DE3307309A1

DE3307309A1 - Verfahren und anordnung zur optischen uebertragung eines elektrischen signals

Info

Publication number: DE3307309A1
Application number: DE19833307309
Authority: DE
Inventors: Willmut Prof Dr Ing Zschunke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-03-02
Filing date: 1983-03-02
Publication date: 1984-09-13
Also published as: DE3307309C2

Description

Verfahren und Anordnung zur optischen Ubertragung eines
elektrischen Signals Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Laserdioden, aber auch lichtemittierende Dioden, eignen sich aufgrund ihrer nichtlinearen Kennlinie schlecht für eine analoge oignalübertragung mittels Intensitätsmodulation, wenn an die Klirrdämpfung höhere Anforderungen ( > 40 dB) gestellt werden. Häufig wird deshalb in der optischen Übertragungstechnik ein gegenüber Nichtlinearitäten unempfindliches Modulationsverfahren wie Pulscodemodulation (PCM, wert- und zeitdiskret) oder Pulsfrequenzmodulation (Pi1M, wertdiskret) gewählt. Gegenüber einer Basisbandübertragung wird hierbei jedoch ein beträchtlicb breiteres lsrequenzband benötigt, so daf3 die Dispersion des Lichtwellenleiters zu dem die Reichweite begrenzenden Faktor werden kann. Als praktisch bedeutsames Beispiel kann die Übertragung des 300 IHz breiten Bandes bei Kabelfernsehen (KTV) angegeben werden.
Die Übertragung des 300 NHz - KTV-Bandes mittels Intensitätsmodulation bis zum Teilnehmer könnte wirtschaftlich attraktiv sein, wenn es gelingt, die bestehenden Linearitätsprobleme kostengünstig zu lösen. Man könnte dem Geilnehmer dann parallel alle K'IV-Kanäle zuführen (also Entfall eines Rückkanals zur Auswahl des gewünschten Kanals) und die Demodulation wäre wesentlich einfacher als bei digitalen Verfahren. Bei der Intensitätsmodulation ergeben sich im wesentlichen zwei Probleme: Realisierung eines optischen Sendeelementes z.B. Laserdiode mit genügend linearer Kennlinie und Vermeidung von Rückwirkungen des angeschlossenen Lichtwellenleiters auf die Sendediode, die ihrerseits zu Nichtlinearitäten führen.
Aus J. Straus, "Linearized Transmitters for Analog Fiber Links'' Laser Focus Magazine, 1978, 5. 54 - 61, sind bereits folgende Linearisierungsverfahren bekannt: - Optisches "feedforward" (Subtraktion der Klirrprodukte) - Breitbandige Phasenschieber zur Kompensation der quadratischen oder kubischen Klirrprodukte - Gegenkopplung - Vorverzerrung Das Verfahren des "feedforward" benötigt eine zweite, moglicht; idelltische zendcdiode, um die Elirrprodukte der ersten Sendediode durch Subtraktion zu eliminieren.
Diese Methode muß im Falle der Verwendung von Laserdioden als zu teuer, aber wohl auch als zu ungenau wegen der i.a.
unterschiedlichen Kennlinien abgelehnt werden - Die Phasenschiebermethode kompensiert nur die quadratischen oder nur die kubischen Verzerrungen. Phasenschieber der erforderlichen Genauigkeit und Bandbreite dürften darüber hinaus nur schwer zu realisieren sein.
Das Verfahren der Gegenkopplung scheint zunächst recht vorteilhaft zu sein. Hierbei wird ein Teil der von der Laserdiode abgestrahlten Lichtleistung (entweder rückwärtig abgestrahlt es oder abgezweigtes Licht) einer Photodiode zugeführt, deren Ausgangssignal nach Verstärkung von dem zu übertragenden Signal subtrahiert wird. Man erhält dabei eine Linearisierung, und zwar werden die Klirrfaktoren jeweils um den Faktor 1+kv reduziert, wobei kv die Ringverstärkung ist.
Für die Anwendung dieser Methode bei breitbandigen Signalen ist durch die Laufzeit ts in der Schleife eine Grenze gesetzt. Diese Laufzeit entspricht einer Phasendrehung der Ringverstärkung um cm ts.
Soll z.B. die Stabilitätsgrenze bei f5 = 500 MHz liegen, so ist eine Laufzeit ts = 1 ns nötig. Hieraus folgt, daß das Konzept der Gegenkopplung beim heutigen Stand der Technologie für KTV-Bandbreiten nicht realisierbar ist.
Beim Verfahren der Vorverzerrung wird im Vorverzerrer ein Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangssignal geschaffen, welcher der Kennlinie der Laserdiode entgegengesetzt ist, so daß das Ausgangssignal nach der Laserdiode linear vom Eingangssignal abhängt. Die Vorverzerrung hat in dieser einfachen prinzipiellen Form erhebliche praktisclLe I5chteile: Der Vorverzerrer ist exemplarabgängig einzustellen. Dies bedeutet darüberhinaus, daß sich Änderungen der Kennlinie durch Temperatur oder Alterung in einem Anstieg der Klirrprodukte bemerkbar machen.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Vorverzerrung automatisch an mögliche Änderungen der Kennlinie der Laserdiode angepaßt wird. Außerdem werden beim erfindungsgemäßen Verfahren Rückwirkungen des Lichtwellenleiters vermindert, die sich als zusätzlich auftretende Verzerrungen äußern würden, da das Regel signal am Ausgang der Laserdiode abgegriffen wird. Dem Regelmechanismus ist es nämlich grundsätzlich gleichgültig, wie die Verzerrungen entstehen, ob durch Nichtlinearität der Kennlinie selbst oder durch Rückwirkung des angeschalteten Lichtwellenleiters auf die Kennlinie.
Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung, Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Vorverzerrers und Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Klirrdetektors.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeicher versehen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Bei 1 werden der Anordnung nach Fig. 1 die zu übertragenden Signale zugeführt. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Vielzahl von im lrequenzmultiplex zu übertragenden Fernsehsignalen handeln, wie es beispielsweise auch in der Fernsehrundfunktechnik angewendet wird. Die zu übertragenden Signale werden einem Vorverzerrer 2 zugeführt, welcher im Zusammenhang mit Fig. 2 noch näher erläutert wird. An den Vorverzerrer 2 ist dann ein elektrooptischer Wandler - beispielsweise eine Laserdiode - angeschlossen, den optisches Ausgangssignal über eine nicht näher dargestellte Glasfaser 4 weitergeleitet wird. Ein Teil des Ausgangssignals des elektrooptischen Wandlers 3 wird zu einem optoelektrischen Wandler, beispielsweise einer Fotodiode, geleitet. Dessen Ausgangssignal wird verstärkt, was in der Figur nicht gesondert dargestellt ist, und einem Klirrdetektor 5 zugeführt. Ein Ausführungsbeispiel eines Klirrdetektors 5 ist in Fig. 3 genauer dargestellt. Mit Hilfe des Klirrdetektors werden nun die durch den elektrooptischen Wandler bedingten Verzerrungen ermittelt und in eine Steuerspannung umgewandelt, welche dem Vorverzerrer zugeführt wird. Hierbei kann vorausgesetzt werden, daß der opto-elektrische Wandler 5 eine lineare Kennlinie aufweist.
Ein wesentliches Anwendungsgebiet ist, wie eingangs erwähnt, die optische Übertragung von Signalen. Es sind jedoch Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Linearisierung von elektrischen Ubertragungsgliedern, beispielsweise Sendern, möglich.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Vorverzerrer 2 (Fig. 1) näher erläutert. Das bei 1 zugeführte Eingangssignal wird den Schaltungen 21, 22 und 23 zugeführt, deren Ausgangssignale aufsteigenden Potenzen des Eingangssignals entsprechen. Soist beispielaweise das Ausgangssignal der Schaltung 21 linear vom Eingangssignal u0 abhängig, während mit Hilfe der Schaltung 22 ein 2 Signal uO gebildet wird und in der Schaltung 23 ein 3 Signal u0 abgeleitet wird. Je nach Anforderungen an die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens können weitere Potenzen gebildet werden. Die Amplitude der Ausgangssignale ist dann in den Schaltungen 24, 25 und 26 mit Hilfe von diesen ebenfalls zugeführten Steuerspannungen steuerbar. In einer Schaltung 27 werden dann die Ausgangsspannungen der Multiplizierschaltungen miteinander addiert und ergeben die Ausgangsspannung u1 des Vorverzerrers 2 (Fig. 1) Die Teile 3, 4, 5 und 6 entsprechen denen der Anordnung nach Fig. 1. Der Klirrdetektor 6 hat bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei Ausgänge; und zwar sind zwei davon zur Steuerung der eigentlichen Vorverzerrung den Multiplizierschaltungen 25 und 26 zugeführt, während ein dritter den linearen Anteil der Spannung u0 in seiner Amplitude beeinflußt, also zur Einstellung der Amplitude vorgesehen ist.
Für die Detekton des Klirrgrades bzw. des Oberwellengehaltes ist es nun erforderlich, diese Messung für ein Signal durchzuführen, welches an sich keine Oberwellen enthält und bei welchem auch keine Vielfachen der Grundfrequenz mit anderen zu übertragenden Signalen übereinstimmen.
Hierzu kann beispielsweise dem Signalspektrum eines vollständigen Fernsehbandes eine Pilotschwingung zugesetzt werden, welche selbst einschließlich deren Oberwellen im Fernsehband nicht vertreten ist. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, eine Frequenz von beispielsweise einigen EIz zu wählen, deren für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens relevante Oberwellen noch unterhalb der für die Übertragung der Fernsehsignale ge- nutzten h'requenzbereiche liegen.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird beispielsweise mit Hilfe der Additionsschaltung 7 eine sinusförmige Spannung mit der Frequenz von 1 EIz den bei 1 zugeführten zu übertragenden Signalen überlagert. Der Vorverzerrer 2, der elektrooptische Wandler 3, die Ubertragungsstrecke 4 sowie der optoelektronische Wandler 5 entsprechen den im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Teilen. Die Wechselspannung der Frequenz f0 wird nun mit Hilfe des Frequenzteilers 8 aus einer mit Hilfe des Generators 9 gewonnenen Wechselspannung höherer Frequenz abgeleitet.
Außerdem sind dem Frequenzteiler 8 Wechselspannungen der Frequenz 2fo und 3fO entnehmbar. Die Spannung mit der Frequenz f0 wird der Addierschaltung 7 zugeführt, während die Spannungen mit den Frequenzen 2fo und 3fO den Multiplizierschaltungen 35, 36 zugeführt und dort mit der Ausgangsspannung des optoelektrischen Wandlers 5 multipliziert werden. Diese Multiplizierschaltungen stellen im Verband mit den anschließenden Integrationsschaltungen 32, 33 Eorrelationsempfänger dar, mit welchen äußerst schmalbandig eine der Amplitude der jeweiligen Oberwelle entsprechende Steuerspannung erzeugt wird, welche dann dem zugehörigen Eingang der Schaltung 2 zugeführt wird.
Grundsätzlich können auch andere Filter verwendet werden.
Die Filterung mit Hilfe der Multiplizierschaltungen ist jedoch äußerst selektiv, was insbesondere dazu führt, daß die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht durch in der Nähe der Oberwellen des Pilotsignals liegende Rausch-oder Nutzsignale die Messung der Klirranteile verfälschen kann. Außerdem entfällt jeglicher Abgleich der Filter bei der Fertigung einer erfindungsgemäßen Schaltung.
mit, ait Das Pilotsignal selbst /der Frequenz f0 wird ebenfalls einer Multiplikation mit dem Ausgangssignal des optoelektrischen Wandlers 5 unterworfen (Multiplizierschaltung 34). Nach anschließender Integration mit Hilfe der Integrierschaltung 31 steht eine Steuerspannung zur Amplitudenregelung zur Verfügung, welche der Multiplizierschaltung 24 (Fig. 2) zugeführt wird.
Außer der im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Hinzufügu eines Pilotsignals ergibt sich beispielsweise bei der Ubertragung von Fernsehsignalen äe nach Erfordernissen des Anwendungsfalles die Möglichkeit, während periodisch auf tretender Zeitabschnitte, in denen der Träger nicht moduliert ist, diesen sowie dessen Oberwellen zur Messung des Klirranteils heranzuziehen. So könnte beispielsweise das Signal einer nicht durch weitere Informationen belegten Zeile innerhalb des vertikalfrequenten Rücklauf der Fernsehsignale durch eine dem optoelektrischen Wandler 5 nachgeschaltete Torschaltung ausgetastet und in ähnlicher Weise wie das Pilot signal ausgewertet werden.
Die in den Figuren als Schaltungsblöcke dargestellten Schaltungen sind als solche hinreichend bekannt und brauchen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht näher erläutert zu werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß dif Schaltungen mit Rechenfunktion, wie Multiplizier-, Addier-und Potenzierschaltungen sowohl in digitaler äls auch in analoger Technik realisiert werden können. Für die Schaltungen 22 und 23 (Fig. 2) können bekanntlich Durchlaßkennlinien von IIalbleiterdioden in einfacher Weise genutzt werden. Dabei werden' Dioden in verschiedene Zweige von Brücken schaltungen eingesetzt. Vorverzerrer von höheren als dritter Graden können durch Kettenschaltungen von Vorverzerrern zweiten und dritten Grades aufgebaut werden.
- Lee'reite -

Claims

Ansprüche Verfahren zur Ubertragung von elektrischen Signalen, wobei ein Ubertragungsglied einen nichtlinearen Verlauf zwischen dem Ausgangs- und Eingangssignal aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zu übertragenden Signale vor der Zuführung zum Ubertragungsglied vorverzerrt werden und daß der Grad der Vorverzerrung in Abhängigkeit von der nichtlinearen Verzerrung des Ausgangssignals gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Ubertragungsgliedes eine optische Strahlung ist.
3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu übertragenden Signale über eine Schaltung mit einer steuerbaren nicht linearen Kennlinie (Vorverzerrer) dem Ubertragungsglied zuführbar sind und daß mit dem Ausgang des Ubertragungsgliedes eine Schaltung zur Messung der nichtlinearen Verzerrungen (Klirrdetektor) verbunden ist, an deren Ausgang wiederum ein Steuereingang des Vorverzerrers angeschlossen ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ubertragungsglied ein elektro-optischer Wandler ist, welcher mit einem opto-elektrischen Wandler optisch gekoppelt ist, an dessen Ausgang der Klirrdetektor angeschlossen ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverzerrer n parallel geschaltete Zweige aufweist, daß ein Zweig eine im wesentlichen lineare Ubertragungsfunktion aufweist und daß weitere Zweige eine die zweite bis nte Potenz der elektrischen Signale bildende Übertragungsfunktion aufweisen, wobei n mindestens 2 ist und die Größe der Signale der einzelnen Zweige steuerbar ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangssignal Signale selektiv entnommen werden, welche eine Frequenz aufweisen, die in den zu übertragenden elektrischen Signalen ohne ganzzahlige Vielfache vorhanden ist, daß die Amplituden der Grundwelle sowie der Harmonischen der selektiv entnommenen Signale gemessen werden und daß die Meßergebnisse zur Steuerung der Vorverzerrung herangezogen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem zu übertragenden elektrischen Signal eine sinusförmige Wechselspannung als Pilotsignal überlagert wird, deren Frequenz sowie ganzzahlige Vielfache davon in den zu übertragenden Signalen nicht auftreten.
8. Verfahren näch Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu übertragenden Signale periodisch auftretende oberwellenfreie Anteile aufweisen und daß entsprechende Anteile zeitselektiv aus dem Ausgangssignal des ubertragungsgliedes entnommen werden.
9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch t?, dadurch gekennzeichnet, daß die zu übertragenden Signale einem Eingang einer Addierschaltung zuführbar sind, daß der Ausgang der Addierschaltung mit dem Eingang eines steuerbaren Vorverzerrers verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang des Ubertragungsgliedes angeschlossen ist, daß der Ausgang des Ubertragungsgliedes über frequenzselektive Glieder und Integrationsschaltungen mit Steuereingängen des Vorverzerrers verbunden ist und daß die frequenzselektiven Glieder auf verschiedene ganzzahlige Vielfache der Frequenz des Pilotsignals und ggf. auch auf die Frequenz des Pilotsignals selbst abgestimmt sind.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzselektiven Glieder von Multiplizierschaltungen mit anschließenden Integrationsachaltungen (Korrelationsempfänger) gebildet sind, welchen außer den Ausgangssignalen des Ubertragungsgliedes bzw. jeweils der n-fachen Frequenz des Pilotsignals zuführbar sind.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Wechselspannungen ein Oszillator und ein Frequenz-teiler vorgesehen sind und daß Ausgänge des Frequenzteilers mit den Multiplizierschaltungen und mit dem anderen Eingang der Addierschaltung verbunden sind.