DE4110138C1

DE4110138C1 - Carrier recovery for optical PSK homodyne receiver - by rotating local oscillator phase 90 deg. for one synchronisation bit period to produce phase error signal

Info

Publication number: DE4110138C1
Application number: DE19914110138
Authority: DE
Inventors: Bernhard 8919 Greifenberg De Wandernoth
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1991-03-27
Filing date: 1991-03-27
Publication date: 1992-03-05
Anticipated expiration: 2011-03-28

Abstract

A phase error signal is extracted which is necessary for phase synchronisation of the local oscillator (41), whereby after each n bits, for the period of one synchronisation bit, the local oscillator phase is rotated about 90 deg., then the base-band signal, produced by adding the received signal to the oscillator signal, is sampled. A sample value of the phase error signal multiplied with the polarity of the synch. bit, stored in a memory, is produced and passed to the local oscillator (41) via controllers and actuators for phase correction. ADVANTAGE - Enables less expensive components to be used to achieve at least same results as cost of loop. Enables reliable data transmission and so differential coding is not needed. Phase synchronisation is insensitive to polarisation fluctuations.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trägerrückgewinnung in einem optischen PSK-Homodyn-Empfänger mit einem Lokaloszillator.The invention relates to a method for carrier recovery in an optical PSK homodyne receiver with a local oscillator.

In der optischen Nachrichtentechnik ist ein Übertragungssystem, dessen Empfänger die mittels einer Phasenmodulation übertragene Information mit Hilfe einer Referenzphase zurückgewinnt, was als ein PSK-(Phase Shifting Keying-)Homodynempfang bezeichnet wird, hinsichtlich der Empfänger-Empfindlichkeit das derzeit bestmögliche System, da ein PSK- Homodyn-Empfänger im Vergleich zu anderen Modulations-Empfängerarten für eine geforderte Bitfehler-Wahrscheinlichkeit die geringste Signalleistung benötigt. In einem PSK-Homodyn- Empfänger wird eine Phasenregelung eines Lokallasers benötigt; das hierzu im allgemeinen angewendete Verfahren ist die spsäter im einzelnen genauer beschriebene, sogenannte Costas Loop-Methode mit einer Entscheidungsrückkopplung, da diese Methode im Vergleich zu anderen Verfahren die besten Synchronisationseigenschaften aufweist.In optical communications technology, there is a transmission system the receiver of which by means of a phase modulation recover transmitted information using a reference phase, what as a PSK (Phase Shifting Keying) homodyne reception is referred to in terms of receiver sensitivity currently the best possible system, as a PSK Homodyne receiver compared to other types of modulation receivers for a required bit error probability requires the least signal power. In a PSK homodyne A phase control of a local laser is required for the receiver; is the procedure generally used for this the later described in more detail, so-called Costa's loop method with decision feedback because this method is the best compared to other methods Has synchronization properties.

Zuerst wird jedoch nach einem groben Überblick über die optische Nachrichtentechnik kurz auf den optischen Überlagerungsempfang eingegangen, und anschließend wird dann die Funktionsweise eines phasensynchronen, optischen Empfängers, d. h. eines PSK-Homodyn-Empfängers, erläutert.First, however, after a rough overview of the optical Communication technology briefly on the optical overlay reception and then the How a phase-synchronous optical receiver works, d. H. of a PSK homodyne receiver.

Aufgrund eines steigenden Bedarfs an Übertragungskapazität gewinnt innerhalb der allgemeinen Nachrichtentechnik Informationsübertragung mittels Licht zunehmend an Bedeutung. Als Übertragungsmedium dient in erster Linie die Glasfaser, die gegenüber dem Kupferkabel in vorteilhafter Weise eine höhere Übertragungskapazität, geringere Abmessungen und damit ein niedriges Gewicht, eine kleinere Dämpfung, was eine Übertragung über größere Strecken ermöglicht, ohne daß ein Regenerator verwendet werden muß, sowie eine große Störfestigkeit aufweist.Due to an increasing need for transmission capacity gains information transmission within general communications engineering becoming increasingly important with light. As The transmission medium is primarily used for fiber optics a higher than the copper cable in an advantageous manner Transmission capacity, smaller dimensions and therefore one low weight, less damping, what a transmission over longer distances without a regenerator must be used, as well as a large immunity to interference having.

Wegen der dämpfenden Eigenschaften der Erdatmosphäre wird eine optische Freiraum-Übertragung überwiegend im Weltraum als Intersatelliten-Verbindung Anwendung finden. Gegenüber Mikrowellen-Richtfunkwellen hat eine optische Freiraum-Übertragung den Vorteil, daß sich ein Lichtstrahl enger bündeln läßt und durch die so gestiegene Übertragungseffizienz kleinere Sendeleistungen und höhere Übertragungsraten ermöglicht. Außerdem werden Richtfunkstrecken auf der Erde nicht durch eine Überlappung von Frequenzbereichen gestört.Because of the damping properties of the earth's atmosphere an optical free space transmission mainly in space find application as an Intersatellite connection. Across from Microwave microwave waves have an optical free space transmission the advantage that a beam of light is focused more closely leaves and smaller due to the increased transmission efficiency Transmission power and higher transmission rates enabled. In addition, microwave links will not be on Earth disturbed by an overlap of frequency ranges.

Als einfachstes optisches Übertragungsverfahren wird heute fast ausschließlich eine Intensitätsmodulation des Lichtes, eine Direktdetektion mittels Photodetektoren eingesetzt. Demgegenüber weist der optische Überlagerungsempfang, bei dem die empfangene Lichtwelle mit dem Licht eines lokalen Lasers überlagert wird, die Vorteile einer höheren Empfindlichkeit und einer größeren Selektivität des Empfängers auf. Im übrigen können alle in der klassischen Nachrichtentechnik bekannten Modulationsverfahren angewendet werden.The simplest optical transmission method is today almost exclusively an intensity modulation of the light, direct detection using photodetectors. In contrast, the optical overlay reception shows which the received light wave with the light of a local Lasers is superimposed on the advantages of higher sensitivity and greater selectivity of the receiver. Incidentally, everyone can use the classic communications technology known modulation methods are used.

Nachdem die für einen optischen Überlagerungsempfang erforderlichen Komponenten, wie beispielsweise frequenzstabile Halbleiterlaser mit kleiner Linienbreite, optische Koppler usw., in zunehmendem Maße sehr preiswert, in Zukunft sogar in Form von integrierter Technik, zur Verfügung stehen, dürfte bei Anwendungen, bei welchen Frequenzmultiplex nötig ist oder es auf höchste Empfängerempfindlichkeit ankommt, trotz seiner hohen Komplexibilität der Überlagerungsempfänger gegenüber dem Direktempfänger bevorzugt werden.After that necessary for an optical overlay reception Components such as frequency stable Semiconductor laser with small line width, optical coupler etc., increasingly very inexpensive, in the future even in the form of integrated technology, should be used in applications where frequency division multiplexing is necessary is or it depends on the highest receiver sensitivity, despite its high level of complexity, the overlay receiver to be preferred over the direct recipient.

Bei einer Übertragung sowohl mittels Glasfaser als auch im Freiraum steigt die Kanaldämpfung mit zunehmender Streckenlänge, so daß für eine Übertragung über große Entfernungen entweder große Sendeleistungen oder hohe Empfänger-Empfindlichkeit oder aber die Zwischenschaltung von Regenerativverstärkern erforderlich wird, um bei vorgegebener Datenrate eine geforderte Bitfehler-Wahrscheinlichkeit nicht zu überschreiten.In the case of transmission using both fiber optic and The channel attenuation increases with increasing distance, so that for long distance transmission either high transmission power or high receiver sensitivity or the interposition of regenerative amplifiers is required to at a given data rate not to exceed a required bit error probability.

Bei Weitverkehrsverbindungen, wo die Zwischenschaltung von Regenerativverstärkern schwierig (so beispielsweise bei Seekabeln) oder überhaupt nicht möglich ist, wie beispielsweise bei einer Intersatelliten-Verbindung, ist eine hohe Empfänger- Empfindlichkeit von ausschlaggebender Bedeutung, zumal, da ein optischer Sender beispielsweise im Hinblick auf Verlustleistung, Strahlqualität, spektrale Reinheit, Leistungsbudget eines Satelliten u. ä. nicht beliebig viel Leistung abgeben kann.For long-distance connections where the interposition of Regenerative amplifiers difficult (e.g. with submarine cables) or is not possible at all, such as with an Intersatellite connection, a high receiver Sensitivity of crucial importance, especially since because an optical transmitter, for example in terms of power loss, Beam quality, spectral purity, power budget a satellite u. not any amount of power can give up.

Bei Anwendung von Phasenmodulation und Homodynempfang, bei welchem das empfangene phasenmodulierte optische Signal mit Hilfe eines phasensynchronen Lichtträgers direkt in das Basisband heruntergesetzt wird, werden empfindlichste optische Empfänger erhalten. Hierzu werden in einem symmetrischen optischen Richtkoppler die elektrischen Feldstärken des empfangenen und des Lokallaser-Lichtes einander additiv überlagert und anschließend zur Mischung einer Photodiode zugeführt.When using phase modulation and homodyne reception, at which the received phase-modulated optical signal with With the help of a phase-synchronized light carrier directly into the baseband being lowered will be most sensitive optical Receive recipient. This is done in a symmetrical optical directional coupler the electrical field strengths of the received and the local laser light additively superimposed on each other and then fed to a photodiode for mixing.

Phasenmoduliertes, empfangenes Licht läßt sich gemäß Gleichung (1.1) durchPhase-modulated, received light can be according to equation (1.1) by

und das Licht des Lokallasers läßt sich gemäß Gleichung (1.2) durchand the light from the local laser can be transmitted according to equation (1.2)

E_L(t) = E_L · cos ω_Lt (1.2)E _L (t) = E _L · cos ω _L t (1.2)

beschreiben, wobei mit ω_L und ω_E die Frequenzen des empfangenen bzw. des Laser-Lichtes und mit ϕ_mod die Modulationsphase bezeichnet sind. Hierbei wird in einem Licht-Koppler die Phase der übergekoppelten Lichtwelle jeweils um 90° gedreht, so daß an einer Photodiode anliegt:describe, with ω _L and ω _E the frequencies of the received or the laser light and with ϕ _mod the modulation phase. In this case, the phase of the coupled light wave is rotated by 90 ° in a light coupler so that a photodiode is present:

E_E cos [ω_Et+ϕ_mod(t)] + E_L sin ω_Lt .E _E cos [ω _E t + ϕ _mod (t)] + E _L sin ω _L t.

Der Photostrom i(t) in einer Photodiode ist proportional der auftreffenden Lichtleistung und somit proportional dem Quadrat der Feldstärke des Lichtes. Damit ist der Strom i(t) in der Photodiode proportional zum Quadrat der Summe der Lichtfeldstärken:The photocurrent i (t) in a photodiode is proportional to the incident light output and therefore proportional to the Square of the field strength of the light. So the current i (t) in the photodiode proportional to the square of the sum of the Light field strengths:

i(t) ∼ [E_E(t)+E_L(t)]². (1.3)i (t) ∼ [E _E (t) + E _L (t)] ². (1.3)

Der Photostrom i(t) setzt sich aus einem Gleichstrom- und einem Signalanteil zusammen:The photocurrent i (t) consists of a direct current and a signal component together:

wobei mit P_E und P_L die entsprechenden Lichtleistungen und mit R die Photodioden-Empfindlichkeit bezeichnet sind. Da beim Homodyn-Empfang ω_L=ω_E ist und da außerdem i. a. die Leistung P_L des ankommenden Lichtes viel größer als die Lokallaser- Lichtleistung P_E ist, wird für den Photostrom i(t) eines Homodyn-Empfängers unter Berücksichtigung von ϕ_mod(t)=±90° erhalten:P _E and P _L denote the corresponding light outputs and R the photodiode sensitivity. Since ω _L = ω _E in homodyne reception and since the power P _{L of} the incoming light is generally much greater than the local laser light power P _E , i (t) of a homodyne receiver taking into account ϕ _mod (t) = ± 90 ° obtained:

Wie aus den Gleichungen (1.4) und (1.5) zu ersehen ist ,teilt ein Koppler beide Eingangssignale jeweils zur Hälfte den beiden Ausgängen zu, weshalb zur Vermeidung eines Verlustes auch der zweite Kopplerausgang mit einer Photodiode versehen wird. Da die Signalanteile beider Photoströme entgegengesetzte Phasen aufweisen, werden die Photodioden elektrisch in Reihe geschaltet, wodurch der Signalanteil verdoppelt wird und aufgrund der Stromsubtraktion der unerwünschte Gleichanteil R · P_L wegfällt. Daher entspricht der Gesamtsignalstrom i_ges wieder genau dem Datensignal:As can be seen from equations (1.4) and (1.5), one coupler assigns half of both input signals to the two outputs, which is why the second coupler output is also provided with a photodiode to avoid loss. Since the signal components of both photocurrents have opposite phases, the photodiodes are electrically connected in series, as a result of which the signal component is doubled and, due to the current subtraction, the undesired DC component R · P _L is eliminated. Therefore, the total signal current i _tot corresponds exactly to the data signal:

Diese Empfängerkonfiguration mit zwei Photodioden wird als "Balanced Receiver" bezeichnet und ist bei einer Standardkonfiguration an der Eingangsseite eines optischen Überlagerungsempfängers vorgesehen.This receiver configuration with two photodiodes is called "Balanced Receiver" denotes and is in a standard configuration on the input side of an optical heterodyne receiver intended.

Bei einer Phasendifferenz ϕ_f zwischen den Phasen von Lokal- und Sende-Oszillator ergibt sich im Unterschied zu Gleichung (1.6) für den Gesamtsignalstrom i_ges:With a phase difference ϕ _f between the phases of the local and transmit oscillators, in contrast to equation (1.6) for the total _{signal current} i _tot :

Die Amplitude des Signalstromes i_ges hängt folglich von der Phasendifferenz ϕ_f ab und wird für ϕ_f=π/2 sogar null. Aus diesem Grund ist eine Phasenregelung erforderlich, durch welche die Phase des Lokaloszillators derjenigen des Sendeoszillators exakt nachgeführt wird, damit die Phasendifferenz ϕ_f null wird und das Signal maximal bleibt.The amplitude of the signal current i _ges consequently depends on the phase difference ϕ _f and even becomes zero for ϕ _f = π / 2. For this reason, a phase control is required, through which the phase of the local oscillator tracks that of the transmission oscillator exactly, so that the phase difference ϕ _f becomes zero and the signal remains at a maximum.

Zur Gewinnung des Fehlersignals stellt derzeit die eingangs bereits erwähnte Costas Loop-Methode mit Entscheidungsrückkopplung das beste Verfahren dar, das in Fig. 4 schematisch wiedergegeben ist. Zur Vereinfachung sind in Fig. 4 statt der vorstehend erwähnten Koppler und Photodioden Multiplizier- Einheiten 40₁ und 40₂ dargestellt.The costas loop method with decision feedback already mentioned at the beginning is currently the best method for obtaining the error signal, which is shown schematically in FIG. 4. For simplification, multiplier units 40 1 and 40 2 are shown in Fig. 4 instead of the aforementioned couplers and photodiodes.

In Fig. 4 entspricht der obere Signalzweig der Gleichung (1.7); hier entsteht das Datensignal. Im unteren Signalzweig der Fig. 4 wird das Eingangssignal mit dem um 90° phasenverschobenen Licht eines Lokaloszillators multipliziert, so daß auch das Basisbandprodukt gegenüber dem oberen Zweig um 90° phasenverschoben ist. Durch Multiplizieren der Signale beider Zweige fällt die Modulation für ϕ_mod=±π/2 weg, und es wird ein Fehlersignal erhalten, das in der Umgebung von ϕ_f=0 proportional zur Phasendifferenz ϕ_f ist und zur Phasenregelung des Lokaloszillators verwendet wird.In Fig. 4 the upper signal branch corresponds to equation (1.7); this is where the data signal is generated. In the lower signal branch of FIG. 4, the input signal is multiplied by the light of a local oscillator which is phase-shifted by 90 °, so that the baseband product is also phase-shifted by 90 ° compared to the upper branch. By multiplying the signals of both branches, the modulation for ϕ _mod = ± π / 2 is eliminated, and an error signal is obtained which is proportional to the phase difference ϕ _f in the vicinity of ϕ _f = 0 and is used for phase control of the local oscillator.

Die Vorgänge in einem PSK-Empfänger lassen sich besonders übersichtlich in einem Phasendiagramm (Fig. 5) darstellen. Hierbei repräsentieren zwei sich diametral gegenüberliegende Punkte im Phasendiagramm die beiden Zustände einer binären Übertragung, nämlich ±1. Der obere Signalzweig in Fig. 5 ist eine Projektion der beiden Punkte auf die horizontale Achse und damit das sogenannte Inphasesignal, während der untere Zweig in Fig. 5 die Projektion auf die vertikale Achse ist, was das sogenannte Quadratursignal ergibt. So ist für die Phasendifferenz ϕ_f=0 das "Inphasesignal" maximal und das "Quadratursignal" null.The processes in a PSK receiver can be represented particularly clearly in a phase diagram ( FIG. 5). Here, two diametrically opposite points in the phase diagram represent the two states of a binary transmission, namely ± 1. The upper signal branch in FIG. 5 is a projection of the two points on the horizontal axis and thus the so-called in-phase signal, while the lower branch in FIG. 5 is the projection on the vertical axis, which gives the so-called quadrature signal. For the phase difference ϕ _f = 0, the "in-phase signal" is maximum and the "quadrature signal" is zero.

Mit wachsender Phasendifferenz ϕ_f entsteht im unteren Zweig in Fig. 5 ein Signal, dessen Polarität ebenfalls von der übertragenen Datenfolge abhängt. Bei einer Berücksichtigung von zusätzlichem Rauschen ist es günstiger, das Quadratursignal nicht mit dem Inphasesignal direkt, sondern mit dem bereits gefilterten und entscheidenden Datenstrom zu multiplizieren ("Entscheidungsrückkopplung"), da auf diese Weise das Rauschen des Inphase-(I-)Zweiges überhaupt nicht in den Regelkreis gelangt. Im Quadratur-(Q-)Zweig ist noch ein Verzögerungsglied erforderlich, das eine Verzögerung um die Dauer eines Bits bewirkt.As the phase difference ϕ _{f increases} , a signal is generated in the lower branch in FIG. 5, the polarity of which also depends on the transmitted data sequence. If additional noise is taken into account, it is cheaper to multiply the quadrature signal not by the in-phase signal directly, but by the already filtered and decisive data stream ("decision feedback"), since in this way the noise of the in-phase (I) branch is not at all gets into the control loop. A delay element is also required in the quadrature (Q) branch, which causes a delay of one bit.

Da sich das Rauschen in einem optischen Überlagerungsempfänger aus einem thermischen Rauschen der elektrischen Komponenten sowie dem sogenanten Schrotrauschen der Photodetektoren zusammensetzt, wird mit einer Schrotrauschleistungsdichte L_S Since the noise in an optical heterodyne receiver is composed of a thermal noise of the electrical components and the so-called shot noise of the photodetectors, a shot noise power density L _S

L_S = e · I_PDdc (1.8)L _S = _{eI PDdc} (1.8)

und einem Gleichstromanteil I_PDdc and a DC _component I _PDdc

für die gesamte Rauschleistung N_ges am Eingang des optischen Übertragungsempfängers, des sogenannten Balance Receivers, erhalten:for the total noise power N _tot at the input of the optical transmission receiver, the so-called balance receiver, obtained:

N_ges = N_th + e · R · P_L · B (1.10)N _tot = N _th + e · R · P _L · B (1.10)

wobei, wie in Gleichung (1.8), mit e die Elementarladung und mit B die Bandbreite eines zweiseitigen Basisbandfilters bezeichnet sind.where, as in equation (1.8), with e the elementary charge and with B denotes the bandwidth of a two-sided baseband filter are.

Die Signalleistung S eines PSK-Homodyn-Empfängers mit einer Costas Loop ergibt sich durch Quadrieren des Inphasesignals nach Fig. 4 unter der Voraussetzung, daß ϕ_f=0 ist, zu:The signal power S of a PSK homodyne receiver with a Costas loop is obtained by squaring the in-phase signal according to FIG. 4, provided that ϕ _f = 0, to:

S = R² · P_E · P_L. (1.11)S = R² · P _E · P _L. (1.11)

Hieraus wird dann das Signal-Rausch-Verhältnis im Empfänger erhalten zu:This then becomes the signal-to-noise ratio in the receiver received to:

Aus Gleichung (1.12) ist zu ersehen, daß das Signal-Rausch-(S/N-)Verhältnis mit steigender Lichtleistung P_L wächst, bis die Schrotrauschleistung wesentlich größer als die thermische Rauschleistung ist. Das S/N-Verhältnis geht also für eine große Lichtleistung P_L in die Sättigung über. In einem Fall, wo das Schrotrauschen die dominante Rauschgröße im Empfänger darstellt, wrid von der Schrotrauschgrenze gesprochen, welche die physikalische Empfindlichkeitsgrenze für einen optischen Überlagerungsempfänger bei einem vorgegebenen Modulationsverfahren ist.It can be seen from equation (1.12) that the signal-to-noise (S / N) ratio increases with increasing light power P _L until the shot noise power is significantly greater than the thermal noise power. The S / N ratio therefore changes to saturation for a large light output P _L. In a case where the shot noise is the dominant noise figure in the receiver, we speak of the shot noise limit, which is the physical sensitivity limit for an optical heterodyne receiver in a given modulation method.

Das Rauschen, welches in einem optischen Überlagerungsempfänger - eine Schrotrauschgrenze vorausgesetzt - das Signal- Rausch-Verhältnis bestimmt, entsteht in den Photodetektoren, also in der oder den optischen Mischstufe(n) und den nachfolgenden elektronischen Komponenten. In Fig. 6 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines PSK-Homodyn-Empfängers mit Rauschquellen n(t) dargestellt. Aufgrund der Tatsache, daß das Signal vor den Mischstufen und damit vor den eigentlichen Rauschquellen aufgeteilt wird, geht der Teil, welcher für die Synchronisation in dem in Fig. 6 unteren Quadraturzweig abgezweigt wird, für das eigentliche Datensignal verloren.The noise, which determines the signal-to-noise ratio in an optical superposition receiver - assuming a shot noise limit - arises in the photodetectors, that is to say in the optical mixing stage (s) and the subsequent electronic components. In Fig. 6 is a simplified block diagram of a PSK-homodyne receiver with noise sources is n (t). Due to the fact that the signal is split up in front of the mixing stages and thus in front of the actual noise sources, the part which is branched off for synchronization in the lower quadrature branch in FIG. 6 is lost for the actual data signal.

Wird das Eingangssignal bei einem PSK-Homodyn-Empfänger, welcher mit der Costas Loop-Methode mit Entscheidungsrückkopplung arbeitet, symmetrisch zwischen dem I- und dem Q-Zweig aufgeteilt, so ergibt sich am Empfänger ein Empfindlichkeitsverlust von 3 dB gegenüber dem Fall, bei welchem keine Signalleistung für eine Synchronisation abgezweigt wird. Wenn der Leistungsteilungsfaktor k (siehe Fig. 6) größer als 0,5 gewählt ist, wird das S/N-Verhältnis im Inphasezweig (dem oberen Zweig in Fig. 6) größer und nimmt für einen Leistungsteilungsfaktor k=1 den in der nachstehenden Gleichung (2.1) angegebenen Maximalwert an:If the input signal for a PSK homodyne receiver, which works with the Costas Loop method with decision feedback, is split symmetrically between the I and Q branches, there is a sensitivity loss of 3 dB at the receiver compared to the case in which no signal power is tapped for synchronization. If the power division factor k (see FIG. 6) is selected to be greater than 0.5, the S / N ratio in the in-phase branch (the upper branch in FIG. 6) becomes larger and takes that in the equation below for a power division factor k = 1 (2.1) specified maximum value:

Das S/N-Verhältnis ist somit um einen Faktor 2 besser als bei einer symmetrischen Aufteilung nach Gleichung (1.12). Bei einer sehr guten Übertragungsqualität kann der Leistungsteilungsfaktor k bis nahe an 1 gewählt werden, ohne daß es zu einem Synchronisationsverlust kommt. Der Verlust gegenüber dem vorstehend beschriebenen idealen Fall kann also sehr klein werden.The S / N ratio is thus better than by a factor of 2 with a symmetrical division according to equation (1.12). At a The power sharing factor can be very good transmission quality k can be chosen to be close to 1 without becoming a There is a loss of synchronization. The loss versus the ideal case described above can be very grow small.

Zur Erzeugung eines Inphase- und eines Quadratursignals muß das Eingangssignal mit zwei um 90° verschobenen Trägersignalen gemischt werden. In der optischen Nachrichtentechnik wird hierzu ein optisches Hybrid verwendet, in welchem das linear polarisierte Eingangssignal mit dem zirkular polarisierten Lokallaserlicht überlagert wird. Nach einer Polarisationsaufspaltung der überlagerten Lichtwellen steht dann an den beiden nachfolgenden Photodetektoren das Inphase- und das Quadratursignal zur Verfügung. Für eine verlustarme Ausführung ist für beide Zweige jeweils ein Balanced Receiver erforderlich, d. h., es werden insgesamt vier Photodioden benötigt. Zur Vereinfachung kann ein sogenannter Dreitor-Koppler verwendet werden, bei welchem jedoch der Teilungsfaktor k vom Hersteller fest eingestellt ist, so daß er nicht mehr mit Hilfe von entsprechenden Polarisationen eingestellt werden kann.To generate an in-phase and a quadrature signal the input signal with two carrier signals shifted by 90 ° be mixed. In optical communications technology an optical hybrid is used in which the linearly polarized input signal with the circularly polarized Local laser light is superimposed. After polarization splitting the superimposed light waves then stand on the two subsequent photodetectors the in-phase and the quadrature signal is available. For a low-loss version is a balanced receiver for both branches required, d. that is, four photodiodes are required in total. For simplification, a so-called three-port coupler can be used are used, but with the division factor k is fixed by the manufacturer so that it no longer with the help of appropriate polarizations can.

Obwohl das vorstehend beschriebene Phasensynchronisationsverfahren nach der Costas Loop-Methode mit Entscheidungsrückkopplung bezüglich Stabilität und Empfängerempfindlichkeit das beste bisher bekanntgewordene Phasensynchronisationsverfahren darstellt, ist die praktische Nutzung in der optischen Nachrichtentechnik fraglich, da durch die Synchronisation Empfindlichkeit verlorengeht und die Komplexibilität beispielsweise gegenüber einem herkömmlichen Restträger- Verfahren oder einem Heterodyn-System erheblich größer ist.Although the phase synchronization method described above according to the Costas Loop method with decision feedback regarding stability and receiver sensitivity the best known phase synchronization method represents the practical use in the optical communications technology questionable because of the synchronization Sensitivity is lost and the complexity for example compared to a conventional residual carrier Procedure or a heterodyne system significantly larger is.

Die Nachteile des vorstehend beschriebenen Phasensynchronisationsverfahrens bei dem optischen PSK-Homodynempfang sind folgende:The disadvantages of the phase synchronization method described above are in the PSK optical homodyne reception the following:

Bei der Signalaufteilung zur Gewinnung der Inphase- und der Quadraturkomponente für eine Phasensynchronisation des Lokaloszillators geht, wie vorstehend bereits ausgeführt, Signalleistung verloren; hieraus ergibt sich am Empfänger ein Empfindlichkeitsverlust, welcher durch optische Verstärker nicht ausgeglichen werden kann. Bei einem optischen Überlagerungsempfänger, welcher an der Schrotrauschgrenze, also mit optimaler Empfindlichkeit, arbeitet, verschlechtert sich das S/N-Verhältnis durch einen optischen Vorverstärker aus quantenmechanischen Gründen grundsätzlich um mindestens einen Faktor 2, also um 3 dB; hieraus folgt, daß es nicht möglich ist, mit einem optischen Vorverstärker an einem Empfängereingang, der das Signal verstärkt und das im Empfänger dominante Rauschen liefert, einen Empfindlichkeitsgewinn zu erzielen, wie es beispielsweise bei Hochfrequenzempfängern der Fall ist.In the signal splitting to obtain the in-phase and Quadrature component for phase synchronization of the local oscillator goes, as already stated above, signal power lost; this results in the recipient Loss of sensitivity caused by optical amplifiers cannot be compensated. With an optical overlay receiver, which at the shot noise limit, i.e. with optimal sensitivity, works, that deteriorates S / N ratio through an optical preamplifier made of quantum mechanical Basically by at least one Factor 2, i.e. by 3 dB; it follows from this that it is not possible is, with an optical preamplifier at a receiver input, which amplifies the signal and that which is dominant in the receiver Noise provides a gain in sensitivity, as is the case with high-frequency receivers, for example Case is.

Der Signalanteil, der für einen Synchronisation abgezweigt wird, ist durch den Empfängeraufbau fest vorgegeben und kann nicht oder nur mit Schwierigkeiten der Übertragungsqualität adaptiv angepaßt werden. Ein benötigtes optisches Hybrid ist ein kompliziertes optisches Bauteil mit eigenen Verlusten. Die Polarisationen der Eingangs- und der Lokallaser- Lichtwelle müssen für eine korrekte Funktion enge Toleranzgrenzen einhalten. Polarisationsschwankungen, welche bei einer Überlagerung über Glasfaser immer auftreten, müssen exakt ausgeregelt werden.The portion of the signal that branches for synchronization is fixed by the receiver structure and can not or only with difficulty of transmission quality be adapted adaptively. A required optical hybrid is a complicated optical component with its own Losses. The polarizations of the input and local laser Light waves must have narrow tolerance limits for correct function adhere to. Polarization fluctuations, which at an overlay over fiber must always occur can be precisely regulated.

Ferner sind zwei identische Signalzweige mit Photodioden, Breitbandverstärkern und Basisbandfiltern sowohl in der Inphase- als auch in der Quadraturkomponente erforderlich; diese breitbandigen Hochfrequenzkomponenten sind teuer und nicht so bequem zu handhaben wie digitale Schaltungen.There are also two identical signal branches with photodiodes, Broadband amplifiers and baseband filters both in the in-phase as well as required in the quadrature component; these broadband high frequency components are expensive and not as easy to use as digital circuits.

Trotz einer Entwicklung von preisgünstigen Halbleiterlasern mit kleiner Linienbreite, welche im Prinzip für ein PSK-Homodyn- System mit hohen Datenraten geeignet wären, werden solche Systeme heute in der Praxis noch nicht eingesetzt, da der Empfindlichkeitsgewinn in keinem vertretbaren Verhältnis zum Aufwand steht. Da somit derzeit bei einem PSK-Homodyn- Empfänger die Komplexität und der Bedarf an teuren Bauelementen deutlich höher ist als bei einem entsprechenden Heterodyn- Empfänger hat diese Empfängerart in der optischen Nachrichtentehcnik bis heute für optische Übertragungsstrecken in der Praxis noch keine nennenswerte Bedeutubng erlangt.Despite the development of inexpensive semiconductor lasers with a small line width, which is in principle for a PSK homodyne System with high data rates would be suitable Such systems have not yet been used in practice since the sensitivity gain in no reasonable ratio stands for effort. Since a PSK homodyne Receiver the complexity and the need for expensive components is significantly higher than with a corresponding heterodyne This type of receiver has an optical receiver Communication technology to this day for optical transmission links has not yet achieved any significant meaning in practice.

Gemäß der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Trägerrrückgewinnung für optische PSK-Homodyn-Empfänger geschaffen, mit welchem Verfahren mit einem erheblich geringeren Aufwand an teuren Komponenten im Empfänger zumindest die gleichen Ergebnisse wie mit der vorstehend beschriebenen Costas Loop- Methode mit Entscheidungsrückkopplung erzielbar sind. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren zur Trägerrückgewinnung nach dem Oberbegriff eines der Ansprüche 1 bis 4 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des jeweiligen Anspruchs erreicht.According to the invention is therefore a method for carrier recovery created for optical PSK homodyne receivers, with which method with a significantly lower effort expensive components in the receiver at least the same results as with the Costas Loop described above Method with decision feedback can be achieved. According to the invention is in a method for carrier recovery according to the preamble of one of claims 1 to 4 the features in the characterizing part of the respective claim reached.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden sogenannte Synchronisationsbits, die im folgenden der Einfachheit halber oft auch als Syncbits bezeichnet sind, von einem Sender in den Datenstrom eingestreut; mit Hilfe des Syncbits kann dann der Empfänger einen Phasenfehler des Lokallasers feststellen und diesen ausregeln. Diese Syncbits können auch mit Redundanzinformation belegt und unter bestimmten Voraussetzungen im Empfänger zur Fehlerkorrektur verwendet werden.In the method according to the invention, so-called synchronization bits, the following for the sake of simplicity often referred to as sync bits from a transmitter in interspersed the data stream; with the help of the sync bit can then the receiver detects a phase error of the local laser and fix it. These sync bits can also be used with redundancy information occupied and under certain conditions used in the receiver for error correction.

Die Vorteile eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden optischen PSK-Homodyn-Empfängers liegen darin, daß gegenüber einem herkömmlichen PSK-Empfänger mit einer Costas Loop sich der Aufwand an teuren Bauelementen halbiert, daß ferner die Sendephase im Empfänger ohne eine Unsicherheit bekannt und daher keine differentielle Codierung des Datenstromes notwendig ist, daß ferner die Phasensynchronisation unempfindlicher gegenüber Polarisationsschwankungen ist und daß schließlich die optisch integrierte Bauweise leichter realisierbar ist. Beispielsweise im Vergleich mit einem optischen FSK-Empfänger wird bei einem geringeren Aufwand beinahe die vierfache Empfängerempfindlichkeit erreicht.The advantages of working according to the inventive method optical PSK homodyne receiver are that compared to a conventional PSK receiver with a Costas Loop the cost of expensive components cut in half that furthermore the transmission phase in the receiver without any uncertainty known and therefore no differential coding of the data stream it is necessary that the phase synchronization is less sensitive to polarization fluctuations and that finally the optically integrated design is lighter is feasible. For example, in comparison with an optical one FSK receiver is almost with less effort four times the receiver sensitivity.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigtThe invention is described below on the basis of preferred embodiments with reference to the drawings explained in detail. It shows

Fig. 1 ein Prinzip-Blockschaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Trägerrückgewinnung mit Hilfe von Synchronisationsbits, Fig. 1 is a schematic block diagram for explaining the method according to the invention with a carrier recovery by means of synchronization bits,

Fig. 2 ein schematisches Sendeschema bei Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren, Fig. 2 is a schematic network diagram when using the method according to the invention,

Fig. 3A eine Ausführungsform eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden PSK-Homodyn-Empfängers mit nur noch einem Signalzweig, Fig. 3A, one embodiment of operating according to the inventive method PSK homodyne receiver with only one signal branch,

Fig. 3B eine vorteilhafte Ausführungsform eines PSK-Homodyn- Empfängers nach Fig. 3A mit optischen Komponenten, Fig. 3B is an advantageous embodiment of a PSK-homodyne receiver of Fig. 3A, with the optical components,

Fig. 3C eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des PSK-Homodyn-Empfängers nach Fig. 3A mit optischen Komponenten, Fig. 3C, a further advantageous embodiment of the PSK-homodyne receiver of FIG. 3A with optical components,

Fig. 4 ein prinzipielles Blockschaltbild zur Erläuterung der Funktionsweise der Costas Loop-Methode mit Entscheidungsrückkopplung, Fig. 4 is a schematic block circuit diagram for explaining the operation of the Costas loop method with decision feedback,

Fig. 5 ein Phasendiagramm bei einer herkömmlichen BPSK- (Binary Phase Shift-Keying-)Übertragung und Fig. 5 is a phase diagram for a conventional BPSK (Binary Phase Shift Keying) transmission, and

Fig. 6 ein prinzipielles Blockschaltbild eines PSK-Homodyn- Empfängers mit Schrotrauschquellen. Fig. 6 is a basic block diagram of a PSK homodyne receiver with shot noise sources.

Die Fig. 1, 3A bis 3C und 6 sollen das Funktionsprinzip verdeutlichen; aus diesem Grund sind zur Verbesserung der Übersichtlichkeit die Verstärker, Filter und Regler weggelassen. Figs. 1, 3A to 3C and 6 are intended to illustrate the operating principle; for this reason, the amplifiers, filters and controllers have been omitted to improve clarity.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird empfangenes Eingangslicht grundsätzlich nicht kontinuierlich zu einem bestimmten Prozentsatz, sondern nur in bestimmten Zeitabständen für kurze Zeit ganz in den Quadraturzweig umgeleitet, welcher für eine Synchronisation erforderlich ist. Diese grundsätzliche Überlegung wird anhand von Fig. 1 nachstehend erläutert. Während der meisen Zeit befinden sich zwei Schalter S1 und S2 in ihrer in Fig. 1 ausgezogen wiedergegebenen Stellung, und das empfangene Signal E_E(t) wird vollständig, d. h. zu 100%, in den in Fig. 1 oberen Zweig, den sogenannten Inphasezweig geleitet. Es tritt also zunächst kein Verlust durch diese Signalabzweigung auf, so daß die eingangs angegebene Gleichung (2.1) gilt. Um nun die Synchronisation der Phase eines nicht näher dargestellten Lokallasers auf die Senderphase aufrechtzuerhalten, muß hin und wieder für einen bestimmten Zeitraum beispielsweise eine Bitdauer lang, auf den in Fig. 1 unteren Zweig, den sogenannten "Quadraturzweig" umgeschaltet werden. Das hierbei entstehende Signal wird dann mit einem zu diesem Zeitpunkt gesendeten Bit in einer Multipliziereinheit 10₂ multipliziert, d. h., das zur Phasensynchronisation verwendete Bit muß im Empfänger bekannt sein. Das bedeutet, es müssen sogenannte "leere Bits", d. h. Bits, welche - zunächst einmal - keine Information tragen, die jedoch dem Empfänger bekannt sind, zwischen den eigentlichen Datenbits D eingefügt werden. Diese Bits sind sogenannte Synchronisationsbits oder Syncbits S. In dem in Fig. 2 wiedergegebenen Sendeschema sind neben den eigentlichen Datenbits D die vorstehend erwähnten Syncbits S dargestellt. Ferner sind in Fig. 2 mit T_B die Bitdauer, mit T_R die Rahmendauer und mit n die Anzahl aller Bits pro Rahmen bezeichnet.In the method according to the invention, received input light is fundamentally not continuously diverted to a certain percentage, but only at certain time intervals for a short time entirely into the quadrature branch, which is required for synchronization. This fundamental consideration is explained below with reference to FIG. 1. During most of the time, two switches S 1 and S 2 are in their position shown in solid lines in FIG. 1, and the received signal E _E (t) is completely, ie 100%, in the upper branch in FIG so-called in-phase branch. So there is initially no loss through this signal branch, so that the equation (2.1) given at the beginning applies. In order to maintain the synchronization of the phase of a local laser (not shown in more detail) with the transmitter phase, it is sometimes necessary to switch over to the lower branch in FIG. 1, the so-called "quadrature branch" for a certain period of time. The resulting signal is then multiplied by a bit sent at this time in a multiplier 10₂, that is, the bit used for phase synchronization must be known in the receiver. This means that so-called "empty bits", ie bits which - initially - do not carry any information, but which are known to the receiver, have to be inserted between the actual data bits D. These bits are so-called synchronization bits or sync bits S. In the transmission scheme shown in FIG. 2, the sync bits S mentioned above are shown in addition to the actual data bits D. Furthermore, in FIG. 2, T _B denotes the bit duration, T _R the frame duration and n the number of all bits per frame.

Eine andere äquivalente Möglichkeit besteht darin, von jedem Bit einen geringen Anteil zur Synchronisation zu verwenden. Das Einstreuen von Syncbits ist dann nicht erforderlich. Auf diese spezielle Variante ist am Ende der Beschreibung näher eingegangen.Another equivalent option is from everyone Bit to use a small amount for synchronization. The spreading of sync bits is then not necessary. On this special variant is closer at the end of the description received.

Um trotz der Syncbits S die gleiche Menge an Datenbits D in der gleichen Zeit übertragen zu könen, muß die Kanaldatenrate und damit die Bandbreite B eines Basisbandfilters entsprechend dem zeitlichen Anteil dieser Bits höher gewählt werden. Hierdurch verschlechtert sich dann entsprechend Gleichung (2.1) das S/N-Verhältnis und damit die Empfängerempfindlichkeit. (Die Frage, wie häufig bzw. wie selten Syncbits S eingefügt werden müssen, um eine gute Synchronisation zu gewährleisten, wird später noch im einzelnen ausgeführt.) Das bisher beschriebene Verfahren weist jedoch noch keinen Vorteil gegenüber der üblichen Standardschaltung nach Fig. 4 auf, denn es ergibt sich immer noch ein Verlust, und es werden nach wie vor ein optisches Hybrid und zwei Signalzweige benötigt.In order to be able to transmit the same amount of data bits D in the same time in spite of the sync bits S, the channel data rate and thus the bandwidth B of a baseband filter must be chosen to be higher in accordance with the temporal proportion of these bits. As a result, the S / N ratio and thus the receiver sensitivity deteriorate in accordance with equation (2.1). (The question of how often or how rarely sync bits S have to be inserted in order to ensure good synchronization will be discussed in detail later.) However, the method described so far has no advantage over the standard circuit shown in FIG. 4, because there is still a loss, and an optical hybrid and two signal branches are still required.

In dem PSK-Homodyn-Empfänger nach Fig. 1 werden jedoch die beiden Zweige niemals gleichzeitig benutzt, so daß prinzipiell ein einziger Zweig ebenfalls ausreichend ist. Das bedeutet, daß der Aufwand an Photodioden undbreitbandigen Hochfrequenzkomponenten auf die Hälfte abnimmt und kein optisches Hybrid benötigt wird. Um jedoch die benötigte Quadraturinformation zu erhalten, muß jetzt während eines Snycbits S entweder die Senderphase gegenüber einer der Datenphasen oder die Phase eines Lokaloszillaotrs 20 um 90° gedreht werden.In the PSK homodyne receiver according to FIG. 1, however, the two branches are never used simultaneously, so that in principle a single branch is also sufficient. This means that the expenditure of photodiodes and broadband high-frequency components is halved and no optical hybrid is required. However, in order to obtain the required quadrature information, either the transmitter phase relative to one of the data phases or the phase of a local oscillator 20 must now be rotated through 90 ° during a sny bit S.

In Fig. 3A ist ein aus Fig. 1 abgeleitetes Blockschaltbild eines PSK-Homodyn-Empfängers mit nur noch einem Signalzweig dargestellt. Zur Gewinnung der Quadraturinformation während eines Syncbits S, dessen zeitliche Position in der Steuerlogik beispielsweise aufgrund einer eigenen Syncbit-Synchronisation oder der Rahmensynchronisation bekannt ist, wird hier die Phase des Lokaloszillators 20 in einem Phasenmodulator 30 um 90° (π/2) gedreht. In dem schematischen Blockschaltbild der Fig. 3A sind zur besseren Übersicht Verstärker, Filter und Regler weggelassen. Eine entsprechende Ausführungsform mit optischen Komponenten ist in Fig. 3B wiedergegeben. In einer Ausführungsform nach Fig. 3C ist die Senderphase während eines Syncbits S um 90° gegenüber einer der Phasen der Datenbits D gedreht. Die Phase des Lokaloszillators 20 bleibt dann konstant. FIG. 3A shows a block diagram of a PSK homodyne receiver derived from FIG. 1 with only one signal branch. To obtain the quadrature information during a sync bit S, the temporal position of which is known in the control logic, for example, due to its own sync bit synchronization or frame synchronization, the phase of the local oscillator 20 is rotated by 90 ° (π / 2) in a phase modulator 30 here. In the schematic block diagram of FIG. 3A, amplifiers, filters and controllers have been omitted for a better overview. A corresponding embodiment with optical components is shown in FIG. 3B. In an embodiment according to FIG. 3C, the transmitter phase is rotated by 90 ° during one sync bit S relative to one of the phases of the data bits D. The phase of the local oscillator 20 then remains constant.

Bei der in Fig. 3C dargestellten Ausführungsform ist der geringste Aufwand erforderlich, da die Phase der Syncbits S in einem nicht näher dargestellten, aber ohnehin in einem Sender vorhandenen Phasenmodulator erzeugt wird. Hierbei wird für die Snycbits S grundsätzlich immer die gleiche Phase verwendet, beispielsweise haben die Syncbits S eine Phase von 0° und die Datentis eine Phase von ±90°, so daß der Empfänger im synchronisierten Zustand automatisch immer die absolute Phase des Senders kennt und die Datenfolge in der richtigen Polarität abgibt. Im Unterschied hierzu ist bei einem Empfänger, welcher nach der Costas Loop-Methode arbeitet, die Polarität der abgegebenen Datenfolge mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% falsch, so daß beispielsweise eine differentielle Vorcodierung angewendet werden muß.In the embodiment shown in FIG. 3C, the least effort is required, since the phase of the sync bits S is generated in a phase modulator, which is not shown in any more detail but is already present in a transmitter. The same phase is always used for the Snycbits S, for example, the Syncbits S have a phase of 0 ° and the Datentis have a phase of ± 90 °, so that the receiver automatically knows the absolute phase of the transmitter in the synchronized state and that Data sequence in the correct polarity. In contrast to this, with a receiver which works according to the Costas Loop method, the polarity of the data sequence emitted is incorrect with a probability of 50%, so that differential precoding, for example, must be used.

In der Ausführungsform nach Fig. 3B hat der Empfänger die Möglichkeit, die Position der Syncbits S selbst zu bestimmen, so daß in dem Empfänger die Häufigkeit der Syncbits S adaptiv an die Übertragungsqualität angepaßt werden kann, weshalb in Fig. 2 die Größe n variabel ist. Da jedoch für jede Syncbit-Dauer T_B, in welcher die Lokallaser-Phase um 90° gedreht wird, ein Datenbit zerstört wird, muß sendeseitig ein Codierverfahren vorgesehen sein, mit welchem die zerstörten Datenbits auch für den Fall einer empfangsseitig limitierten höchsten Synchronbitrate, d. h., der kleinstmöglichen Größe n in Fig. 2, wieder hergestellt werden kann und so auch die für eine Synchronisation erforderliche Information über die Polarität des Syncbits S geliefert wird.In the embodiment according to FIG. 3B, the receiver has the possibility of determining the position of the sync bits S itself, so that the frequency of the sync bits S can be adapted adaptively to the transmission quality in the receiver, for which reason the variable n in FIG. 2 is variable . However, since a data bit is destroyed for each sync bit duration T _B , in which the local laser phase is rotated by 90 °, a coding method must be provided on the transmission side, by means of which the destroyed data bits are also used in the event of a highest synchronous bit rate limited at the receiving end, ie , the smallest possible size n in FIG. 2, can be restored and thus the information required for synchronization about the polarity of the sync bit S is also provided.

In diesem Extremfall ist jedoch der Verlust aufgrund der Synchronbits S ebenso groß wie bei dem mittels des PSK-Homodyn- Empfängers nach Fig. 3C durchgeführten statischen Verfahrens, wie nachstehend noch im einzelnen gezeigt wird. Wird jedoch die Übertragungsqualität besser, so daß der Homodyn- Empfänger eine gute Synchronisation des Lokaloszillators 20 auch mit einer kleineren Synchronbit-Rate T_B erreichen kann, so könen mittels des Codes auch andere Bitfehler korrigiert werden. Der so erzielte Codegewinn wächst also mit sinkender Syncbit-Rate T_B, weshalb die Bitfehler-Ratenkurve steiler verläuft als in einem System ohne eine adaptive Anpassung.In this extreme case, however, the loss due to the synchronous bits S is as great as in the static method carried out by means of the PSK homodyne receiver according to FIG. 3C, as will be shown in more detail below. However, if the transmission quality improves so that the homodyne receiver can achieve good synchronization of the local oscillator 20 even with a lower synchronous bit rate T _B , other bit errors can also be corrected by means of the code. The code gain achieved in this way thus increases with a falling sync bit rate T _B , which is why the bit error rate curve is steeper than in a system without adaptive adaptation.

Sobald daher der Codegewinn größer als der Verlust durch die Redundanz wird, ist der PSK-Homodyn-Empfänger nach Fig. 3B an der Schrotrauschgrenze empfindlicher als der ideale PSK-Homodyn- Empfänger. Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, daß im PSK-Homodyn-Empfänger nach Fig. 3B ein zusätzlicher optischer Phasenmodulator 30 vorgesehen ist. Außer dem zusätzlich erforderlichen optischen Phasenmodulator ist jedoch als nachteilig anzusehen, daß die erforderlichen Codierverfahren mit wachsender Datenrate technisch immer schwieriger zu realisieren sind.Therefore, as soon as the code gain becomes greater than the loss due to redundancy, the PSK homodyne receiver according to FIG. 3B is more sensitive at the shot noise limit than the ideal PSK homodyne receiver. This advantage is achieved in that an additional optical phase modulator 30 is provided in the PSK homodyne receiver according to FIG. 3B. In addition to the additionally required optical phase modulator, however, it must be regarded as a disadvantage that the required coding methods are becoming increasingly difficult to implement with increasing data rate.

Wenn die Synchronbits S bei der Ausführungsform der Fig. 3C statisch und nicht informationstragend in den Datenstrom eingeflochten werden, kann zusätzlich ein Codierverfahren zur Steigerung der Empfängerempfindlichkeit angewendet werden; allerdings ist dann die Bandbreite in dem Übertragungskanal größer. Derzeit spielen jedoch aufgrund der großen, in optischen Übertragungskanälen zur Verfügung stehenden Erweiterung der Bandbreiten in derartigen Größenordnungen selbst bei optischen Frequenz-Multiplexsystemen noch keine Rolle.If the synchronous bits S in the embodiment of FIG. 3C are braided statically and not carrying information in the data stream, a coding method can additionally be used to increase the receiver sensitivity; however, the bandwidth in the transmission channel is then larger. Currently, however, due to the large bandwidth expansion of such magnitudes available in optical transmission channels, even in optical frequency multiplex systems do not play a role.

Wie vorstehend bereits erwähnt, muß die Brutto-Datenrate und damit die Bandbreite des Basisbandfilters entsprechend dem zeitlichen Anteil der für die Synchronisation verwendeten Bits erhöht werden, um pro Zeiteinheit die gleiche Datenmenge wie in einem herkömmlichen Empfänger ohne Syncbits S übertragen zu können. Dadurch kommt es zu einer Verschlechterung des S/N-Verhältnisses und damit der Empfängerempfindlichkeit, welche im folgenden berechnet wird. Gemäß Fig. 2 ergibt sich bei einer Netto-Datenrate f_B.netto eine Brutto- Datenrate f_B.brutto zuAs already mentioned above, the gross data rate and thus the bandwidth of the baseband filter must be increased in accordance with the temporal proportion of the bits used for the synchronization in order to be able to transmit the same amount of data per time unit as in a conventional receiver without sync bits S. This leads to a deterioration in the S / N ratio and thus in the receiver sensitivity, which is calculated below. According to FIG. 2, a gross data rate f _B. gross results for a net data rate f _B. net

Da auch die Bandbreite B des Basisbanndfilters entsprechend der Brutto-Datenrate f_B.brutto größer gewählt werden muß, verschlechtert sich das Signal-Rausch-(S/N-)Verhältnis [siehe Gleichung (2.1)]. Für einen optischen Empfänger, welcher an der Schrotrauschgrenze arbeitet, ergibt sich dann der folgende Verlust:Since the bandwidth B of the baseband _filter must also be chosen larger in accordance with the gross data rate f _B. gross, the signal-to-noise (S / N) ratio deteriorates [see equation (2.1)]. The following loss then results for an optical receiver that operates at the shot noise limit:

Aus Gleichung (3.2) ist zu ersehen, daß der Verlust steigt, je häufiger Synchronbits S in den Datenstrom eingestreut werden.From equation (3.2) it can be seen that the loss increases the more often Synchronous bits S are interspersed in the data stream.

Um zu zeigen, wie viele Syncbits S pro Zeiteinheit erforderlich sind, um eine stabile Synchronisation zu erhalten, wird nachstehend das S/N-Verhältnis eines Regelsignals für die Costas Loop-Methode sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnet. Hierbei ist stets auf einen hypothetischen, nach der Costas Loop-Methode arbeitenden, idealen Empfänger Bezug genommen, in welchem das Empfangssignal in beiden Zweigen gleichzeitig voll, d. h. zu 100%, zur Verfügung steht und für das S/N-Verhältnis die eingangs angeführte Gleichung (2.1) gilt.To show how many sync bits S are required per time unit are to get a stable synchronization, the S / N ratio of a control signal for the Costas Loop method and the method according to the invention calculated. It is always a hypothetical ideal receiver working according to the Costas Loop method Reference in which the received signal in both Branches full at the same time, d. H. 100% is available and for the S / N ratio the equation (2.1) given at the beginning applies.

Bei der in Fig. 6 schematisch wiedergegebenen Costas Loop-Methode wird ein Regelsignal dadurch gebildet, daß das ständig vorhandene Quadratursignal zur Polaritätskorrektur mit dem Inphasesignal multipliziert wird und das Produkt dann in einem Tiefpaßfilter anschließend gefiltert wird. Hierbei hängt die Wahl der Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters von der Stabilität und dem Phasenrauschen sowohl des Sende- als auch des Lokallasers ab. Das S/N-Verhältnis im Regelkreis ist um den Signalaufteilungsfaktor K schlechter als in dem vorstehend angeführten idealen Empfänger. Es wird also durch die Bandbreite des Reglers sowie durch den für die Synchronisation kontinuierlich abgezweigten Teil der Signalleistung bestimmt.In the Costas Loop method shown schematically in FIG. 6, a control signal is formed by multiplying the quadrature signal that is always present for polarity correction by the in-phase signal and then filtering the product in a low-pass filter. The choice of the cut-off frequency of the low-pass filter depends on the stability and the phase noise of both the transmitter and the local laser. The S / N ratio in the control loop is worse by the signal division factor K than in the ideal receiver mentioned above. It is therefore determined by the bandwidth of the controller and by the part of the signal power that is continuously tapped for the synchronization.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Information im Quadraturzweig mit Hilfe der Syncbits S im zeitlichen Abstand n · T_B abgetastet. Da das als ständig vorhanden angesehene Quadratursignal die gleiche Bandbreite f_B wie das Inphasesignal hat, wird es um einen Faktor n "unterabgetastet". (Die Bandbreite f_B bezeichnet eine zweiseitige, also mathematische Bandbreite.) Eine n-fache Überlappung der Rauschspektren führt dazu, daß die Rauschleistung im Regelkreis um einen Faktor n größer ist als in dem vorstehend beschriebenen idealen Empfänger. Somit wird das S/N-Verhältnis im Regelkreis durch die Bandbreite des Reglers sowie der zeitlichen Abtastrate l/nT_B bestimmt.In the method according to the invention, the information in the quadrature branch is scanned with the aid of the sync bits S at a time interval n · T _B. Since the quadrature signal, which is considered to be constantly present, has the same bandwidth f _B as the in-phase signal, it is "undersampled" by a factor n. (The bandwidth f _B denotes a bilateral, that is to say mathematical, bandwidth.) An n-fold overlap of the noise spectra leads to the noise power in the control loop being greater by a factor n than in the ideal receiver described above. The S / N ratio in the control loop is thus determined by the bandwidth of the controller and the sampling rate l / nT _{B over time} .

Einem kontinuierlichen Leistungsverhältnis k zwischen dem Inphase-(I-)- und dem Quadratur-(Q-)Zweig bei der Costas Loop- Methode (siehe Fig. 6) entspricht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das periodische Einfügen und Abtasten von Syncbits S im zeitlichen Abstand nT_B. Für die gleiche Empfindlichkeit des Empfängers gilt dannA continuous power ratio k between the in-phase (I -) and the quadrature (Q) branch in the Costas Loop method (see FIG. 6) corresponds in the method according to the invention to the periodic insertion and sampling of sync bits S at intervals nT _B. The same then applies to the receiver's sensitivity

Einem Leistungsfaktor von beispielsweise k=0,9, d. h., es werden 10% der Leistung für den Q-Zweig abgezweigt, entspricht dann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Faktor n=10, d. h., jedes zehnte Bit wird für die Synchronisation verwendet. Mit Hilfe von Gleichung (3.3) läßt sich somit das PSK-Homodyn-Verfahren, das nach der Costas Loop-Methode mit Entscheidungsrückkopplung arbeitet, unmittelbar in das mit Syncbits S arbeitende Verfahren gemäß der Erfindung überführen. Hierbei spiegelt sich bei dem mit Syncbits arbeitenden Verfahren das Prinzip einer Entscheidungsrückkopplung darin wider, daß die Polarität des Syncbits S im Empfänger bekannt ist und der Abtastwert damit multipliziert wird.A power factor of, for example, k = 0.9, i.e. i.e. it 10% of the power for the Q branch is diverted then a factor in the method according to the invention n = 10, i.e. that is, every tenth bit is used for synchronization used. With the help of equation (3.3) this can be done PSK homodyne method using the Costas Loop method Decision feedback works directly with that Transfer sync bits S methods according to the invention. This is reflected in the one working with sync bits Procedure the principle of a decision feedback in it reflected that the polarity of the sync bit S in the receiver is known and the sample value is multiplied by it.

Bei dem mit Syncbits arbeitenden Verfahren gemäß der Erfindung ist somit bei gleichen Eigenschaften der Verlust durch die Synchronisation ebenso groß wie in einem Empfänger, bei welchem die Costas Loop-Methode mit Entscheidungsrückkopplung angewendet ist; jedoch ist der Aufwand an optischen Komponenten und breitbandigen Hochfrequenz-Baugruppen erheblich reduziert, wodurch in beträchtlichem Maße Kosten eingespart werden. Mit Hilfe der integrierten Optik ist auch der Schritt zu einem preiswerten Massenprodukt erheblich erleichtert. In the method using sync bits according to the invention is the loss due to the same properties the synchronization is as great as in a receiver which is the Costas Loop method with decision feedback is applied; however, the effort is optical Components and broadband high-frequency assemblies considerably reduced, which saves considerable costs will. With the help of the integrated optics, the Step to an inexpensive mass product made considerably easier.

Das Bestimmen der zeitlichen Position der Syncbits und gegebenenfalls deren Polarität ist in Verbindung mit der immer vorhandenen Bit- und Rahmensynchronisation prinzipiell ohne große Schwierigkeiten möglich. Da die Syncbits aufgrund ihrer Eigenschaften leicht erkennbar sind, ist auch eine von der Rahmensynchronisation unabhängige Syncbit-Synchronisation zu realisieren. Hierzu sind zwar zusätzliche digitale Baugruppen erforderlich, welche jedoch in der übrigen digitalen Logik preiswert integrierbar sind. Die Anwendung des mit Synchronbits arbeitenden Verfahrens ist jedoch nur in der optischen Nachrichtentechnik sinnvoll, da in einem Hochfrequenzempfänger kein Verlust durch die Signalaufspaltung in dem sogenannten I- und Q-Zweig auftritt und daher ein HF- Empfänger, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten würde, auf jeden Fall unempfindlicher wäre.Determining the temporal position of the sync bits and, if necessary their polarity is always in connection with that existing bit and frame synchronization in principle without great difficulties possible. Because the sync bits due to their Properties that are easily recognizable is also one of frame sync independent sync bit synchronization to realize. Additional digital modules are required for this required, which, however, in the remaining digital Logic can be integrated inexpensively. The application of the with However, synchronous bits working method is only in the optical communication technology makes sense, since in a radio frequency receiver no loss due to the signal splitting in the so-called I and Q branch occurs and therefore an HF Receiver, which work according to the inventive method would definitely be less sensitive.

Optische Übertragungssysteme, bei welchen die Information mittels Modulation der Lichtphase (PSK) übertragen und im Empfänger durch eine optische Referenzphase zurückgewonnen wird, sind heute selbst mit preiswerten Halbleiter-Lasern realisierbar; hierbei ist jedoch Voraussetzung, daß die Datenrate im Vergleich zu der Laser-Linienbreite ausreichend hoch ist, was bei den zukünftigen Übertragungsstandards jedoch gewährleistet ist.Optical transmission systems in which the information transmitted by modulation of the light phase (PSK) and in Receiver recovered through an optical reference phase are today even with inexpensive semiconductor lasers feasible; however, it is a prerequisite that the data rate sufficient compared to the laser line width is high, however, with future transmission standards is guaranteed.

Für spezielle Anwendungen, beispielsweise für Weitverkehrsverbindungen im Weltraum, kann es erforderlich sein, Information mit einer sehr kleinen Datenrate (von beispielsweise 1 MBits/s) zu übertragen, um eine geforderte Bitfehlerrate nicht zu überschreiten. Bei einer kleinen Bitrate kann aber wegen des Laserphasen-Rauschens der zeitliche Abstand des Syncbits für eine gute Phasensynchronisation zu groß werden. Das bedeutet, das erfindungsgemäße Verfahren könnte in der bisher beschriebenen Form nicht zur Anwendung kommen.For special applications, for example for long-distance connections in space, information may be required with a very low data rate (e.g. from 1 Mbit / s) to transmit a required bit error rate not to exceed. With a low bit rate, however because of the laser phase noise the time interval of the Sync bits become too large for good phase synchronization. This means that the inventive method could in the the form described so far does not apply.

Aus diesem Grund wird das Verfahren für einen solchen Fall dahingehend modifiziert, daß zur Synchronisation keine ganzen Bits in bestimmten Zeitabständen, sondern von jedem Bit nur ein zeitlicher Teil verwendet wird. Das in Fig. 4 dargestellte und vorstehend beschriebene Prinzip bleibt hierbei jedoch erhalten. Entweder dreht nämlich der Empfänger selbst die Phase des Lokallasers für einen zur Rahmensynchronisation erforderlichen zeitlichen Prozentsatz eines jeden Bits um 90° (siehe Fig. 3B) oder der Sender gibt die Synchronisationsphase für diesen Zeitraum vor (Fig. 3C).For this reason, the method is modified in such a case that no whole bits are used at certain time intervals for synchronization, but only a temporal part of each bit. However, the principle shown in FIG. 4 and described above is retained here. This is because either the receiver itself rotates the phase of the local laser by 90 ° for a time percentage of each bit required for frame synchronization (see FIG. 3B) or the transmitter specifies the synchronization phase for this period ( FIG. 3C).

Ein derartiger zeitlicher Anteil der Bits entspricht im PSK- Homodyn-Empfänger mit Costas Loop genau dem Anteil der Lichtleistung, die in den Q-Zweig geleitet wird, also (l-k) (siehe Gleichung 3.3). Bei dieser speziellen Variante für kleine Bitraten ist im übrigen die Kanaldatenrate nicht höher als die zu übertragende Bitrate. Für hohe Bitraten ist diese Variante wegen der sehr kurzen Bitdauer nicht geeignet.Such a temporal proportion of the bits in the PSK corresponds to Homodyne receiver with Costas Loop exactly the proportion of Light output that is directed into the Q branch, i.e. (l-k) (see equation 3.3). In this special variant for small Bit rates, the channel data rate is not higher than the bit rate to be transmitted. This variant is for high bit rates not suitable due to the very short bit duration.

Ein optischer Überlagerungsempfänger, welcher die optische Referenzphase mit Hilfe des erfindungsgemäßen Synchronisationsverfahrens gewinnt, ist besonders für Anwendungen geeignet, wo es auf höchste Empfängerempfindlichkeit ankommt, also beispielsweise für Weitverkehrsverbindungen mit Hilfe von Glasfaser oder im Weltraum.An optical overlay receiver, which the optical Reference phase using the synchronization method according to the invention wins, is particularly suitable for applications where the highest receiver sensitivity is important, for example for long-distance connections with the help of fiber or in space.

Aufgrund des geringen Aufwandes ist jedoch auch ein preiswertes Massenprodukt für den Verbraucherbereich herstellbar. Im Vergleich zu den FSK-Systemen, welche sich offensichtlich gerade für diesen Bereich durchsetzen, ist für ein PSK-System im Sender zwar zusätzlich noch ein externer optischer Phasenmodulator erforderlich, aber die Komplexität eines mit Syncbits arbeitenden Empfängers kann bei fast vierfacher Empfindlichkeit trotz einer Phasenregelung des Lokallasers geringer sein.Due to the low effort, however, it is also inexpensive Mass product for the consumer area. in the Comparison to the FSK systems, which are obvious For a PSK system it is particularly important to assert yourself in this area in the transmitter there is also an external optical one Phase modulator required, but with the complexity of one Syncbits working receiver can be almost four times Sensitivity despite phase regulation of the local laser be less.

Claims

1. A method for carrier recovery in an optical PSK homodyne receiver with a local oscillator, characterized in that
a phase error signal required for phase synchronization of the local oscillator is obtained by
after n bits for the duration of a bit (a synchronization bit) the phase of the local oscillator is rotated by 90 ° with respect to the normal phase and
at this time the baseband signal obtained by the superimposition of received light and the light from the local oscillator is sampled,
the sample values multiplied by the polarity of the synchronization bit and each stored in a holding circuit form the phase error signal, which is then fed to the local oscillator via controller and actuator for phase correction.

2. A method for carrier recovery in an optical PSK homodyne receiver with a local oscillator, characterized in that
a phase error signal required for phase synchronization of the local oscillator is obtained by
after n bits for the duration of one bit (synchronization bits) the transmitter outputs a reference phase of 0 ° instead of the data phases (± 90 °) and
at this point in time, the baseband signal obtained by the superimposition of received light and the light of the local oscillator is sampled,
wherein the sample values stored in a holding circuit form the phase error signal, which is then fed to the local oscillator via controller and actuator for phase correction.

3. A method for carrier recovery in an optical PSK homodyne receiver with a local oscillator, characterized in that
a phase error signal required for phase synchronization of the local oscillator is obtained by
at the end of each bit, the phase of the local oscillator is rotated by 90 ° with respect to the normal phase for a certain percentage of the bit duration, and
at this time the baseband signal obtained by the superimposition of received light and the light from the local oscillator is sampled,
the sample values multiplied by the polarity of the synchronization bit and each stored in a holding circuit form the phase error signal, which is then fed to the local oscillator via controller and actuator for phase correction.

4. A method for carrier recovery in an optical PSK homodyne receiver with a local oscillator, characterized in that
a phase error signal required for phase synchronization of the local oscillator is obtained by
at the end of each bit for a certain percentage of the bit duration of the transmitter instead of the data phases (± 90 °) gives a reference phase of 0 ° and
at this time the baseband signal obtained by the superimposition of received light and the light from the local oscillator is sampled,
wherein the sample values stored in a holding circuit form the phase error signal, which is then fed to the local oscillator via controller and actuator for phase correction.