DE19628321C1

DE19628321C1 - Multiplexverfahren für zwei Subcarrier und Anordnung hierzu

Info

Publication number: DE19628321C1
Application number: DE1996128321
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Sauer; Walter Prof Dr Ing Nowak
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1996-07-13
Filing date: 1996-07-13
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2016-07-14

Description

Die Erfindung betrifft ein Multiplexverfahren für zwei Subcarrier eines optischen oder auch Mikrowellenträgers der gleichen oder etwa gleichen Frequenz. Es ist etwa dem Polarisationsmultiplex (polarization division multiple access PDMA) vergleichbar, da ebenfalls zwei Signale gleichzeitig über ein gemeinsames Medium übertragen werden, wobei hier die Stabilität und Robustheit gegenüber Störungen sehr hoch ist. Eine Erweiterung bestehender Übertragungskanäle durch die Erfindung oder die Kombination der Erfindung mit anderen Multiplexverfahren ist möglich . . Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Es sind verschiedene Multiplexverfahren bekannt.

Man unterscheidet verschiedene Verfahren für mehrere Signale:

- Wellenlängen- bzw. Frequenzmultiplexverfahren (WDMA, FDMA) (z. B. A. H. Gnauck u. a.: "Compensating the compensator: a demonstration of nonlinearity cancellation in a WDM system", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 7, S. 582-584, 1995),
- Zeitmultiplexverfahren (TDMA) (z. B. I. Glesk u. a.: "Demonstration of all-optical demultiplexing of TDM data at 250 Gbit/s", Electronics Letters, Vol. 30, S. 339-341, 1994),
- und Codemultiplexverfahren (CDMA) (z. B. E. Smith u. a.: "Noise limits of optical spectral encoding CDMA systems", Electronics Letters, Vol. 31, S. 1469-1470, 1995).

Für zwei Signale ist das Polarisationsmultiplexverfahren (PDMA) (z. B. Offenlegungsschrift EP 02 95 620 A2 "Doppelpolarisationsübertragungssystem") bekannt. Dabei sind die Signale in der Schwingungsrichtung durch ihren Polarisationszustand voneinander getrennt.

Alle Multiplexverfahren, einschließlich der Erfindung, dienen der Erhöhung der Übertragungskapazität von Übertragungskanälen und können miteinander kombiniert werden.

Außerdem ist aus der Patentschrift EP 03 19 242 A2 ein Multiplexverfahren für zwei Subcarrier verschiedener Subcarrierfrequenzen bekannt. Dort erfolgt die Unterscheidung der Kanäle am Empfänger ausschließlich und zwingend aufgrund der unterschiedlichen Subcarrierfrequenzen. Weiterhin ist aus der Patentschrift DE 34 31 448 A1 die Verwendung von Dispersionsgittern zum Multiplexen/Demultiplexen in Wellenlängenmultiplex- Systemen bekannt. Dabei wird ausgenutzt, daß solche Gitter Licht in Abhängigkeit der Wellenlänge in unterschiedlichem Winkel beugen. Die Unterscheidung der Kanäle erfolgt also aufgrund verschiedener Wellenlängen mehrerer Lichtsender.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen mit zwei unabhängigen Subcarriern der gleichen oder etwa gleichen Frequenz modulierten Träger über eine Strecke zu übertragen und die Subcarrier getrennt und wahlweise zu empfangen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 12. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Anordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 13 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus Anspruch 14.

Die Subcarriersignale werden so aufbereitet, daß auf der Übertragungsstrecke jeweils ein Subcarriersignal als Phasenmodulation, das andere als dazu orthogonale Intensitätsmodulation des Trägers vorliegt und daß durch sogenannte Dispersionsglieder Phasenmodulation in Intensitätsmodulation oder auch Intensitäts- in Phasenmodulation gewandelt werden. Diese Wandlung ist auch die Voraussetzung für die Verwendung gleicher Modulatoren und gleicher Empfänger für beide Subcarrier, wobei z. B. zwei Phasenmodulatoren (mit einem Dispersionsglied zwischen ihnen) und zwei optische Direktempfänger (ebenfalls unter Verwendung eines Dispersionsgliedes) benutzt werden können.

Bei Intensitätsmodulation sind alle Seitenfrequenzen mit dem Träger in Phase, bei Pha senmodulation sind die ungeraden Seitenfrequenzen 90° phasengedreht. Die (unvermeidbare) Gruppenlaufzeit addiert eine große mit der Frequenz linear zunehmende Phasendrehung, ohne daß die Modulation beeinflußt wird. Lineare Dispersion führt zu einer über der Frequenz quadratisch zunehmenden Phasendrehung und bewirkt, wie unten dargelegt, die genannten Modulationswandlungen. Der jeweilige Dispersionszustand, d. h. das arithmetische Mittel der Phase der 1. oberen und unteren Seitenfrequenz gegenüber der Phase des Trägers, ist das Auswahlkriterium zwischen den beiden Signalen. Das Verfahren wäre daher als Dispersionszustandsmultiplex oder kurz Dispersionsmultiplex (dispersion division multiple access, DDMA) zu bezeichnen.

Das sogenannte Dispersionsglied für die Umwandlung der Modulation muß eine lineare chro matische Dispersion aufweisen, die für die 1. obere und untere Seitenfrequenz zusätzlich zu der die Gruppenlaufzeit bewirkenden Phasendrehung zu einer Phasendrehung ϕ=π/2 oder ϕ=-π/2 gegenüber dem Träger führt. Chromatische Dispersion weisen z. B. optische Fasern und Hohlleiter auf. Wird der Phasenkoeffizient β in eine Taylor-Reihe um die Trägerfrequenz f_c entwickelt,

so bestimmt der zweite Term die Gruppenlaufzeit, der dritte ruft die lineare Dispersion hervor. Mit Hilfe der z. B. von H. Schmuck in der Arbeit "Comparison of optical millimetre-wave sy stem concepts with regard to chromatic dispersion" in Electronics Letters 31 (1995) No. 21, S. 1848-1849 angegebenen Gleichung

ϕ=πLcD(f_m/f_c)²

kann die Faserlänge L für eine für die Modulationswandlung benötigte Phasendrehung von ϕ=±π/2 bestimmt werden. (f-f_c) ist identisch mit dem Frequenzabstand zwischen Träger und 1. Seitenfrequenz, also mit der Subcarrierfrequenz f_m. Für Vielfache der Seitenfrequenzen bei f_c±nf_m gilt

ϕ_n=n²·ϕ

(f_c = ω_c/2π Lichtfrequenz, D Dispersionsparameter des Wellenleiters, c Lichtgeschwindigkeit, n natürliche Zahl).

Beispielsweise ist für f_m = 60 GHz, λ = c/f_c = 1550 nm und Standardfaser L ≈ 1 km. Durch Verwendung von Spezialfasern mit hohem Betrag von D, z. B. Dispersionskompensationsfasern, wird L entsprechend kleiner.

Für einen R 620-Hohlleiter ist bei f_c = 60 GHz D = 0,708 ns/(m·mm), und es folgt für z. B. f_m = 10 GHz, L = 23,54 cm.

Dispersionsglieder können vorzugsweise auch mit konzentrierten dispersiven Bauelementen erzielt werden. Dadurch sind kompakte Ausführungen möglich. Im optischen Bereich können z. B. Bauelemente mit Faser-Bragg-Gittern von einigen cm Länge als entsprechende Glieder eingesetzt werden.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Modulatoren und Empfänger vom gleichen und damit optimal auswählbarem Typ sind, insbesondere kann z. B. im optischen Fall einfacher Direktempfang mit einer Fotodiode benutzt werden.

Ebenso ist das Modulationsprinzip innerhalb der Subcarrier willkürlich, analog oder digital nach beliebigem Verfahren, es wird nur eine nicht extrem große Modulationsbandbreite im Verhältnis zur Subcarrierfrequenz vorausgesetzt. Die Übertragungsstrecke kann z. B. eine Glasfaser verbindung sein oder auch eine Millimeterwellenverbindung. Das Verfahren kann mit Wellenlängenmultiplex (WDMA), SCMA (Verwendung mehrerer Subcarrier ungleicher Frequenz) und auch anderen der bekannten Multiplexverfahren kombiniert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der einzigen Fig. 1 näher erläutert.

Das Licht einer unmodulierten Laserquelle 1 wird im Intensitätsmodulator 2 mit dem Subcarriersignal S1 der Frequenz f₁ = ω₁/2π und dem Modulationsindex m₁ moduliert. Die Feldstärke E₂(t) (der Index an E bedeutet, daß die Feldstärke hinter dem entsprechenden Bauelement gemeint ist) lautet, wenn ein Mach-Zehnder-Modulator benutzt wird,

E₂(t)=E₀ cos ω_c t·cos(Φ₀ + m₁ cos ω₁t)

(f_c = ω_c/2π Lichtfrequenz, Φ₀ Modulatorarbeitspunkt).

Wählt man den Arbeitspunkt Φ₀ = π/4, so ergibt sich

· E₂(t) = E₀{J₀₁cosω_ct-J₁₁[cos(ω_c+ω₁)t+cos(ω_c-ω₁)t]-J₂₁[cos(ω_c-2ω₁)t+cos(ω_c+2ω₁)t]++ . . .}
= E₀cosω_ct(J₀₁-2J₁₁cosω₁t-2J₂₁cos2ω₁t+2J₃₁cos3ω₁t+- . . .)

J_i1 ≡ J_i (m₁) ist die Besselsche Funktion 1. Art der Ordnung i. Quelle 1 und Modulator 2 von Fig. 1 sind auch durch eine direkt modulierte Laserdiode ersetzbar. Der Intensitätsmodulator 2 kann aber auch durch einen Phasenmodulator 2 und ein Dispersionsglied 2′ ersetzt werden. Das angegebene Signal wird dem Phasenmodulator 3 mit der genau oder etwa gleichen Subcarrierfrequenz f₂ = ω₂/2π und dem Modulationsindex m₂ zugeführt, und es resultiert mit J_i2 ≡ J_i(m₂)

· E₃(t) = E₀{J₀₂cosω_ct-J₁₂[sin(ω_c+ω₂)t+sin(ω_c-ω₂)t]-J₂₂[cos(ω_c+2ω₂)t+cos(ω_c-2ω₂)t]++ . . .}
· {J₀₁-2J₁₁cosω₁t-2J₂₁cos2ω₁t+2J₃₁cos3ω₁t+- . . .}

= E₀[cosω_ct(J₀₂-2J₂₂cos2ω₂t+2J₄₂cos4ω₂t-+ . . .)+sinω_ct(2J₁₂cosω₂t
-2J₃₂cos3ω₂t+- . . .)]·(J₀₁-2J₁₁cosω₁t-2J₂₁cos2ω₁t+2J₃₁cos3ω₁t+- . . .)

Es liegt, wie die sin ω_ct-Glieder zeigen, Phasenmodulation mit ω₂ und Intensitätsmodulation mit ω₁ vor. Nur letztere ist durch einfachen Direktempfang detektierbar.

Durch das Dispersionsglied 5 in Fig. 1 werden alle Spektrallinien, außer dem Träger, um n²ϕ phasengedreht, d. h. für vollständige Wandlung der Modulation mit ϕ = ±π/2 ergibt sich

ω_c±ω₁, ω_c±ω₂,ω_c±(2ω₁-ω₂),. . . um ±π/2,
ω_c±2ω₁,ω_c±2ω₂, ω_c±(ω₁+ω₂), ω_c±(3ω₁-ω₂),. . . um ±2π, usw.

Es resultiert nach Zusammenfassung:

E₄ = E₀cosω_ct(J₀₁-2J₂₁cos2ω₁t+- . .)(J₀₂±2J₁₂∓cosω₂t-2ω₁±+∓ . . .)
+ sinω_ct(-2J₁₁cosω₁t-2J₃₁cos3ω₁t-+ . . .)(∓J₀₂-2J₁₂cosω₂t±J₂₂cos2ω₂t+∓- . . .).

Jetzt liegt Phasenmodulation mit ω₁ und Intensitätsmodulation mit ω₂ vor. Abgesehen von nicht entscheidenden Vorzeichen entsprechen sich die Gleichungen für E₃ und E₅ bei Vertauschung der Indizes 1 und 2 vollständig. Daher wird hinter dem Dispersionsglied der zu m₂ cos ω₂t gehö rende Subcarriersignal S2 direkt empfangen.

Das Gesamtsignal kann auch in einem Leistungsteiler 6 getrennt werden, vgl. Fig. 1. Am direkten Empfänger E1 läßt sich das Subcarriersignal S2, am Empfänger E2 nach einem weiteren Disper sionsglied 7 wieder Subcarriersignal S1 empfangen.

Claims

1. Multiplexverfahren für zwei Subcarrier, die mit der gleichen oder etwa gleichen Frequenz betrieben werden, wobei eingangsseitig die Subcarriersignale (S1 und S2) dem Träger (1) so aufmoduliert werden, daß auf der Übertragungsstrecke (4) gleichzeitig ein intensitäts- und ein phasenmoduliertes Signal übertragen werden und ausgangsseitig die Signale so gewandelt werden, daß sie für den jeweiligen Empfängertyp (E1, E2) maximal detektierbar sind, wobei die Aufbereitung und Wandlung der Signale durch Dispersionsglieder (2′, 5, 7) vorgenommen wird, die Phasen- in Intensitätsmodulation oder Intensitäts- in Phasenmodulation wandeln.

2. Multiplexverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein optischer Träger verwendet wird und für die Aufbereitung der Subcarriersignale (S1, S2) und/oder für die Wandlung der Signale zur Detektion durch die Empfänger (E1,E2) optische Dispersionsglieder (2′, 5, 7) verwendet werden, die Phasen- in Intensitätsmodulation oder umgekehrt wandeln.

3. Multiplexverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, daß Glasfaserübertragung und optischer Direktempfang angewandt werden.

4. Multiplexverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Dispersionsglied (2′, 5, 7) die natürliche Dispersion der Faser genutzt wird.

5. Multiplexverfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Dispersionsglied zusätzliche Längen von Standardfasern oder von Spezialfasern mit hohem Betrag der Dispersion, wie Dispersionskompensationsfasern oder kompakte dispersive Elemente verwendet werden.

6. Multiplexverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Dispersionsglieder Faser-Bragg-Gitter verwendet werden.

7. Multiplexverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexion gechirpter Faser-Bragg-Gitter ausgenutzt wird.

8. Multiplexverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion der Transmission von Faser-Bragg-Gittern ausgenutzt wird.

9. Multiplexverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mikrowellen, wie Millimeterwellen, als Träger verwendet werden.

10. Multiplexverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Dispersionsglied dispersive Wellenleiter, wie Rechteckhohlleiter, verwendet werden.

11. Multiplexverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Subcarrier selbst analog oder digital nach beliebigem Verfahren moduliert werden.

12. Multiplexverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Übertragungsstrecke (4) nach Multiplexverfahren, wie WDMA, SCMA, TDMA, modulierte Signale zusätzlich übertragen werden.

13. Anordnung zur Durchführung des Multiplexverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bestehend aus einer schmalbandigen Quelle (1), einer Übertragungsstrecke (4) und Empfängern (E1, E2), wobei eingangsseitig für die Subcarriersignale (S1, S2) Modulatoren (2, 3) vorgesehen sind, die je ein intensitäts- und ein phasenmoduliertes Subcarrersignal der Übertragungsstrecke (4) zur Verfügung stellen oder bei gleichartigen Modulatoren (2, 3) zumindest ein Dispersionsglied (2′) eingangsseitig vorgesehen ist, so daß die beiden Subcarriersignale (S1, S2) als intensitäts- und phasenmodulierte Signale vorliegen, daß ausgangsseitig gegebenenfalls ein Dispersionsglied (5) zum Ausgleich für die Streckendispersion und weitere Dispersionsglieder vorgesehen werden, wenn bei Empfängern (E1, E2) gleichen Typs das eine oder das andere Subcarriersignal empfangen werden soll.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalbandige Quelle (1) eine schmalbandige Lichtquelle und die Empfänger (E1, E2) Fotoempfänger sind.