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"Schaltungsanordnung zur Amplituden- und Grundlinienstabili-
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sierung eines PCM-Signals" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Amplituden- und Grundlinienstabilisierung eines PCM-Signals in einem Empfänger eines
optischen Nachrichtenübertragungssystems mit einem Photodetektor, dem ein wechselspannungsgekoppelter
Verstärker nachgeschaltet ist.
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In Empfänger optischer Übertragungsstrecker werden Photodetek toren
verwendet, deren elektrische Ausgangssignal von der Temperatur und anderen Einflußgrößen
abhängig ist Zur Erzielung eines elektrischen Ausgansgsignals konstanter Amplitude
ist daher eine Verstärkungsregelung erforderlich. Dabei kann entweder die Verstärkung
des auf den Photodetektor folgenden Vorverstärkers geregelt werden, oder falls der
Photodetektor sel.bst eine regelbare Signalverstärkung aufweist (z.B. Lawinenphotodiode)
kann die Verstärkung des Photodetektoren allein oder zusätzlich zur Verstärkung
des Vorverstärkcr3 geregelt werden Photodetektoren werden mit einer hohen Gleichvorspannung
betrieben. Bei PIN-Photodioden dient diese Gleichvorspannung (einige Volt) der Erzielung
einer kleinen Sperrschichtkapazität Bei Lawinenphotodioden beträgt die Gleichvorspannung
einige 100V und dient der Erzielung der Lawinenverstärkung in der Lawinenphotodiode.
Da andererseits
das vom Photodetektor abgegebene Empfangssignal
maximal im Millivoltbereich liegt, ist eine Abtrennung des hohen Gleichspannungsanteils
der Spannung am Photodetektor erforderlich.
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Dieser Gleichspannungsanteil wird üblicherweise durch einen Koppelkondensator
zwischen Photodetektor und Eingangs des nachfolgenden Vorverstärkens abgetrennt.
Werden LCM Signale @lierkender Bithäufigkeit übertragen so verursacht die Ab trennung
des Gleichspannungsanteils (einschließlich der tiefen Frequenzen) Schwankungen der
Grundlinie des PCM-Signals-Es ist daher eine Schaltungs@@ffnung zur Wiederherstellung
der Grundlinie des PCM-Signals erforderlich.
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Üblicherweise wird zur Regeneration des schwankenden @@ linie eine
Klammerschaltung mit Dioden verwendet (siehe z.B.
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W. Bitterlich: "Einführung in die Elektronik", Springer 1967, Seiten
404-408). Bei einer Klammerschaltung ist jedoch nur Ansteuerung der Klammerschaltung
ein Verstärker niedriger Ausgangsimpedanz und nach der Klammerschaltung ein Verstärker
höher Eingangsimpedanz für das PCM-Signal erforderlich, um in der Klammerschaltung
eine ausreichend große Entladezeitkonstante und dadurch eine ausreichende Unterdruckung
der (insbesondere langsamen) Grundlinienschwankungen zu erzielen-Für breitbandige
PCM-Signale (oberhalb etwa 100 Mbit/s) ist ein Verstärker ausreichend hoher Eingangsimpedanz
schwer realisierbar.
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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine für höhe Bitraten
(bis in den Gbit/s-Bereich) geeignete Schaltungsanordnung zur Regelung der Verstärkung
des Photodetektors und/oder der Verstärkung des Vorverstärkers sowie zur Wiederherstellung
der Grundlinie des PCM-Signals anzugeben, welche sich mit verstärkern mittlerer
Ein- und Ausgangsimpedanzen realisieren läßt und bei von Einschränkungen in Rinblick
auf die Zeitkonstanten der Schaltung ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der wechselspannungskoppelte
Verstärker (V1) als regelbarer Verstärker ausgebildet ist und/oder dem wechselspannungsge-
koppelten
Verstärker (V1) eine Spannungsversorgung (SV) parallel geschaltet is, daß ein positiver
Spitzenwertdetektor (D1, R;, C1) und ein negativer Spitzenwertdetektor (D2, R2,
C2) vorgesehen ist, daren Eingang miteinander und daren Ausgang mit den Eingangen
eines @@te@@@@@hmalbendingen Verstärker (V2), sowie eines zwelten schmaloandigen
Verb@@@@ @ (@3), der gegebenenfalls noch einen dritten Eingang aufweist, an den
eine Refelenzspannung (Uref3) anlegbar ist verbunder sind, daß der Ausgang des ersten
schmalbandigen Verstarkens (@2) mit einer ersten Fingang eines Summations- oder
Differenz @erstarkers (V4) verbanden ist, desenn Aufgang mit dem Ausgang ier Schaltung
verbunden ist, daß der Ausgang des wechselspan nungsgekoppelter Verstärkers (V1)
mit den Eingängen der beiden Spitzenwertdetektoren (D1, R1, C1, D2, R2, C2) sowie
einem zweiten Eingang des Summations- oder Differenzverstärkers (V4) verbunden ist,
und daß der Ausgang des zweiten schmalbandigen Verstärkers (V3) mit einem Eingang
des als regelbarer Verstärker ausgebildeten wechselspannungsgekoppelten Verstärkers
(V1) und/oder der Spannungsversorgung (SV) verbunden ist.
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Ebenfalls wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
weWhselspannungsgekoppêlte Verstärker (V1) als regelharer Verstärker ausgebildet
ist und/oder dem wechselspannungs gekoppelten Verstärker (V1) eine Spannungsversorgung
(SV) parallel geschaltet ist, daß ein positiver Spitzenwertdetektor (D1, R1, C1)
und ein negativer Spitzenwertdetektor (D2, R2 ; C2) vorgesehen ist, deren Eingang
miteinander und deren Asugang mit einem ersten und einem zweiten Eingang eines ersten
schmalbandigen Verstärkers (V13) sowie eines zweiten schmalbandigen Verstärkers
(V3) verbunden sind, daß der erste und zweite schmalbandige Verstärker (V13; V3)
jeweils einen dritten Eingang aufweisen, all den Referenzspannungen (Uref@, Uref3)
anlegbar sind, daß der Ausgang des ersten schmalbendigen Verstärkers (V13) mit einem
zweiten Eingeng eines Summations- oder Differenzverstärkers (V12) verbunden ist,
dessen erster Eingang mit dem Ausgang des wechsel=" spannungsgekoppelten Verstärkers
(V1) verbunden ist, daß der Ausgang des Summations- oder Differenzverstärkers (V12
mit
den Eingängen der beiden Spitzenwertdetektoren (D1, R1, C1; D2, R2, C2) sowie dem
Ausgang der Schaltung verbunden ist, und daß der Ausgang des zweiten schmalbandigen
Verstärkers (V V14) mit einem Eingang des als regelbarer Verstärker ausgebildeten
wechsel spannungsgekoppelten Verstärkers (V1) und/oder der Spannungsversorgung (SV)
verbunden ist.
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Für die Vereinigung der Funktionen der Verstärkungsregelung sowie
der Grundlinieregenelation in einer gemeinsamen Schal tungsanordnung war die Überlegung
maßgebend, daß so wesentliche Teile der Schaltung doppelt ausgenutzt we den können
lig 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel aer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnund. Das
Ausgangssignal (S1) des Photodetektors wird über den Koppelkondensator (C0) dem
breitbandigen Verstärker (V1) zugeführt. Der Verstärker (V1) besitzt eine regelbare
Verstärkung und ist wechselspannungsgekoppelt. Das Ausgangssignal (S2) von (V1)
gelangt sowohl an einen Eingang des gleichspannungsgekoppelten Differenzverstärkers
(V4) als auch an die Eingänge je eines positivien (D1, R1, C1) und eines negativen
(D2, R2, C2) Spitzwertdetektors. Im positiven Spitzenwertdetektor wird der Maximalwert
(S2max) von (S2) gebildet, im negativen Spitzenwertdetektor wird der Minimalwert
(S2min) von (S2) gebildet. Die Signale (S2max) und (S2min) werden den gleichspannungsgekoppelten
Verstärkern (V2) (V3) zugeführt, und zwar so, daß im Verstärker (V2) die Signale
(S2max) und (S2min) addiert und mit der Spannungsverstärkung 1/2 verstärkt werden,
so daß am Ausgang von (V2) das Signal (S2max + S2min)/2 vorliegt und daß im Verstärker
(V3) vom Signal(S2max)die Signale (S2min) und (URef) abgezogen werden und die differenz
(S2max - S2min - URef3) mit der Faktor (K3) verstärkt wird, so daß am Ausgang des
Verstarkers (V3) das Signal S3 = K3(S2max - S2min - URef3) (1) iegt, wobei (URef3)
eine fest einstellbare Spannung ist, auch welche der Sollwert von (S2max - S2min)
eingestellt @@ Der Verstärker (V1) besitzt einen Steuereingang über
den
die Verstärkung durch (S3) gesteuert werden kann. Im allgemeinen wird die Verstärkung
von (V1) (aus Gründen der einfachen Realisierbarkeit) eine nichtlineare Funktion
von (S3) sein, die prinzipielle Funktion der Schaltungsanordnung läßt sich Jedoch
anhand des linearen Zusammenhanges K1 =C0 c1 3 (2) erläutern, wobei (K1) die Verstärkung
von (V1) bedeutet und (c0) und (c1) Konstanten sind. Aus S2 = K1 S11 (3) wobei (S11)
aus (S1) durch Abtrennung des Gleichspannungsanteils entsteht die Abhängigkeit des
Spitzen-Spitzenwertes (S2max - S2min) von (S2) von dem Spitzen-Spitzenwert (S11max
- S11min) von (S11) die Beziehung S2max - S2min = K1 (S11max - S11min) (4) und durch
Einsetzen der Gleichung (1) und (2):
C0 + C1K3URef (5) S2max - S2min = (S11max -
S11min) 1 + c1 K3(S11max - S11min) Für ausreichend große Werte von (K3) gilt mit
beliebig kleiner Abweichung näherungsweise S2max S2min URef (6) und der Spitzen-Spitzenwert
(S2max - S2min) ist nur noch von (Uref3) und nicht mehr von (S11max - S11min) abhängig.
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Im breitbandigen gleichspannungsgekoppelten Differenzverstärker (V4)
werden (S2) und (S2max + S2min)/2 addiert, so daß am Ausgang von (V4) das Signal
S4 = K4[S2 - (S2max + S2min)/2] + S40 vorliegt , wobei(S40) der Gleichspannungsanteil
des Ausgangssignals (S4) für S2 - (S2max + S2min)/2 = 0 ist. Aus Gleichung (7) folgt
für den Mittelwert (S4max + S4min)/2 des
Maximalwertes und des
Minimalwertes des Ausgangssignals (S4max + S4min)/2 = S40 (8) Der Mittelwert (S4max
+ S4min)/2 ist also konstant und von den Schwankungen des Mittelwertes (S2max +
S2min)/2 unabhängig. Da aufgrund der Gleichung (6) und (7) auch der Spitzen-Spitzenwert
S4max - S4min = K4URef3 (9) konstant ist, sind sowohl Grundlinie als auch Spitzen-Spitzenwert
des PCM-Signals konstant.
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Die beiden Spitzenwertdetektoren (D1, R1, C1; D2, R2, C2) sollen eine
geringe Ladezeitkonstante und eine große Entladezeitkonstante aufweisen. Die Ladezeitkonstanten
sind durch das Produkt von(C1) bzw. (C2) und des Ausgangswiderstandes von (V1) bestimmt,
Die Entladezeitkonstanten sind durch (R'1 C1) und (R'2 C2) gegeben, wobei R1 (R2)
durch die Parallelschaltung von R1 (R2) und der Eingangswiderstände von (V2) und
(V3) gegeben sind. Eine sinnvolle Wahl der Entladezeitkonstanten ist R'1.C1 = R'2.C2
= 1/2#fu (10) wobei fu die untere Grenzfrequenz der Kettenschaltung von(C0) und
(V1)it Da (V2) schmalbandig sein kann, ist dieser Verstärker leicht mit hoher Eingangsimpedanz
realisierbar, Es bestehen daher keine schaltungsbedingten Beschränkungen der Entladezeitkonstanten.
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Fig. 2 stellt eine Variante der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 dar,
bei der lediglich die Polaritäten der Eingänge des schmelbandigen Verstärkers (V2)
sowie des invertierenden Eingangs von (V4) geändert wurde. V4 ist in diesem Fall
ein Summationsverstärker. Selbsverständlich ist hier noch eine Vielzahl solcher
im Rahmen der Erfindung liegenden Variationen möglich, ohne daß die prizipielle
Funktionsweise der gesamten Schaltung geändert wird.
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Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Signalverläufe in der
Schaltungsanordnung nach Fig. 1 oder Fig. 2.
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ist ist das Eingangssignal konstanter Grundlinie, (S2) das Ausgangssignal
von (V1) mit schwankender Grundlinie. Die Mittellinienschwankungen (S2max + S2min)/2
werden von in (V4) abgezogen, so daß am Ausgang von (V4) das Signal (S4) mit konstanter
Grundlinie vorliegt. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Breitbandverstärker
(V4) mit einer nichtlinearen begrenzenden Vestärkerkennlinie nach Fig. 4 ausgeführt.
Dadurch wird zusätzlich zur Grundlinienregeneration eine Amplitudenregeneration
des PCM-Signals bewirkt.
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Fig. 5 zeigt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
wobei das Signi (S3) zusätzlich zur Verstärkung (K1) des Verstärkers (V1) auch die
Ausgangsspannung (VO) der Spannungsversorgung (SV) steuert. Dadurch wird die Verstärkung
der Lawinenphotodiode (PD) gesteuert. Der ausgangsseitige Innenwiderstand der Spannungsversorgung
(SV) ist üblicherweise um Größenordnungen höher als der Eingangswiderstand von (V1),
so daß der Ausgang von (SV) keinen Nebenschluß für das Ausgangssignal von (PD) bewirkt.
Eine besondere einfache Verstärkungsregelung erhält man, wenn auf die Regelung der
Verstärkung von (V1) verzichtet wird (die Leitung vom Ausgang von (V3) zu (V1) entfällt
dann) und von (S3) nur (SV) angeisteuert wird und folglich nur die Verstarker der
Lawinenphotodiode geregelt wird.
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Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die Eingangsstufe (C0V1), die Spitzenwertdetektoren (D1, R1, C1; D2, R2, C2) und
der Ver-)stärker (V3) (mit Referenzspannung URef3) sind funktionagleich mit den
entsprechenden Komponenten in Fig. 1. Die Verstärkungsregelung erfolgt in gleicher
Weise, wie in Fig. 1, indem die Signaldifferenz (S13max - S13min) mit (URef3) in
(V3) verglichen wird und dadurch in (V3) das Regelsignal (S13max -S13min - URef3)K3
gebildet wird, welches dem Signal S2max S2min - URef3)K3 in Fig. 1 entspricht.
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Die Subtraktion von (S13max + S13min)/2 vom PCM-Signal erfolgt hier
jedoch mit Hilfe einer negativen Rückkopplung. (V12) ist ein gleichstromgekoppelter
linearer breitbandiger Differenzverstärker. Dem invertierenden Eingang von (V12)
wird das Ausgangssignal (S12) von (V1) zugeführt. Der lineare schmalbandige Verstärker
(V13) hat zwei invertierende Eingänge und einen nichtinvertierenden Eingang (jeweils
hoher Eingangsimpedanz) und einen hohen Verstärkungsfaktor (K13). Am Ausgang von
(V13) liegt das Signal - (S13max + S13min - URef) K3 (11) vor, wobei S13max(S13min)
der Maximalwert (Minimalwert)des Ausgangssignale (S13) von (V12) ist. (URef1) ist
eine Referenzspannung, mit welcher der Sollwert von (S13max + S13min) eingestellt
wird. Es gilt S13 = K12 [- S12 - K13 (S13max + S13min - URef)] (12) Da sich (S13max
+ S13min) kurzzeitig nicht ändert, so ist die Verstärkung der kurzzeitigen Signaländerungen
durch #S13 V = = K1 K12 (13) # S11 gegeben. Aus Gleichung (12) folgt für (S13max
+ S13min) die Beziehung
wobei S12max (S12miD) der Maximalwert (Minimalwert) von ist. Für ausreichend große
Verstärkungsfaktoren (K13) gilt S13max + S13min = URef1, so daß der Mittelwert von
Minimalwert und Maximalwert des Ausgangssignals (S13) auf den Sollwert (URef)/2
eingeregelt wird. Für die Wahl der Zeitkonstanten gelten dieselben Gesichtspunkte
wie bei der Anordnung nach Fig. 1.
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fig. 7 zeigt ein weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Eit Ausnahme der Komponenten (PD) und (SV) ist die Schaltungsanordnung
mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 identisch.
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Die Funktionen von (SV) und (PD) entspricht der Funktion der gleichen
Komponenten in Fig. 5.
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Selbstverständlich ist bei den Schaltungsanordnungen nach Fig. 6 und
Fig. 7 eine Vielzahl von Variationen möglich, bei denen die Polaritäten von Eingängen
der einzelnen Verstärker geändert werden4 ohne daß damit eine Änderung der prinzipiellen
Wirkungsweise der gesamten Schaltung verbunden ist.