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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich faseroptischer Übertragungssysteme und
insbesondere auf die optischen Verbindungen und Netzwerke mit sehr
hoher Kapazität
und mit sehr langen Entfernungen. Als optische Verbindungen mit sehr
hoher Kapazität
bezeichnet man diejenigen Übertragungssysteme,
die eine Übertragungsgeschwindigkeit
von mehr als 10 GBit/s gewährleisten. Bei
eben diesen Übertragungssystemen
spricht man bei Ausbreitungsentfernungen in der Größenordnung von
5000 km oder mehr von sehr langen Entfernungen.
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Die
Erzielung sehr hoher Kapazitäten
auf Langsystemen ist heutzutage außerhalb von Systemen mit Wellenlängenmultiplexierung
vom Typ N*2,5 GBit/s nicht möglich,
selbst auch wenn es Veröffentlichungen
gibt, die auf Laborergebnisse Bezug nehmen, die mit den Anforderungen
der realen Systeme noch unvereinbar sind.
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Die Übertragung
von RZ-Impulsen (RZ = retour à zéro = Rückkehr zu
Null) oder NRZ-Impulsen (NRZ
= non retour à zéro = Nichtrückkehr zu
Null) wird heute häufig
in faseroptischen Übertragungssystemen
mit großer
Reichweite eingesetzt. Eines der Probleme bei solchen Systemen ist
der Anstieg des Signal-Rausch-Verhältnisses mit der Anzahl der im
System angeordneten Verstärker,
insbesondere auf Grund des Spontanemissionsrauschens der Verstärker (auf
Englisch ASE für „amplification
spontaneous emission").
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Bei Übertragungssystemen
mit Solitonsignalen wurde zwecks Verminderung des Spontanemissionsrauschens
der Verstärker
und somit Erhöhung des
Rauschabstands vorgeschlagen, Systeme mit leitenden Gleitfiltern
zu verwenden, siehe zum Beispiel EP-A-O 576 208. Diese Lösung beruht
auf der besonderen Beschaffenheit der Solitone und ihrer Fähigkeit
zur Selbstregenerierung. Mit anderen Worten die Solitonsignale folgen
dem Gleiten der Filter während
das Emissionsrauschen der Verstärker
ausgefiltert wird.
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Diese
Lösung
wird auch auf andere Signaltypen als die solitonen Signale angewandt.
Jedoch insofern als sie auf der Phasenselbstmodulation der Signale
beruht, ist sie für Übertragungssysteme
mit Wellenlängenmultiplexierung
auf Grund der zwischen den Kanälen
gekreuzten Phasenmodulation schwerlich anzuwenden. Der Durchlauf
der Signale durch die Gleitfilter impliziert ein hohes Maß an Phasenselbstmodulation,
was mit einem hohen Maß von gekreuzter
Phasenmodulation einhergeht. Bei einem Übertragungssystem mit Wellenlängenmultiplexierung
wäre es
zur Erzielung von Ergebnissen mit einer Lösung dieses Typs erforderlich,
die verschiedenen Kanäle
weit über
das für
die Signale verfügbare
Band von einigen Nanometern hinaus voneinander abzurücken.
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Die
Signalübertragung
in optischen Systemen wird auch durch nicht-lineare Effekte, wie
den Kerr-Effekt, den Brillouin-Effekt, den Raman-Effekt oder die
Vierwellenmischung begrenzt. G.P.Agrawal, Nonlinear Fibre Optics,
Academic Press 1980 gibt eine Beschreibung dieser nicht-linearen
Effekte. Diese Effekte sind vom Rauschpegel in den optischen Fasern
des Übertragungssystems
abhängig.
Der Artikel „All-optical
noise reduction capability of interferometric wavelength converters,
B. Mikkelsen et al, beschreibt einen Wellenlängenwandler, der das Rauschen
in einem optischen System vermindert.
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Die
Erfindung schlägt
eine Lösung
für das Problem
der Zunahme des Rauschens, und insbesondere des Spontanemissionsrauschens
der Verstärker
in einem faseroptischen Übertragungssystem vor.
Sie ermöglicht
es, den Q-Faktor der Übertragungssysteme,
insbesondere bei Systemen mit sehr hoher Kapazität und mit langen Entfernungen
signifikant zu verbessern. Die Erfindung erlaubt es, einen Großteil des
Rauschens an den Wellenlängen
der übertragenen
Signale zu entfernen und macht „lineare" Übertragungen
möglich,
die nicht durch den Rauschpegel eingeschränkt werden; sie macht auch nicht
lineare Übertragungen
möglich,
die durch die Effekte des Rauschens begrenzt sind. In einigen Ausführungsarten
ermöglicht
die Erfindung es, den zeitlichen Jitter der Signale zu reduzieren.
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Genauer
gesagt bietet die Erfindung eine Vorrichtung zur Rauschverminderung
für ein
faseroptisches Übertragungssystem
an, beinhaltend
- – erste Mittel zur Filterung
des Rauschens außerhalb
des Wellenlängenbereichs
der übertragenen Signale,
- – Mittel
zur Wellenlängenverschiebung
der übertragenen
Signale, und
- – zweite
Mittel zur Filterung der übertragenen
Signale, die eine Wellenlängenverschiebung
erfahren haben.
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Vorteilhafterweise
beinhaltet die Vorrichtung zweite Mittel zur Wellenlängenverschiebung,
um die Signale, welche der zweiten Filterung unterzogen wurden,
auf ihre ursprüngliche
Wellenlänge
zurückzubringen.
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Bei
einer Ausführungsart
beinhalten die Mittel zur Wellenlängenverschiebung Mittel zur
Erweiterung des Spektrums der Signale.
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Vorzugsweise
beinhalten die Mittel zur Wellenlängenverschiebung Mittel zur
optischen Phasenkonjugation.
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Bei
einer Ausführungsart
beinhalten die Mittel zur Filterung einen Bragg-Filter. Die Erfindung
bezieht sich auch auf ein faseroptisches Übertragungssystem, das mindestens
eine solche Vorrichtung enthält.
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Die
Erfindung schlägt
auch noch ein Verfahren zur Verminderung des Rauschens in einem
faseroptischen System vor, das die folgenden Schritte enthält
- – Filterung
des Rauschens außerhalb
des Wellenlängenbereichs
der übertragenen
Signale,
- – Wellenlängenverschiebung
der übertragenen Signale,
und
- – Filterung
der übertragenen
Signale, die eine Wellenlängenverschiebung
erfahren haben.
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Bei
einer Ausführungsart
beinhaltet das Verfahren außerdem
einen zweiten Wellenlängenverschiebungsschritt,
um die Signale, welche dem zweiten Filterungsschritt unterzogen
wurden, auf ihre ursprüngliche
Wellenlänge
zurückzubringen.
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Vorteilhafterweise
beinhaltet der Schritt Wellenlängenverschiebung
die Erweiterung des Spektrums der Signale.
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Der
Schritt Wellenlängenverschiebung
kann auch die Konjugation der Phase der Signale beinhalten.
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Weitere
Kennzeichen und Vorteile der Erfindung treten beim Lesen der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsarten
der Erfindung zutage, die beispielhaft angegeben wird und unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, welche folgendes zeigen
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1,
das Spektrum der Signale in einem Übertragungssystem;
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2,
das Spektrum der Signale nach einem ersten Filterungsschritt gemäß der Erfindung;
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3,
das Spektrum der Signale nach dem Wellenlängenverschiebungsschritt gemäß der Erfindung;
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4,
das Spektrum der Signale nach einem zweiten Filterungsschritt gemäß der Erfindung;
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5,
ein Schaltschema einer Vorrichtung zur Rauschverminderung gemäß der Erfindung;
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6,
die Spektren der Signale bei einer Wellenlängenverschiebung durch optische
Phasenkonjugation;
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7,
einen Graphen der Leistung der empfangenen Signale in einem klassischen Übertragungssystem;
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8,
einen Graphen der Leistung der empfangenen Signale in einem Übertragungssystem,
in dem die Erfindung eingesetzt ist.
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Die
Erfindung schlägt
vor, die übertragenen Signale
zu filtern, sie anschließend
einem „nicht-linearen
Offset" zu unterziehen,
so dass sie in dem zuvor gefilterten Wellenlängenbereich zurück gewonnen werden,
in dem das Rauschen vermindert worden ist. Sie schlägt verschiedene
Ausführungsarten
vor, die es gestatten, das nicht-lineare Offset durchzuführen, mit
anderen Worten eine Verschiebung der Wellenlängen der übertragenen Signale zu erreichen.
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Die 1 bis 4 zeigen
die Spektren der Signale in einer ersten Ausführungsart der Erfindung. Bei
dieser Ausführungsart
verwendet man eine einfache Erweiterung der Signale, um die übertragenen Signale
einem nicht-linearen Offset zu unterziehen. 1 zeigt
das Spektrum der Signale. Der Rauschpegel liegt in der Größenordnung
von N0 und der Pegel der Signale liegt in
der Größenordnung
von E. Die Signale weisen Wellenlängen um λc herum
auf, das typischerweise gleichwertig mit 1550 nm ist, wobei der
Wellenlängenbereich
im Übertragungssystem von
1530 bis 1580 nm reicht.
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Die
Erfindung schlägt
zunächst
vor, das Rauschen außerhalb
des Wellenlängenbereichs
der Signale zu filtern. Im Beispiel aus 2 wird das
Rauschen um die Wellenlänge λl herum
ausgefiltert, die größer ist
als die Wellenlänge λc.
Man kann beispielsweise einen Bandpassfilter oder einen Hochpassfilter verwenden,
um das Rauschen zu filtern. Bei auf 1550 nm zentrierten RZ-Impulsen,
die eine typische spektrale Breite von 0,2 nm aufweisen, kann man
das Rauschen um eine Wellenlänge λl herum
filtern, die circa 1 nm über
der zentralen Wellenlänge
der Impulse ist. Die Breite des Filters kann in der Größenordnung
von 0,3 nm liegen; sie wird vorteilhafterweise so gewählt, dass
sie die Leistung der übertragenen
Signale um nicht mehr als 0,5 dB senkt.
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Dann
schlägt
die Erfindung vor, die übertragenen
Signale einem nicht-linearen Offset zu unterziehen, anders ausgedrückt, an
ihnen eine Wellenlängenverschiebung
vorzunehmen, die nur in geringem Maße oder gar nicht auf das Rauschen
Anwendung findet. Im Beispiel aus 3 verwendet
man eine einfache Erweiterung des Signals, um die Signale dem nichtlinearen
Offset zu unterziehen. Diese Erweiterung kann beispielsweise dadurch
erzielt werden, dass man am Ausgang eines Verstärkers einen Faserabschnitt
anordnet, der eine Farbdispersion Null aufweist bei einer Wellenlänge in der
Nähe derjenigen
der übertragenen
Signale. Ein solcher Faserabschnitt bewirkt in Abhängigkeit
von der Leistung und den Wellenlängen
ein Zerspringen des Spektrums in Unterkomponenten. Die Wahl des
Gewinns der Verstärkung
kann optimiert werden, um die Erweiterung der übertragenen Signale zu λc zu
begünstigen,
um den Anteil der übertragenen
Signale, die man um die Wellenlänge λl herum
findet, zu maximieren.
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3 zeigt
also den Verlauf des erweiterten Spektrums. Man kann feststellen,
dass diese Lösung vorzugsweise
für RZ-Impulse
angewandt wird. Sie weist den Vorteil auf, gleichzeitig eine Spitzenbegrenzung
der Impulse zu gewährleisten,
mit anderen Worten die Überleistung
der Impulse zu verringern.
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Die
Erfindung schlägt
anschließend
vor, die Filterung der Signale und des Rauschens außerhalb des
auf λl zentrierten Wellenlängenbereichs vorzunehmen. Eine
derartige Filterung ermöglicht
es, den Teil der Signale zurück
zu gewinnen, der ursprünglich übertragen
wurde, wobei jedoch am Ausgang das Rauschen entfernt wird. Tatsächlich wird
beim ersten Filterungsschritt aus 2 das Rauschen
um λl herum entfernt. Im zweiten Filterungsschritt
gewinnt man nur die Signale um λl herum zurück, das heißt in einem Wellenlängenbereich,
wo das Rauschen schwach ist. Tatsächlich sorgt der nicht-lineare
Charakter der Erweiterung dafür,
dass das Rauschen gar nicht oder nur geringfügig in dem Bereich um die Wellenlänge λl herum
verläuft. 4 zeigt
den Verlauf der Signale, die man nach Filterung um λl herum
erhalten hat. Der Pegel der Signale um λl herum
wird in der Figur mit E' bezeichnet.
Der Wert von E' liegt
in der Größenordnung
des Wertes E für
die Leistung der Signale; der Verlust durch Verschiebung und Filterung
der Signale wird bei dieser Ausführungsart durch
die Verstärkung
der Signale, welche für
die Erweiterung der Signale verwendet wird, kompensiert.
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Bei
dieser Ausführungsart
mit Werten in der Größenordnung
von 1 nm für
die Differenz zwischen den Wellenlängen λl und λc kann
man zur Filterung der Signale Bragg-Filter verwenden, die mit Reflexion
arbeiten, oder an sich bekannte Filter, welche vergleichbare Leistungen
aufweisen.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Rauschverminderung
gemäß der Erfindung.
Die Vorrichtung weist erste Mittel zur Filterung 1 auf,
die das Rauschen um die Wellenlänge λl herum
Filtern, mit einer Leistungssenkung null oder gering im Wellenlängenbereich
der übertragenen
Signale. Die Vorrichtung weist dann Mittel zur Wellenlängenverschiebung 2 auf;
bei der Ausführungsart
der Figur beinhalten diese Mittel einen Verstärker 3, auf den eine
Faserschleife folgt, die bei der Wellenlänge λc der übertragenen
Signale eine Farbdispersion null aufweist. Wie weiter oben bereits
erläutert
erweitern diese Verschiebungsmittel das Spektrum der übertragenen
Signale, so dass diese Signale sich bis in den Wellenlängenbereich
erstrecken, in dem das Rauschen zuvor ausgefiltert wurde. Nach diesen
Verschiebungsmitteln beinhaltet die Vorrichtung zweite Filterungsmittel 5,
die die Signale außerhalb
der Wellenlängen
um λl herum filtern. Am Ausgang der Vorrichtung
gewinnt man Signale mit einer leicht anderen (im Beispiel größeren) Wellenlänge zurück, die
einen höheren
Rauschabstand aufweisen.
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Zur
Erreichung größerer Verschiebungen
bis hin zu einigen Nanometern kann man andere Mittel als die Erweiterung
des Signals verwenden. Bei der zweiten Ausführungsart der Erfindung, die
nun beschrieben wird, verwendet man eine optische Phasenkonjugation,
um die Verschiebung der übertragenen
Signale zu gewährleisten. 6 zeigt
den Verlauf der Signale. Mit durchgezogener Linie wird das Spektrum
des Signals nach Filterung des Rauschens um die Wellenlänge λl herum
dargestellt. Gestrichelt ist das Spektrum einer Pumpe zu sehen.
Fett dargestellt ist das Spektrum des Signals, das um die Wellenlänge λl herum
durch Vierwellenmischung der übertragenen
Signale und der eingefügten
Pumpe erzielt wird.
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Diese
zweite Ausführungsart
weist den Vorteil auf, dass sie es ermöglicht, größere Differenzen zwischen den
Wellenlängen λc und λl zu
erreichen, anders ausgedrückt
eine größere Wellenlängenverschiebung.
Dieses garantiert dem System eine größere Akzeptanz, insbesondere
gegenüber
Wellenlängenschwankungen
von der Quelle des Senders der Signale. Außerdem ermöglicht die Lösung aus der
zweiten Ausführungsart
im Falle einer Übertragung
mit Wellenlängenmultiplexierung
eine en-bloc-Verschiebung der Gesamtheit der Kanäle beispielsweise durch eine
Pumpe mit einer Wellenlänge
größer als
die größte Wellenlänge der
Kanäle des
Multiplex. Die zweite Ausführungsart
findet auch auf NRZ-Impulse Anwendung und nicht nur auf RZ-Impulse.
Und schließlich
induziert die zweite Ausführungsart
verglichen mit der ersten Ausführungsart keine
Frequenztransformation am Signal, dessen Spektrum weniger modifiziert
wird; dieses ermöglicht es,
die Filterungen und die Wellenlängenverschiebung
leichter zu wiederholen.
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In
einer dritten Ausführungsart
schlägt
die Erfindung vor, zur Durchführung
der Wellenlängenverschiebung
der übertragenen
Signale Wellenlängenwandler
einzusetzen. Gemäß der Erfindung
kann man nämlich
jedwede bekannte Vorrichtung zur Wellenlängenwandlung verwenden und
nicht nur wie in der zweiten Ausführungsart einen Wandler, der
auf der optischen Konjugation der Signale in einer Vierwellenmischung
beruht.
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Die
drei Ausführungsarten
der Erfindung ermöglichen
es, um eine Wellenlänge
herum, die bezogen auf die ursprüngliche
Wellenlänge
der Signale verschoben ist, übertragene
Signale mit einem geringeren Rauschpegel zu bekommen. Der Gewinn
betreffend den Rauschabstand kann in der Größenordnung von 10dB liegen.
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7 zeigt
den Verlauf der empfangenen Signale beim Empfang, bei einem klassischen
faseroptischen Übertragungssystem.
Die Abszissen zeigen die Zeit in Picosekunden und die Ordinaten
geben die Leistung in Milliwatt an. Die Signale sind RZ-Impulse mit einer Übertragungsgeschwindigkeit
von 10 GBit/s, die sich in einer Länge von 5000 km optischer Faser
mit einer eingefügten
Leistung von -4 dBm ausbreiten. Die Figur zeigt einen hohen Rauschpegel;
der in einer an sich bekannten An und Weise gemessene Q-Faktor liegt in der
Größenordnung
von 5,8.
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8 zeigt
einen ähnlichen
Graphen für
eine Verbindung gemäß der Erfindung,
bei der am Empfang Mittel zur Rauschverminderung von der weiter oben
beschriebenen Art vorgesehen sind. Wie es die Figur zeigt ist der
Rauschpegel deutlich geringer und der Q-Faktor liegt in der Größenordnung
von 18,4.
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Dank
der Erfindung könnte
man in die Verbindung auch eine größere Leistung einfügen als
die beim vorherigen Stand der Technik möglichen Leistungen.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 in
ihrer einfachsten Anwendung beschrieben. Es ist möglich, in
einer Verbindung mehrmals hintereinander Umwandlungen des unter Bezugnahme
auf die 1 bis 4 beschriebenen Typs
vorzunehmen. So kann man, nachdem man das Signal um die Wellenlänge λl herum
am Ausgang von 4 zurück gewonnen hat, wieder auf
die Wellenlänge λc gehen.
Hierfür
kann man genau umgekehrt vorgehen wie unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben:
man beginnt damit, das Rauschen um die Wellenlänge λc herum
zu filtern, falls dieses nicht bei dem zweiten Filterungsschritt
aus 4 erfolgt; man verschiebt dann die Wellenlänge der
Signale von λl nach λc, durch eine Behandlung, die der aus 3 entgegengesetzt
ist. Anschließend filtert
man die Signale um die Wellenlänge λc herum. Dieses „Rücksetzen" hinsichtlich der
Wellenlängen ermöglicht es,
den Rauschpegel noch weiter zu senken; es weist den Vorteil auf,
die Signale in den ursprünglichen
Wellenlängenbereich
zurückzubringen.
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In
der Verbindung kann man auch die weiter oben beschriebenen Schritte
mehrmals wiederholen, indem man die Wellenlängen anwachsen oder absinken
lässt.
Die Anzahl der Wiederholungen ohne Änderung der Variationsrichtung
der Wellenlängen hängt nur
vom Übertragungsbereich
der Fasern, Verstärker
und sonstigen Komponenten des Übertragungssystems
ab.
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Die
Position der Vorrichtung oder der Vorrichtungen zur Rauschverminderung
gemäß der Erfindung
hängt von
der angestrebten Wirkung und der gewählten Ausführungsart ab. Man kann jederzeit entlang
des Übertragungssystems
eine Rauschverminderung gemäß der Erfindung
vornehmen. Vorzugsweise nimmt man die Rauschverminderung früh genug
vor, damit die Impulse einen Pegel aufweisen, der deutlich über dem
des Rauschens liegt. Ein Rauschabstand in der Größenordnung von 5 dB/nm oder mehr
ist geeignet.
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Bei 7 und 8 hat
man die Rauschverminderung gemäß der Erfindung
beim Empfang vorgenommen. Man hätte
es früher
tun können;
jedoch ist diese Ausführungsart
für Systeme
ohne Verstärker
besonders vorteilhaft. Für
Systeme mit Verstärker kann
eine Vorrichtung zur Rauschverminderung gemäß der Erfindung nach oder vor
einem Verstärker eingesetzt
werden.
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Bei
einem Übertragungssystem
mit Wellenlängenmultiplexierung
kann man wie bei der zweiten Ausführungsart eine Rauschverminderung
gleichzeitig an allen Kanälen
des Multiplex vornehmen. Man kann auch Kanal nach Kanal arbeiten,
nachdem das Signal gedemultiplext wurde und danach eine erneute
Multiplexierung vornehmen. Diese Lösung weist den Vorteil auf,
dass die jeweiligen Positionen von zwei Kanälen ausgetauscht werden können und
der spektrale Verlauf der Kanäle
des Multiplex bewahrt werden kann.
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Eine
Vorrichtung zur Rauschverminderung gemäß der Erfindung wird vorteilhafterweise
kombiniert mit aktiven Vorrichtungen wie Phasen- oder Amplitudenmodulatoren,
die eine Verringerung des zeitlichen Jitters ermöglichen. So gelingt es nicht
nur das Rauschen zu vermindern, sondern auch den zeitlichen Jitter
des Signals.
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Natürlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten
Beispiele und Ausführungsarten
beschränkt,
sondern es sind zahlreiche Varianten möglich, die für den Fachmann vorstellbar
sind. Sie findet insbesondere Anwendung auf alle faseroptischen Übertragungssysteme,
unabhängig
von den übertragenen
Signalen, RZ- oder NRZ-Impulse, solitone oder sonstige, im Einkanal oder
mit Wellenlängenmultiplexierung.
Sie findet Anwendung für Übertragungssysteme
sowohl ohne Verstärker
(ohne elektrisch aktive Elemente an der Verbindung) als auch für Übertragungssysteme
mit Verstärker.