DE602005004174T2

DE602005004174T2 - Verfahren und vorrichtung zur feststellung eines störeffekts in einem informationskanal

Info

Publication number: DE602005004174T2
Application number: DE602005004174T
Authority: DE
Inventors: Julien Nicholas Vincent Poirrier; Stefan Herbst; Joerg-Peter Elbers; Helmut Greisser
Original assignee: Ericsson AB
Current assignee: Ericsson AB
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2025-10-12
Also published as: US8228974B2; JP5032327B2; EP1800422B1; EP1800422A1; JP2008517505A; WO2006040317A1; CN101084635A; DE602005004174D1; CN101084635B; US20080260077A1; DE102004050402A1; ATE382996T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung eines Effekts, welcher ein Informationssignal in einem seriellen Informationskanal stört.
Zwischen Sender und Empfänger eines Informationssignals können verschiedene störende Effekte auftreten, unabhängig davon, ob es ein elektrisches Signal, ein Funksignal oder ein optisches Signal ist oder ob der Informationskanal eine elektrische Leitung, Freiraum, ein Hohlwellenleiter oder ein optischer Wellenleiter ist. Diese Störeffekte können bewirken, dass die Wellenform, mit welcher das Informationssignal am Sender erzeugt wurde, sich von derjenigen unterscheidet, mit welcher es am Empfänger ankommt. Unabhängig vom Typ des Signals und/oder des Kanals tritt eine Dämpfung auf, welche das Signal-Rausch-Verhältnis des Informationssignals verschlechtert. Im Falle von drahtlosen Signalen kann eine Mehrwegeausbreitung eine Veränderung verursachen. Ein Nebensprechen ist zwischen Signalen möglich, welche sich auf Kanälen ausbreiten, welche nicht vollständig voneinander getrennt sind. Dispersion bewirkt, dass unterschiedliche Spektralkomponenten des Informationssignals sich mit unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten ausbreiten und daher am Empfänger mit einer Phasenlage interferieren, die verschieden von derjenigen ist, mit welcher sie am Sender erzeugt wurden. Insbesondere im Falle von optischen Informationskanälen treten verschiedene nichtlineare Störeffekte auf, welche durch die Interaktion einer oder mehrerer Trägerlichtwellen hoher Intensität von Informationssignalen mit dem Ausbreitungsmedium, insbesondere mit dem Material einer optischen Faser oder Ähnlichem, verursacht werden.
Um die Effizienz eines Netzes zu optimieren, ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, das Vorhandensein von verschiedenen möglichen Störeffekten in einem Informationskanal zu schätzen, und letztendlich deren Beitrag zu einer Signalverschlechterung, sei es, um konstruktive Gegenmaß nahmen zu einer Beseitigung oder wenigstens einer Begrenzung solcher Störeffekte zu ergreifen, oder um in einem komplexen Netz, in welchem verschiedene Übertragungswege zwischen Sender und Empfänger verfügbar sind, den geeignetsten zu wählen, oder um anhand einer Schätzung der verschiedenen Störeffekte zu beurteilen, ob das Netz an seiner Grenze arbeitet oder ob noch zusätzliche Übertragungsverbindungen zwischen Sendern und Empfängern hergestellt werden können.
Ein Problem besteht darin, dass es schwierig ist, die verschiedenen möglichen Störeffekte auf eine schnelle und einfache Weise zu beurteilen. Dieses Problem wird zusätzlich durch die Tatsache erschwert, dass es Störeffekte wie etwa Polarisationsdispersion in optischen Fasern gibt, deren Intensität auf einer kurzen Zeitskala von Millisekunden bis Minuten variieren kann, so dass es unmöglich ist, einen momentanen Einfluss dieses Effekts auf die in dem Netz übertragenen Signale zu schätzen, wenn eine Messung dieses Effekts älter ist als die besagten mehreren Millisekunden bis Minuten.
Ein weiteres Problem ist, dass für die direkte Messung des Einflusses dieser Störeffekte auf das optische Signal gewöhnlich ein Teil des optischen Signals abgezweigt werden muss, so dass es für eine Erkennung der Symbole des gesendeten Signals nicht mehr zur Verfügung steht. Diese Intensitätsverringerung des optischen Signals erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Symbole falsch erkannt werden, noch weiter.
Die verschiedenen Störeffekte unterscheiden sich hinsichtlich ihres Einflusses auf die Wellenform und die Amplitude eines Signalimpulses, so dass herkömmlicherweise zur Erkennung eines Störeffektes ein Sender einen genau charakterisierten Impuls auf dem Übertragungskanal sendet und Merkmale des entsprechenden Impulses, der an dem Empfänger ankommt, mit den vorbestimmten Merkmalen des gesendeten Impulses verglichen werden. Ein solches Verfahren ist komplex und arbeitsaufwendig, da es das Vorhandensein von Mittel zur Erzeugung des genau charakterisierten Impulses auf der Senderseite und von Mitteln zum Analysieren der Merkmale des empfangenen Impulses auf der Empfängerseite voraussetzt, und es verringert die Effizienz des Netzes, in welchem es ausgeführt wird, da die zur Übertragung des genau charakterisierten Impulses benötigte Zeit nicht für eine Übertragung von Nutzdaten zur Verfügung steht.
Ein anderes Beispiel für den Stand der Technik ist in der Patentschrift US 5623497 zu finden, welche eine Vorrichtung zur Messung der Bitfehlerrate unter Verwendung eines Testmusters offenbart.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche es ermöglichen, einen Effekt zu erkennen, welcher ein Informationssignal auf einem Informationskanal verzerrt, ohne die Bandbreite dieses Kanals zu verringern, die für die Übertragung des Informationssignals verfügbar ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die folgenden Schritte aufweist:

a) Definieren einer Menge von verschiedenen Symbolvektoren, die jeweils aus n > = 2 aufeinander folgenden Informationssymbolen gebildet werden, wobei ein Wert von 1 bis n für i gewählt wird, und einer Menge von Referenzwerten eines Merkmals des i-ten Informationssymbols der Symbolvektoren;
b) Empfangen mehrerer Sequenzen von n Informationssymbolen, die auf dem Kanal übertragen werden;
c) für jeden der Symbolvektoren: Detektieren des Wertes des Merkmals des i-ten Informationssymbols in allen Sequenzen, die dem Symbolvektor entsprechen;
d) Vergleichen der Gesamtheit der Werte, die in Schritt
c) detektiert wurden, mit der Menge von Referenzwerten und Bestimmen, ob der Effekt vorhanden ist oder nicht, basierend auf dem Vergleich.

Das Verfahren beruht auf der Annahme, dass die Identifizierung eines verzerrenden Effekts nicht notwendigerweise voraussetzt, dass ein spezifisch charakterisierter Impuls übertragen wird und seine Merkmale am Empfänger analysiert werden, sondern dass die verschiedenen verzerrenden Effekte unterschiedliche Auswirkungen auf spezifische Merkmale, die hier als kritische Merkmale bezeichnet werden, der aus n aufeinander folgenden Symbolen gebildeten Symbolvektoren haben, so dass durch Messen eines solchen kritischen Merkmals getrennt für die verschiedenen Symbolvektoren Schlussfolgerungen hinsichtlich des Verzerrungseffekts gezogen werden können.
Im Falle eines binären Signals gibt es 2ⁿ verschiedene Symbolvektoren von jeweils n Symbolen. Die Detektion des Wertes des Merkmals kann für alle diese 2ⁿ verschiedenen Symbolvektoren durchgeführt werden, oder nur für eine Auswahl derselben.
Die Menge von Referenzwerten kann für einen gewissen Verzerrungseffekt spezifisch sein, d. h. sie kann Werte umfassen, welche normalerweise bei Vorhandensein des Effekts gemessen würden.
Um eine Identifizierung der verschiedenen Verzerrungseffekte durchzuführen, ist es nicht erforderlich, in der Lage zu sein, theoretisch anzugeben, wie die verschiedenen Effekte gegebene gesendete Symbolsequenzen beeinflussen; es ist ausreichend, die Verteilung des Merkmals für die verschiedenen Symbolvektoren in einem Übertragungskanal zu messen, für welchen bekannt ist, dass dort ein gegebener Verzerrungseffekt auftritt, um einen "Fingerabdruck" des Effekts in der Form einer Menge von Referenzwerten des kritischen Merkmals für die verschiedenen Symbolvektoren zu erhalten; dann kann der Effekt anschließend als in einem Übertragungskanal vorhanden bestimmt werden, in welchem die Gesamtheit der detektierten Werte ausreichend gut mit dem besagten "Fingerabdruck" übereinstimmt.
Eine solche Menge von Referenzwerten kann zweckmäßigerweise im Voraus gewonnen werden, indem zeitweilig der betreffende Effekt auf dem zu überwachenden Informationskanal hervorgerufen wird und dann das kritische Merkmal in Gegenwart des Effekts gemessen wird.
Um in der Lage zu sein, das Vorhandensein von mehreren verschiedenen Effekten zu erkennen, wird vorzugsweise für jeden derartigen Effekt eine Menge von Referenzwerten zur Verfügung gestellt.
Da in einem gegebenen Übertragungskanal mehrere Verzerrungseffekte gleichzeitig auftreten können, muss die Verteilung des überwachten Merkmals für die verschiedenen Symbolvektoren nicht mit einem gegebenen "Fingerabdruck" eines Verzerrungseffekts zusammenfallen, sondern die Einflüsse mehrerer Verzerrungseffekte auf das untersuchte Merkmal können überlagert sein, so dass eine gemessene Verteilung des überwachten Merkmals eine Kombination, z. B. eine Linearkombination, verschiedener "Fingerabdrücke" ist. Ob ein gegebener Verzerrungseffekt zu der gemessenen Verteilung beiträgt, kann beurteilt werden, indem, wenn m die Anzahl untersuchter Symbolvektoren ist, die gemessene Verteilung des untersuchten Merkmals als ein charakteristischer Vektor mit m Komponenten betrachtet wird, und ein Verzerrungseffekt wird als vorhanden angenommen, wenn das innere Produkt des m Komponenten enthaltenden charakteristischen Vektors und eines spezifischen, m Komponenten enthaltenden Vektors, der dem gegebenen Effekt zugewiesen ist, einen Grenzwert überschreitet.
Stattdessen kann die Menge von Referenzwerten auch typisch für einen normalen Betrieb des Informationskanals bei Fehlen irgendwelcher Verzerrungseffekte sein.
In diesem Falle kann das Vorhandensein eines Verzerrungseffekts aus charakteristischen Abweichungen der detektierten Werte von der Menge von Referenzwerten erkannt werden. Die Referenzwerte können im Voraus an demselben Kanal berechnet werden, wenn mittels eines Verfahrens, das von dem der Erfindung verschieden ist, festgestellt wurde, dass die Verzerrungseffekte nicht vorhanden sind, oder wenn ein gewisser Zustand des Informationskanals, z. B. unmittelbar nach seiner Einrichtung oder Wartung, einfach als gut angesehen wird.
Ein kritisches Merkmal, welches für eine solche Analyse geeignet ist, ist die Häufigkeit, mit welcher, nachdem ein von einem Sender gesendeter Symbolvektor durch einen Verzerrungseffekt auf dem Informationskanal verzerrt worden ist, das i-te Informationssymbol des Symbolvektors am Empfänger falsch identifiziert wird.
Die Detektion dieses kritischen Merkmals wird vorzugsweise durchgeführt, indem entschieden wird, falls einer der zu untersuchenden Symbolvektoren einer empfangenen Sequenz von Symbolen entspricht, ob das i-te von den n Symbolen der Sequenz korrekt empfangen wurde oder nicht, und indem entsprechend dem Ergebnis der Entscheidung ein Messwert, der für die Häufigkeit der Verfälschung des i-ten Symbols in der Sequenz repräsentativ ist, erhöht wird oder nicht erhöht wird.
Als ein Messwert für einen gegebenen Symbolvektor kann das Verhältnis der Anzahl von Malen, die das i-te Bit in einer dem besagten Symbolvektor entsprechenden Sequenz falsch empfangen wurde, und einer Gesamtanzahl von Malen, die eine dem besagten Symbolvektor entsprechende Symbolsequenz gesendet wurde, angenommen werden. Um dieses Verhältnis zu bestimmen, kann die Anzahl von Malen, die eine dem Symbolvektor entsprechende Sequenz gesendet wurde, für jeden betreffenden Symbolvektor einzeln gezählt werden; falls die Anzahl empfangener Symbolsequenzen sehr groß ist und aufeinander folgende Symbole des Informationssignals nicht korreliert sind, kann es ausreichend sein, die Anzahl von Malen, die eine dem Symbolvektor entsprechende Symbolsequenz gesendet wurde, für alle Symbolvektoren gleich 1/2ⁿ mal Gesamtanzahl untersuchter Symbolsequenzen anzunehmen.
Das Vorhandensein eines Effekts vom Typ eines Rauschens kann bestimmt werden, wenn die Zählrate für verschiedene Symbolvektoren, die dasselbe i-te Symbol haben, d. h. für Symbolvektoren, welche sich in ihren jeweiligen anderen Symbolen unterscheiden, identisch ist.
Das Vorhandensein von kohärenten rauschartigen Effekten (Vierwellenmischung [Four-Wave Mixing] FWM, Kreuzphasenmodulation [Cross Phase Modulation] XPM, verstärkte spontane Emission [Amplified Spontaneous Emission] ASE) kann bestimmt werden, wenn die Zählhäufigkeit von Wertevektoren, in welchen das i-te Symbol gleich 1 ist, höher ist als diejenige von Wertevektoren, in welchen das i-te Symbol gleich 0 ist. Inkohärentes Nebensprechen wird detektiert, wenn die Zählrate von Wertevektoren, in welchen das i-te Symbol gleich 1 ist, kleiner ist als diejenige von Wertevektoren, in welchen das i-te Symbol gleich 0 ist.
Weiterhin kann chromatische Dispersion erster Ordnung (Dispersion der Gruppengeschwindigkeit) als vorhanden bestimmt werden, wenn die Zählrate eines Wertevektors mit den Symbolen (0, x, 1) dieselbe ist wie die eines Wertevektors (1, x, 0), wobei x das i-te Symbol ist, und höher ist als die des Wertevektors (0, 0, 0) oder (1, 1, 1).
Polarisationsmoden-Dispersion kann als vorhanden bestimmt werden, wenn die Zählrate eines Wertevektors mit den Symbolen (0, x, 1) verschieden ist von der eines Wertevektors (1, x, 0), wobei x das i-te Symbol bezeichnet, und höher ist als die der Wertevektoren (0, 0, 0) oder (1, 1, 1).
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das überwachte kritische Merkmal ein Mittelwert der Signalamplitude zum Zeitpunkt der Übertragung des i-ten Informationssymbols sein. Außerdem kann eine Histogrammverteilung der Signalamplitude zum Zeitpunkt der Übertragung des i-ten Informationssymbols betrachtet werden.
Ein anderes kritisches Merkmal, welches im Kontext der vorliegenden Erfindung praktisch ist, ist der optimale Wert, d. h. der die niedrigste Fehlerrate liefernde Wert, des Entscheidungsschwellwertes zwischen zwei verschiedenen Werten des Informationssymbols, d. h. der Amplitudenwert, oberhalb von welchem ein Symbol als den Wert "1" aufweisend identifiziert wird und unterhalb von welchem es als den Wert "0" aufweisend identifiziert wird, oder die Abweichung des optimalen Amplitudenwertes von einem erwarteten Wert. Falls kein solcher optimaler Wert des Entscheidungsschwellwertes bestimmt wird oder falls der Entscheidungsschwellwert bei einem konstanten Wert gehalten wird, können vektorabhängige Fehlerraten als das kritische Merkmal verwendet werden.
Ein besonders nützliches kritisches Merkmal ist die Standardabweichung des Signalpegels des i-ten Informationssymbols, anders ausgedrückt, der Grad, in dem die Werte des Signalpegels aufgrund von Störungen streuen. Die Standardabweichung kann z. B. erhalten werden, indem die Abweichung der Fehlerrate bezüglich des Entscheidungsschwellwertes gebildet wird.
Wenn der detektierte Wert des kritischen Merkmals für verschiedene Wertevektoren, die dasselbe i-te Symbol haben, identisch ist, kann ein Effekt vom Typ eines Rauschens als Ursache der Störung angenommen werden; unterschiedliche Werte weisen auf Intersymbolinterferenz als eine Ursache für die Störung hin.
Ferner kann der Wert des Entscheidungsschwellwertes, bei welchem eine vorgegebene Fehlerrate auftritt, als das kritische Merkmal verwendet werden.
Entsprechend dem Typ des verwendeten kritischen Merkmals können unterschiedliche Heuristiken für das Identifizieren der verschiedenen Verzerrungseffekte resultieren.
Vorzugsweise wird i größer als 1 und kleiner als n gewählt, so dass der Einfluss sowohl eines vorhergehenden als auch eines nachfolgenden Symbols auf die Verzerrung des i-ten Symbols untersucht werden kann.
Die Anzahl n der Symbole in dem Symbolvektor sollte daher mindestens n = 3 sein, vorzugsweise genau n = 3.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens umfasst einen Eingang zum Empfangen des Informationssignals, das auf dem Informationskanal verzerrt wurde, eine Einrichtung, die mit dem Eingang verbunden ist, zum Detektieren eines Merkmals eines Symbols des verzerrten Informationssignals und Ausgeben des detektierten Merkmals, eine Quelle für ein unverzerrtes Informationssignal, das mit dem verzerrten Informationssignal synchronisiert ist und den gleichen Inhalt hat, einen Demultiplexer mit einem Dateneingang, der mit dem Ausgang des Detektionsmittels zum Ausgeben des detektierten Merkmals verbunden ist, und mehreren Steuereingängen, an welchen unterschiedlich verzögerte Symbole des unverzerrten Informationssignals anliegen, um das am Eingang des Demultiplexers anliegende detektierte Merkmal zu einem Ausgang des Demultiplexers zu schalten, der durch die an den Steuereingängen anliegenden Symbole festgelegt wird, und eine Auswerteeinheit an jedem Ausgang des Demultiplexers.
Gemäß einer ersten Ausführungsform gibt das detektierte Merkmal für jedes Symbol an, ob es richtig oder falsch empfangen wurde. In ähnlicher Weise umfasst jede Auswerteeinheit vorzugsweise einen ersten Zähler zum Zählen, wie oft das Signal, das einen falschen Empfang (oder richtigen Empfang) eines Symbols anzeigt, zu der Auswerteeinheit geschaltet wurde. An jeder Auswerteeinheit kann ein zweiter Zähler vorgesehen sein, zum Zählen, wie oft der Ausgang des zu der Auswerteeinheit gehörenden Demultiplexers durch die an den Steuereingängen des Letzteren anliegenden Symbole festgelegt wurde.
Gemäß einer anderen Ausführungsform gibt der detektierte Wert für jedes Symbol die Signalamplitude desselben an, und die Auswerteeinheit umfasst eine Schaltung zur Bildung eines Mittelwertes oder eines Histogramms der Signalamplitude.
Weitere Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen ersichtlich, wobei auf die beigefügten Figuren Bezug genommen wird.
1 ist ein Blockschaltbild einer Schaltung für eine Symbolvektor-abhängige Detektion der Bitfehlerrate eines verzerrten empfangenen Signals;
2 ist eine Modifikation der Schaltung von 1;
3 ist ein Blockschaltbild einer Schaltung zum Detektieren der Pseudofehlerrate oder der Augenöffnung des verzerrten Informationssignals;
4 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Schaltung von 3;
5 ist ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer Schaltung für eine Symbolvektor-abhängige Detektion eines Merkmals eines Informationssignals;
6 ist eine Einzelheit von 5 gemäß einer ersten Ausführungsform;
7 ist dieselbe Einzelheit gemäß einer zweiten Ausführungsform;
8 zeigt Beispiele von Histogrammen der Signalpegel des mittleren Bits für verschiedene, drei Bits enthaltende Symbolvektoren;
9 ist eine Tabelle, die typische Signalwellenformen, Fehlerraten und den Grad der Abhängigkeit der Fehlerraten von den wichtigsten Verzerrungseffekten, die ein einem beispielhaften Informationskanal beobachtet werden, für alle drei Bits enthaltende Symbolvektoren angibt; und
10 zeigt Augendiagramme und Diagramme der Pseudofehlerrate (PER) für einen ungestörten Informationskanal bzw. für einen Informationskanal, der durch verschiedene Effekte vom Typ eines Rauschens gestört ist.
In 1 bezeichnet 1 einen optoelektrischen Wandler, welcher mit einem seriellen Informationskanal verbunden ist, der von einer optischen Faser 2 gebildet wird, um ein elektrisches Signal bereitzustellen, das von einer Folge von Nullen und Einsen entsprechend der Intensität eines über die Faser 2 empfangenen Lichtsignals gebildet wird. Das Lichtsignal wird ursprünglich von einem Sender, nicht dargestellt, am anderen Ende der Faser 2 geliefert und kann zwei verschiedene Leistungspegel annehmen, einen niedrigen, der ein Bit mit dem Wert null repräsentiert, und einen hohen, der ein Bit mit dem Wert eins repräsentiert. Das Signal ist daher ein binäres Signal; jedes Symbol repräsentiert ein Bit, so dass die Begriffe "Symbol" und "Bit" im Folgenden ohne Unterschied verwendet werden.
Aufgrund von Verzerrungseffekten, die in der Faser 2 auftreten, kann sich die Wellenform der Lichtintensität, die von dem Wandler 1 empfangen wird, von der Lichtintensität unterscheiden, die von dem Sender ausgesendet wurde, so dass die Bitfolge, die am Ausgang des Wandlers 1 geliefert wird, falsch erkannte Bits umfassen kann. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Quelle für ein fehlerfreies Informationssignal, von dem angenommen wird, dass es dem von dem Sender gesendeten Signal entspricht. Der Typ dieser Quelle 3 ist für die vorliegende Erfindung ohne Bedeutung; es kann z. B. angenommen werden, dass in dem Informationssignal, das über die Faser 2 übertragen wird, zusätzlich zu der eigentlichen Telekommunikations-Information Fehlerkorrektorinformationen enthalten sind, welche die Quelle 3 in die Lage versetzen, Fehler in der Kommunikationsinformation zu detektieren, sie zu korrigieren und somit ein fehlerfreies Signal zu liefern.
Die Kommunikationssignale von dem Wandler 1 und von der Quelle 3 werden bitsynchron an ein XOR-Gatter 4 angelegt. Um Bitsynchronismus sicherzustellen, kann zwischen dem Wandler 1 und einem Eingang des mit ihm verbundenen XOR-Gatters 4 eine Verzögerungsschaltung, nicht dargestellt, eingefügt werden, deren Verzögerungszeit der Zeit ent spricht, die von der Quelle 3 benötigt wird, um die Fehlerkorrektur durchzuführen.
Das XOR-Gatter 4 liefert ein Ausgangssignal, das den Wert 1 hat, wenn seine beiden Eingangssignale verschieden sind, d. h. wenn ein Bit im Wandler 1 falsch erkannt worden ist, und andernfalls ein Ausgangssignal null. Dieses Ausgangssignal erreicht den Dateneingang eines Demultiplexers 5 über eine Verzögerungsschaltung 6, in welcher es um eine Bitperiode verzögert wird.
Der Demultiplexer 5 hat drei Steuereingänge, an welche das Ausgangssignal der Quelle 3 ohne Verzögerung bzw. durch in Reihe geschaltete Verzögerungsschaltungen 7a, 7b um eine bzw. zwei Bitperioden verzögert angelegt wird. Das heißt, während an dem Dateneingang des Demultiplexers ein Signal anliegt, welches angibt, ob ein i-tes Bit des über die Faser 2 übertragenen Kommunikationssignals falsch oder richtig empfangen wurde, liegen dieses i-te Bit und das i – 1-te und das i + 1-te Bit des Kommunikationssignals an den Steuereingängen des Demultiplexers 5 an und bewirken, dass das an dem Dateneingang anliegenden Signal zu einem Ausgang von den 2³ = 8 Ausgängen des Demultiplexers 5 geschaltet wird, der durch die Werte der Bits i – 1, i, i + 1 definiert ist.
Jeder dieser Ausgänge weist einen mit ihm verbundenen Zähler 9 auf, welcher inkrementiert wird, wenn er innerhalb einer Bitperiode ein den Wert 1 aufweisendes Signal von dem Demultiplexer 5 empfängt. Das heißt, mit jedem Zähler 9 ist einer der acht Symbolvektoren (0, 0, 0), (0, 0, 1), ..., (1, 1, 1) verknüpft, welche aus drei aufeinander folgenden Bits gebildet werden können, und er zählt die Häufigkeit, mit welcher das mittlere Bit des zugehörigen Symbolvektors im Wandler 1 falsch erkannt wird.
Ein zweiter Demultiplexer 10 hat einen Signaleingang, welchem ein konstantes Signal mit dem Wert "1" zugeführt wird, und Steuereingänge, an welche die Bits i – 1, i, i + 1 angelegt werden, parallel zu dem Demultiplexer 5. Jeder seiner acht Ausgänge weist einen mit ihm verbundenen Zähler 11 auf. Während die Zähler 9 die Häufigkeit einer falschen Erkennung des i-ten Bits für jeden Symbolvektor zählen, zählen die Zähler 11 die Häufigkeit des Auftretens des entsprechenden Symbolvektors. Eine Auswerteschaltung 12, die mit den Ausgängen der Zähler 9, 11 verbunden ist, ist daher in der Lage, für jeden Symbolvektor das Verhältnis der Fehlerhäufigkeit zur Häufigkeit des Auftretens des entsprechenden Symbolvektors von den Zählern 9, 11 abzulesen, und die Verteilung der Fehlerhäufigkeit für die verschiedenen Symbolvektoren ermöglicht auf eine Weise, die später ausführlich erläutert wird, eine Schlussfolgerung darüber, welcher Verzerrungseffekt letztendlich in der Faser 2 vorliegen und die Fehler verursachen könnte.
2 zeigt eine Modifikation der Schaltung von 1, bei welcher jeder der Demultiplexer 5, 10 fünf Steuereingänge hat, an welche Bits i – 2, i – 1, ..., i + 2, die von der Quelle 3 nacheinander geliefert werden, angelegt werden, und bei welcher eine zweite Verzögerungsschaltung 6 zwischen dem XOR-Gatter 4 und dem Dateneingang des Demultiplexers 5 eingefügt ist, so dass wie im Falle von 1 das am Dateneingang des Demultiplexers 10 anliegende Signal anzeigt, ob Bit i im Wandler 1 falsch erkannt wurde.
Diese Schaltung ermöglicht, zwischen 2⁵ = 32 verschiedenen Symbolvektoren zu unterscheiden, so dass für jeden dieser Vektoren die Fehlerwahrscheinlichkeit einzeln detektiert werden kann, sofern ein entsprechender Zähler 9 mit einem Ausgang des Demultiplexers 10 verbunden ist, der zu diesem Symbolvektor gehört.
Um die Komplexität der Schaltung gering zu halten, kann vorgesehen sein, dass nur ausgewählte von den 32 möglichen Symbolvektoren einen zu ihnen gehörigen Zähler 9 (und einen Zähler 11 am Demultiplexer 10) haben. Es kann daher zweckmäßig sein, Zähler nur für diejenigen der acht Symbolvektoren vorzusehen, bei denen die Bits i + 1 und i + 2 identisch sind und die Bits i – 1 und i – 2 identisch sind.
Ein Nachteil der Verwendung langer Symbolvektoren, wie in der Ausführungsform von 2, ist, dass die statistische Basis für die Berechnung einer Fehlerrate für die einzelnen Symbolvektoren in der Auswerteschaltung 12 und folglich die Signifikanz einer solchen Fehlerrate um so kleiner wird, je größer die Anzahl einzeln zu untersuchender Symbolvektoren ist. Wenn angenommen wird, dass die Wahrscheinlichkeit einer falschen Erkennung eines Bits i im Wandler 1 im Wesentlichen von den unmittelbar benachbarten Bits beeinflusst wird und der Einfluss weiter entfernter Bits um so geringer wird, je größer der Abstand ist, dann ist zu erwarten, dass die Ausführungsform von 2 hauptsächlich dann von Nutzen ist, wenn hohe Fehlerraten vorhanden sind, welche signifikante Statistiken sogar bei kurzen Messzeiten ermöglichen, oder wenn sich die zu identifizierenden Verzerrungseffekte nur langsam mit der Zeit ändern, so dass lange Messzeiten für Fehlerraten verfügbar sind.
Eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Identifizierung eines Verzerrungseffekts, der in einer optischen Faser 2 auftritt, ist in 3 dargestellt. Ein erster optoelektrischer Wandler, der mit der Faser 2 verbunden ist und ein binäres elektrisches Ausgangssignal liefert, ist mit 1' bezeichnet, ähnlich wie in 1 und 2. Der Wandler 1' empfängt von einem Rampengenerator 13 ein Entscheidungsschwellwert-Signal V_th, welches mit der Zeit variabel ist. Der Pegel des Entscheidungsschwellwert-Signals V_th ist repräsentativ für einen Leistungsschwellwert des optischen Signals in der Faser 2, oberhalb dessen ein über die Faser 2 übertragenes Symbol von dem Wandler 1 als "1" identifiziert wird und unterhalb dessen es als "0" identifiziert wird.
Ein zweiter optoelektrischer Wandler, welcher in der Konstruktion mit dem Wandler 1' identisch sein kann und parallel zum Wandler 1' mit der Faser 2 verbunden ist, empfängt ein konstantes Entscheidungsschwellwert-Signal Vref von einem Referenzgenerator 14. Der Pegel dieses Entscheidungsschwellwert-Signals Vref wird als optimal angenommen, und dementsprechend wird die Entscheidung des zweiten Wandlers über den Wert "0" oder "1" eines übertragenen Bits als fehlerfrei angenommen. Die Funktion des zweiten Wandlers entspricht der als fehlerfrei angenommenen Quelle 3 von 1 und 2, weshalb er mit 3' bezeichnet ist.
Ein XOR-Gatter 4, das mit den Ausgängen der Wandler 1', 3' verbunden ist, liefert immer dann ein Ausgangssignal "1", wenn sich die Entscheidungen der Wandler 1', 3' voneinander unterscheiden, und andernfalls "0". Das Ausgangssignal des XOR-Gatters wird über eine Verzögerungsschaltung 6, die eine Verzögerung von einer Bitperiode aufweist, an den Dateneingang eines Demultiplexers 5' angelegt, welcher im Unterschied zu den Demultiplexern 5 von 1 und 2 nur zwei Steuereingänge hat, an welche das unverzögerte Ausgangssignal des zweiten Wandlers 3' bzw. das durch Verzögerungsschaltungen 7 um zwei Bitperioden verzögerte Ausgangssignal des zweiten Wandlers 3' angelegt werden, um zu bestimmen, zu welchem von den Zählern 9, die mit den vier Ausgängen des Demultiplexers 5' verbunden sind, der an dem Dateneingang anliegende Wert geschaltet wird.
Wie leicht zu verstehen ist, wird der Wert "0" an den Dateneingang des Demultiplexers 5' immer dann angelegt, wenn der Pegel des Entscheidungsschwellwert-Signals V_th von dem Rampengenerator 13 mit V_ref von dem Referenzgenerator 14 übereinstimmt. Wenn das Entscheidungsschwellwert-Signal V_th von dem Rampengenerator kleiner wird als V_ref, wird einem i-ten Bit oft der Wert "1" zugewiesen, obwohl der richtige Wert "0" gewesen wäre. Wie oft dies geschieht, hängt von der Verrauschtheit des über Faser 2 ankommenden Signals und der Intensität von Verzerrungseffekten in der Faser 2 ab. Im Falle eines jeden solchen Fehlers wird einer der Zähler 9, welcher durch entsprechende vorhergehende und nachfolgende Bits i – 1, i + 1 definiert ist, inkrementiert. Da der Pegel des Entscheidungsschwellwert-Signals V_th im Prinzip willkürlich bestimmt werden kann und stark von V_ref abhängen kann, können hohe Zählraten von Abweichungen zwischen den Entscheidungen der Wandler 1', 3', so genannte Pseudofehler, erhalten werden, so dass kurze Messzeiten ausreichend sind, um einen statistisch signifikanten Zählwert in den Zählern 9 zu erzeugen. Diese Zählraten werden von der Auswerteschaltung 12 gelesen, nachdem eine vorbestimmte Messzeit vergangen ist. Es kann vorgesehen sein, dass der Rampengenerator 13 den Pegel des von ihm ausgegebenen Entscheidungsschwellwert-Signals V_th nach dem Lesen und Zurücksetzen der Zähler 9 schrittweise ändert; stattdessen kann auch eine stetige Änderung des Pegels vorgesehen sein, wobei die Auswerteschaltung 12 die Zähler 9 wiederholt liest und sie zurücksetzt, während das Entscheidungsschwellwert-Signal von dem Rampengenerator 13 sich langsam von einem extremen Pegel zum anderen ändert.
Das Diagramm von 4 zeigt eine typische Beziehung zwischen der Pseudofehlerrate (Pseudo Error Rate) PER, die von einem der Zähler 9 detektiert wird, und dem Pegel V_th des Entscheidungsschwellwert-Signals vom Rampengenerator 13. Die Pseudofehlerrate PER erreicht ein Minimum, wenn V_th mit dem Pegel V_ref des Referenzgenerators 14 übereinstimmt; oberhalb und unterhalb dieses Wertes ist eine annähernd lineare Abhängigkeit der Pseudofehlerrate von dem Entscheidungsschwellwert V_th zu beobachten. Die Beiträge der Anstiege der beiden Zweige der Kurve auf verschiedenen Seiten des Minimums der PER bei V_th = V_ref sind ein Maß für die Standardabweichung des Pegels des i-ten Bits oder seine Verrauschtheit in dem Falle, wenn das Bit einen Wert "0" hat (für den Zweig, für den V_th > V_ref ist), bzw. "1" (für den Zweig, für den V_th < V_ref ist).
Falls V_th kleiner als der wahre Entscheidungsschwellwert für die Entscheidung zwischen "0" und "1" ist – vorzugsweise sollte dieser wahre Entscheidungsschwellwert identisch mit V_ref sein, er kann sich jedoch auch davon unterscheiden und insbesondere von den Werten vorhergehender und nachfolgender Bits abhängig sein – wird dieses i-te Bit in einer Bitfolge richtig erkannt, deren i-tes Bit "1" ist, während Erkennungsfehler auftreten können, wenn das i-te Bit "0" ist. Umgekehrt, wenn V_th größer als der wahre Entscheidungsschwellwert ist, wird ein i-tes Bit mit Wert "0" zuverlässig richtig erkannt, und bei der Erkennung des i-ten Bits mit Wert "1" treten Fehler auf. Obwohl der Multiplexer dieser Ausführungsform nur vier Ausgänge hat, kann die Pseudofehlerrate für alle acht existierenden, drei Bits enthaltenden Symbolvektoren separat detektiert werden, indem die Pseudofehlerraten, die für Male, wenn V_th < V_ref bzw. wenn V_th > V_ref ist, vom Zähler 9 gezählt wurden, separat gelesen und ausgewertet werden, oder Pseudofehlerraten können als eine Funktion des Entscheidungsschwellwerts detektiert werden.
Um den Betrag der Ableitung für jeden Zweig zu beurteilen, kann die Auswerteschaltung die Differenz von Pseudofehlerraten PER(V₁) und PER(V₂) von Pegeln V₁, V₂ des Entscheidungsschwellwert-Signals, die zu demselben Zweig gehören, durch die Differenz dieser Pegel dividieren:
oder sie kann das Verhältnis von PER(V₁) und |V₁ – V_ref| bilden.
Wenn angenommen wird, dass die beiden Zweige der Pseudofehlerrate einen konstanten Anstieg haben, wie in 4 dargestellt, sind die beiden obigen Alternativen zum Berechnen des Anstiegs äquivalent. Dies muss jedoch im Allgemeinen nicht der Fall sein. Um sicherzustellen, dass Anstiege der Pseudofehlerrate, die für verschiedene Symbolvektoren erhalten wurden, vergleichbar sind, kann vorgesehen sein, dass für alle Symbolvektoren der Wert des Pegels V_th, bei welchem die Pseudofehlerrate für den betreffenden Symbolvektor einen vorgegebenen Wert hat, z. B. PER(V₁) = 10^–3, als der Pegel V₁ verwendet wird. Als V₂ kann ein Pegel gewählt werden, welcher sich von V₁ um eine vorgegebene Differenz unterscheidet, die für alle Symbolvektoren identisch ist, oder bei welchem ein zweiter Wert der Pseudofehlerrate, z. B. PER(V₂) = 2 × 10^–3, auftritt.
Die Anstiege, die für die acht aus drei Bits bestehenden Symbolvektoren einzeln bestimmt wurden, erlauben Schlussfolgerungen hinsichtlich der Signalverzerrungseffekte, die in Faser 2 wirken, wie später ausführlicher beschrieben wird.
Anstelle der Ableitung der beiden Zweige können bei der Ausführungsform von 3 einfach diejenigen Werte von V_th bestimmt werden, bei welchen die beiden Zweige der Pseudofehlerrate ein und denselben vorgegebenen Wert erreichen, z. B. 10^–4. Auch dieser Wert – oder der Betrag der Differenzen zwischen diesen zwei Werten und dem optimalen Entscheidungsschwellwert – nimmt für verschiedene Symbolvektoren verschiedene Werte an, wobei diese Werte von dem Vorhandensein von Störeffekten in der Faser 2 abhängen.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung ist als ein Blockschaltbild in 5 dargestellt. Ein optoelektrischer Wandler 1'' hat einen analogen Ausgang A, wo ein analoges elektrisches Signal ausgegeben wird, dessen Spannung so nahe wie möglich der von der Faser 2 empfange nen Leistung folgt, und einen digitalen Ausgang B, an welchem eine Folge von binären Symbolen oder Bits ausgegeben wird, welche das ursprünglich übertragene Kommunikationssignal ohne Fehler reproduziert (wie das Ausgangssignal von Quelle 3 in 1), oder mit einem kleinen Anteil von Fehlern (wie das Ausgangssignal des Wandlers 1 in 1). Eine Abtast-Halte-Schaltung 15 ist mit dem analogen Ausgang A verbunden, um seinen Pegel zu einem vorgegebenen Zeitpunkt der Bitperiode des Kommunikationssignals abzutasten und zu halten.
Das Ausgangssignal der Abtast-Halte-Schaltung 15 liegt an dem Dateneingang des analogen Demultiplexers 5'' an, an dessen drei Steuereingänge die binären Werte von drei aufeinander folgenden Bits i – 1, i, i + 1 von dem binären Ausgang B, eventuell verzögert durch Verzögerungsschaltungen 7, angelegt werden. Die Verzögerung in der Abtast-Halte-Schaltung 15 ist so eingestellt, dass sie einen abgetasteten analogen Spannungspegel an den Demultiplexer 5'' zu einem Zeitpunkt ausgibt, zu welchem der Letztere an seinen Steuereingängen das Bit i, von welchem der Abtastwert stammt, das vorhergehende Bit i – 1 und das nachfolgende Bit i + 1 empfängt. Entsprechend dem Symbolvektor, der von den drei Bits i – 1, i, i + 1 gebildet wird, schaltet der Demultiplexer 5'' den Abtastwert zu einer von acht Mittelungsschaltungen 16, welche für jeden Symbolvektor den mittleren Pegel des i-ten Bits zum Abtastzeitpunkt der Abtast-Halte-Schaltung berechnen.
6 zeigt eine Realisierung einer Mittelungsschaltung 16. Ihr Eingang wird von einem Analog-Digital-Wandler 17 und einem Zähler 18, welcher durch jedes Eintreffen eines zu digitalisierenden Datenelements an dem Wandler 17 inkrementiert wird, gebildet. Ein Addierer 19 hat zwei Eingänge, von denen einer mit dem Ausgang des Wandlers 17 verbunden ist und von denen der andere mit dem Ausgang eines Registers 20 verbunden ist, dessen Eingang mit dem Ausgang des Addierers 19 verbunden ist, so dass die Werte, die von dem Wandler 17 ausgegeben werden, sukzessive aufaddiert werden. Eine Divisionsschaltung 21 stellt den Ausgang der Mittelungsschaltung bereit, indem sie den Ausgang des Addierers 19 durch den des Zählers 18 dividiert.
Bei einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung sind Histogramme erzeugende Schaltungen 16 anstelle der Mittelungsschaltungen vorgesehen, ansonsten ist das Blockschaltbild dieser Ausführungsform mit dem von 5 identisch. Eine Histogramme erzeugende Schaltung kann z. B. hergestellt werden, wie in 7 dargestellt, durch einen Analog-Digital-Wandler 17 mit einem Auflösungsvermögen von drei Bits, einen Demultiplexer 22, der durch den Ausgang des Wandlers 17 gesteuert wird, und Zähler 23, von denen jeder mit einem der acht Ausgänge des Demultiplexers 22 verbunden ist und welche, ähnlich wie die Zähler 11, jedes Mal inkrementiert werden, wenn sie durch den Demultiplexer 22 adressiert werden. Wenn 0 und 1 den analogen gewünschten Pegeln von Bits mit dem logischen Wert "0" bzw. "1" entsprechen, ist der Wandler 17 so eingestellt, dass er ein Ergebnis der Digitalisierung 000 binär bei einem Amplitudenwert zwischen –0,2 und 0, ein Ergebnis der Digitalisierung 001 bei einem Amplitudenwert zwischen 0 und 0,2 und so weiter liefert, bis zu einem Amplitudenwert zwischen 1,2 und 1,4, welcher dem Ergebnis der Digitalisierung 111 binär entspricht.
Beispiele solcher Histogramme sind zur Veranschaulichung in 8 für Symbolvektoren [010], [011] und [000] dargestellt. Insbesondere zeigen die verschiedenen Histogramme der Symbolvektoren [010] (durch abwärts schraffierte Balken dargestellt) und [011] (durch gekreuzt schraffierte Balken dargestellt), dass infolge eines Verzerrungseffektes der Wert 0 oder 1 eines dritten Bits einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf die Häufigkeit hat, mit welcher bestimmte Amplitudenwerte für das zweite Bit abgetastet werden. Zum Beispiel werden Amplitudenwerte zwischen 1,0 und 1,4 des zweiten Bits für den Symbolvektor [011] häufiger abgetastet als für den Symbolvektor [010], während Amplitudenwerte unter 1,0 für den Symbolvektor [010] häufiger auftreten.
Die Identifizierung eines Verzerrungseffekts ist mit allen oben beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung im Wesentlichen auf dieselbe Weise möglich. Um die Identifizierung durchzuführen, ist es a priori nicht einmal unbedingt notwendig, in der Lage zu sein, den Einfluss der verschiedenen Verzerrungseffekte auf ein Kommunikationssignal im Detail zu berechnen oder zu beschreiben. Was für jeden zu identifizierenden Effekt erforderlich ist, ist lediglich eine Übertragungsleitung, in welcher er auftritt. Entlang dieser Übertragungsleitung wird ein willkürlich gewähltes Kommunikationssignal, vorzugsweise ein zufälliges Signal, von einem Sender zu der Identifikationsvorrichtung übertragen. Die Identifikationsvorrichtung erhält daher, in Abhängigkeit vom Typ ihrer Ausführungsform, für jeden Symbolvektor die Übertragungsfehlerrate, ein Maß der Verrauschtheit, die mittlere Amplitude eines Abtastwertes oder ein Histogramm der Amplitudenverteilung eines Abtastwertes oder irgendein anderes Merkmal des gesendeten Kommunikationssignals, das möglicherweise oben nicht erwähnt ist und das von dem betreffenden Effekt beeinflusst wird. Die Gesamtheit der Werte c_i dieses Merkmals, die für alle Symbolvektoren erhalten wurden, bildet eine Art "Fingerabdruck" oder charakteristischen Vektor C = {c_i} des betreffenden Verzerrungseffektes, wobei der Index i = 1, 2, ..., 2ⁿ einen der Symbolvektoren bezeichnet und die Anzahl der Komponenten des charakteristischen Vektors gleich der Anzahl der Symbolvektoren ist.
Wenn die charakteristischen Vektoren C für jeden Verzerrungseffekt bekannt sind, kann ein entsprechender charakteristischer Vektor D = {d_i} dementsprechend für einen beliebi gen Kommunikationskanal wie etwa die Faser 2 bestimmt werden, für welchen a priori nicht bekannt ist, welche Verzerrungseffekte in ihm auftreten. Eine Identifizierung eines Verzerrungseffekts wird durchgeführt, indem der so erhaltene charakteristische Vektor D mit der Menge von charakteristischen Vektoren C verglichen wird, und es wird angenommen, dass derjenige Effekt vorliegt, dessen charakteristischer Vektor C den höchsten Grad an Ähnlichkeit mit D aufweist.
Die Ähnlichkeit der verschiedenen Vektoren C und D kann auf verschiedene Weisen definiert werden. Insbesondere kann ein normiertes inneres Produkt a von der Form
als ein Ähnlichkeitsmaß dienen.
Um andere, schwächere Verzerrungseffekte zu identifizieren, kann der Beitrag des ersten Effekts von dem charakteristischen Vektor des Kommunikationskanals subtrahiert werden: D ← D – aC,und für den so erhaltenen Rest des charakteristischen Vektors D wird die Suche nach dem ähnlichsten Vektor C wiederholt.
Alternativ ist eine Diagnose von Verzerrungseffekten, die in einem gegebenen Kommunikationskanal auftreten, auf der Basis der Kenntnis des Einflusses dieser Effekte auf die übertragenen Signale möglich, wie im Folgenden anhand von 9 veranschaulicht wird. 9 ist eine Tabelle mit acht Zeilen, von denen jede einem der acht aus drei Bits bestehenden Symbolvektoren entspricht. Spalte 2 zeigt eine typische Wellenform des Signals, das in dem Kommunikationskanal verzerrt wurde, der dem betreffenden Symbolvektor entspricht. In Spalte 3 sind die Bitfehlerraten (Bit Error Rates, BER) angegeben, die in dem Kommunikationskanal für die verschiedenen Symbolvektoren gemessen wurden. (D. h. die acht Fehlerraten dieser Spalte bilden den charakteristischen Vektor D des Kommunikationskanals.) Diese Bitfehlerraten sind am höchsten für die Vektoren [010] und [101], bzw. etwas kleiner für die Symbolvektoren [100] und [011]. Die Bitfehlerraten der anderen Symbolvektoren sind verglichen mit diesen von geringer Bedeutung. D. H. die Bandbreite der Kommunikationsleitung wird hauptsächlich durch die Symbolvektoren [010] und [101] begrenzt, sowie in einem geringeren Maße durch [100] und [011].
Die folgenden Spalten der Tabelle beschreiben den Einfluss verschiedener Verzerrungseffekte auf die Fehlerrate der verschiedenen Symbolvektoren; sie veranschaulichen in qualitativer Form die oben erwähnten charakteristischen Vektoren C der einzelnen Effekte.
Es gibt zwei Typen von Polarisationsdispersion (PMD). Wir sprechen hier von positiver Polarisationsdispersion, wenn sich ein Kommunikationssignal in einer doppelbrechenden Faser vorwiegend in der langsamen Polarisationsmode ausbreitet und das Auftreten einer schnellen Polarisationsmode desselben Kommunikationssignals zur Folge hat, dass ein Bit des Kommunikationssignals durch den schnellen Teil eines später übertragenen Bits, welches in der langsamen Polarisationsmode noch nicht empfangen worden ist, verzerrt wird. Positive Polarisationsdispersion erhöht daher die Fehlerrate der Erkennung des zweiten Bits von Symbolvektoren, in welchen das zweite und dritte Bit verschieden sind. Die Größe der Störung durch positive Polarisationsdispersion (und durch andere Verzerrungseffekte, die noch zu erörtern sind) ist in der Figur durch Kreuze von unterschiedlicher Zahl und Größe in einer dem betreffenden Effekt entsprechenden Spalte dargestellt, wobei ein großes Kreuz einen sehr starken Einfluss bezeichnet (d. h. einen sehr hohen Betrag der entsprechenden Komponente c_i des charakteristischen Vektors), zwei kleine Kreuze einen etwas weniger starken Einfluss bezeichnen und ein einziges kleines Kreuz einen mäßig starken Einfluss des Symbolvektors auf die Fehlerrate bezeichnet (d. h. einen etwas weniger starken/mäßig starken Einfluss der entsprechenden Komponente c_i des charakteristischen Vektors).
Negative Polarisationsdispersion liegt vor, wenn ein Kommunikationssignal, das vorwiegend in der schnellen Polarisationsmode einer doppelbrechenden Faser übertragen wird, durch ein Störsignal verfälscht wird, das sich in der langsamen Polarisationsmode ausbreitet. Negative Polarisationsdispersion erhöht daher die Fehlerrate insbesondere derjenigen Symbolvektoren, in welchen die ersten beiden Symbole voneinander verschieden sind.
Chromatische Dispersion (CD) beinhaltet eine Verzerrung eines übertragenen Bits sowohl durch ein zuvor übertragenes als auch durch ein anschließend übertragenes Bit. Der charakteristische Vektor eines Kommunikationskanals, der durch chromatische Dispersion beeinträchtigt wird, entspricht daher der Summe der charakteristischen Vektoren von positiver und negativer Polarisationsdispersion. Da die zwei Typen von Polarisationsdispersion nicht gleichzeitig auftreten können, ist eine Unterscheidung zwischen chromatischer Dispersion und Polarisationsdispersion möglich: In dem in 8 betrachteten Fall weisen die Symbolvektoren [011] und [100] eine mäßige Bitfehlerrate BER auf, welche sowohl mit negativer Polarisationsdispersion als auch mit chromatischer Dispersion kompatibel wäre. Da die Bitfehlerrate für die Symbolvektoren [001] und [110] niedrig ist, kann chromatische Dispersion nicht die Ursache für die Verzerrung sein, und negative Polarisationsdispersion muss die Ursache der Verzerrung sein.
Selbstphasenmodulation (SPM) beeinflusst hauptsächlich die Fehlerrate des ersten Bits in einer Folge von mehreren Bits mit dem Wert 1, d. h. den Symbolvektor [011], und ist daher in dem charakteristischen Vektor D eines Kommunikationskanals leicht zu erkennen.
Der Einfluss von Effekten vom Typ eines Rauschens wie etwa verstärkte spontane Emission (Amplified Spontaneous Emission, ASE) auf die Fehlerrate eines Bits ist unabhängig von den Werten vorhergehender und nachfolgender Bits.
Vierwellenmischung (Four-Wave Mixing, FWM) mit einem anderen Kommunikationskanal kann hier auch als ein Effekt vom Typ eines Rauschens (oder als ein stochastischer Effekt) betrachtet werden, da die Stärke der Vierwellenmischung mit dem Signalpegel auf dem anderen Kanal zusammenhängt und daher nicht mit dem Signalpegel des beobachteten Kommunikationskanals korreliert ist. Da jedoch Vierwellenmischung eine nicht schwindende Signalintensität in dem beobachteten Kanal erfordert, ist ihr Einfluss auf die Fehlerrate bei Symbolvektoren mit einem mittleren Bit 1 höher als bei Symbolvektoren mit einem mittleren Bit 0. D. h. wenn nur die Fehlerrate bestimmt wird, ohne den Entscheidungsschwellwert auf der Basis dieser Fehlerrate zu optimieren, dann ist die Fehlerrate als solche ein kritisches Merkmal. Wenn die Fehlerrate optimiert wird, indem der Entscheidungsschwellwert variiert wird, dann kann die Differenz zwischen dem optimierten Pegel des Schwellwerts und einem erwarteten Pegel als das kritische Merkmal genommen werden.
Wenn die Kreuze in 9 (welche nichts anderes als qualitative Größen darstellen) durch Zahlen ersetzt werden, z. B. indem X = 10^–4, xx = 5 × 10^–5, x = 10^–6 gesetzt wird, um charakteristische Vektoren C zu erhalten, die numerische Koeffizienten für die verschiedenen Effekte aufweisen, so ist leicht zu erkennen, dass in dem hier betrachteten Beispielfall das innere Produkt a = CD am größten für nega tive PMD ist, und dass negative PMD daher wahrscheinlich die Ursache der beobachteten Fehler ist. Wenn der durch eine negative PMD erklärbare Beitrag von dem charakteristischen Vektor D nach der Formel D' = D – acsubtrahiert wird, hat das Ergebnis D' ein und denselben Wert für beinahe alle Komponenten (außer derjenigen, die dem Symbolvektor [100] entspricht) und ist daher hauptsächlich ASE oder einer Kombination von ASE und FWM zuzuschreiben.
Das innere Produkt kann als ein qualitatives Maß für die Stärke des Verzerrungseffektes betrachtet werden, für welchen es berechnet wurde. Anhand von Skalarprodukten, die zu verschiedenen Zeitpunkten für denselben Effekt erhalten wurden, kann die Entwicklung des betreffenden Effekts mit der Zeit beurteilt werden.
Die oben beschriebenen Verfahren zum Erkennen oder Identifizieren eines das Kommunikationssignal verzerrenden Effekts beruhten auf der Detektion eines kritischen Merkmals des i-ten Symbols der verschiedenen Symbolvektoren und einem Vergleich der Verteilung des Merkmals mit Verteilungen, die für die verschiedenen Symbolvektoren bei Vorliegen eines bestimmten Verzerrungseffektes zu erwarten sind, und auf der Bestimmung, dass der Effekt vorliegt, falls die detektierte Verteilung ausreichend gut mit der erwarteten übereinstimmte. Diese Vorgehensweise ist recht arbeitsaufwendig, da sie eine eigene Vergleichsprozedur für jeden Verzerrungseffekt erfordert, und die Möglichkeit ist nicht ausgeschlossen, dass, obwohl der Informationskanal gestört ist, dies nicht erkannt wird, da die Störung nicht durch einen von denjenigen Effekten hervorgerufen wird, für welche ein Vergleich durchgeführt wird. Dieses Problem kann gelöst werden, indem zuerst die Menge der Werte des kritischen Merkmals, die für die verschiedenen Symbolvektoren gemessen wurden, mit einer Referenzmenge verglichen wird, welche für denselben Kommunikationskanal zu einem früheren Zeitpunkt erhalten wurde, zu dem sie entweder mittels Experiment bestimmt wurde oder zu dem begründet angenommen werden konnte, dass zu diesem Zeitpunkt keine Verzerrungseffekte vorliegen. Falls eine ausreichende Übereinstimmung zwischen dieser Referenzmenge und der gegenwärtig gemessenen Menge vorhanden ist, kann der Kommunikationskanal zum gegenwärtigen Zeitpunkt als frei von den Verzerrungseffekten angenommen werden, und es ist nicht notwendig, für jeden der verschiedenen Verzerrungseffekte zu prüfen, ob er vorhanden ist oder nicht. Falls sich jedoch die aktuelle Menge wesentlich von der Referenzmenge unterscheidet, muss ein Verzerrungseffekt vorhanden sein, und es können weitere Vergleiche durchgeführt werden, um zu bestimmen, welcher Effekt es ist. Diese Vorgehensweise ist allgemein für ein beliebiges kritisches Merkmal anwendbar; sie wird im Folgenden anhand eines Beispiels erläutert, basierend auf der Pseudofehlerrate als ein kritisches Merkmal, wobei auf 10 Bezug genommen wird.
Teil a von 10 zeigt ein typisches Augendiagramm eines als nicht gestört angenommenen Kommunikationssignals, in welchem eine Vielzahl von Wellenformen des Pegels des Kommunikationssignals als eine Funktion der Zeit für verschiedene Symbolperioden graphisch dargestellt ist, und auf der linken Seite davon ist ein zugehöriges Diagramm der Pseudofehlerrate PER dargestellt, dessen Achse der Entscheidungsschwellwerte V_th parallel zur Achse der Signalpegel des Augendiagramms ist. Wie in dem Augendiagramm leicht zu erkennen ist, ist die Streuung des Pegels des Kommunikationssignals für Symbole, die den Wert "1" haben, größer als für diejenigen, die den Wert "0" haben, was sich in dem Diagramm der PER in der Tatsache widerspiegelt, dass der Zweig x1x der Kurve der PER (der obere Zweig in dieser Figur), der den Symbolvektoren mit dem mittleren Symbol "1" entspricht, einen kleineren Anstieg hat als der Zweig x0x, der den Symbolvektoren mit dem mittleren Bit "0" entspricht.
Eine kohärente Interferenz vom Typ eines Rauschens, wie etwa kohärentes Nebensprechen, Kreuzphasenmodulation und Vierwellenmischung, verursacht eine wesentlich stärkere Streuung für Symbole, die den Wert "1" haben, wie aus dem Augendiagramm von 10b ersichtlich ist, doch sie haben nur wenig Auswirkung auf die Symbole mit dem Wert "0", was sich in dem Diagramm der PER darin widerspiegelt, dass der Anstieg des Zweiges x1x merklich kleiner ist als der für den ungestörten Fall, dargestellt durch eine Strichpunktlinie, während der Anstieg des Zweiges x0x sich nur unwesentlich ändert.
Inkohärentes Nebensprechen hat Auswirkungen sowohl auf die Signalpegel der Symbole "0" als auch auf die der Symbole "1", doch aufgrund des inkohärent stärkeren Rauschens des Pegels "1" ist es beim Zweig "x0x" deutlicher zu sehen (10c). Verstärkte spontane Emission enthält sowohl kohärente als auch in kohärente Beiträge und hat Auswirkungen auf beide Zweige des Diagramms der PER, wie in 10d dargestellt.
Um das Auftreten von Verzerrungseffekten in einem Kommunikationskanal gemäß der Erfindung zu überwachen, wird die Standardabweichung des Pegels für Symbole "0" und "1" im Voraus anhand eines Diagramms der PER bestimmt. Später, wenn der Kanal in Betrieb ist, werden diese Standardabweichungen für das zweite Symbol der acht verschiedenen, drei Bits enthaltenden Symbolvektoren bestimmt, und die erhaltenen Standardabweichungen werden mit dem Referenzwert verglichen. Falls die detektierten Standardabweichungen für alle Symbolvektoren, die das zweite Symbol "0" haben, mit der Referenz-Standardabweichung für das Symbol "0" übereinstimmen und die Standardabweichungen für alle Symbolvektoren mit dem zweiten Symbol "1" mit der Referenz-Standardab weichung des Symbols "1" übereinstimmen, muss ein Effekt vom Typ eines Rauschens die Ursache der Störung sein, und durch Vergleichen der gemessenen Standardabweichung mit den Referenzwerten auf der Grundlage der Kriterien, die unter Bezugnahme auf 10 erläutert wurden, wird entschieden, ob die Störung auf kohärentes Nebensprechen, auf Kreuzphasenmodulation oder Vierwellenmischung oder auf nicht kohärentes Nebensprechen oder auf ASE zurückzuführen ist.
Falls sich jedoch die Standardabweichungen für Symbolvektoren mit dem mittleren Bit "0" und Symbolvektoren mit dem mittleren Bit "1" unterscheiden, muss ein gegenseitiger Einfluss nachfolgender Symbole des Kommunikationskanals, d. h. Intersymbolinterferenz, die Ursache der Störung sein. In Analogie zu dem, was unter Bezugnahme auf 9 beschrieben wurde, kann ein Effekt, welcher die Störung verursacht, anhand von Größenrelationen der Standardabweichungen von verschiedenen Symbolvektoren, die für diesen Effekt charakteristisch sind, identifiziert werden.

Claims

Verfahren zur Feststellung eines Effekts, welcher ein Kommunikationssignal in einem seriellen Kommunikationskanal verzerrt, das die folgenden Schritte aufweist: a) Definieren einer Menge von verschiedenen Symbolvektoren, die aus n > = 2 aufeinander folgenden Kommunikationssymbolen gebildet werden, und einer Menge von Referenzwerten eines kritischen Merkmals des i-ten Kommunikationssymbols der Symbolvektoren, wobei ein Wert von 1 bis n für i gewählt wird; b) Empfangen mehrerer Sequenzen von n Kommunikationssymbolen, die auf dem Kanal übertragen werden; c) für jeden der Symbolvektoren: Detektieren des Wertes des kritischen Merkmals des i-ten Kommunikationssymbols in allen empfangenen Sequenzen, die dem Symbolvektor entsprechen; d) Vergleichen der Menge der Werte, die in Schritt c) detektiert wurden, mit der Menge von Referenzwerten und Beurteilen, ob der Effekt vorhanden ist oder nicht, basierend auf dem Vergleich.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der serielle Kommunikationskanal eine optische Faser (2) ist und dass die Verzerrungseffekte optische Effekte sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge von Referenzwerten Werte des kritischen Merkmals umfasst, die für das Vorhandensein des Verzerrungseffektes für die einzelnen Symbolvektoren indikativ sind, und dass der Verzerrungseffekt im Falle einer ausreichenden Übereinstimmung der Menge mit der Menge von Referenzwerten als vorhanden angesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge von Referenzwerten erhalten wird, indem zeitweilig und willkürlich der Effekt in dem Kommunikationskanal hervorgerufen wird und das kritische Merkmal für jeden Symbolvektor gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge von Referenzwerten Werte des kritischen Merkmals umfasst, die für ein gutes Funktionieren des Kommunikationskanals für die einzelnen Symbolvektoren typisch sind, und dass das Vorhandensein des Verzerrungseffekts basierend auf Abweichungen der in Schritt c) detektierten Werte von der Menge von Referenzwerten, welche für den Effekt typisch sind, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge von Referenzwerten durch Messung an dem Kommunikationskanal erhalten wird, welcher geprüft worden ist oder von dem angenommen wird, dass er einwandfrei arbeitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kritische Merkmal ein Maß der Häufigkeit ist, mit welcher das i-te Kommunikationssymbol des Symbolvektors falsch identifiziert wird, nachdem der Symbolvektor durch diesen Effekt verzerrt worden ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn einer der Symbolvektoren der empfangenen Sequenz entspricht, entschieden wird, ob das i-te der n Symbole (i = 1, ..., n) der Sequenz richtig empfangen wurde oder nicht, und dass entsprechend dem Ergebnis der Entscheidung ein Messwert, der für die Häufigkeit einer falschen Identifizierung des i-ten Symbols in der dem Symbolvektor entsprechenden Sequenz repräsentativ ist, inkrementiert oder nicht inkrementiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Symbolvektor das Verhältnis der Anzahl von Malen, die das i-te Bit in einer dem Symbolvektor entsprechenden Sequenz falsch empfangen wurde, zu der Anzahl von Malen, die eine dem Symbolvektor entsprechende Sequenz übertragen wurde, als der Messwert genommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Effekt von der Art eines kohärenten Rauschens als vorhanden bestimmt wird, wenn die Zählhäufigkeit von Wertevektoren, in welchen das i-te Symbol gleich 1 ist, größer ist als die von Wertevektoren, in welchen das i-te Symbol gleich 0 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass inkohärentes Nebensprechen als vorhanden angesehen wird, wenn die Zählhäufigkeit von Wertevektoren, in welchen das i-te Symbol gleich 1 ist, kleiner ist als die von Wertevektoren, in welchen das i-te Symbol gleich 0 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass chromatische Dispersion als vorhanden angesehen wird, wenn die Zählhäufigkeit eines Wertevektors mit Symbolen (0, x, 1) dieselbe ist wie die eines Wertevektors (1, x, 0), wobei x das i-te Symbol bezeichnet, und größer ist als die des Wertevektors (0, 0, 0) oder (1, 1, 1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Polarisationsdispersion als vorhanden angesehen wird, wenn die Zählhäufigkeit eines Wertevektors mit Symbolen (0, x, 1) verschieden ist von der des Wertevektors (1, x, 0), wobei x das i-te Symbol bezeichnet, und größer ist als die des Wertevektors (0, 0, 0) oder (1, 1, 1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kritische Merkmal der Wert einer Diskriminationsschwelle zwischen zwei Werten des i-ten Kommunikationssymbols ist, welcher die niedrigste Fehlerrate beim Identifizieren des i-ten Symbols liefert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kritische Merkmal ein Maß für die Standardabweichung des Signalpegels des i-ten Kommunikationssymbols ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Intersymbolinterferenz als vorhanden angesehen wird, wenn der Wert des kritischen Merkmals, der für verschiedene Wertevektoren mit demselben i-ten Symbol detektiert wird, unterschiedliche Werte annimmt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Effekt vom Typ eines Rauschens als vorhanden angesehen wird, wenn der Wert des kritischen Merkmals, der für verschiedene Wertevektoren mit demselben i-ten Symbol detektiert wird, derselbe ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kritische Merkmal ein Mittel wert der Signalamplitude zum Zeitpunkt der Übertragung des i-ten Kommunikationssymbols ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kritische Merkmal eine Histogrammverteilung der Signalamplitude zum Zeitpunkt der Übertragung des i-ten Kommunikationssymbols ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 1 < i < n ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass n ≥ 3 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Symbole binär sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, soweit er von Anspruch 4 abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) ein gegebener Verzerrungseffekt als vorhanden angesehen wird, wenn das innere Produkt eines charakteristischen Vektors mit m Komponenten, der aus den Werten der charakteristischen m Symbolvektoren gebildet wird, 2 ≤ m ≤ 2ⁿ, und einem charakteristischen Vektor mit m Komponenten, der mit dem gegebenen Effekt verknüpft ist, einen Schwellwert übersteigt.
Vorrichtung, welche Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, welche ferner umfasst: einen Eingang zum Empfangen des verzerrten Kommunikationssignals von dem Kommunikationskanal (2), Mittel (1, 3, 4; 1', 3', 4', 13, 14; 1''), die mit dem Eingang verbunden sind, zum Detektieren eines Merkmals in einem Symbol des verzerrten Kommunikationssignals und Ausgeben des detektierten Merkmals, einen Demultiplexer (5; 5'; 5'') mit einem Dateneingang, der mit dem Ausgang des Detektionsmittels (1; 1'; 1''), der das detektierte Merkmal ausgibt, verbunden ist, und mehreren Steuereingängen, an welchen unterschiedlich verzögerte Symbole (i – 1; i; i + 1) des Kommunikationssignals anliegen, um das am Eingang des Demultiplexers (5; 5'; 5'') anliegende detektierte Merkmal zu einem Ausgang des Demultiplexers zu schalten, der durch die an den Steuereingängen anliegenden Symbole festgelegt wird, und eine Auswerteeinheit (9, 11, 12; 16) an jedem Ausgang des Demultiplexers (5; 5'; 5'').
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Quelle (3; 3') für ein Kommunikationssignal umfasst, von welchem angenommen wird, dass es sich in Übereinstimmung mit dem unverzerrten Kommunikationssignal befindet, und dass an den Steuereingängen des Demultiplexers (5; 5') das als in Übereinstimmung befindlich angenommene Kommunikationssymbol anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das detektierte Merkmal für jedes Symbol angibt, ob es richtig oder falsch empfangen wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass jede Auswerteeinheit (9, 11, 12) einen ersten Zähler (9) umfasst, zum Zählen, wie oft ein Signal, welches einen falschen Empfang (oder richtigen Empfang) eines Symbols anzeigt, zu der Auswerteeinheit geschaltet wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass jede Auswerteeinheit (9, 11, 12) einen zweiten Zähler (11) umfasst, zum Zählen, wie oft der Ausgang des Demultiplexers (5), der zu dieser Auswerteeinheit gehört, spezifiziert wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das detektierte Merkmal für jedes Symbol dessen Signalamplitude angibt und dass die Auswerteeinheit (16) eine Schaltung (17 bis 21) zum Bilden eines Mittelwertes der Signalamplitude umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der detektierte Wert für jedes Symbol dessen Signalamplitude angibt und dass die Auswerteeinheit (16) eine Schaltung (22, 23) zum Bilden eines Histogramms der Signalamplitude umfasst.