DE102013002102A1

DE102013002102A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Demultiplexen

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Publication number: DE102013002102A1
Application number: DE201310002102
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Freude; Jürg Leuthold; René Schmogrow
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-08-07
Also published as: WO2014121907A1

Abstract

Ein Verfahren zum Demultiplexen eines Multiplex-Signals, wobei ein Multiplex-Signal empfangen wird, das mit zumindest zwei Einzelsignalen (sx, sy) auf unterschiedlichen Polarisationen übertragen wird, wobei zumindest zwei Komponenten (rx, ry) des Multiplex-Signals mit unterschiedlichen Polarisationen empfangen werden und eine Übertragungsabbildung der empfangenen zumindest zwei Komponenten (rx, ry) des Multiplex-Signals auf die zumindest zwei Einzelsignale (sx, sy) des Multiplex-Signals ermittelt wird. Dabei wird zumindest ein Extremwert einer Kostenfunktion (J1; J2) ermittelt, die zeitliche Mittelwerte der zumindest zwei Komponenten (rx, ry) des Multiplex-Signals auswertet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Demultiplexen eines Multiplex-Signals.
Auf dem Gebiet der Tele- und Datenkommunikation werden in einer kohärenten Übertragungstechnik Multiplex-Signale übertragen. Solche Multiplex-Signale bestehen aus mehreren Einzelsignalen, die auf orthogonalen Polarisationen übertragen werden. An einem Empfänger ist das empfangene Multiplex-Signal wieder in seine Einzelsignale zu zerlegen, d. h. zu demultiplexen.
Kohärente Übertragungssysteme benutzen heute oft zwei orthogonale Polarisationen für die Datenübertragung auf zwei Kanälen für die Einzelsignale. Diese Art des sogenannten Polarisations-Multiplex wird verwendet, um die spektrale Effizienz (die Kapazität innerhalb einer gegebenen Bandbreite) zu verdoppeln. Der Polarisationszustand variiert entlang der Ausbreitung in einer optischen Faser. Um beide Polarisationen am Empfänger ohne Übersprechen zu trennen, müssen die Polarisationen am Empfänger wieder in ihre Kanäle getrennt werden, d. h. durch die Faser bedingte Polarisationsänderungen müssen rückgängig gemacht werden.
Verschiedene Methoden werden für dieses Demultiplexen der Polarisationen angewendet, die sich grob in analoges und digitales Signalprozessieren einordnen lassen. Flüssigkristalle oder LiNbO₃-basierte Strukturen können für analoges Demultiplexing verwendet werden. Werden Signale auf orthogonalen Polarisationen übertragen, so können z. B. zwei optische kohärente Empfänger die optischen Signale in elektrische Signale umwandeln. Analog-Digital-Wandler tasten die elektrischen Signale ab, und das weitere Prozessieren der Signale erfolgt digital.
Als am weitesten verbreiteter Algorithmus zum Demultiplexen gilt der sogenannte Common-Modulus-Algorithmus (CMA). Dieser basiert darauf, dass zwei übertragene Signale, bei denen die Informationen in der Phase kodiert sind, bei korrekter Trennung der Polarisationen minimale Amplitudenschwankungen zeigen. Der Vorteil des CMA liegt im geringen Prozessierungsaufwand. Dagegen steht als Nachteil die zwingend benötigte Taktrückgewinnung, da während der Transitionen (den Übergängen zwischen den Symbolen) die Amplitude nicht konstant ist. Des weiteren muss der CMA modulationsformatspezifisch angepasst werden.
In US-Patent US 8,121,480 wird ein Demultiplexen eines Multiplex-Signals im Stokes-Raum vorgeschlagen. Dazu werden aus den empfangenen Signalen Stokes-Parameter berechnet und die empfangenen Signale im Raum der unnormierten Stokes-Parameter betrachtet. Die Stokes-Parameter der unabhängigen Einzelsignale auf der x- und y-Polarisation formen eine Linse in diesem Raum. Eine Ebene mit minimalem Abstand zu den gemessenen Werten gibt Information über den aktuellen Polarisationszustand am Empfänger. Vorteile dieses Algorithmus sind die Vielseitigkeit, d. h. die Unabhängigkeit vom Modulationsformat und der Impulsform der Signale, und die Tatsache, dass auf eine Taktrückgewinnung zunächst verzichtet werden kann. Ein Nachteil dieses Algorithmus ist der relativ hohe Rechenaufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine vielseitige Möglichkeit zum Demultiplexen eines Multiplex-Signals bereitzustellen, die mit einem reduzierten Rechenaufwand auskommt.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Demultiplexen eines Multiplex-Signals, wobei ein Multiplex-Signal empfangen wird, das mit zumindest zwei Einzelsignalen auf unterschiedlichen Polarisationen übertragen wird. Dabei werden zumindest zwei Komponenten des Multiplex-Signals mit unterschiedlichen Polarisationen empfangen und eine Übertragungsabbildung der empfangenen zumindest zwei Komponenten des Multiplex-Signals auf die zumindest zwei Einzelsignale des Multiplex-Signals ermittelt. Zumindest ein Extremwert einer Kostenfunktion wird ermittelt, die zeitliche Mittelwerte der zumindest zwei Komponenten des Multiplex-Signals auswertet.
Das empfangene Multiplex-Signal kann als ein Signal auf dem Gebiet der Telekommunikation und/oder der Datenkommunikation ausgebildet sein, insbesondere ein Signal in einer kohärenten Übertragungstechnik. Das Multiplex-Signal ist als ein optisches Signal ausgebildet und weist zumindest zwei Einzelsignale auf, die auf unterschiedlichen Polarisationen übertragen werden. Das Multiplex-Signal wird empfangen, wobei es in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dabei werden zumindest so viele unterschiedliche Komponenten des Multiplex-Signals empfangen, wie das übertragene Multiplex-Signal Einzelsignale aufweist, also zumindest zwei. Die einzelnen Komponenten des Multiplex-Signals werden empfangen, indem Anteile des empfangenen Multiplex-Signals mit unterschiedlichen Polarisationen registriert und empfangen werden.
Häufig wird als Multiplex-Signal ein Signal mit genau zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen für zwei Einzelsignale verwendet. Das Verfahren ist auch bei mehr als zwei Einzelsignalen verwendbar, also mehreren Kanälen, z. B. in einem Multiple-Input-Multiple-Output-System (MIMO).
Zufällig könnten die empfangenen Komponenten des Multiplex-Signals den ursprünglich übertragenen Einzelsignalen entsprechen. Praktisch erfahren die unterschiedlichen Polarisationen der Einzelsignale des Multiplex-Signal bei der Übertragung (z. B. durch einen optischen Wellenleiter) eine Variation, die z. B. von der Geometrie des Übertragungsmediums, der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit etc. abhängen kann. Mathematisch wird diese Variation der unterschiedlichen Polarisationen durch die Übertragungsabbildung ausgedrückt. Die Übertragungsabbildung ist somit als die Abbildung der Einzelsignale auf die empfangenen Komponenten definiert (oder umgekehrt). Die Parameter der Übertragungsabbildung bestimmen die Änderung der Polarisationszustände. Durch ein Berechnen von bestimmten Parametern der Übertragungsabbildung wird die Übertragungsabbildung bestimmt.
Durch das Verfahren wird aus den empfangenen Komponenten die Übertragungsabbildung berechnet, wodurch mittels der empfangenen Komponenten die Einzelsignale erhalten werden können. Damit ist durch Berechnung der Übertragungsabbildung der Erhalt der Einzelsignale ermöglicht und das Multiplex-Signal kann korrekt ausgelesen werden, es kann demultiplext werden.
Zum Erhalt der Übertragungsabbildung werden die empfangenen Komponenten mittels der Kostenfunktion untersucht. Dabei wird zumindest ein Extremwert der Kostenfunktion ermittelt (z. B. mittels eines numerischen Algorithmus wie eines evolutionären Algorithmus etc.). Die Kostenfunktion wertet die zeitlichen Mittelwerte der Komponenten aus. Dabei können für unterschiedliche Parameter der Übertragungsabbildung die zeitlichen Mittelwerte der empfangenen Komponenten berechnet werden. Nimmt die Kostenfunktion für eine bestimmte Parameterpaarung ein Maximum oder Minimum als Extremwert an, so sind die korrekten Parameter und somit die Übertragungsabbildung gefunden. Dabei kann die Kostenfunktion maximal werden, wenn auf zumindest zwei Einzelsignalen Daten übertragen werden. Die Kostenfunktion kann minimal werden, solange nur auf einem Kanal, also mit einer Polarisation, Daten übertragen werden. In diesem Fall werden auf einem der Einzelsignale keine Daten übertragen.
Vorteilhaft sind die Einzelsignale dabei unkorreliert, d. h. sie übertragen unabhängige Daten. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die mittleren Leistungen der Einzelsignale annähernd gleich groß ausgebildet sind.
Das Multiplex-Signal kann korrekt ausgelesen werden, indem der ursprüngliche Polarisationszustand wiederhergestellt wird und die Signale auf den Komponenten ohne Übersprechen getrennt werden können.
Dieses Verfahren ermöglicht ein Demultiplexen eines Multiplex-Signals, das unabhängig von dem Modulationsformat und der Pulsform des Multiplex-Signals ist. Es kann durch dieses Verfahren sowohl ein Amplituden- als auch ein phasenmoduliertes Signal ausgelesen werden.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass keine Taktrückgewinnung zum Demultiplexen notwendig ist. Dies bedeutet, dass eine Information bezüglich der Übertragungstaktung des Multiplex-Signals zum Demultiplexen nicht notwendig ist.
Eine aufwendige Übertragung der empfangenen Komponenten in den Stokes-Raum ist überflüssig. Dadurch werden der benötigte Rechenaufwand und die Berechnungskomplexität reduziert.
Gemäß einer Ausführungsform werden zeitliche Mittelwerte der Beträge der Komponenten und/oder der Beträge des Realteils und des Imaginärteils der Komponenten ausgewertet, um die Übertragungsabbildung bzw. die Parameter der Übertragungsabbildung zu erhalten. Die Kostenfunktion enthält somit ein Berechnen der zeitlichen Mittelwerte der Beträge der Komponenten und/oder der zeitlichen Mittelwerte der Beträge des Realteils und des Imaginärteils der Komponenten. Das Berechnen dieser Beträge stellt eine einfache Rechenroutine dar, die eine vergleichsweise geringe Berechnungsintensität benötigt. Weist die Kostenfunktion bei Variation der Parameter einen Extremwert auf, so sind die korrekten Parameter für die Übertragungsabbildung gefunden. Versuche haben gezeigt, dass durch eine auf den Beträgen der Komponenten basierende Kostenfunktion die korrekte Übertragungsabbildung ermittelt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform wird zumindest ein Extremwert der Kostenfunktion der Form
und/oder der Form
ermittelt. Dabei stellen α und φ Parameter der Übertragungsabbildung dar, und r_x und r_y die empfangenen Komponenten des Multiplex-Signals.
Die beiden Kostenfunktionen J₁ und J₂ können z. B. alternativ verwendet werden, um die korrekte Übertragungsabbildung zu ermitteln. Bei den beiden Kostenfunktionen J₁ und J₂ handelt es sich um Kostenfunktionen zum Demultiplexen von zwei Einzelsignalen bzw. zwei Komponenten des Multiplex-Signals. Diese Komponenten sind komplexe Signale mit einem Real- und einem Imaginärteil.
Der Ausdruck ”Kostenfunktion der Form” bezeichnet dabei eine Kostenfunktion, die den angegeben Term als den die Kostenfunktion bestimmenden Term beinhaltet. Die jeweilige Kostenfunktion kann z. B. um einen konstanten Faktoren ergänzt werden, es kann ein konstanter Werte addiert werden, die Kostenfunktion kann invertiert oder potenziert werden etc., was alles keinen wesentlichen Einfluss auf die Extremwertsuche nimmt. Eine Kostenfunktion der Form J₁ und/oder J₂ umfasst alle diejenigen Kostenfunktion, die den angegebenen Term als bestimmenden Term aufweisen, der ohne wesentlichen Einfluss auf die Extremwertsuche ergänzt sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Übertragungsabbildung als eine Übertragungsmatrix ausgebildet und wird definiert wird als
wobei α und φ Parameter der Übertragungsmatrix bezeichnen, r_x und r_y die empfangenen Komponenten des Multiplex-Signals bezeichnen, s_x und s_y die zwei Einzelsignale des Multiplex-Signals bezeichnen und j die imaginäre Einheit bezeichnet. Die Übertragungsmatrix ist für Multiplex-Signale mit zwei Einzelsignalen verwendbar. Die Übertragungsmatrix besteht hierbei aus zwei Einzelmatrizen, die die Übertragungsabbildung definieren. Eine Übertragungsmatrix für mehrkanalige Multiplex-Signale kann analog verwendet werden.
Die Parameter α und φ sind Winkel der Übertragungsmatrix, mit der die Übertragungsvariation mathematisch ausgedrückt wird. Dabei liegt α im Intervall 0 ≤ α < π/2 und φ im Intervall 0 ≤ φ < 2π.
Bei dieser Ausführungsform werden die Parameter α und φ der Übertragungsmatrix aus einem Extremwert der Kostenfunktion ermittelt. Weist die Kostenfunktion für ein bestimmtes Parameterpaar α und φ einen Extremwert auf, so ist die Übertragungsmatrix gefunden, mit der die Übertragungsvariation beschrieben werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Einzelsignale des Multiplex-Signals orthogonal polarisiert zueinander übertragen. Bei einer Übertragung der Einzelsignale auf orthogonalen Kanälen interferieren die Signale nicht, weswegen diese Übertragungsart besonders geeignet ist, Daten im Multiplex-Signal zu übertragen. Das Verfahren zum Demultiplexen ist hierbei dazu ausgebildet und vorgesehen, Einzelsignale auf orthogonalen Kanälen zu empfangen. Dementsprechend werden als empfangene Komponenten orthogonal zueinander polarisierte Komponenten des Muliplex Signals empfangen und registriert.
Gemäß einer Ausführungsform wird zumindest ein Filter trainiert, durch das die Kostenfunktion realisiert wird. Der Filter führt damit beim Empfangen die Extremwertsuche der Kostenfunktion aus. Der oder die Filter kann z. B. optisch, analog elektronisch, digital, etc. realisiert sein.
Gemäß einer Ausführungsform wird keine Ermittlung einer Übertragungstaktung des Multiplex-Signals durchgeführt. Die Einzelsignale werden erhalten, ohne die Übertragungstaktung des Multiplex-Signals kennen zu müssen. Durch das Verfahren wird eine Entkopplung des Demultiplex-Vorgangs von der Übertragungstaktung erzielt.
Ein Aspekt betrifft eine Vorrichtung zum Demultiplexen eines Multiplex-Signals mit zumindest zwei Einzelsignalen auf unterschiedlichen Polarisationen, mit einem Empfänger zum Empfangen zumindest zweier Komponenten des Multiplex-Signals mit unterschiedlichen Polarisationen. Die Vorrichtung weist weiterhin einen Demultiplexer zum Ermitteln einer Übertragungsabbildung der empfangenen zumindest zwei Komponenten des Multiplex-Signals auf die zumindest zwei Einzelsignale des Multiplex-Signals auf. Der Demultiplexer ist dazu ausgebildet und vorgesehen, zumindest einen Extremwert einer Kostenfunktion zu ermitteln, die zeitliche Mittelwerte der zumindest zwei Komponenten des Multiplex-Signals auswertet.
Der Demultiplexer kann Filter aufweisen, die z. B. optisch, analog elektronisch, digital, etc. ausgebildet sind.
Mit der Vorrichtung zum Demultiplexen kann das oben beschriebene Verfahren zum Demultiplexen durchgeführt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren gezeigten Ausführungsformen näher beschrieben. Einzelne Merkmale der in den Figuren gezeigten Ausführungsformen können mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden. Es zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung ein kohärentes optisches Übertragungssystem,
2 in einer schematischen Darstellung ein System zum digitalen Demultiplexen eines Multiplex-Signals,
3 in einer schematischen Darstellung ein kohärentes optisches Übertragungssystem mit einem analogen optischen Polarisationssteller zum analogen Demultiplexen eines Multiplex-Signals,
4 in einer graphischen Darstellung eine erste Kostenfunktion mit unterschiedlichen Eingangssignalen,
5 in einer graphischen Darstellung eine zweite Kostenfunktion mit unterschiedlichen Eingangssignalen,
6 in einer graphischen Darstellung die beiden Kostenfunktionen für Signale, die auf einer Polarisation übertragen werden und
7 in einer graphischen Darstellung der beiden Kostenfunktionen für ein Demulitplex Signal, das auf zwei Kanälen Einzelsignale überträgt.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein kohärentes optisches Übertragungssystem als Vorrichtung zum Demultiplexen. Ein Sender 10 führt einen Polarisations-Multiplex auf zwei orthogonalen Polarisationen durch. Dabei wird ein Multiplex-Signal mit zwei Einzelsignalen erzeugt, die orthogonal zueinander polarisiert auf einer x-Polarisation und auf einer y-Polarisation erzeugt werden. Dabei werden zwei komplexe elektrische Einzelsignale s_x und s_y erzeugt, die einen Dauerstrichlaser modulieren. Die Modulation erfolgt mit Hilfe komplexer Modulatoren aus Mach-Zehnder-Interferometern.
Die aus den Einzelsignalen s_x und s_y resultierenden optischen Einzelsignale werden mit einem Polarisationsstrahlteiler (PBS) 12 auf den orthogonalen Polarisationen zu dem Multiplex-Signal überlagert.
Das Multiplex-Signal wird auf einer optischen Faser 14 übertragen. Bei der Übertragung durch die optische Faser 14 ändern sich die Polarisationszustände des übertragenen Demultiplex-Signals. Diese Änderung der Polarisationszustände kann durch zwei Winkel α und φ beschrieben werden, die eine Art Drehung der Polarisationen der Einzelsignale s_x und s_y beschreiben.
Über die Faser 14 wird das Multiplex-Signal zu einem Empfänger 16 übertragen. Der Empfänger 16 weist zwei optische 90°-Hybride auf, welche zwei komplexe Anteile des Multiplex-Signals jeweils mit Strahlungsanteilen eines Empfängerlasers 17 als einem lokalen Oszillator überlagert. Der Empfänger 16 weist weiterhin einen ersten Empfängerpolarisationsstrahlteiler 18 und einen zweiten Empfängerpolarisationsstrahlteiler 19 auf. Dabei dient der erste Empfängerpolarisationsstrahlteiler 18 zum Zerlegen des eingehenden Multiplex-Signals in zwei orthogonale Teilsignale. Der zweite Empfängerpolarisationsstrahlteiler 19 polarisiert die Strahlung des Empfängerlasers 17 in zwei orthogonale Anteile.
Durch Überlagerung der empfangenen Teilsignale des Multiplex-Signals mit den orthogonalen Anteilen der Strahlung des Empfängerlasers 17 entstehen optische Signale, die von vier Paaren von differentiellen Photodetektoren 20a, 20b, 20c und 20d in elektrische Signale umgewandelt werden.
Mittels dieser Abtastung werden zwei komplexe Komponenten r_x und r_y des Multiplex-Signals erzeugt. Der Empfänger 14 weist weiterhin einen Demultiplexer 21 auf. Der Demultiplexer 21 ist als Polarisations-Demultiplexer ausgebildet und berechnet aus den zwei komplexen Komponenten r_x und r_y des Multiplex-Signals die ursprünglichen Einzelsignale s_x und s_y.
Die während der Übertragung durch die Faser 14 auftretenden Polarisationsänderungen können allgemein mit einer unitären Matrix beschrieben werden, falls die Faser – wie es normalerweise der Fall ist – keine polarisationsabhängigen Verluste aufweist. Die empfangenen Signale der Komponenten r_x und r_y folgen aus einer Matrixmultiplikation mit dem Vektor der gesendeten Einzelsignale s_x und s_y:
Die Koeffizienten u₁ und u₂ der Übertragungsmatrix lassen sich durch das Winkelpaar α und φ vollständig beschreiben. Dabei liegt α im Intervall 0 ≤ α < π/2 und φ im Intervall 0 ≤ φ < 2π.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein System zum digitalen Demultiplexen eines Multiplex-Signals, also eine Ausführungsform des in 1 gezeigten Demultiplexers 21. Der gezeigte Demultiplexer 21 ist als ein Polarisations-Demultiplexer mit digitalen Filtern ausgebildet.
Die digitalen Filter sind so ausgebildet, dass sie die erste Komponente r_x des Multiplex-Signals mit dem Phasenwinkel φ multiplizieren. Anschießend werden beide Komponenten r_x und r_y um einen Winkel α gedreht.
Weiterhin sind digitale Filter vorgesehen, die aus den so multiplizierten und gedrehten Komponenten einen Wert einer Kostenfunktion J berechnen. Die Kostenfunktionen J stellt eine Regelgröße bereit, mit der ein Regelkreis des Demultiplexers 21 zur Kompensation von zufälligen Polarisationsänderungen auf der optischen Faserstrecke aufgebaut werden kann.
Ein Beispiel dieser Kostenfunktion ist die weiter oben genannte erste Kostenfunktion J₁
Die zeitlichen Mittelwerte der Beträge von r_x und r_y werden für eine Anzahl von I Werten gebildet und summiert. Ist das korrekte Winkelpaar eingestellt, so ist J₁ maximal für den Fall eines Polarisations-Multiplex und minimal für den Fall eines Signals auf einer einzigen Polarisation.
Ein weiteres Beispiel für die Kostenfunktion ist die zweite Kostenfunktion J₂
Beide Kostenfunktionen J₁ und J₂ ergeben einen reellen Wert in Abhängigkeit von den Parametern α und φ.
Aufgabe der Kostenfunktion ist es, die Schätzung des korrekten Winkelpaares als Teil eines Regelkreises des Demultiplexers 21 zu ermöglichen. Dabei werden I Werte zur Berechnung des Betrags der Mittelwerte verwendet.
Bei dieser Berechnung kann auch auf die Division durch I (der Anzahl der zur zeitlichen Mittelung herangezogenen Werte) verzichtet werden, da diese lediglich einen konstanten Faktor darstellt und für das Auffinden eines Extremwert irrelevant ist. Die Kostenfunktion liefert immer noch extremale Werte, wenn man die Kostenfunktionen mit einem konstanten Faktor multipliziert, konstante Werte addiert, diese invertiert oder potenziert etc.
Sind die Winkel α und φ als Parameter richtig gewählt, dann wird die Kostenfunktion J (also z. B. J₁ oder J₂) extremal. Die Parameter α und φ werden so variiert, dass die Kostenfunktion J maximiert bzw. minimiert wird. Ist ein Extremwert für ein bestimmtes Parameterpaar der Parameter α und φ gefunden, so werden mittels einer Matrixmultiplikation der empfangenen Komponenten r_x und r_y mit der folgenden zweiteiligen Übertragungsmatrix die Einzelsignale s_x und s_y des Multiplex-Signals berechnet:
Dadurch wird der ursprüngliche Polarisationszustand der Einzelsignale wiederhergestellt und das Multiplex-Signal ist demultiplext. Damit liegen die Einzelsignale am Empfänger 16 vor und können dort ausgelesen werden.
Die Kostenfunktion J erfüllt somit die Aufgabe, das korrekte Paar der Parameter α und φ zu schätzen bzw. zu berechnen.
Vergleicht man den Prozessierungsaufwand der beiden Kostenfunktionen J₁ und J₂, so ergibt sich, dass die Berechnung der zweiten Kostenfunktion J₂ (4 reelle Betragsbildungen und 3 Summationen pro Abtastwert) signifikant weniger und einfachere Rechenoperationen erfordert als die Berechnung der ersten Kostenfunktion J₁ (4 Multiplikationen, 3 Summationen und 2 Quadratwurzeln pro Abtastwert).
Eine reelle Betragsbildung kann digital sehr effektiv implementiert werden, wenn das Zweierkomplement zur Darstellung negativer Zahlen verwendet wird.
Weitere einfache Abwandlungen der hier gezeigten Funktionen sind denkbar zur Modifikation der aufgezeigten Kostenfunktionen.
Damit ist der Demultiplexer 21 mittels digitalen Filtern realisiert, die die Einzelsignale s_x und s_y des Multiplex-Signals liefern.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein kohärentes optisches Übertragungssystem als Vorrichtung zum Demultiplexen mit einem analogen optischen Polarisationssteller zum analogen Demultiplexen eines Multiplex-Signals.
Ein Sender 30 weist einen Laser 31 zum Durchführen eines Polarisations-Multiplex auf zwei orthogonalen Polarisationen analog zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Die aus den Einzelsignalen s_x und s_y resultierenden optischen Einzelsignale werden mit einem Polarisationsstrahlteiler 32 zu dem Multiplex-Signal überlagert, das auf einer optischen Faser 34 übertragen wird.
Der Empfänger 36 ist als analoger Empfänger mit analogen Bauteilen ausgebildet. Der Empfänger 36 weist dazu einen elektronisch steuerbaren Polarisationssteller 42 auf, der elektronisch so angesteuert werden kann, dass die Komponenten r_x und r_y des Multiplex-Signals mit einer Winkelstellung empfangen und registriert werden, die den korrekten Parametern α und φ zum korrekten Demultiplexen des Multiplex-Signals entsprechen.
Das Multiplex-Signal wird nach Durchstrahlen des Polarisationstellers 42 analog zu der in 1 gezeigten Ausführungsform mittels eines Empfängerlasers 37, einem ersten und zweiten Empfängerpolarisationsstrahlteiler 38 und 39 sowie vier Paaren von differentiellen Photodetektoren 40a, 40b, 40c und 40d registriert und ausgelesen.
Die korrekten Werte der Parameter α und φ des elektronisch steuerbaren Polarisationsstellers 42 werden mittels der gleichen Kostenfunktion J ermittelt, also z. B. mittels der ersten Kostenfunktion J₁ oder der zweiten Kostenfunktion J₂. Das Ermitteln der korrekten Werte für die Parameter α und φ und die Berechnung der Kostenfunktion J erfolgt in einem Berechnungsmittel 43, z. B. einen Prozessor etc. Das Berechnungsmittel 43 ist als ein Demultiplexer ausgebildet.
In dieser Konfiguration kann auf digitale Filter verzichtet werden, da das Demultiplexen rein analog erfolgt.
4 zeigt in einer graphischen Darstellung die erste Kostenfunktion J₁ (siehe oben) mit unterschiedlichen Eingangssignalen.
4(a) zeigt den reellen Wert der ersten Kostenfunktion J₁ für ein Multiplex-Signal, bei dem auf zwei Kanälen zwei Einzelsignale mit orthogonalen Polarisationen übertragen werden. Die Werte der Kostenfunktion J₁ sind in einem dreidimensionalen Graph dargestellt. Für die Parameterwerte α von ca. 0,4 und φ von ca. 5 (jeweils im Bogenmaß) zeigt sich ein Maximum. Die exakten Parameterwerte des Maximums werden durch den Demultiplexer berechnet und ergeben die Übertragungsmatrix. Das Maximum ergibt sich genau dann, wenn die empfangenen Komponenten mit den korrekten Parametern α und φ gefiltert werden.
Werden auf dem Multiplex-Signal (z. B. zeitweise) nur auf einem Kanal Daten mit einer beliebigen Polarisation übertragen, ergeben sich die in 4(b) dargestellten Werte der Kostenfunktion J₁. Bei den korrekten Parametern ergibt sich ein Minimum der Kostenfunktion J₁ (ca. 0,4 für α, und ca. 5 für φ).
Die Graphen der in den 4(a) und 4(b) dargestellten Kostenfunktion J₁ zeigen zwei Maxima bzw. Minima, da die x- und y-Polarisationen vertauschbar sind. Dieser Zustand kann durch eine einmalige Präambel beim Einschwingen eines Regelkreises des Demultiplexers ausgeschlossen werden. Über die aufgetragenen Intervalle 0 ≤ α < π/2 und 0 ≤ φ < 2π hinaus ist der Wert der Kostenfunktion periodisch.
5 zeigt in einer graphischen Darstellung die zweite Kostenfunktion J₂ (siehe oben) wie in 5 mit unterschiedlichen Eingangssignalen.
Die Ergebnisse bei Verwendung der zweiten Kostenfunktion J₂ sind in den 5(a) und 5(b) analog zu den Darstellungen der 4(a) und 4(b) aufgetragen. Die erhaltenen Ergebnisse sind vergleichbar mit denen der ersten Kostenfunktion J1.
Die zweite Kostenfunktion J₂ kann anstelle der ersten Kostenfunktion J₁ das korrekte Winkelpaar liefern bei stark reduziertem Rechenaufwand. Bei der zweiten Kostenfunktion J₂ können zusätzliche lokale Extrema auftreten bei den Werten α von ca. 0 und α von ca. π/2. Diese lokalen Extrema können durch eine einmalige Präambel beim Einschwingen eines Regelkreises des Demultiplexers aus der Berechnung der korrekten Parameter ausgeschlossen werden.
6 zeigt in einer graphischen Darstellung die beiden Kostenfunktionen J₁ und J₂ für Signale, die auf einer Polarisation übertragen werden, ähnlich der Signale, die in den 4(b) und 5(b) ausgewertet wurden.
6(a) zeigt das Ergebnis einer Untersuchung der ersten Kostenfunktion J₁ (siehe oben), während 6(b) das Ergebnis einer Untersuchung der zweiten Kostenfunktion J₂ (siehe oben) zeigt.
Das Auffinden eines einzigen Extremwerts der jeweiligen Kostenfunktion ist ausreichend, da der zweite Extremwert aufgrund der Vertauschbarkeit der x- und y-Polarisation auftritt. Daher sind die untersuchten Intervalle für die Parameter α und φ entsprechend beschränkt, was den Rechenaufwand weiter verkleinert.
Im rechten Teil der 6(a) sind oben die empfangenen Komponenten r_x und r_y gezeigt. Durch ein Miniumum in der Kostenfunktion J₁ werden die Parameter α und φ angezeigt. Dadurch können die ursprünglich übertragenen Einzelsignale s_x und s_y berechnet werden, die in 6(a) rechts in den unteren beiden Graphen gezeigt sind. Dabei werden über das Einzelsignal s_y unter y-Polarisation keine Daten übertragen, weswegen sich hier nur ein einzelner Punkt im Graph ergibt.
Ähnliches zeigt 6(b) für die zweite Kostenfunktion J₂, bei der auf dem Einzelsignal s_x unter x-Polarisation keine Daten übertragen werden. Die Daten des anderen Einzelsignals s_y können gut ausgelesen werden.
Durch beide Kostenfunktionen J₁ und J₂ gelingt es, den Filter eines Demultiplexers auf die Signalleistung auf einem der Empfängerpfade (x oder y) zu optimieren.
7 zeigt in einer graphischen Darstellung der beiden Kostenfunktionen J₁ und J₂ für verschiedene Mulitplex-Signale, die auf zwei Kanälen Einzelsignale übertragen.
In einem Graph ist jeweils links der Wert der Kostenfunktionen J₁ (vgl. 7(a) links, 7(b) rechts und 7(c) links) bzw. J₂ (vgl. 7(a) rechts, 7(b) links und 7(c) rechts) für Multiplex-Signale aufgetragen, die auf zwei orthogonalen Polarisationen Einzelsignale übertragen.
Die ungefilterten Signale, also die Komponenten r_x und r_y, sind in den oberen Kästen gezeigt und zeigen teilweise starkes Übersprechen, was ein direktes Auslesen erschwert.
Eine Filterung mit dem korrekten Winkelpaar α und φ minimiert das Übersprechen und ergibt die korrekten Einzelsignale s_x und s_y. Die Parameter α und φ können den Maxima der Kostenfunktionen entnommen werden.
Die gezeigten Experimente sowie extensive Simulationen zeigen, dass die Kostenfunktionen J₁ und J₂ unabhängig vom Modulationsformat des Multiplex-Signals verwendet werden können. So wurden die in 7 verwendeten Multiplex-Signale folgendermaßen unterschiedlich gemultiplext.
Die in der linken Spalte gezeigten Multiplex-Signale wurden mit einer Quadratur-Phasen-Umtastung erzeugt. Die in der rechten Spalte gezeigten Multiplex-Signale wurden mit einer 16-Quadratur-Amplituden-Modulation erzeugt.
Des weiteren sind die verwendeten Kostenfunktionen unabhängig von der Impulsform. So wurde das in 7(a) ausgewertete Multiplex-Signal mit rechteckigen Pulsen erzeugt, das in 7(b) ausgewertete mit Raised-Cosine-Pulsen und das in 7(c) ausgewertete mit sinus-cardinalis-förmigen Pulsen in Form einer Spaltfunktion.
Dies zeigt die vielseitige Einsetzbarkeit der Kostenfunktion J₁ und J₂ zur Ermittlung der Parameter der Übertragung.
Bezugszeichenliste

10: Sender
11: Laser
12: Polarisationsstrahlteiler
14: Faser
16: Empfänger
17: Empfängerlaser
18: erster Empfängerpolarisationsstrahlteiler
19: zweiter Empfängerpolarisationsstrahlteiler
20a, 20b, 20c, 20d: Paar differentieller Photodetektoren
21: Demultiplexer
30: Sender
31: Laser
32: Polarisationsstrahlteiler
34: Faser
36: Empfänger
37: Empfängerlaser
38: erster Empfängerpolarisationsstrahlteiler
39: zweiter Empfängerpolarisationsstrahlteiler
40a, 40b, 40c, 40d: Paar differentieller Photodetektoren
42: Polarisationssteller
43: Berechnungsmittel
J: Kostenfunktion
r_x, r_y: Komponente des Multiplex-Signals
s_x, s_y: Einzelsignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8121480 [0006]

Claims

Verfahren zum Demultiplexen eines Multiplex-Signals, wobei ein Multiplex-Signal empfangen wird, das mit zumindest zwei Einzelsignalen (s_x, s_y) auf unterschiedlichen Polarisationen übertragen wird, wobei – zumindest zwei Komponenten (r_x, r_y) des Multiplex-Signals mit unterschiedlichen Polarisationen empfangen werden und – eine Übertragungsabbildung der empfangenen zumindest zwei Komponenten (r_x, r_y) des Multiplex-Signals auf die zumindest zwei Einzelsignale (s_x, s_y) des Multiplex-Signals ermittelt wird, wobei zumindest ein Extremwert einer Kostenfunktion (J₁; J₂) ermittelt wird, die zeitliche Mittelwerte der zumindest zwei Komponenten (r_x, r_y) des Multiplex-Signals auswertet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zeitliche Mittelwerte der Beträge der Komponenten (r_x, r_y) und/oder der Beträge des Realteils und des Imaginärteils der Komponenten (r_x, r_y) ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest ein Extremwert der Kostenfunktion der Form
und/oder der Form
ermittelt wird; wobei α und φ Parameter der Übertragungsabbildung bezeichnen, und r_x und r_y die empfangenen Komponenten des Multiplex-Signals bezeichnen.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Übertragungsabbildung als eine Übertragungsmatrix ausgebildet ist und definiert wird als
wobei α und φ Parameter der Übertragungsmatrix bezeichnen, r_x und r_y die empfangenen Komponenten des Multiplex-Signals bezeichnen, und s_x und s_y die zwei Einzelsignale des Multiplex-Signals bezeichnen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Parameter α und φ der Übertragungsmatrix aus einem Extremwert der Kostenfunktion (J₁; J₂) ermittelt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Einzelsignale (s_x; s_y) des Multiplex-Signals orthogonal polarisiert zueinander übertragen werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Filter trainiert wird, das die Kostenfunktion (J₁; J₂) realisiert.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei keine Ermittlung einer Übertragungstaktung des Demultiplex-Signals durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Demultiplexen eines Multiplex-Signals mit zumindest zwei Einzelsignalen auf unterschiedlichen Polarisationen, mit – einem Empfänger (14; 34) zum Empfangen zumindest zweier Komponenten (r_x, r_y) des Multiplex-Signals mit unterschiedlichen Polarisationen und – einem Demultiplexer (21; 43) zum Ermitteln einer Übertragungsabbildung der empfangenen zumindest zwei Komponenten (r_x, r_y) des Multiplex-Signals auf die zumindest zwei Einzelsignale (s_x, s_y) des Multiplex-Signals, wobei der Demultiplexer (21; 43) dazu ausgebildet und vorgesehen ist, zumindest einen Extremwert einer Kostenfunktion (J₁; J₂) zu ermitteln, die zeitliche Mittelwerte der zumindest zwei Komponenten (r_x, r_y) des Multiplex-Signals auswertet.