlichste Vorgehens­ weise darin, die Rauschleistung nicht direkt unter der Nutz­ signalwellenlänge zu messen, sondern daneben, beispielsweise zwischen zwei benachbarten Nutzsignalwellenlängen, und dann die Meßwerte zu extrapolieren (siehe hierzu beispielsweise DE 198 30 809 A1). Damit stellt diese Vorgehensweise ein in­ direktes Meßverfahren dar, das allerdings dann nicht an­ wendbar ist, wenn z. B. in der jeweiligen optischen Übertra­ gungsstrecke vorhandene WDM-Filter (aus dem Englischen: Wave­ length De-Multiplexer) vorgesehen sind, durch die die Rausch­ leistung neben der Nutzsignalwellenlänge abgesenkt wird.

Es ist nun auch schon ein Verfahren zur Bestimmung des opti­ schen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses auf einer ein WDM-Über­ tragungssystem enthaltenden optischen Übertragungsstrecke be­ kannt (US-PS 5.513.029). Bei diesem bekannten Verfahren wird dem jeweiligen Nutzsignal eine zusätzliche schwache Amplitu­ denmodulation mit bekannter Modulationstiefe aufgeprägt. Auf der betreffenden optischen Übertragungsstrecke, beispielsweise nach einem optischen Verstärker EDFA (aus dem Engli­ schen: Erbium doped Fibre Amplifier) werden dann die optische Gesamtleistung und die aktuelle Modulationstiefe ermittelt. Aus diesen Größen kann anschließend das betreffende Signal- zu-Rausch-Verhältnis berechnet werden. Von Nachteil dabei ist jedoch, dass eine Zusatzmodulation benötigt wird, durch die das jeweilige Nutzsignal und damit Signalübertragung beein­ trächtigt wird.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie bei einem Verfahren und einer Schaltungsanord­ nung der eingangs genannten Art vorzugehen ist, um auf rela­ tiv einfache, aber dennoch sichere Weise das Träger-zu- Rausch-Verhältnis bei optischer Übertragung genauer bestimmen zu können, als dies bisher mit einer Interpolation von Rauschpegeln möglich ist.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einem Ver­ fahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, dass entweder die Mittenfrequenz des optischen Filters oder die Detektiereinrichtung mit einem Modulationssignal derart periodisch moduliert wird, dass das von der genannten Detek­ tiereinrichtung abgegebene elektrische Signal mit einem Gleichstromanteil, aus dem die empfangene Gesamtlichtleistung P_ges bestimmt wird, und einem zeitabhängigen Modulationsan­ teil, aus dem die Signalleistung P_se des genannten Nutz­ signals bestimmt wird, auftritt und dass das Träger-zu-Rausch-Verhältnis (OSNR) entsprechend der Beziehung

bestimmt wird.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass auf relativ einfache Weise die für die Bestimmung des Träger-zu-Rausch- Verhältnisses bei optischer Übertragung erforderlichen Kenn­ größen genauer ermittelt werden können, als dies bisher durch Anwendung einer Interpolation von Rauschpegeln möglich war. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass, wie dies weiter unten noch näher ersichtlich werden wird, ein aus dem jeweils übertragenen optischen Signal gewonnenes elektri­ sches Signal einen praktisch für die empfangene Gesamtlicht­ leistung charakteristischen Gleichstromanteil und einen zeit­ abhängigen Modulationsanteil aufweist, aus dem die Signal­ leistung des genannten Nutzsignals bestimmt werden kann, wenn ein das betreffende rauschbehaftete Nutzsignal aufnehmendes optisches Filter oder ein das optische Signal aufnehmende und in ein elektrisches Signal umsetzende Detektiereinrichtung mittels eines Modulationssignals periodisch moduliert wird.

Vorzugsweise wird das betreffende optische Filter sinusförmig moduliert. Dies führt zu einer besonders einfachen Bestimmung der Signalleistung des genannten Nutzsignals.

Von besonderem Vorteil ist es bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn die Signalleistung des Nutzsignals allein aus einem der doppelten Modulationsfrequenz entsprechenden zeitabhängigen Modulationsanteil abgeleitet wird. Dadurch kann, wie weiter unten noch ersichtlich werden wird, auf besonders einfache Weise die genannte Signalleistungsbestimmung erfolgen.

Zweckmäßigerweise wird vor der Bestimmung des Träger-zu- Rausch-Verhältnisses eine Eichkennlinie des optischen Filters für wenigstens einen Frequenzbereich aufgenommen. Diese Maß­ nahme erleichtert die genaue Bestimmung der Signalleistung des genannten Nutzsignals.

Um im optischen Filter und der Detektiereinrichtung gegebenenfalls enthaltene Störgrößen kompensieren zu können, wird zweckmäßigerweise der das optische Signal zuführende Signalweg unterbrochen. Dadurch lassen sich dann die betreffenden Störgrößen so kompensieren, dass sie keinen negativen Einfluß auf die anschließend durchgeführten Meßvorgänge haben.

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dient zweckmäßigerweise eine Schaltungsanordnung mit einem optischen Filter, dem eine Detektiereinrichtung nachgeschaltet ist, die auf ein ihr zugeführtes optisches Signal hin ein diesem entsprechendes elektrisches Ausgangssignal abgibt, und mit einer der Detektiereinrichtung nachgeschalteten Auswerteeinrichtung. Diese Schaltungsanordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass entweder das optische Filter oder die diesem nachgeschaltete Detektiereinrichtung durch ein Modulations­ signal mit einer Frequenz ω_m um die Mittenfrequenz ν₀ des Nutzsignals periodisch modulierbar ist,
dass die dem betreffenden optischen Filter nachgeschaltete Detektiereinrichtung ausgangsseitig ferner mit einer Modula­ tionseinrichtung verbunden ist, welche eingangsseitig außerdem an Signalquellen angeschlossen ist, die Modulationssignale entsprechend dem Einfachen und Mehrfachen der genannten Modulationsfrequenz ω_m abgeben, mit der das genannte optische Filter oder die genannte Detektiereinrichtung moduliert wird,
und dass die Modulationseinrichtung ausgangsseitig mit einer zu der Auswerteeinrichtung gehörenden Signalverarbeitungsein­ richtung verbunden ist, die aus einem Gleichstromsignalanteil des von der Detektiereinrichtung abgegebenen Ausgangssignals und aus den von der Modulationseinrichtung abgegebenen zeitabhängigen Modulationssignalen ein das genannte Träger- zu-Rausch-Verhältnis angebendes elektrisches Signal bildet bzw. die für die Berechnung des betreffenden Träger-zu- Rausch-Verhältnisses dienenden Größen bereitstellt. Die erwähnte Mittenfrequenz ν₀ genügt der Beziehung ν₀ = c/λ₀, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und λ₀ die Mittenwellenlänge des Nutzsignals bedeuten.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass mit insgesamt relativ geringem schaltungstechnischen Aufwand ausgekommen werden kann, um das Träger-zu-Rausch-Verhältnis bei optischer Übertragung eines Nutzsignals bestimmen zu können, ohne dass dieses Nutzsignal selbst einer Modulation unterzogen wird. Es werden lediglich einige wenige Schaltungsteile benötigt, um die für das betreffende Träger-zu-Rausch-Verhältnis notwendi­ gen Kenngrößen bestimmen zu können.

Vorzugsweise ist das optische Filter in seiner Durchlaßkenn­ linie oder die Detektiereinrichtung durch das genannte Modulationssignal mechanisch und/oder elektrisch modulierbar.

Dies bringt den Vorteil eines besonders geringen schaltungstechnischen Aufwands mit sich, um die betreffende Modulation vornehmen zu können.

Von Vorteil ist es ferner, wenn das Modulationssignal an das genannte optische Filter bzw. an die genannte Detektierein­ richtung als digitales Signal über einen Digital-Analog-Wand­ ler abgebbar ist. Dadurch wird mit einem besonders geringen schaltungstechnischen Aufwand für die Vornahme der genannten Modulation und die Umsetzung der unten aufgeführten mathematischen Berechnungen ausgekommen, die eine hohe Präzision der Ergebnissignale ermöglichen.

Als optisches Filter kann gegebenenfalls ein Spektralanalysa­ tor vorgesehen sein. In diesem Fall braucht kein gesondertes Filter aufgebaut zu werden.

Als Modulationssignal dient zweckmäßigerweise ein sinusförmi­ ges Signal, wodurch mit einer relativ einfachen Auswerteein­ richtung ausgekommen werden kann, wie dies weiter unten noch ersichtlich werden wird.

Für den Fall, dass die optische Signalübertragungsstrecke, über die das genannte optische Nutzsignal übertragen wird, eine Mehrzahl von gleichzeitig vorhandenen optischen Übertra­ gungskanälen mit unterschiedlichen Nutzsignalfrequenzen auf­ weist, ist in der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung vorzugsweise zumindest die Detektiereinrichtung in einer entsprechenden Mehrzahl vorgesehen. Dadurch lassen sich dann sämtliche, auf der betreffenden optischen Signalübertragungs­ strecke vorhandene bzw. genutzte optische Übertragungskanäle hinsichtlich des Träger-zu-Rausch-Verhältnisses überwachen.

Die Detektiereinrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine Fotodiode auf. Dies bringt den Vorteil eines besonders gerin­ gen schaltungstechnischen Aufwands für die Realisierung der Detektiereinrichtung mit sich.

Von Vorteil für die Signalverarbeitung ist es ferner, wenn die von der Detektiereinrichtung abgegebenen elektrischen Signale nach Vornahme einer Analog-Digital-Wandlung als digitale Signale verarbeitet werden. Dadurch läßt sich eine besonders effizient arbeitende digitale Auswerteeinrichtung einsetzen.

Vorzugsweise ist im Eingangskreis des genannten optischen Filters ein optischer Schalter vorgesehen, der bei einer Kalibrierung und Offset-Kompensation des das genannte optische Filter und die Detektierschaltung umfassenden Schaltungszweiges geöffnet ist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass in dem gerade genannten Schaltungszweig auf besonders einfache Weise eine Kalibrierung und Offset- Kompensation ermöglicht ist.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend bei­ spielsweise näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung veranschaulicht, deren Aufbau zunächst erläutert wird.

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung weist einen Eingangsanschluß IN auf, mit dem sie an einer optischen Signalübertragungsstrecke anschließbar ist, über die ein rauschbehaftetes optisches Signal übertragen wird, in welchem sich mindestens ein mit einer bestimmten Nutzsignalfrequenz bzw. -wellenlänge übertragenes Nutzsignal befindet. Dem Ein­ gangsanschluß IN ist ein optischer Schalter OS nachgeordnet, der für die Übertragung des genannten optischen Signals bzw. Nutzsignals geschlossen ist und der geöffnet wird, wenn bei­ spielsweise in dem nachfolgenden Schaltungsteil Kalibrierungs- und Kompensationsvorgänge vorzunehmen sind.

Dem optischen Schalter OS ist ein optisches Filter OF nachge­ ordnet, bei dem es sich beispielsweise um einen Spektralanalysator oder um ein Fabry-Perot-Interferometer handeln kann. Dieses optische Filter OF ist ausgangsseitig an einer Detektiereinrichtung Det angeschlossen, die eingangsseitig eine Fotodiode FD für die Aufnahme des betreffenden optischen Nutzsignals und für die Abgabe eines diesem entsprechenden elektrischen Ausgangssignals bzw. -stroms aufweist. Dieser Fotodiode FD ist ein Verstärker V1 nachgeordnet, dem ausgangsseitig ein Tiefpaßfilter TPD nachgeschaltet ist.

Der Detektiereinrichtung Det ist ein Analog-Digital-Wandler ADC nachgeschaltet, der die ihm eingangsseitig zugeführten analogen Signale in digitale Signale umsetzt und diese ab­ gibt. Diese digitalen Signale werden an eine dem betreffenden Analog-Digital-Wandler ADC nachgeschaltete Auswerteeinrich­ tung DSP abgegeben. Bei dieser Auswerteeinrichtung DSP han­ delt sich im vorliegenden Fall um einen digitalen Signalpro­ zessor, der eine digitale Verarbeitung der ihm zugeführten Signale vorzunehmen erlaubt und der auch digitale Signale abzugeben gestattet.

Der digitale Signalprozessor DSP ist eingangsseitig zum einen mit einem Tiefpaßfilter TPP und zum anderen mit einem Hochpaßfilter HP1 am Ausgang des zuvor erwähnten Analog- Digital-Wandlers ADC angeschlossen. Über das Tiefpaßfilter TPP können Gleichstromanteile bzw. die diesen entsprechenden digitale Signale des von der Detektiereinrichtung Det abgegebenen Ausgangssignals weitergeleitet werden, und über das Hochpaßfilter HP1 können demgegenüber nur höherfrequente Signalanteile darstellende Modulationsanteile bzw. die diesen entsprechenden digitalen Signale des betreffenden Ausgangssignals weitergeleitet werden, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird.

Das Tiefpaßfilter TPP ist ausgangsseitig mit einer Signalver­ arbeitungseinrichtung SPD innerhalb der Auswerteeinrichtung bzw. des digitalen Signalprozessors DSP verbunden. Das Hoch­ paßfilter HP1 ist ausgangsseitig mit den einen Eingängen von zu einer Modulationseinrichtung gehörenden Modulatoren Mod1 bis Mod6 verbunden. Diese Modulatoren Mod1 bis Mod6 sind mit weiteren Eingängen an Signalquellen Sig1 bis Sig6 verbunden, über die unterschiedliche Signale mit der jeweiligen Nutz­ signalfrequenz bzw. einem Mehrfachen dieser Frequenz abgegeben werden. So gibt die mit dem Modulator Mod1 verbundene Signalquelle Sig1 ein Signal entsprechend sin(ω m^t) ab. Die mit dem Modulator Mod2 verbundene Signalquelle Sig2 gibt ein Signal entsprechend cos(ω_mt) ab. Die mit dem Modulator Mod3 verbundene Signalquelle Sig3 gibt ein Signal entsprechend sin(2ω_mt) ab. Die mit dem Modulator Mod4 verbundene Signalquelle Sig4 gibt ein Signal entsprechend cos(2ω_mt) ab. Die mit dem Modulator Mod5 verbundene Signalquelle Sig5 gibt ein Signal entsprechend sin(3ω_mt) ab, und die mit dem Modulator Mod6 verbundene Signalquelle Sig6 gibt schließlich ein Signal entsprechend cos(3ω_mt) ab.

Die Modulatoren Mod1 bis Mod6 sind ausgangsseitig jeweils über ein Tiefpaßfilter der Tiefpaßfilter TP1, TP2, TP3, TP4, TP5 bzw. TP6 mit Eingängen der bereits erwähnten Signalverarbeitungseinrichtung SPD verbunden.

Die Signalverarbeitungseinrichtung SPD weist Ausgangsanschlüsse 01, 02, 03, 04 auf, von denen die für die Bestimmung des Träger-zu-Rausch-Verhältnisses auf der optischen Übertragungsstrecke dienenden charakteristischen Kenngrößen oder eine das betreffende Träger-zu-Rausch- Verhältnis direkt angebende Ausgangsgröße abgebbar sind. Ausgangsseitig ist die betreffende Signalverarbeitungseinrichtung SPD noch mit dem Betätigungs­ eingang des bereits erwähnten optischen Schalters OS verbun­ den.

Das oben erwähnte optische Filter OF erhält an einem Modula­ tionseingang ein sinusförmiges Modulationssignal Um von einer Modulationssignalquelle Sigm zugeführt, die im vorliegenden Fall als zum digitalen Signalprozessor DSP gehörig dargestellt ist. Diese Modulationssignalquelle Sigm ist ausgangsseitig über einen Digital-Analog-Wandler DAC sowie über einen Verstärker V und ein diesem nachgeschaltetes Hochpaßfilter HP2 mit dem betreffenden Modulationseingang des optischen Filters OF verbunden. Auf die Bedeutung dieser Schaltungsmaßnahme wird weiter unten noch näher eingegangen werden. An dieser Stelle sei jedoch angemerkt, dass anstelle der periodischen Modulation des optischen Filter OF auch eine entsprechende Modulation der Detektiereinrichtung Det, und zwar insbesondere der zu dieser gehörenden Fotodiode FD, erfolgen kann. Bei dieser Modulation handelt es sich entweder um eine solche mechanische und/oder um eine solche elektrische Modulation des optischen Filters bzw. der Detektiereinrichtung Det, dass das Ausgangssignal von der Wellenlänge des Nutzsignals und von der Modulation (Modulationsfrequenz, Modulationstiefe, Modulationsform) abhängig ist.

Nachdem zuvor der Aufbau der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung erläutert worden ist, wird nachstehend auf die mathematische Bedeutung der einzelnen in der betreffenden Schaltungsanordnung auftretenden Signale und auf deren Zusammenhänge eingegangen, um daraus die Arbeitsweise der betreffenden Schaltungsanordnung und damit das Verfahren gemäß der Erfindung zu erläutern.

Bei der folgenden Betrachtung wird von einem Schaltungsaufbau, wie er in der Zeichnung dargestellt ist, sowie davon ausgegangen, dass die Signalbandbreite eines Nutzsignals - das hier allein betrachtet wird - sehr viel geringer ist als die Durchlaßbreite des optischen Filters OF. Der in der Fotodiode FD der Detektiereinrichtung Det auf die Aufnahme des rauschbehafteten Nutzsignals hin fließende Gleichstrom ist der Summe zweier Integrale proportional: er genügt folgender Beziehung:

Hierin bedeuten P'_s(ν) die Signalleistungsdichte vor dem optischen Filter OF,
T(ν) die Durchlaßfunktion bzw. Transmission des optischen Filters OF,
ASE'(ν) die Rauschleistungsdichte vor dem optischen Filter OF, und ν eine Frequenz bzw. Wellenlänge.

Bei Vorliegen einer monochromatischen Signalwelle für das Nutzsignal kann das erste Integral in der vorstehend angegebenen Beziehung (1) wie folgt geschrieben werden:

Hierin bedeuten P_s die Signalleistung und ν_s die Signalfre­ quenz bzw. Wellenlänge des Nutzsignals.

Unter der Annahme, dass die Bandbreite des optischen Filters OF sehr viel kleiner ist als die Bandbreite des optischen Rauschens ASE (aus dem Englischen: Amplified Spontanous Emis­ sion), kann das zweite Integral in der obigen Beziehung (1) näherungsweise wie folgt geschrieben werden:

In dieser Beziehung genügt T₀, die Transmission des optischen Filters OF, der Beziehung

T₀ = T(ν = ν₀) (4)

Dabei gibt ν₀ die Mittenfrequenz des optischen Filter OF an.

Mit dem Term T₀.BW in der Beziehung (3) ist die Fläche unterhalb der Durchlaßkurve des optischen Filters OF darge­ stellt. BW bedeutet dabei die Durchlaßbandbreite des optischen Filters OF.

Zur weiteren Vereinfachung kann für die Frequenzabhängigkeit des Terms ASE' im Durchlaßbereich des optischen Filters OF in erster Näherung eine lineare Funktion angenommen werden. Damit erhält man:

ASE'(ν) = ASE'₀.(1 + C - ν) (5)

C bedeutet hier eine Konstante.

Damit wird die unter (1) angegebene Beziehung zu

I∝P_s.T(ν = ν_s) + T₀.BW.ASE'₀.(1 + C.ν₀) (6)

Gemäß der Erfindung wird die Durchlaßfrequenz ν₀ des opti­ schen Filters OF nun mit einem periodischen Modulationssignal, und zwar insbesondere mit einem sinusförmigen Modulationssignal mit der Frequenz ω_m um die Mittenfrequenz ν₀ moduliert. Damit geht die Transmissionskurve des optischen Filters OF über in:

T(ν) → T(ν - Δ.sin(ω_m.t)) (7)

Δ bedeutet den Modulationshub.

Damit wird der zeitabhängige Fotodiodenstrom zu

I(t)∝P_s.T(ν_s + Δ.sin(ω_m.t)) + T₀.BW. ASE'₀. (1 + C.(ν₀ + Δ.sin(ω_m.t))) (8)

Bei hinreichend kleinem Modulationshub Δ gegenüber der Durchlaßbreite BW des optischen Filters OF (Δ << BW) und Entwicklung der Beziehung (8) um die Sendefrequenz ν_S in eine Taylor-Reihe erhält man schließlich die Beziehung:

Hierbei bedeutet AhO Anteile höherer Ordnung

Nach einigen Umwandlungen und der Zusammenfassung von Termen erhält man aus der Beziehung (9) folgende Beziehung:

I(t) ∝ P_s.T (ν_s) + T₀.BW.ASE'₀.(1 + C.ν₀) + + sin(ω_m.t).{P_s.F_Eich1(ν_s, Δ)} + sin(2ω_m.t).{P_s.F_Eich2(ν_s, Δ)} + sin(3ω_m.t). {P_s .F_Eich3(ν_S, Δ)} + AhO (10)

Hierin bedeuten C eine Konstante, F_Eich1 den frequenzabhängi­ gen Verlauf der Filterkurve des optischen Filters OF bei der Frequenz ω_m, F_Eich2 den frequenzabhängigen Verlauf der Filterkurve des optischen Filters OF bei der Frequenz 2ω_m, und F_Eich3 den frequenzabhängigen Verlauf der Filterkurve des optischen Filters OF bei der Frequenz 3ω_m.P_s bedeutet die Signalleistung des Nutzsignals bei der Sendefrequenz ν_s.

Aus der zuvor angegebenen Beziehung (10) folgt, dass die Gleichstromkomponente der Fotodiode FD bei der in der Zeich­ nung dargestellten Schaltungsanordnung der empfangenen Gesamtlichtleistung P_ges entspricht, die am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers ADC verfügbar ist. Diese Gesamtlichtleistung P_ges besteht aus dem Signalleistungsanteil P_S.T(ν_S), das ist der erste Term in der ersten Zeile der Beziehung (10), zuzüglich der optischen Rauschleistung, das ist der zweite Term in der ersten Zeile der Beziehung (10).

Um nun allein einen für das Nutzsignal charakteristischen Signalanteil bzw. die Signalleistung P_se zu bestimmen, wird zunächst ein zeitabhängiger Modulationsanteil aus der vorstehend angegebenen Beziehung (10) herangezogen. Vorzugsweise wird der Term mit der Frequenz 2ω_m, also mit der doppelten Modulationsfrequenz hierfür herangezogen, mit der das optische Filter OF moduliert wird. Bei dieser doppelten Modulationsfrequenz gelangt man aus der Beziehung (10) zu

I_s = C_s.sin(2ω_m.t).{P_s.F_Eich2(ν_s, D)} (11)

Hierin bedeutet C_S eine Konstante.

Unter Heranziehung des ersten Terms in der Beziehung (10) gelangt man somit für ν_s = ν₀ zu:

P_se = P_s.T(ν_s = ν₀) (12)

Die optische Rauschleistung P_ASE läßt sich damit als Differenz aus der empfangenen Gesamtlichtleistung P_ges und der zuvor betrachteten Signalleistung P_se gewinnen:

P_ASE: = T₀.BW.ASE'₀ (1 + C.ν₀) = P_ges - P_s.T (ν_s = ν₀) P_ges - P_se (13)

Somit läßt sich das optische Träger-zu-Rausch-Verhältnis OSNR wie folgt berechnen:

Auf der Grundlage der vorstehend betrachteten mathematischen Zusammenhänge basiert nun die vorliegende Erfindung. Gemäß der Erfindung wird die Signalleistung P_se des Nutzsignals bei der doppelten Frequenz der Modulationsfrequenz ω_m abgeleitet. In diesem Falle zeigt nämlich die Filterkurve des optischen Filters OF und damit dessen Ausgangsspannung bei der Filtermittenfrequenz ν₀ ein Maximum, so dass die Signalauswertung bei dieser Filtermittenfrequenz besonders einfach ist. Die Eichkurve F_Eich2 des betreffenden optischen Filters weist bei der erwähnten doppelten Modulationsfrequenz symmetrisch zur Filtermittenfrequenz liegende weitere Spitzenwerte auf, die allerdings von entgegengesetzter Polarität bezogen auf den Wert bei der Filtermittenfrequenz ν₀ sind und die überdies geringere Amplituden aufweisen.

Prinzipiell könnte die Signalleistung P_se auch unter Berück­ sichtigung von anderen zeitabhängigen Modulationsanteilen und damit unter Berücksichtigung anderer Eichkurven abgeleitet werden, wie sie in der oben angegebenen Beziehung (10) aufge­ führt sind. Wird die betreffende Signalleistung P_se des Nutz­ signals beispielsweise aus einem der einfachen Modulationsfrequenz entsprechenden zeitabhängigen Modulationsanteil abgeleitet, so ist zu berücksichtigen, dass in diesem Fall die Eichkurve F_Eich1 bei der Filtermittenfrequenz den Wert 0 zeigt und beiderseits dieser Mittenfrequenz einen positiven bzw. einen negativen Spitzenwert aufweist (S-förmiges Signal). Um ein auswertbares Signal zu erhalten, müßte in diesem Fall eine Frequenzverschiebung der Mittenfrequenz des optischen Filters OF zweckmäßigerweise zu einer der betreffenden Spitzenwertfrequenzen hin erfolgen.

Den vorstehend erläuterten Verhältnissen Rechnung tragend sind gemäß der vorliegenden Erfindung bei der zu deren Ausführung dienenden Schaltungsanordnung, wie sie in der Zeichnung beispielsweise dargestellt ist, die Signalquellen Sig1, Sig3 und Sig5 vorgesehen. Durch die Sinus- Ausgangssignale dieser Signalquellen können die über das Hochpassfilter HP1 zugeführten Signalanteile des Ausgangssignals der Detektiereinrichtung Det in den Modulatoren Mod1, Mod3 und Mod5 verarbeitet werden, um der Signalverarbeitungseinrichtung SPD zu ermöglichen, zusammen mit den Gleichstromanteilen des über das Tiefpassfilter TPP aufgenommenen Signalanteils die optische Rauschleistung und die Signalleistung P_se und damit das optische Träger-zu- Rauschverhältnis OSNR zu bestimmen, wie dies im Zusammenhang mit den Beziehungen (12), (13) und (14) angegeben ist.

Die Cosinus-Signale abgebenden Signalquellen Sig2, Sig4 und Sig6 sowie die mit diesen verbundenen Modulatoren Mod2, Mod4 und Mod6 spielen im Rahmen der erläuterten Erfindung grundsätzlich Rolle. In der Praxis lassen sich jedoch durch diese Schaltungselemente der Signalverarbeitungseinrichtung SPD aus den von der Detektiereinrichtung Det über das Hochpassfilter HP1 abgegebenen Signalanteilen Signale zuführen, die für andere Aufgaben als die erläuterten Aufgaben herangezogen werden können, beispielsweise um eine Phasenregulierung des Modulationssignals Um vorzunehmen.

Vorstehend ist erläutert worden, dass bei dem Verfahren und der Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung die Durchlaßfrequenz des optischen Filters OF bzw. des dieses optische Filter enthaltenden Spektralanalysators periodisch moduliert wird. Im Zuge dieser Modulation wird das betreffende optische Filter OF mechanisch und/oder elektrisch moduliert. Bei der mechanischen Modulation erfolgt eine Auslenkung des betreffenden optischen Filters um seine Mittenfrequenz. Eine entsprechende Wirkung läßt sich durch elektrische Modulation, z. B. der Brechzahl des betreffenden optischen Filters erreichen.

Statt der Modulation des optischen Filters OF kann auch die Detektiereinrichtung Det bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, und zwar insbesondere die Fotodiode FD dieser Detektiereinrichtung Det moduliert werden. Dies entspricht einer Transformation der erläuterten mathematischen Zusammen­ hänge vom Frequenzbereich in den Ortsbereich.

Um ein optisches Übertragungsband, welches beispielsweise von 1530 nm bis 1560 nm reicht, überwachen und die für die dabei übertragenen Nutzsignale vorhandenen Träger-Rausch-Verhält­ nisse bestimmen zu können, kann das betreffende Übertragungs­ band z. B. in 0,8 nm breite Übertragungsfenster unterteilt sein (z. B. entsprechend dem 100-GHz-Raster nach ITU). In diesem Fall kann dann jedes derartige Übertragungsfenster entsprechend überwacht und das in diesem vorhandene Träger­ zu-Rausch-Verhältnis in der Weise bestimmt werden, wie dies oben erläutert worden ist. Dazu ist die betreffende Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zumindest mit ihrer Detektiereinrichtung in einer der Anzahl der gleichzeitig vorhandenen optischen Übertragungskanäle bzw. Übertragungsfenster mit unterschiedlichen Nutzsignalfrequenzen entsprechenden Anzahl vorgesehen. Damit ist pro Übertragungsfenster jeweils nur eine Fotodiode vorzusehen. An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass ledig­ lich durch Messung des jeweiligen Fotodiodenstroms zusätzlich eine einfache Überwachung des jeweiligen Kanals auf Funktionsfähigkeit bzw. Ausfall möglich ist, ohne dass dafür eine gesonderte Meßanordnung vorzusehen ist.

Die in der Zeichnung dargestellte Signalverarbeitungseinrich­ tung SPD ist im übrigen über eine Steuerleitung mit dem Betätigungseingang des optischen Schal­ ters OS verbunden, der normalerweise geschlossen ist und der durch ein Steuersignal von der betreffenden Signalverarbei­ tungseinrichtung SPD geöffnet werden kann. Bei einer solchen Schalteröffnung können dann Kalibrierungs- und Offset-Kompen­ sationen in dem das optische Filter OF und die Detektierein­ richtung Det umfassenden Schaltungszweig erfolgen.

Im Hinblick auf die verschiedenen erwähnten Hoch- und Tief­ passfilter ist noch anzumerken, dass deren Grenzfrequenzen jeweils so gewählt sind, dass diese Filter lediglich ihrem jeweiligen Einsatzort entsprechend (analoge oder digitale) Signalanteile weiterzuleiten gestatten.

Claims (14)

1. Verfahren zur Bestimmung des Träger-zu-Rausch-Verhält­ nisses (OSNR) bei optischer Übertragung eines über eine opti­ sche Signalübertragungsstrecke übertragenen rauschbehafteten optischen Signals, in welchem ein Nutzsignal enthalten ist, durch optisches Detektieren des betreffenden optischen Sig­ nals und durch Ermitteln der Nutzsignalleistung und der Rauschleistung zur Bildung des Träger-zu-Rausch- Verhältnisses, wobei das optische Signal samt dem mit ihm ü­ bertragenen optischen Rauschen von einem optischen Filter (OF) aufgenommen wird, dessen optisches Ausgangssignal in ei­ ner Detektiereinrichtung (Det) in ein ihm entsprechendes e­ lektrisches Signal umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass entweder die Mittenfrequenz des optischen Filters (OF) oder die Detektiereinrichtung (Det) mit einem Modulations­ signal (U_m) periodisch moduliert wird,
dass das von der genannten Detektiereinrichtung (Det) abge­ gebene elektrische Signal mit einem Gleichstromanteil, aus dem die empfangene Gesamtlichtleistung (Pges) bestimmt wird, und mit einem zeitabhängigen Modulationsanteil, aus dem die Signalleistung (Pse) des genannten Nutzsignals bestimmt wird, auftritt
und dass das Träger-zu-Rausch-Verhältnis (OSNR) entsprechend der Beziehung
bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das optische Filter (OF) periodisch, insbesondere sinusförmig moduliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Signalleistung (Pse) des Nutzsignals allein aus einem der doppelten Modulationsfrequenz entsprechenden zeitabhängigen Modulationsanteil abgeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bestimmung des Träger-zu-Rausch-Verhältnisses eine Eichkennlinie des optischen Filters (OF) für wenigstens einen Frequenzbereich aufgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der das optische Signal zuführende Signalweg zur Kompensation von in dem optischen Filter (OF) und der Detektiereinrichtung (Det) gegebenenfalls enthaltenden Störgrößen unterbrochen wird.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem optischen Filter (OF), dem eine Detektiereinrichtung (Det) nachgeschaltet ist, die auf ein ihr zugeführtes optisches Signal hin ein diesem ent­ sprechendes elektrisches Ausgangssignal abgibt, und mit einer der Detektiereinrichtung (Det) nachgeschalteten Auswerteein­ richtung (DSP), dadurch gekennzeichnet,
dass entweder das optische Filter (OF) oder die diesem nachgeschaltete Detektiereinrichtung (Det) durch ein Modulationssignal (Um) mit einer Frequenz ω_m um die Mittenfrequenz ν₀ des Nutzsignals periodisch modulierbar ist,
dass die dem betreffenden optischen Filter (OF) nachgeschal­ tete Detektiereinrichtung (Det) ausgangsseitig ferner mit einer Modulationseinrichtung (Mod1 bis Mod6) verbunden ist, welche eingangsseitig außerdem an Signalquellen (Sig1 bis Sig6) angeschlossen ist, die Modulationssignale entsprechend dem Einfachen und Mehrfachen der genannten Modulationsfrequenz ω_m abgeben, mit der das genannte optische Filter (OF) moduliert wird,
und dass die Modulationseinrichtung (Mod1 bis Mod6) ausgangs­ seitig mit einer zu der Auswerteeinrichtung (DSP) gehörenden Signalverarbeitungseinrichtung (SPD) verbunden ist, die einem Gleichstromsignalanteil des von der Detektiereinrichtung (Det) abgegebenen Ausgangssignals und aus den von der Modulationseinrichtung abgegebenen zeitabhängigen Modulationssignalen ein das genannte Träger-zu-Rausch- Verhältnis angebendes elektrisches Signal (OSNR) bildet bzw. die für die Berechnung des betreffenden Träger-zu-Rausch- Verhältnisses dienenden Größen (Pse, Pges) bereitstellt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das optischen Filter (OF) in seiner Durchlasskennlienie durch das genannte Modulations­ signal mechanisch und/oder elektrisch modulierbar ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Modulationssignal (ω_m) an das genannte optische Filter (OF) bzw. an die genannte Detektiereinrichtung (Det) als digitales Signal über einen Digital-Analog-Wandler (DAC) abgebbar ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, dass als optisches Filter (OF) ein Spektralanalysator vorgesehen ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Modulationssignal ein sinusförmiges Signal dient.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumin­ dest mit ihrer Detektiereinrichtung (Det) in einer der Anzahl gleichzeitig vorhandener optischer Übertragungskanäle mit unterschiedlichen Nutzsignalfrequenzen entsprechenden Anzahl vorgesehen ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Detek­ tiereinrichtung (Det) durch wenigstens eine Fotodiode gebildet ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Detektiereinrichtung (Det) abgegebenen elektrischen Signale nach Vornahme einer Analog-Digital-Wandlung (ADC) als digitale Signale verarbeitet werden.

14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Ein­ gangskreis des genannten optischen Filters (OF) ein optischer Schalter (OS) vorgesehen ist, der bei einer Kalibrierung und Offset-Kompensation des das genannte optische Filter (OF) und die Detektierschaltung (Det) umfassenden Schaltungszweiges geöffnet ist.