DE102004003103A1 - Circuit arrangement for precoding digital signals for message transmission by means of optical DQPSK modulation - Google Patents

Circuit arrangement for precoding digital signals for message transmission by means of optical DQPSK modulation Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vorcodierer für die optische Nachrichtenübertragung mittels differentieller DQPSK-Modulation, der die Differenz zwischen aufeinander folgenden Bits bzw. Symbolen derart codiert, dass der Empfänger die übertragenen Zeichen ohne weitere signaltechnische Nachbearbeitung erkennen kann. Erfindungsgemäß wird das durch eine vorwärts gerichtete Struktur gelöst, die die erforderliche Rückkopplung des Info-Symbols (Delay-Versatz) auf binärer Ebene mittels Gatter und Flipflops realisiert. DOLLAR A Hierfür wird das Vorcodieren durch eine vorwärts gerichtete Struktur durchgeführt, bei der das Sendesignal (301) mit einem Clock Signal (303) durch ein UND-Gatter (304) verknüpft sind, der UND-Gatterausgang einen T-Flipflop (305) steuert, wobei das differentielle Sendesignal (311) und das Clock Signal (303) durch einen D-Flipflop (306) verknüpft sind, die erforderliche Verzögerung um ein Bit durch das Zweizustandssystem (306) binär erfolgt, von dem das Ausgangssignal über ein weiteres UND-Gatter (307) mit dem Sendesignal (301) verschaltet wird, DOLLAR A das gewonnene Ausgangssignal über eine Exklusiv-ODER-Schaltung (308) mit dem Sendesignal (302) verkoppelt ist, das Ausgangssignal über eine weitere UND-Verschaltung (309) gemeinsam mit dem UND-Gatter (304) vom Clock Signal (303) im Symboltakt gesteuert wird, das differentielle Sendesignal (312) am Ausgang eines T-Flipflops (310) anliegt, welches eingangsseitig von der UND-Schaltung (309) getaktet wird, wodurch das gesamte ...The invention relates to a precoder for the optical transmission of messages by differential DQPSK modulation, which encodes the difference between successive bits or symbols such that the receiver can recognize the transmitted characters without further signal processing. According to the invention, this is achieved by a forward-looking structure that realizes the required feedback of the information symbol (delay offset) at the binary level by means of gates and flip-flops. DOLLAR A For this purpose precoding is performed by a forward structure in which the transmit signal (301) is associated with a clock signal (303) through an AND gate (304), the AND gate output controlling a T flip-flop (305) wherein the differential transmit signal (311) and the clock signal (303) are linked by a D flip-flop (306), the required one-bit delay is binary through the two-state system (306), from which the output is passed through another AND gate. Gate (307) is connected to the transmission signal (301) DOLLAR A the output signal obtained via an exclusive-OR circuit (308) is coupled to the transmission signal (302), the output signal via another AND circuit (309) together with the AND gate (304) is controlled by the clock signal (303) in the symbol clock, the differential transmission signal (312) at the output of a T flip-flop (310) is clocked on the input side of the AND circuit (309), whereby the ges Office ...

Description

Schaltungsanordnung zur Vorcodierung digitaler Signale zur Nachrichtenübertragung mit Hilfe des optischen DQPSK-Modulationsverfahrens gemäß dem Oberbegriff des Schaltungsanspruchs 1.circuitry for the precoding of digital signals for message transmission with the aid of the optical DQPSK modulation method according to the preamble of the circuit claim 1.

Es sind Übertragungssysteme bekannt, die als Modulationsverfahren die Differentielle Quaternäre Phasenumtastung (DQPSK) verwenden bekannt. Der grundsätzliche Aufbau eines derartigen Übertragungssystems wird an Hand eines Signalflussbildes dargestellt. Die 1 zeigt das prinzipielle Schema der differentiellen Vorcodierung. Sie ähnelt dem einer Kreisstruktur in einem indirekt rückgeführten Regelsystem mit Signalverkettung. Die Variable a (Infosymbole) bezeichnet das informationstragende differentielle Digitalsymbol aus einer beliebigen Signalkonstellation A. Die Variable s ist der state-Zustand des Vorcodierers 102 und entspricht dem Sendesymbol x aus der gesendeten Signalkonstellation X des vorhergehenden Zeitschrittes, nachdem das Ausgangssymbol x formal durch den Operator ⨁ 101 spezifiziert wurde. D. h.: x = s ⨁ a Transmission systems are known which use the differential quaternary phase shift keying (DQPSK) as the modulation method. The basic structure of such a transmission system is illustrated by means of a signal flow diagram. The 1 shows the principal scheme of differential precoding. It is similar to that of a circular structure in an indirectly feedback control system with signal chaining. The variable a (information symbols) denotes the information-bearing differential digital symbol from an arbitrary signal constellation A. The variable s is the state of the precoder 102 and corresponds to the transmission symbol x from the transmitted signal constellation X of the preceding time step, after the output symbol x has been formalized by the operator ⨁ 101 was specified. D. h .: x = s ⨁ a

Es wird im digitalen Übertragungssystem im Sender eine differentielle Vorcodierung bezüglich Phase und Amplitude der Signalkonstellation vorgenommen. Durch diese Vorcodierung wird es möglich, die Differenz zwischen aufeinander folgenden Symbolen (im Weiteren Bits genannt) so zu codieren, dass der Empfänger die übertragenen Bits ohne weitere signaltechnische Nacharbeiten erkennen kann. Bekannt ist die in 1 abgebildete rekursive Struktur für digitale Symbole, wofür mehrere Beschreibungen in der Literatur bekannt sind [1 bis 6].It is made in the digital transmission system in the transmitter, a differential precoding with respect to phase and amplitude of the signal constellation. This precoding makes it possible to code the difference between successive symbols (referred to below as bits) in such a way that the receiver can recognize the transmitted bits without further signal processing. Known is the in 1 pictorial recursive structure for digital symbols, for which several descriptions are known in the literature [1 to 6].

Damit der erläuterte Vorcodierer angewendet werden kann, muss eine quarternäre Wandlung vorgenommen werden, indem je zwei Bits zu einem Symbol zusammengefasst werden. Die Symbole werden dann vorcodiert und anschließend werden die vorcodierten Symbole in vorcodierte Bits umgewandelt – gewissermaßen eine Wiederumkehrung der Signalwandlung. Für sehr hohe Übertragungsraten muss die Wandlung dementsprechend für hohe Bitraten erfolgen. Um die benötigte Signalrückkopplung beim beschriebenen Vorcodierer zu realisieren, sind Delaybaueinheiten/-systeme 102 erforderlich, damit das rückgeführte Signal um eine Symboldauer verzögert werden kann. Das ist für hohe Bitraten technologisch nur unzureichend bis gar nicht realisierbar. Z. B. benötigt man für eine Übertragungsrate von 40 Giga-Symbolen/s eine Delayleitungslänge von ca. 5 mm. Bei der Operation werden die möglichen Phasenwinkel 0, +π/2, π, –π/2 addiert (Modulo2-Addition). Ersetzt man diese Phasenwinkel durch die Infosymbole 0, 1, 2, 3 und vergleicht sie mit den Sendesymbolen, so kann die Operation® als Modulo-4-Addition aufgefasst werden. Sofern die Modulo-4-Addition bitweise erfolgt, kann auf die Vorcodierung verzichtet werden.For the explained precoder to be used, a quaternary conversion must be made by combining two bits into one symbol. The symbols are then precoded, and then the precoded symbols are converted to precoded bits - a kind of reversion of signal conversion. For very high transmission rates, the conversion must be done accordingly for high bit rates. To realize the required signal feedback in the pre-coder described are delay modules / systems 102 required so that the returned signal can be delayed by one symbol duration. For high bit rates, this is technologically only insufficiently or not at all feasible. For example, you need a delay line length of about 5 mm for a transfer rate of 40 gigas / s. In the operation, the possible phase angles 0, + π / 2, π, -π / 2 are added (modulo2 addition). If these phase angles are replaced by the information symbols 0, 1, 2, 3 and compared with the transmit symbols, the operation ® can be considered modulo-4 addition. If the modulo 4 addition takes place bitwise, the precoding can be dispensed with.

2 zeigt die Vorcodierung mit der notwendigen Binären → Quarternären → Binären-Wandlung, auf die verzichtet werden kann, wenn die Infobits br (a) 201 und bi (a) 202 bitweise addiert werden (bin → quart.) 203 und senderseitig 206 dann quart. → bin als Sendebits dr (x) und di (x) ausgegeben werden. Nachteilig bleibt die rückgekoppelte Struktur, die zwar durch die adaptierte Modulo-4-Addition weiter vereinfacht werden kann, aber den Delay-Versatz nicht umgehen kann, der wiederum eine hohe Bitratenübertragung nur flatternd – also mit geringem SNR – ermöglicht. 2 shows the precoding with the necessary binary → quaternary → binary conversion, which can be omitted if the infobits b r (a) 201 and b i (a) 202 bitwise added (bin → quart.) 203 and transmitter side 206 then quart. → bin can be output as send bits d r (x) and d i (x). A disadvantage remains the feedback structure, which can be further simplified by the adapted modulo-4 addition, but can not handle the delay offset, which in turn allows a high bitrate transmission only fluttering - ie with low SNR.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine Übertragungsstrukturen hardwaremäßig ermöglicht, um Übertragungsraten mit mehr als 10 Giga Symbolen/s zu realisieren und die technologisch einfach ausführbar ist.Of the Invention is the object of a circuit arrangement create a transmission structures hardware allows to transfer rates to realize with more than 10 giga symbols / s and the technological easy to execute is.

Erfindungsgemäß wird diese Schaltungsanordnung durch den Anspruch 1 gelöst, indem die rückwärts gekoppelte Struktur – die dem Stand der Technik entspricht – in eine Vorwärtsstruktur aufgelöst wird.According to the invention this Circuit arrangement solved by the claim 1 by the back-coupled Structure - the in the prior art - in a forward structure disbanded becomes.

Die Erfindung wird an hand der Abbildung 3 erläutert. Die Abbildungen 3a und 3b zeigen strukturiert zwei Möglichkeiten der technischen Umsetzung eines Vorcodierers; während die Abbildungen 4a und 4b schaltungstechnisch bevorzugte Varianten aufzeigen und den Vorcodierer an die Besonderheiten der in der optischen Nachrichtentechnik verwendeten Sender und Empfänger anpasst. Dabei zeigt:The invention is based on the figure 3 explained. The pictures 3a and 3b show structured two possibilities of technical implementation of a precoder; while the pictures 4a and 4b show circuitry preferred variants and adapts the precoder to the specifics of the transmitter and receiver used in optical communications. Showing:

1 einen differentiellen Vorcodierer nach [1], 1 a differential precoder according to [1],

2 einen abgewandelten differentiellen Vorcodierer mit Modulo 4 Operation, 2 a modified differential precoder with modulo 4 Surgery,

3 differentieller Vorcodierer mit Vorwärtsstruktur, 3 differential precoder with forward structure,

3a Ausführungsbeispiel für einen seriellen DQPSK-Modulator, 3a Exemplary embodiment of a serial DQPSK modulator,

3b Ausführungsbeispiel für einen parallelen DQPSK-Modulator, 3b Embodiment for a paral lel DQPSK modulator,

4a technische Ausführung für seriellen DQPSK-Modulator, 4a technical design for serial DQPSK modulator,

4b technische Ausführung für parallelen DQPSK-Modulator. 4b technical design for parallel DQPSK modulator.

Der Gegenstand der Offenbarung bezieht sich zum Stand der Technik auf die Schriften:Of the The subject of the disclosure relates to the prior art the scriptures:

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Die Vorwärtsstruktur besitzt die Signaleingänge 301 und 302 für die Infobits bi und br. Der Infoeingang 301 wird auf das UND-Gatter 304 geführt; der Infoeingang 302 auf eine Exklusiv-ODER-Schaltung 308. Die Vorcodierung in der vorwärts gerichteten Struktur geschieht in dem das Sendesignal 301 mit einem Clock Signal 303 im Symboltakt durch ein UND-Gatter 304 verschaltet wird. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 304 wird mit einem T-Flip 305 verschaltet. Das differentielle Sendesignal 311 des T-Flipflops 305 wird an die Modulatoren 318 und 324 geführt und wird mit dem Clock Signal 303 durch eine D-Flipflop 306 verschaltet. Das Ausgangssignal des D-Flipflops 306 wird mit dem Sendesignal 301 durch ein weiteres UND-Gatter 307 verknüpft. Das Ausgangssignal von Gatter 307 wird mit dem Sendesignal 302 durch eine Exklusiv-ODER-Schaltung [XOR] 308 verkoppelt. Das Ausgangssignal der XOR-Schaltung 308 wird mit dem Taktsignal der Uhr 303 durch ein weiteres UND-Gatter 309 verschaltet. Ausgangsseitig wird ein weiteres T-Flipflop 310 mit dem Ausgangssignal der UND-Schaltung 309 gespeist. Das Ausgangssignal des T-Flipflops 310 ist ein differentielles Sendesignal 312, welches an den Modulatoren 317 und 323 anliegt.The forward structure has the signal inputs 301 and 302 for infobits b i and b r . The info-entry 301 gets on the AND gate 304 guided; the info-entrance 302 to an exclusive OR circuit 308 , The precoding in the forward structure occurs in the transmission signal 301 with a clock signal 303 in symbol clock by an AND gate 304 is interconnected. The output signal of the AND gate 304 comes with a T-flip 305 connected. The differential transmission signal 311 of the T flip-flop 305 is to the modulators 318 and 324 guided and is with the clock signal 303 through a D flip flop 306 connected. The output signal of the D flip-flop 306 is with the transmission signal 301 through another AND gate 307 connected. The output signal of gate 307 is with the transmission signal 302 by an exclusive OR circuit [XOR] 308 coupled. The output signal of the XOR circuit 308 comes with the clock signal of the clock 303 through another AND gate 309 connected. On the output side, another T flip-flop 310 with the output of the AND circuit 309 fed. The output of the T flip-flop 310 is a differential transmission signal 312 , which at the modulators 317 and 323 is applied.

Die Rückkopplung auf binärer Ebene wird durch das UND-Gatter 307 und das T-Flipflop 305 ersetzt. Die erforderliche Verzögerung um eine Symbolbreite (1 Bit) wird durch das D-Flipflop 306 realisiert.The feedback at the binary level is through the AND gate 307 and the T flip-flop 305 replaced. The required delay of one symbol width (1 bit) is provided by the D flip-flop 306 realized.

Für die technische Schaltungsumsetzung des Vorcodieres bieten sich zwei prinzipielle Ausführungsformen an, die in den 3a (serieller DQPSK-Modulator) und 3b (paralleler DQPSK-Modulator) abgebildet sind. Beim seriellen DQPSK-Modulator wird der optische Nachrichtenträger direkt vom Lasersender 316 in den Modulator 317 (z. B. Mach-Zehnder) geschossen und mit den Sendebits dr 313 verknüpft um im Modulator 318 mit den Sendebits di phasenmoduliert zu werden. Bei der parallelen DQPSK-Ausführung wird das Lichtsendesignal 319 in einen optischen Teiler 320 geschossen um dann in parallele Signalführung mit zwei Modulatoren 323/324 und den Sendebits dr 321 und di 322 verrechnet zu werden. Die erforderliche Phasendrehung von –π/2 übernimmt das Zeitglied 325, so dass das Gesamtsignal in einem Optokoppler 326 zusammengeführt werden kann, um als geschlossenens Signal am Modulatorausgang 327 zur Verfügung steht.For the technical circuit implementation of Vorcodieres offer two principal embodiments, which in the 3a (DQPSK serial modulator) and 3b (parallel DQPSK modulator) are mapped. With the serial DQPSK modulator, the optical message carrier is directly from the laser transmitter 316 into the modulator 317 (eg Mach-Zehnder) and shot with the send bits d r 313 linked to in the modulator 318 to be phase modulated with the transmit bits d i . In the parallel DQPSK embodiment, the light emission signal becomes 319 in an optical divider 320 shot around then in parallel signal routing with two modulators 323 / 324 and the send bits d r 321 and d i 322 to be charged. The required phase rotation of -π / 2 takes over the timer 325 , so that the total signal in an optocoupler 326 can be merged to be closed signal at the modulator output 327 is available.

Die Abbildungen der 4a und 4b zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Vorcodierers, um den DQPSK-Modulator an die Besonderheiten in der optischen Nachrichtentechnik verwendeten Sender und Empfänger anzupassen, da sich z. B. das Mapping, die Zuordnung zweier Bits auf ein Symbol für die Modulatoren, von der klassischen Nachrichtentechnik unterscheidet.The pictures of the 4a and 4b show preferred embodiments of the precoder to adapt the DQPSK modulator to the specifics used in optical communications transmitter and receiver, as z. B. the mapping, the assignment of two bits to a symbol for the modulators, different from the classical telecommunications.

Claims (3)

Differentielles optisches DQPSK-Modulationsverfahren zur Vorcodierung der Symbol-Differenz aufeinander folgenden Bits bzw. Symbolen gekennzeichnet durch Vorcodieren durch eine vorwärts gerichtete Struktur bei der das Sendesignal (301) mit einem Clock Signal (303) durch ein UND-Gatter (304) verknüpft sind, der UND-Gatterausgang einen T-Flipflop (305) steuert, wobei das differentielle Sendesignal (311) und das Clock Signal (303) durch einen D-Flipflop (306) verknüpft sind, die erforderliche Verzögerung um ein Bit durch das Zweizustandssystem (306) binär erfolgt, von dem das Ausgangssignal über ein weiteres UND-Gatter (307) mit dem Sendesignal (301) verschaltet wird, das gewonnene Ausgangssignal über eine Exklusiv-ODER-Schaltung (308) mit dem Sendesignal (302) verkoppelt wird, das Ausgangssignal über eine weitere UND-Verschaltung (309) gemeinsam mit dem UND-Gatter (304) vom Clock Signal (303) im Symboltakt gesteuert werden, das differentielle Sendesignal (312) am Ausgang eines T-Flipflops (310) anliegt, das eingangsseitig von der UND-Schaltung (309) getaktet wird, wodurch das gesamte differentielle Sendesignal (311, 312) für die Modulatoren (317, 318 und 323, 324) bereitsteht.Differential optical DQPSK modulation method for precoding the symbol difference of successive bits or symbols characterized by precoding by a forward-looking structure in which the transmission signal ( 301 ) with a clock signal ( 303 ) by an AND gate ( 304 ), the AND gate output is a T flip-flop ( 305 ), wherein the differential transmission signal ( 311 ) and the clock signal ( 303 ) by a D flip-flop ( 306 ), the required one-bit delay through the two-state system ( 306 ) is binary, from which the output signal via another AND gate ( 307 ) with the transmission signal ( 301 ), the obtained output signal via an exclusive-OR circuit ( 308 ) with the transmission signal ( 302 ), the output signal via a further AND connection ( 309 ) together with the AND gate ( 304 ) from the clock signal ( 303 ) are controlled in the symbol clock, the differential transmission signal ( 312 ) at the output of a T flip-flop ( 310 ), the input side of the AND circuit ( 309 ) is clocked, whereby the entire differential transmission signal ( 311 . 312 ) for the modulators ( 317 . 318 and 323 . 324 ) is ready. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der differentielle optische DQPSK-Modulator in serieller Struktur (3a) ausgeführt wird.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the differential optical DQPSK modulator in serial structure ( 3a ) is performed. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der differentielle optische DQPSK-Modulator als Parallelstruktur (3b) ausgeführt wird.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the differential optical DQPSK modulator as a parallel structure ( 3b ) is performed.
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BENEDETTO, S. und BILGIERI, E.: Principles of Di- gital Transmission. New York: Plenum, 1999, S. 252 -255. ISBN: 0-306-45753-9 (von der Anmelderin sel- bst genannt)
BENEDETTO, S. und BILGIERI, E.: Principles of Di- gital Transmission. New York: Plenum, 1999, S. 252-255. ISBN: 0-306-45753-9 (von der Anmelderin sel-bst genannt) *
Kaiser, W. (u.a.): Reduced Complexity Optical Duo- binary 10-Gb/s Transmitter Setup Resulting in an Increased Transmission Distance. In: IEEE PHOTO- NICS TECHNOLOGY LETTERS. 2001, Vol.13, No.8, S.884 -886
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