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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Telekommunikationsnetze
für die
Kabelverteilung von Fernsehsignalen. Genauer bezieht sie sich auf
ein Zweiwege-Lichtleitfasernetz zum Verteilen von Fernsehsignalen
an einen Teilnehmerstandort ohne Verwendung eines Koaxialkabels
in der Weise, dass das Senden von CATV-Signalen und der Breitband-Rückkehrweg
erleichtert werden und dass die Störungen derart minimiert sind,
dass die Qualität des
Fernsehbildes und die durch jeden Teilnehmer zugängliche Bandbreite verbessert
werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist vor allem für CATV-Verteilungssysteme geeignet,
bei denen AM-Signale (amplitudenmodulierte Signale) und jene des
DOCSIS-Typs erzeugt oder gesendet werden.
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Gegenwärtig besteht
die Konfiguration eines Fernsehsignalnetzes aus einem Lichtleitfaserabschnitt
und einem Koaxialkabelabschnitt, der zu dem Kunden führt. Die
Liberalisierung auf dem Gebiet der Telekommunikation in den zurückliegenden
Jahren ermöglichte
es den Eigentümern
dieser Netze, zusätzlich
zu der herkömmlichen
Bereitstellung von Funk- und Fernsehprogrammen neue Dienste anzubieten.
Dies wurde durch das Senden von Daten mittels geeigneter Modems
mit hochfrequenzmodulierten Signalen ermöglicht. In der Praxis erzeugt
die Trennung des Betriebsbands eines Koaxialkabels in zwei Teile
einen abgehenden Weg, auf dem die Funk- und Fernsehkanäle zusammen
mit dem Datensendekanal vorliegen, und einen Rückkehrweg mit kleinerer Bandbreite
für eine
Datensendung.
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Dadurch
wurde es möglich,
die vorhandenen Koaxialkabel in dem letzten Abschnitt kurzfristig
beizubehalten. Gegenwärtig
nutzen praktisch alle Fernsehsignalnetze ein System zur Datenübermittlung über Koaxialkabel
für den
letzten Abschnitt, wobei es dort eine zunehmend weiter verbreitete
Verwendung von Lichtleitfaserkabeln in dem ersten Abschnitt in einem
System gibt wie das, das in
US
5.262.883 "CATV
distribution networks using light wave transmission lines" vorgestellt ist.
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Die
Verwendung eines Systems, das gewissermaßen ein hybrides Faser-Koaxialkabel-Datensendesystem
ist, hat Schwachstellen und Probleme technischen Ursprungs bei dem
Verteilungssystem offenbart. Als Schwachstellen wurden vor allem
das angesammelte Rauschen auf dem Rückkehrweg, die Störungen,
die über
ein ungenügend
abgeschirmtes vorhandenes Koaxialkabel eindringen, und die Begrenzung
der nutzbaren Bandbreite festgestellt: Diese Probleme nehmen mit
einer Zunahme der Anzahl von Anwendern zu, die über Modem verbunden sind.
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Die
Erfindung, die nun offenbart wird, schlägt das Ersetzen von vorhandenen
Koaxialkabeln durch eine bestimmte Anzahl von Lichtleitfasern vor,
die den Vorteil haben, dass sie auch unter den vorliegenden Bedingungen
ohne irgendwelche besonderen Probleme und auf eine eher einfache
Weise eine hohe Datensendekapazität zulassen. Die Erfindung ermöglicht außerdem das
Senden von analogen und digitalen Fernsehsignalen und stellt eine
Kompatibilität
mit dem auf einem Hochfrequenzmodem beruhenden Datensendesystem
sicher. Um ein optisches Signal an den Benutzer zu verteilen, ist
es erforderlich, ein Verstärkungssystem
zu haben, das den Abzweigverlust kompensiert. Die vorhandenen Lösungen stellen
alle die Verwendung von kostenaufwändigen verzerrungsarmen optischen
Verstärkern
vor, wie beispielsweise in dem Artikel "SUPER PON-A Fiber to the Home Cable
Network for CATV and POTS/ISDN/VOD as Economical as a Coaxial Cable Network" im Journal of Lightwave
Technology, Bd. 15, Nr. 2, Februar 1997, oder in
US 5.914.799 , das den Titel "Optical Network" trägt. Weitere
Lösungen umfassen
die Verwendung der Faser bis zu den Teilnehmerstandorten, sehen
jedoch keinen Rückkehrweg
vor. Ein Beispiel für
diese Lösungen,
die üblicherweise
vom Baumtyp sind, wird in
US
5.331.449 gegeben, das den Titel " Optical fiber tree and branch network
for AM signal distribution" trägt. Patent US-A-6
041 056 (Sistanizadeh Kamran u. a.) beschreibt ein Netz, das einige
Merkmale aufweist, die darauf ausgerichtet sind, die gleiche Art
von Problemen zu lösen,
die durch diese EMC-Anmeldung gelöst sind, aber diese Anmeldung
offenbart, wie es von der folgenden Beschreibung abgeleitet werden
kann, die Verwendung von mehreren verschiedenen untereinander verbundenen
Systemen, wodurch die gewünschten
Vorteile erzielt werden können.
Die durch die vorliegende Erfindung vorgestellte Lösung ermöglicht es,
dass das Fernsehsignal durch optische Mittel an die Teilnehmerstandorte übertragen
wird und ermöglicht
es bei niedrigen Kosten und auf eine derartige Weise, dass eine
Flexibilität
mit dem vorhandenen Netz-Typ aufrecht erhalten wird, einen Rückkehrweg
zu haben, der vollständig
aus einer Lichtleitfaser zum Übertragen
der Daten von den Teilnehmerstandorten besteht.
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Genauer
nimmt die Erfindung die Form eines Geräts für eine externe Verwendung an,
das einen ersten Lichtleitfasereingang für den Eintritt von optischen
Breitband-AM-Fernsehsignalen von dem letzten optischen Knoten, eine
Anzahl N von Lichtleitfaserausgängen
für das
Senden der optischen Signale, deren Anzahl von der Anzahl der zu
verbindenden Teilnehmer abhängt,
eine Anzahl M von Lichtleitfasereingängen, die eine optische Schnittstelle
verbinden, die bei den Standorten jedes einzelnen Teilnehmers zu
dem besagten Gerät
vorhanden ist, einen Lichtleitfaserausgang, an den das optische
Signal gesendet wird, das die Daten von den Standorten der einzelnen
Teilnehmer überträgt, und
einen Koaxialverbinderausgang besitzt, um die Kompatibilität des Systems
mit herkömmlichen
elektrischen Signalen aufrecht zu erhalten. Der Koaxialverbinderausgang wird
verwendet, falls der erste Abschnitt des CATV-Netzes vom Koaxialtyp
ist. In der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen wird
das Gerät für eine externe
Verwendung "optoelektronischer
Dual-Breitband-Verstärker" genannt. Die Begriffe "Kopfende" oder "CATV-Kopfende-Modul" oder "Station" werden verwendet,
um den Ort und Vorrichtungen zu bezeichnen, die das Breitband-AM-Fernsehsignal optisch
in dem Lichtleitfasernetz senden, und bei denen der Empfang und
eine Demodulierung der Summe der optischen Signale, die von den
einzelnen Teilnehmern ankommen, durchgeführt werden. Zusätzlich gibt
der Begriff "abgehender
Weg" die Komponenten
des Netzes an, die das Breitband-CATV-Signal von der Station (Kopfende)
an die Standorte jedes Benutzers senden, und der Begriff "Rückkehrweg" gibt die Komponenten des Netzes an,
die die Signale, die Daten enthalten, von den Standorten der einzelnen
Teilnehmer an die Station (Kopfende) übertragen. Der erste Lichtleitfasereingang
wird mit einem optoelektronischen Empfänger abgeschlossen, der die
optischen Breitband-AM-CATV-Signale in elektrische Signale umsetzen
kann. Die auf diese Weise erzeugten elektrischen Signale sind verstärkt. Die
verstärkten
elektrischen Signale werden hierauf durch einen HF-Teiler geteilt
und an N Laserquellen gesendet. Die N Laserquellen werden durch
eine Steuerschaltung für
eine optische Ausgangsleistung unabhängig versorgt. Eine mit der
Steuerschaltung für
eine optische Ausgangsleistung verbundene CPU ermöglicht es,
dass die N Laserquellen aus der Ferne aus- und eingeschaltet werden, wodurch die
einfache Trennung und Verbindung jedes Teilnehmers aus der Ferne
möglich
ist. Die N Laserquellen realisieren eine Umsetzung des empfangenen
elektrischen Signals in ein optisches Signal und senden es über N Lichtleitfaserausgänge direkt
an jeden Teilnehmer. Das Gerät
für eine
externe Verwendung hat weitere M Lichtleitfasereingänge, die
das Rückkehrwegsignal
von den einzelnen Teilnehmern übertragen,
das durch eine Anordnung von M optoelektronischen Empfängern in
ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Die M optoelektronischen
Empfänger
werden ebenfalls durch die CPU unabhängig und aus der Ferne ein- und
ausgeschaltet. Ein HF-Kombinator addiert die M elektrischen Signale,
die von den M optoelektronischen Empfängern erzeugt wurden, und sendet
die sich daraus ergebende Summe an einen Verstärker. Der Verstärker ist
mit einem Schalter verbunden, der die Summe an einen Trennfilter
oder an einen Lasersender für
den Rückkehrweg
schalten kann. Der Lasersender für
den Rückkehrweg
setzt die Summe in ein optisches Signal um und sendet es durch eine Lichtleitfaser
an die Station. Der Trennfilter ist mit dem Ausgang durch einen
Koaxialverbinder verbunden. Der besagte optoelektronische Dual-Breitband-Verstärker ermöglicht es,
das ganze Signalband zu verwenden, das durch eine Lichtleitfaser
bereitgestellt wird, und besitzt deswegen den Vorteil, die Frequenzzuordnung
der Trägersignale
in die Frequenzbereiche zu ermöglichen,
in denen nichtlineare Phänomene
eine geringere Auswirkung haben, wodurch eine Verbesserung der Nichtlinearität des Systems
sowohl auf dem abgehenden Weg als auch auf dem Rückkehrweg erzielt wird. Wegen
der großen Bandbreite
der Lichtleitfaser ist es darüber
hinaus möglich,
dass der Frequenzgang des Kanalpegels im ganzen Band ohne die Erfordernis
von weiteren Ausgleichssystemen aufrecht erhalten werden kann, wodurch
eine einheitliche Qualität
des Fernsehbildes auf allen Kanälen
bereitgestellt wird. Neben einem Bereitstellen des Zugangs zu der
ganzen verfügbaren
Bandbreite der Lichtleitfaser zur Datensendung für den einzelnen Teilnehmer
besteht ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass
sie es ermöglicht,
eine Netztopologie des Punkt-zu-Punkt-Typs
zu verwenden, bei dem der einzelne Teilnehmer einen zugeordneten
Lichtleitfaserkanal ohne Abzweigungen zwischen der Buchse, die bei
seinem Standort angebracht ist, und dem letzten optischen Sender
oder Empfänger
in dem optoelektronischen Dual-Breitband-Verstärker besitzt. Diese Topologie
ist für
die Verwendung von zahlreichen Protokollen bei dem Sendepegel geeignet
und sie ist flexibel und hinsichtlich der Sicherheit robust. Die Punkt-zu-Punkt-Topologie
ermöglicht
außerdem
gemäß den Anforderungen
der Netzsteuerung ein einfaches Trennen jedes Teilnehmers aus der
Ferne. Schließlich
sollte das Fehlen von kostspieligen passiven optischen Komponenten
wie etwa optische Isolatoren, Filter und Verstärker, die Kompatibilität mit Koaxialkabelnetzen
und die intrinsische Unanfälligkeit der
Lichtleitfaser gegenüber
elektromagnetischen Störungen
besonders erwähnt
werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung werden
nun anhand der beispielhaft dargestellten Ausführungsformen ohne einschränkende Absicht
in der beigefügten Zeichnung
veranschaulicht, in der
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1 einen
Blockschaltplan eines CATV-Netzes mit einer Lichtleitfaserverbindung
zu dem Teilnehmer gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 einen
Blockschaltplan eines CATV-Netzes mit einer Lichtleitfaserverbindung
zu dem Teilnehmer gemäß der Erfindung
in einer zweiten Ausführungsform
zeigt;
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3 einen
Blockschaltplan eines CATV-Netzes mit einer Lichtleitfaserverbindung
zu dem Teilnehmer gemäß der Erfindung
in einer dritten Ausführungsform
zeigt;
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4 einen
Blockschaltplan eines Abschnitts des CATV-Netzes mit einer Lichtleitfaserverbindung
zu dem Teilnehmer zeigt, wobei dieser Abschnitt in 1 als
ein "optoelektronischer
Dual-Breitband-Verstärker" angegeben wird,
der eine Ausführungsform
der Erfindung in einer ersten Konstruktionsform darstellt;
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5 einen
Blockschaltplan eines Abschnitts des CATV-Netzes mit einer Lichtleitfaserverbindung
zu dem Teilnehmer zeigt, wobei dieser Abschnitt in 1 als
ein "optoelektronischer
Dual-Breitband-Verstärker" angegeben wird,
der eine Ausführungsform
der Erfindung in einer zweiten Konstruktionsform darstellt;
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6 einen
Blockschaltplan eines Abschnitts des CATV-Netzes mit einer Lichtleitfaserverbindung
zu dem Teilnehmer zeigt, wobei dieser Abschnitt in 1 als
ein "optoelektronischer
Dual-Breitband-Verstärker" angegeben wird,
der eine Ausführungsform
der Erfindung in einer dritten Konstruktionsform darstellt.
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In 1 ist
ein CATV-Lichtleitfasernetz mit einer Lichtleitfaserverbindung zu
dem Teilnehmer gezeigt. Alle amplitudenmodulierten Breitband-CATV-Kanäle werden über eine
Lichtleitfaser von der Station oder dem "Kopfende", das mit der Nummer 2000 bezeichnet
ist, gesendet. In der Ausführungsform
der Erfindung wurde ein Sendetest auf den Video- und Funkkanälen in einem
Band durchgeführt,
das sich von 47 MHz bis 860 MHz erstreckt. Das durch diese kombinierten
Kanäle
gebildete Signal wird einem optischen Sender zugeführt und
wird durch diesen Sender längs
der Lichtleitfaser 100 gesendet. Das Gerät gemäß der Erfindung 1000 stellt die
optischen Signale wieder her, die bei seinem Eingang vorliegen und
die durch die Faser 100 von dem Kopfende übertragen
worden sind, und sendet diese mittels einer Anordnung von optischen
Sendern längs
N Fasern 200 an die Standorte der einzelnen Teilnehmer,
bei denen sich Teilnehmerbuchsen 3000 befinden, bei denen
der Anschluss an die Fernsehgeräte
sowie die Datensende- und Empfangssysteme stattfindet. Die Anzahl
N von Fasern 200 hängt
von der Anzahl von Teilnehmern, die verbunden werden sollen, und
von der Topologie des letzten Netzes ab. Die Anzahl N ist gleich
der Anzahl von Teilnehmern, die gemäß der Ausführungsform von 1 verbunden
werden sollen, wodurch ein einfaches Mittel zum Ausschalten des
Dienstes für
jeden Teilnehmer und eine Punkt-zu-Punkt-Topologie auf dem abgehenden Weg
bereitsteht. Dort gibt es außerdem
einen koaxialen HF-Leiter 8 zum Verbinden des Verstärkers 1000 mit
einem Koaxialkabelnetz. Signale werden von der Teilnehmerbuchse 3000 längs des
Lichtleitfaser-Rückkehrweges
gesendet. Diese Signale kommen bei dem Verstärker 1000 an, der
sie addiert und sie wieder mit optischen Mitteln längs der
Lichtleitfaser 101 an das Kopfende 2000 sendet. 2 zeigt eine
Abwandlung der Punkt-zu-Punkt-Topologie, die 1×K-Optokoppler 300 verwendet,
wobei K eine generische Anzahl ist, so dass die Anzahl von Fasern 200 kleiner
als die Anzahl von Teilnehmern ist. Diese Art von Anordnung mit
Kopplern ist weniger kostenaufwändig,
da sie die Anzahl von optischen Sendern in dem optoelektronischen
Verstärker
und von Fasern verringert, aber sie erlaubt nicht, dass die Steuerung einen
einzelnen Teilnehmer aus der Ferne trennt. Eine weitere Abwandlung
ist in 3 gezeigt, bei der Optokoppler 301 verwendet
werden, so dass die gleiche Faser 400 für den abgehenden Weg verwendet werden
kann, und das Gleiche kann, muss aber nicht mit der Faser 100 durchgeführt werden,
bei der ein Koppler 302 eingesetzt und der Abschnitt der
Faser 600 verwendet werden kann, um das Signal in beide Richtungen
zu senden. Diese Lösung
schafft eine Einsparung an Lichtleitfasern, da nur eine Faser verwendet
wird, die von dem abgehenden Weg und dem Rückkehrweg geteilt wird, aber
sie verursacht den zusätzlichen
Aufwand der Optokoppler 301 und 302.
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4 zeigt
einen Blockschaltplan der Elemente, die das Gerät für eine externe Verwendung 1000 bilden,
das als "optoelektronischer
Dual-Breitband-Verstärker" bezeichnet wird,
in einer ersten Konstruktionsform, die die Verwendung der CATV-Netz-Typen
mit Lichtleitfaserverbindungen zu dem Teilnehmer ermöglicht,
wie es in 1, 2 und 3 gezeigt
ist.
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Ein
Satz von 42 CENELEC-Trägern
mit einem Band von 47 MHz bis 860 MHz moduliert mit einem OMI von
5% einen optischen CATV-Sender mit einer Ausgangsleistung von 13
dBm, der von dem Unternehmen EMC hergestellt wird, wodurch ein optisches
Signal erzeugt wird, das sich längs
der Lichtleitfaser 100 zu dem Eingang des Verstärkers 1000 ausbreitet.
Das optische Signal wird durch einen hochlinearen analogen Breitbandempfänger 10,
der eine Photodiode und einen analogen Vorverstärker umfasst, in ein elektrisches
Signal umgesetzt. Bei dieser ersten Unsetzung werden eine CTB von
65 dB, eine CSO von 62 dB und ein C/N-Verhältnis von 51 gemessen. Der
analoge Empfänger 10 bildet
einen Teil eines analogen Sender/Empfängers 20, der die
optische/elektrische Schnittstelle zwischen dem optoelektronischen
Verstärker
und dem von dem Kopfende ausgehenden optischen Netz bildet. Die
in elektrische Signale umgesetzten Signale laufen von dem Empfänger 10 zu
dem Eingang des veränderlichen
Dämpfungsglieds 11,
zu einem Kabelkorrigierer 12, zu einem Breitbandverstärker 13 und
hierauf zu einer Verstärkungs-Steuerschaltung (AGC) 17,
die aus einem veränderlichen
Dämpfungsglied 14,
einem zweiten Verstärker 15 und
einem HF-Detektor 16 besteht. Beim Verlassen der Verstärkungssteuerschaltung 17 werden
die in elektrische Signale umgesetzten optischen Signale durch einen
HF-Teiler 19 in der besagten Ausführungsform durch einen Faktor von 8 geteilt
und hierauf an 8 Laser-Telekommunikationssender des VCSEL-Typs 30 gesendet.
Jeder der Laser-Telekommunikationssender 30 wird durch
eine Stromsteuerung betrieben, die über ihre interne Photodiode,
die die optische Ausgangsleistung konstant hält, einer Rückkopplungssteuerung unterworfen
ist. Die Lasertreiber sind mit dem Ausgang eines Mikroprozessors
(CPU) 6000 mit 8 Ausgängen
verbunden, der mittels des Computers 5000 so programmiert
ist, dass er alle 8 VCSEL-Telekommunikationslaser 30 eingeschaltet
hält. Die
Laser-Telekommunikationssender setzen das elektrische Signal zurück in ein optisches
Signal und senden es über
8 Ausgangsfasern 200 an 8 Teilnehmerbuchsen 3000,
die alle eine Photodiode besitzen, die das optische Signal in ein elektrisches
Signal umsetzt. Bei dieser zweiten Umsetzung werden eine CTB von
58 dB, eine CSO von 57 dB und ein C/N-Verhältnis von 46 dB gemessen.
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Die
Ausrüstung 1000 von 4 enthält eine Anordnung
von 8 Breitband-Photodioden 21,
die das bei der Teilnehmerbuchse 3000 vorliegende optische Signal
in ein elektrisches Signal umsetzen, wobei sie die Lichtleitfaser 201 verwenden,
die von der Teilnehmerbuchse 3000 ausgeht. Ein bei der
Frequenz von 100 MHz moduliertes Signal wird von der Teilnehmerbuchse 3000 an
eine der 8 Photodioden 21 gesendet, wobei die optische
Leistung gleichzeitig an alle Photodioden von weiteren 7 Buchsen 3000 gesendet wird.
Die 8 Photodioden 21 setzen die optischen Signale von den
8 Buchsen 3000 in elektrische Signale um.
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Die
Summe der elektrischen Ausgangssignale der Photodioden 21 wird
durch einen HF-Kombinator 22 ermittelt und an ein veränderliches
Dämpfungsglied 23 und
an einen Verstärker 24 gesendet. Das
Band der 8 parallel geschalteten Photodioden 21 beträgt 125 MHz,
und ihr C/N-Verhältnis beträgt 46 dB.
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Das
Ausgangssignal des Verstärkers 24 wird an
den Schalter 31 gesendet, der es ermöglich, dass das Ausgangssignal
des Verstärkers 24 entweder
an den Trennfilter 25, der einen HF-Ausgang zu dem Koaxialverbinder 8 des
3,5/12-Typs hat, oder an den hochlinearen optischen Breitbandsender 20, der
mit einem Ausgangsisolator versehen ist, geschaltet wird. Dieser
Schaltvorgang kann genutzt werden, um die Konfiguration des Verstärkers 1000 entweder
für ein
CATV-Netz, dessen erster Abschnitt aus einem Koaxialkabel besteht,
oder für
ein moderneres CATV-Netz auszuwählen,
dessen erster Abschnitt aus einer Lichtleitfaser besteht. Der optische
Sender 20 setzt das elektrische Signal von dem Verstärker 24 in
ein optisches Signal um und sendet es längs des Lichtleitfaser-Rückkehrweges 101,
der es hierauf zurück
an das Kopfende sendet.
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5 zeigt
eine Abwandlung der in 4 gezeigten Ausführungsform,
bei der Optokoppler 301 in den Rückkehrweg eingebaut sind.
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6 zeigt
eine weitere Abwandlung, bei der 4 Fasern bei einer einzigen Breitband-Photodiode 41 enden.
In diesem Fall wurde herausgefunden, dass ein Band entsprechend
4 parallel geschalteter Photodioden mit offensichtlichen Komponenteneinsparungen
erhalten wurde, wobei das S/R-Verhältnis so
lange unverändert
blieb, so lange die Photodiode nicht gesättigt war.