DE4103687A1 - Phasenregelschleife zur demodulation - Google Patents

Phasenregelschleife zur demodulation

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    • H03D3/02Demodulation of angle-, frequency- or phase- modulated oscillations by detecting phase difference between two signals obtained from input signal
    • H03D3/24Modifications of demodulators to reject or remove amplitude variations by means of locked-in oscillator circuits
    • H03D3/241Modifications of demodulators to reject or remove amplitude variations by means of locked-in oscillator circuits the oscillator being part of a phase locked loop
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FDEVICES OR ARRANGEMENTS, THE OPTICAL OPERATION OF WHICH IS MODIFIED BY CHANGING THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIUM OF THE DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF THE INTENSITY, COLOUR, PHASE, POLARISATION OR DIRECTION OF LIGHT, e.g. SWITCHING, GATING, MODULATING OR DEMODULATING; TECHNIQUES OR PROCEDURES FOR THE OPERATION THEREOF; FREQUENCY-CHANGING; NON-LINEAR OPTICS; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2/00Demodulating light; Transferring the modulation of modulated light; Frequency-changing of light

Description

Die Erfindung betrifft eine Phasenregelschleife zur Demodulation optischer Signale, insbesondere analogfrequenz- oder phasenmodu­ lierter optischer Signale nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

ln der Breitbandkommunikationstechnik kommt der Übertragung von Signalen mittels Lichtwellenleitern ständig größere Bedeutung zu. Speziell bei der gleichzeitigen Übertragung einer Vielzahl von Fernsehprogrammen in hoher Qualität wendet man nach dem heuti­ gen Standard die analoge Intensitätsmodulation von Halbleiterla­ sern an.

Der optische Überlagerungsempfang, bei dem der am Empfänger ankommenden Signalwelle die Welle eines zum Empfänger gehören­ den lokalen Lasers überlagert und das entstehende Mischprodukt ausgewertet wird, bietet die Möglichkeit, auch andere Modula­ tionsverfahren, wie Frequenz- oder Phasenmodulation, für optische Signale einzusetzen.

Eine Demodulation frequenz- oder phasenmodulierter optischer Signale kann dabei in bekannter Weise mittels einer Phasenregel­ schleife (Phase-Locked-Loop) durchgeführt werden. Diese Schaltung eignet sich bekanntermaßen vor allem zur Demodulation frequenz­ modulierte Signale, wobei die vom Phasendetektor gelieferte Span­ nung dann gleich der Modulationsspannung ist.

Eine derartige nach dem Stand der Technik bekannte Phasenregel­ schleife zur Demodulation analoger frequenzmodulierter optischer Signale wird anhand von Fig. 2 näher erläutert.

Die Phasenregelschleife gemäß Fig. 2 umfaßt eine Fotodiode 1 als Phasendiskriminator, auch Phasendetektor PD genannt, sowie einen Schleifenfilter 3 und einen spannungsgesteuerten Oszillator 5 (voltage controlled oszillator VCO), der im gezeigten Ausführungs­ beispiel aus einem Laser, insbesondere einem Halbleiterlaser, be­ steht.

Das von einem Laser empfangene und beispielsweise über einen Lichtwellenleiter übertragene optische Signal mit dem Phasenwinkel ϕe wird dem Phasenkomparator 1 zugeführt und mit dem vom spannungsgesteuerten optischen Oszillator 5 erzeugten optischen Signal mit der Phase ϕo verglichen. Sind beide Frequenzen gleich und die Phasenwinkel unterschiedlich, so erzeugt der Pha­ senkomparator 1 eine der Phasendifferenz proportionale Spannung

Ud = Kd · (ϕe - ϕo) (1)

Diese Ausgangsspannung kann gegebenenfalls noch verstärkt wer­ den (wie in Fig. 2 nicht näher dargestellt ist) und wird nach­ folgend in dem Schleifenfilter 3 gefiltert.

Das so erhaltene Ausgangs- oder Fehlerspannungs-Signal Uf, wel­ ches sich linear mit der Eingangsfrequenz ändert und als elektri­ sches Empfangssignal weiter verarbeitet wird, wird in der er­ wähnten Phasenregelschleife wiederum dem spannungsgesteuerten optischen Oszillator, d. h. dem Laser 5, zugeführt.

Weicht die Frequenz dieses Lasers 5 von der empfangenen Fre­ quenz ab, wird der spannungsgesteuerte optische Oszillator 5 durch eine entsprechend hohe Steuerspannung in die entgegenge­ setzte Richtung gezogen, bis der Kreis "einrastet", also eine sog. "eingerastete Phasenregelschleife" (Phase-Locked-Loop PLL) vor­ liegt. Weist der spannungsgesteuerte optische Oszillator 5 die Übertragungsfunktion K0 auf, so ergibt sich hierdurch eine Aus­ gangskreisfrequenz von

Obgleich sich ein derartiger, anhand von Fig. 2 erläuterter, nach dem Stand der Technik bekannter Phasenregelkreis an sich bewährt hat, ergeben sich für die Handhabung in der Praxis ins­ besondere im Hinblick auf die Stabilisieriung des Arbeitspunktes des Phasendetektors schwerwiegende Probleme.

Um dieses Problem, den Arbeitspunkt stabil zu halten, besser verstehen zu können, wird auf folgenden Hintergrund verwiesen:
Ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 das Eingangssig­ nal frequenzmoduliert mit der momenten Frequenzabweichung

wobei m(t) das modulierende Signal, F der Frequenzhub und fm die Modulationsfrequenz ist, wird die Laplace-Transformierte M(s) des modulierenden Signals

M(s) = s · ϕe(s) (4)

wobei s die unabhängige Variable der Laplace-Transformierten ist.

Mit der Verstärkung der geschlossenen Schleife

ergibt sich

wobei K0 und Kd die jeweilige Übertragungsfunktion und Uf die sog. Fehlerspannung darstellt.

Aus Gleichung (6) wird die Funktion der Phasenregelschaltung als linearer Frequenzdemodulator deutlich.

Wendet man dieses Prinzip der Phasenregelschaltung, wie anhand von Fig. 2 erläutert, für den Überlagerungsempfang optischer Signale an, so ergeben sich die elektrischen Feldstärken der auf die Fotdiode fallenden Wellen für das Eingangssignal mit

Ee(t) = Êe · cos (ωet + ϕe) (7)

und für den spannungsgesteuerten Oszillator zu

Eo(t) = Êo · cos (ωot + ϕo) (8)

Der Fotostrom ist proportional zur gesamten Lichtleistung, also

iF(t) ∼(Ee + Eo) · (Ee + Eo)*
= Êe² + Êo² + 2ÊeÊo cos[(ωe - ωo)t + ϕe - ϕo] (9)

Geht man von den Feldstärken Ee und Eo auf die entsprechende Leistung Pe und Po über und führt die spektrale Empfindlichkeit SE ein, so wird der genutzte Anteil im Fotostrom

Im eingelockten, d. h. im sog. "eingerasteten" Zustand der Pha­ senregelschaltung ist ωe = ωo:

Der Arbeitspunkt wird vorzugsweise so gewählt, daß ϕeo = Π/2 wird. In diesem Arbeitspunkt ist eine lineare Näherung möglich, die sich ergibt zu

(RT - Transimpedanz der Fotempfänger-Eingangsstufe).

Aus Gleichung (9) ist ersichtlich, daß eines der Hauptprobleme bei der Realisierung der optischen Phasenregelschaltung als Fre­ quenzdemodulator darin besteht, daß dem Nutzanteil des Foto­ stromes gemäß Gleichung (9) die beiden vom Eingangssignal und vom spannungsgesteuerten Oszillator stammenden Gleichkomponenten überlagert sind, was die genaue Einstellung des Arbeitspunktes ϕeo = Π/2 erschwert- Außerdem ist aus schaltungstechni­ schen Gründen eine Gleichstromkopplung der gesamten Phasenregel­ schaltung äußerst problematisch und sollte daher vermieden wer­ den.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, eine Pha­ senregelschleife zur Demodulation frequenz- und phasenmodulierter optischer Signale zu schaffen, mit der der Arbeitspunkt des Pha­ sendetektors stets konstant gehalten und stabilisiert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die vorliegende Erfindung kann nunmehr erstmals bei einer zur Demodulation optischer Signale verwandten Phasenregelschleife der Arbeitspunkt des lokalen Laser-Oszillators problemlos stabil gehalten werden. Dies wird erfindungsgemäß mittels eines Pilotge­ nerators ermöglicht, worüber ein Pilotsignal erzeugt wird, dessen Frequenz kleiner als die kleinste zu übertragende Frequenz des Nutzsignalbandes ist. Dabei wird der Laser als senderseitiger Lo­ kal-Oszillator zusätzlich zum Ausgangssignal des Schleifenfilters mit diesem Pilotsignal in seiner Phase moduliert, wobei das Aus­ gangssignal des Phasendetektors dann bei dieser Pilotfrequenz ausgewertet und zur Nachregelung des optischen Oszillators im Sinne einer Stabilisierung des Arbeitspunktes des Phasendetektors verwandt wird.

Die Auswertung des Pilotsignales kann unterschiedlich erfolgen, wobei in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Auswer­ tung des Pilotsignales in einer symmetrischen Begrenzung des Wechselanteiles bei der Frequenz fp besteht, wodurch bei einem Abtriften des Arbeitspunktes aus seiner Optimallage in eine Rich­ tung stets die richtungsabhängige Rückführung und Gegensteue­ rung zur Stabilisierung des Arbeitspunktes vorgenommen werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren weiter erläu­ tert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen optischen Phasenregelschleifen-Frequenzdemodulators;

Fig. 2 einen schematischen Schaltplan einer Phasenregel­ schleife nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine bevorzugte schematische Schaltungsanordnung bezüglich der in Fig. 1 dargestellten Auswerteein­ heit;

Fig. 4a bis 4d Spannungsverläufe an den Punkten A, B bzw. C entsprechend Fig. 3 zur Erläute­ rung des Pilotsignals für den optimalen Ar­ beitspunkt;

Fig. 5a bis 5d eine analoge Darstellung zu Fig. 4a bis 4d für einen anderen Arbeitspunkt;

Fig. 6a bis 6d eine weitere Abwandlung mit einem nochmals unterschiedlichen Arbeitspunkt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Fig. 1 und 3 ff. näher er­ läutert.

Die erfindungsgemäße Phasenregelschleife gemäß Fig. 1 unter­ scheidet sich von der gemäß Fig. 2 wiedergegebenen vorbekann­ ten Phasenregelschleife im wesentlichen durch die Stabilisierungs­ schaltung 9, die einen Pilotgenerator 11 und zusätzlich eine Aus­ wertschaltung 13 sowie ein Pilotfrequenz-Filter 15 umfaßt. Im ge­ zeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist zusätzlich noch ein Zwischenverstärker 17 und ein Pilotfrequenz-Sperrfilter 19 vorge­ sehen.

Der Grundaufbau der Phasenregelschleife entspricht Fig. 2 wobei die von der Fotodiode 1 als Phasenkomparator am Ausgang anste­ hende, ein Maß der Phasendifferenz wiederspiegelnde Ausgangs­ spannung über den Zwischenverstärker 17 zwischenverstärkt und dem Schleifenfilter 3 zugeführt wird.

Das Fehlersignal wird dann in bekannter Weise über den span­ nungsgesteuerten Oszillator in Form eines Halbleiter-Lasers 5 in optische Signale umgesetzt, die ebenfalls wieder dem Phasenkom­ parator 1 zugeführt werden.

Zur Stabilisierung des Arbeitspunktes wird nun mittels des Pilot­ generators 11 ein vorzugsweise sinusförmiges Pilotsignal erzeugt, dessen Frequenz fp kleiner ist als die kleinste zu übertragende Frequenz des Nutzsignalbandes. Dieses Pilotsignal SP wird am Summenpunkt 21 dem Fehlersignal Uf aufaddiert.

Damit das Pilotsignal SP bei Rückumsetzung über die Fotdiode 1 nicht durch den Schleifenfilter 3 hindurchgelassen wird, ist zwi­ schen dem Schleifenfilter 3 und dem Abzweigpunkt 23 noch das er­ wähnte Pilotfrequenz-Sperrfilter 19 vorgeschaltet.

In der vom Abzweigpunkt 23 nachgeschalteten Zweigleitung ist das erwähnte, nur die Pilotfrequenzen hindurchlassende Pilotfrequenz- Filter 15 und die nachgeordnete Auswertschaltung 13 geschaltet, deren Ausgang in einem weiteren Summenpunkt 25 dem Fehlersignal Uf aufaddiert wird.

Aus Gleichung (10) ist zu erkennen, daß die Steilheit des Phasen­ detektors 1 im Arbeitspunkt ϕeo = Π/2 am größten ist, das in diesem Fall der Kosinus durch Null geht. Eine Möglichkeit der Auswertung wäre daher ein ständig automatischer (z. B. mit Hilfe eines Mikrocontrollers) vorzunehmender Abgleich im Hinblick auf einen maximalen Pilotpegel am Ausgang des Phasendetektors. Würde also durch den Microcontroller festgestellt werden, daß der Pilotpegel abnimmt, so müßte eine entsprechende Gegensteuerung vorgenommen werden, so daß der Arbeitspunkt im Sinne einer Sta­ bilisierung wieder beim Wert Π/2 für die vorstehend genannte Phasendifferenz liegt. Der Nachteil dieser Methode besteht aller­ dings darin, daß die Abweichung vom Arbeitspunkt in beiden Richtungen, d. h. also ϕeo < 0 bzw. ϕeo < 0 zu einem kleineren Pilotpegel führt. Um eine Rückführung im Sinne der Stabilisierung des Arbeitspunktes in der richtigen Rich­ tung zu bewerkstelligen, würde eine derartige Auswertschaltung jedoch eine Wegoptimierung erfordern, um zu erkennen, ob die Ab­ weichung des maximalen Pilotpegels eine Rückführung des Arbeits­ punktes nach unten bzw. nach oben hin auf der Kosinusflanke er­ fordern würde. Würde eine derartige Auswertung mittels eines Computers vorgenommen werden, so besteht zudem die Gefahr, daß die Auswertschaltung zu langsam arbeitet und von daher eine stets, praktisch verzögerungsfrei arbeitende Stabilisierung nicht erzielbar ist.

Dieser Nachteil wird jedoch in einer Schaltung gemäß Fig. 3 vermieden, die nachfolgend auch unter Bezugnahme auf die Fig. 4a bis 6d näher erläutert wird.

Gemäß der Auswertschaltung 13 nach Fig. 3 ist ein Begrenzer 27, d. h. ein Amplituden-Begrenzer mit nachgeschaltetem, z. B. einen Widerstand 29 und einen Kondensator 31 umfassenden Tiefpaß 33 mit vorgeschaltetem Hochpaß 35 vorgesehen, wobei der Kondensator 31 des Hochpasses 35 den Wechselanteil des Pilotfrequenzsignales ausfiltert. Die Wirkungsweise dieses Amplituden-Begrenzers 27 wird nachfolgend anhand der Fig. 4a bis 4d näher erläutert.

In Fig. 4a ist das Nutzsignal iFnutz gemäß Gleichung (11) mit dem Cos (ϕeo) dargestellt. Schließlich ist das bevorzugt sinusförmige Pilotfrequenzsignal SP mit einer Sinusphase abgebil­ det, wobei der Arbeitspunkt an seinem Idealpunkt am Nulldurch­ gang des Kosinus liegt und dort stabilisiert werden soll.

Dieses sinusförmige Pilotfrequenzsignal SP führt amplitudenab­ hängig bei der Auswertung der Phasenregelschleife zu der Span­ nung Ua, wie sie an der Stelle "A" am Eingang des Begrenzers 27 gemessen werden kann. Diese Spannung UA ist in Fig. 4b noch­ mals dargestellt.

Durch den Begrenzer 27 wird entsprechend der strichlierten Dar­ stellung in Fig. 4b die sinusförmige Spannung UA begrenzt, so daß sich im wesentlichen die gemäß Fig. 4c dargestellte Recht­ eck-Ausgangsspannung Ub am Ausgang des Begrenzers ergibt.

Durch den nachgeschalteten Tiefpaß 33 ergibt sich durch die In­ tegration am Ausgang "C" in Fig. 3 der Gesamtwert "Null", wie dies in Fig. 4d für die dem Summenpunkt 25 zugeführte Spanung Uc dargestellt ist.

Sollte beispielsweise, wie in den Fig. 5a bis 5d wiedergege­ ben, der Arbeitspunkt Ap vom Nullpunkt des Kosinus hin zu einer kleineren Phasendifferenz verschoben werden, so ergibt sich über­ trieben dargestellt am Eingang des Begrenzers die Spannung UA, (Fig. 5b), die nach erfolgter Begrenzung zu dem in Fig. 5c dargestellten ungleichmäßigen Rechteckimpuls führt. Durch den Tiefpaß und die dadurch bewirkte Integration ergibt sich ein Mittelwert UC gemäß Fig. 5d, der dann am Summenpunkt 25 dem Fehlersignal Uf der Phasenregelschleife aufaddiert wird. Hierdurch kann richtungsabgängig sofort eine Rückführung des Arbeitspunk­ tes Ap hin zu seinem optimalen Wert gemäß Fig. 5a durchgeführt werden.

Bei einer umgekehrten Destabilisierung des Arbeitspunktes Ap gemäß den Fig. 6a bis 6d ergibt sich letztlich durch die Begrenzung im Begrenzer 27 und den Tiefpaß 33 durch die vorge­ nommene Integration ein negativer Mittelwert Uc gemäß Fig. 6b, so daß eine entsprechend umgekehrte Rückführung des Arbeits­ punktes hin zu seinem optimalen Wert durchgeführt wird.

Aus dem zuletzt erläuterten Ausführungsbeispiel ist also ersicht­ lich, daß eine so aufgebaute Auswerteinheit Diskriminatorverhalten hat, d. h. die Ausgangsspannung ist im gewünschten Arbeitspunkt Null, wobei bei einer Abweichung der Phasendifferenz vom Soll­ wert das Vorzeichen der Ausgangsspannung je nach Richtung der Abweichung positiv oder negativ ist.

Das Pilotsignal besteht vorzugsweise aus einem sinusförmigen Sig­ nal. Aber auch andere Pilotsignal-Formen (z. B. sägezahnförmig etc.) sind grundsätzlich möglich und können als Zusatzsignal zur Stabilisierung des Arbeitspunktes eingesetzt werden.

Das erläuterte Ausführungsbeispiel ist für den Fall der Übertra­ gung von analog-frequenzmodulierten optischen Signalen erläutert worden. Die Anwendung ist aber nicht hierauf beschränkt. Auch zur Demodulation nicht-analoger digitalisierter optischer Signale ist die erläuterte Phasenregelschleife verwendbar.

Schließlich wird auch noch erwähnt, daß es günstig sein kann, wenn die erläuterte Phasenregelschleife beim Einschalten einer entsprechenden Demodulations-Anlage für optische Signale nicht von Anfang an, sondern über eine separate Kontrolleinheit später zuschaltbar ausgebildet ist. Denn nach dem sog. Hochfahren der Anlage sollte zunächst einmal ohne die erfindungsgemäße Phasen­ regelschleife die Frequenz des VCO der Signalfrequenz angeglichen werden, so daß dann erst nach Zuschalten der Kontrolleinheit die erfindungsgemäße Phasenregelschleife aktiviert wird, um dann einen optimal vorgewählten Arbeitspunkt exakt einzustellen und stabilisiert festzuhalten.

Claims (7)

1. Phasenregelschleife zur Demodulation vorzugsweise analogfre­ quenz- oder phasenmodulierter optischer Signale, bestehend aus einem optischen Phasenkomparator (1), einem Schleifenfilter (3), einem elektrisch in seiner Frequenz steuerbaren optischen Oszil­ lator ( 5), dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Pilotgenerator (11) sowie eine Auswertschaltung (13) vorgesehen sind, und daß der Oszillator (5) zusätzlich zum Ausgangssignal des Schlei­ fenfilters (Uf) mit dem Pilotsignal (SP), dessen Frequenz (fp) kleiner als die kleinste zu übertragene Frequenz des Nutzsignal­ bandes ist, in seiner Phase moduliert wird, wobei das Ausgangs­ signal des Phasenkomparators ( 1) bezüglich der Pilotfrequenz (fp) auswertbar und durch die Auswertschaltung (13) der Oszillator (5) so nachregelbar ist, daß der Arbeitspunkt des Phasenkompa­ rators (1) stabilisiert wird.
2. Phasenregelschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pilotsignal (fp) sinusförmig ist.
3. Phasenregelschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pilotsignal (fp) sägezahnförmig ist.
4. Phasenregelschleife nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertschaltung (13) auf der Basis der Erkennung eines maximalen Pilotpegels sowie dessen möglicher Ab­ weichung arbeitet.
5. Phasenregelschleife nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine sequentielle Abweichrichtung-Erkennungsschaltung zur Erkennung der Abtriftrichtung und richtungsabhängigen Rück­ führung des Arbeitspunktes von bzw. zu dessem Optimalwert vor­ gesehen ist.
6. Phasenregelschleife nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertschaltung (13) des Pilotsignals (fp) einen Amplituden-Begrenzer (27) und einen nachgeordneten Tiefpaß (33) umfaßt.
7. Phasenregelschleife nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pilotgenerator (11) über eine automati­ sche Kontrolleinheit wahlweise zuschaltbar ist.
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