DE1935092A1 - Verfahren und Einrichtung zur UEbertragung von Nachrichtensignalen - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur UEbertragung von Nachrichtensignalen

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DE1935092A1 DE19691935092 DE1935092A DE1935092A1 DE 1935092 A1 DE1935092 A1 DE 1935092A1 DE 19691935092 DE19691935092 DE 19691935092 DE 1935092 A DE1935092 A DE 1935092A DE 1935092 A1 DE1935092 A1 DE 1935092A1
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B10/11Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/112Line-of-sight transmission over an extended range
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  • Optical Communication System (AREA)

Description

  • Verfahren und Einrichtung zur Übertragung von Nachrichtensignalen-(Zusatz zu Fatent . ... ... (Amtl.Aktz. P 1 901 625.2 (PA 69/9201)) Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur thertragung von Nachrichtensignalen in der Atmosphäre, bei dem die Modulationssignale als Trägerschwingungen dienenden Laserstrahlen aufmoduliert sind, insbesondere in Form einer Amplitudenmodulation. Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Bei der Ausbreitung von Laserstrahlen in der Atmosphäre oder in Wellenleitern mit hinsichtlich der Störungen nlichen Verhältnissen zeigt sich, daß zum Teil ganz erheb liche, zeitlich meist stark veränderliche Absorptionen im Übertragungsweg auftreten. Die Ursachen hierfür dürften in Turbulenzen der Atmospäre, der Anwesenheit von Aerosolteilchen und dergleichen zu sehen sein. Die zwischenzeitlich festgestellt wurde und beispielsweise in "IEEE Journal of Quantum Electronics" Vol. OE-3, Nr.11, Nov.1967, Seiten 540 bis 543, beschrieben, handelt es sich bei diesen Effekten praktisch durchweg um solche, die Intensitätsschwankungen verursachen, ohne den Polarisationszustand der Laserstrahlen zu beeinflussen.
  • Ähnliche Effekte einen auch durch den Laser selbst verursacht sein, vor allem, wenn es sich um Gaslaser handelt. Für Gaslaser ist' nämlich zwischenzeitlich bekannt, daß diese infolge von Gasentladungseffekten keinen zeitlich konstanten, sondern einen mit einem Rauschsignal leicht amplitudenmodulierten Strahl abgeben. Derartige Störungen bedingen zwar nicht die starken Dämpfungseinbrüche, wie atmosphärische Störungen, sind aber eine Ursache für eine wesentliche Verschlechterung des Verhältnisses von Signalleistung zu Geräuschleistung am Ausgang des Ubertragungssystems.
  • Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten bei der Nachrichtenübertragung mit Laserstrahlen wird im Hauptpatent u.a. vorgeschlagen, den als Trägerschwingung für das Modulationssignal vorgesehenen Laserstrahl sendeseitig in Form von zwei in der Polarisation unterscheidbaren Teilstrahlen, vorzugsweise in Form von zlsei linear polarisierten Teilstrahlen, mit zueinander normal stehenden Schwingungsrichtungen zu erzeugen und hierbei das zu übertragende Modulationssignal sendeseitig den beiden Teilstrahlen gegensinnig aufzumodulieren und empfangsseitig durch Bilden des Verhältnisses aus den beiden Teilstrahlen zurückzugewinnen.
  • Dieser Vorschlag gründet sich auf die in der einleitend genannten Literaturstelle beschriebene Tatsache, daß der Polarisationszustand der übertragenen Laserstrahlen im Über tragungsweg praktisch nicht störend beeinflußt wird.
  • Bei großer Aussteuerung der Teilstrahlen durch das Modulationssignal treten insbesondere bei Amplitudenmodulation nichtlineare Verzerrungen auf. Diese Verzerrungen lassen sich grundsätzlich durch eine geeignete Vorverzerrung und/oder eine Nachentzerrung begegnen, die auf den elektrischen Obertragungsabschnitt, auf der Sendeseite und/oder auf der Empfangsseite zu beschränken ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,eine besonders wirkungsvolle Mglichkeit zur Unterdrückung der bei großer Aus steuerung der Teilstralllen durch das Modulationssignal auftretenden nicijtlinearen Verzerrungen anzugeben.
  • Ausgehend von einem Vcrfahren zur Übertragung von Nachrichtensignalen in der Atmosphäre, bei dem die Modulationssignale als Tr<gerschwingungen dienenden Laserstrahlen in Form einei Amplitudenmodulation aufmoduliert sind, bei dem ferner der als Trägerschwingung für das Modulationssignal vorgesehene Laserstralll sendeseitig in Form von zwei in der Polarisation unterscheidbaren Teilstrahlen, vorzugsweise in Form von zwei linear polarisierten Teilstrahlen, mit zueinangler normal stehenden Schwingungsrichtungen erzeugt wird, und bei dem das zu übertragende Modulationssignal sendeseitig den beiden Teilstrahlen gegensinnig aufmoduliert und empfangsseitig durch Bilden des Verhältnisses aus den beiden Teilstrahlen zurückgewonnen wird, nach Patent . ... ...
  • (P 1 901 625.2), wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die empfangsseitige Verhältnisbildung der teiden Teilstrahlen mittelbar durch Bilden des Verhältnisses aus der Differenz und der Summe der beiden Teilstrahlen herbeigeführt wird.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die unerwünschten nichtlinearen Verzerrungen vollständig von dem am Ausgang des Verhältnisbilders zurückgewonnenen Modulationssignal abtrennen, d.h. eliminieren lassen, wenn anstelle einer unmittelbaren Verhkltnisbildung der beiden Teilstrahlen eine mittelbare Verhältnisbildung der angegebenen Art vorgenommen wird.
  • Besonders einfach gestalten sich die Verhältnisse, wenn zur Rückgewinnung des Modulationssignals empfangsseitig das Verhältnis aus der Differenz der beiden Teilstrahlen zur Summe der beiden Teilstrahlen gebildet wird.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung werden sendeseitig die Teilstrahlen vom Modulationssignal gegensinnig in ihrer Intensität moduliert. Empfangsseitig wird dann die Demodulation mit quadratischer Kennlinie vorgenommen.
  • Eine besonders zweckmäßige empfangsseitige Einrichtung zur DurchfUhrung des Verfahrens besteht darin, daß der optische Eingang der empfangsseitigen Einrichtung von einer den ankommenden Summenstrahl in Teilstrahlen aufteilenden Polarisationsvreiche gebildet ist, deren beiden optischen Ausgänge mit elektrooptischen Wandlern verbunden sind. In diesem Falle ist an die elektrischen Ausgänge der beiden Wandler ein Auswerter angeschaltet, der hierbei-aus enigstens einem Summen- und einem Differenzverstärker und einem Verhältnisbilder, vorzugsweise einem Quotientenverstärker, besteht, der mit seinen beiden Eingängen an die Ausgänge des Summen- und Differenzverstärkers angeschlossen ist.
  • Die Anschaltung des Auswerters an die Wandler ist in der Weise vorgenommen, daß der Summen- und der Differenzverstärker jeweils mit einem ihrer beiden Eingänge mit den elektrischen Ausgängen der beiden Wandler in Verbindung stehen.
  • Im Interesse einer möglichst vollständigen Unterdrückung der nichtlinearen Verzerrungen ist es sinnvoll, die empfangsseitige Einrichtung so zu bemessen, daß die optischen bzw.
  • elektrischen Längen der getrennten Übertragungswege zwischen dem Eingang der Polarisationsweiche und dem Ausgang des Verhältnisbilders wenigstens annähernd gleich groß sind.
  • Auf diese Weise werden nämlich Phasenfehler zwischen den beiden ins Verhältnis zu setzenden Größen sowie bei der Summen- und bei der Differenzildung der beiden in elektrische Größen umgesetzten Teil strahlen unterbunden, was für die Verzerrungsfreie Rückgewinnung des übertragenen Modualtionssignals bedeutsam ist.
  • An Kand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten Fig. la und ib Vektorschaubilder eines zirkular bzw. elliptisch polarisierten Summenstrahls, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Übertragungsanordnung, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für die empfangsseitige Verhältnisbildung nach der Erfindung.
  • Das in Fig. la dargestellte Vektorschaubild stellt die Schwingungsrichtungen von zwei senkrecht aufeinander stehenden linear polarisierten Teilstrahlen S1 und S2 dar, die gleiche Amplitude aufweisen, jedoch einen gegenseitigen Phasenunterschied von #/2 haben. Der aus den beiden Teilstrahlen S1 uns S2 resultierende Summenstrahl RS stellt einen zirkular polarisierten Strahl dar.
  • Das der Fig. la entsprechende Vektorschaubild nach Fig. Ib stellt den Fall der beiden Teilstrahlen S1 und S2 nach Fig. la dar, in dem diese, hier mit Sim und S2m bezeichneten Teilstrahlen von einen Modulationssignal gegensinnig in ihrer Amplitude bzw. ihrer Intensität moduliert sind. Der modulierte Summenstrahl RSm ist hier ein elliptisch polarisierter Summenstrahl mit den ihn charakterisierenden, in das Vektorschaubild eingetragenen Ellipsen. Bei dieser Aussteuerung schwankt der Polarisationszustand zwischen den beiden aufeinander senkrecht stehenden, diesen Polarisationszustand charakterisierenden Ellipsen, wobei dazwischen immer der zirkulare Zustand durchlaufen wird. Die Ellipsen müssen das eingezeichnete Quadrat stets an vier Punkten berühren. Im Extremfall kann hier die lineare Polaristation mit horizontaler oder vertikaler Schwingungsrichtung auftreten. Das Modulationssignal ist durch das Verhältnis der Hauptachsen der Ellipsen bestimmt.
  • Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Einrichtung zur Nachrichtenübertragung wird von einem zirkular polarisierten Laserstrahl Gebrauch gemacht. Der mit L bezeichnete Laser liefert einen linear polarisierten Strahl. Zur Erzeugung eines zirkular polarisierten Strahles ist dem Laser L eine/4-Platte nachgeschaltet (mit /4 bezeichnet). Ferner ist hier auf der Sendeseite im Strahl lengang des Lasers L mit seiner optischen Achse parallel zum Laserstrahl ein KDP-Kristall K angeordnet, auf den ein von einer Modulationseinrichtung M gesteuerters elektrisches Feld parallel zur optischen Achse einwirkt. Das Modulationssignal Sig wird an den Eingang E der Modulationseinrichtung M gelegt. Der RDP-Kristall K moduliert die beiden Teilstrahlen S1 und S2 nach Fig. la entsprechend dem Vektorschaubild nach Fig. ib in Abhärigigkeit des llodulationssignals Sig gegensinnig in ihrer Intensität. Auf der @mpfangsseite wrd der modulierte Summenstrahl einer entsprech@nd angeordneten Polarisationsweiche PW zugeführt, die den elliptisch polarisierten Summenstrahl in zwei linear polarisierte Teilstrahlen aufspaltet, und zwar derart, daß die S@hwingungsrichtungen dieser Teilstrahlen parallel zu den Hauptachsen der Ellipse liegen. Um den räumlichen Abstand zwischen den durch die Polarisationsweiche PW voneinander getrennten Teilstrahlen zu vergrößern,werden die Teilstrahlen zunächst einem aus den Spiegeln s1, s1' und s2, s2' bestehenden Ablenksystem und anschließend den beiden elektrooptischen Wandlern Wl und W2 zugeführt. Lassen sich keine optisch gleichen Weglängen für die beiden Teilstrahlen zwischen der Polarisationsweiche und den Wandlern verwirklichen, dann mul3 zumindest hinter dem elektrischen Ausgang eines der beiden Wandler zur Vermeidung von Laufzeitunterschieden eine entsprechend bemessene elektrische Verzögerungsleitung eingeschaltet werden. Die als Detektoren aufzufassenden optoelektronischen Wandler WI und W2 haben quadratische Kennlinien und liefern die aus den optischen Eingangssignalen gearonnenen ausgangsseitigen elektrischen Signale an die Eingänge des Auswerter AW, der die erfindungsgemäße Verhältnisbildung herbei fährt und an dessen Ausgang A das ursprüngliche unverzerrte Modulationssignal Sig als Signal Sig' abgenommen werden kann.
  • In Fig. 3 ist in Ergänzung von Fig. 2 der Auswerter AW in seiner prinzipiellen Schaltungsaufbau dargestellt. Er besteht aus einem Differenzverstärker DV, einem Summenverstärker 5V und einem den Ausgängen des Differenzverstärkers und des Summenverstärkers nachgeschalteten, einen Quotientenverstärker darstellenden Verhältnisbilder VB, an dessen Ausgang A das zurückgewonnene Modulationssignal ansteht. Wie Fig. 3 erkennen läßt, ist der eine Eingang des Summenverstärkers SV mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Differenzverstärkers zum einen und der andere Ausgang des Summenverstärkers mit dem invertierenden Eingang (-) des Differenzverstärkers zum anderen Eingang des Auswerters AW vereinigt. Hierbei ist der eine Eingang an den elektrischen Ausgang des Wandlers W1 und der andere Eingang an den elektrischen Ausgang des Wandlers W2 angeschaltet. Die an den optischen Eingängen der Wandler anstehenden optischen Teilstrahlen Sim und S2m werden somit nach ihrer Umwandlun; in elektrische Signale jeweils einem der beiden Eingänge des Summenverstärkers und des Differenzverstärkers zugeführt. Am Ausgang des Differenzverstärkers DV tritt alsdann die Differenz aus den elektrischen Größen der beiden Teilstrahlen u (t) und am Ausgang des Summenverstärkers SV die Summe der elektrischen Größen der beiden Teilstrahlen u+ (t) auf. Im Verhältnisbilder VB wird alsdann das Verhältnis aus u (t) zu u+ (t) gebildet, dessen Ergebnis das unverzerrte sendeseitige I4odulationssignal in Form der Spannung u(t) ist.
  • Zum besseren Verständnis soll die Wirkungsweise des erfindungsgeräßen Auswerters AW nach Fig. 3 an Hand einer mathematischen Betrachtung noch näher erläutert werden Werden die Intensitäten der beiden Teilstrahlen S1m und S2m mit Ii und 12 bezeichnet, die dabei beide Funktionen der Zeit t sind, und zieren die Intensitäten dieser beiden Teilstrahlen in der Weise vom Nachrichtensignal beeinflußt, daß ihre Summe konstant blcibt (gegensinnige Intensitätsmodulation) dann gilt
    I1(t) = Io/2 (1 + f(t))
    I2(t) = Io/2 (1 - f(t)) (1a)
    Hierin bedeutet f(t) das zu übertragende, das Nodulationssignal darstellende Nachrichtensignal.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß bei elektrooptischen Modulatoren in den oben angegebenen Gleichungen (1a) anstelle von f(t) die Funktion sin # (t) steht, wobei #(t) proportional dem Nachrichtensignal ist (sinusförmige Modulationskennlinie). Für die hier durchzuführende mathematische Betrachtung wird jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit die Funktion f(t) verwendet.
  • Am Empfangsort treffen die beiden Teilstrahlen mit aufgeprägter Störmodulation ein, d.h. ihre Intensitäten I1'(t) und I2'(t) sind nunmehr durch die Gleichungen
    I1'(t) = Io/2 (1 + f(t)) g(t)
    I2'(t) = Io/2 (1 - f(t)) g(t) (1b)
    bestimmt. Hierin bedeutet g(t) die Störmodulation.
  • Werden die beiden Teilstrahlen, wie das beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 der Fall ist, von elektrooptischen Wandlern mit quadratischer Kennlinie in elektrische Signale umgewandelt, dann wäre die Ausgangsspannung uA für den Fall, daß der Auswerter unmittelbar das Verhältnis aus den beiden, die Teilstrahlen darstellenden elektrischen Signalen bildet, durch die Gleichung uA # 1 + f(t)/1 - f(t) (2) gegeben.
  • Die Ausgangsspannung uA ist demnach nur dann der Funktion f(t) proportional, wenn f(t)«1 ist. In diesem Falle vereinfacht sich die Gleichung (2) in UA 1 + 2f(t) (3) Ist diese Voraussetzung nicht gegeben, d.h, wird der als Träger verwendete Laserstrahl vom Modulationssignal in höherem Maße ausgesteuert, dann treten am Ausgang A des Auswerter neben dem eigentlichen Nachrichtensignal auch noch nichtlineare Komponenten auf.
  • Die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Ausbildung des Auswerters AW vermeidet diese Verzerrungen. Die an den gleichartigen elektrooptischen Wandlern W1 und W2 ausgangsseitig auftretenden elektrischen Signale der Teilstrahlen mit den Intensitäten I1' und I2' nach den Gleichungen (1b) werden zunächst im Summenverstärker SV und im Differenzverstärker DV zu einem Summen- und einem Differenzsignal u+(t) und u (t) zusammengefaßt. Hierbei stellt sich das Differenzsignal durch die Gleichung
    u~(t) = k #I1'(t) - I2'(t)# = kI0f(t)g(t) (4)
    und das Summensignal durch die Gleichung
    u+(t) = k #I1'(t) + I2'(t)# = kI0g(t) (5)
    dar. Die Größe k ist hier eine die Wandler charakterisierendc- Konstante.
  • Die auf diese Weise gewonnenen Summen- und Differenzsignale aus den beiden ursprünglichen Teilstrahlen S1m und S2m werden nun dem Verhältnisbilder VB nach Fig. 3 zugeführt, der hieraus das Ausgangssignal @~@@@ @@@@@@@@@@@ u(t) # = = f(t) (6) u+(t) kI0g(t) @i@det.
  • Wie die G eichung (6) zeigt, tritt nunmehr das gewünschte übertragene Nachrichtensignal in Form der Funktion f(t) unverzerrt an 4usgang A des Auswerters AW auf, da die erfindungsgemäße mittelbare Verhä.ltnisbildung der beiden Teilstrahlen die Störmodulation g(t) kompensiert.
  • Wie die Gleidiungen (4) und (5) ferner erkennen lassen, enthält einerseits das Differenzsignal u (t) nur die Nachrichtenfunktion f(t) und andererseits das Summensignal u+(t) nur die atmosphärische Störmodulation g(t). Unter den meist zu erwartenden Bedingungen besitzt die Funktion g(t) ein weitgehend beschränktes Spektrum, deren obere Grenzfrequenz bei ca. 1 kHz liegt, während die das Nachrichtensignal darstellende Funktion f(t) ein sehr großes Frequenzband aufweisen kann. Hieraus ergibt sich für den Verhältnisbilder der Vorteil, daß nur ein Eingang für einen großen Frequenzbereich ausgelegt werden muß.
  • 5 Patentansprüche 3 Figuren

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Übertragung von Nachrichtensignalen in der Atmosphäre, bei dem die Modulationssignale als Trägerschwingungen dienenden Laserstrahlen in Form einer Amplitudenmodulation aufmoduliert sind, bei dem ferner der als Trägerschwingung für das Modulationssignal vorgesehene Laserstrahl sendeseitig in Form von zwei in der Polarisation unterscheidbaren Teilstrahlen, vorzugsweise in Form von zwei linear polarisierten Teilstrahlen mit zueinander normal stehenden Schwingungsrichtungen, erzeugt wird, und bei dem das zu übertragende Modulationssignal sendeseitig den beiden Teilstrahlen gegensinnig aufmoduliert und empfangsseitig durch Bilden des Verhältnisses aus den beiden Teilstrahlen zurückgewonnen wird, nach Patent . ... ... (P 1 901 625.2), dadurch gekennzeichnet, daß die empfangsseitige Verhältnisbildung der beiden Teilstrahlen mittelbar durch Bilden des Verhältnisses aus der Differenz und der Summe der beiden Teilstrahlen herbeigeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig das Verhältnis aus der Differenz der beiden -Teilstrahlen zur Summe der beiden Teilstrahlen gebildet wird.
  3. 3. Vcrfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlen vom Modulationssignal gegensinnig in ihrer Intensität moduliert werden und daß empfangsseitig die Demodulation mit quadratischer Kennlinie vorgenommen wird.
  4. 4. Empfangsseitige Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihr optischer Eingang von einer den ankommenden Summenstrahl in Teilstrahlen (S1m, S2m) aufteilenden Polarisationsweiche (PW) gebildet ist, derenbeiden optischen Ausgänge mit elektrooptischen Wandlern (W1, W2) verbunden sind, daß ferner an die elektrischen Ausgänge der beiden Wandler ein Auswerter (Al1) angeschaltet ist, der hierbei aus wenigstens einem Summen- (SV) und einem Differenzverstärker (DV) und einem Verhältnisbilder(VD orzugsareise ein Quotientenverstärker, besteht, der mit seinen beiden Eingängen an die Ausgänge des Summen- und des Differenzverstärkers angeschlossen ist und daß die Anschaltung des Auswerters an die Wandler in der Weise vorgenommen ist, daß der Summen-und der Differenzverstärker jeweils mit einem ihrer beiden Eingänge mit den elektrischen Ausgängen der beiden Wandler in Verbindung stehen.
  5. 5. Fmpfangseinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ihre Bemessung, derart, daß die optischen bzw. elektrischen Weglängen der getrennten Übertragungswege zwischen dem Eingang der Polarisationsweiche (PW) und dem Ausgang des Verhältnisbilders (VB) wenigstens annähernd gleich groß sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2645376A1 (fr) * 1989-03-28 1990-10-05 Pirelli Cavi Spa Procede et dispositif de compensation des variations accidentelles dans les signaux optiques de mesure se produisant sur les lignes optiques de transmission a distance de ces signaux
DE102014213442B4 (de) 2013-07-10 2020-06-04 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Sender für ein Freistrahl-Kommunikations-System, Freistrahl-Kommunikations-System mit einem solchen Sender nebst zugehörigem Empfängerterminal und zugehörigem Verfahren zur optischen Übertragung von Daten

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