DE3048978A1 - Optisches datenuebertragungssystem - Google Patents

Description

P.R.Couch-2

Optisches Datenübertragungssystem

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft Verbesserungen bei einem gleichstromgekoppelten Datenübertragungssystem.

Unter den zahlreichen Einrichtungen zur Datenübertragung gibt es auch einige, bei denen faseroptische Wellenleiter benützt werden. Bei den heute mit faseroptischen Wellenleitern versehenen Datenübertragungssystemen werden häufig Informationen übertragen, die langdauernde hohe bzw. niedrige Signalpegel (logischer Zustand "Ein" bzw. "Aus") enthalten.

Die Übertragung von codierter Information mit Hilfe eines faseroptischen Wellenleiters ist bei einem wechselstromgekoppelten Empfänger im allgemeinen mit zusätzlichen Schaltungen verbunden, um die Information in Pulse oder andere einfache Codes umzusetzen, damit der Empfänger in die Lage versetzt wird, Signale zu empfangen, welche dann in die ursprüngliche Form zurückverwandelt werden. Die mit der Codierung zusammenhängende zusätzlich erforderliche Schaltung ist im allgemeinen aufwendig und führt dazu, daß die Verwendbarkeit der Datenübertragungsstrecke durch die Verringerung der Modulations-Bandbreite und der Empfindlichkeit eingeschränkt wird.

Der Aufwand für die Codierschaltungen könnte durch die

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Verwendung eines gleichstromgekoppelten Datenübertragungssystems vermindert werden. Es wurde eine Reihe von Versuchen zur Entwicklung von Sendern und Empfängern unternommen, die in gleichstromgekoppelten Datenübertragungssystemen verwendet werden können. Dabei wurden in einigen Fällen Codier- bzw. Decodierschaltungen benutzt, die im Sender bzw. Empfänger eingebaut waren. Dies führt zu komplizierten und relativ teuren Schaltungen und ist daher unerwünscht.

Wie in Fig. 1 gezeigt, können gleichstromgekoppelte Sender und Empfänger ohne Codier- und Decodiereinrichtung verwendet werden. Bei den bisherigen Ausführungen bestehen jedoch besonders dann noch Schwierigkeiten, wenn die Stärke der Eingangssignale stark variiert. Eine Schwierigkeit besteht darin, daß der Gleichstrom zeitlichen Schwankungen unterliegt und temperaturabhängig ist. Diese Schwierigkeit kann aber durch die Verwendung von Operationsverstärkern und sorgfältig anzupassenden Schaltungen überwunden werden.

Eine zweite^ ernster zu nehmende Schwierigkeit, betrifft die Verzerrung der Impulsbreite, wie dies zum Beispiel in Fig.3 zu sehen ist. Diese Verzerrung entsteht durch die unterschiedliche Verzögerungszeit zwischen einem Übergang vom logischen Zustand "Aus" zum logischen Zustand "Ein" einerseits und dem Übergang vom logischen Zustand "Ein" zum logischen Zustand "Aus" andererseits. Dabei werden vom Empfänger schmälere oder breitere Impulse als die ursprünglich ausgesendeten erzeugt. Die Verzerrung der Impulsbreite bei unterschiedlicher Eingangssignalhöhe beschränkt die Verwendbarkeit eiaes gleichstromge-

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koppelten Datenübertragungssysteins.

Um dies zu vermeiden, wird in Empfängern, welche unterschiedlich große optische Signale verarbeiten sollen, ein Komparator verwendet, dessen Schwellwert zur Erzielung bester Ergebnisse auf die Hälfte der maximalen Signalhöhe eingestellt ist, so daß die Verzerrung der Impulsbreite nicht von wesentlicher Bedeutung ist. Allerdings können die zur Zeit verwendeten Techniken zur Überwachung der maximalen Signalhöhe, und damit zur Einstellung des Komparator-Schwellwerts dann nicht angewendet werden, wenn der logische Zustand "Aus" lange Zeit auftritt. Hier müßte der Schaltkreis zur Überwachung des Schwellwerts in der Lage sein, den folgenden logischen Zustand "Ein" bzw. dessen Signalhöhe im voraus zu berücksichtigen.

Aufgabe und Beschreibung der Erfindung

E· iet Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gleichstromgekoppeltes Datenübertragungssystem anzugeben, welches einen geringen Platzbedarf aufweist, von einfachem Aufbau ist, zuverlässig arbeitet und keiner komplizierter Techniken bedarf.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein solches Datenübertragungssystem anzugeben, bei dem die verringerte Verzerrung der Impulsbreite nur zu geringen Empfindlichkeitseinbußen führt.

Es ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Datenübertragungssystem anzugeben, bei dem manuelle

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Justierungen bei der Installation oder im Betrieb entfallen, abgesehen von der möglicherweise nötigen Einstellung des Off-Sets eines Operationsverstärkers.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine komplizierte Codierung des Gleichstromsignals zu vermeiden,und die Verwendung eines Senders mit zwei Zuständen (logische Zustände "Ein" oder "Aus") zu ermöglichen. Ein Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines optischen Senders und Empfängers, die über einen faseroptischen Wellenleiter gekoppelt sind. Der Sender ist ein einfacher Sender mit den beiden logischen Zuständen "Ein" und "Aus", während der Empfänger einen Differenzverstärker enthält.

Um die Daten empfangsseitig wieder zu regenerieren, wird ein auf einen Eingangsverstärker folgender Komparator verwendet, wobei zwischen Eingangsverstärker und Komparator eine zusätzliche Schaltung vorgesehen ist. Diese Schaltung bewirkt ein frequenzabhängiges Überschwingen des Signals, wenn dieses von seinem oberen Pegel auf seinen unteren Pegel wechselt. Es besteht dabei keine Notwendigkeit, den Schwellwert des Komparators laufend anzugleichen. Die Verzerrung der Impulsbreite, die überlicherweise bei einem'gleichstromgekoppelten Datenübertragungssystem auftritt, wird durch das Ausmaß des Überschwingens ausgeglichen. Auf diese Weise wird ein Kompromiß zwischen Impulsverzerrung und Empfindlichkeit ermöglicht.

Es zeigen:

Fig. 1 die Signalform bei einem idealisierten gleichs tromgekoppe1ten Datenübertragungs sys tem,

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Fig. 2 eine schematische Darstellung eines gleichstromgekoppelten Datenübertragungssystems unter Verwendung eines faseroptischen Wellenleiters ,

Fig. 3 die Signalform bei einem realen gleichstromgekoppelten Datenübertragungssystem, bei dem eine Verzerrung der Impulsbreite auftritt,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines gleichstromgekoppelten Datenübertragungssystems unter Ver-Wendung eines faseroptischen Wellenleiters, das

einen Frequenzgang gemäß der Erfindung aufweist,

Fig. 5 einen typischen Frequenzgang gemäß der Erfindung,

Fig. 6 die Signalform in einem gleichstromgekoppelten

Datenübertragungssystem bei der Verwendung eines faseroptischen Wellenleiters, wobei der Empfän

ger einen Frequenzgang gemäß der Erfindung aufweist,

Fig. 7 eine schematische Darstellung des optischen Empfängerschaltkreises gemäß der Erfindung.

Die bisherige Arbeitsweise eines einfachen gleichstromgekoppelten Senders und Empfängers in einem Datenübertragungssystem unter Verwendung eines faseroptischen Wellenleiters zeigt Fig. 2. Wie daraus ersichtlich, wird die Dateneingabe sendeseitig durch einen Stromschalter 10 gesteuert, der mit

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einer Leuchtdiode 12 verbunden ist, deren zweiter Anschluß an eine Versorgungsspannung V_n angeschlossen ist. Selbstverständlich kann anstelle der Leuchtdiode jede andere geeignete Einrichtung verwendet werden.

Die Leuchtdiode 12 ist mit dem einen Ende eines faseroptischen Wellenleiters 14 gekoppelt, dessen anderes Ende mit einem Empfänger 16 verbunden ist. Der Empfänger 16 kann eine Photodetektor-Diode oder eine PIN-Diode sein. Der Stromschalter 10 und die Leuchtdiode 12 liefern ein Gleich-Stromsignal, das auf optischem Wege zur PIN-Diode 16 über tragen wird. Ein Anschluß dieser Diode ist mit dem Eingang eines Verstärkers 18 verbunden, der andere Anschluß wird an eine Versorungsspannung V gelegt. Um den Impuls zu re-

generieren, wird der Auegang des Verstärkers 18 mit einem Komparator 20 verbunden, an dem auch eine Referenzspannung V_Ref anliegt. Der Schwellwert des Komparators wird üblicherweise auf die Hälfte der maximalen Signalhöhe eingestellt. Der Ausgang des Komparators sollte dann dieselben Daten liefern, wie sie am Dateneingang mit Hilfe des Stromschalters 10 ausgesendet wurden.

Die idealisierten Signalformen sind in Fig. 1 gezeigt, wobei Eingangs- und Ausgangsdaten übereinstimmen, und der Schwellwert am Komparator auf die halbe Signalhöhe eingestellt ist. Während auf diese Weise ein gleichstromgekoppeltes übertragungssystem realisiert wird, tritt für den Fall, daß die Bandbreite des Empfängers nahe dem Optimum liegt, eine erhebliche Verzerrung der Signalbreite auf. Eine optimale Bandbreite bedeutet hier eine Bandbreite, die gerade zur übertragung der Daten ausreicht, ohne das

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höher frequente Rauschen zu verstärken. Der Fig. 3 kann die Verzerrung der Signalbreite deutlich entnommen werden. Hier ist der Schwellwert des !Comparators niedrig eingestellt. Dabei sind die Ausgangsdaten für eine kleine Signalhöhe akzeptabel, für eine große Signalhöhe tritt aber eine nicht akzeptable Verzerrung der Signalbreite auf.

Um eine solche Verzerrung der Signalbreite zu verhindern, und um die Funktion eines gleichstromgekoppelten Empfängers über einen großen Eingangssignalbereich zu ermöglichen,muß ein Datenübertragungssystem verwendet werden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Auch in diesem System sind sowohl der Sender als auch der Empfänger gleichstromgekoppelt, auf vorhergehende Zeichnungen bezogene Teile des Systems tragen die gleiche Nummer, die aber zusätzlich mit einem Apostroph versehen ist.

Der Empfänger ist gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten verändert, man verwendet einen Eingangsverstärker 18', der aus einem Differenzverstärker mit geringer Drift besteht, um Gleichstrom-Instabilitäten zu vermeiden. Der Ausgang des Eingangsverstärkers 18' ist über eine Schaltung 22 mit einem Komparator 20 verbunden, dessen Schwellwert knapp oberhalb des schwachen Rauschens eingestellt ist. Fig. 6 zeigt die in der Übertragungseinrichtung nach Fig. 4 auftretenden Signalformen.

Zwischen dem Verstärker 18' und dem Komparator 20' ist eine Schaltung 22 angeordnet, mit der eine frequenzabhängige Impulsformung vorgenommen wird, und zwar in der Weise, daß beim übergang vom logischen Zustand "Ein" zum logischen

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Zustand "Aus" ein frequenzabhängiges Überschwingen des Signals erfolgt. Auf diese Weise durchläuft das Signal auch für große Unterschiede in den Signalhöhen den Schwellwert des !Comparators mit nicht zu großer zeitlicher Ver-Schiebung gegenüber dem Zeitpunkt eines Wechsels zwischen den beiden Zuständen "Ein" und "Aus" des Eingangsimpulses. Bei den kleinsten vom Empfänger noch registrierten Signalhöhen schwankt das Signal nach beiden Seiten in etwa gleicher Weise um den Schwellwert. Aus Symmetriegründen tritt für geringe Signalhöhen keine Verzerrung der Impulsbreite auf. Für große Signalhöhen tritt eine bestimmte maximale Verzerrung der Impulsbreite auf. Dieses Maximum hängt von dem Ausmaß des Überschwingens ab, dabei muß ein Kompromiß zwischen der Verzerrung und der Empfindlichkeit des Empfängers geschlossen werden. Ein sehr weitgehender Gewinn an Bandbreite kann zu einer Verstärkung des Rauschens führen, die größer als die Signalverstärkung ist, was zu einer geringeren Empfindlichkeit des Empfängers führt.

In Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der Schaltung des optischen Empfängers dargestellt. Eine Photodetektordiode gibt einen zur einfallenden Lichtleistung proportionalen Strom i ab, der auf den invertierenden Eingang eines Verstärkers 26 und auf eine aus einer Diode 28, einem Widerstand 30 und einem Kondensator 32 bestehende Schaltung verzweigt wird. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 26 ist über einen Widerstand 34 geerdet.

Mit Hilfe einer Rückkopplungsschaltung, bestehend aus zwei Widerständen 36 und 38 und einem Kondensator 40, wird im

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oberen Bereich der Empfängerbandbreite, wie vorstehend bereits erläutert, das Signal mit zunehmender Frequenz mehr verstärkt.

Der Ausgang des Verstärkers 26 ist über einen Widerstand mit dem nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers 44 verbunden, der eine mit dem invertierenden Eingang verbundene Rückkopplungsschaltung, bestehend aus einem Kondensator 46 und einem Widerstand 48, aufweist. Der invertierende Eingang des Verstärkers ist weiterhin über einen Widerstand 50 geerdet.

Mit Hilfe der beiden Kondensatoren 32 und 46 werden Signale, deren Frequenz oberhalb des Empfänger-Bandes liegen, abgeschwächt, um außerhalb der Bandbreite liegendes Rauschen zu begrenzen. Eine Diode 28 dient als nicht lineares Rückkupplungselement,um die maximale Signalhöhe am Ausgang des Verstärkers 26 zu begrenzen, und dadurch im Empfänger den Bereich großer Signalhöhen zu erweitern. Der Verstärker 44 dient zur Vergrößerung der vom Verstärker 26 kommenden Signale, um diese an den Eingang des Spannungs-Komparators 56 anzupassen. Die Bezugsspannung V.. des Komparators 56 wird durch zwei Widerstände 58 und 60 festgelegt und liegt etwas über null Volt.

Die oben beschriebene Schaltung ist zwar relativ einfach, aber wirksam im Vergleich zum Stand der Technik auf dem Gebiet der gleichstromgekoppelten Daten-Übertragungssysteme Ist diese Schaltung anfangs einmal den Gegebenheiten angepaßt worden, sind im weiteren Betrieb keine Einstellungen

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mehr nötig. Der Betreiber des Systems kann die Form des Überschwingens zur Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten nach Belieben auswählen, was die Vielseitigkeit des Systems erhöht. So hat sich zum Beispiel gezeigt, daß bei einem Überschwingen von etwa 50% eine maximale Verzerrung der Impulsbreite von etwa 10% auftritt, wenn sich die Signalhöhen um bis zu 3 dB unterscheiden.

Weiterhin soll erwähnt werden, daß die Erfindung auch in anderen Systemen angewendet werden kann, bei denen ausgesendete Daten empfangsseitig wieder regeneriert werden, und der Schwellwert zur Bestimmung von Anfang und Ende eines Impulses nicht bekannt ist. Darin eingeschlossen ist jeder Datenempfänger, der eine Trägerwelle empfangen kann, wie zum Beispiel Radiowellen, Mikrowellen und optische Signale. Weiterhin können sich gewisse Anwendungen in wechselstromgekoppelten Empfängern und bei der Datenwiedergabe von Magnetbändern ergeben.

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Claims (1)

1. INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

   Patentansprüche

   1yi Optisches Datenübertragungssystem mit einer pulsdauermodulierbaren Lichtquelle, einem optischen übertragungsmittel und einem Lichtempfänger mit Mitteln zur elektrischen Impulsregeneration, bestehend aus einem Eingangsverstärker und einer Schwellwertschaltung, wobei die Vorderflanke des regenerierten Impulses aus dem Überschreiten eines Schwellwerts und die Rückflanke aus dem Unterschreiten desselben Schwellwerts abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Eingangsverstärker (18) und die Schwellwertschaltung (20) ein weiterer Verstärker (22) geschaltet ist, der ein frequenzabhängiges Überschwingen des Eingangssignals bewirkt.

   2. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert der Schwellwertschaltung knapp oberhalb von null Volt liegt, und daß das frequenzabhängige überschwingen etwa 50 Prozent beträgt.

   B a/Gn

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