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Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Phasenregelung in einem PSK(Phase
Shift Keying)-modulierte optische Signale eines optischen Senders
nach einer Übertragung
empfangenden optischen PSK-Homodyn-Empfänger nach dem Oberbegriff von
Anspruch 1 und 2. In einem derartigen Empfänger wird eine Lokaloszillator-Schwingung erzeugt, die
mit dem empfangenen optischen PSK-modulierten Signal zur Bildung eines
im Basisband liegenden Detektionssignals gemischt wird und die unter
Verwendung eines Phasenfehlersignals mit dem Trägersignal des empfangenen optischen
Signals phasensynchronisiert wird.
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Ein
derartiges Verfahren ist in dem Lehrbuch "Optische Übertragungssysteme mit Überlagerungsempfang" von J. Franz, Springer-Verlag
Berlin ... 1988, 5.130 bis 161, insbesondere 5.133, 138, 157 beschrieben.
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Im
optischen PSK-Homodyn-Empfänger wird
ein phasenmoduliertes Signal mit der Schwingung eines Lokaloszillators überlagert
und so direkt ins Basisband heruntergemischt. Die Phasenlage des
Lokaloszillators muß dazu
mit der Referenzphase der Empfangslichtwelle übereinstimmen. Dies macht eine
Phasenregelung zwingend erforderlich. Hierzu ist aus dem empfangenen
Signal ein geeignetes Fehlersignal zu gewinnen. Die bisher in der
optischen Nachrichtentechnik verfügbaren Verfahren weisen dabei
gravierende Nachteile auf.
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Eine
Phasenregelung im homodynen Überlagerungsempfänger ist
zwingend erforderlich, da sonst Frequenzdrift und Phasenrauschen
der verwendeten Laser eine sinnvolle Detektion unmöglich machen
würden.
Für diese
Phasenregelung stehen diverse im folgenden kurz dargestellte Verfahren
zur Verfügung,
die jedoch mit gewissen Nachteilen behaftet sind.
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Ein
bekanntes und weit verbreitetes Verfahren zur Trägerrückgewinnung ist das sogenannte Costas-Loop-Verfahren
(J.P. Costas, Synchronous Communications, Proc. IRE, Vol.44, Nr.
12, S. 1713 bis 1718, 1956), dessen Funktionsweise anhand von 1 verdeutlicht wird. Die
ankommende Welle wird in Inphase-(I) und Quadraturkomponente (Q)
demoduliert; die Nutzanteile der beiden Zweige werden miteinander
multipliziert und somit der Einfluß der Datenfolge eliminiert.
So wird ein vom Phasenfehler abhängiges
Signal proportional sin(Δφ) erhalten,
das als Führungsgröße für eine Regelung
dienen kann.
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Nachteilig
für den
Einsatz des Costas-Loop-Verfahrens in einem optischen Überlagerungssystem
ist die Notwendigkeit einer Demodulation der Q-Komponente. Die Empfangslichtwelle
muß dazu
in zwei Zweige aufgeteilt werden. Damit kann das optimale Signal-Rausch-Verhältnis (S/N)
nicht erreicht werden. Ein weiteres Problem ergibt sich aus der
benötigten
Phasenverschiebung der Lokaloszillatorwelle um 90° oder π/2. Entsprechende
Hybride sind nur schwierig und sehr verlustbehaftet realisierbar.
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Das
Problem des 90°-Hybrids
kann mit dem Syncbit-Verfahren umgangen werden (
DE 41 10 138 C1 ; M. Wittig, „Large-Capacity
Multimedia Satellite Systems",
IEEE Communications Magazine, Juli 1997, S. 44 bis 49) (siehe
2a und
2b). Hier wird für einen bestimmten Prozentsatz
einer Bitdauer am Ende jedes Bits oder regelmäßig am Ende eines Blocks von
Bits die Phasenlage des Sendelasers oder des Lokaloszillators um
90° gedreht.
Somit kann, obwohl nur die I-Komponente demoduliert wird, anstelle
eines Datenbits eine Phasenfehlerinformation proportional sin(Δφ) durch
Abtastung gewonnen werden (siehe
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2b), Die Phasendrehung wird
zumeist sendeseitig realisiert, da hier ohnehin ein Phasenmodulator
vorhanden ist.
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Nachteilig
bei dem Syncbit-Verfahren ist die Bandbreitenerweiterung, die durch
das Einfügen
der sogenannten Syncbits in den Datenstrom eintritt und zu einem
schlechteren Signal-Rausch-Verhältnis führt. Zudem
ist die erforderliche Taktratenumsetzung bei hochratigen Systemen
schwer zu realisieren.
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Wie
in 3a und 3b dargestellt, ist als weitere
Möglichkeit
das Restträger-
oder Pilottonverfahren zu nennen (T.G. Hodgkinson, „Phase-locked-loop analysis
for pilot carrier coherent optical receivers" Electronics Letters, bis Vol. 21, S.
1202, 1203, 1985). Hier wird der Modulationshub m geringfügig vermindert.
Dadurch wird konstant ein gewisser Trägeranteil mitübertragen,
allerdings wird dadurch auch die Augenöffnung geringer. Gewonnen werden
kann die Phasenfehlerinformation im Empfänger durch einfache Tiefpaßfilterung.
Dies macht freilich eine Gleichstrom-Kopplung notwendig und damit
scheidet dieses Verfahren für
hochratige Realisierungen aus.
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Ohne
Gleichstrom-Kopplung kommt dagegen eine Variante des Restträgerverfahrens,
das sogenannte „Switched
Residual Carrier"-Verfahren,
aus (W. Glatt, M. Schreiblehner, Ch. Haider und W. Leeb: „Optical
PSK Homodyne system using a switched residual carrier for Phase
synchronisation",
Electronics Letters, Vol. 32, Nr. 15, 1996). Es beruht darauf, daß die Polarität des Restträgers nach
einer halben Bitdauer umgeschaltet wird. Für hochratige Realisierungen
entstehen allerdings auch hier technologische Probleme. Eine Bandbreitenerweiterung
durch das schnelle Umschalten, eine Reduzierung der Augenöffnung auch
bei idealer Synchronisation und eine zwangsweise nicht ideale Filterung
im nicht-linearen System beim Auftreten von Phasenfehlern führen zu Verlusten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren für optische PSK Homodynempfänger zu schaffen,
welche die Gewinnung eines Phasenfehlersignals erlauben, ohne daß
die
verlustbehaftete Aufteilung des Empfangslichts wie im Costas-Loop
Empfänger
notwendig ist,
zusätzliche
teuere und verlustbehaftete optische Komponenten, wie das optische
90°-Hybrid
im Costas-Loop Empfänger
benötigt
werden,
eine Bandbreitenerweiterung und zusätzliche hochratige Digitallogik
mit Ratenumsetzung, wie im Syncbit-Verfahren sowie eine zusätzliche
breitbandige Analogelektronik wie im „Switched Residual Carrier"-Verfahren erforderlich
sind.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff der
Ansprüche
1 oder 2 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 bzw. alternativ des Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind Gegenstand der auf den Anspruch 2 unmittelbar oder mittelbar
rückbezogenen
Ansprüche.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen im einzelnen erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
schematisiertes Blockschaltbild eines Costas-Loop-Empfängers;
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2a und 2b Phasenlagen
von Datenbits und Syncbits, und zwar in 2a ohne
einen Phasenfehler und in 2b mit
einem Phasenfehler;
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3a und 3b Darstellungen
von Phasenlagen im Restträger- oder Pilotton-Verfahren;
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4 eine
schematisierte Darstellung eines Augenmusters für Δϕ =
2*π;
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5 eine
Wiedergabe einer komplexen Basisbanddarstellung;
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6 ein
Blockschaltbild zur Verdeutlichung der prinzipiellen Funktionsweise
eines Early-Late-Gate-Verfahrens;
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7 ein
der 6 entsprechendes Blockschaltbild mit zusätzlichen
EX-OR-Gattern;
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8 eine
Darstellung eines der 4 entsprechenden Augendiagramms
für Δϕ =
0,2*π und
einem dazugehörigen
Impulsdiagramm;
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9 ein
Blockschaltbild der einfachsten Realisierung eines Taktrückgewinnungsalgorithmus nach
Müller/Mueller
und
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10 schematisch
ein Taktrückgewinnungsverfahren
nach Gardner.
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Die
Verwendung des sogenannten Augenmusters ist aus der Übertragungstechnik
zur Darstellung pulsmodulierter Signale bekannt (siehe 4), Daraus
wird gemäß der Erfindung
ein Phasenfehlersignal abgeleitet. Im Augenmuster des Detektionssignales
wird bei BPSK mit homodynem Überlagerungsempfänger deutlich
eine Asymmetrie erkannt, sobald ein Phasenfehler auftritt. Voraussetzung
dafür ist
das Auftreten einer sendeseitigen Bandbegrenzung, die dazu führt, daß das Sendesignal
nicht von einem Signalraumpunkt zum anderen springen kann, sondern
sich mit einer endlichen Winkelgeschwindigkeit auf dem Einheitskreis
bewegt. Durch eine systeminhärente
nichtlineare Abbildung, die sich aus der sendeseitigen Phasenmodulation
und der empfangsseitigen Demodulation der Inphase-Komponente (I) ergibt,
entsteht so die angesprochene Asymmetrie.
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Das
Auftreten einer sendeseitigen Bandbegrenzung kann vorausgesetzt
werden, da reale Bauelemente, wie Treiberverstärker oder Phasenmodulatoren,
keine idealen Frequenzgänge
aufweisen. Da die Asymmetrie bei geringer Bandbegrenzung sehr schwach
ausgeprägt
sein kann, ist auch das Einfügen
einer künstlichen
Bandbegrenzung unter Umständen
sinnvoll. Allerdings wird dadurch die Augenöffnung beeinträchtigt.
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5 verdeutlicht
die Entstehung der Asymmetrie anhand der bekannten komplexen Basisbanddarstellung.
Die beschriebene Asymmetrie wirkt sich in vielfältiger Weise aus. Zum einen
unterscheiden sich die Abtastwerte für gesendete +1 bzw. –1 im Betrag
der Amplitude. Zum anderen verschieben sich die Flanken bei Symbolwechseln,
so daß sich
auch die Zeitpunkte verschieben, zu denen das Signal eine bestimmte
Schwelle über-
oder unterschreitet. Damit verändern
sich auch die Momentanwerte des Signals zu beliebigen Zeitpunkten
zwischen den für
die Daten optimalen Abtastzeitpunkten. Um daraus eine Phasenfehlerinformation
zu gewinnen, ist stets ein Symbolwechsel von +1 nach –1 oder
umgekehrt Voraussetzung.
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Alle
genannten Effekte können
zur Gewinnung eines Phasenfehlersignals, das für die Phasenregelung notwendig
ist, herangezogen werden. Ähnliche
Effekte werden in linearen Übertragungssystemen
zur Taktrückgewinnung
verwendet. Läuft
beispielsweise die Phase des Taktes im Empfänger gegenüber der des Empfangssignales
vor, so erkennt man stets verspätete
Nulldurchgänge.
Läuft die
Referenzphase des Sendesignals beim optischen Überlagerungsempfänger gegenüber der
Phase des Lokaloszillators vor, so erkennt man, je nachdem, ob eine
positive oder negative Flanke im Empfangssignal auftritt, verfrühte oder
verspätete
Nulldurchgänge. Ähnliche
Analogien lassen sich für
einige weitere, gängige
Taktrückgewinnungsverfahren
finden.
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Aufgrund
dieser Erkenntnisse wird es nun möglich eine Vielzahl von Taktrückgewinnungsverfahren
auf den Anwendungsfall der Phasenregelung im optischen PSK-Homodynempfänger zu übertragen.
Im folgenden werden diese neuartigen Phasenregelungsverfahren an
Hand einiger Beispiele vorgestellt.
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Beim „Early-Late-Gate" Verfahren handelt
es sich nicht wirklich um ein Taktrückgewinnungsverfahren; es ermöglicht lediglich
die Synchronisation zweier Taktsignale, die in 6 mit
C1 und C2 bezeichnet sind. Zur Taktrückgewinnung ist hier zunächst eine Signalverarbeitung
zur Erzeugung geeigneter Taktsignale notwendig, die für das Verständnis der
folgenden Phasenregelung allerdings nicht notwendig ist. 6 zeigt
die prinzipielle Funktionsweise des Early-Late-Gate Verfahrens.
Je nachdem bei welchem Eingangssignal früher eine Flanke auftritt, wird
dem Ausgangssignal eine entsprechende Polarität zugewiesen.
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Die Übertragung
auf den Anwendungsfall der Phasenregelung ist in 7 dargestellt.
Besteht beispielsweise ein positiver Phasenfehler, so treten die
führenden
Flanken alternierend in den beiden Eingangssignalen C1 und C2 auf.
Hierbei ist das Eingangssignal C1 das auf größer oder kleiner Null entschiedene
Detektionssignal, während
das Eingangssignal C2 die durch Abtastung (hier zum optimalen Zeitpunkt)
entschiedenen Datenbits bezeichnet. Zur Polaritätszuordnung für das Regelsignal
ist hier noch eine zusätzliche
Logik notwendig.
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Die
in 7 wiedergegebene Schaltung läßt sich durch Verwendung eines
EX-OR-Gatters wesentlich vereinfachen und ist auch für hochratige
Realisierungen geeignet. Treten keine Vorzeichenwechsel im Datensignal
auf, so kann allerdings auch keine Phasenfehlerinformation gewonnen
werden. Solche Zustände
sind, wie bereits erwähnt,
zu vermeiden.
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Ausgenützt wird
bei diesem Verfahren zur Phasenregelung das durch die Asymmetrie
des Augenmusters bedingte, verfrühte
bzw. verspätete
Auftreten von Nulldurchgängen
des Detektionssignals. Diese müssen
nicht unbedingt mit den entschiedenen Daten in Verbindung gesetzt
werden; eine Verknüpfung
mit daraus abgeleiteten Signalen kann unter Umständen ebenfalls sinnvoll sein.
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Neben
den Nulldurchgängen
des Detektionssignals lassen sich auch Durchgänge durch beliebige Schwellen
auswerten. Sinnvollerweise sollten diese symmetrisch um Null liegen. 8 zeigt
hierfür ein
Beispiel. Das Eingangssignal C1 ist dabei 1, wenn das Detektionssignal
zwischen den gezeigten, als grauer Bereich wiedergegebenen zwei
Schwellen liegt; sonst ist das Signal C1 Null. Das Eingangssignal
C2 bezeichnet die entschiedenen Daten.
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Auch
aus den regulären
Abtastwerten lassen sich aufgrund der Asymmetrie des Augenmusters Phasenfehlerinformationen
gewinnen, da bei Auftreten eines Phasenfehlers die Amplitudenbeträge der analogen
Abtastwerte für
+1 und –1
nicht mehr gleich sind. Nach der Beziehung yk = xk-1 – sign(xk)·sign(xk-1)·xk können
die Abtastwerte adäquat
ausgewertet werden. Das Blockschaltbild in 9 entspricht
nahezu dem der einfachsten Realisierung des Taktrückgewinnungsalgorithmus
von Müller/Mueller.
Ein Regelsignal entsteht nur, wenn ein Vorzeichenwechsel im Datensignal
auftritt.
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Die
Verwendung der zur Datenentscheidung optimalen Abtastzeitpunkte
ist naheliegend, aber nicht die einzige Möglichkeit eine adäquate Information über den
Phasenfehler zu erhalten. Bedingt durch die Verschiebung der Flanken
des Detektionssignals, läßt sich
jedes im Abstand Δt
und sinnvollerweise symmetrisch um das zeitliche Mittel zweier Abtastzeitpunkte
gewonnene Wertepaar entsprechend auswerten. Einen Grenzfall stellt
das „Wertepaar„ mit Δt = 0 dar,
d.h. ein Wert, der aus einer Abtastung genau zwischen Daten-Abtastzeitpunkten
gewonnen ist. Ein solches Verfahren wäre äquivalent zum Taktrückgewinnungsverfahren
nach Gardnerf (siehe 10). Voraussetzung ist dabei
ebenfalls das Auftreten eines Vorzeichenwechsels im Detektionssignal.
Im Gegensatz zur Taktrückgewinnung
ist zur Phasenregelung keine Gewichtung dieses Wertes nötig.
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Vorteilhaft
bei den aufgeführten
Verfahren ist insbesondere, daß der
Phasenregelung keine Signalenergie zugeführt werden muß, sondern
ohnehin durch Bandbegrenzungseffekte vorhandene Verluste ausgewertet
werden. Obwahl ein derart gewonnenes Regelsignal im Bezug auf seinen
Signal-Rausch-Abstand stets schlechter sein wird als beispielsweise beim
Costas-Loop- oder
Syncbit-Verfahren, ist dennoch die Qualität immer noch gut genug, um
bei geringem Laserphasenrauschen bessere Ergebnisse zu erzielen,
da zur Datenregeneration über
die gesamte Zeit die volle Empfangsleistung zur Verfügung steht.
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Die
angegebenen Verfahren und alle weiteren, die sich aus der Asymmetrie
des Augenmusters ableiten lassen, sind darüber hinaus leicht zu implementieren,
da weder optische 90°-Hybride noch Ratenumsetzung
noch Gleichstrom-Kopplung erforderlich sind. Mit geringem Aufwand
ist sogar eine Kombination von Takt rückgewinnung und Phasenregelung
möglich.
Damit kann eine erhebliche Reduktion der Komplexität eines
optischen PSK-Homodyn-Systems erreicht werden.