DE102005002195A1 - Verfahren und Anordnung zur Regeneration eines optischen Datensignals - Google Patents

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Abstract

Die Empfangsleistung eines optischen Datensignals DSO wird durch eine Photodiode (PH) in ein elektrisches Datensignal DSE umgesetzt, das verstärkt einer Abtastschaltung AS zugeführt wird. Die Empfangsleistung (Nutzsignal und Rauschen) wird in einer Meß- und Steuereinrichtung MSE1 gemessen und die Abtastschwelle als Funktion der Empfangsleistung entsprechend einer vorgegebenen Funktion eingestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Reneration eines optischen Datensignals, das in ein elektrisches Datensignal umgesetzt und einer Abtaststufe mit einstellbarer Abtastschwelle zugeführt wird.
  • Bei der Übertragung von amplitudenmodulierten optischen Datensignalen erfolgt die Signalrückgewinnung durch optisch-elektrische Signalwandlung. Das optische Signal wird hier einer Photodiode zugeführt, die es in ein elektrisches Signal umwandelt, das verstärkt und einer Abtaststufe (Schwellwertentscheider) zugeführt wird, die ein binäres Datensignal abgibt. Diese Anordnung wird als Datenregenerator bezeichnet. Entsprechend den unterschiedlichen Einsatzbedingungen in den Übertragungssystemen muss der Datenregenerator, insbesondere der Verstärker, einen großen Dynamikbereich bezüglich der Eingangslichtleistung aufweisen.
  • Für die Qualität des Übertragungssystems trägt die optimale Einstellung der Abtastschwelle (Entscheiderschwelle) wesentlich bei.
  • Bisher bekannte Lösungen zum Einstellen der Abtastschwelle verwenden zusätzliche Hilfsentscheideranordnungen oder Fehlerkorrektureinrichtungen. Beides erfordert jedoch erheblichen Zusatzaufwand.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher ein einfach zu realisierendes Verfahren und eine entsprechende Anordnung zur Regeneration eines optischen Datensignals anzugeben, die das opti sche Empfangssignal möglichst optimal in ein binäres Datensignal umsetzt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. durch eine Anordnung nach Anspruch 6 gelöst.
  • Vorteilhaft ist es, die Abtastschwelle für das optisch/elektrisch gewandelte Datensignal als Funktion der Empfangsleistung zu verstellen.
  • Ist eine Verstärkungsregelung für das elektrische Datensignal vorhanden, so kann die Abtastschwelle entsprechend einer vorgegebenen logarithmischen Funktion optimal eingestellt werden.
  • Auch wenn die Verstärkungsregelung fehlt, kann durch Kombination dieser logarithmischen Korrekturfunktion und einer proportional zur Leistung des Empfangssignals ermittelten zweiten Korrekturgröße eine optimale Abtastung erreicht werden. Die vorgegebene Funktion kann vorteilhafterweise in Form einer Tabelle gespeichert sein, wobei es dann möglich ist, auch von der logarithmischen Funktion abweichende Korrekturwerte verwendet werden.
  • Bei einer analogen Ausführung der Mess- und Steuereinrichtung und fehlenden Verstärkungsregelung des elektrischen Datensignals wird die Abtastschwelle für Sollbedingungen optimal eingestellt und die Regelung der Abtastschwelle erfolgt proportional oder der Korrekturfunktion angenähert zur Empfangsleistung.
  • Anordnungen zur Regeneration können auf die unterschiedlichste Weise realisiert werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Abtastschwelle bzw. die Vergleichswertspannung der Abtaststufe sich aus einer Schwellwert-Offsetspannung und einer Korrekturspannung zusammensetzt.
  • Es ist vorteilhaft, dass eine Schwellwert-Einstellanordnung vorhanden ist, mit der bei einer definierten Empfangsleistung die Abtastschwelle optimal eingestellt wird, und der Korrekturwert diese Abtastschwelle bei Abweichungen der Empfangsleistung korrigiert. Hierdurch können Toleranzen des Regenerators ausgeglichen werden.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.
    •
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 die Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung der Abtastwerte,
  • 2 ein Diagramm zur Festlegung der optimalen Abtastschwelle,
  • 3 Messwerte zum Ermitteln der optimale Kennlinie für die Abtastschwelle,
  • 4 ein Prinzipschaltbild eines Datenregenerators mit Verstärkungsregelung,
  • 5 das Prinzipschaltbild eines Datenregenerators ohne Verstärkungsregelung,
  • 6 das Prinzipschaltbild eines Datenregenerators in vereinfachter analoger Ausführung.
  • 1 zeigt die Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung V der Amplituden A für die beiden binären Signalwerte „0 und 1" bei Amplitudenmodulation. Bei Amplitudenmodulation wird bei Aussendung der logischen „0" das Trägersignal unterdrückt und bei der logischen „1" das Trägersignal ausgesendet. Ursache für die unterschiedliche „Qualität" der beiden binären Signalwerte ist ein erhöhtes Rauschen im „1-Signal". Die Einstellung der Abtast- oder Entscheiderschwelle trägt wesentlich zur Qualität des Übertragungssystems bei, die wegen der unterschiedlichen Rauschanteile beim „0-Signal" und beim „1-Signal" nicht beim Mittelwert der Amplituden liegt.
  • 2 zeigt die Rauschdichte R bei verschiedenen optischen Eingangsleistungen bzw. Gesamtleistungen PGES im logarithmischen Maßstab. Die optimal eingestellte Abtastschwelle liegt im Schnittpunkt der „1-Rauschdichtefunktion" mit der „0-Rauschdichtefunktion". Bei geringer Empfangsleistung, hierunter wird die Summe von Nutzsignal und optischen Rauschen verstanden, ist der Einfluss des thermischen Rauschens der Empfangs-Fotodiode größer und es ergibt sich ein erster Schnittpunkt S1 der punktiert dargestellten Funktionen für die logische „1" und die logische „0". Mit zunehmender optischer Eingangsleistung und damit abnehmenden Einfluss des thermischen Rauschens, also ein kleineres OSNR (optisches Signal-Rauschen-Verhältnis) ergibt. Die optimale Abtastschwelle sinkt daher vom ersten Schnittpunkt S1, dem ein erster optimaler Abtastschellwert TH1 zugeordnet ist, für die Abtastschwelle entspricht auf einem geringerem Wert TH2 der durchgezogenen Kurven ab.
  • Die praktische Ermittlung der optimalen Schwellwerte soll anhand von 3 näher erläutert werden. Die verschiedenen Rauschquellen, insbesondere optisches (ASE) und thermisches Rauschen bestimmen zusammen mit dem Nutzsignal das OSNR und damit wesentlich die Fehlerrate. Bei einem definierten OSNR und konstantem PGES1 werden bei verschiedenen Schwellwerten die Bitfehlerraten (oder das OSNR) der 0-Bits und 1-Bits gemessen. Diese liegen in 3 auf einer „0-Geraden" bzw. auf einer „1-Geraden". Diese Geraden werden bis zu ihrem Schnittpunkt verlängert (extrapoliert). Der Schnittpunkt gibt den optimalen Schwellwert TH1 für diese Bedingungen an. Dann wird die Leistung des Nutzsignals und damit die Summenlichtleistung erhöht (hier um 3 dB). Wie bereits erläutert, verringert sich hierdurch das OSNR und damit die zu erwartenden Fehlerrate. Jetzt werden ebenfalls mehrere Messpunkte für die „1-Gerade" und die „0-Gerade" (die wegen der geringeren Verstärkung der Verstärkungsregelung ebenfall kleinere Fehlerraten aufweist, was aus den später beschriebenen Anordnungen ersichtlich ist) ermittelt und zu einem zweiten Schnittpunkt verlängert, die den optimalen Schwellwert TH2 für die neuen Empfangsbedingungen angibt. Die Verbindung zwischen den beiden Schnittpunkten gibt die ideale gestrichelt dargestellte Funktion FTH = k·logPGES (k ist hier von TH1 ausgehend negativ) für eine optimal einzustellende Abtastschwelle an, die in der logarithmischen Darstellung einer Geraden entspricht.
  • In 4 ist das Prinzipschaltbild eines Datenregenerators dargestellt. Ein amplitudenmoduliertes optisches Datensignal DSO wird einer Photodiode PH zugeführt, die es in ein elektrisches Datensignal DSE umsetzt. Dieses Signal wird in einem ersten Verstärker V1 verstärkt und in einem weiterem Verstärker AGC (Automatic Gain Control) amplitudenmäßig geregelt, so dass über einen Tiefpaß LF einer Abtastschaltung AS ein binäres Datensignal konstanter Amplitude zugeführt wird. Die Leistung bzw. Amplitude des empfangenen optischen Datensignals DSO wird in einer Mess- und Steuereinrichtung MSE1 gemessen. Bei unterschiedlichen Amplitudenwerten weist das empfangene optische Signal und damit auch das demodulierte elektrische Datensignal DSE ein unterschiedliches Signal-Rausch-Verhätlnis OSNR auf. Entsprechend muss die Abtastschwelle TH verstellt werden. Hierzu wird der erste Korrekturwert K1 = k·logPGES ermittelt und die Amplitude durch eine erste entsprechende Korrekturspannung UK1 verschoben, die hier in einem Addierer AD, der einem Eingang der Abtastschaltung AS vorgeschaltet ist, hinzuaddiert wird und die Entscheiderschwelle verändert. Die Abtastschaltung setzt das gefilterte elektrische Datensignal in ein binäres Datensignal DS um. Die Anordnung weist noch eine Schwellwert-Justiereinrichtung SE auf, die hier in die Mess- und Steuereinrichtung MSE1 eingreift und für die lineare Verschiebung, hier Decision Offset genannt, der Abtastkennlinie FTH von der in 3 dem Wert „0" angegebenen „neutralen Schwelle" liegt, die 0,5 der Amplitude des elektrischen Datensignals DSE entspricht.
  • 5 zeigt einen Datenregenerator ohne Verstärkungsregler. Die Mess- und Steuereinrichtung muss hierzu modifiziert werden. Es wird zusätzlich zum ersten Korrekturwert K1 ein zweiter Korrekturfaktor K2 ermittelt, der die Abtastschwelle in Abhängigkeit von der Amplitude des Empfangssignals um die Hälfte der Amplitudenänderung verschiebt bzw. auf 0,5 der Amplitude einstellt, um das elektrische Datensignal DSE in der Mitte abzutasten. Die beiden Korrekturwerte werden in einem Kombinierer COM zusammengefasst, der eine Korrekturspannung UK2 abgibt. Die Schwellwert-Justiereinrichtung SE liefert eine dem Offset (3) entsprechende Spannung, die mit der Korrekturspannung UK2 in einem Addierer AD zusammengefasst wird. Die Korrekturwerte können errechnet oder einer Tabelle entnommen werden.
  • 6 zeigt eine analoge Ausführung ohne Verstärkungsregelung. Die Mess- und Steuereinrichtung MSV ist analog aufgebaut. Die Eingangsleistung wird an einem Widerstand R1 gemessen, über den die Photodiode PH an eine Spannung UB angeschaltet ist. Ein erster Differenzverstärkers VE1 verstärkt die am Widerstand abfallende Spannung. Dem ersten Verstärker ist ein zweiter Differenzverstärker VE2 mit einstellbarer Verstärkung nachgeschaltet. Die Referenzspannung für die Verstärker kann unterschiedlich erzeugt werden; hier wird durch die Schwellwert-Justiereinrichtung SE in Verbindung mit Ausgangsspannungen des Tiefpassfilters LF erzeugt. Durch die Schwellwert-Justiereinrichtung SE kann beispielsweise ein Referenzschwellwert TH12 (3) für die Normbedingungen des Systems bei einer Fehlerrate von 10–12 eingestellt werden, für die das System konzipiert ist.
  • Die Regelung erfolgt in allen Ausführungsbeispielen in Relation zur Datenrate langsam, um unabhängig von den empfangenen Bitkombinationen zu sein. Dies ist prinzipiell durch ein weiteres Tiefpassfilter LPR angedeutet. Wird der Rückkopplungsweg RZ des zweiten Verstärkers VE2 als Widerstand ausgebildet, dann wird die Schwelle der Abtastschaltung linear mit dem Empfangspegel PGES verschoben. Wird in dem Rückkopplungsweg RZ dagegen ein nicht lineares Element eingesetzt, so kann (zumindest angenähert) ein logarithmischer Verlauf der Korrekturspannung UK3 erreicht werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regeneration eines optischen Datensignals (DSO), das in ein elektrisches Datensignal (DSE) umgesetzt und einer Abtaststufe (AS) mit einstellbarer Abtastschwelle (TH) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsleistung (PGES) gemessen wird und dass die Abtastschwelle (TH) als Funktion der Empfangsleistung (PGES) entsprechend einer vorgegebenen Funktion (FTH) eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vorhandenen Verstärkungsregelung für das elektrische Datensignal (DSE) die Abtastschwelle (TH) als vorgegebene logarithmische Funktion (FTH = k logPGES) der Empfangsleistung (PGES) eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dass bei einer fehlenden Verstärkungsregelung für das elektrische Datensignal (DSE) die Abtastschwelle (TH) zusätzlich proportional zur Leistung (PGES) des optischen Datensignals (DSO) oder der Amplitude des elektrischen Datensignals (DSE) verschoben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer fehlenden Verstärkungsregelung für das elektrisches Datensignal (DSE) die Abtastschwelle (TH12) für Sollbedingungen optimal eingestellt wird und dass die Abtastschwelle (TH) proportional zur Empfangsleistung (PGES) eingestellt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Funktion (FTH) in Form einer Tabelle gespeichert wird und dass entsprechend der Empfangsleistung (PGES) die in der Tabelle gespeicherten Einstellwerte ausgelesen und in Korrekturspannungen (UK1, UK2, UK3) umgesetzt werden, mit denen die Abtastschwelle (TH) optimiert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die optimale Abtastschwelle (TH12) für die Norm-Bedingungen des Übertragungssystems eingestellt wird.
  7. Anordnung zur Regeneration eines optischen Datensignals (DSO), das in einem optisch-elektronischen Wandler (PH) in ein elektrisches Datensignal (DSE) umgesetzt und einer Abtaststufe (AS) mit einstellbarer Abtastschwelle (TH) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mess- und Steuereinrichtung (MSE1) die Empfangsleistung (PGES) misst und als Funktion der Empfangsleistung (PGES) einen ersten Korrekturwert (K1) entsprechend einer vorgegebenen Funktion (FTH) ermittelt, der die Abtastschwelle (TH) um eine entsprechende erste Korrekturspannung (UK1) verschiebt.
  8. Anordnung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer bei einer fehlenden Verstärkungsregelung für das elektrisches Datensignal (DSE) die Mess- und Steuereinrichtung (MSE2) zusätzlich einen zur Empfangs leistung (PGES) proportionalen zweiten Korrekturwert (K2) ermittelt und die Abtastschwelle (TH) um eine aus beiden Korrekturwerten (K1, K2) abgeleitete zweite Korrekturspannung (UK2) verschiebt.
  9. Anordnung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Steuereinrichtung als Verstärkereinrichtung (MSV) ausgebildet ist, die eine dritte Korrekturspannung (UK3) erzeugt, die die Abtastschwelle (TH) proportional zur Empfangsleistung (PGES) verschiebt.
  10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schwellwert-Justiereinrichtung (SE) enthält, durch die eine optimale Einstellung der Abtastschwelle (TH12) erfolgt.
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