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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der optischen Übertragungssysteme,
und im Speziellen das Entzerren von Signalen, die über einen
optischen Kanal empfangen wurden.
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Hintergrund der Erfindung
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Die 1 zeigt
ein optisches Übertragungssystem 100,
das die Erfindung verwenden kann. Das System 100 enthält einen
Laser und einen Modulator 110, um einen Bitstrom m(t) 101 mit
einer vorher festgelegten Bitrate in analoge Lichtpulse 102 zu
konvertieren. Eine optische Faser leitet die Lichtpulse zu einer
Photodiode 130, die die Lichtpulse zurück in ein Signal 103 konvertiert.
Ein Verstärker/Empfänger 140 ver stärkt und
filtert das Signal 103, um breitbandiges Rauschen zu entfernen
und um ein empfangenes Signal x(t) 104 zu erzeugen. Der
Bitstrom wird mit der Bitrate abgetastet. Die Abtastungen werden mit
einem Abtastschwellenwert verglichen. Falls eine Abtastung von x(t)
größer ist
als der Schwellenwert, dann ist diese Abtastung eine Eins, andernfalls
ist die Abtastung eine Null. Dies stellt den Eingangsbitstrom 101 wieder
her.
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In
zweckmäßigen Systemen
ist das empfangene Signal in Zeit und Form verzerrt, was zu einer Degradation
führt,
die als Intersymbol-Interferenz (ISI) bekannt ist, wenn Pulse überlappen
oder auf andere Weise miteinander interferieren. ISI erhöht die Bitfehlerrate
(BER) in dem System 100. Falls die ISI erheblich ist, kann
ein Entzerrer die Verzerrung in dem empfangenen Signal x(t) 104 kompensieren. Idealerweise
ist es wünschenswert,
dispersive Effekte vollständig
zu entfernen, und den ursprünglichen Bitstrom 101 mit
einer minimalen Anzahl von Fehlern wieder zu erlangen.
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In
einer möglichen
Lösung
reduziert der Empfänger 140 die
ISI, in dem ein Kompensator verwendet wird, der üblicherweise als Entzerrer
(engl. „Equalizer") bezeichnet wird.
Es gibt viele Typen von Entzerren, die in zweckmäßigen digitalen Übertragungssystemen
verwendet werden, wie Entzerrer, die auf maximaler Wahrscheinlichkeits
(ML = „maximimum-likelihood")-Abschätzung basieren,
lineares Filtern mit einstellbaren Koeffizienten, Entscheidungs-Feedback-Entzerrern
(DFE), etc., siehe Proakis, „Digitale Übertragungen", vierte Edition,
McGraw-Hill, New York, 2001. Um für unbekannte Kanäle verwendet
zu werden, werden die Entzerrer automatisch an die Kanalimpulsantwort
und die Zeitvariationen in der Kanalimpulsantwort angepasst. Diese Technik
wird als adaptive Entzerrung bezeichnet.
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Adaptive
Entzerrer können
als digitale Filter implementiert werden, die mit quantisierten
Abtastungen des empfangenen elektrischen Signals 104 operieren.
Die Schwierigkeit mit digitaler Entzerrung ist, dass das empfangene
Signal in eine digitale Form konvertiert werden muss, bevor es gefiltert
werden kann, und dann das digitale Signal zumindest einmal pro Symbolperiode
abgetastet und quantisiert werden muss.
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Optische Übertragungssystem
können
mit Bitraten größer als
10 Gigabits pro Sekunde operieren. Dies setzt Hochgeschwindigkeits-Analog-zu-Digital-Konverter
und sehr schnelle digitale Entzerrer voraus, was problematisch ist.
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Die 2 zeigt
einen typischen adaptiven Entzerrer 200 gemäß dem Stand
der Technik, der einen linearen begrenzten Impulsantwort(FIR)-Filter 210 mit
einstellbaren Gewichtskoeffizienten und einen Entscheidungsvorrichtung 220 enthält. Ein
Eingangssignal 201 am Entzerrer 200 ist eine ISI – verzerrte
Darstellung/Version eines übertragenen
Signals mit Rauschen. Die Gewichte werden gemäß eines Fehlersignals e(n) 204,
das durch einen Addierer 230 erzeugt wurde, eingestellt,
wobei der Addierer als Eingabe die Signale des Ausgangs y(n) des
FIR 210 und des Eingangs d(n) der Entscheidungsvorrichtung 220 nimmt.
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Eine
Vielzahl von Techniken wurden entwickelt, um die Gewichte des Filters 210 adaptiv
in einer Art einzustellen, die die Verzerrung minimiert. Eine übliche verwendete
Fehlermetrik ist ein Spitze-Verzerrungs fehler. Dies ist der bekannte
Null-forcierende Entzerrer, der von Proakis beschrieben wird. Obwohl
diese Fehlermetrik die ISI reduziert, erhöht sie signifikant das Rauschen.
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Um
den Anstieg im Rauschen zu mindern kann eine Metrik verwendet werden,
die auf den mittleren quadratischen Fehler (MSE = „mean-square
error") basiert.
In diesem Falle wird die Fehlermetrik als E[d(t) – y(t)2] definiert. Der Operator E[] ist der Erwartungsoperator,
d(t) ist die gewünschte
Antwort des Entzerrers 210, und y(t) ist die aktuelle Antwort,
die am Ausgang des FIR-Filters 210 gesehen wird. Ein geringster
mittlerer quadratischer Fehler (LMS = „least mean squares error") kann verwendet
werden um die Parameter des Filters zu bestimmen, die den MSE minimieren.
Für einen
LMS-Typ-Entzerrer werden die Anzapfungsgewichtskoeffizienten (engl. „tap weight
coeffizients") des
Entzerrers rekursiv über
die folgende Gleichung eingestellt: wi(n + 1) = wi(n)
+ μe(n)·xi(n) i = 1, ..., N, (1)wobei N die
Entzerrerlänge
ist, w = [w0, w1,
..., w1] ein Anzapfungsgewichtsvektor der
Länge N
ist, n ein Zeitindex ist, μ ein
Schrittgrößenparameter
ist, der die Rate der Konvergenz kontrolliert, e(n) das Fehlersignal 204 ist,
und xi eine verzögerte Darstellung des Eingangssignals 201 ist.
Das Fehlersignal 204 ist definiert über e(n)
= d(n) – y(n), (2)wobei y(n)
das Ausgangssignal 202 des adaptiven Entzerrers ist und
d(n) der Ausgang der Entscheidungsvorrichtung ist.
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Im
Allgemeinen kann der Ausgang der Entscheidungsvorrichtung 220 einer
mit vielen komplexen Leveln sein. Die meisten optischen Übertragungssysteme
verwenden eine einfache Zweilevel-Amplitudenverschiebungsabtastung
(engl. „amplitude
shift keying technique")-Technik, die als An-Aus-Abtastung
bekannt ist. In diesem Falle ist der Ausgang der Entscheidungsvorrichtung
einer von zwei Leveln, ein hoher Level, der ein Eins-Bit repräsentiert,
oder ein niedriger Level, der ein Null-Bit repräsentiert. Allerdings, weil
optische Übertragungssystem
bei Bitraten größer als
10 Gigabits pro Sekunde operieren können, sind Hochgeschwindigkeitsanalogdigitalkonverter
und sehr schnelle Entzerrer problematisch.
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Winters
J. H. et al.: „Electrical
Signal Processing Techniques in Long – Haul Fiber – Optic
Systems", IEEE Transactions
an Communications, IEEE Inc. New York, US, Bd. 38, Nr. 9, 1. September
1990, Seiten 1339–1453,
XP000173216 ISSN: 0090-6778, offenbart ein Verfahren zum Entzerren
eines empfangenen Signals in einem optischen Übertragungssystem, das die
Schritte enthält,
ein empfangenes Signal durch einen analoge Verzögerungsleitung hindurchzuführen, die
analoge Verzögerungsleitung
anzuzapfen, um einen Satz von verzögerten Kopien des empfangenen
Signals zu erzeugen, jede verzögerte
Kopie des empfangenen Signals in einem Satz von anlogen Multiplikationsvorrichtungen
mit einem entsprechenden Gewicht eines Satzes von Gewichten zu multiplizieren,
um einen Satz von gewichteten Signalen zu erzeugen, die gewichteten
Signale zu summieren, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das Ausgangssignal
einem Schwellenwertvergleich zu unterziehen, das Ausgangssignal,
das einem Schwellenwertvergleich unterzogen wurde, von dem Ausgangssig nal
zu subtrahieren, um ein Fehlersignal zu erzeugen, und in einer Gewichtaktualisierungsschaltung
von dem Fehlersignal und den verzögerten Kopien des empfangenen
Signals den Satz von Gewichten zu bestimmen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert, das
System gemäß der vorliegenden
Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 6. Bevorzugte
Ausführungsformen
des Verfahrens werden durch die Merkmale der Unteransprüche 2–5 gegeben.
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Die
Erfindung schafft ein Verfahren und einen Apparat für die Reduzierung
von Intersymbolinterferenzen in Daten, die über ein optisches Übertragungssystem übertragen
werden. Die ISI wird durch einen hybriden adaptiven Entzerrer reduziert.
Der Entzerrer enthält
eine analoge Verzögerungsleitung mit
Anzapfungen und einen Satz von digital gesteuerten Multiplikationsvorrichtungen,
um die Anzapfungen einzustellen. Die Gewichte werden mit einer digitalen
Schaltung bestimmt. Zusätzlich
operiert der Entzerrer erst mit dem empfangenen Signal, nachdem
das Signal zurück
in ein elektrisches Signal konvertiert wurde. Dies beseitigt die
Notwendigkeit von teueren optischen Kompensatoren.
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Die
Gewichte werden so eingestellt, dass sie einen mittleren quadratischen
Fehler (MSE) zwischen einem Ausgang des Entzerrers und Spannungswerten,
die entweder ein Eins-Bit oder ein Null-Bit repräsentieren, minimieren. Ein
Fehlersignal wird erzeugt, in dem der Ausgang des Entzerrers von dem
Ausgang einer Entscheidungsvorrichtung subtrahiert wird. Dies ist ä quivalent
dazu, den Entzerrer in einem Entscheidungsgesteuerten Modus zu operieren,
wo Bit-Entscheidungen verwendet werden, um ein Fehlersignal zu erzeugen.
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Die
Erfindung schafft auch ein Verfahren für die Erzeugung eines Vorzeichens,
entweder positiv oder negativ, von dem Signal am Ausgang jedes Verzögerungselementes.
Unter Verwendung nur des Vorzeichens wird die Komplexität des Entzerrers stark
reduziert. Das Fehlersignal und die Vorzeichen werden dann verwendet,
um die Gewichte für
die Anzapfungen zu aktualisieren. Weil der optische Kanal nur langsam
mit der Zeit variiert, wird das Gewicht nur gelegentlich mit einer
Rate, die viel kleiner ist als die Bitrate des Systems, aktualisiert.
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Insbesondere
wird durch ein Verfahren ein empfangenes Signal in einem Übertragungssystem entzerrt.
Das empfangene Signal wird durch eine analoge Verzögerungsleitung
hindurchgeführt,
wo es angezapft ist, um einen Satz von verzögerten Kopien des empfangenen
Signals zu erzeugen. In einem Satz von analogen Multiplikationsvorrichtungen
wird jede verzögerte
Kopie des empfangenen Signals mit einem entsprechenden Gewicht multipliziert,
um einen Satz von gewichteten Signalen zu erzeugen, die dann summiert
werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.
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Das
Ausgangssignal wird einem Schwellenwertvergleich unterzogen und
dann von dem Ausgangssignal subtrahiert, um ein Fehlersignal zu
erzeugen, das periodisch abgetastet wird. In einer digitalen Gewichtsaktualisierungsschaltung
werden die Gewichte aus digitalisierten Darstellungen des abgetasteten
Fehlersignals und Abtastungen der verzögerten Kopien des empfangenen
Signals erzeugt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines optischen Übertragungssystems, dass die
Erfindung verwendet;
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2 zeigt
ein Blockdiagramm eines adaptiven Entzerrers gemäß dem Stand der Technik;
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3 ist
ein Bockdiagramm eines hybriden adaptiven Entzerrers gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4A und 4B sind „Augen"-Diagramme eines
nicht entzerrten und eines entzerrten Signals.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Systemstruktur
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Die 3 zeigt
einen hybriden adaptiven Entzerrer 300 gemäß der vorliegenden
Erfindung, der sowohl analoge als auch digitale Komponenten enthält. Die
analogen Komponenten des Entzerrers 300 enthalten einen
Satz von N analog angezapften Verzögerungselementen 310,
einen Satz von N + 1 analogen Multiplikationsvorrichtungen 320,
zwei analogen Addierern 330–331, und einen analoge
Entscheidungsvorrichtung 340, zum Beispiel einen Komparator.
Diese analogen Komponenten verwirklichen einen analogen angezapften
Verzögerungsleitungsfilter.
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Die
digitalen Komponenten enthalten eine Gewichtsaktualisierungsschaltung 350,
die verwendet wird, die Gewichte w des Satzes der Anzapfungen einzustellen.
Die Gewichte können
gemäß dem geringsten
mittleren quadratischen (LMS = „least mean square") Fehler, gemäß einem
vorzeichenbehafteten LMS-Fehler oder gemäß einem rekursiven geringstem
Quadrat-Fehler eingestellt werden (siehe Proakis, „Digital
Communications",
4. Edition, McGraw-Hill, New York, 2001, für weitere Abwandlungen). Eingaben
an die Gewichtsaktualisierungsschaltung 350 werden durch
analog-digital (A/D) Konverter 361–362 hindurchgeführt.
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Systemsteuerung
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Die
Eingabe an den hybriden adaptiven Entzerrer ist das empfangene Signal
x(t) 104, das in der 1 gezeigt
ist, insbesondere eine elektrische analoge Ausgabe von dem Verstärker/Empfänger 140. Dieses
Signal wird durch den Satz von N analogen angezapften Verzögerungsleitungen 310 hindurchgeführt, wobei
jedes Verzögerungselement
eine Verzögerung
von T Sekunden bewirkt. Typischerweise wird T so gewählt, dass
es gleich der Symbolperiode des übertragenen
Bitstromes ist.
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Die
Verzögerungsleitung 310 erzeugt
N verzögerte
Darstellungen des Eingangssignals, bezeichnet mit x(t – T), x(t – 2T), ...,
x(t – NT).
Jedes verzögerte
Signal wird, zusammen mit dem ursprünglichen Signal x(t), durch
eine der N + 1 korrespondierenden analogen Multiplikationsvorrichtungen 330 hindurchgeführt, die
mit einem Gewicht w0, ..., wN skaliert
sind. Die Gewichte werden derart bestimmt, dass der MSE zwischen
dem Filterausgang y(t) 309 und dem Eins- und Null-Level
minimiert wird. Die Ausgaben 321 der N + 1 Multiplikationsvorrichtungen 320 werden
summiert 330, um eine Entzerrerausgangssignal y(t) 309 zu
erzeugen.
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Um
die Gewichte, die in der angezapften Verzögerungs leitung verwendet werden,
anzupassen, werden zwei Eigenschaften des optischen Übertragungssystems 100 in
Betracht gezogen. Zunächst variieren
die Pulse langsam über
die Zeit. Das heißt, dass
der Transmitter 110, die optische Glasfaser 120, die
Photodiode 130 und der Empfänger 140 eine zeitabhängige Impulsantwort
besitzen, wobei aber die Impulsantwort als konstant angesehen werden
kann, wenn diese mit der Symbolrate verglichen wird, siehe Agrawal, „Fiber – Optic
Communication Systems",
2. Edition, Wiley & Sons,
Inc., 1997.
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Weil
der optische Kanal langsam variiert, kann die Rate, bei welcher
die Anzapfungen aktualisiert werden müssen, auf Werte erheblich unter
der Bitrate reduziert werden, ohne signifikant die Performance zu
beeinträchtigen.
Zweitens sind die meisten optischen Systems so aufgebaut, dass sie
bei Bitfehlerraten (BER = „bit
error rates") von
weniger als 10–12 arbeiten. Deshalb
weicht das empfangene Signal nicht groß von den mittleren („mean") Eins- und Null-Leveln
ab. Deswegen kann der Entzerrer in einem Entscheidungsgestützten Modus
betrieben werden, was die Notwendigkeit einer Trainingssequenz überflüssig macht.
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In
dem Entscheidungsgestützten
Modus wird das summierte Ausgangssignal y(t) 309 periodisch durch
den Komparator 340, wo das Ausgangssignal 309 mit
einem Schwellenwert verglichen wird, gesendet, und einer der zwei
Levels erzeugt. Zum Beispiel wird ein erster (positiver) Spannungslevel
+V erzeugt, falls y(t) größer als
der Schwellenwert ist, andernfalls wird ein zweiter (negativer)
Spannungslevel –V
erzeugt.
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Eine
Ausgabe der Entscheidungsvorrichtung 340 wird von dem Ausgangssignal
y(t) 309 subtrahiert 331, um ein Fehlersignal
e 341 gemäß der Gleichung
(2), siehe oben, zu erzeugen. das Fehlersignal wird periodisch mit
einer Periode Te abgetastet, wobei Te viel größer ist
als die Symbolperiode T. Wegen dem langsam variierenden Kanal kann
die Abtastperiode größer als
das Hundertfache (zwei Größenordnungen)
der Symbolperiode sein.
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Ein
digitalisiertes abgetastetes Fehlersignal 352 bildet eine
Eingabe für
die Berechnung der neuen Anzapfungsgewichte. Die andere Eingabe 351 ist eine
digitalisierte Darstellung der verzögerten Anzapfungssignale x(t),
x(t – T),
x(t – 2T),
..., x(t – NT)
gemäß der Gleichung
(1). Diese werden gleichzeitig mit dem abgetasteten Fehlersignal 352 abgetastet.
In einem Ansatz sind die Signal quantisierte Abtastungen, dass heißt, dass
die Signale durch die A/D-Konverter 361–362 durchgeführt werden.
In einer einfacheren Lösung
wird nur das Vorzeichen (ein Bit) eines jeden Signals verwendet.
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Mit
den zwei digitalen Eingaben 351–352 kann die Gleichung
1 in der Schaltung 350 ausgewertet werden, um den Vektor
der Anzapfungsgewichte w zu bestimmen. Die Schaltung 350 kann
ein Mikrocontroller oder ASIC sein. Die neuen Gewichte werden dann
auf die Multiplikationsvorrichtungen 320 des angezapften
Verzögerungsleitungsfilters
angewendet.
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Die 4A und 4B vergleichen
ein unentzerrtes Signal mit einem Signal, dass gemäß der vorliegenden
Erfindung entzerrt ist. Die Wellenformen werden als „Augen"-Diagramme dargestellt.
Die Symbolperiode ist T = 10–10 Sekunden, was einer
Bitrate von 10 Giga bps entspricht. Die BER für das nicht entzerrte Signal
in der 4A ist 3,205e–4,
während
die BER für
die entzerrte Wellenform mit 7,2982e–10 abgeschätzt wird,
was eine Verbesserung von fünf
Größenordnungen
ist.
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Wirkung der Erfindung
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Der
hybride adaptive Entzerrer gemäß der Erfindung
reduziert ISI, das sowohl von optischen als auch von elektrischen
Komponenten verursacht wird. Der Entzerrer kann bei Datenraten größer als
10 Giga bps operieren, in dem einen analoge angezapfte Verzögerungsleitung
für die
Umsetzung des Filters und digitale Verfahren für die Anpassung der Gewichte,
die auf die analogen Anzapfungen angewendet werden, verwendet werden.
Das Verfahren kann auf jedes optische System, dass ISI unterworfen
ist, angewendet werden, wie beispielsweise Multimodefaser(MMF)-Systemen
und Singlemodefaser(SMF)-Systeme.
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Obwohl
die Erfindung im Wege von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben
wurde, versteht es sich, dass verschiedene anderer Adaptionen und
Modifikationen innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind.
Deswegen ist es das Ziel der beigefügten Ansprüche, all solche Variationen
und Modifikationen, die in den Bereich der Erfindung fallen, abzudecken.