DE3924186A1 - Optical QPSK modulated signal receiver - processes optical signal in electrical part with IF as separation of local and transmitter laser - Google Patents
Optical QPSK modulated signal receiver - processes optical signal in electrical part with IF as separation of local and transmitter laserInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Überlagerungsempfänger entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates accordingly to an optical superimposition receiver the preamble of claim 1.
Optische Überlagerungsempfänger zur kohärenten Demodulation optischer phasenmodulierter Signale weisen einen Phasenregelkreis auf, der die Schwingung des Lokallasers exakt auf Frequenz und Phase des Sendelasers (Homodynempfänger) oder auf eine Zwischenfrequenz (Heterodynempfänger) synchronisiert. Im Falle des empfindlicheren Homodynempfängers kann bei binär modulierten Signalen das Phasendifferenzsignal, das die Information zur optischen Phasensynchronisation enthält, aus einem Restträgersignal (siehe Kazovsky, L.G. in IEEE-Journal of Lightwave Technology Vol. LT-4, Nr. 2, Feb. 1986, S. 182-195) oder einer entscheidungsrückgekoppelten Struktur (siehe Kazovsky, L.G. in IEEE-Journal of Lightwave Technology Vol. LT-3, Nr. 6, Dez. 1985, S. 1238-1247) gewonnen werden. Für ein quaternär phasenmoduliertes Sendesignal (QPSK-Signal = Quaternary-Phase- Shift-Keying-Signal) kommt nur ein entscheidungsrückgekoppelter Regelkreis, wie er bereits aus der Übertragungstechnik digitaler Daten über Funkwege bekannt ist, in Betracht. (siehe Lindsey, W. C. und Simon, M. K. in Telecommunication Systems Engineering, Prentice-Hall Inc., New Jersey 1973).Optical overlay receiver for coherent optical demodulation phase-modulated signals have a phase-locked loop, which the Vibration of the local laser exactly on the frequency and phase of the transmitter laser (Homodyne receiver) or to an intermediate frequency (heterodyne receiver) synchronized. In the case of the more sensitive homodyne receiver, binary-modulated signals the phase difference signal that the information contains for optical phase synchronization, from a residual carrier signal (see Kazovsky, L.G. in IEEE-Journal of Lightwave Technology Vol. LT-4, No. 2, Feb. 1986, pp. 182-195) or a decision feedback Structure (see Kazovsky, L.G. in IEEE-Journal of Lightwave Technology Vol. LT-3, No. 6, Dec. 1985, pp. 1238-1247). For a quaternary phase-modulated transmission signal (QPSK signal = quaternary phase Shift keying signal) there is only one feedback loop as it already does from the transmission technology of digital data via radio paths is known into consideration. (see Lindsey, W.C. and Simon, M.K. in Telecommunication Systems Engineering, Prentice-Hall Inc., New Jersey 1973).
Die Hauptschwierigkeit beim Aufbau eines optischen Phasenregelkreises liegt in der Realisierung der Stellglieder zur Frequenz- und Phasenbeeinflussung der Lokallaserschwingung. Fischer, G. (in Stabilisierung und Synchronisation von Gas-Lasern für den optischen Überlagerungsempfang, Dissertation TU München 1988) beschreibt einen Aufbau, der über eine Änderung der Resonatorlänge eines Helium-Neon-Gaslasers mittels einer Piezokeramik ein langsames Stellglied mit großem Frequenzstellbereich und über einen akusto- optischen Modulator ein schnelles Stellglied mit kleinem Stellbereich realisiert. Der Aufbau und Betrieb einer solchen Anordnung stellt jedoch erhebliche technische Anforderungen.The main difficulty in building an optical phase locked loop is in the implementation of the actuators for frequency and phase influencing the local laser oscillation. Fischer, G. (in stabilization and synchronization of gas lasers for optical overlay reception, dissertation TU Munich 1988) describes a structure that changes the Length of a helium-neon gas laser using a piezoceramic slow actuator with a large frequency setting range and an acoustical optical modulator a fast actuator with a small adjustment range. The construction and operation of such an arrangement, however, represents considerable technical requirements.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Aufwand zur Realisierung von Phasenregelkreisen optischer Überlagerungsempfänger für QPSK-modulierte Signale zu verringern. Aufgrund des Aufbaus quaternärphasenmodulierter Signale kann das nachfolgend beschriebene Prinzip auch in einem binär phasenmodulierten System eingesetzt werden, jedoch wird dort die Übertragungskapazität des orthogonalen Kanals nicht genutzt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich an die optoelektrischen Wandler (Photodioden + Photostromverstärker) eine orthogonale Demodulationseinheit anschließt, die die empfangenen Zwischenfrequenzsignale in die voneinander unabhängigen Basisband-Datensignale des Inphase- und Quadraturzweiges umsetzt. Von Vorteil bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Realisierung des schnellen Frequenzstellgliedes im elektrischen Teil des Empfängers. Zum zweiten arbeitet die Demodulationseinheit bei einer sehr niedrigen Zwischenfrequenz - sie entspricht dem momentanen Frequenzabstand zwischen Lokal- und Sendelaser und ist klein gegenüber der übertragenen Bitrate -, so daß sie nahezu mit der Verarbeitungsbandbreite eines Basisbandsystems auskommt. Die spektralen Überlappungen, die sich daraus ergeben, werden durch die orthogonale Demodulation kompensiert.The object of the present invention is to reduce the effort Realization of phase locked loops of optical superimposition receivers for Reduce QPSK-modulated signals. Because of the structure The principle described below can also be used for quaternary phase modulated signals be used in a binary phase modulated system, however there the transmission capacity of the orthogonal channel is not used. According to the invention, this object is achieved in that the optoelectric Converter (photodiodes + photocurrent amplifier) an orthogonal Demodulation unit that connects the received intermediate frequency signals into the baseband data signals of the Implemented in-phase and quadrature branches. An advantage with the invention The solution is to implement the fast frequency actuator in the electrical part of the receiver. Secondly, the demodulation unit works at a very low intermediate frequency - it corresponds to that current frequency distance between local and transmit lasers and is small compared to the transmitted bit rate - so that it almost matches the processing bandwidth of a baseband system. The spectral overlaps, that result from orthogonal demodulation compensated.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung in Fig. 1 näher erläutert werden. Die modulierte Sendewelle eS(t) und die Lokallaserwelle eL (t) werden in einem optischen 90°-Hybrid überlagert. Die Ausgangswellen e₁(t) und e₂(t) enthalten die beiden Eingangswellen mit 0° und +90° Phasenversatz. Die nach Photodiode und Photostromverstärker auftretenden Signale u₁(t) und u₂(t) lassen sich zusammen mit der Modulationsphase ΦD und der aktuellen Phasendifferenz ΦC zwischen Lokal- und Sendelaserwelle formelmäßig schreiben alsThe invention will be explained in more detail with reference to the drawing in Fig. 1. The modulated transmission wave e S (t) and the local laser wave e L (t) are superimposed in an optical 90 ° hybrid. The output waves e₁ (t) and e₂ (t) contain the two input waves with 0 ° and + 90 ° phase shift. The signals u₁ (t) and u₂ (t) occurring after the photodiode and photocurrent amplifier can be written as a formula together with the modulation phase Φ D and the current phase difference Φ C between the local and transmit laser waves
u₁(t) = U₀ · cos (ΦD - ΦC)u₁ (t) = U₀cos (Φ D - Φ C )
u₂(t) = U₀ · sin (ΦD - ΦC)u₂ (t) = U₀sin (Φ D - Φ C )
Das Signal u₁(t) wird in der Multiplikationsstelle MI1 mit der Schwingung des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) multipliziert, u₂(t) in MI₂ mit der um +90° phasenverschobenen Schwingung. Die mathematische Behandlung des vollständigen Phasenregelkreises zeigt, daß sich im eingerasteten Zustand des Regelkreises die Schwingung des VCO als Funktion cos(ΦC) des momentanen Phasenversatzes ΦC zwischen Lokal- und Sendelaserwelle schreiben läßt. Die Addition der beiden Produktsignale in SI ergibt das gewünschte Datensignal uI(t) des Inphasezweiges.The signal u₁ (t) is multiplied in the multiplication point M I1 by the oscillation of the voltage-controlled oscillator (VCO), u₂ (t) in M I ₂ by the oscillation phase-shifted by + 90 °. The mathematical treatment of the complete phase locked loop shows that in the locked state of the control loop, the oscillation of the VCO can be written as a function cos (Φ C ) of the current phase shift Φ C between the local and transmit laser waves. The addition of the two product signals in S I results in the desired data signal u I (t) of the in-phase branch.
uI(t) = cos (ΦC) · U₀ · cos (ΦD - ΦC) + cos (ΦC + 90°) · U₀ · sin (ΦD - ΦC)
= U₀ · cos (ΦD)u I (t) = cos (Φ C ) · U₀ · cos (Φ D - Φ C ) + cos (Φ C + 90 °) · U₀ · sin (Φ D - Φ C )
= U₀cos (Φ D )
Im gleichen Sinne wird in der Multiplikationsstelle MQ1 das Signal u₁(t) mit der um -90° phasenverschobenen Schwingung des VCO und u₂(t) in MQ2 mit der unverschobenen Schwingung multipliziert. Die Addition der Teilsignale in SQ bildet das Quadraturdatensignal uQ(t).In the same sense, in the multiplication point M Q1 the signal u ₁ (t) is multiplied by the phase-shifted vibration of the VCO and u₂ (t) in M Q2 by the undisplaced vibration. The addition of the partial signals in S Q forms the quadrature data signal u Q (t).
uQ(t) = cos (ΦC - 90°) · U₀ · cos (ΦD - ΦC) + cos (ΦC) · U₀ · sin (ΦD - ΦC)
= U₀ · sin (ΦD)u Q (t) = cos (Φ C - 90 °) · U₀ · cos (Φ D - Φ C ) + cos (Φ C ) · U₀ · sin (Φ D - Φ C )
= U₀sin (Φ D )
Aus den Datensignalen uI(t) und uQ(t) werden mittels Entscheider und Gewinnung des Phasendifferenzsignals (EGP) die binären Daten vI(t) und vQ(t) entschieden sowie das Phasendifferenzsignal ε(t) erzeugt. Das durch das Schleifenfilter F(p) gefilterte Signal steuert den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO).The binary data v I (t) and v Q (t) are decided from the data signals u I (t) and u Q (t) by means of a decision maker and obtaining the phase difference signal (EGP) and the phase difference signal ε (t) is generated. The signal filtered by the loop filter F (p) controls the voltage controlled oscillator (VCO).
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Empfängeranordnung nach Fig. 1 ist in Fig. 2 gezeigt. Da die technische Realisierung eines optischen 90°-Hybrids bislang sehr aufwendig ist (siehe z. B. Hoffmann, D. et al. in Electronics Letters 24 (1988) 22, S. 1374-1375), kann an dessen Stelle auch ein 3 × 3-Koppler verwendet werden. Das Übertragungsverhalten eines solchen Kopplers wird ausführlich von Priest, R. G. (in Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, Nr. 10, Okt. 1982, S. 1601-1603) behandelt. Die optischen Wellen eS(t) und eL(t) belegen je einen Eingang des Kopplers, ein Eingang bleibt offen. Die drei optischen Ausgangswellen e₁(t), e₂(t) und e₃(t) liefern nach der Umsetzung durch die Photodioden mit den anschließenden Photostromverstärkern die elektrischen Signale u₁(t), u₂(t) und u₃(t). Sie werden in den Multiplikationsstellen MI1, MI2 und MI3 mit der um +120°, -120° bzw. 0° phasenverschobenen VCO-Schwingung multipliziert. Die Addition SI der drei Produktsignale liefert das Inphasedatensignal uI(t). Die Multiplikationen von u₁(t), u₂(t) und u₃(t) in MQ1, MQ2 und MQ3 mit der um +30°, -210° bzw. -90° verschobenen Schwingung und die anschließende Summation SQ ergeben das Datensignal uQ(t) des Quadraturzweiges. Die weitere Verarbeitung erfolgt in Analogie zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung.An advantageous development of the receiver arrangement according to FIG. 1 is shown in FIG. 2. Since the technical implementation of an optical 90 ° hybrid has so far been very complex (see e.g. Hoffmann, D. et al. In Electronics Letters 24 (1988) 22, pp. 1374-1375), a 3 × 3 couplers can be used. The transmission behavior of such a coupler is dealt with in detail by Priest, RG (in Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, No. 10, Oct. 1982, pp. 1601-1603). The optical waves e S (t) and e L (t) each occupy one input of the coupler, one input remains open. The three optical output waves e₁ (t), e₂ (t) and e₃ (t) deliver the electrical signals u₁ (t), u₂ (t) and u₃ (t) after the implementation by the photodiodes with the subsequent photocurrent amplifiers. They are multiplied in the multiplication points M I1 , M I2 and M I3 by the VCO oscillation phase-shifted by + 120 °, -120 ° or 0 °. The addition S I of the three product signals provides the in-phase data signal u I (t). The multiplications of u₁ (t), u₂ (t) and u₃ (t) in M Q1 , M Q2 and M Q3 with the vibration shifted by + 30 °, -210 ° or -90 ° and the subsequent summation S Q result the data signal u Q (t) of the quadrature branch. Further processing takes place in analogy to the arrangement shown in FIG. 1.
Eine wesentliche Erleichterung bei der Realisierung des in Fig. 2 gezeigten Empfängers wird mit einer Digitalisierung der drei Signale u₁(t), u₂(t) und u₃(t) mittels dreier Analog/Digital-Wandler erreicht. Alle nachfolgenden Verarbeitungsschritte wie Multiplikation, Addition, Entscheidung und Phasenregelung können dann mit Hilfe digitaler Bausteine durchgeführt werden. Insbesondere der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) kann gemäß Fig. 3 vorteilhaft durch eine Integration (I) des vom Schleifenfilter kommenden Signals und eine sogenannte Look-Up Table (LUT) ersetzt werden. In dieser Look-Up Table ist für jede einzelne Multiplikationsstelle eine Periode der um die entsprechende Phase verschobenen Schwingung als Wertetabelle abgelegt. Das integrierte Schleifenfiltersignal liefert die Adresse der vier (für den Empfänger nach Fig. 1) bzw. sechs (für den Empfänger nach Fig. 2) Speicherzellen, deren Inhalte an die digitalen Multiplikationsstellen ausgegeben werden.A significant relief in the implementation of the receiver shown in Fig. 2 is achieved by digitizing the three signals u₁ (t), u₂ (t) and u₃ (t) by means of three analog / digital converters. All subsequent processing steps such as multiplication, addition, decision and phase control can then be carried out using digital modules. In particular, the voltage-controlled oscillator (VCO) can advantageously be replaced according to FIG. 3 by an integration (I) of the signal coming from the loop filter and a so-called look-up table (LUT). In this look-up table, a period of the oscillation shifted by the corresponding phase is stored as a value table for each individual multiplication point. The integrated loop filter signal supplies the address of the four (for the receiver according to FIG. 1) or six (for the receiver according to FIG. 2) memory cells, the contents of which are output to the digital multiplication points.
Claims (3)
daß die modulierte Sendewelle am ersten Eingang und die Lokallaserwelle am zweiten Eingang eines optischen 90°-Hybrids eingekoppelt werden,
daß die beiden Ausgänge des optischen 90°-Hybrids mit je einer Photodiode und einem nachgeschalteten Photostromverstärker verbunden sind,
daß der Ausgang des ersten Photostromverstärkers mit den Multiplikationsstellen MI1 und MQ1 und der Ausgang des zweiten Photostromverstärkers mit den Multiplikationsstellen MI2 und MQ2 verbunden sind,
daß die Ausgänge von MI1 und MI2 mit je einem Eingang des Summierers SI und die Ausgänge von MQ1 und MQ2 mit je einem Eingang des Summierers SQ verbunden sind,
daß die Ausgänge der beiden Summierer den Datensignalen in Inphase- und Quadraturkanal entsprechen und mit der Schaltung zur Entscheidung der binären Daten und zur Gewinnung des Phasendifferenzsignals ε(t) verbunden sind,
daß das Phasendifferenzsignal ε(t) über das Schleifenfilter F(p) einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) mit vier gleichwertigen Ausgängen ansteuert,
daß der erste Ausgang des VCO mit der Multiplikationsstelle MI1, der zweite Ausgang über einen (+90°)-Phasenschieber mit MI2, der dritte Ausgang über einen (-90°)-Phasenschieber mit MQ1 und der vierte Ausgang direkt mit MQ2 verbunden sind.1. An optical heterodyne receiver for coherent demodulation of orthogonal quaternary phase modulated optical signals characterized in
that the modulated transmission wave is coupled in at the first input and the local laser wave at the second input of an optical 90 ° hybrid,
that the two outputs of the optical 90 ° hybrid are each connected to a photodiode and a downstream photocurrent amplifier,
that the output of the first photocurrent amplifier is connected to the multiplication points M I1 and M Q1 and the output of the second photocurrent amplifier is connected to the multiplication points M I2 and M Q2 ,
that the outputs of M I1 and M I2 are each connected to an input of the summer S I and the outputs of M Q1 and M Q2 are each connected to an input of the summer S Q ,
that the outputs of the two summers correspond to the data signals in the in-phase and quadrature channels and are connected to the circuit for deciding the binary data and for obtaining the phase difference signal ε (t),
that the phase difference signal ε (t) controls a voltage-controlled oscillator (VCO) with four equivalent outputs via the loop filter F (p),
that the first output of the VCO with the multiplication point M I1 , the second output via a (+ 90 °) phase shifter with M I2 , the third output via a (-90 °) phase shifter with M Q1 and the fourth output directly with M Q2 are connected.
daß die modulierte Sendewelle am ersten Eingang, die Lokallaserwelle am zweiten Eingang eines optischen 3 × 3-Kopplers eingekoppelt werden und der dritte Eingang unbeschaltet bleibt,
daß die drei Ausgänge des optischen 3 × 3-Kopplers mit je einer Photodiode und einem nachgeschalteten Photostromverstärker verbunden sind,
daß der Ausgang des ersten Photostromverstärkers mit den Multiplikationsstellen MI1 und MQ1, der Ausgang des zweiten Photostromverstärkers mit den Multiplikationsstellen MI2 und MQ2 und der Ausgang des dritten Photostromverstärkers mit den Multiplikationsstellen MI3 und MQ3 verbunden sind,
daß die Ausgänge von MI1, MI2 und MI3 mit je einem Eingang des Summierers SI und die Ausgänge von MQ1, MQ2 und MQ3 mit je einem Eingang des Summierers SQ verbunden sind,
daß die Ausgänge der beiden Summierer den Datensignalen in Inphase- und Quadraturkanal entsprechen und mit der Schaltung zur Entscheidung der binären Daten und zur Gewinnung des Phasendifferenzsignals verbunden sind, daß das Phasendifferenzsignal über das Schleifenfilter F(p) einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) mit sechs gleichwertigen Ausgängen ansteuert, daß der erste Ausgang des VCO über einen (+120°)-Phasenschieber mit der Multiplikationsstelle MI1, der zweite Ausgang über einen (-120°)-Phasenschieber mit MI2, der dritte Ausgang direkt mit MI3, der vierte über einen (+30°)-Phasenschieber mit MQ1, der fünfte Ausgang über einen (-210°)- Phasenschieber mit MQ2 und der sechste Ausgang über einen (-90°)- Phasenschieber mit MQ3 verbunden sind.2. Optical superimposed receiver for coherent orthogonal demodulation of quaternary phase-modulated optical signals, characterized in that
that the modulated transmission wave is coupled in at the first input, the local laser wave at the second input of an optical 3 × 3 coupler and the third input remains unconnected,
that the three outputs of the optical 3 × 3 coupler are each connected to a photodiode and a downstream photocurrent amplifier,
that the output of the first photocurrent amplifier is connected to the multiplication points M I1 and M Q1 , the output of the second photocurrent amplifier is connected to the multiplication points M I2 and M Q2 and the output of the third photocurrent amplifier is connected to the multiplication points M I3 and M Q3 ,
that the outputs of M I1 , M I2 and M I3 are each connected to an input of the summer S I and the outputs of M Q1 , M Q2 and M Q3 are each connected to an input of the summer S Q ,
that the outputs of the two summers correspond to the data signals in the in-phase and quadrature channels and are connected to the circuit for deciding the binary data and for obtaining the phase difference signal, that the phase difference signal via the loop filter F (p) is a voltage-controlled oscillator (VCO) with six equivalents Outputs controls that the first output of the VCO via a (+ 120 °) phase shifter with the multiplication point M I1 , the second output via a (-120 °) phase shifter with M I2 , the third output directly with M I3 , the fourth are connected to M Q1 via a (+ 30 °) phase shifter, the fifth output is connected to M Q2 via a (-210 °) phase shifter and the sixth output is connected to M Q3 via a (-90 °) phase shifter.
daß jedem Photostromverstärker je ein Analog/Digital-Wandler folgt,
daß die Multiplikationsstellen, die Summierer, die Schaltung zur Entscheidung binärer Daten und zur Gewinnung des Phasendifferenzsignals und das Schleifenfilter mittels digitaler Bausteine realisiert werden,
daß der VCO und die Phasenschieber mittels eines digitalen Integrierers und einer Look-Up Table (LUT) mit vier bzw. sechs Wertetabellen realisiert werden,
daß in den Wertetabellen die digitalen Werte der vollen Periode einer Schwingung einschließlich Phasenverschiebung gespeichert sind.3. Optical overlay receiver according to claim 1 or 2, characterized in that
that each photocurrent amplifier is followed by an analog / digital converter,
that the multiplication points, the summers, the circuit for deciding binary data and for obtaining the phase difference signal and the loop filter are implemented by means of digital components,
that the VCO and the phase shifters are implemented using a digital integrator and a look-up table (LUT) with four or six value tables,
that the digital values of the full period of an oscillation including the phase shift are stored in the value tables.
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| DE19893924186 DE3924186A1 (en) | 1989-07-21 | 1989-07-21 | Optical QPSK modulated signal receiver - processes optical signal in electrical part with IF as separation of local and transmitter laser |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0498309A2 (en) * | 1991-02-06 | 1992-08-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Optical superheterodyne receiver for coherent demodulation of multi-stage phase-modulated lightwaves |
| KR100380877B1 (en) * | 1994-06-30 | 2003-07-18 | 소니 가부시끼 가이샤 | Digital signal transmission device, digital signal transmission method and digital signal transmission and reception device |
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1989
- 1989-07-21 DE DE19893924186 patent/DE3924186A1/en not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|---|
| EP0498309A2 (en) * | 1991-02-06 | 1992-08-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Optical superheterodyne receiver for coherent demodulation of multi-stage phase-modulated lightwaves |
| EP0498309A3 (en) * | 1991-02-06 | 1993-03-17 | Siemens Aktiengesellschaft | Optical superheterodyne receiver for coherent demodulation of multi-stage phase-modulated lightwaves |
| KR100380877B1 (en) * | 1994-06-30 | 2003-07-18 | 소니 가부시끼 가이샤 | Digital signal transmission device, digital signal transmission method and digital signal transmission and reception device |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SIEMENS AG, 8000 MUENCHEN, DE |
|
| 8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: DERR, FROWIN, 8000 MUENCHEN, DE |
|
| 8141 | Disposal/no request for examination |