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Die
Erfindung betrifft einen Regenerator für ein Datenburst-Signal.
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Bei
Systemen mit "Point-to-Multipoint"-Verbindungen erfolgt
die Datenübertragung
in einer Richtung im Zeitmultiplexbetrieb und in der Gegenrichtung
im sogenannten "Burst-Betrieb". Zu diesen Systemen
gehören
die "passiven optischen
Netze", kurz PONs
genannt.
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Eine
Zentrale, „Optical
Line Termination" OLT,
sendet über
eine Glasfaser „downstream" ein Zeitmultiplexsignal
aus, das Daten für
mehrere Einheiten/Teilnehmer, als „Optical Network Units" ONUs bezeichnet,
enthält,
denen über
einen Splitter das Zeitmultiplexsignal zugeführt wird. Die ONUs identifizieren
die für
sie bestimmten Daten aufgrund von Adressen. In „upstream"-Richtung werden von den verschiedenen
ONUs Datenbursts „upstream" zu der OLT gesendet,
wobei aber die Datenbits von Datenburst zu Datenburst nicht taktsynchron übertragen werden.
Der Empfänger
der OLT sieht somit ein Signal, dessen Bursts unterschiedliche Pegel
haben und das zwischen den Bursts Sendepausen aufweist, in denen
keine Daten empfangen werden. Die Datenbursts weisen eine Präambel auf,
die dem Empfänger
der OLT helfen soll, mit den von Burst zu Burst unterschiedlichen
Empfangspegeln und den wechselnden Bitphasen zurechtzukommen und
die folgenden Nutzdaten korrekt abzutasten.
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Eine
mögliche
Lösung
dieses Problems sind sogenannte Restart-Synchronisierungen, die auf eine erste
Flanke des Datensig nals (bzw. auf jede Flanke) synchronisieren.
Bei schlechten Empfangsbedingungen können hierdurch aber häufig Fehlsynchronisierungen
erfolgen.
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Eine
andere Möglichkeit
stellen schnell einrastende Phasenregelkreise (PLLs) dar. Aber auch hier
werden die ersten Bits nicht optimal abgetastet. Diese Phasenregelkreise
weisen auch eine schlechte Stabilität auf, so dass hier Mischformen
mit änderbarer
Zeitkonstante zu verwenden sind.
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Eine
weitere Möglichkeit
stellen Verfahren dar, wie sie beispielsweise aus der Patentanmeldung
EP 0 339 515 A1 bekannt
sind. Zur Abtastung werden mehrere Taktsignale bereitgestellt, die
gegeneinander phasenverschoben sind. Das für die Abtastung am ehesten
geeignete Taktsignal wird ermittelt und für die Abtastung des Datensignals
verwendet.
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Aus
der Patentschrift US 2004/0165679 A1 ist ein Regenerator bekannt,
der ebenfalls mit Überabtastung
arbeitet. Da jedes Datenbit mehrfach abgetastet wird, kann die Auswahl
des richtigen Taktsignals auf Grund der Abtastwerte ermittelt werden.
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Bei
der Empfangseinrichtung der OLT wird der fehlerfreie Empfang der
Datenbursts dadurch erleichtert, dass der Zeitrahmen für deren
Empfang bekannt ist und die Datenbursts außerdem eine Präambel aufweisen,
die durch 1-0-Wechsel die Synchronisierung erleichtert als auch
den Beginn der eigentlichen Daten angibt.
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Wenn
aber wegen einer längeren Übertragungsstrecke
oder höheren
Dämpfungen
im Netz ein Regenerator zwischen OLT und ONUs zwischengeschaltet
werden muss, soll auch diese Präambel
fehlerfrei übertragen
werden, um die Funktion der OLT zu gewährleisten. Reicht ein 2R-Regenerator
aus, kann ein entsprechend dimensionierter optischer Verstärker oder
Transponder verwendet werden. Bei längeren Übertragungsstrecken und stark
verminderter Signalqualität
sind aber 3R-Regeneratoren erforderlich, mit denen nicht nur Amplitude
und Pulsform sondern auch die Phase der Datenbits einschließlich Präambel regeneriert
wird. Mit einem 3R-Regeneratoren ist aber das Problem, auch die
Präambel
vollständig
zu übertragen,
noch schwieriger in den Griff zu bekommen, da zur Taktregeneration
ebenfalls Zeit benötigt
wird. Keiner der bekannten Regeneratoren kann daher einen Verlust
von Information zu Beginn eines Datenbursts vermeiden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen für Datenburst-Übertragung geeigneten 3R-Regenerator
anzugeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Regenerator wird
das empfangene Signal ständig
mit einem Mehrfachen der Datenrate abgetastet. Dadurch ist keine Synchronisation
des Taktsignals erforderlich. Die abgetasteten Signalwerte werden
zwischengespeichert. Auch wenn das Abtast-Taktsignal nicht synchronisiert
ist wird jedes Bit in der Regel von mehreren Takten richtig abgetastet.
Je höher
die Abtastfrequenz desto besser ist die zeitliche Auflösung des abgetasteten
Signals und damit die Abtastung. Sobald eine zuverlässige Entscheidung
für den
korrekten (besten) Abtastzeitpunkt und damit die Auswahl der am
besten abgetasteten Signalwerte möglich ist, werden diese Signalwerte
aus einem Speicher abgerufen und ausgegeben. Anschließend werden
die dann folgenden Datenbits ausgegeben. Hierdurch wird ein Verlust
einzelner Bits zu Beginn des Datenbursts vermieden, wie sie sonst
durch fehlerhafte Abtastung auftreten. Ein kompletter Neuaufbau
des Datenbursts mit einer neu generierten Präambel braucht nicht durchgeführt zu werden.
Die Überabtastung
kann sowohl mit einem Taktsignal der mehrfachen Frequenz der Datenrate
des empfangenen Daten bursts erfolgen, als auch mit mehreren gegeneinander
phasenverschobenen Taktsignalen, deren Frequenz der Datenrate entspricht.
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Zur
Auswahl des richtigen Taktsignals und der optimal abgetasteten Datenbits
können
bekannte Phasendiskriminatoren verwendet werden oder die abgetasteten
Signalwerte selbst herangezogen werden. Der Zeitpunkt zur Ausgabe
der zwischengespeicherten Daten kann auch durch eine Auswertung
des Empfangspegels oder durch logische Auswertung der Präambel bestimmt
werden.
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Ebenso
kann eine kontinuierliche Abtastung des empfangenen Signals erfolgen,
wenn ausgangsseitig ein PLL gesteuerter Pufferspeicher angeordnet ist,
der Phasensprünge
reduziert und eine Anpassung an die Datenrate ermöglicht.
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 einen Übersichtsplan
für ein
passives optisches Netz PON,
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2 eine
3-R-Regeneratoranordnung für optische
Signale,
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3 ein
erstes Prinzipschaltbild des Regenerators und
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4 eine
Variante des Regenerators.
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In 1 ist
das Prinzipschaltbild eines PONs dargestellt. Bei diesem Netz wird
zwischen einem Metro-Bereich und einem Access-Bereich unterschieden.
In dem Metro-Netz werden Signale im Wellenlängenmultiplexbetrieb mit den
Wellenlängen λ1-λ3 übertragen. In den Schnittstellen
zwischen dem beispielsweise im wesentlichen ringförmig ausgeführten Metro- Kernnetz und dem
Access-Bereich sind Metro-Anschlusseinrichtungen MAP1-MAP4 mit Regeneratoren
und Wellenlängenumsetzern
(Transpondern) angeordnet. Das Ringnetz kann als unidirektionaler
oder bidirektionaler Ring mit den Wellenlängen λ1-λ3
wie auch z.B. als „Coloured
Section Ring" mit
den Wellenlängen λ1-λ6 zur Realisierung von
Protection-Funktionen bei einer Unterbrechung ausgebildet sein.
Die von einer Zentrale, „Optical Line
Termination" OLT, „downstream" gesendeten Daten
werden entsprechend ihrer Wellenlänge in den Anschlusseinrichtungen
MAP1-MAP3 selektiert, verstärkt
und können
(auch) ohne Umsetzung der Wellenlängen λ1-λ3 über eine Access-Verbindung
AL (in der Regel ein einziger Lichtwellenleiter) und einen Koppler
KO an die zugehörigen „Optical
Network Units" ONUs
weitergesendet werden. Außerdem
ist auch eine direkte Verbindung zwischen der OLT und einer weiteren
Metro-Anschlusseinrichtung
MAP4 dargestellt.
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In „Upstream"-Richtung werden
von verschiedenen optischen Netzwerkeinheiten ONUs über die
Access-Verbindung AL übertragene
Datenbursts der (gleichen) Wellenlänge λ7 empfangen, in den Metro-Anschlusseinrichtungen
MAP1-MAP4 einer 3R-Regeneration unterzogen und – in der Regel – nach einer
Wellenlängenumsetzung
in das Metro-Netz eingespeist, wo die regenerierten Datenbursts
bis zu der als OLT bekannten Management- und Vermittlungszentrale OLT übertragen
werden. Die ONUs weisen eigene Taktgeneratoren auf, die allerdings,
bezogen auf die OLT, den Koppler KO oder die Metro-Anschlusseinrichtungen
MAP1-MAP4, keine bitsynchronen Daten liefern.
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2 zeigt
das Prinzipschaltbild einer für Datenbursts
geeigneten Regeneratoranordnung. Dieser kann noch ein optischer
Verstärker
vorgeschaltet sein.
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Ein
empfangenes optisches Signal weist zwei „logische Zustände" auf, die der logischen
1 oder 0 entsprechen, und einen dritten Zustand zwischen den Datenbursts,
bei dem alle Sendelaser der ONUs ausgeschaltet sind. Dieser dritte
Zustand kann ebenfalls in die logische Null umgesetzt werden.
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Die
empfangenen optischen Datenbursts OBS werden in einem optisch-elektrischen
Wandler OE in elektrische Datenbursts EBS umgesetzt und einem Begrenzer-Verstärker oder
einer Schwellwertschaltung THS zugeführt, die sie in binäre Datenbursts
BBS umsetzt.
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Eine
Steuereinrichtung SE sorgt für
die Anpassung der Schwellwertschaltung AS an die unterschiedlichen
Empfangspegel bzw. regelt die Schwelle und verhindert, dass der
dritte Zustand zu Fehlfunktionen führt. Eine Burst-Erkennung BE
(oder eine sogenannte „Dark
Time-Detection";
Dark Time – der Zustand,
in dem die Sendelaser ausgeschaltet sind) ermöglicht Anfang und Ende eines
empfangenen Datenbursts festzustellen. Der plötzliche Pegelanstieg oder die
erste empfangene logische 1, nachdem längere Zeit keine Daten bzw.
kein Signal empfangen wurden, kann als Beginn eines Datenbursts
ausgewertet werden.
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Der
eigentliche (Phasen-) Regenerator REG tastet die binären Datenbursts
BBS mit Hilfe eines von einem Taktsignal-Generator TG erzeugten
Referenztaktsignals TS ab und führt
eine Phasenregeneration der empfangenen Bits durch. An seinem Ausgang
werden komplett regenerierte elektrische Datenbursts RBS abgegeben,
die ein optisches Trägersignal
einer vorgegebenen Wellenlänge
modulieren. Dies ist durch einen direkt modulierten Laser LA angedeutet,
der die elektrischen Datenbursts in 3R-regenerierte optische Datenbursts
ORBS umsetzt.
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3 zeigt
ein erstes Prinzipschaltbild des (Phasen-) Regenerators REG, ergänzt durch
den Taktsignalgenerator TG. Der Taktsignalgenerator erzeugt ein
Referenztaktsignal RTS, dessen Frequenz einem Vielfachen der Datenrate
des am Eingang anliegenden Datenbursts BBS entspricht. Mit diesem Taktsignal
erfolgt eine fortwährende Überabtastung der
empfangenen Datenbursts BBS, die auch in den Pausen zwischen den
Datenbursts nicht unterbrochen zu werden braucht, da die Pausen
bereits von der Schwellwertschaltung THS in logische Null-Bits umgesetzt werden.
Die abgetasteten binären
Signalwerte werden zunächst
in eine Abtaststufe AS eingeschrieben. Dieser ist ein Demultiplexer
DM nachgeschaltet, der die seriellen Signalwerte periodisch auf mehrere,
beispielsweise vier Datensignale DS1-DS4 mit der Datenrate der empfangenen
Datenbursts aufteilt. Jedes Datensignal enthält somit aufeinander folgende
Signalwerte, die jeweils – periodisch
auf aufeinander folgende Bits bezogen – zu denselben Abtastzeitpunkten
gewonnenen wurden. Bei jedem Datensignal sind die Abtastzeitpunkte
entsprechend der Phasenverschiebung der Bit-Taktsignale verschieden,
was der Abtastung mit mehreren unterschiedliche Phasen aufweisenden
Taktsignalen entspricht.
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4 soll
dies verdeutlichen. 4 zeigt einige Bits eines in
ein binäres
Signal umgesetzten empfangenen Datenbursts BBS. Jedes Bit wird mehrfach
mit dem Referenz-Taktsignal TS abgetastet.
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Dann
wird das abgetastete Signal in vier Datensignale DS1-DS4 mit Hilfe von
vier vom Referenz-Taktsignal abgeleiteten Bit-Taktsignalen TS1-TS4
aufgeteilt und in einen Zwischenspeicher ST eingeschrieben, der
beispielsweise aus vier Schieberegistern SR1-SR4 besteht. Jedes
der Datensignale wird hierbei mit einem Bit-Taktsignale TS1-TS4
in eines der Schieberegister eingeschrieben.
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Eine
Phasen-Auswerteeinrichtung PA ermittelt, welches der Datensignale
optimal, d.h. zum bestmöglichen
Abtastzeitpunkt, abgetastet wurde und gibt ein entsprechendes Signal
an eine Auswahlschaltung AW ab, die dieses Datensignal, hier DS3 (oder
DS4), aus dem Zwischenspeicher ST abruft und als regeneriertes Burstsignal
ausgibt. In der Zwischenzeit empfangenen Daten schließen sich
automatisch an die zwischengespeicherten Daten an, so dass ein lückenlos
regeneriertes Signal ausgegeben wird. Die Phasen-Auswerteeinrichtung
PA kann übliche
Phasendiskriminatoren wie beispielsweise einen Alexander-Phasendiskriminator
enthalten.
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Je
nach Ausführungsform
des PON sind unterschiedlich lange Lücken zwischen den Datenbursts
vorhanden. Nach der Präambel,
einer 1-0-Folge, zu Beginn eines neuen Datenbursts und nach einer
der Speicherkapazität
des Speichers ST entsprechenden Verzögerung erfolgt zweckmäßigerweise die
Auswahl des optimal abgetasteten Datensignals. Dieser Auswertezeitraum
kann erforderlichenfalls ausgeweitet werden, er muss mit der Kapazität des Zwischenspeichers
abgestimmt sein. Zur Bestimmung des richtigen Zeitpunktes zur Auswahl
des optimalen Datensignals kann auch sowohl ein analoges Kriterium
aus dem empfangenen Signal abgeleitet werden, als auch beispielsweise
die Präambel
des Datenbursts fehlertolerant ausgewertet werden. Dieser Auswahlvorgang
kann bei jedem Datenburst neu durchgeführt werden. Während eines
Datenbursts muss dann in der Regel keine Umschaltung zwischen den
Bit-Taktsignalen und damit den ausgewählten Datensignalen erfolgen,
wodurch auch ein Phasensprung vermieden wird. Die Verbindung der
Auswahlschaltung AW zur Burst-Erkennung BE ist in 3 gestrichelt
eingezeichnet.
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Bei
größeren Frequenzunterschieden
zwischen ONU-Taktgeneratoren und dem Taktgenerator des Regenerators
REG kann jedoch der Auswahlschaltung AW ein nur wenige Bits umfassender
Pufferspeicher BST nachgeschaltet sein, dessen Auslese-Taktsignal
von einem vom Füllstand
des Pufferspeichers gesteuerten Phasenregelkreis PLL erzeugt wird.
So können
auch bei der Umschaltung zwischen zwei Datensignalen Phasensprünge vermieden
werden.
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Bei
der dargestellten Version wird von der Phasen-Auswerteeinrichtung
PA auch ein Bit-Taktsignal als Schreib-Taktsignal STS für den Pufferspeicher
BST ausgewählt.
Natürlich
können
auch die Datensignale DS1-DS4 taktsynchron ausgegeben und eingeschrieben
werden. Der Pufferspeicher ist auch immer dann zweckmäßig, wenn
die Abtastung durchgehend, also auch während einer „Guard
Time" zwischen den
Datenbursts, durchgeführt
wird. Wie bereits erwähnt,
werden zweckmäßigerweise
auch die Zeiten zwischen den Bursts, in denen die ONU-Laser abgeschaltet
sind, in die logische Null umgesetzt. Zwischen Regenerator und OLT
wird so eine Quasi Punkt-zu-Punkt-Verbindung hergestellt, bei der
der Laser der Regeneratoranordnung stets eingeschaltet bleibt. Bei
geeigneter Ausführung
von Pufferspeicher und PLL wird praktisch ein bitsynchrones Signal, wenn
auch mit Null-Folgen zwischen den Bursts, ausgegeben. Die Verwendung
anderer Füllsignale scheint
während
des Betriebes nicht erforderlich zu sein. Bei einer Betriebsaufnahme
(Ranging) können jedoch
längere
Sendepausen auftreten. Ebenso wie der Anfang kann das Ende eines
Datenbursts erkannt werden, indem der Pegel des empfangenen Signals
ausgewertet wird oder die Anzahl der gleichbleibenden „Bits" nach der Schwellwertschaltung oder
am Regeneratorausgang gezählt
wird. Dann kann ein Füllsignal
z.B. ein 1-0-Wechsel vom Regenerator erzeugt werden, damit die OLT
sich besser an den regulären
Empfangspegel anpassen kann.
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In 5 ist
ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
dargestellt. Der Taktgenerator TG erzeugt gegeneinander gleichmäßig phasenverschobene
Taktsignale TS1 bis TS4, die die Bits der Datenbursts BBS Signalwert
für Signalwert
gleich periodisch in die vier Datensignale DS1-DS4 aufteilen und jeweils
in eines von vier Schieberegistern SR1 bis SR4 einer Abtast- und
Speichereinrichtung AS-ST einschreiben. Die eingeschriebenen Signalwerte werden
beispielsweise in der Phasen-Auswerteeinrichtung PA miteinander
verglichen und bei gleich bleibenden Abtastwerten, beispielsweise
den logischen Werten 0111, 1000, 0111, ... wird das die Datenbits
am besten in der Mitte abtastende Taktsignal TS3 als optimales Bit-Taktsignal bzw. das
so abgetastete Datensignal DS3 ausgewählt. Um ein sicheres Ergebnis
zu erhalten, erfolgt in der Phasen-Auswerteeinrichtung PA wieder
eine Integration der bitweise ausgewerteten Kriterien. Während dieser
Zeit werden nachfolgende Signalwerte zwischengespeichert. Nach der
Auswertung erfolgt die entsprechende Auswahl eines Datensignals
DS3 durch die Auswahlschaltung AW und die zwischengespeicherten Signalwerte
bzw. Datensignale werden als regenerierte Datenbursts RBS ausgegeben.
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Die
Elemente der dargestellten Anordnungen können auf beliebige Weise realisiert
werden. So kann beispielsweise der Demultiplexer DM in 3 durch
die in 5 dargestellten unterschiedlichen Taktsignale
realisiert werden; ebenso kann die Auswahlschaltung AS ausgestaltet
sein; die Abtast- und Speichereinheit AS-ST kann aus nur einem Schieberegister
bestehen und die Zuordnung zu Datensignalen durch die Auswahlschaltung
erfolgen; die Schieberegister SR1-SR4 durch First-In-First-Out-Speicher
ersetzt werden usw.