DE2838299C3 - Verfahren und Vorrichtung zur sendeseitigen Aufbereitung eines elektrischen Digitalsignals für die optische Faserleitungsübertragung - Google Patents

Description

— einen semitransparenten Spiegel oder Strahlspalter (BSI, BS2, 553), der aus dem von der Lichtquelle (Ll, L2, L3) ausgehenden Lichtstrahl den rückzukoppelnden Bruchteil abtrennt;

— einen Fotodetektor (FRi, FR 2, FR 3), der diesen Bruchteil des Lichtstrahls in ein elektrisches Signal umsetzt;

— eine zweite Abtasteinheit (CM2), die das vom Fotodetektor (FR) ausgehende Signal abtastet und durch das Ausgangssignal einer UND-Verknüpfungsschaltung (P) mit zwei Eingängen gesteuert wird, die am ersten Eingang das Ausgangssignal des Verstärkers (Λ 1, Λ 2, Λ 3), der der betreffenden Lichtquelle zugeordnet ist, und am zweiten Eingang ein Taktsignal mit einer Frequenz gleich der Abtastfrequenz des elektrischen Digitalsignals empfängt;

— einen Speicher (ME), der den letzten von der zweiten Abtasteinheit (CM 2) abgegebenen Abtastwert speichert;

— eine Gewichtungsschaltung (PE), die von den ausgangsseitig vom Speicher (ME) auftretenden Signalen das die Verstärkung der Verstärker (A i,A 2, A 3) justierende Signal extrahiert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Gewichtungsschaltung (PfT,) mit einem festen Schaltstück eines 2-Wege-Schalters (CO) verbunden ist, dessen zweites festes Schaltstück geerdet ist und dessen bewegliches Schaltstück mit den Verstärkern (-4 1, Λ 2, Λ 3) verbunden is* und unter Steuerung durch eine Stufenschaltung (TR) jedesmal dann auf das geerdete feste Schaltstück geschaltet wird, wenn der Pegel des Ausgangssignals des Speichers (ME) unter eine gegebene Schwelle geht.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 zur Durchführung des Verfahrens.

Der Übergang eines Digitalsignals zu einem mehrpegelig quantisierten Signal wird in der Nachrichtentechnik gelegentlich durchgeführt, beispielsweise wenn am Ende einer PCM-Nachrichtenübertragungsstrecke das empfangene Signal wieder analogisiert werden soll, wobei zunächst ein mehl pegelig stufiges Signal erhalten wird, das dann im allgemeinen zur Wiederherstellung der Stetigkeit tiefpaßgefiltert wird (Hölzler/Thierbach, Nachrichtenübertragung, Springer-Verlag, 1966, S. 494 - 503).

Es ist auch die Fernübertragung mehrpegelig quantisierter Signale bekannt (DE-AS 17 62 423), beispielsweise zum Zusammenfügen mehrerer binärer Signale zu einem einzigen quartären Signal, das empfängerseitig wieder in die beioen binären Signale zerlegt werden kann. Bekanntlich kann man nämlich in Übertragungssystemen b?· unveränderter Leitungsübertragungsrate durch mehrpegeliges Codieren der Signale die pro Zeiteinheit übertragene Informationsmenge im Vergleich zu Binarsignabn w erhöhen Die Aufbereitung der Digitaisignale zur Erzielung der mehrpegelig quantisienen Signale erfolgt hierbei in geeigneten Codierschaltungen.

Eine entsprechende Aufbereitung zum Zweck der Nachrichtenübertragung über optische Fasern ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden, da durch Speisung einer Lichtquelle mit den aus der Codierung resultierenden wechselnden Spannungspegeln die Emission von Lichtpegeln in sauber getrennten, stetigen Stufen nicht sichergestellt werden kann und auch eine Regelung der geforderten wechselnden Ausgangs-Lichtpegel der Lichtquelle jedenfalls nicht mit einfachen Mitteln möglich ist.

Insbesondere ist es, wenn eine lichtemittierende Diode verwendet werden soll, kaum möglich, mehrpegelig quantisierte Signale zu übertragen, da der zwischen dem Erlöschen der Diode, bei dem keine Lichtemission mehr stattfindet, und der Sättigung, bei der die maximale Emission stattfindet, liegende Linearbereich sehr klein ist und somit die Verwendung eines oder mehrerer Zwischenpegel der Lichtstärke sehr kritisch sein würde.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur sendeseitigen Aufbereitung anzugeben, mit deren Hilfe die verschiedenen Quantisierungspegel des Lichtsignals mit konstantem gegenseitigen Abstand ohne Schwierigkeit erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst, das vorzugsweise mit Hilfe einer im Anspruch 2 gekennzeichneten Vorrichtung durchgeführt wird. Gemäß der Erfindung entstehen die verschiedenen Quantisierungspegel des Lichtsignals durch Addition der Lichtströme einer Mehrzahl von Lichtquellen, die jeweils nur ein und denselben Lichtstrom abzugeben haben, so daß das Umschalten zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpegeln nicht durch Umschalten der Emissionsleistung einer Lichtquelle, sondern durch Ein- und Ausschalten einzelner Lichtquellen erfolgt, deren Ausgangsemission im eingeschalteten Zustand stets konstant ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Ausgangsemission der einzelnen Lichtquellen auf einen konstanten Pegel geregelt, wofür bekannte Techniken zur Verfügung stehen (DE-OS 22 18 431).

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten mj Ausführungsbeispiels mit quartärer Signalübertragung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt F i g. 1 ein prinzipielles Schema der Erfindung und

Fig. 2 einen Schaltplan einer möglichen Regelschaltung der Lichtquellen. h^r>

Im System nach F i g. 1 werden auf einer Faser F mehrpegelige Signale gesendet, die durch Addition von von drei Lichtquellen L 1, L 2, L 3 ausgehenden

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55 Signalen erhalten werden. Dami'i diese Signale in der Faser F addiert werden können, müssen die Lichtquellen inkoherent, jedoch in hohem Maß gerichtet sein. Zweckmäßigerweise bestehen die Lichtquellen Li, L2 und L3 entweder aus Lasern, die Lichtimpulse gleicher Lichtstärke erzeugen, oder aus lichtemittierenden Dioden (LED).

Die von den Lichtquellen L 1, L 2, L 3 emittierten Signale werden am Eingang der Faser F durch optische Systeme kollimiert und konzentriert, die durch Linsen Ot, O2 bzw. OZ schemalisch dargestellt sind. Die Lichtquellen Ll, L2 und LZ werden von Verstärkern A 1, A 2 bzw. A 3 mit veränderbarem Verstärkungsfaktor durch deren Ausgangssignale über Leiter 11, 12 bzw. 13 erregt. Eingangsseitig liegen an den Verstärkern über Leiter 3 bzw. 4 in die Lichtsignale umzuwandelnde elektrische Binärsignale sowie über Leiter 21, 22 bzw. 23 Verstärkungsregelsignale, die von Schaltungen CCt, CGI bzw. CCZ erzeugt werden, an. Diese VerstärkungsregeJsignale stammen von Lichr-Signalen, dit als Teil des von den Lichtqueller' L 1. L2, LZ ausgehenden Signals abgenommen, zum Zweck der Stabilität der Lichtquellen rückgekoppelt und in Fotodetektoren FR 1. FR 2 bzw. FR 3 in elektrische Signale umgewandelt werden. Dein Abtrennen des rückzukoppelnden Teils aus den von den Lichtquellen Ll, L2, LZ ausgehenden Lichtstrahlen dienen semitransparente Spiegel SSl, BS2 bzw. BSZ. Eine mögliche Ausführung der Schaltungen CC 1, CG 2, CGZ wird später unter Bezugnahme auf F i g. 2 beschrieben.

Die Leiter 3 und 4 schließen ausgangsseitig an monostabile Multivibratoren Ma bzw. Mb an, die der geeigneten Formung von Signalen diener, welche über Leiter 5 bzw. 6 als Ausgangssignale von den Zellen eines zweizeiligen Schieberegisters SR eintreffen, in den beiden Zellen von SR sind zwei Abtastwerte eingeschrieben, die je durch ein einziges Bit codiert werden können und von einer Signalfolge stammen, die über eine Verbindung 7 von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Signalquelle eintreffen. Dieser Folge werden in einer Abtasteinheit CM1 von an sich bekannter Bauart die Abtastwerte entnommen und das Ausgangssignal der Einheit CM 1 läuft über einen Leiter 8 zur Eingangsklemme des Schieberegisters SR.

Unter Steuerung durch einen ebenfalls durch die Signalfolge auf der Verbindung 7 getriebenen Zeitgeber CK wird das Schieberegister SR in Serie mit einer Rate gleich der Abtastfrequenz geladen und wird parallel mit einer Rate gleich der halben Abtastrate gelesen. Auf diese Weise treten auf den Ausgangsleitern 5 und 6 stets getrennte Abtastwertpaare auf. Zwei in die Leiter 5 und 6 eingesetzte Schalter Sa bzw. Sb ermöglichen das Extrahieren des Ausgangssignals des Registers SR nur während derjenigen Zeit, die für den Betrieb der Multivibratoren Ma bzw. Mb erforderlich ist. Der Zeitgeber CK ist mit der Abtasteinheit CM1 und dem Schieberegister SR über eine Verbindung 9 verbunden. Die Verbindung der Zellen des Schieberegisters SR über die Leiter 3 und 4 mit den Verstärkern A 1 und A 2 bzw. A 3 ist wie in F i g. 1 angegeben.

Die der Regelung dienenden Schaltungen CG I, CG 2 und CG 3 enthalten gemäß F i g. 2 eine zweite Abtasteinheit CM2, die die auf einer Ausgangsverbindung 10t des Fotodetektors FR 1 bzw. 102, 103

für FR 2, FR 3 liegenden Signale abtastet. Die Abtasteinheit CM2 wird vom Ausgangssignal einer UND-Verknüpfungsschaltung Prnitzwei Eingängen gesteuert. Der erste Eingang der Schaltung Pist mit der Ausgangsverbindung 9 des Zeitgebers CK verbunden und ihr zweiter Eingang mit dem AusgangsleitT 11 des Verstärkers A 1 bzw. 12, 13 für A 2, A3 (I'ig. 1). Auf diese Weise erfolgt das Abtasten zum geeignetsten Zeitpunkt und unerwünschte Regelungen, wenn auf den Leitern 3 und 4 gar kein Signal vorhanden ist, werden vermieden.

Das Ausgangssignal der Abtasteinheit CM 2 wird einem Speicher ME eingegeben, der beispielsweise aus einem Kondensator besteht und vorübergehend den letzten Abtastwert vom Ausgangssigna! des Fotodetektors FR 1 (FR 2, FR 3) speichert. Mit dem Ausgang des Speichers ME ist eine Gewichtungsschaltung PE verbunden, die aus dem Abtast wert das Signal für die Verstärkungsjustierung ableitet und über den Leiter 21 (22, 23) an den Verstärker A 1 (A 2, A3 sendet. Dieser Leiter schließt an das bewegliche Schaltstück eines Zweiwegeschalters CO an, dessen feste Schaltstücke an die Ausgangsklemme der Gewichtungsschaltung PE bzw. an Erde geschaltet sind. Unter üblichen Betriebsbedingungen ist der Schalter CO so gestellt, daß er die Schaltung PE mit dem Leiter 21 (bzw. 22, 23) verbindet und somit zu den Schließzeitpunkten der Abtasteinheit CM 2 den Durchtritt der Justiersignale zum Verstärker ermöglicht.

Der Schalter CO ist indessen dann so geschaltet, daß er den Leiter 21 erdet, wenn das vom Speicher ME ausgehende Signal unter einer gegebenen Schwelle liegt. Dieses Schalterstellen wird durch eine Stufenschaltung TR gesteuert, die vom Ausgangssignal eines Schwellenkomparators SO getrieben wird, dessen Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme des Speichers MEverbunden ist.

Diese Anordnung verhindert, daß in der anfänglichen Betriebsphase der Vorrichtung oder im Fall relativ langer signalloser Spannen der vom Kondensator des Speichers ME bei seiner Entladung gelieferte Strom als erniedrigter Pegel der Abtastwerte eines von FR 1 abgegebenen Signals gedeutet wird, was anderenfalls eine Erhöhung des Verstärkungsfaktors von A 1 mit anschließender ungewünschter Erregung der Lichtquelle L 1 bewirken würde.

Im folgenden wird der Betrieb der beschriebenen Vorrichtung erläutert.

Die auf der Verbindung 7 eintreffende Signalfolge wird in der Abtasteinheit CM1 abgetastet und die Abiastwerte werden in die Zellen des Schieberegisters SR geladen und mit einer vom Zeitgeber CK bestimmten Rate verschoben. Alle zwei Schiebetaktperioden wird das im Schieberegister SR vorhandene Paar von Abtastwerten über Sa und Ma bzw. Sb und Mb zu den Eingängen der Verstärker A 1 und A 2 bzw. A 3 übertragen. In Anhängigkeit davon, ob auf den Leitern 5, 6 die Abtastwertpaare »11«, »10«, »01«, »00« liegen, tritt das Siena! entweder auf allen drei Leitern 11,12 und 13 < ίγ auf den Leitern 11 und 12 oder nur ar- Leiter ij aui, oder es gibt kein Ausgangssignal vo.. einem der Verstärk

Als Folge hiervon werden drei, zwei, eine oder keine der Lichtquellen L erregt. Unter Vernachläü, gung der von den Lichtquellen L, wenn sie nicht erregt sind, erzeugten Restlichtstärke tritt am Eingang der Faser Fein Signal auf, das — abgesehen von den Verlusten aufgrund der auf F senkrecht stehenden Komponenten, also von Komponenten, die ohnehin praktisch vernachlässigt werden können, indem der Abstand zwischen den Lichtquellen L und der Faser Fgeeignet gewählt wird, und von den Teilreflexionen in BSX, BS2 und BS3 — gleich der Summe der drei Signale ist, die von den Lichtquellen LX, L2, L3 ausgehen, oder auch nur gleich der Summe von zwei Signalen oder gleich einem einzigen Signal, oder es ist Null. Diese vier Stufen können klar als Pegel 3, Pegel 2, Pegel 1 oder Pegel 0 des mehrpegeligen Signals betrachtet werden.

Das Vorhandensein des von einem oder mehreren der Verstärker AX, A 2, A3 ausgehenden Signals steuert zu den vom Zeitgeber CK festgelegten Zeitpunkten auch die Äbtasteinheit CM 2 der der Verstärkungsregelung dienenden Schaltungen an: Die Abtastwerte werden im Speicher ME gespeichert und in der Gewichtungsschaltung PE entsprechend gewichtet, um am Leiter 21 (oder 22, 23) das Justiersignal zu erzeugen. Die an die Verstärker A X₁ A 2, A 3 gekettete Abtasteinheit CM 2 verhindert unerwünschte Verstärkungsänderungen der Verstärker aufgrund des von den Lichtquellen L ausgehenden Signals, selbst wenn diese nicht erregt sind. Durch entsprechende Wahl der Lichtquellen so, daß sie die Anforderung erfüllen, daß die jeweiligen Ausgangssignale am Eingang der Faser F summiert werden, stellt das Vorhandensein der justierenden Schaltungen CG eine genaue Unterscheidung zwischen den Pegeln sicher.

Die beschriebene Schaltung kann in verschiedener Weise abgewandelt werden. Sollen beispielsweise mehr als vier Pegel übertragen werden, so ist es notwendig, die Zahl der Zellen des Schieberegisters SR und die Zahl der Lichtquellen L entsprechend zu ändern. Beispielsweise im Fall einer 8-pegeliger Übertragung benötigt man ein dreizeiliges Registei und sieben Lichtquellen, von denen drei Lichtqueller wie gemäß F i g. 1 mit den beiden ersten Zellen des Registers und die übrigen Lichtquellen mit dei dritten Zelle verbunden sind.

Liegt ein ternäres Eingangssignal auf der Verbindung 7 vor, so könnte eine 9-pegeIige Signalübertragung über die Faser F als zweckmäßig erscheinen wofür acht Lichtquellen erforderlich sind. Da; Eingangssignal wird nach Umwandlung in eir Binärsignal in vier Zellen eines Schieberegister! geladen, von dem indessen nicht alle 16 Kombina tionsmöglichkeiten ausgenützt werden. Die erste Zelle steuert eine Lichtquelle, die zweite zwe Lichtquellen, die dritte vier Lichtquellen und Hit vierte wiederum eine Lichtquelle an. Zur Vermei dung der Ternär-Binär-Wandlung können auch zwe Zellen eines ternär ladbaren Schieberegister; verwendet werden, von denen die eine zwei und die andere sechs Lichtquellen ansteuert, und zwai jeweils zur Hälfte unmittelbar, so daß sowohl »1« ah auch »2« die Lichtquelle erregen, und zur Hälfte über eine Schwellenschaltung, so daß nur »2« die Lichtquelle erregt.

In Abwandlung der beschriebenen Anordnung is es auch möglich, jeder Lichtquelle eine optische Faser zuzuordnen und die Impulse empfängerseitij zu überlagern oder die einzelnen Fasern in eint einzige zusammenzuführen.

Zur Verminderung einer höheren Fehlerwahr

scheinlichkeit bei hohen Pegeln aufgrund des Quantumrauschens kann es nützlich sein, am Eingang der Faser F ein Signal zu haben, dessen Abstand zwischen benachbarten Pegeln von den niedrigen zu den hohen Pegeln zunimmt und bei dem die dem höchsten Pegel entsprechende Leistung im

wesentlichen gleich der Summe der von den drei Lichtquellen Li, L2, L3 abgegebenen maximalen Leistungen ist. Dies ist durch geeignete Wahl der Verstärkungsfaktoren oder durch Einwirken auf die Verstärkungsregelschaltungen oder die Lichtquellen möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur sendeseitigen Aufbereitung eines elektrischen Digitalsignals für die optische Faserleitungsübcrtragung in Form eines mehrpegelig quantisitirten Lichtsignals, wobei man das Digitalsignal mit parallelen Bits bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bitstellen des elektrischen Digitalsignals jeweils eine oder mehrere aus einer Mehrzahl inkoherenter Lichtquellen

(Z. 1, L 2, L 3) in Abhängigkeit vom Stellenwert der Bitstelle und der Lichtstärke der einzelnen Lichtquellen zuordnet, durch die Bits des elektrischen Digitalsignals die einzelnen Lichtquellen jeweils dann, wenn die zugeordnete Bitstelle einen vorgegebenen der beiden booleschen Werte (0 oder 1) führt, aktiviert und die Lichtströme der Lichtquellen optisch addiert und eingangsseitig in eine optische Faser ^/einleitet.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer ersten Abtasteinheit, die das elektrische Digitalsignal abtastet und eine Folge von Abtastwerten abgibt, und einem Schieberegister mit so vielen Zellen, als Speicherplätze erforderlich sind, um in digitale»· Form die Zahl der Pegel darzustellen, wobei dieses Register in Reihe durch die Abtiistwerte des Digitalsignals mit einer Rate gleich der Abtastrate des Digitalsignals geladen wird und parallel in allen Zellen nach jedem neuen so vollständigen Laden gelesen wird, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl inkoherenter Lichtquellen (L 1, £.2, L 3). die einzeln und/oder in Gruppen mit den Ausgängen der Zellen des Schieberegisters verbunden sind und Lichtimpulse gegebener Lichtstärke, deren Lichtströme optisch addiert und zum Eingang einer optischen Faser (79 geleitet werden, erzeugen, wobei die Erregung jeder der Lichtquellen entsprechend dem booleschen Wert des in der Zelle des Schieberegisters, die mit der jeweiligen Lichtquelle « verbunden ist, vorhandenen Abtastwert angesteuert oder gesperrt ist und die Zahl der gleichzeitig erregten Lichtquellen den Pegel des auf der Faser übertragenen Lichtsignals bestimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für η Signalpegel n- 1 Lichtquellen (Li, L 2, L 3) vorhanden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Speicherung binärer Abtastwerte in ²log η Zellen des Schieberegisters (SR) diese ^r>o Zellen aufeinanderfolgend jeweils 2°, 2¹, ... n/2 Lichtquellen zugeordnet sind.

5. Vonichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgangsleiter (5, 6) jeder Zelle des Schieberegisters (SR) ein monostabiler Multivibrator (Ma, Mb) verbunden ist, der die auf diesen Ausgangsleitern vorhandenen Signale formt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Lichtquellen (L 1, L 2, L 3) mit dem Ausgang eines Verstärkers (A 1, A 2, A 3) mit justierbarer Verstärkung verbunden ist, der eingangsseiiig das A.usgangssignal mindestens desjenigen der Multivibra'.oren (Mn, Mb), der mit dem Ausgangüleiter (5, 6) der dieser Lichtquelle zugeord- hi neten Zelle des Schieberegisters (SR) verbunden ist, empfängt und es verstärkt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jede der Lichtquellen (L 1, L 2, L 3) und den Eingang der optischen Faser (F) Einrichtungen (BSi, BS2, BS3, FR 1, FR 2, FR 3,CGi, CG 2, CG3) eingesetzt sind, die einen Bruchteil des von den Lichtquellen ausgehenden Signals zum jeweiligen Verstärker rückkoppeln und damit den Verstärkungsgrad der Verstärker justieren und die Lichtquellen stabilisieren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Justieren und Stabilisieren folgende Vorrichtungen enthalten: