DE19837409B4

DE19837409B4 - Verfahren zur Phasenregelung in einem optischen PSK-Homodyn-Empfänger

Info

Publication number: DE19837409B4
Application number: DE1998137409
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Rapp; Florian David
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1998-08-18
Filing date: 1998-08-18
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2018-08-19
Also published as: DE19837409A1

Abstract

Verfahren zur Phasenregelung in einem PSK(Phase Shift Keying)-modulierte optische Signale eines optischen Senders nach einer Übertragung empfangenden optischen PSK-Homodyn-Empfänger, in dem eine Lokaloszillator-Schwingung erzeugt wird, 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenfehlersignal aus einer durch bauteilbedingt bereits vorhandene und/oder durch gezielte auf dem Signalweg von einer digitalen Quelle bis zum sendeseitigen optischen Phasenmodulator durchgeführte Maßnahmen eingefügte Bandbegrenzungen und durch eine systeminhärente nichtlineare Abbildung entstehenden Asymmetrie des Signalverlaufs des Detektionssignals gewonnen wird, indem Abtastwerte, die zu Zeitpunkten, die in einem Abstand Δt (einschließlich des Grenzfalls Δt = 0) symmetrisch um das zeitliche Mittel der Datenabtastzeitpunkte liegen, aus dem Detektionssignal oder durch Signalverarbeitung daraus hervorgegangenen Signalen gewonnen werden, mit den entschiedenen Daten oder daraus abgeleiteten Daten oder aus den entschiedenen Daten abgeleiteten Signalen...

Description

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

2b), Die Phasendrehung wird zumeist sendeseitig realisiert, da hier ohnehin ein Phasenmodulator vorhanden ist.

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.

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.

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.

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.

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.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisiertes Blockschaltbild eines Costas-Loop-Empfängers;
2a und 2b Phasenlagen von Datenbits und Syncbits, und zwar in 2a ohne einen Phasenfehler und in 2b mit einem Phasenfehler;
3a und 3b Darstellungen von Phasenlagen im Restträger- oder Pilotton-Verfahren;
4 eine schematisierte Darstellung eines Augenmusters für Δϕ = 2*π;
5 eine Wiedergabe einer komplexen Basisbanddarstellung;
6 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der prinzipiellen Funktionsweise eines Early-Late-Gate-Verfahrens;
7 ein der 6 entsprechendes Blockschaltbild mit zusätzlichen EX-OR-Gattern;
8 eine Darstellung eines der 4 entsprechenden Augendiagramms für Δϕ = 0,2^*π und einem dazugehörigen Impulsdiagramm;
9 ein Blockschaltbild der einfachsten Realisierung eines Taktrückgewinnungsalgorithmus nach Müller/Mueller und
10 schematisch ein Taktrückgewinnungsverfahren nach Gardner.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zur Phasenregelung in einem PSK(Phase Shift Keying)-modulierte optische Signale eines optischen Senders nach einer Übertragung empfangenden optischen PSK-Homodyn-Empfänger, in dem eine Lokaloszillator-Schwingung erzeugt wird, 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenfehlersignal aus einer durch bauteilbedingt bereits vorhandene und/oder durch gezielte auf dem Signalweg von einer digitalen Quelle bis zum sendeseitigen optischen Phasenmodulator durchgeführte Maßnahmen eingefügte Bandbegrenzungen und durch eine systeminhärente nichtlineare Abbildung entstehenden Asymmetrie des Signalverlaufs des Detektionssignals gewonnen wird, indem Abtastwerte, die zu Zeitpunkten, die in einem Abstand Δt (einschließlich des Grenzfalls Δt = 0) symmetrisch um das zeitliche Mittel der Datenabtastzeitpunkte liegen, aus dem Detektionssignal oder durch Signalverarbeitung daraus hervorgegangenen Signalen gewonnen werden, mit den entschiedenen Daten oder daraus abgeleiteten Daten oder aus den entschiedenen Daten abgeleiteten Signalen verknüpft und ausgewertet werden.
Verfahren zur Phasenregelung in einem PSK(Phase Shift Keying)-modulierte optische Signale eines optischen Senders nach einer Übertragung empfangenden optischen PSK-Homodyn-Empfänger, in dem eine Lokaloszillator-Schwingung erzeugt wird, die mit dem empfangenen optischen PSK-modulierten Signal zur Bildung eines im Basisband liegenden Detektionssignals ge mischt wird und die unter Verwendung eines Phasenfehlersignals mit dem Trägersignal des empfangenen optischen Signals phasensynchronisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenfehlersignal aus einer durch bauteilbedingt bereits vorhandene und/oder durch gezielte auf dem Signalweg von einer digitalen Quelle bis zum sendeseitigen optischen Phasenmodulator durchgeführte Maßnahmen eingefügte Bandbegrenzungen und durch eine systeminhärente nichtlineare Abbildung entstehenden Asymmetrie des Augenmusters des Detektionssignals gewonnen wird, indem die Ergebnisse von Entscheidungsvorgängen hinsichtlich des Detektionssignals in bezug auf eine oder mehrere beliebige Schwellen mit den entschiedenen Daten oder daraus abgeleiteten Signalen verknüpft und ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasenfehlerinformation das verfrühte oder verspätete Auftreten von Nulldurchgängen des Detektionssignals zur Auswertung ausgenützt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasenfehlerinformation Durchgänge des Detektionssignals durch beliebige Schwellen zur Auswertung ausgenützt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasenfehlerinformation Durchgänge des Detektionssignals durch symmetrisch um Null liegende Schwellen zur Auswertung ausgenützt werden.