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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Filterkette in einem
optischen Nachrichtenübertragungssystem,
in dem Nachrichtensignale in Form von Wellenlängenmultiplexsignalen zwischen
Netzknoten übertragen
werden.
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Jedes
Wellenlängenmultiplexsignal
setzt sich aus einer Vielzahl von Kanälen mit unterschiedlichen Trägerwellenlängen zusammen,
wobei die auf einer optischen Faser zwischen zwei Knoten des Netzes übertragenen
Kanäle
jeweils unterschiedliche Ursprungs- und Zielknoten haben können. Um
diese Kanäle
unabhängig
von einander durch das Netz zu leiten, sind die Knoten jeweils mit
diversen Filtern ausgestattet, mit deren Hilfe es möglich ist,
ein eintreffendes Multiplexsignal in seine einzelnen Kanäle zu zerlegen
bzw. eine Mehrzahl von Kanälen
nach Durchgang durch eine Schaltstation des Knotens zu einem ausgehenden
Multiplexsignal zusammenzufügen.
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Ein
ideales Filter hätte
jeweils eine Transmission von 1 in einem jeweils einem Kanal des
Multiplex entsprechenden Wellenlängenbereich
und eine Transmission von 0 außerhalb
dieses Bereichs. Die in der Praxis existierenden Filter können eine
solche ideale Charakteristik nur mehr oder weniger genau approximieren.
Ein einfacher Filtertyp ist unter der Bezeichnung Gaussfilter bekannt;
seine Transferfunktion hat, ausgedrückt in dB als Funktion der
Frequenz, im Durchgangsband und seiner Umgebung im Wesentlichen
den Verlauf einer Gausskurve. Die 3dB-Bandbreite dieser Gausskurve,
d. h. die Breite des Durchgangsbandes, ist festgelegt durch die
Notwendigkeit einerseits einer möglichst
vollständigen und
verzerrungsfreien Transmission des interessierenden Kanals und andererseits
einer möglichst
vollständigen
Unterdrückung
von Kanälen
mit benachbarten Wellenlängen.
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Die
Transferfunktion einer Reihenanordnung von mehreren Gaussfiltern
entspricht der Summe der Transferfunktionen der einzelnen Filter;
je mehr Filter hintereinander geschaltet sind, um so geringer ist
die Bandbreite der Gesamtanordnung. Wenn ein Kanal auf seinem Weg
durch das Netzwerk eine Mehrzahl von Gaussfiltern durchläuft, so
kann die Bandbreite ihrer kumulierten Transferfunktionen deutlich
kleiner sein als die des Kanals, was zu einer erheblichen Verzerrung
des Nachrichtensignals bis hin zur Unbrauchbarkeit führen kann.
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Aus
diesem Grunde ist man üblicherweise bestrebt,
Filter mit Gausscharakteristik in einem optischen Nachrichtennetz
zu vermeiden und statt dessen sogenannte Flat-Top-Filter zu verwenden,
deren Transferfunktion die ideale Rechteckcharakteristik besser
approximiert. Die Transferfunktion eines solchen Flat-Top-Filters
umfasst ein jeweils auf den auszufilternden Kanal zentriertes Nutzband,
das Nutzband umgebende Randzonen, in denen die Transmission sogar
geringfügig
höher ist
als im Nutzband, und jenseits dieser Randzonen Sperrbereiche, in
denen die Transmission steiler abfällt als bei einem Gaussfilter.
Aufgrund dieses steilen Abfalls ist die Verringerung der Bandbreite
bei Hintereinanderschaltung mehrerer Flat-Top-Filter deutlich kleiner
als bei Gaussfiltern, was sie a priori für die Verwendung in optischen
Nachrichtennetzen als besser geeignet erscheinen lässt. Zu
Problemen führt
hier allerdings die Transmissionsüberhöhung in den Randzonen, die
bei Hintereinanderschaltung einer größeren Zahl von Filtern ebenfalls
zu Signalverzerrungen führen kann.
Daher sollte der ideale Flat-Top-Filter möglichst ein Nutzband mit einer
der Bandbreite des Nachrichtenkanals entsprechenden Breite, möglichst schmale
Randzonen und eine möglichst
geringe Überhöhung in
den Randzonen haben. Je strenger jedoch die Anforderungen an diese
Parameter werden, um so aufwändiger
und kostspieliger ist die Realisierung der Filter und folglich auch
der Netzkomponenten, die diese Filter verwenden.
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Aufgabe
der Erfindung ist daher, eine Filterkette für ein optisches Wellenlängenmultiplex-Übertragungsnetzwerk
anzugeben, die mit einfachen, preiswerten Filtern eine gute Transmissionscharakteristik
realisiert.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Filterkette mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Durch
Kombination der verschiedenen Filtertypen wird die störende Transmissionsüberhöhung in den
Randzonen der Flat-Top-Filter vermieden. Als das zweite Filter kann
ein einfaches Gaussfilter verwendet werden.
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Unabhängig vom
Typ des zweiten Filters ist es stets möglich, die Zahl der Flat-Top-Filter
so zu wählen,
dass der Betrag der Differenz zwischen der Transmission im Nutzband
und in einer der Randzonen für
die gesamte Filterkette nicht größer ist
als für einen
ihrer Flat-Top-Filter. D.h. eine Verbesserung der Transmissionscharakteristik
ist in der Filterkette in jedem Fall möglich, sofern die Transmission
des zweiten Filters in den Randzonen nur geringer als in der Mitte
des Nutzbandes ist.
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Insbesondere
wenn das zweite Filter eine Gausscharakteristik hat, ist der Betrag
der Transmissionsdifferenzen zwischen der Mitte des Nutzbandes und
den Randzonen bei gleicher Breite des Durchgangsbandes bei dem zweiten
Filter etwa drei Mal so groß wie
bei einem Flat-Top-Filter, so dass eine ausgezeichnete Transmissionscharakteristik
realisierbar ist, wenn das zweite Filter mit drei Flat-Top-Filtern in Reihe
kombiniert ist.
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Eine
Gesamtzahl von vier Filtern für
die gesamte Filterkette ist auch insofern sehr günstig, als sich mit einer solchen
Zahl von Filtern eine vollständige Übertragungsstrecke
realisieren lässt,
die in an sich bekannter Weise als die vier Filter einen Verschachteler,
einen Entschachteler, einen Multiplexer und einen Demultiplexer
umfasst.
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Eine
solche Übertragungsstrecke
kann jeweils durch eine optische Übertragungsfaser für ein Wellenlängenmultiplexsignal
sowie einen Multiplexer und einen Verschachteler an ihrem Eingang
sowie einen Entschachteler und Demultiplexer an ihrem Ausgang gebildet
sein. Als Übertragungsstrecke
im Sinne der Erfindung kann aber auch der Übertragungsweg von einem Eingang
eines Netzknotens über
Entschachteler und Demultiplexer zu einer Schaltmatrix und von dort über Multiplexer
und Verschachteler zu einem Ausgang des Knotens aufgefasst werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 eine
Architektur eines optischen Übertragungsnetzes
mit Filtern und Übertragungsstrecken
gemäß der Erfindung;
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2 eine
Transferkurve eines Flat-Top-Filters;
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3 eine
Transferkurve eines Gaussfilters mit gleicher Bandbreite; und
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4 die
Transferkurve einer Reihenschaltung von drei Flat-Top-Filtern mit
einem Gaussfilter.
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1 zeigt
schematisch ein optisches Telekommunikationsnetz, in dem die vorliegende
Erfindung angewendet ist. Das Netz umfasst eine Mehrzahl von Knoten 1, 2, 3,
die jeweils durch optische Übertragungsfasern 4 verbunden
sind. In die Fasern 4 sind in regelmäßigen Abständen nach Bedarf Zwischenverstärker 5 eingefügt, hier
in Form von Baueinheiten aus einem Vorverstärker 6, einem Dispersionskompensator 7 und
einem Nachverstärker 8,
die jeweils von dem vollständigen
aus der Faser 4 sich ausbreitenden Wellenlängenmultiplexsignal
durchlaufen werden.
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Ein
typischer Knoten des Netzes wie etwa der Knoten 2 hat eine
Mehrzahl von Eingängen 9,
die ein Wellenlängenmultiplexsignal
von einer Faser 4 empfangen. An jedem dieser Eingänge 9 ist
ein Entschachteler oder De-Interleaver 10 angeschlossen, der
dazu dient, das optische Wellenlängenmultiplexsignal,
das eine Vielzahl von in einem gleichmäßigen Frequenzabstand zueinander
angeordneten und entsprechend ihrer Frequenz durchnummerierten Trägerkanälen umfasst,
in zwei Teilmultiplexsignale zu zerlegen, von denen das eine die
ungeradzahlig nummerierten und das andere die geradzahlig nummerierten
Trägerwellenlängen des
ursprünglichen eintreffenden
Wellenlängenmultiplexsignals
umfasst. Der Entschachteler 10 hat also zwei Durchgangswege,
von denen jeder eine in etwa kammförmige Transferfunktion hat,
und wobei die Durchgangsbänder
der einen Transferfunktion jeweils mit Sperrbereichen der anderen übereinfallen.
Der Entschachteler 10 bildet so ein erstes optisches Fil ter,
das in Abhängigkeit
vom genauen Verlauf der Transferfunktion in einem Durchgangsband
die Form des der Trägerwelle
in diesem Durchgangsband aufmodulierten Nachrichtensignals beeinflussen
kann.
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Die
zwei Ausgänge
jedes Entschachtelers 10 führen zu zwei Demultiplexern 11,
von denen nur einer in der Figur dargestellt ist. Der Demultiplexer 11 zerlegt
das ihm zugeführte
Teilmultiplexsignal in die einzelnen Trägerwellen, aus denen es zusammengesetzt
ist, und führt
jede von diesen einem eigenen Eingang einer Schaltmatrix 12 zu.
Der Demultiplexer 11 wird so für jede Trägerwellenlänge als ein weiteres Filter.
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Die
in der Schaltmatrix 12 vermittelten, eventuell auf andere
Trägerwellenlängen umgesetzte Nachrichtensignale
werden von an die Ausgänge
der Schaltmatrix 12 angeschlossenen Multiplexern 13 in geradzahlige
oder ungeradzahlige Teilmultiplexsignale zusammengefügt. Mit
dem Durchgang durch den Multiplexer 13 ist wie mit dem
Durchgang durch den Demultiplexer 11 jeweils eine Filterung
der einzelnen Trägerwellen
verbunden.
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Jeweils
zwei Multiplexer 13 (von denen in der Figur nur einer dargestellt
ist) sind über
einen Verschachteler oder Interleaver 14 mit einem gleichen Ausgang 15 verbunden, über den
das vom Verschachteler 14 aus den zwei Teilmultiplexsignalen der
Multiplexer 13 zusammengesetzte vollständige Wellenlängenmultiplexsignal
auf Ausgangsfaser 4 gegeben wird. Auch der Verschachteler 14,
der das symmetrische Gegenstück
zum Entschachteler 10 dar stellt, hat für jede einzelne Trägerwellenlänge die Funktion
eines Filters. Der Durchgang durch den Knoten 2 kann also
für jede
einzelne Trägerwellenlänge mit
einer vierfachen Filterung gleichgesetzt werden.
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Wenigstens
an einen Teil der Knoten des Netzes, hier die Knoten 1 und 3,
sind Transponder 16, 17 angeschlossen, die als
Quelle bzw. Senke für ein
Nachrichtensignal dienen. Die Nachrichtenübertragung zwischen den Transpondern
erfolgt üblicherweise
bidirektional, doch genügt
es zum Verständnis der
vorliegenden Erfindung, nur eine unidirektionale Übertragung
vom Transponder 16 des Knotens 1 zum Transponder 17 des
Knotens 3 zu betrachten, weswegen die Transponder 16, 17 im
Folgenden als Sender- bzw. Empfängertransponder
bezeichnet werden.
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1 zeigt
der Einfachheit halber den Sendertransponder 16 direkt
an dem Multiplexer 13 des Knotens 1 angeschlossen,
doch könnte
selbstverständlich
das optische Ausgangssignal des Transponders 16 vor Erreichen
des Multiplexers 13 noch in einer Schaltmatrix 12 dieses
Knotens vermittelt werden. Entsprechend könnte auch beim Knoten 3 die Schaltmatrix
zwischen dem Demultiplexer 11 und dem Empfängertransponder 17 angeordnet
sein.
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Der
Weg eines Nachrichtensignals vom Sendertransponder 16 zum
Empfängertransponder 17 kann
in eine Mehrzahl von Etappen gegliedert werden, die sich jeweils
zwischen Schaltmatrizen 12 be nachbarter Knoten (bzw. zwischen
einem Transponder 16 oder 17 und einer Schaltmatrix 12 eines
benachbarten Knotens) erstrecken. Jede dieser Etappen enthält mit Multiplexer 13 und
Verschachteler 14 eines ersten Knotens sowie Entschachteler 10 und Demultiplexer 11 desselben
oder eines benachbarten Knotens vier in Reihe geschaltete Filter.
Es sind unterschiedliche Typen von Transfercharakteristiken solcher
Filter bekannt.
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2 zeigt
einen typischen Verlauf einer Charakteristik eines so genannten
Flat-Top-Filters. Die Charakteristik ist in dem Diagramm aufgetragen als
Transmission T in dB als Funktion der Frequenz f, wobei für das Transmissionsmaximum
ein Wert von 0 dB gesetzt ist. Die Transmissionskurve hat einen zentralen
Bereich, als Nutzband 21 bezeichnet, in dem die Transmission
hoch und nahezu frequenzunabhängig,
aber nicht maximal ist. Der maximale Wert der Transmission wird
in das Nutzband 21 umgebenden Randbereichen 22 erreicht.
Jenseits vom Transmissionsmaximum nimmt die Transmission mit zunehmendem
Abstand von Nutzband 21 schnell ab. Der schnelle Abfall
der Transmission ermöglicht
eine saubere Trennung der einzelnen Trägerwellenlängen voneinander, doch kann
die Tatsache, dass die Transmission in den Randbereichen 22 höher ist
als im eigentlichen Nutzband 21, zu einer Verzerrung der dem
Träger
aufmodulierten Nachrichtensignale führen, wenn eine Mehrzahl von
Flat-Top-Filtern in Reihe geschaltet ist.
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Bei
einer gaussförmigen
Transfercharakteristik, wie in 3 dargestellt,
befindet sich das Maxi mum der Transmission in der Mitte des Durchgangsbereichs,
und von diesem Maximum aus nimmt die Transmission zu beiden Seiten
hin ab. Dabei ist der Abfall der Transmission weniger stark als
bei einem Flat-Top-Filter mit gleicher 3 dB-Bandbreite. Werden mehrere Filter dieses
Typs hintereinander geschaltet, so nimmt mit steigender Zahl der
Filter die 3 dB-Bandbreite immer weiter ab, wenn sie kleiner wird
als die Datenrate des auf der betreffenden Trägerwellenlänge beförderten Nachrichtensignals,
wird dieses durch die Filterung zum Teil unterdrückt und unbrauchbar.
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Die
ideale Transferfunktion, um eine Beeinträchtigung des Nachrichtensignals
zu vermeiden, wäre
eine Rechteckfunktion; Filter mit einer solchen Transferfunktion
könnten
in beliebiger Zahl hintereinander geschaltet werden, ohne das Nachrichtensignal
zu beeinträchtigen.
Anstatt zu versuchen, die Transferfunktion jedes einzelnen Filters
so weit wie möglich
an diese Idealform anzunähern,
setzt die vorliegende Erfindung an deren Reihenschaltung an, indem
ein oder mehrere Flat-Top-Filter
mit einem Gaussfilter in Reihe kombiniert werden, welches die überhöhte Transmission
der Flat-Top-Filter in den Randbereichen 22 durch seine
von der Mitte des Nutzbandes zu den Rändern hin kontinuierlich abnehmende
Transferfunktion kompensiert. Da bei den gängigen Flat-Top-Filtern die
Differenz zwischen der Transmission im Nutzband 21 und
dem Maximum in den Randbereichen 22 etwa ein Drittel so
groß ist
wie die Differenz zwischen der Transmission in der Mitte des Nutzbandes
und in den Randbereichen bei einem Gaussfilter mit glei cher 3 dB-Bandbreite,
kann eine Transferfunktion, die die ideale Rechteckform gut annähert, einfach
dadurch erhalten werden, dass drei Flat-Top-Filter mit einem Gaussfilter
in Reihe kombiniert werden. D.h. in einem Netzknoten wie dem Knoten 2 haben
von den vier filterartigen Komponenten Entschachteler 10,
Demultiplexer 11, Multiplexer 13 und Verschachteler 14 jeweils
drei eine Flat-Top-Transferfunktion
und die vierte eine Gauss-Transferfunktion.
Welche der vier Filterkomponenten mit Gauss-Transferfunktion realisiert
wird, ist ohne Belang.
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4 zeigt
als durchgezogene Linie die Transferfunktion, die aus der Reihenschaltung
von drei Flat-Top-Filtern mit der Transferfunktion der 2 und
einem Gaussfilter mit der Transferfunktion der 3 resultiert.
Dabei sind die Transferfunktionen der 3 in 4 als
gestrichelte Kurve 24 eingetragen, und eine strichpunktierte
Kurve 25 gibt den Verlauf der Transferfunktion für eine Reihenschaltung
von drei Flat-Top-Filtern des in 2 gezeigten Typs
an. Bei der in 4 gezeigten resultierenden Transferkurve 26 sind
wie im Fall der 2 Maxima der Transmission in
das Nutzband umgebenden Randbereichen zu erkennen, doch ist das
Nutzband, in dem die Transmission praktisch von der Wellenlänge unabhängig ist,
etwas breiter als bei dem einzelnen Filter der 2,
und die Differenz zwischen den Transmissionswerten in der Mitte
des Nutzbandes einerseits und den Randbereichen andererseits ist
im Vergleich zum Fall der 2 verringert.
Wenn die Überhöhung der
Transmission in den Randbereichen bei dem einen Flat-Top-Filter
gemäß 2 geringfügig kleiner
wäre, könnte sie
in der Transferfunktion der Reihenschaltung in 4 auch
vollständig
verschwinden.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf den Fall beschränkt, dass die Transmissionsdifferenz zwischen
der Mitte des Nutzbandes und den Randbereichen bei den Flat-Top-Filtern
nur ein Drittel derjenigen beim Gaussfilter beträgt. Wenn beispielsweise Flat-Top-Filter
verwendet werden, bei denen diese Differenz kleiner ist, wäre eine
Kompensation dieser Differenz ohne weiteres zu erreichen, indem
jeweils eine größere Zahl
von Flat-Top-Filtern
mit einem Gaussfilter in Reihe geschaltet wird. Dies hätte jedoch
den Nachteil, dass die Filter einer solchen Reihenschaltung sich
auf mehrere Netzknoten verteilen müssten, was den Aufbau des Netzes
verkomplizieren würde.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung angenommene Differenz hat
den Vorteil, dass die Zahl der zu kombinierenden Filter jeweils
vier beträgt,
so dass in jedem Netzknoten 1, 2 oder 3 die gleiche
Komponente 10, 11, 13 oder 14 als
Gaussfilter ausgewählt
werden kann und alle Netzknoten einen einheitlichen Aufbau haben
können.