DE102004021816A1

DE102004021816A1 - Gerät und Methode zur optischen achtstufigen differentiellen Phasenumtastung (8-DPSK)

Info

Publication number: DE102004021816A1
Application number: DE102004021816A
Authority: DE
Inventors: Michael Ohm; Timo Pfau
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-11-24
Also published as: US7941058B2; ATE399398T1; WO2005107107A3; EP1741212B1; EP1741212A2; WO2005107107A2; DE602005007727D1; US20080166126A1

Abstract

In der Nachrichtenübertragungstechnik führt die Erhöhung der pro Symbol übertragenen Information zu einem zunehmend größeren methodischen und gerätetechnischen Aufwand, der für die Codierung und Decodierung dre Symbole benötigt wird. Die neue Methode und das dazugehörende Gerät sollen den Aufwand bei gleicher pro Symbol übertragener Information reduzieren, ohne die Störanfälligkeit der Decodierung zu verschlechtern. DOLLAR A Die neue Methode verwendet als Modulationsverfahren die optische, achtstufige, differentielle Phasenumtastung (8-level differential phase-shift keying, 8-DPSK), dabei werden 3 bit/Symbol an Information übertragen. Der erfindungsgemäße Empfänger besitzt höchstens zwei Zweige mit optischen Verzögerungs- und Addierer-Filtern (Delay & Add Filter, DAF) und elektrischen Gegentaktempfängern (balanced detectors), wobei mehrstufige elektrische Signale empfängerintern erlaubt sind. Damit werden der gerätetechnische Aufwand und die damit verbundenen Kosten für einen solchen Empfänger deutlich reduziert. Außerdem weist der neue 8-DPSK-Empfänger eine verbesserte Toleranz gegenüber Fasernichtlinearitäten und Dispersion auf. DOLLAR A Decodierung von Symbolen in der optischen Nachrichtenübertragungstechnik.

Description

Diese Erfindung betrifft ein Gerät und ein Verfahren zur Decodierung von Signalen in der Nachrichtenübertragungstechnik.
Bekannte binäre optische Modulationsverfahren wie Intensitätsmodulation (IM) oder differentielle binäre Phasenumtastung (differential phase-shift keying, DPSK) übertragen 1 bit/Symbol. Dagegen übertragen vierstufige Verfahren wie differentielle Quadratur-Phasenumtastung (differential quadrature phase-shift keying, DQPSK) oder kombinierte Amplituden- und Phasenumtastung (combined amplitude-/phase-shift keying, ASK-DPSK) 2 bit/Symbol. Eine weitere Steigerung der spektralen Effizienz kann man erzielen durch ein Modulationsverfahren, das optische, achtstufige, differentielle Phasenumtastung (8-level differential phase-shift keying, 8-DPSK) anwendet. Bei der optischen, achtstufigen, differentiellen Phasenumtastung (8-DPSK) werden 3 bit/Symbol an Information übertragen.
In Bild 1 ist das Signalzustandsdiagramm des 8-DPSK-Sendesignals dargestellt. Alle Signalpunkte besitzen die gleiche Amplitude und acht unterschiedliche Phasenwinkel φ_k ∈ {nπ4; n = 0,1,...,7}. Da ein 8-DPSK-Empfänger nur die Phasendifferenz zwischen aufeinander folgenden Symbolen s_k auswertet, ist die absolute Lage der Signalpunkte auf dem Kreis um den Ursprung unwichtig, nur die Phasendifferenz zwischen benachbarten Symbolen muss ± nπ/4 betragen. Jedem Signalpunkt sind somit drei Bit Information zugeordnet.
In Bild 2 ist eine bekannte Bauform eines 8-DPSK-Senders dargestellt . Drei Bitströme b_1,k , b_2,k und b_3,k werden in einem differentiellen Codierer codiert. Den codierten Bitströmen b'_1,k, b'_2,k und b'_3,k werden binäre elektrische Treibersignale a ~(t), b ~(t) und c(t) zugeordnet, die in drei optischen Modulatoren das Licht eines Lasers so modulieren, dass für die Feldstärke E(t) am Ausgang des Senders gilt E(t)~exp{j⌊ω₀t + φ(t)⌋}, hierbei bezeichnet wo die Kreisfrequenz des Lasers. Zu den Zeitpunkten t = kT ist φ(kT) φ_k = ∈ {nπ/4; n = 0,1,...,7} , dabei bezeichnet T die Symboldauer. Weitere 8-DPSK-Senderstrukturen, z.B. mit drei optischen Modulatoren in Reihe, sind denkbar.
Die Zuordnungsfunktionen des differentiellen Codierers können sowohl vom Aufbau des Senders als auch vom Aufbau des Empfängers abhängig sein. Für den gezeigten 8-DPSK-Sender und den hier beschriebenen bekannten wie auch den erfindungsgemäßen 8-DPSK-Empfänger gilt
Die Operatoren "+" und "·" bedeuten hier logische ODER- bzw. UND-Verknüpfung. Das Symbol "–" bezeichnet eine logische NICHT-Funktion. Die Funktionen können als kombinatorisches Netzwerk oder als Look-Up-Tabelle oder durch andere geeignete Methoden realisiert werden.
In Bild 3 wird eine Bauform eines 8-DPSK-Empfängers gezeigt, wie sie aus der Veröffentlichung von M. Ohm et al., "Differential Optical 8-PSK with Direct Detection (8-DPSK/DD)", 4. ITG-Fachtagung "Photonische Netze ", Leipzig, Mai 2003, S. 177–181, bekannt ist. Der bekannte 8-DPSK-Empfänger besitzt 3 Verzögerungs- & Addierer-Filter (Delay & Add-Filter, DAF) mit Gegentaktempfänger, drei elektrischen Verstärkern zur Normierung, eine analoge elektrische Signalverarbeitung, drei Abtaster und binäre Entscheider. Ziel der aufwendigen optischen und elektrischen Signalverarbeitung ist, dass an den Entscheidern nur binäre elektrische Signale q₁(kT), q₂(kT) und q₃(kT) vorliegen. Die Normierung ist unbedingt erforderlich, da die analoge elektrische Signalverarbietung auf genau festgelegten Signalwerten beruht. Außerdem ist die Normierung unter Umständen von der elektrischen oder optischen Impulsformung am Sender abhängig. Bei den in der optischen Nachrichtentechnik üblichen Datenraten ist die schaltungstechnische Realisierung der analogen Signalverarbeitung mit immensem Aufwand verbunden.
In Bild 4 ist eine Kombination aus Verzögerungs- & Addierer-Filter (DAF) und Gegentaktempfänger mit zwei Photodioden dargestellt, wie sie in Fachkreisen bekannt ist. Das optische Empfangssignal E₀(t) wird in einem Kreuzkoppler in zwei Pfade aufgeteilt. Im oberen Pfad wird das Signal um die Zeit τ verzögert. Im unteren Pfad wird die Phase des Signals um den Winkel ψ verschoben. Die Signale werden in einem Kreuzkoppler zusammengeführt. Die beiden optischen Ausgangssignale des DAF, E₁(t) und E₂(t), werden jeweils von einer Photodiode detektiert.
Die Differenz I₀(t) der elektrischen Signale I₂(t) und I₁(t) ist das Ausgangssignals des Gegentaktempfängers. Das DAF wird oft auch als Mach-Zehnder-Interferometer oder Mach-Zehnder-Filter bezeichnet.
Das DAF ist wegen der vielen optischen Bauuelemente eine komplexe und teuere Komponente. Gegenüber dem bekannten 8-DPSK-Empfänger ist aus schaltungstechnischen und Kostengründen eine einfachere Variante mit weniger als drei DAF zu bevorzugen.
Gegenstand der Erfindung ist ein 8-DPSK-Empfänger, der einen gegenüber dem bekannten Stand der Technik reduzierten optischen und elektrischen Schaltungsaufwand besitzt, wobei mehrstufige elektrische Signale empfängerintern erlaubt sind. Ein erfindungsgemäßer 8-DPSK-Empfänger ist in Bild 5 dargestellt. Dieser Empfänger besitzt höchstens zwei Zweige mit Verzögerungs- & Addierer-Filtern (Delay & Add Filter, DAF) und elektrischen Gegentaktempfängern (balanced detectors). Die Aufteilung in zwei Zweige erfolgt mit einem Kreuzkoppler oder einem anderen geeigneten Element zur Aufteilung optischer Signale. Dies ist die Basis für den einfachen 8-DPSK-Empfänger. Die elektrischen Ausgangssignale i₁ und i₂, die vom Abtaster und Entscheider weiter verarbeitet werden, sind beim neuen 8-DPSK-Empfänger nach Bild 5 mehrstufig im Gegensatz zu binären elektrischen Signalen beim bekannten 8-DPSK-Empfänger. Die Normierung auf festgelegte Signalwerte ist nicht unbedingt erforderlich.
In Bild 6 ist ein typisches Augendiagramm für i₁ oder i₂ dargestellt. Im Augendiagramm erkennt man fünf Stufen, von denen die beiden unteren und die beiden oberen jeweils eine gemeinsame logische Stufe bilden. Somit erhält man eine obere und eine untere Augenöffnung wie in Bild 6 eingezeichnet. Die elektrischen Signale werden abgetastet. Das abgetastete Signal wird an die Entscheider weitergeführt. Die Entscheiderschwellen der höchstens vier binären Entscheider liegen jeweils innerhalb der oberen oder unteren Augenöffnungen. Mit einem kombinatorischen Netzwerk, einer Look-Up-Tabelle oder einer anderen geeigneten Methode werden aus den vier Entscheiderausgängen e₁₁, e₁₂, e₂₁ und e₂₂ die gesendeten Bitfolgen geschätzt. Die Schaltfunktionen des kombinatorischen Netzwerks für den gewählten differentiellen Codierer und den beschriebenen Sender sind b ^₁ = e ₁₂ e ₂₁ + e₁₁e₂₂, b ^₂ = e₁₂e₂₁ + e ₁₁ e ₂₂, b ^₃ = e₂₁ + e ₁₁e₂₂.
Die Einträge einer Look-Up-Tabelle können nach diesen Schaltfunktionen erstellt werden. Die Schaltfunktionen können bei Bedarf äquivalent umgeformt werden. Bei einer anderen Senderschaltung oder einem anderen differentiellen Codierer können sich auch andere Schaltfunktionen ergeben.
Die Entscheiderschwellen können in den Mitten der eingezeichneten unteren und oberen Augen liegen. Unter Berücksichtigung z.B. von Übertragungsparametern können sie aber auch optimiert werden und höher oder tiefer liegen.
Der neue erfindungsgemäße 8-DPSK-Empfänger ist unabhängig von der elektrischen oder optischen Impulsformung am Sender. Insbesondere ist er mit Non-Return-To-Zero-(NRZ) und Return-To-Zero-(RZ) Impulsformung verwendbar.
Im erfindungsgemäßen 8-DPSK-Empfänger ist für den oberen und unteren DAF die Verzögerung τ jeweils gleich der Symboldauer T. Die Phasenverschiebung im oberen DAF ist ψ₁ = π/4. Die Phasenverschiebung im unteren DAF ist ψ₂ =7π/4 . Die Phasenverschiebungen können auch modulo 2π ausgeführt werden. Prinzipiell genügt es auch die Bedingung |ψ₁ – ψ₂| = π/2 zu erfüllen. Es sind Vorkehrungen zu treffen, dass die Verzögerungen und Phasenverschiebungen unter Einfluss von Störungen zeitlich konstant gehalten werden.
Da im erfindungsgemäßen 8-DPSK-Empfänger explizit darauf verzichtet wird, Entscheidungen zur Schätzung der gesendeten Bitströme ausschließlich auf Basis von binären elektrischen Signalen zu treffen, stellt das im erfindungsgemäßen Empfänger verwendete Verfahren zur Decodierung der Signale, eine flexible Verbesserung der aus dem Stand der Technik bekannten auf binäre elektrische Signale beschränkten Verfahren zur Decodierung, dar.
Ein Vergleich des erfindungsgemäßen 8-DPSK-Empfänger mit bekannten Bauarten von optischen Empfängern, z.B. mit einem bekannten 8-DPSK-Empfänger, der deutlich höheren optischen und elektrischen Schaltungsaufwand aufweist, sowie DQPSK- und DBPSK-Empfängern, durch umfangreiche Computersimulationen zeigt die überlegenen Eigenschaften des neuen, erfindungsgemäßen 8-DPSK Empfängers.
Am Beispiel der RZ-Impulsformung können die verbesserten Eigenschaften deutlich gezeigt werden. Die Übertragungsstrecke besteht in diesem Fall aus einer DCF (Dispersion-compensating fiber) zur Dispersionsvorkompensation, einer SSMF (Standard single-mode fiber) mit 80 km Länge und einer zweiten DCF zur Dispersionsnachkompensation. Die DCF-Längen sind so gewählt, dass sich eine bestimmte Restdispersion r_d und ein bestimmtes Vorkompensationsverhältnis p ergeben.
Bild 7 zeigt die Eye-Opening-Penalty (EOP) über der Restdispersion r_d bei 15 dBm SSMF-Eingangsleistung für den Fall, dass für jeden Wert von r_d der Wert der Vorkompensation p so gewählt ist, dass man eine minimale EOP erhält. Bei RZ-8-DPSK markieren Quadrate die Kurve des neuen Empfängers. RZ-8-DPSK hat geringere EOP-Werte als RZ-DBPSK als RZ-DQPSK. Vergleicht man in Bild 7 die Ergebnisse der bekannten Bauform mit der erfindungsgemäßen Bauform eines 8-DPSK-Empfängers, so sieht man, dass der neue Empfänger kleinere EOP-Werte erreicht als der bekannte Empfänger. Bei einer in realen Systemen typischen Eingangsleistung von 15 dBm beträgt die Differenz fast 0.5 dB. Bei mehreren SSMF-Abschnitten wird die Differenz noch größer und die Vorteile des erfindungsgemäßen 8-DPSK-Empfängers noch stärker.
Neben dem deutlich verringerten Schaltungsaufwand zeigt der neue 8-DPSK-Empgänger also auch eine verbesserte Toleranz gegenüber Fasernichtlinearitäten und Dispersion.

Claims

Ein Gerät und Verfahren zum Empfangen und Decodieren von einem oder mehreren optischen 8-DPSK-Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass es höchstens zwei Verzögerungs- &Addierer-Filter (DAF) mit Gegentaktempfängern und höchstens vier binäre Entscheider mit dazugehörenden Signalausgängen aufweist.
Ein Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein kombinatorischen Netzwerk aufweist, in dem die Signale der Signalausgänge der höchstens vier binären Entscheider weiterverarbeitet werden.
Ein Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es über eine Look-Up-Tabelle verfügt, mit der die Signale der Signalausgänge der höchstens vier binären Entscheider weiterverarbeitet werden.
Ein Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der Signalausgänge der höchstens vier binären Entscheider mit einer anderen geeigneten Methode zur Schätzung der gesendeten Bitströme weiterverarbeitet werden.
Ein Gerät und Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von binären Entscheidern mehrstufige Entscheider beinhaltet und dass das kombinatorische Netzwerk oder die Look-Up-Tabelle oder eine andere geeignete Methode zur Schätzung der gesendeten Bitströme dementsprechend an die unterschiedlichen Signalstufen angepasst ist.
Ein Gerät und Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenzen der Signalpunkte andere Werte annehmen als Vielfache von π/4.
Ein Gerät und Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der höchstens zwei Gegentaktempfänger mit jeweils zwei Photodioden höchstens zwei Empfänger mit jeweils einer Photodiode verwendet werden, und die Entscheider und das kombinatorische Netzwerk oder die Look-Up-Tabelle oder eine andere geeignete Methode zur Schätzung der gesendeten Bitströme entsprechend angepasst sind.
Ein Gerät und Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich optische und elektrische Filter zur Verminderung von Rauschen oder anderen Störungen eingefügt werden.
Ein Gerät und Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass entweder eine oder mehrere der elektrischen Komponenten der Art Abtaster, Entscheider, kombinatorisches Netzwerk oder Look-Up-Tabelle durch optische Komponenten derselben Funktion ersetzt werden.
Ein Gerät und Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bitströme zu einem gemeinsamen Bitstrom zusammengefasst werden.
Ein Gerät und Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bitströme noch innerhalb des Empfängers unterschiedlich weiter verarbeitet werden, z.B. zur Fehlerkorrektur.
Ein Gerät und Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Verzögerungs- & Addierer-Filter (DAF) andere geeignete Methoden zur optischen Auswertung der Phasendifferenzen des optischen Signals verwendet werden.
Ein Gerät und Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät als Teil eines anderen optischen Empfängers, der weitere Merkmale des optischen Signals auswertet, verwendet wird.
Ein Gerät und Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger für den Empfang von mehrstufigen, optischen Signalen, die nach einer anderen Methode als dem 8-DPSK codiert sind, aufgebaut ist aus höchstens zwei Verzögerungs- &Addierer-Filtern (DAF) mit Gegentaktempfängern.
Ein Gerät und Verfahren nach einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Typs des zu empfangenden Signals die Parameter der einzelnen Komponenten manuell oder automatisch so angepasst werden können, dass die gesendeten Bitströme geschätzt werden können.