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Technisches Gebiet:
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Die
Erfindung beschreibt einen Empfänger
für ein
optisches oder elektromagnetisches Signal, das digitalisierte Daten überträgt, mit
einer Einrichtung zur digitalen Entzerrung/Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC) mit iterativer
Entzerrung und Fehlerkorrektur-Schleife. Durch wiederholtes Durchlaufen
der Schleife kann die Effizienz eines digitalen Entzerrers, insbesondere
eines Viterbi-Entzerrers, in Kombination mit einer FEC optimiert werden.
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Hintergrund der Erfindung:
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Die
Erfindung betrifft einen Empfänger
gemäß den spezifizierenden
Eigenschaften von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß den spezifizierenden
Eigenschaften von Anspruch 6.
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Wenn
digitale Daten durch ein analoges elektromagnetisches oder optisches
Signal gesendet werden sollen, tritt das Problem auf, dass wenn
das Signal beim Empfänger
am Ende des Übertragungspfades
eintrifft, durch Störungen
und Dämpfungen
entlang des Übertragungspfades
die digitalen Daten nicht mehr so eindeutig dem Analogsignal zugeordnet
werden können,
wie es möglich
war, als das Signal in den Übertragungspfad eingespeist
wurde. Speziell im Fall von Breitbandsignalen, die über einen
langen Übertragungspfad übertragen
werden müssen,
wird die Qualität
des Digitalsignals durch das Rauschen merklich verringert, das um
so größer wird,
je größer die
Entfernung wird. Wenn man die Fähigkeit
des Empfängers
erhöht,
digitale Daten zu erkennen, die durch das Analogsignal übertragen
werden, führt
dies zu einer geringeren Zahl an Verstärkern entlang des Übertragungspfades,
es können
Kosten reduziert werden, und die Fehlerrate der empfangenen Daten
kann verringert werden. Verbesserungen der Empfänger sind auf die Verbesserung
des Algorithmus begrenzt, der für
die digitale Entzerrung nach der Analog-/Digital-Wandlung benutzt
wird.
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In
diesem Zusammenhang wird den so genannten Viterbi-Entzerrern besondere
Aufmerksamkeit geschenkt, wobei es sich um digitale elektronische
Entzerrer mit kleinsten Fehlerraten und oft höchster Effizienz handelt, die
zur Verarbeitung gestörter
Signale benutzt werden können.
Sie werden in Kombination mit einer Vorwärts-Fehlerkorrektur (Forward
Error Correction, FEC) eingesetzt. Beides muss das Signal-Rauschverhältnis auf
ein absolutes Minimum reduzieren. Eine solche Kombination wird für hohe Übertragungsraten
optischer Signale im Bereich von 10 bis 40 GBit/s und höher noch
nicht gut beherrscht. Datenübertragungssysteme
der nächsten
Generation mit 10 und 40 GBit/s werden nahe an der Rauschgrenze
betrieben, ohne dass viel Spielraum für Übertragungsstörungen gelassen
wird. Eine effiziente Verringerung dieser Störungen ist unbedingt erforderlich,
um die Anforderungen dieser Systeme zu erfüllen.
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Eine
bekannte Kombination von Viterbi-Entzerrer und FEC, wie z. B. in
EP 1065851 offen gelegt,
reicht nicht aus, eine effiziente Verringerung dieser Störungen zu
erzielen, um sicherzustellen, dass bei der Datenübertragung in Datenübertragungssystemen
der nächsten
Generation eine akzeptierbare maximale Fehlerrate nicht überschritten
wird.
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Technischer Zweck der Erfindung:
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Der
technische Zweck der Erfindung ist es, einen Empfänger zu
entwickeln, der in der Lage ist, das Signal-Rauschverhältnis auf
ein absolutes Minimum zu verringern, wie es für die eindeutige Erkennung
digitaler Daten, die durch ein elektromagnetisches oder optisches
Signal übertragen
werden, erforderlich ist, und der in der Lage ist, digitale Daten
auch in Signalen zu erkennen die durch zusätzliches Rauschen und Verzerrungen
stark gestört
sind, und ein Verfahren zu entwickeln, das eine solche eindeutige
Erkennung von Signalen mit einem minimalen Signal-Rauschverhältnis ermöglicht.
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Offenlegung der Erfindung und ihrer Vorteile:
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Der
erste Teil des technischen Zweckes der Erfindung wird durch den
Empfänger
der spezifizierenden Eigenschaften von Anspruch 1 vollständig erfüllt, wobei
der Empfänger
dadurch gekennzeichnet wird, dass der digitale Entzerrer und die
Vorwärts-Fehlerkorrektur
kombiniert werden, um eine iterative Entzerrung und eine Fehlerkorrektur-Schleife
zu erhalten.
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Die
vorgeschlagene Lösung
basiert auf einer Iteration, bei der in jeder Iterationsschleife
eine Entzerrung, eine Fehlerkorrektur und eine Codierung der Daten
vorgenommen wird. Um zusätzlichen
Codierungs-/Entzerrungs-Gewinn zu erzielen, ist es unbedingt erforderlich,
einen iterativen Aufbau anzuwenden, der Kombinationen von optischen
und elektronischen Mitteln übertrifft.
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Die
von einem Analog-/Digital-Wandler (ADC) ausgegebenen Soft-Daten werden auf übliche Weise
an einen digitalen Entzerrer und anschließend an eine Vorwärts-Fehlerkorrektur
(FEC) angelegt. Ein elementarer Unterschied im Vergleich zum Stand
der Technik ergibt sich aus der Tatsache, dass das vom digitalen
Entzerrer an die FEC und anschließend von der FEC ausgegebene
Signal aus Soft-Daten besteht. Durch Erzeugung eines Soft-Daten-Ausgangssignals
in der FEC kann das Ausgangssignal wieder an den digitalen Entzerrer
angelegt werden. Diese Prozedur kann grundsätzlich nach Belieben wiederholt
werden, aus praktischen Gründen
wird die Prozedur jedoch nach einer vorher festgelegten Anzahl von
Iterationen oder wenn das Ausgangssignal eine gewünschte Qualität erreicht
hat, beendet.
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Exakt
wie im Sender wird das von der FEC ausgegebene Signal, das keine
Prüfbits
enthält,
an eine FEC-Codierungs-Vorrichtung angelegt, welche die in der FEC
beseitigten Prüfbits
wieder zum Signal hinzufügt.
Das Ausgangssignal wird dann an eine Verzerrungs-Codierungs-Vorrichtung
angelegt, die das Signal wieder mit der ursprünglichen Kanalcodierung ausstattet,
die vom Entzerrer, z. B. einem Viterbi-Entzerrer, entzerrt wurde.
Durch wiederholtes Durchlaufen der Schleife kann die Effizienz des
Entzerrers, sowie der FEC optimiert werden. Hierdurch ist eine Anwendung
in Systemen möglich,
die nahe an der Rauschgrenze betrieben werden. Die iterative Entzerrung
und Fehlerkorrektur führt
zu drastisch reduzierten Mindestwerten des optischen Signal-Rauschverhältnisses,
wodurch sich das System-Budget verbessert. Das Verfahren funktioniert wie
folgt: Auf der Empfängerseite
wird ein Analogsignal, z. B. ein optisches Signal, an einen A/D-Wandler
angelegt. Jede Amplitude entspricht einem Digitalsignal in der Form
von "1" oder "0". Der A/D-Wandler wandelt das Analogsignal
in digitale Soft-Daten um. Die Soft-Daten enthalten Gruppen von
Bits, wobei jedes einer analogen Amplitude entspricht. Durch Umwandlung
des analogen Eingangssignals in Bitgruppen eines Soft-Daten-Ausgangssignals
kann der Wert der Amplitude des Analogsignals digital erfasst und
für eine
Entscheidung benutzt werden, d. h. für die Zuordnung des Analogsignals
zu einem digitalen Wert in der Form einer "1" oder einer "0". Der für die iterative Entzerrung
und die Fehlerkorrektur-Schleife benutzte digitale Entzerrer ist
ein digitaler Soft-in-/Softout-Entzerrer, der in der Lage ist, Soft-Daten
zu verarbeiten und auszugeben. Die vom digitalen Entzerrer ausgegebenen
Soft-Daten werden
an eine modifizierte FEC angelegt, die in der Lage ist, Soft-Daten
sowohl zu verarbeiten als auch auszugeben. Entsprechend dem Stand
der Technik werden FECs ausschließlich zur Verarbeitung von
Binärdaten,
d. h. von "harten" Daten verwendet,
die anders als Soft-Daten keine Zwischenwerte als zusätzliche
Information enthalten. Da die FEC Soft-Daten ausgibt, ist es nun
möglich, dieses
Ausgangssignal an den digitalen Entzerrer anzulegen, nachdem das
Ausgangssignal wieder so vorverarbeitet wurde, wie es vor der Analog-/Digital-Wandlung
auf der Senderseite vorverarbeitet wurde. Durch wiederholtes Durchlaufen
der Schleife, die aus digitalem Entzerrer, FEC und Signalvorverarbeitung
besteht, kann die Erkennung der Bits verbessert und die Fehlerrate
verringert werden, bevor nach einer vordefinierten Zahl von Iterationen
das Soft-Daten-Signal
an eine Entscheidungs-Vorrichtung angelegt wird, die den Soft-Daten Bitwerte
in der Form von 1" und "0" zuordnet. Hierdurch kann das Signal-Rauschverhältnis, bzw.
das optische Signal-Rauschverhältnis,
das für
eine eindeutige Erkennung von digitalen Daten, die durch ein elektromagnetisches
oder optisches Signal übertragen
wurden, erforderlich ist, auf ein absolutes Minimum reduziert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
des Empfängers
wird die Iterationsschleife so eingerichtet, dass die FEC mit dem
Ausgang des Entzerrers verbunden ist, wobei der Entzerrer selbst
mit dem Ausgang der FEC verbunden ist.
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In
der Ausführung
des Empfängers
ist der verwendete digitale Entzerrer ein Viterbi-Entzerrer. Die
Iterationsschleife besteht aus einem Viterbi-Entzerrer und einem
FEC-Decodierer, wobei der Viterbi-Entzerrer im Vergleich zum Stand
der Technik modifiziert ist, so dass er in der Lage ist, anstelle
von Binärdaten
Soft-Daten auszugeben. Der Viterbi-Entzerrer liefert diese Soft-Daten
anstelle von Binärdaten
an die FEC, und die FEC korrigiert die Fehler der Soft-Daten. Die
von der FEC ausgegebenen Daten sind auch Soft-Daten und werden zurück an den
Viterbi-Entzerrer geführt,
wobei eine FEC-Codierungs-Vorrichtung
und eine Verzerrungs-Codierungs-Vorrichtung im Rückkopplungs-Pfad angeordnet
werden, der vom Ausgang der FEC zurück zum Eingang des Viterbi-Entzerrers
führt.
Die Anordnung der FEC-Codierungs-Vorrichtung und der Verzerrungs-Codierungs-Vorrichtung kann
einem Teil der Struktur eines Senders zur Einspeisung digitalisierter
Daten, die optische oder elektromagnetische Signale übertragen,
in einen Übertragungspfad
entsprechen.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführung
des Empfängers
wird vor dem ADC im Signalpfad ein Analog-Entzerrer angeordnet,
was dazu führt,
dass die Fehlerkorrektur-Schleife aus dem digitalen Entzerrer, der FEC
und dem Rückkopplungs-Pfad
besteht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung
des Empfängers
ist der Analog-Entzerrer ein optischer Entzerrer, der zum Beispiel
zwischen dem Demultiplexer und dem optisch-elektrischen Wandler
angeordnet ist.
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Der
zweite Teil des technischen Zwecks der Erfindung wird vollständig durch
das Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit bei der Zuordnung
von Binärdaten
zu einem elektromagnetischen oder optischen Analogsignal, das digitalisierte
Daten überträgt und an
einem Empfänger
eintrifft, erfüllt,
wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- a)
Umwandlung der eintreffenden analogen Signale in digitale Soft-Daten,
die Zwischenwerte repräsentieren,
welche den Wert der Amplitude des Analogsignals anzeigen,
- b) Anlegen der Soft-Daten an einen digitalen Entzerrer,
- c) Anlegen des auf die beschriebene Art weiter verarbeiteten
Soft-Daten-Signals an einen Soft-In-/Soft-Out-FEC,
- d) Fehlerkorrektur der Soft-Daten im FEC mittels der im Signal
enthaltenen Prüfbits,
- e) Entfernen der Prüfbits
im FEC,
- f) Ausgabe des fehlerkorrigierten Signals durch den FEC als
Soft-Daten,
- g) Vorverarbeitung des Signals, um es wieder in einen digitalen
Entzerrer einzuspeisen, z. B. durch Hinzufügung von Prüfbits durch einen FEC-Codierer
und Installation einer Kanalcodierung durch einen Verzerrungs-Codierer,
wobei der FEC-Codierer durch den FEC-Decodierer synchronisiert wird,
und der Verzerrungs-Codierer durch den digitalen Entzerrer gesteuert
wird, wozu Kanal-Bewertungen verwendet werden, die vom Viterbi-Entzerrer
bereitgestellt werden,
- h) Rückkopplung
des Signals an den im Signalpfad angeordneten digitalen Entzerrer,
und
- i) Wiederholen der Schritte c) bis j), bis keine weitere Verbesserung
der Datenqualität
erkannt werden kann oder bis eine vordefinierte Anzahl von Iterations-Schleifendurchläufen ausgeführt wurde,
und
- j) Entscheidung und Umwandlung der auf die beschriebene Weise
vorverarbeiteten Soft-Daten in Binärdaten, z. B. in einer Entscheidungs-Vorrichtung.
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In
einer bevorzugten Ausführung
des Verfahrens ist der digitale Entzerrer ein Soft-in-/Soft-out-Viterbi-Entzerrer.
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In
einem Beispiel für
das Verfahren wird ein Schritt der sequentiellen Bestimmung des
Zwischenwertes, der die Grenze darstellt, an der die Entscheidung
zu treffen ist, ob den Soft-Daten eine "1" oder
eine "0" zuzuordnen ist,
wenn sie im digitalen Entzerrer in Binärdaten ungewandelt werden,
zwischen Schritt b) und c) eingefügt.
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Wege zur Ausführung der Erfindung:
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Ein
Empfänger 1,
wie in 1 gezeigt, besteht aus einer Iterationsschleife 2,
die einen Viterbi-Entzerrer 3 und einen FEC-Decodierer 4 enthält. Der
Viterbi-Entzerrer 3 liefert Soft-Daten anstelle von Binärdaten an den
FEC-Decodierer 4, und der FEC-Decodierer 4 korrigiert
die Fehler. Der FEC-Decodierer 4 gibt
korrigierte Soft-Daten aus, die in der Iterationsschleife 2 im
FEC-Codierer 5 und im Verzerrungs-Codierer 6 codiert werden,
bevor sie zurück
an den Viterbi-Entzerrer 3 angelegt
werden, wobei der FEC-Codierer 5 vom FEC- Decodierer 4 synchronisiert
wird 11. Der FEC-Codierer 5 und der Verzerrungs-Codierer 6 werden
im Rückkopplungs-Pfad 9 der
Iterationsschleife 2 platziert, wobei der Verzerrungs-Codierer 6 vom
Viterbi-Entzerrer 3 gesteuert wird 10, indem vom
Viterbi-Entzerrer 3 gelieferte Kanal-Bewertungen verwendet
werden. Der Viterbi-Entzerrer 3 betrachtet die Verzerrung
als Codierung, und die Entzerrung basiert auf einem Kanal-Modell. Für die anschließende Iterationsschleife
ist eine Codierung entsprechend dem Kanal-Modell unbedingt erforderlich.
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Der
detaillierte Prozess kann wie folgt beschrieben werden:
Ein
Analogsignal, z. B. ein optisches Signal, wird an einen ADC 7 auf
der Empfängerseite
angelegt. Jede Amplitude entspricht einem Digitalsignal in Form
einer "1" oder "0". Der ADC 7 wandelt das Analogsignal
in digitale Soft-Daten um. Die Soft-Daten enthalten Gruppen von Bits, von
denen jedes dem Wert der zugehörigen
analogen Amplitude entspricht. Durch Umwandlung des analogen Eingangssignals
in Bitgruppen eines Soft-Daten-Ausgangssignals
kann der Wert der Amplitude des Analogsignals digital erfasst und
für eine
Entscheidung benutzt werden, d. h. für die Zuordnung des Analogsignals
zu einem digitalen Wert in der Form einer "1" oder einer "0". Der für die Iterationsschleife 2 benutzte
Viterbi-Entzerrer 3 ist ein Soft-in-/Soft-out-Viterbi-Entzerrer, der
in der Lage ist, Soft-Daten zu verarbeiten und auszugeben. Die vom
Viterbi-Entzerrer 3 ausgegebenen Soft-Daten
werden an einen modifizierten FEC-Decodierer 4 angelegt,
der in der Lage ist, Soft-Daten sowohl zu verarbeiten als auch auszugeben.
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Entsprechend
dem Stand der Technik werden FECs ausschließlich zur Verarbeitung von
Binärdaten, d.
h. von "harten" Daten verwendet,
die anders als Soft-Daten keine Zwischenwerte als zusätzliche
Information enthalten. Da der FEC-Decodierer 4 Soft-Daten
ausgibt, ist es nun möglich,
dieses Ausgangssignal an den Viterbi-Entzerrer 3 anzulegen,
nachdem das Ausgangssignal wieder so vorverarbeitet wurde, wie es
vor der Analog-/Digital-Wandlung auf der Senderseite vorverarbeitet wurde.
Durch wiederholtes Durchlaufen dieser Schleife 2, die aus
dem Viterbi-Entzerrer 3, dem FEC-Decodierer 4 und
der Signalvorverarbeitung durch FEC-Codierer 5 und Verzerrungs-Codierer 6 besteht,
kann die Erkennung der Bits verbessert und die Fehlerrate verringert
werden, bevor nach einer vordefinierten Zahl von Iterationen in
der Iterationsschleife 2 das Soft-Daten-Signal an eine
Entscheidungs-Vorrichtung 8 angelegt wird, die den Soft-Daten
Bitwerte in der Form von 1" und "0" zuordnet.
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Kommerzielle Anwendbarkeit:
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Die
Erfindung ist insbesondere im Bereich der Herstellung und des Betriebs
von Netzwerken für
die optische und/oder elektromagnetische Datenübertragung kommerziell anwendbar.
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Liste von Referenznummern:
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- 1
- Empfänger
- 2
- Iterationsschleife
- 3
- Viterbi-Entzerrer
- 4
- Vorwärts-Fehlerkorrektur-Decodierer
(FEC-Decodierer)
- 5
- Vorwärts-Fehlerkorrektur-Codierer
(FEC-Codierer)
- 6
- Verzerrungs-Codierer
- 7
- Analog-/Digital-Wandler
(ADC)
- 8
- Entscheidungs-Vorrichtung
- 9
- Rückkopplungs-Pfad
- 10
- Steuerung
- 11
- Synchronisation
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Fig. 1
| oe
converted data | Optisch-elektrisch
gewandelte Daten |
| soft
data | Soft-Daten |
| binary
data | Binärdaten |