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Die
Erfindung betrifft einen digitalen Signalverarbeitungs-(=DSP)-Empfänger zur
Analyse eines optischen Signals, das insbesondere in einem optischen
Terabit-Netzwerk digitale Information überträgt, der einen Empfänger-Eingang
zum Empfang des optischen Signals, eine Photodiode, eine Analog-/Digital-Wandler-(=ADC)-Einheit
und eine DSP-Verarbeitungseinheit enthält, wobei der DSP-Empfänger eine
Aufteilungs-Einheit enthält,
die das vom Empfänger-Eingang
empfangene optische Signal aufteilt und die aufgeteilten Teile in
mindestens zwei Wellenleiter-Zweige einspeist, wobei mindestens
ein Wellenleiter-Zweig ein optisches Filterelement enthält, und
wobei jeder Wellenleiter-Zweig auf eine getrennte Photodiode geleitet
wird, wobei das Signal jeder Photodiode in eine getrennte ADC-Einheit
geleitet wird und worin das Signal jeder ADC-Einheit in die DSP-Verarbeitungseinheit
eingespeist wird.
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DSP-Empfänger dieser
Art werden zurzeit in optischen Netzwerken eingesetzt, wie z.B.
in 2,5 GBit/s-SDH (Synchronous Digital Hierarchy) und in Gigabit-Ethernet,
die z.B. in Andrew S. Tanenbaum: Computer Networks, Verlag Prentice
Hall beschrieben werden.
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Um
Informationen, insbesondere digitale Informationen, in großen Mengen
und über
große
Entfernungen zu übertragen,
können
optische Informationsnetze verwendet werden. Die zu übertragende
Information wird auf optische Signale moduliert, wie z.B. auf Lichtwellen,
und die modulierten Lichtwellen werden durch einen optischen Wellenleiter
gesendet. Die Länge
eines solchen Wellenleiters kann in der Größenordnung von einigen Dutzend
oder sogar von Hunderten von Kilometern liegen. Um die übertragene
Information wiederzugewinnen, wird das optische Signal an eine Photodiode
angelegt, und das von der Photodiode erzeugte elektrische Signal
wird an eine Einheit zur Analog-/Digital-Wandlung angelegt. Diese Umwandlungs-Einheit
erzeugt ein umgewandeltes Digitalsignal, das die Grundlage zur Wiedergewinnung
der übertragenen
Information in einer digitalen Signalverarbeitungseinheit ist.
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Die
Photodiode ist jedoch nur in der Lage, die Lichtstärke des
eintreffenden optischen Signals zu bestimmen. Die Lichtstärke ist
jedoch nur eine der charakteristischen Eigenschaften des optischen
Signals. Informationen über
die Phasenlage, die Polarisation oder das Frequenzspektrum (z.B.
als Folge der chromatischen Dispersion) gehen verloren. Dies führt zu schlechten
Bitfehlerraten (BER), wenn die übertragene
Information aus dem optischen Signal wiedergewonnen wird, insbesondere
wenn die Bitrate hoch und/oder die gesamte optische Intensität bei der
Erkennung klein ist.
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In
Mobilfunksystemen sind Signalempfänger mit so genannten Antennenanordnungen
ausgestattet, d.h. mit einer Vielzahl von Erkennungs-Vorrichtungen
(die eine Antenne und möglicherweise
jede einen Funkempfänger
enthalten), um das Signal-Intensitäts-/Rauschverhältnis (SINR)
zu verbessern, siehe J.S. Thompson et al, IEEE Personal Communications,
Oktober 1996, Seite 16-25. Jede Antenne empfängt dasselbe eintreffende elektromagnetische Signal,
das an jeder Antenne mit unterschiedlichen Echo-Störungen eintrifft.
Eine digitale Signalverarbeitungseinheit analysiert alle Signale,
die von den unterschiedlichen Antennen erkannt wurden und berechnet
auf der Grundlage dieser breiteren Informationsbasis ein Ausgangssignal,
das die Information des Eingangssignals mit viel besserer Qualität, d.h. Daten-Integrität, enthält, als
es mit nur einer Erkennungs-Vorrichtung möglich wäre. Diese Berechnung erfolgt
mit erweiterten Algorithmen, welche die a-posteriori-Wahrscheinlichkeit der wiedergewonnenen Daten
maximieren (MAP-Algorithmen), wie z.B. der Viterbi-Algorithmus.
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In
US 6,347,169 (Kang et al.)
wird eine Vorrichtung zur Überwachung
der Kanäle
eines WDM-Signals in einem WDM-System offen gelegt. Ein optisches
Eingangssignal wird an eine Wellenleiter-Gitter-Anordnung (Arrayed
Waveguide Grating) angelegt, die wiederum einen Satz von Ausgangssignalen
bereitstellt, wobei jedes Ausgangssignal einen speziellen Frequenzbereich
des Eingangssignals enthält.
Ein Teil des Ausgangssignals wird einer Bandpass-Filterung unterzogen.
Alle Ausgangssignale werden jeweils an eine Photodiode angelegt, und
die Signale der Photodiode werden einer Analog-/Digital-Wandlung ausgesetzt.
Die Digitalsignale werden an einen Mikroprozessor angelegt, der
Informationen über
die getrennten Kanäle
des optischen Eingangssignals liefert.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen digitalen Signalverarbeitungsempfänger zur
Analyse optischer Signale bereitzustellen, der eine Informations-Wiedergewinnung
mit verbesserter Daten-Integrität
erlaubt.
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Dieses
Ziel wird durch einen DSP-Empfänger
erreicht, wie oben vorgestellt, der dadurch gekennzeichnet ist,
dass die DSP-Verarbeitungseinheit so
konstruiert ist, dass sie die Informationen aller Wellenleiter-Zweige
korreliert, um entweder ein am wahrscheinlichsten übertragenes
Bitmuster des optischen Signals oder Werte für die Wahrscheinlichkeit von
0 und 1 des übertragenen
Bitmusters des optischen Signals zu bestimmen.
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Das
optische Filterelement in einem Wellenleiter-Zweig prägt dem abgetrennten
Teil des optischen Signals eine bestimmte Information über das optische
Signal auf. Dieser entsprechende abgetrennte Teil des optischen
Signals und seine aufgeprägte
Information durchlaufen eine separate Photodiode und eine separate
ADC-Einheit und gelangen in die DSP-Einheit. Somit hat die DSP-Verarbeitungseinheit
die Möglichkeit,
mindestens zwei aufgeteilte Teile des optischen Signals gleichzeitig
zu analysieren. Jeder aufgeteilte Teil des optischen Signals kann
unterschiedliche Informationen übertragen,
abhängig
vom optischen Filterelement im entsprechenden Wellenleiter-Zweig.
Typischerweise wird ein aufgeteilter Teil des optischen Signals
dazu verwendet, Information über
die Gesamt-Intensität
zu liefern (d.h. in diesem Wellenleiter-Zweig, es wird kein optisches
Filterelement benutzt), und die anderen abgetrennten Teile des optischen
Signals werden dazu verwendet, Intensitäts-Information über einen
Teil des optischen Signals mit einer bestimmten Polarisation, einem
bestimmten Frequenzbereich (z.B. zur Untersuchung der chromatischen
Dispersion) oder einer bestimmten Phasenlage, usw. zu liefern.
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Somit
dienen die getrennten Wellenleiter-Zweige und die optischen Filterelemente
zur Wiedergewinnung eines Teils der Information, z.B. Phasen- oder
Polarisations-Information, des optischen Signals, der verloren gehen
würde,
wenn die Signalerkennung mit nur einer Photodiode durchgeführt würde. Im
Allgemeinen gilt, dass je mehr Informationen über das optische Signal an
die DSP-Verarbeitungseinheit geliefert wird, umso zuverlässiger die Wiedergewinnung
der Information sein kann, die ursprünglich auf das optische Signal
moduliert wurde.
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In
einer bevorzugten Ausführung
des DSP-Empfängers
der Erfindung enthält
jeder Wellenleiter-Zweig ein unterschiedliches optisches Filterelement.
In diesem Fall dient jeder Wellenleiter-Zweig zur Wiedergewinnung
eines unterschiedlichen Teils an Information über das optische Signal. Identische optische
Filterelemente in verschiedenen Wellenleiter-Zweigen können jedoch
dabei helfen, das Signal-Rauschverhältnis der
gefilterten aufgeteilten Signale zu vergrößern, die einen Teil der Information
von besonderem Interesse übertragen,
was auch eine Option gemäß der Erfindung
ist.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführung der
Erfindung umfassen das/die optische(n) Filterelement(e) chromatische
Dispersions-Elemente und/oder
Polarisationsfilter und/oder Spektralfilter. Es wird insbesondere
bevorzugt, dass der DSP-Empfänger
zwei Wellenleiter-Zweige mit rechtwinklig orientierten Polarisations-Filtern
enthält.
Dies erlaubt eine Wiedergewinnung der Polarisations-Information.
Es wird auch bevorzugt, dass der DSP-Empfänger einen Satz von Wellenleiter-Zweigen mit Spektralfiltern
verschiedener mittlerer Transmissions-Wellenlängen enthält, insbesondere mit monoton
ansteigenden oder abfallenden mittleren Transmissions-Wellenlängen, vorzugsweise
mit mittleren Transmissions-Wellenlängen, die
gleichen Abstand haben. Dies erlaubt eine einfache Erkennung der
chromatischen Dispersion des optischen Signals. Andere mögliche Filterelemente
sind Filter zur Kompensation der chromatischen Dispersion. Natürlich können verschiedene
Typen von Filterelementen in einem Wellenleiter-Zweig in Reihe geschaltet werden, z.B.
indem man ein Element zur Kompensation der chromatischen Dispersion
hinter einem Polarisations-Filter anordnet.
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Eine
vorteilhafte Ausführung
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die DSP-Verarbeitungseinheit
einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (=ASIC) und/oder
ein Field Programmable Gate Array (=FPGA) enthält.
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Ein
ASIC ist eine kompakte Standardlösung für eine DSP-Verarbeitungseinheit.
Der Einsatz von FPGA-Schaltkreisen ist sehr kostengünstig.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausführung des
DSP-Empfängers
der Erfindung ist ein zusätzliches
optisches Filterelement zwischen dem Empfänger-Eingang und der Aufteilungs-Einheit angeordnet. Das
zusätzliche
optische Filterelement beeinflusst dann das eintreffende optische
Signal als Ganzes. Somit können
bekannte Störungen
des Signals leicht kompensiert werden.
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Die
Idee der Erfindung wird auch durch ein Verfahren der Erfindung repräsentiert,
ein optisches Signal mit einem DSP-Empfänger,
wie oben beschrieben, wiederzugewinnen, das durch folgende Schritte
gekennzeichnet ist:
- a) Das optische Signal
wird in mindestens zwei Zweige aufgeteilt;
- b) Mindestens ein aufgeteiltes optisches Signal wird einer Filter-Prozedur
ausgesetzt;
- c) Die aufgeteilten optischen Signale werden erkannt und in
aufgeteilte Digitalsignale umgewandelt;
- d) Die aufgeteilten Digitalsignale werden analysiert, um Informationen
des optischen Signals wiederzugewinnen, wobei die Informationen
aller Wellenleiter-Zweige korreliert werden, um entweder ein am
wahrscheinlichsten übertragenes
Bitmuster des optischen Signals oder Werte für die Wahrscheinlichkeit von
0 und 1 des übertragenen Bitmusters
des optischen Signals zu bestimmen.
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Das
ursprüngliche
optische Signal wird mit der im optischen Netzwerk zu übertragenden
Information moduliert. Um das modulierte optische Signal, d.h. die
vom optischen Signal übertragene
Information, im DSP-Empfänger
wiederzugewinnen, wird das Verfahren der Erfindung angewendet. Wenn
das optische Signal direkt an eine einzige Photodiode angelegt wurde,
kann nur die Gesamt-Intensität
des optischen Signals als Funktion der Zeit bestimmt werden, während das
meiste der Information über
das optische Signal verloren geht. In dem Verfahren der Erfindung
wird das Signal im Gegensatz dazu in eine Vielzahl von Zweigen aufgeteilt.
Jeder Zweig kann einer unterschiedlichen Filterungs-Prozedur ausgesetzt
werden. Optional kann einer der Zweige ohne Filterung betrieben werden,
um Informationen über die
Gesamt-Intensität
zur Verfügung
zu haben. Dann liefert jeder Zweig einen Teil der Information über das optische
Signal, z.B. den Bruchteil der Intensität, der in einer bestimmten
Richtung polarisiert ist (Polarisations-Filter) oder in einem bestimmten
Wellenlängen-Intervall enthalten
ist (Spektralfilter). Nach der Erkennung, z.B. in einer Photodiode,
und der Analog-/Digital-Wandlung können die aufgeteilten Digitalsignale
analysiert werden, um das ursprüngliche
modulierte optische Signal wiederzugewinnen (d.h. das modulierte
optische Signal direkt nach der Modulation), oder um die Information
direkt wiederzugewinnen, die auf das optische Signal moduliert war.
Der Zugriff auf eine Vielzahl von Teilen der Information über das
empfangene optische Signal (d.h. des an den DSP-Empfänger angelegten
optischen Signals) vergrößert die
erreichbare Daten-Integrität
der wiedergewonnenen Information. Diese verbesserte Leistungsfähigkeit
kann dazu benutzt werden, die Datendichte (d.h. die Bitrate) zu
erhöhen,
die in einem optischen Netz behandelt werden kann. Aus diesem Grund
eignen sich die DSP-Verarbeitungseinheit
der Erfindung und ihr Arbeitsverfahren für die Anwendung in optischen
Netzen mit Wellenlängen-Kanal-Raten von 2,5, 10
und 40 GBit/s.
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Die
Information des optischen Signals kann ein wiedergewonnenes elektrisches
Datensignal sein, das auf das optische Signal moduliert wird. Dies ist
der Standard-Fall für
die auf das optische Signal modulierte Information.
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Die
Information des optischen Signals können auch Wahrscheinlichkeits-Werte
für die
Wahrscheinlichkeit der Bits 0 und 1 sein, die vom optischen Signal übertragen
werden. Wahrscheinlichkeits-Werte können Algorithmen zur Fehlerkorrektur vereinfachen,
da schlecht übertragene
Teile von Daten leichter zu erkennen sind.
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Eine
Variante des Verfahrens der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass zur Analyse der aufgeteilten optischen Signale ein MAP-Maximierungs-Algorithmus
verwendet wird. Dieser Algorithmus wurde bereits in Mobilfunksystemen
versucht und ist eine zuverlässige
Möglichkeit
zur Erzeugung von Wahrscheinlichkeits-Werten.
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Die
Erfindung wird auch in einem Software-Programm zur Ausführung des
oben beschriebenen Verfahrens realisiert, wenn es auf einem Computer
ausgeführt
wird.
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Weitere
Vorteile können
der Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen entnommen werden.
Die oben und weiter unten erwähnten
Eigenschaften können
gemäß der Erfindung
entweder einzeln oder in jeder Kombination zusammen verwendet werden.
Die erwähnten
Ausführungen
dürfen
nicht als erschöpfende
Aufzählung
verstanden werden, sondern sie haben beispielhaften Charakter für die Beschreibung
der Erfindung.
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Die
Erfindung wird in den Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine Ausführung
eines DSP-Empfängers
der Erfindung mit zwei Wellenleiter-Zweigen und einem optischen
Filterelement in jedem Wellenleiter-Zweig;
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2 zeigt
eine weitere Ausführung
eines DSP-Empfängers
der Erfindung mit zwei Wellenleiter-Zweigen und zwei optischen Filterelementen
in Reihe in jedem Wellenleiter-Zweig;
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3 zeigt
eine weitere Ausführung
eines DSP-Empfängers
der Erfindung mit zwei Wellenleiter-Zweigen und einem zusätzlichen
optischen Filterelement am Empfänger-Eingang.
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1 zeigt
eine erste grundlegende Ausführung
des DSP-Empfängers der
Erfindung. Ein optisches Signal trifft am Empfänger-Eingang 11 ein
und wird in einer Aufteilungs-Einheit 12 in zwei Teile
aufgeteilt. Der obere aufgeteilte Teil wird in einen oberen, ersten
Wellenleiter-Zweig 13a eingespeist, während das andere aufgeteilte
Signal in einen unteren, zweiten Wellenleiter-Zweig 13b eingespeist
wird. Beide Wellenleiter-Zweige 13a, 13b leiten
die aufgeteilten optischen Signale in getrennte optische Filterelemente 14a und 14b.
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Die
optischen Filterelemente 14a und 14b haben unterschiedliche
Filterfunktionen. Am einfachsten sind die beiden optischen Filterelemente Polarisationsfilter
mit orthogonaler Orientierung oder zwei Spektralfilter mit verschiedenen
Transmissions-Intervallen. Eine weitere Möglichkeit ist, dass ein Filterelement
ein "leerer Kasten" ist, d.h. nur einer
der Zweige enthält
ein optisches Filterelement, während der "leere Zweig" dazu benutzt wird,
die Gesamt-Intensität
des eintreffenden optischen Signals zu analysieren.
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Nach
der Filterungs-Prozedur enthalten die abgetrennten Teile des optischen
Signals spezielle Teile von Informationen über das optische Signal, die den
entsprechenden optischen Filterelementen 14a, 14b entsprechen.
Die Wellenleiter-Zweige 13a, 13b werden dann zu
Photodioden 15a, 15b geleitet, um die aufgeteilten
Teile des optischen Signals in elektrische Signale umzuwandeln.
Neben den Photodioden 15a, 15b kann diese Umwandlung
auch durch Photowiderstände,
lichtabhängige
Widerstände
oder andere optoelektrische Wandler mit ausreichender Verarbeitungsgeschwindigkeit
durchgeführt
werden. Die beiden von den Photodioden 15a, 15b erzeugten elektrischen
Signale werden an Analog-/Digital-Wandler-Einheiten 16a, 16b angelegt,
die ihre Digitalsignale wiederum an die DSP-Verarbeitungseinheit 17 geben.
Die DSP-Verarbeitungseinheit 17 analysiert
die Digitalsignale, die von allen Wellenleiter-Zweigen 13a, 13b stammen,
gleichzeitig und dient zur Wiedergewinnung von Informationen über das
optische Signal, wie es am Empfänger-Eingang 11 eintrifft.
Die DSP-Verarbeitungseinheit 17 gibt
die wiederhergestellte Information an einen Empfänger-Ausgang 18.
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Typischerweise
ist nicht beabsichtigt, das optische Signal, wie es am Empfänger-Eingang 11 eingetroffen
ist, selbst zu rekonstruieren, sondern die von diesem optischen
Signal übertragenen
Nettodaten. Die Nettodaten sind typischerweise digitale Informationen,
die auf das optische Signal moduliert wurden.
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Als
erste Möglichkeit
kann die DSP-Verarbeitungseinheit 17 die Information aller
Wellenleiter-Zweige 13a, 13b dazu benutzen, durch
Korrelation das am wahrscheinlichsten übertragene Bitmuster zu bestimmen
und am Empfänger-Ausgang 18 auszugeben.
Insbesondere können
Fehlerquellen, wie die chromatische Dispersion, erkannt und kompensiert
werden, um eine hohe Daten-Integrität zu erhalten.
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Als
zweite Möglichkeit
kann die DSP-Verarbeitungseinheit 17 eine Maximum-Likelihood-Sequenz-Schätzung durchführen, die
allgemein als "Soft
Decision" bekannt
ist. Ein möglicher
und bevorzugter Berechnungs-Algorithmus für diesen Zweck ist der MAP-Maximierungs-Algorithmus.
Mit einem "soft
output", der nur
Zahlenwerte für
die Wahrscheinlichkeit von 0 und 1 angibt, kann eine weitere Verbesserung
gemäß der Erfindung
erzielt werden, indem ein "soft" FEC-Decoder (Forward
Error Correction, Vorwärts-Fehlerkorrektur)
zum Empfänger-Ausgang 18 hinzugefügt wird.
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2 zeigt
eine zweite Ausführung
eines DSP-Empfängers
der Erfindung. Das am Empfänger-Eingang 21 eintreffende
optische Signal wird in der Aufteilungs-Einheit 22 in zwei
getrennte Teile aufgeteilt, die in einen ersten, oberen Wellenleiter- Zweig 23a bzw.
einen unteren, zweiten Wellenleiter-Zweig 23b eingespeist
werden. Der obere aufgeteilte Teil des optischen Signals wird durch
zwei optische Filterelemente 24a und 25a geleitet,
die in Reihe geschaltet sind, während
der untere aufgeteilte Teil durch zwei andere optische Filterelemente 24b und 25b geleitet
wird. Typischerweise haben diese Filterelemente 24a, 24b, 25a, 25b jeweils
unterschiedliche Filterfunktionen. Jeder Wellenleiter-Zweig 23a, 23b läuft dann
auf eine getrennte Photodiode 26a, 26b, und deren
erzeugte elektrische Signale werden an zwei A/D-Wandler-Einheiten 27a und 27b angelegt.
Die Digitalsignale der A/D-Wandler-Einheiten 27a, 27b werden
von der DSP-Verarbeitungseinheit 28 empfangen und analysiert,
wie für 1 beschrieben.
Die DSP-Verarbeitungseinheit 28 erzeugt
ein Ausgangssignal, das Informationen über das optische Signal enthält, wie
es am Empfänger-Eingang 21 empfangen
wird, und das Ausgangssignal wird an den Empfänger-Ausgang 29 angelegt.
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3 zeigt
eine weitere alternative Ausführung
eines DSP-Empfängers der
Erfindung. Nach dem Empfänger-Eingang 31 ist
ein gemeinsames zusätzliches
Filterelement 32 angeordnet, um das eintreffende optische
Signal als Ganzes zu filtern. Vorzugsweise bildet dieses gemeinsame
zusätzliche
Filterelement 32 ein Element zur Kompensation der chromatischen
Dispersion oder ein beliebiges anderes Filterelement zur Kompensation
bekannter Störungen
des optischen Signals. Das gefilterte optische Signal wird dann
in einer Aufteilungs-Einheit 33 in zwei getrennte Teile
aufgeteilt, die sich in zwei Wellenleiter-Zweigen 34a und 34b ausbreiten.
Jeder Wellenleiter-Zweig 34a, 34b enthält dann
ein Filterelement 35a, 35b, eine Photodiode 36a, 36b und
eine A/D-Wandler-Einheit 37a, 37b.
Die Digitalsignale der A/D-Wandler-Einheit 37a, 37b werden
an eine DSP-Verarbeitungseinheit 38 angelegt. Das Ausgangssignal
der DSP-Verarbeitungseinheit 38 wird an den Empfänger-Ausgang 39 angelegt.
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Im
Prinzip kann die Ausführung
in 3 als eine Ausführung gemäß 1 mit einem
zusätzlichen
optischen Filterelement 32, das vor der Aufteilungs-Einheit 33 angeordnet
ist, betrachtet werden. Darüber
hinaus ist ihre Funktion äquivalent
zu einer Ausführung
von 2 mit identischen optischen Filterelementen 24a, 24b,
die dem zusätzlichen
optischen Filterelement 32 entsprechen. Die Ausführung in 3 kommt
jedoch mit insgesamt nur 3 optischen Filterelementen 32, 35a und 35b aus
und ist daher preisgünstiger
und kompakter.