DE60319675T2

DE60319675T2 - Kabelfernsehrückverbindungssystem mit seitenbandkommunikationskanälen hoher datenrate

Info

Publication number: DE60319675T2
Application number: DE60319675T
Authority: DE
Inventors: Frank H. Palo Alto LEVINSON; Gerald F. Chico SAGE; Arthur Michael Morgan Hill LAWSON; Willem A. Issaquah MOSTERT
Original assignee: Finisar Corp
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 2002-01-14
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: EP1983752A1; DE60319675D1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Upstream-Datenübertragungen über Netze, die vorzugsweise für die Downstream-Übertragung von Fernseh- und Datensignalen ausgelegt sind, und insbesondere ein System und ein Verfahren, um ein oder mehrere analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln, sie über optische Medien zu übertragen und dann das eine oder die mehreren analogen Signale genau zu regenerieren. Die vorliegende Erfindung betrifft auch das Erzeugen von digitalen Wartungs- und Kommunikationssignalen (z. B. Ethernet-Signalen), die mit den digital umgewandelten analogen Signalen kombiniert werden, bevor sie übertragen werden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Grundlegende CATV-Systemarchitektur. Kabelfernsehsysteme (CATV) wurden zunächst so entwickelt, dass es abgelegen liegenden Gemeinschaften ermöglicht wurde, einen Empfänger auf eine Bergspitze zu setzen und dann ein Koaxialkabel sowie Verstärker zu verwenden, um die empfangenen Signale in die Stadt hinein zu verteilen, die sonst einen schlechten Signalempfang aufwies. Diese frühen Systeme haben das Signal von den Antennen herab zu einer "Kopfstation" gebracht und die Signale dann von diesem Punkt aus verteilt. Da es beabsichtigt war, Fernsehkanäle über eine Gemeinschaft hinweg zu verteilen, waren die Systeme als Einweg-Systeme ausgelegt und verfügten nicht über die Fähigkeit, Informationen von den Teilnehmern zur Kopfstation zurückzuführen.
Mit der Zeit wurde erkannt, dass sich die grundlegende System-Infrastruktur so einrichten ließ, dass sie unter Hinzufügung einiger neuer Komponenten auf zwei Wegen arbei ten konnte. Das Zweiwege-CATV ist seit vielen Jahren verwendet worden, um einige lokal erzeugte Videoprogramme an die Kopfstation zurück zu übertragen, wo sie auf eine mit den normalen Fernsehkanälen kompatible Trägerfrequenz herauf umgewandelt werden konnten.
In den Definitionen zu den heutigen CATV-Systemen wird die normale Senderichtung von der Kopfstation zu den Teilnehmern hin als "Vorwärtsweg" und die Richtung von den Teilnehmern zurück zur Kopfstation als "Rückweg" bezeichnet. Ein guter Überblick über viele Aussagen zur heute existierenden Rückweg-Technologie ist in dem Buch von Donald Raskin und Dean Stoneback mit dem Titel Return Systems for Hybrid Fiber Coax Cable TV Networks enthalten, das hier durch Bezugnahme als Hintergrundinformation einbezogen ist.
Eine zusätzliche Innovation hat sich im Verlaufe der letzten 10 Jahre überall in der CATV-Industrie durchgesetzt. Das ist die Einführung von analogen optischen Faser-Sendern und -Empfängern, die mit einer Einmoden-Lichtleitfaser arbeiten. Diese optischen Verbindungen sind verwendet worden, um die ursprüngliche Baum-Zweig-Architektur der meisten CATV-Systeme aufzulösen und sie durch eine Architektur zu ersetzen, die als Hybrid-Faser/Coax (HFC) bezeichnet wird. In diesem Ansatz verbinden Lichtleitfasern die Kopfstation des Systems mit Nachbarknoten, und das Koaxialkabel wird dann verwendet, die Signale von den Nachbarknoten auf die Wohnungen, Firmen und dergleichen in einem kleinen geografischen Bereich zu verteilen. Die Rückweg-Lichtleitfasern sind gewöhnlich in demselben Kabel wie die Vorwärtsweg-Lichtleitfasern angeordnet, so dass die Rücksignale die gleichen Vorteile aufweisen können wie der Vorwärtsweg.
HFC stellt verschiedene Vorteile bereit. Die Verwendung einer Faser für zumindest einen Teil des Signalübertragungsweges macht das sich ergebende System zuverlässiger und verbessert die Signalqualität. Ausfälle in Hybridsystemen sind oft weniger katastrophal als in den herkömmlichen Baum-Zweig-Koaxialsystemen, da die meisten Ausfälle nur einen einzelnen Unterbaum oder die Nachbarschaft beeinflussen.
CATV-Rückwege haben im Verlauf der letzten wenigen Jahre eine immer größere Bedeutung erlangt wegen ihrer Fähigkeit, Datensignale von Wohnungen, Firmen und anderen Teilnehmerorten zurück zur Kopfstation zu übertragen, und es dadurch zu ermöglichen, dass ein Internet-Verkehr in die und aus der Wohnung mit Datenraten fließt, die weit höher sind, als es mit normalen Telefonmodems möglich ist. Die Geschwindigkeiten für diese sogenannten Kabelmodembasis-Systeme sind üblicherweise ungefähr 1 Mb/s oder weit größer als die Raten von 28,8 kb/s bis 56 kb/s, die zur Datenübertragung auf Telefonbasis gehören. Der Internetzugang auf der Basis des CATV wird üblicherweise pro Monat ohne zeitbezogene Benutzungsgebühren verkauft, so dass die Personen 24 Stunden pro Tag und 7 Tage pro Woche mit dem Internet verbunden sein können.
Mit dem Aufkommen dieser erweiterten Dienstleistungen haben sich auch viele Probleme beim Einsatz einer physischen CATV-Anlage ergeben, die für die Übertragung von Videosignalen von Stadtratsitzungen (unter Verwendung des Vorwärtsweges) ausgelegt war, um eine schnelle Internetverbindung für hunderte, wenn nicht tausende von Teilnehmern gleichzeitig (unter Verwendung sowohl des Vorwärts- als auch des Rückweges) bereitzustellen. Diese Probleme, die nachstehenden ausführlich beschrieben werden, betreffen im Allgemeinen die Rückwegverbindung.
Das Ansammlungsproblem. In wirtschaftlicher Hinsicht ist das Hauptproblem, das für die CATV-Rückwegtechnologie existiert, dass die Rückwegsignale zusammengefasst werden müssen, was bedeutet, dass die Signale von vielen Teilnehmern in einem kombinierten Signal aufzusummieren sind. Das kombinierte Signal wird dann durch die Einrichtungen in der Kopfstation verarbeitet. Rücksignale werden aufsummiert, weil die Verarbeitung der Rückwegsignale aus ihrem Mehrfrequenz-Hochfrequenz(HF)-Format zu digitalen internetfähigen Paketen den Einsatz einer kostspieligen Vorrichtung erfordert, die als ein CMTS (Cable Modem Termination System) bezeichnet wird. Diese Einrichtung ist so kostspielig, dass ihre Kosten heute nicht auf Basis der Verarbeitung nur eines Rücksignals oder selbst einiger Rücksignale gerechtfertigt werden können. Durch Ansammeln der Rücksignale von vielen Teilnehmern werden die hohen Kosten der CMTS auf genug Teilnehmer aufgeteilt, um ihren Einsatz ökonomisch vertretbar zu machen.
Das Ansammeln ist auch wichtig, weil es den effizienten Einsatz der Lichtleitfasern erlaubt. Die meisten HFC-Systeme verfügen nur über eine kleine Anzahl von Lichtleitfasern für jede Nachbarschaft, und so weisen diese Systeme nicht genug Lichtleitfasern auf, um für jedes Rücksignal eine eigene Lichtleitfaser bereitzustellen. Das Ansammeln erlaubt es, dass zahlreiche Rücksignale in eine einzige Lichtleitfaser eingespeist und durch sie übertragen werden, wodurch von der vorhandenen Faseranlage effizient Gebrauch gemacht wird.
Das Ansammeln führt zu einer Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SRV) für das System, wenn es einfach durch Kombinieren der verschiedenen HF-Pegelsignale aus den Rücksignalen der einzelnen Teilnehmer ausgeführt wird. Das SRV muss über einem bestimmten Stand gehalten werden, um die an der Kopfstation empfangenen HF-Signale zuverlässig zu Digitaldaten zu verarbeiten, welche fehlerfrei sind.
Das Ingress-Problem. Ein Problem, das als "Ingress" bekannt ist, wird durch das Ansammeln von vielen HF-Signalen bedeu tend verschärft. Der Begriff "Ingress" bezieht sich auf das Eindringen von Rauschen in die Rückwegsignale. Die Rauschsignale, die typischerweise in die Rückwege von CATV-Systemen eingekoppelt werden, sind von einer nicht vorhersagbaren Frequenz und Stärke. Im Vorwärtsweg stammen alle Signale von der Kopfstation, und diese einzige Stelle wird kontrolliert und kann deshalb gut geführt werden, um so das Einkoppeln von Rauschen zu minimieren. Demgegenüber weist der Rückweg viele Zugangspunkte auf (üblicherweise einen oder mehrere pro Wohnung oder Firma), und der Rückweg funktioniert durch Aufsammeln aller Eingaben von einem geografischen Bereich in ein einziges Koaxialkabel. Es soll zum Beispiel ein System betrachtet werden, in dem es hundert Teilnehmer gibt, die an ein einziges Koaxialkabel angeschlossen sind. Neunundneunzig Teilnehmer können über ihre Kabelmodems Internetverkehr (d. h. Rückwegsignale) mit einem niedrigen Pegel des zugehörigen Rauschens einbringen, wohingegen ein Teilnehmer eine fehlerbehaftete Leitungsführung haben kann, die ein Einkoppeln des Rauschens, das mit einem Amateurfunksender oder Fernsehen oder Personal-Computer verbunden ist, in den Rückweg verursacht. Das ist ein Ingress, und er kann einen Datenverlust für die anderen neunundneunzig gut arbeitenden Teilnehmer zur Folge haben!
Der Summations- oder Ansammlungsprozess betrifft ebenso den Ingress. So ist es nicht nötig, dass irgendein einzelner Eindringpunkt derjenige ist, der einen Systemausfall verursacht, sondern es ist eher möglich, dass mehrere verschiedene Teilnehmer die Quellen eines gewissen Anteils am Rauschen sein können, welches das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) des Systems herabsetzt.
Das Verbindungsbeeinträchtigungsproblem. Analoge Lichtleitfaser-Rückwegverbindungen kranken an einem weiteren Problem. Die Verbindungen werden durch Wegstrecken- und Anschlussprobleme beeinträchtigt. Dies ist eine Folge der Reflexionen an Fehlstellen am Anschluss und an Spleiß- Grenzflächen sowie der Rückstreuung in der Lichtleitfaser über die Wegstrecke hinweg. Anschluss- und Spleißprobleme können eine Verschlechterung im relativen Laser-Intensitätsrauschen (RIN-relative intensity noise) verursachen, und alle diese Erscheinungen, einschließlich der Rückstreuung, haben zur Folge, dass das am Empfänger ankommende Licht unterschiedliche Wegstrecken entlang der Faser zu laufen hat und dass folglich ein Anteil des ankommenden Lichts mit dem übertragenen HF-Signal außer Phase sein kann. In allen Fällen wird das SRV mit der Wegstrecke beeinträchtigt, wie in Return Systems for Hybrid Fiber Coax Cable TV Networks erwähnt ist. Die Verbindungsbeeinträchtigung kann auch herrühren aus den beträchtlichen Temperaturschwankungen, die mit der Freiraumumgebung verbunden sind, durch welche die Rückwegverbindungen führen, wie auch aus einer groben Handhabung der Rückwegverbindungsanlagen durch die Installateure, zum Beispiel während des Installierens der Anlagen an der Spitze von Masten.
1 ist ein Blockdiagramm eines Kabelfernsehsystems 100 vom Stand der Technik, das herkömmliche analoge Rückweg-Lichtleitfaserverbindungen verwendet. Das System in 1 entspricht im Allgemeinen den 1999-iger Industriestandards und ist empfindlich gegenüber den oben beschriebenen Ingress- und Verbindungsbeeinträchtigungsproblemen. Jeder Unterbaum 102 des Systems besteht aus einem Koaxialkabel 106, das mit den Kabelmodems 108 verbunden ist, welche durch die Teilnehmer am Internetzugang verwendet werden. Das Koaxialkabel 106 ist auch an Set-Top-Boxen und andere Einrichtungen angeschlossen, welche für die Darlegungen an dieser Stelle nicht wesentlich sind. Das Koaxialkabel 106 eines jeden Unterbaums 102 ist an mindestens eine Vorwärtsweg-Lichtleitfaser 110 und an mindestens eine Rückweg-Lichtleitfaser 112 angeschlossen. Für die Vorwärtsweg-Übertragung von Fernsehprogrammen können (nicht dargestellte) zusätzliche Lichtleitfasern verwendet werden. Ein optoelektrischer Sende-Empfänger 114 stellt die Datenwegverbindung des Koaxialkabels 106 an die Lichtleitfasern 110, 112 bereit.
Ein HF-Eingangssignal, das einen zugehörigen Signalpegel aufweist, wird einem Sendeteil des optoelektronischen Sende-Empfängers 114 übermittelt, welcher seinerseits den Signalpegel in Abhängigkeit von seiner Einstellung verstärkt oder abschwächt. Dann wird das Eingangssignal amplitudenmoduliert und durch eine Laserdiode 122 in ein amplitudenmoduliertes optisches Signal umgewandelt. Für diese Anwendung können sowohl Fabry-Perrot(FP)- als auch Distributed-Feedback(DFB)-Laser verwendet werden. DFB-Laser werden zusammen mit einem optischen Isolator verwendet und weisen ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis gegenüber FP-Lasern auf, wobei aber mit beträchtlichen Kosten zu rechnen ist. DFB-Laser werden bevorzugt, da das verbesserte SRV eine bessere Systemleistung ermöglicht, wenn mehrere Rückführungen angesammelt werden.
Das Laserausgangslicht aus der Laserdiode 122 wird in eine Einmoden-Lichtleitfaser (d. h. die Rückweg-Lichtleitfaser 112) eingekoppelt, welche das Signal an einen optischen Empfänger 130 überträgt, der üblicherweise am Kopfstationssystem 132 angeordnet ist. Der optische Empfänger 130 wandelt das amplitudenmodulierte Lichtsignal zurück in ein HF-Signal. Manchmal ist ein manueller Ausgangsamplituden-Anpassungsmechanismus vorgesehen, um den Signalpegel der durch den optischen Empfänger erzeugten Ausgabe anzupassen. Ein Kabelmodem-Terminationssystem (CMTS – Cable Modem Termination System) 134 an der Kopfstation 132 empfängt und demoduliert die rückgewonnenen HF-Signale, um so die von den Teilnehmern gesendeten Rückweg-Datensignale rückzugewinnen.
2 und 3 stellen den Sender 150 und den Empfänger 170 einer Rückwegverbindung vom Stand der Technik dar. Der Sender 150 digitalisiert das vom Koaxialkabel 106 empfan gene HF-Signal unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (ADC – analog to digital converter) 152. Der ADC 152 erzeugt einen Zehn-Bit-Abtastwert für jeden Zyklus des Empfänger-Abtasttakts 153, der durch einen lokalen rauscharmen Takterzeuger 156 erzeugt wird. Die Ausgabe aus dem ADC 152 wird durch einen Serialisierer 154 in einen seriellen Datenstrom umgewandelt. Der Serialisierer 154 codiert die Daten unter Verwendung einer standardmäßigen 8B/10B-Abbildung (d. h. einer Bitwert-Ausgleichsabbildung), welche die zu übertragende Datenmenge um fünfundzwanzig Prozent erhöht. Dieses Codieren ist nicht an die 10-Bit-Grenzen der Abtastwerte gebunden, sondern es ist eher an die Grenze eines jeden Satzes von acht Abtastungen (80 Bit) gebunden, die unter Verwendung von 100 Bits codiert werden.
Wenn der Abtasttakt bei einer Frequenz von 100 MHz arbeitet, dann wird der Ausgangsteil des Serialisierers 154 durch einen 125-MHZ-Symboltakt angetrieben und gibt die Datenbits an einen faseroptischen Sender 158, 159 mit einer Rate von 1,25 Gb/s aus. Der faseroptische Sender 158, 159 wandelt die elektrischen Bits 1 und 0 in optische Bits 1 und 0 um, die dann über eine Lichtleitfaser 160 übertragen werden. Der faseroptische Sender enthält einen Laserdiodentreiber 158 und eine Laserdiode 159.
Der Empfänger 170 am Empfangsende der Lichtleitfaser 160 enthält einen Faserempfänger 172, 174, der die optischen Bits 1 und 0, die über die Lichtleitfaser 160 übertragen werden, empfängt und sie in die entsprechenden elektrischen Bits 1 und 0 rückwandelt. Dieser serielle Bitstrom wird einem Entserialisierer-Schaltkreis 178 zugeführt. Ein Taktrückgewinnungsschaltkreis 176 stellt aus den ankommenden Daten einen Bit-Takt von 1,25 GHz wieder her und erzeugt auch einen 100-MHz-Takt, der mit dem wiederhergestellten Bit-Takt von 1,25 GHz synchronisiert ist.
Der rückgewonnene Bit-Takt von 1,25 GHz wird durch den Entserialisierer 178 verwendet, um in den empfangenen Daten zu takten, und der 100-MHz-Takt wird verwendet, um einen Digital-Analog-Wandler 180 zu treiben, der die Zehn-Bit-Datenwerte in analoge Spannungssignale am Knoten 182 des Kopfstationssystems umwandelt. Auf diese Weise wird das HF-Signal aus dem Koaxialkabel 106 am Knoten 182 des Kopfstationssystems wieder hergestellt.
In der Internationalen Patentschrift Nr. WO 01/43441 wird ein optisches Signalrückwegsystem zur Übermittlung eines Kabelfernsehsystems mit Zusatzkanalschaltungen zur Bereitstellung eines zweiten Datenstroms offenbart.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung verschafft einen Rückweg-Sender nach Anspruch 1.
Der Sender kann die Merkmale nach einem oder mehreren der abhängigen Ansprüche 2 bis 10 einbeziehen.
Die vorliegende Erfindung verschafft auch eine Sende-Empfänger-Karte nach Anspruch 11.
Die vorliegende Erfindung verschafft auch eine Kopfstations-Zentralstelle, die eine Sende-Empfänger-Karte der vorliegenden Erfindung enthält, und wobei die Kopfstations-Zentralstelle ferner einen optischen Kopfstations-Mux/Demux umfasst, der an den optischen Empfänger und den Rückweg-Sender gekoppelt ist.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein digitales Kabelfernseh(CATV)-Rückverbindungssystem, das zugeordnete Hochgeschwindigkeits-, Vollduplex- und Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Teilnehmern und dem Kopfstationssystem bereitstellt. In einer speziellen Ausführungs form umfasst das digitale CATV-Rückverbindungssystem Rückweg-Sender, Zwischen-Zentralstellen und eine Kopfstations-Zentralstelle, die miteinander über ein Netz von Lichtleitfaserkabeln verbunden sind. Die Rückweg-Sender sind alle über einen lokalen CATV-Unterbaum mit einer verhältnismäßig großen Zahl von Teilnehmern verbunden. Signale von den Kabelmodems werden den Rückweg-Sendern über den lokalen CATV-Unterbaum zur Übertragung an die Kopfstation übermittelt. Darüber hinaus ist eine verhältnismäßig kleine Zahl von Teilnehmern individuell und direkt über Lichtleitfaserkabel, CAT-5-Kabel oder drahtlose Kommunikationskanäle mit den Rückweg-Sendern verbunden. Daten von diesen direkt angeschlossenen Teilnehmern werden der Kopfstation über das Netz von Lichtleitfaserkabeln gemeinsam mit den HF-Daten aus dem Unterbaum übermittelt. Ebenso werden Daten für diese direkt angeschlossenen Teilnehmer in der Vorwärtswegrichtung unter Verwendung des digitalen Rückverbindungssystems übermittelt.
In einer speziellen Ausführungsform sind die zugeordneten Hochgeschwindigkeits-, Vollduplex- und Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen den Teilnehmern und dem Rückweg-Sender des Kopfstationssystems als Punkt-zu-Punkt-Ethernetverbindungen ausgeführt. In dieser Ausführungsform umfasst der Rückweg-Sender einen HF-Signalempfänger und einen Ethernet-Datenempfänger, die konfiguriert sind, Signale und Daten von den Teilnehmern zu empfangen. Insbesondere nimmt der HF-Signalempfänger ein analoges HF-Datensignal von dem lokalen Unterbaum in einen Strom digitaler HF-Datenabtastungen auf, und der Ethernet-Datenempfänger empfängt über die Direktverbindungen Ethernet-Daten von den Teilnehmern. Die digitalen HF-Datenabtastungen und die Ethernet-Daten werden dann zusammengefasst, um einen Strom von Datenrahmen zu bilden, der ein vorgegebenes Format für das Speichern der HF-Daten und Ethernet-Daten aufweist. Der Rückweg-Sender umfasst ferner Schaltungen und optoelektronische Sender, welche die Datenrahmen serialisieren und daraus ein optisches Signal zur Übertragung über das Lichtleitfasernetz an die Kopfstation erzeugen. Der Rückweg-Sender umfasst ferner einen optoelektronischen Empfänger, der konfiguriert ist, ein weiteres optisches Signal von dem Lichtleitfasernetz zu empfangen, und Schaltungen, die konfiguriert sind, "Downstream"- oder "Vorwärtsweg"-Ethernet-Daten aus dem optischen Signal rückzugewinnen. Die rückgewonnenen Ethernet-Daten werden den direkt angeschlossenen Teilnehmern übermittelt.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Rückweg-Sender konfiguriert, die HF-Signale von mehreren Unterbäumen zu empfangen und mehreren Teilnehmern mehrere Direktverbindungen bereitzustellen. In dieser Ausführungsform fassen die Rückweg-Sender die HF-Daten zusammen (über ein Summieren oder auf eine andere Weise) und erzeugen Datenrahmen fester Länge zum Transportieren der HF-Daten. Die Ethernet-Daten werden in vorgegebene Plätze eines jeden Datenrahmens eingesetzt. In manchen Ausführungsformen werden die Datenrahmen, die Ethernet-Daten enthalten, mit Datenrahmen verschachtelt, die HF-Daten enthalten, und die entstehenden Datenrahmen werden serialisiert und in optische Signale umgewandelt, um der Kopfstation übermittelt zu werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden der Datenstrom, der die HF-Daten enthält, und der Datenstrom, der die Ethernet-Daten enthält, nicht zusammengefasst oder verschachtelt, bevor sie in optische Signale umgewandelt werden. Stattdessen werden der Datenstrom, der die HF-Daten enthält, und der Datenstrom, der die Ethernet-Daten enthält, zur Übertragung an die Kopfstation in optische Signale bei unterschiedlichen Wellenlängen umgewandelt.
Gemäß vorliegender Erfindung umfasst die Kopfstation des CATV-Rückverbindungssystems mehrere Sende-Empfänger-Karten, von denen jede für einen Rückweg-Sender des CATV-Rückverbindungssystems konfiguriert ist. Die optischen Signale, welche die HF-Daten und die Ethernet-Daten transportieren, werden den Sende-Empfänger-Karten bereitgestellt, welche daraus die HF-Daten und die Ethernet-Daten rückgewinnen. Die Sende-Empfänger-Karten empfangen auch Ethernet-Daten von einer externen Quelle (z. B. einem Router, Schalter oder Rechnersystem) und wandeln die Daten in optische Signale zur Übertragung an den Rückweg-Sender um.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Teilnehmer, die eine Hochgeschwindigkeits-Datenverbindung in eine spezielle Nachbarschaft verlangen, mit individuellen Hochgeschwindigkeitsverbindungen ausgerüstet werden können, während der Rest der Teilnehmer in der Nachbarschaft durch den HF-Rückweg bedient wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in den geringen Bereitstellungskosten. In den meisten Gebieten der Vereinigten Staaten ist die Entfernung zwischen einem Knoten, an dem der Rückweg-Sender installiert werden kann, und einem Teilnehmer kleiner als 200 m. Somit müssen in den meisten Fällen maximal 200 m Lichtleitfaser/CAT-5-Kabel zwischen einem Teilnehmer und dem Rückweg-Sender verlegt werden.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Ethernet-Daten in den Rückweg-Sendern fehlerfrei zur Kopfstation zurücktransportiert werden. Als solches hat das Rückverbindungssystem kein Konkurrenz- oder irgendein anderes Protokollproblem zu bearbeiten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leichter aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen ersichtlich, wenn sie Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erfasst werden, in denen
1 ein Blockdiagramm eines analogen Rückwegverbindungssystems vom Stand der Technik ist;
2 und 3 Blockdiagramme des Senders bzw. Empfängers eines digitalen Rückwegverbindungssystems vom Stand der Technik sind;
4A ein Blockdiagramm eines HF-Dualkanalsenders eines digitalen Rückwegverbindungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4B einen Abschnitt des HF-Dualkanalsenders zeigt, in das Dither-Rauschen einbezogen wird, um Störharmonische im übermittelten Signal abzuschwächen;
5 ein Blockdiagramm der Sender-Signalverarbeitungslogik in dem HF-Dualkanalsender eines digitalen Rückwegverbindungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6A, 6B und 6C Darstellungen sind, welche die drei Verfahren zum Einfügen von Ergänzungsdaten zwischen den Datenrahmen zeigen;
7 ein Blockdiagramm eines HF-Einkanalsenders eines digitalen Rückwegverbindungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8 ein Blockdiagramm der Sender-Signalverarbeitungslogik in dem HF-Einkanalsender eines digitalen Rückwegverbindungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9A ein Blockdiagramm eines Empfängers eines digitalen Rückwegverbindungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9B ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Abschnitts des in 9A dargestellten Empfängers ist;
10 ein Blockdiagramm der Empfänger-Signalverarbeitungslogik in dem Empfänger eines digitalen Rückwegverbindungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
11 ein Zustandsdiagramm eines Demultiplexers in dem Empfänger der 9 und 10 ist;
12 ein Blockdiagramm eines Systems zum Synchronisieren der Abtasttakte der Rückweg-Sender vom mehreren Unterbäumen eines Kabelfernsehnetzes ist;
13 ein Blockdiagramm einer Rückweg-Zentralstelle ist;
14 ein Blockdiagramm des digitalen CATV-Rückwegverbindungssystems ist, in dem mehrere Unterbaum-Rückverbindungssender in einer Verkettung verbunden sind;
15 ein Beispiel für die Datenstruktur der Daten zeigt, die durch jeden Unterbaum-Rückverbindungssender über die Rückverbindungs-Lichtleitfaser übertragen werden;
16 ein Blockdiagramm eines der Unterbaum-Rückverbindungssender des in 14 dargestellten Systems ist;
17 ein Blockdiagramm des Empfängers und Demultiplexers des Unterbaum-Rückverbindungssenders von 16 ist;
18 ein Blockdiagramm eines Abschnitts einer Ausführungsform eines Verkettungsempfänger-Demultiplexers ist, der in dem Demultiplexer von 17 verwendet wird;
19 ein Zustandsdiagramm für eine Digitalda ten(Ethernet)-ID-Zustandsmaschine im Demultiplexer von 18 ist;
20 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Drop/Add-Schaltkreises, Multiplexers und Senders des in 16 dargestellten Unterbaum-Rückverbindungssenders ist;
21 ein Blockdiagramm einer Zentralstelle für das Abtrennen eines HF-Datenstroms aus einer Menge von Nicht-HF-Datenströmen in einem CATV-Kopfstationssystem ist;
22 ein Blockdiagramm eines Systems zum Senden von Anweisungen für die Rückweg-Sender von mehreren Unterbäumen eines Kabelfernsehnetzes ist; und
23 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform des Demultiplexers von 17 ist, der zusätzliche Schaltungen für den Empfang von Anweisungen aufweist, wie z. B. Anweisungen, die durch einen Kopfstationsprozessor gesendet werden, welche in einen Datenstrom eingebettet sind, der von der Kopfstation eines CATV-Systems empfangen wird;
24 ein Blockdiagramm ist, das ein digitales CATV-Rückwegverbindungssystem nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
25A ein Blockdiagramm ist, das eine Implementierung eines Rückweg-Senders von 24 darstellt;
25B ein Blockdiagramm ist, das eine Implementierung der Signalverarbeitungslogik des Rückweg-Senders von 25A darstellt;
26 ein Blockdiagramm ist, das die Komponenten einer Zentralstelle des digitalen CATV-Rückverbindungssystems von 24 darstellt;
27A ein Blockdiagramm ist, das die Komponenten einer Kopfstations-Zentralstelle des digitalen CATV-Rückverbindungssystems von 24 darstellt;
27B ein weiteres Detail zu einer Ausführungsform einer Sende-Empfänger-Karte in der Kopfstations-Zentralstelle von 27A liefert;
28 ein Blockdiagramm ist, das ein digitales CATV-Rückwegverbindungssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
29A ein Blockdiagramm ist, das eine Implementierung eines Rückweg-Senders von 28 darstellt;
29B ein Blockdiagramm ist, das eine Implementierung der Signalverarbeitungslogik des Rückweg-Senders von 29A darstellt;
30A ein Blockdiagramm ist, das die Komponenten einer Kopfstations-Zentralstelle des digitalen CATV-Rückverbindungssystems von 27 darstellt;
30B ein Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform des in 30A dargestellten Rückweg-Empfänger-Demultiplexers darstellt;
31 ein Blockdiagramm ist, das ein digitales CATV-Rückwegverbindungssystem gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
32 ein Blockdiagramm ist, das eine Implementierung des Ethernet-Daten-Sende-Empfängers von 31 darstellt;
33 ein Blockdiagramm ist, das eine Implementierung der Signalverarbeitungslogik des Ethernet-Daten-Sende-Empfängers von 32 darstellt;
34A ein Blockdiagramm ist, das die Komponenten einer Kopfstations-Zentralstelle des digitalen CATV-Rückverbindungssystems von 31 darstellt;
34B ein Blockdiagramm ist, das getrennte HF- und Ethernet-Karten in der Kopfstation des digitalen CATV-Rückverbindungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
34C eine weitere Ausführungsform des in 34B gezeigten Systems ist, in der die HF- und Ethernet-Daten auf getrennten Wellenlängen übermittelt werden;
35 ein Blockdiagramm ist, das ein digitales CATV-Rückwegverbindungssystem gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
36 ein Blockdiagramm ist, das die Komponenten einer Kopfstations-Zentralstelle des digitalen CATV-Rückverbindungssystems von 35 darstellt;
37 einen Empfänger zeigt, der einen Resampler verwendet, um ein HF-Signal zu regenerieren.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Rückweg-HF-Dualsignalsender
Mit Bezugnahme auf 4A wird ein HF-Dualkanalsender 200 einer digitalen Rückwegverbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere ist der Sender 200 vorzugsweise konfiguriert, zwei Hochfrequenz(HF)-Signale von zwei getrennten Koaxialkabeln 106-1, 106-2 zu empfangen. Jedes HF-Signal wird durch einen Verstärker mit variabler Verstärkung 203-1 und 203-2 verarbeitet und durch ein Paar Analog-Digital-Wandler (ADC) 202-1, 202-2 digitalisiert. Wie nachfolgend ausführlicher erläu tert wird, wird in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Verstärkung eines jeden Verstärkers mit variabler Verstärkung 203 über Anweisungen gesteuert, die von der Kopfstation des Systems empfangen werden. Diese Anweisungen werden von einem (in 5 dargestellten) Steuerlogik-Schaltkreis 227 empfangen, der die Anweisungen verwendet, um die Verstärkung der Verstärker 203 einzustellen sowie die Betriebsart der anderen Komponenten des Senders 200 festzulegen.
Der Leser sollte verstehen, dass alle Taktraten, Datenstrukturen und dergleichen, die in dieser Beschreibung vorgestellt werden, die Werte sind, die in bestimmten spezifischen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden. Taktraten, Datenstrukturen und dergleichen können von der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur anderen abhängig von den Leistungsanforderungen an die Ausführungsform als auch anderen Faktoren in einem weiten Bereich veränderlich sein.
Darüber hinaus können die hier offenbarten Ausführungsformen, die optoelektronische Sender, aber keine Empfänger aufweisen, unter Verwendung eines Sende-Empfängers, wie z. B. GBIC, SFF, DWDM, SFP oder eines anderen geeigneten optoelektronischen Sende-Empfängers, implementiert werden, wobei nur der Sendeteil des Sende-Empfängers verwendet wird. Ebenso können die Ausführungsformen, die optoelektronische Empfänger, aber keine Sender aufweisen, unter Verwendung des Empfangsteils eines GBIC, SFF, DWDM, SFP oder eines anderen geeigneten optoelektronischen Sende-Empfängers implementiert werden.
Mit erneuter Bezugnahme auf 4A umfasst der Rückweg-Sender 200 ferner einen Abtasttaktoszillator 212, der ein Abtasttaktsignal 213 von 100 MHz erzeugt. Der Oszillator 212 ist vorzugsweise unmittelbar neben einem oder beiden ADCs 202-1, 202-2 angeordnet. Der Abtasttaktoszillator 212 wird verwendet, um die einlaufenden HF-Signale mit einem sehr geringen Jitter zu digitalisieren. Es wird darauf geachtet, dass gewährleistet ist, dass das Abtasttaktsignal nicht durch irgendeine zusätzliche Logik beeinflusst wird, da eine beliebige derartige Logik den Jitter im Abtasttaktsignal 213 vergrößern kann.
In der in 4A dargestellten Ausführungsform ist jeder ADC 202-1, 202-2 ein Zwölf-Bit-AD-Wandler von Analog Devices mit einem Differenzeingangsbereich von einem Volt, der durch den 100-MHz-Abtasttakt getaktet wird. Vorzugsweise werden nur zehn Bits der Zwölf-Bit-Ausgabe aus den ADCs 202-1 und 202-2 verwendet. Natürlich kann der jeweils verwendete ADC und die Anzahl der verwendeten Datenbits von der einen Implementierung der Erfindung zur nächsten differieren.
Mit weiterer Bezugnahme auf 4A werden die Ausgaben aus den ADCs 202-1, 202-2 dann einem Signalverarbeitungs-Logikschaltkreis 204 übergeben, der die empfangenen HF-Signale verarbeitet und eine Folge von Datenrahmen ausgibt. In einer Ausführungsform enthält jeder Datenrahmen 80 Bit HF-Daten. Die Anzahl der Datenbits pro Rahmen ist Gegenstand der Entwurfswahl und kann somit in anderen Ausführungsformen unterschiedlich sein. Der Signalverarbeitungs-Logikschaltkreis 204 erzeugt auch Ergänzungsdatenwörter, die zwischen die Datenrahmen einzusetzen sind, und er erzeugt ein Rahmensteuersignal, um anzuzeigen, ob die Ausgabe, die er gerade erzeugt, Teil eines Datenrahmens oder Teil des Ergänzungsdatenstroms ist. Die Ausgabe des Signalverarbeitungs-Logikschaltkreises 204 wird durch einen Serialisierer-Entserialisierer (SERDES) 206 (z. B. TLK-2500 oder TLK-2501 von Texas Instruments) serialisiert, der auch eine 8b/10b-Datenumwandlung ausführt, um so einen bitausgeglichenen Datenstrom zu erzeugen. Die Ausgabe des SERDES 206 wird dann als ein digital moduliertes optisches Signal durch einen Digitalsender 208, 209 abwärts einer Lichtleitfaser 210 übermittelt.
Es wird angemerkt, dass in der in 4A dargestellten Ausführungsform ein Symbol-Taktsignal von 128 MHz, das durch einen Symboltakt 214 erzeugt wird, durch den SERDES-Schaltkreis 206 multipliziert wird, um ein Taktsignal von 2,56 Gb/s zu erzeugen, das verwendet wird, um die Bits aus dem SERDES-Schaltkreis 206 auf einen Laserdiodentreiber 208 seriell zu takten.
4B zeigt ein Blockdiagramm einer Pseudozufallsrauschen-Ditherlogik 980 für die Verwendung mit z. B. dem 2×-Sender für die Rückverbindung 200, die in 4A dargestellt ist. Die Aufgabe der Ditherrauschen-Logik ist es, die Störharmonischen (d. h. störende Signale) abzuschwächen, die wegen der verrauschten Signalübergänge Begleiterscheinungen der Analog-Digital-Wandlung sind. In dieser Ausführungsform werden als ein Teil der Signalverarbeitung der HF-Signale durch den PRN-Folge#1-Generator 984-1 und den PRN-Folge#2-Generator 984-2 zwei Pseudozufallszahlen("PRN" – pseudorandom number)-Folgen erzeugt. In einer Ausführungsform sind die PRN-Folge-Generatoren Teil desselben FPGA wie die Signalverarbeitungslogik 204 (wie z. B. ein geeignetes FPGA von Altera), wohingegen sie in anderen Ausführungsformen in einem separaten FPGA oder in zwei dafür vorgesehenen integrierten Schaltkreisen enthalten sein können. Ferner sind in dem dargestellten Beispiel die PRN-Folge-Generatoren als digitale PRN-Folge-Generatoren implementiert. Jede digital erzeugte PRN-Folge 988-1 und 988-2 wird durch das analoge Tiefpassfilter 986 (in 4B als Teil desselben FPGA dargestellt) effektiv in analoges "Rauschen" umgewandelt. In anderen Ausführungsformen können die PRN-Folge-Generatoren direkt analoge PRN-Folgen erzeugen, welche dann tiefpassgefiltert werden. Das Tiefpassfilter 986 schneidet zum Beispiel alle Frequenzen ab, die höher als ungefähr 1/10 der niedrigsten interessierenden Frequenz sind.
Jede erzeugte PRN-Folge 988-1, 988-2 wird durch einen Summierer 982-1, 982-2 zu einem entsprechenden HF-Signal addiert, nachdem das Signal durch ein Verstärker mit variabler Verstärkung verstärkt wurde. Dann wird jedes kombinierte analoge HF- und PRN-Rausch-Signal durch einen A/D-Wandler 202-1, 202-2 digital abgetastet. Durch Hinzufügen der analogen PRN-Folgen zum HF-Signal wird der Dynamikbereich des HF-Signals vergrößert. Durch Vergrößern des Dynamikbereiches des HF-Signals kann die Anzahl der unerwünschten Signalübergänge an dem oder in Nähe des Grenzwertes herabgesetzt werden, wodurch die Amplitude der Störharmonischen verringert wird. Mit anderen Worten verringert eine Zunahme der Amplitude des PRN-Folge-Rauschens die Amplitude der Störharmonischen.
Das Ditherrauschen-Verfahren erfordert nicht, dass das eingespeiste Rauschen nach dem A/D-Wandeln herausgefiltert wird, weil die höchste Frequenz des eingespeisten Rauschens nicht größer als 1/10 einer beliebigen interessierenden Frequenz ist und weil das eingespeiste Rauschen zufällig ist und eine Energie bei mehreren Frequenzen liefert, die im Allgemeinen gleichmäßig über die Zeit verteilt sind. Aus diesen Gründen sind eigenständige Störergebnisse des Dither-Prozesses für die Signalbearbeitungsausrüstungen (z. B. das CMTS 134) im Kopfstationssystem (9B) nicht sichtbar.
Für den in 4B dargestellten Dualkanal-HF-Empfänger werden mehrere Kanäle verarbeitet und gemultiplext. Ein Einsatz von unabhängigen PRN-Folge-Generatoren 984-1, 984-2 für die zwei Kanäle hilft zu gewährleisten, dass eine Kreuzkopplung zwischen den Kanälen minimiert wird. In einer Ausführungsform muss die Kreuzkopplung 60 dB oder mehr unter dem gewünschten Signal liegen. Würde für beide Kanäle dieselbe PRN-Folge verwendet, dann würde am Eingang der unabhängigen A/D-Wandler ein zusätzlicher Weg für die Kreuzkopplung vorliegen, was es schwieriger macht, den gewünschten Maximalpegel der Kreuzkopplung einzuhalten.
5 ist ein Blockdiagramm eines Signalverarbeitungs-Logikschaltkreises 204 des Senders 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist ein Latch-Paar 220-1, 220-2 vorgesehen, um zwei digitalisierte Hochfrequenz(HF)-Analogsignale von den ADCs 202-1, 202-2 (in 4A dargestellt) zu empfangen. Diese zwei Datensignale werden nachfolgend als erste und zweite Datenströme bezeichnet. Der erste Datenstrom aus dem ADC 202-1 wird durch einen ersten Latch 220-1 empfangen, und der zweite Datenstrom aus dem ADC 202-2 wird durch einen zweiten Latch 220-2 empfangen. Der erste Datenstrom wird nach seiner Zwischenspeicherung und Umwandlung in Rahmen einer vorgegebenen Größe (z. B. 80 Bit) als Rahmen-A-Daten bezeichnet, und der zweite Datenstrom wird nach dem Zwischenspeichern und Rahmenbilden als Rahmen-B-Daten bezeichnet.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird an dem digitalisierten Datenstrom, der durch die Latch's fließt, ein Dithern ausgeführt, indem unter Verwendung eines Tongenerators und eines Addiererschaltkreises 225-1, 225-2 oben auf den Datenströmen ein Satz von "Tonsignalen" hinzugefügt wird. In dieser Ausführungsform erzeugt der Tongenerator und der Addiererschaltkreis 225 fünf Tonsignale bei Frequenzen von 100 kHz, 200 kHz, 300 kHz, 400 kHz und 500 kHz und fügt Kleinamplituden-Versionen dieser Tonsignale zu den HF-Datenströmem hinzu. Der Grund für das Hinzufügen der Tonsignale zu den HF-Datenströmen ist, zu verhindern, dass der Digital-Analog-Wandler im Empfänger ein Störrauschen in Reaktion auf HF-Datenströme erzeugt, die keine Daten oder nahezu keine Daten enthalten. Durch Hinzufügen der Tonsignale zu den HF-Daten, wobei die Tonsignale bei Frequenzen beträchtlich unterhalb des Frequenzbandes liegt, das die Daten enthält, wird die Erzeugung dieses Störrauschens beträchtlich, normalerweise um etwa 6 dB, vermindert. In einigen Ausführungsformen liegt das Frequenzband, das die Daten enthält, normalerweise bei 5 MHz bis 45 MHz oder 5 MHz bis 65 MHz.
Ein Paar Data-In-Multiplexer 221-1, 221-2 ist vorgesehen, um die im Latch verarbeiteten Daten weiter zu verarbeiten. Jeder der Data-In-Multiplexer 221-1, 221-2 ist konfiguriert, die 10-Bit-Datenströme aus den ADCs in 16-Bit-Datenströme umzuwandeln. Vorzugsweise wandelt jeder Multiplexer 221 acht der 10-Bit-Eingangsdatenwörter in fünf 16-Bit-Ausgangsdatenwörter um, die zusammen einen Datenrahmen bilden.
Jeder Data-In-Multiplexer 221-1, 221-2 empfängt auch einen Satz von Testdaten (vorzugsweise ein digitalisiertes sinusförmiges Signal), das durch einen Testsignalgenerator 224 erzeugt wird. Die Testdaten werden beim Testen des Senders verwendet. Die Data-In-Multiplexer 221-1, 221-2 geben entsprechend einem Auswahl(Modus)-Signal, das durch den Steuerlogik-Schaltkreis 227 erzeugt wird, selektiv entweder die digitalisierten HF-Datenströme oder die Testdaten aus. Die Data-In-Multiplexer 221-1, 221-2 sind auch konfiguriert, ein Rahmenende(EOF – end of frame)-Markierungssignal zu erzeugen, um das Ende eines jeden 80-Bit-Datenrahmens anzuzeigen. Insbesondere geben die Data-In-Multiplexer 221-1, 221-2 eine 1-Bit-EOF-Markierung für jedes 16-Bit-Wort aus, das durch die Data-In-Multiplexer 221-1, 221-2 ausgegeben wird. Die EOF-Markierung ist gleich einem ersten Wert, z. B. gleich 0, für alle 16-Bit-Wörter eines jeden Datenrahmens außer dem letzten, und für dieses letzte 16-Bit-Wort ist die EOF-Markierung gleich einem zweiten Wert, z. B. gleich 1.
Die 16-Bit-Datenwörter aus den Data-In-Multiplexern 221-1, 221-2 werden dann einem Paar von Speichervorrichtungen 223-1, 223-2 zugeführt. Insbesondere werden die Datenwörter, die aus dem ersten Datenstrom erzeugt wurden, von dem ersten Data-In-Multiplexer 221-1 einer ersten Datenspeichervorrichtung 223-1 zugeführt, und die Datenwörter, die aus dem zweiten Datenstrom erzeugt wurden, werden von dem zweiten Data-In-Multiplexer 221-2 einer zweiten Datenspeichervorrichtung 223-2 zugeführt. Zusätzlich zu den 16-Bit-Datenwörtern speichert die erste Speichervorrichtung 223-1 auch die EOF-Markierung für jedes Wort. In einigen Ausführungsformen können die EOF-Markierungen für die Datenwörter des ersten Datenstromes in einer eigenen FIFO-Speichervorrichtung gespeichert werden.
Mit weiterer Bezugnahme auf 5 speichern beide Speichervorrichtungen 223-1 und 223-2 die empfangenen Datenwörter unter Verwendung des Abtasttakts von 100 MHz. Die Daten werden jedoch nur in fünf von je acht Abtastzyklen des 100-MHz-Abtasttakts in die Speichervorrichtungen 223 geschrieben, da die Daten durch den Data-In-Multiplexer 221 von 10-Bit-Wörtern in 16-Bit-Wörter umformatiert wurden. Auslesevorgänge aus den Speichervorrichtungen 223 werden unter Verwendung des 128-MHz-Symboltakts ausgeführt. Die Datenspeichervorrichtungen 223-1, 223-2 sind First-In-First-Out(FIFO)-Speichervorrichtungen, die vorzugsweise unter Verwendung eines oder mehrerer Dual-Port-RAMs implementiert werden. Das Schreiben und Lesen von Daten aus den Speichervorrichtungen 223 wird durch einen Steuerlogik-Schaltkreis 227 gesteuert, der unter Verwendung einer Zustandsmaschinenlogik implementiert ist.
Es wird angemerkt, dass das Auslesen von 16-Bit-Wörtern aus den Speichervorrichtungen 223 und 229 zum Senden an den SERDES 206 mit einer Rate von 2,0 Gb/s vonstatten geht. Nachdem der SERDES jedes 16-Bit-Wort in ein 20-Bit-Wort umwandelt, ist die resultierende Datenrate 2,50 Gb/s. Wie nachstehend erläutert wird, wird das Signal dann mit 2,56 Gb/s übermittelt, was 60 Mb/s Ergänzungsdaten einschließt.
Die Signalverarbeitungslogik 204 umfasst ferner einen Satz von Sensoren 226 für das Überwachen der Temperatur, der Betriebsspannung oder anderer Spannungen und weiterer Parameter des Senders 200. Die vom Sensor erzeugten Werte werden durch einen Prozessor 228 gelesen, der auch eine innere Speichervorrichtung 230 zum Speichern von Sender-Identifizierungsinformationen, wie z. B. Seriennummern, Modellnummern, Software- und Hardware-Überprüfungen, Herstellungsdatum und dergleichen, des Senders 200 umfasst. Der Prozessor leitet die vom Sensor erzeugten Werte und die Sender-Identifizierungsinformationen, die hier zusammenfassend als Wartungsdaten bezeichnet werden, periodisch an eine FIFO-Speichervorrichtung 229 weiter. In einer Ausführungsform werden die Wartungsdaten der Speichervorrichtung 229 alle 40 ms übermittelt.
Der Steuerlogik-Schaltkreis 227 der Signalverarbeitungslogik 204 ist konfiguriert, Lese- und Schreibadressen für die verschiedenen Speichervorrichtungen zu erzeugen. Bezüglich der Datenspeichervorrichtungen 223-1, 223-2 erzeugt der Steuerlogik-Schaltkreis eine Schreibadresse während fünf von je acht Zyklen des 100-MHz-Abtasttakts und erzeugt Leseadressen bei 128 MHz. Der Steuerlogik-Schaltkreis 227 wechselt zwischen dem Lesen der Daten aus den ersten und zweiten Speichervorrichtungen 223 ab, wobei er zwischen dem Lesen eines Datenrahmens (d. h. fünf 16-Bit-Wörter) aus der einen und eines Datenrahmens aus der anderen abwechselt. Wenn bestimmte Kriterien erfüllt sind, liest der Steuerlogik-Schaltkreis 227 darüber hinaus Wartungsdaten aus der dritten Speichervorrichtung 229 (d. h. er sendet die Wartungsdaten an den Multiplexer 231), wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird.
Es ist zu beachten, dass die Daten aus den Speichervorrichtungen 223 mit einer Rate ausgelesen werden, die schneller ist als die kombinierte Rate, mit der die Daten in den zwei Speichervorrichtungen 223 gespeichert werden. Da die Daten aus den Speichervorrichtungen 223 mit einer Rate ausgelesen werden, die schneller ist als die Rate, mit der die Daten gespeichert werden, können Ergänzungsdaten von der dritten Speichervorrichtung 229 zwischen den Datenrahmen eingefügt werden, ohne hinter die ersten und zweiten Datenströme "zurückzufallen", die in den zwei Speichervorrichtungen 223 gespeichert werden. Wenn es keine Wartungsdaten in der Speichervorrichtung 229 gibt, oder wenn es insbesondere dort keinen vollständigen Satz von übertragungsbereiten Wartungsdaten gibt, dann werden zu bestimmten Zeiten (vorzugsweise leere) Füllwörter zwischen die Rahmen eingesetzt.
Wenn Ergänzungsdatenwörter zwischen die Datenrahmen einzusetzen sind, dann wird ein im Steuerlogik-Schaltkreis 227 angeordneter Zähler, der die Leseadressen erzeugt, angehalten, wodurch erreicht wird, dass die Datenspeichervorrichtungen 223-1, 223-2 fortfahren, dasselbe Datenwort auszugeben. Die Steuerlogik 227 erzeugt auch ein SERDES-Steuersignal, das die Betriebsart des SERDES 206 (4) festlegt. Insbesondere wird der SERDES durch den Steuerlogik-Schaltkreis 227 angewiesen, entweder (A) an einem Datenwort eine 16b-zu-20b-Umwandlung auszuführen, (B) ein leeres Wort auszugeben oder (C) ein Trägerwort auszugeben.
In dieser Ausführungsform sind der Steuerlogik-Schaltkreis 227 und der Multiplexer 231 konfiguriert, einen Füllungsgrad der HF-Datenspeichervorrichtung 223-1 und des Wartungsdatenspeichers 229 zu überwachen. Wenn insbesondere der Füllungsgrad der Speichervorrichtung 223-1 größer ist als ein vorgegebener Grenzwert, dann geben der Steuerlogik-Schaltkreis 227 und der Multiplexer 231 die in den HF-Datenspeichervorrichtungen 223-1, 223-2 gespeicherten Daten in einem ersten Modus aus, und wenn der Füllungsgrad der HF-Datenspeichervorrichtung 223-1 kleiner ist als der vorgegebene Grenzwert, dann geben der Steuerlogik-Schaltkreis 227 und der Multiplexer 231 die in den HF-Datenspeichervorrichtungen 223-1, 223-2 gespeicherten Daten sowie die in der Speichervorrichtung 229 gespeicherten Wartungsdaten (d. h. Nicht-HF-Daten) in einem zweiten verschachtelten Modus aus. Im Folgenden werden verschiedene unterschiedliche Ausgabemodi beschrieben.
6A–6C stellen drei verschiedene Modi für das Einfügen der Ergänzungsdatenwörter zwischen die Datenrahmen dar. In diesen Figuren läuft die Zeit von links nach rechts. Das bedeutet, dass der Datenrahmen auf der linken Seite zeitlich eher ausgegeben wird als der Datenrahmen auf der rechten Seite. Folglich startet jede Folge von einem A-Datenrahmen aus. Hierbei ist ein A-Datenrahmen ein Datenrahmen, der aus dem ersten Datenstrom erzeugt wird, und ein B-Datenrahmen ist ein Datenrahmen, der aus dem zweiten Datenstrom erzeugt wird.
Mit Bezugnahme auf 6A wird in einem ersten Modus, während dessen keine Ergänzungsdatenströme zwischen die Datenrahmen eingesetzt werden, eine Folge von A- und B-Datenrahmen erzeugt. Mit anderen Worten folgt auf einen Datenrahmen (von fünf Wörtern) aus dem ersten Datenstrom ein Datenrahmen aus dem zweiten Datenstrom, auf den wiederum der nächste Datenrahmen aus dem ersten Datenstrom folgt und so weiter. Der Steuerlogik-Schaltkreis 227 arbeitet in diesem Modus, wenn die Menge der Daten, die in den Datenspeichervorrichtungen 223-1, 223-2 gespeichert ist, über einem vorgegebenen Grenzwert-Füllungsgrad liegt, was ein möglichst schnelles Auslesen der gespeicherten Daten erfordert.
Genauer gesagt wird in einer Ausführungsform jedes Mal, wenn die durch den Steuerlogik-Schaltkreis 227 erzeugte Schreibadresse zu ihrem Ausgangswert (z. B. null) zurückspringt, die durch den Steuerlogik-Schaltkreis 227 erzeugte Leseadresse mit einem vorgegebenen Wert, z. B. dem Adresswert in der Mitte der Speichervorrichtungen, verglichen, und ausgehend von diesem Vergleich wird ein "Füllungs"-Signal erzeugt. Ist die Schreibadresse (die auch als Schreibzeiger bezeichnet wird) an ihrem Startwert und ist die Leseadresse an dem mittleren Wert, dann sind die Speichervorrichtungen weniger als halb voll. Ist die Leseadresse kleiner als der mittlere Wert, dann sind die Speichervorrichtungen weniger als halb voll und das Füllungssignal wird auf einen ersten Wert gesetzt (z. B. "false"), und ist die Leseadresse größer als oder gleich dem mittleren Wert, dann sind die Speichervorrichtungen mindestens halb voll und der Füllungswert wird auf einen zweiten Wert (z. B. "true") gesetzt. Der Wert des Füllungssignals bleibt unverändert, bis die Schreibadresse zu ihrem Startwert zurückspringt, und dann wird das Füllungssignal neu bewertet. Ist das durch den Steuerlogik-Schaltkreis erzeugte Füllungssignal gleich dem zweiten Wert (true), dann arbeitet der Sender in dem Modus, der in 6A dargestellt ist, wobei er nur HF-Datenrahmen und keine Ergänzungsdaten sendet. Da jedoch die Datensenderate größer ist als die Datenempfangsrate, in der vorliegenden Ausführungsform um etwa 2,5%, wird der Füllungsgrad oft gleich dem ersten Wert sein, was anzeigt, dass weder leere noch Ergänzungsdaten in den Ausgangsdatenstrom eingesetzt werden können.
Mit Bezugnahme auf 6B werden während eines zweiten Modus vier leere Wörter als die Ergänzungsdaten zwischen einen B-Rahmen und einen A-Rahmen eingefügt. Genauer gesagt folgen auf einen Datenrahmen aus dem zweiten Datenstrom vier leere Wörter, auf die ein Datenrahmen aus dem ersten Datenstrom folgt. Auf diesen folgt wiederum ein Datenrahmen aus dem zweiten Datenstrom und so weiter. Der Steuerlogik-Schaltkreis 227 arbeitet in diesem Modus, wenn die Menge der in den Speichervorrichtungen gespeicherten Daten unterhalb des Grenzwert-Füllungsgrades liegt (d. h., das Füllungssignal weist einen Wert "false" auf), es aber keine Wartungsdaten gibt, die bereit für eine Übertragung aus der Speichervorrichtung 229 sind. Der Steuerlogik-Schaltkreis 227 wird durch das EOF-Rahmenbit, das er jedes Mal empfängt, wenn das letzte Wort eines A-Rahmens ausgegeben wird, mit den Begrenzungen der Ausgangsdatenrahmen synchronisiert. Unter Verwendung des EOF-Rahmenbits, des aktuellen Füllungswertes und eines Signals, das anzeigt, ob zur Übertragung aus der Speichervorrichtung 229 bereite Wartungsdaten vorliegen, wird die Steuerlogik vier Leerwörter nach dem Ende des nächsten B-Rahmens einfügen, wenn der Füllungswert einen Wert aufweist, der anzeigt, dass die Speichervorrichtungen unterhalb des Grenzfüllungsgrades liegen, und es keine Wartungsdaten gibt, die zu einer Übertragung aus der Speichervorrichtung 229 bereit sind.
Mit Bezugnahme auf 6C werden während eines dritten Modus vier Wörter zwischen einen B-Rahmen und einen A-Rahmen eingefügt. Insbesondere enthalten die vier Wörter, welche die Ergänzungsdaten bilden, ein Leerwort, ein Trägerwort und zwei Wartungsdatenwörter. Das Trägerwort wird verwendet, um anzuzeigen, dass die zwei Wartungswörter anstelle der letzten zwei Leerwörter übermittelt werden. Der Steuerlogik-Schaltkreis 227 arbeitet in diesem Modus, wenn die Menge der in den Speichervorrichtungen gespeicherten HF-Daten unter dem Grenzwert liegt und wenn es in der Speichervorrichtung 229 Wartungsdaten gibt, die zur Übertragung bereit sind. Wenn zum Beispiel die Menge der zu übermittelnden Wartungsdaten 100 Wörter ist, dann werden ungefähr 24 Wörter von diesen Daten jedes Mal dann übertragen, wenn festgestellt wird, dass die Speichervorrichtungen 223 unter dem Grenzwert liegen. Diese 24 Wörter der Wartungsdaten werden zu je zwei Wörtern gleichzeitig nach jedem von zwölf aufeinander folgenden B-Rahmen übertragen, wonach die Füllung der Speichervorrichtungen 223 neu bewertet wird. Bei den im System verwendeten Datenraten von Gigabit pro Sekunde und der Erzeugung eines neuen Pakets von Wartungsdaten nur alle 40 ms (wobei eine Bandbreite von etwa 100 kb/s belegt wird, einschließlich der Leer- und Trägerwörter und des 8b/10b-Codierungs-Overheads) belegen die Wartungsdaten nur einen sehr kleinen Bruchteil der Bandbreite von 60 Mb/s, die in dem Hilfsdaten-"Kanal" verfügbar ist. (Von der Bandbreite von 60 Mb/s des Hilfsdatenkanals werden 50% von Leerdaten und Trägermarken, um das Vorliegen von Daten im Kanal anzuzeigen, genutzt, und 20% der verbleibenden Bandbreite wird durch die 8b/10b-Codierung belegt, was eine wahre Rohhilfsdaten-Bandbreite von ungefähr 24 Mb/s ergibt. Diese verfügbare Bandbreite von 24 Mb/s ist noch außerordentlich groß im Vergleich zu der Rohdatenrate von 40 kb/s, die für die Übertragung der Wartungsdaten in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet wird.)
Mit Bezugnahme auf 5 werden die Datenrahmen, die aus den ersten und zweiten Datenströmen erzeugt werden, zusammen mit den Wartungsdaten an einen Data-Out-Multiplexer 231 gesendet. Die Arbeitsgänge des Data-Out-Multiplexers 231 werden durch den Steuerlogik-Schaltkreis 227 gesteuert. Summarisch arbeitet der Data-Out-Multiplexer 231 in einem der drei Modi, die oben in Verbindung mit den 6A–6C erörtert wurden.
Darüber hinaus sendet der Steuerlogik-Schaltkreis 227 Steuersignale an den SERDES 206 (4), um die Übertragung von Daten aus den Datenspeichervorrichtungen 223-1, 223-2 und von Leerwörtern zu steuern.
Wie oben dargelegt wurde, ist die Ausgabe des Data-Out-Multiplexers 231 vorbereitet für den Serialisierer/Entserialisierer(SERDES)-Schaltkreis 206, einen Verbindungsserialisierer-Chip, der einen sechzehn Bit breiten Eingang aufweist. Jedes Sechzehn-Bit-Wort wird durch den SERDES-Schaltkreis 206 in ein Zwanzig-Bit-Symbol umgewandelt. Im Sender 200 wird nur die Serialisierer-Funktion des SERDES-Schaltkreises 206 verwendet, wohingegen im Empfänger 250 die Entserialisierer-Funktion verwendet wird. Der SERDES-Schaltkreis 206 bildet alle möglichen Acht-Bit-Symbole auf Zehn-Bit-Symbole ab, die hinsichtlich der Bits 1 und 0 "ausgeglichen" sind und die genügend Datenübergänge für eine genaue Takt- und Daten-Rückgewinnung aufweisen. Ferner bildet der SERDES-Schaltkreis 206 zwei Acht-Bit-Wörter auf einmal ab und wandelt so auf einmal Sechzehn-Datenbit- in Zwanzig-Datenbit-Symbole um. Diese Abbildung, die als Verbindungscodieren oder 8b/10b-Codieren bezeichnet wird, fügt zum übermittelten Datenstrom fünfundzwanzig Prozent Overhead hinzu. Wenn die Daten der Verbindung mit einer Rate von 2,00 Gb/s zugeführt werden, dann muss die Verbindung die Daten folglich mit einer Rate von mindestens 2,5 Gb/s übertragen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet die optische Verbindung bei 2,56 Gb/s. Die zusätzliche Bandbreite wird durch die Verbindung verwendet, um die Ergänzungsdaten zu transportieren. Serielle Daten aus dem Serialisierer-Schaltkreis 206 werden in einen faseroptischen Sender 208, 209 eingespeist, der die elektrischen Bits 1 und 0 in optische Bits 1 und 0 umwandelt. Dieser faseroptische Sender umfasst einen Laserdiodentreiber 208 und eine Laserdiode 209. Diese Vorrichtung moduliert das durch den Laser 209 erzeugte Licht und hält es auch über die Temperatur und Betriebsspannungsänderungen konstant.
Rückweg-HF-Einsignalsender
In den 7 und 8 ist ein HF-Eindatenkanal-HF-Signal-Sender 200-1X dargestellt. Die Arbeitsweise dieser Version des HF-Signalsenders ist ähnlich zu der des Rückweg-HF-Dualsignalsenders, der oben mit Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben wurde. Aspekte dieses Senders 200-1X, die sich von dem Dualkanalsender 200 unterscheiden, werden hier beschrieben.
Zunächst verwendet der HF-Eindatenkanal-Sender 200-1X natürlich nur einen Eingangsverstärker 203, ADC 202, Daten-Latch 220 und Tonaddierer 225. Da der Einkanalsender 200-1X nur einen HF-Datenkanal mit einer Rohdatenrate von 1,0 Gb/s aufweist, kann der Symboltakt (der durch einen Symboltakterzeuger 214-1X erzeugt wird) eine derart niedrige Rate wie 64 MHz verwenden, was die Hälfte der Geschwindigkeit des Symboltakts des Dualkanalsenders ist. In einer Ausführungsform verwendet der Einkanalsender 200-1X eine Symboltaktrate von 80 MHz, weil das die minimale Taktrate ist, die mit einem bevorzugten SERDES-Schaltkreis 206 verwendbar ist. In dieser Ausführungsform ist eine zusätzliche Bandbreite zur Verwendung im Hilfskanal verfügbar. Der Einfachheit halber wird der Einkanalsender mit einem Symboltakt von 64 MHz beschrieben, aber es ist verständlich, dass Taktraten über 64 MHz ebenso gut funktionieren würden.
Mit Bezugnahme auf 8 verwendet der Steuerlogik-Schaltkreis 227-1X das A-Rahmen-EOF-Signal etwas anders als in der Dualkanalversion. Insbesondere dann, wenn ermittelt wurde, dass das Datenspeichervorrichtungs-Füllungssignal "false" ist, was anzeigt, dass die Speichervorrichtung 223 unter dem Füllungs-Grenzwert ist, und wenn Wartungsdaten vorliegen, die bereit sind zur Übertragung in den Wartungsdatenspeicher 229, wird eine LKWW-Folge von Leer-, Kanal- und Wartungsdatenwörtern nach dem A-Rahmen eingefügt, um so die Wartungsdaten mit den A-Rahmen-Daten zu verschachteln. Sind keine Wartungsdaten zur Übertragung in den Wartungsdatenspeicher 229 bereit und ist das Füllungssignal "false", dann werden nach dem A-Rahmen vier Leerwörter eingefügt. Ist das Füllungssignal "true", dann werden die A-Rahmen ohne eine Unterbrechung durch Leer- oder Wartungsdaten übertragen.
Rückweg-Empfänger
Der Empfänger 250 am Empfangsende der Verbindung empfängt das digital modulierte Licht, verarbeitet es mit einer Folge von Digitalsignal-Verarbeitungsschaltkreisen, welche die Daten präparieren und dann in ein Paar Digital-Analog(D/A)-Wandler 270-1, 270-2 weiterleiten. Die Ausgabe der D/A-Wandler 270-1, 270-2 sind „regenerierte HF-Signale", welche die Kenngrößen der HF-Signale an den Koaxialkabeln 106-1 bzw. 106-2 sowohl im Frequenzbereich als auch im Zeitbereich genau wiedergeben. Zuerst wird die Dualkanalversion des Empfängers 250 beschrieben; die Einkanalversion des Empfängers wird dann hinsichtlich der Unterschiede zwischen der Dual- und Einkanalversion beschrieben.
Mit Bezugnahme auf die 9 und 10 umfasst der Empfänger 250 am Empfangsende der Lichtleitfaser 210 einen Faserempfänger 252, 254, der die Bits 1 und 0, die über die Lichtleitfaser 210 übertragen wurden, in die entsprechenden elektrischen Bits 1 und 0 zurückwandelt. Der serielle Bitstrom wird in einen Entserialisierer-Schaltkreis 258 eines Serialisierer/Entserialisierer(SERDES)-Schaltkreises 256 (z. B. TLK-2500 oder TLK-2501) eingegeben. Der SERDES-Schaltkreis 256 umfasst auch einen Takt-Rückgewinnungsschaltkreis 260, der aus den einlaufenden Daten den 2,56 GHz-Bit-Takt und den 128-MHz-Symboltakt rückgewinnt. Der Entserialisierer 258 wandelt die empfangenen Daten aus Zwanzig-Bit-Wörtern in Sechzehn-Bit-Datenwörter um, wobei entweder eine standardmäßige oder eine systemgebundene 10b/8b- oder 20b/16b-Decodierung verwendet wird. Die Sechzehn-Bit-Datenwörter werden der Reihe nach unter Verwendung des rückgewonnenen Symboltakts in einen Empfänger-Signalverarbeitungslogik-Schaltkreis 262 getaktet. Der Entserialisierer 258 erzeugt zusätzlich zu den decodierten Datenwerten einen Satz von Markierungssignalen. Die Markierungssignale zeigen an, ob das aktuelle Symbol ein Datenwort, Leerwort oder Trägerwort ist. Wartungsdatenwörter werden durch die Signalverarbeitungslogik 262 als die zwei Datenwörter ermittelt, die auf ein Leerwort und ein Trägerwort folgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Empfänger-Signalverarbeitungslogik 262 unter Verwendung eines feldprogrammierbaren Gatearrays (FPGA), wie z. B. eines geeigneten FPGA von Altera, implementiert, das in der Dualkanalversion des Empfängers ein Paar Empfänger-Datenspeichervorrichtungen 280-1, 280-2 und in der Einkanalversion eine derartige Datenspeichervorrichtung umfasst. Die Speichervorrichtungen 280-1 und 280-2 sind vorzugsweise FIFO-Pufferspeicher, die durch einen oder mehrere asynchrone Dual-Port-RAMs (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) implementiert sind.
Mit Bezugnahme auf die 10 und 11 umfasst die Signalverarbeitungseinheit 262 des Empfängers einen Demultiplexer 279, der die entserialisierten Daten und die Markierungssignale aus dem Entserialisierer 258 empfängt. Der Demultiplexer 279 ist konfiguriert, die Datenwörter aus den A-Rahmen in die Speichervorrichtung 280-1 und die Datenwörter aus den B-Rahmen in die Speichervorrichtung 280-2 und die Wartungsdaten in eine Speichervorrichtung für Wartungsdaten 281 zu senden. Jeder Übergang von einem Datenwort zu einem Leerwort wird verwendet, um eine Zustandsmaschine im Multiplexer auf einen Start(Leer 1)-Zustand zurückzusetzen, der es wiederum ermöglicht, dass der Multiplexer 279 genau ein Rahmenend-Bit für jedes HF-Datenwort erzeugt. Leer- und Trägerwörter werden nicht in irgendwelche Speichervorrichtungen geschrieben. Der Demultiplexer 279 ist auch konfiguriert, geeignete Schreib-Freigabesignale, das Übertragungsfehlerbit und Rahmenendsignale zu erzeugen. Ein Übertragungsfehlerbit und Rahmenendbit werden für jedes Datenwort erzeugt und den Speichereinrichtungen 280 zur Speicherung gemeinsam mit den Datenwörtern zugeführt. In einer weiteren Ausführungsform kann das Übertragungsfehlerbit und das Rahmenendbit für jedes Datenwort in einer Parallelspeichervorrichtung gespeichert werden.
11 stellt ein vereinfachtes Zustandsdiagramm für den Empfänger-Demultiplexer 279 dar. Dieses Diagramm zeigt die Hauptzustände, zeigt aber nicht alle Fehlerzustände und fasst außerdem bestimmte Gruppen von Zuständen, wie z. B. die individuellen Datenwortzustände, zusammen. So wickelt der Main-Datenzustand die Speicherung von zwei Datenwörtern in die Wartungsdaten-Speichervorrichtung 281 ab. Wesentlicher ist, dass der Rahmen-A-Zustand eine Folge von fünf Datenwörtern bearbeitet, wobei vier in der Speichervorrichtung 280-1 mit EOF gleich 0 gespeichert werden, und das letzte Datenwort in der Speichervorrichtung 280-1 mit EOF gleich 1 gespeichert wird. Auf die gleiche Weise bearbeitet der Rahmen-B-Zustand eine Folge von fünf Datenwörtern, wobei er vier in die Speichervorrichtung 280-2 mit EOF gleich 0 und das letzte Datenwort in die Speichervorrichtung 280-2 mit EOF gleich 1 speichert. Jeder Übergang von einem Datenwort zu einem Leerwort setzt die Zustandsmaschine ohne Berücksichtigung des aktuellen Zustandes der Zustandsmaschine auf den Leer-1-Zustand zurück (d. h., es geschieht nicht nur, wenn sie im Rahmen-B-Zustand ist). Der Übergang vom Datenwort zum Leerwort wird folglich dazu verwendet, den Demultiplexer zurück in einen wohldefinierten Zustand zu versetzen, wenn der Empfänger mit dem Sender desynchronisiert wird, zum Beispiel, wenn es einen Übertragungsfehler gibt, welcher den Empfänger dazu bringt, die Spur zu verlieren, wo er in der übertragenen Datenfolge ist.
Mit erneuter Bezugnahme auf 10 erzeugt ein Empfänger-Steuerlogik-Schaltkreis 283 Lese- und Schreibadressen für die verschiedenen Speichervorrichtungen, die in der Empfänger-Signalverarbeitungseinheit 262 angeordnet sind. Bezüglich der Datenspeichervorrichtungen 280-1, 280-2 erzeugt der Steuerlogik-Schaltkreis 283 Schreibadressen bei 128 MHz (für das Schreiben von 16-Bit-Datenwörtern in die Speichervorrichtungen 280-1, 280-2 und 281) und die Leseadressen bei 100 MHz (für das parallele Lesen von 16-Bit-Datenwörtern aus jeder Speichervorrichtung 280-1 und 280-2). Die Daten werden jedoch aus den Speichervorrichtungen 280-1 und 280-2 in nur fünf von jeweils acht Taktzyklen des 100-MHz-Abtasttakts gelesen, so dass einmal aller acht Zyklen des 100-MHz-Abtasttakts ein 80-Bit-Datenrahmen aus jeder Speichervorrichtung 280 übertragen wird.
Ein Taktgeschwindigkeitsanpassungsschaltkreis 284 bestimmt, ob in den Datenspeichervorrichtungen 280-1, 280-2 eine übermäßige Datenmenge gespeichert ist, indem die Lese- und Speicheradressen überwacht werden. Insbesondere wird jedes Mal, wenn die durch die Steuerlogik 283 erzeugte Leseadresse zyklisch einen Startwert erreicht, der Füllstand der Speichervorrichtungen 280 durch Vergleich der aktuellen Leseadresse mit einem vorgegebenen Grenzwert bestimmt. Wenn die Leseadresse anzeigt, dass der Füllstand der Speichervorrichtungen 280 über einem Grenzfüllungsgrad (z. B. ein halb) liegt, dann passt der Taktgeschwindigkeitsanpassungsschaltkreis 284 ein Taktanpassungssignal 266 so an, dass die Speicherlesetaktrate (die eine Nenntaktrate von 100 MHz aufweist) verringert wird, und wenn die Speichervorrichtungen 280 bei oder über dem Grenzfüllungsgrad liegen, dann passt der Taktgeschwindigkeitsanpassungsschaltkreis 284 ein Taktanpassungssignal 266 so an, dass die Speicherlesetaktrate erhöht wird. Der Taktgeschwindigkeitsanpassungsschaltkreis 284 führt diese Bestimmung vorzugsweise jedes Mal aus, wenn die Leseadresse zyklisch einen Startwert erreicht, und passt dann das Taktanpassungssignal 266 entsprechend an.
Ein 100-MHz-VCXO (spannungsgesteuerter Quarzoszillator) 264 wird verwendet, um ein auch als Lesetakt bezeichnetes Abtasttaktsignal 265 zu erzeugen, das auf den 100-MHz-Abtasttakt 213 des Senders 200 verriegelt wird. Der VCXO 264 ist abgestimmt, dass er eine Mittenfrequenz von 100 MHz aufweist und dass er auf das Taktanpassungssignal 266 reagiert, indem er seine Frequenz vorzugsweise um plus oder minus 100 Teile pro Million (d. h. von einem unteren Wert von 99,99 MHz bis zu einem oberen Wert von 100,01 Mhz) verändert.
Ist die Rate des Abtasttakts 265 im Empfänger 250 schneller als die Rate des Abtasttakts 213 im Sender 200, dann werden die Empfänger-Speichervorrichtungen 280-1, 280-2 zunächst mit Unterbrechungen und dann durchweg weniger als halb voll werden. Wenn der Taktgeschwindigkeitsanpassungsschaltkreis 284 bestimmt, dass die Speichervorrichtungen 280-1, 280-2 weniger als halb voll (oder allgemeiner – weniger als ein Grenzwert des Füllstandes) sind, dann wird das Taktanpassungssignal 266 angepasst und auf einen Geschwindigkeitsanpassungsstift des VCXO 264 übertragen, um dessen 100-MHz-Taktrate um einen kleinen Betrag zu verringern. Die durch den VCXO 264 erzeugte Rate des Abtasttakts 265 wird so lange angepasst, bis sie annähernd mit dem Abtasttakt 213 des Senders 200 ausgeglichen ist.
Obwohl der tatsächliche Ausgleich zwischen den Abtasttakten 265, 212 des Empfängers 250 und des Senders 200 niemals erfolgen kann, ermöglicht es die Taktverfolgungsschaltung des Taktgeschwindigkeitsanpassungsschaltkreises 284, dass das Rückwegverbindungssystem dynamisch eine vollständige Frequenzverfolgung und Verriegelung zwischen den Sende- und Empfangsenden der Verbindung erreicht.
Der Einsatz des mit einem lokalen Kristall betriebenen VCXO 264 zur Erzeugung der Abtasttakts 265 des Empfängers ermöglicht die Erzeugung eines sehr niedrigen Jitter-Abtasttakts, wobei dennoch die Verwendung einer Korrekturspannung zur Beschleunigung oder Verlangsamung des Abtasttakts erlaubt wird.
Die Empfänger-Signalverarbeitungslogik 262 umfasst ferner Sensoren 286, welche die Temperatur, Spannungen und andere Parameter des Empfängers 250 überwachen. Ein Prozessor 282 enthält eine innere Speichervorrichtung 288, die Seriennum mern, Modellnummern, Software- und Hardware-Überprüfungen, Herstellungsdatum und dergleichen des Empfängers 250 speichert. Der Prozessor 282 speichert in der Speichervorrichtung 281 periodisch die Wartungsdaten einschließlich der von den Sensoren 286 empfangenen Sensordaten sowie die im inneren Speicher 288 des Prozessors gespeicherten Empfängeridentifizierungsdaten. Somit speichert die Speichervorrichtung 281 sowohl die Sender-Wartungsdatenpakete als auch die Empfänger-Wartungsdatenpakete. Der Steuerlogik-Schaltkreis 283 ist konfiguriert, die in der Speichervorrichtung 281 gespeicherten Wartungsdaten sowohl vom Sender als auch Empfänger auszulesen und sie seriell durch eine Kommunikationsschnittstelle 287, wie z. B. eine RS-232-Schnittstelle, entweder an ein Hauptsteuergerät des Empfängers 250 oder an einen Host-Rechner zu senden. Die Vorrichtung, welche die Wartungsdaten empfängt, kann sie speichern und/oder die Wartungsdaten analysieren, um zu bestimmen, ob der Sender und der Empfänger richtig arbeiten.
Die Empfänger-Signalverarbeitungslogik 262 umfasst auch ein Paar Deblockierungs-Multiplexer 285-1, 285-2. Die Deblockierungs-Multiplexer sind konfiguriert, die aus den Speichervorrichtungen 280-1, 280-2 ausgelesenen Daten zusammen mit zugehörigen Steuersignalen zu empfangen. Die Deblockierungs-Multiplexer 285-1, 285-2 sind konfiguriert, jeden 80-Bit-Datenrahmen aus einem Satz von fünf 16-Bit-Wörtern in acht 10-Bit-Wörter umzuwandeln; diese Umwandlung des Datenformats wird hier als Deblockierungsfunktion bezeichnet. Darüber hinaus verwenden die Deblockierungs-Multiplexer 285-1, 285-2 das Rahmenend-Markierungssignal zu einem Zurücksetzen der Deblockierungsfunktion in dem Fall, wenn es einmal nicht synchron ist. Das liefert dem Empfänger 250 einen sehr wesentlichen Fehlerbehebungsprozess. Ein beliebiger Deblockierungsfehler wird automatisch fixiert, wenn das nächste Rahmenende empfangen wird. Wenn aus irgendeinem Grunde die Deblockierungsschaltung "nicht synchron wird" mit dem Datenstrom, dann stellt sich die Schaltung automatisch innerhalb einer Rahmenlänge von 80 Bits (fünf 16-Bit-Wörter) wieder her; zum Beispiel kann ein Deblockierungs-Multiplexer 285 beim Empfang eines EOF-Signals, das nicht in dem fünften 16-Bit-Wort des aktuellen Datenrahmens liegt, die Daten im aktuellen Rahmen verwerfen und dann seine Abarbeitung neu starten, indem er das nächste Datenwort aus der Speichervorrichtung 280 als das erste 16-Bit-Wort eines nächsten Datenrahmens behandelt.
Wenn ein aus den Speichervorrichtungen 280-1, 280-2 ausgelesenes Datenwort das Übertragungsfehlerbit enthält, dann substituieren die Deblockierungs-Multiplexer 285-1, 285-2 außerdem den letzten vorhergehenden guten Wert, der aus den Speichervorrichtungen 280-1, 280-2 ausgelesen wurde, an die Stelle des empfangenen schlechten Wertes. Für die meisten Fälle wird dies eben der oder annähernd der aktuelle Datenwert sein, der fehlerhaft übermittelt wurde. Das gibt dem Empfänger 250 die Möglichkeit, einen einzelnen Übertragungsfehler aus dem Datenstrom digital herauszufiltern.
Die Deblockierungs-Multiplexer 285-1, 285-2 können auch in einem Testmodus arbeiten, wobei anstelle der HF-Abtastdaten aus den Speichervorrichtungen 280-1, 280-2 Testdaten gesendet werden, die durch einen Testgeneratorschaltkreis 289 erzeugt werden.
Die Einkanalversion des Rückweg-Empfängers ist im Wesentlichen die gleiche wie jene, die in 9 und 10 dargestellt ist, außer dem Folgenden: Es wird nur eine Speichervorrichtung 280 und ein Deblockierungs-Multiplexer 285 benötigt. Somit werden die empfangenen HF-Daten durch den Demultiplexer 279 nur zu der einen Speichervorrichtung 280 gesendet, und die Wartungsdaten werden zu der Speichervorrichtung 281 gesendet. Darüber hinaus arbeitet der Abtasttakt des Einkanalempfängers bei 64 MHz anstelle von 128 MHz.
Darlegung der CATV-Digital-Rückweg-Takterzeugung und des Managements
Wie oben dargelegt wurde, erfordern die digitalen CATV-Rückwegsysteme, dass die A/D- und D/A-Abtasttakte mit einem sehr geringen Jitter bei derselben Frequenz liegen. Außerdem muss in den Systemen vom Stand der Technik die Frequenz des A/D-Takts über die Kommunikationsverbindungen mit den abgetasteten Daten transportiert werden, um das Signal zu rekonstruieren. Ein Jitter in einem der beiden Abtasttakte hat ein Rauschen in dem rückgewonnenen Analogsignal zur Folge.
In der vorliegenden Erfindung wird in dem in 4 dargestellten Sender 200 ein rauscharmer Oszillator 212 verwendet, um den Abtasttakt zu erzeugen, der verwendet wird, die Daten aus dem A/D-Wandler 202 in die FIFO-Pufferspeicher 223-1, 223-2 zu takten. Ein getrennter Oszillator 214 wird verwendet, um den Symboltakt für den Sender zu erzeugen. Um zu erreichen, dass die Frequenz des Symboltakterzeugers 214 unabhängig von der Abtasttaktfrequenz ist, muss die Rate der Übertragung über die Kommunikationsverbindung höher sein als die Datenrate, die durch die A/D-Wandler 202-1, 202-2 erzeugt wird. Die Signalverarbeitungslogik 204 des Senders sendet Daten aus den FIFO-Pufferspeichern 223-1, 223-2 über die Lichtleitfaser 210, wenn es genügend Daten in den FIFO-Pufferspeichern 223-1, 223-2 gibt, und anderenfalls werden die über die Lichtleitfaser 210 gesendeten Daten mit anderen Zeichen aufgefüllt.
Der Empfänger 250 empfängt Daten von der Kommunikationsverbindung 210 und gewinnt das Symboltaktsignal 274 zurück. Der Empfänger 250 erkennt, welche empfangenen Symbole Daten und welche Auffüllzeichen sind. Die Datensymbole, die HF-Datenabtastungen sind, werden unter Verwendung des Symboltaktsignals 274 in die Empfangs-FIFO-Pufferspeicher 280-1, 280-2 (10) gesetzt. Die HF-Datenabtastungen werden in der Abtasttaktrate aus den FIFO-Pufferspeichern 280-1, 280-2 den D/A-Wandlern 270-1, 270-2 zugesendet. Die regenerierten HF-Signale, die durch die D/A-Wandler 270-1, 270-2 erzeugt wurden, werden durch ein CMTS (Cable Modem Termination System) 134 verarbeitet, das die HF-Signale verarbeitet, um so die vom Teilnehmer erzeugten Nachrichten, die in diesen HF-Signalen verschlüsselt sind, zu bestimmen. In Abhängigkeit von der Konfiguration des CMTS 134 können die zwei regenerierten HF-Signale an einem Eingangsanschluss des CMTS 134 summiert werden, oder die zwei regenerierten HF-Signale können verschiedenen Eingangsanschlüssen des CMTS 134 zugeleitet werden.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 9B dargestellt ist, werden die digitalen HF-Datenabtastungen in den FIFO-Pufferspeichern 280-1 und 280-2 durch einen Summierer 267 mathematisch summiert, und die entstehende Summe wird in der Abtasttaktrate einem einzelnen D/A-Wandler 270 zugesendet. Der D/A-Wandler 270 erzeugt ein analoges regeneriertes HF-Signal, das gleich der Summe der zwei HF-Signale ist, die an den zwei Unterbäumen abgetastet wurden. Von einem anderen Gesichtspunkt aus umfasst das analoge Signal regenerierte Versionen der ersten und zweiten HF-Signale, die einander überlagert wurden. Das regenerierte Signal wird dem CMTS 134 zur Verarbeitung zugesendet.
Der Abtasttakt 265 wird durch den VCXO 264 erzeugt. Die Frequenz des VCXO 264 wird über einen kleinen Bereich langsam angepasst, um die Rate, mit der Daten aus den FIFO-Pufferspeichern 280-1, 280-2 entnommen werden, gleich der Rate zu halten, mit der die Daten in die FIFO-Pufferspeicher 280-1, 280-2 eingesetzt werden. Die Steuerung der Frequenz des VCXO 264 wird ausgeführt auf der Grundlage der Datenmenge in den FIFO-Pufferspeichern 280-1, 280-2. Wenn die FIFO-Pufferspeicher 280-1, 280-2 mehr als halb voll (oder ein beliebiger anderer geeigneter Grenzwert) sind, dann wird die Frequenz des VCXO 264 erhöht, wodurch die Daten schneller entnommen werden. Sind die FIFO-Pufferspeicher 280-1, 280-2 weniger als halb voll, dann wird die Frequenz des VCXO 264 herabgesetzt, wodurch die Daten langsamer entnommen werden.
Dementsprechend weist die vorliegende Erfindung einen geringeren Empfänger-Abtasttakt-Zeitjitter als die in 2 und 3 dargestellten Systeme vom Stand der Technik auf, weil der Abtasttakt des Empfängers nicht durch das Rauschen belastet ist, das mit der Rückgewinnung des Symboltakts verknüpft ist.
Genauer gesagt weisen die rückgewonnenen Takte, die aus einem multiplizierten Takt am Senderende 150 (2) der Verbindung abgeleitet wurden, in den Systemen vom Stand der Technik normalerweise einen Jitter von mehr als 10–20% der Bitzellenzeit auf. Wenn die Verbindungsrate 1,25 Gb/s (mit einer Bitzellenzeit von 800 ps) ist, dann ist es für den empfangenen Abtasttakt nicht ungewöhnlich, dass er einen Jitter von 100 ps oder mehr aufweist. Wenn ein Abtasttakt mit diesem Jittergrad verwendet wird, um den D/A-Wandler eines Empfängers zu takten, dann wird die Wiedergabetreue des rückgewonnenen HF-Signals nicht über der eines idealen 8-Bit-A/D- und D/A-Umwandlungssystems liegen können.
Die Rückverbindungen der CATV-Systeme erfordern jedoch nahezu uneingeschränkt 10 Datenbits, um der Leistungsfähigkeit von herkömmlichen Laserrückwegverbindungen auf Analogbasis zu entsprechen. Das Frequenzverriegelungsverfahren der vorliegenden Erfindung, das den Einsatz des VCXO im Empfänger 250 einschließt, ermöglicht es, dass der Abtasttakt des Empfängers mit Jittergraden von 20–30 ps für Signale zwischen 5 und 50 MHz erzeugt wird.
Die Verwendung eines digitalen Rückwegs gemäß vorliegender Erfindung weist viele Vorteile auf. Zum Beispiel kann die Länge der Rückwegverbindung sehr groß sein, ohne das Leistungsverhalten zu beeinträchtigen, weil das Leistungsverhalten einer Digitalverbindung im Allgemeinen nicht mit der Verbindungsentfernung veränderlich ist. Digitale faseroptische Verbindungen können so entworfen werden, dass es ein ausreichendes SRV für die Verbindung gibt, um für alle praktischen Zwecke "fehlerfrei" zu arbeiten. Verbindungsfehlerraten von weniger als 10^–15 sind nicht ungewöhnlich. Als Folge davon zeigt das Rückwegverbindungssystem von so kurzen Entfernungen an wie 1 Meter bis zu solchen, die 30 km Faserlänge oder mehr aufweisen, kein vermindertes Leistungsvermögen.
Das Leistungsverhalten der Verbindung ändert sich im Allgemeinen nicht mit schlechten Spleißen, Anschlüssen, der Vorrichtungstemperatur oder den normalen Spannungsschwankungen. Die Kenngrößen der Verbindung können bei diesen Veränderungen wieder gemessen werden, aber selbst mit diesen Veränderungen kann – solange sie Analogmessungen betreffen – das SRV im Allgemeinen in einem Bereich gehalten werden, in dem noch ein fehlerfreies digitales Leistungsverhalten möglich ist. Deshalb arbeitet die Rückweg-HF-Verbindung der vorliegenden Erfindung mit einem über die Komponentenveränderungen hinweg konstanten SRV.
Da die digitalen Rückwege ein ähnliches Leistungsverhalten wie die analogen Rückwege unter "Idealbedingungen" zeigen, sind die digitalen Rückwege ferner in der Lage, für eine größere Unanfälligkeit gegenüber Ingress zu sorgen, weil die Reserve, die normalerweise Verbindungsverschlechterungen, wie z. B. der Länge, den Spleißen und Temperaturveränderungen zugewiesen wird, jetzt einer Bearbeitung des Ingress zugewiesen werden kann, um das System zu befähigen, trotz des Ingress, der normalerweise eine Rückwegverbindung verstümmeln würde, zu funktionieren.
Kombinieren von Rückwegdaten aus mehreren Unterbäumen
12 und 13 stellen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, in der Rückweg-Datenströme von zwei oder mehreren Unterbäumen 300 über Lichtleitfasern 210 empfangen, an einer Zentralstelle 330 unter Verwendung von Zeitteilungsmultiplex (TDM – Time Division Multiplexing) kombiniert und dann über die Lichtleitfaser 360 übertragen werden. Die Sender für jeden Unterbaum des Systems sind die gleichen wie die oben beschriebenen, außer dass in dieser Ausführungsform der Abtasttakt für den Sender (zum Takten der ADCs 202) durch einen eigenen rauscharmen Präzisions-VCXO (spannungsgesteuerter Quarzoszillator) 212-A erzeugt wird. Um zu ermöglichen, dass die Datenströme von den verschiedenen Unterbäumen einfach kombiniert werden, werden die Taktraten der VCXOs 212-A in allen Unterbäumen ferner von einem Pilotton durch die Oszillatorverriegelungslogik 308 gesteuert, die in dem Sender eines jeden Unterbaums enthalten ist. Es wird erwähnt, dass zwar die Raten aller VCXOs 212-A auf denselben Wert gezwungen werden, die Phasen dieser Taktgeber aber nicht koordiniert sind (und nicht zu sein brauchen).
In einer Ausführungsform ist der Pilotton ein Taktgeber, der bei ungefähr 40% eines vorgegebenen Sollabtasttaktrate läuft. Der Pilotton kann zum Beispiel ein Taktsignal von 40 MHz sein, wenn die Sollabtasttaktrate 100 MHz ist. Die Oszillatorverriegelungslogik 308 für jeden Unterbaum 300 empfängt den lokal erzeugten Abtasttakt und erzeugt eine Korrekturspannung, die gewährleistet, dass die Abtasttaktrate genau gleich dem 2,5-fachen der Pilottaktrate ist. Das Verriegeln des VCXO 212-A auf den Pilotton wird ausgeführt, indem von jedem die Impulse gezählt werden und eine geeignete Korrekturspannung (unter Verwendung der Impulsbreitenmodulation und des Tiefpassfilterns) erzeugt wird, die an den VCXO angelegt wird. In anderen Ausführungsformen können andere Abtasttaktraten, Pilotton-Taktraten und Verhältnisse von Abtast- zu Pilottaktraten verwendet werden.
12 zeigt die Vorrichtung zum Verteilen des Pilottons auf die Unterbäume eines CATV-Systems. Im Kopfstationssystem 310 werden durch Fernsehsignaleinspeisungen 312, Digitalsignaleinspeisungen 314 (z. B. Daten von einem Internet-Service-Provider zum Betrachten durch Teilnehmer unter Verwendung von Browsern) und einen Pilottongenerator 316 Vorwärtsverbindungssignale erzeugt. Der durch den Generator 316 erzeugte Pilotton ist vorzugsweise ein sinusförmiges Signal, das zu den Fernseh- und anderen Signalen hinzugefügt wird, die durch einen Kopfstationssender 318 über den Vorwärtsweg des CATV-Systems übertragen werden. An jedem Unterbaum 300 wird ein Kammfilter 304 verwendet, um den Pilotton von den anderen Signalen auf dem Vorwärtsweg abzutrennen, und ein Verstärker 306 wird verwendet, um den abgetrennten sinusförmigen Pilotton in ein Pilottaktsignal umzuwandeln. Das Pilottaktsignal wird durch die Oszillatorverriegelungslogik 308 des Unterbaum-Senders empfangen, dessen Betrieb oben beschrieben wurde.
Wie in 13 dargestellt ist, empfängt die Rückweg-Sendevorrichtung, die hier als eine Zentralstelle 330 bezeichnet wird, über die Lichtleitfasern 210 Daten von zwei oder mehreren Unterbäumen. Die Zentralstelle 330 umfasst einen Digitalempfänger 332 zur Umwandlung der Signale aus jedem Unterbaum in elektronisch gespeicherte oder gepufferte Datenrahmen, welcher dann die Datenrahmen einem Zeitteilungsmultiplexer oder einem Wellenlängenteilungsmultiplexer 334 weiterleitet. Die Zentralstelle 330 kann auch Daten von einem anderen Service oder einer anderen Quelle 314 empfangen. Die andere Quelle 314 kann zum Beispiel ein System sein, das Testmuster erzeugt, um das Kopfstationssystem in die Lage zu versetzen, Datenübertragungsfehler aufzufinden.
Die Signalverarbeitungslogik im Multiplexer 334 umfasst vorzugsweise einen eigenen FIFO-Pufferspeicher für das Speichern der Daten aus jedem Unterbaum sowie einen FIFO für das Speichern der Daten aus den anderen Quellen 314. Zum Beginn einer jeden Datenübertragungsperiode weisen die FIFO-Pufferspeicher für alle Unterbäume immer den gleichen Füllungsgrad auf. Immer wenn die FIFO-Pufferspeicher für die Unterbäume mehr als halb voll sind, wird über die Rückwegverbindung ein Datenrahmen aus jedem Unterbaum-FIFO übertragen. Wird das Zeitteilungsmultiplexen verwendet, dann wird das kombinierte Datensignal unter Verwendung eines einzigen Laserdiodentreibers 336 und einer Laserdiode 338 übertragen. Wird das Wellenlängenteilungsmultiplexen verwendet, dann werden mehrere Laserdiodentreiber und Laserdioden verwendet.
Immer wenn die FIFO-Pufferspeicher für die Unterbäume weniger als halb voll sind, werden ein oder mehrere Datenrahmen aus dem FIFO für den anderen Service 314 über die Rückwegverbindung übertragen, und wenn es zu wenige Daten in dem FIFO für den anderen Service 314 gibt, werden die Rahmen, die dem anderen Service zugewiesen sind, mit Füllsymbolen aufgefüllt. Die Bandbreite, die für Daten aus dem anderen Service 314 verfügbar ist, hängt ab von der Differenz zwischen der Ausgabe-Übertragungsrate der Zentralstelle und der kombinierten Eingabe-Datenraten der Datenströme von den Unterbäumen, die an die Zentralstelle gekoppelt sind.
In dieser Ausführungsform weisen alle Unterbaum-Rückwegsender im Wesentlichen die gleiche Abtasttaktfrequenz auf. Das ermöglicht es, dass das System eine Kohärenz zwischen den Rückwegsignalen aufweist, wenn sie an Zwischenpunkten über das System hinweg eingesammelt werden, was seinerseits eine kostengünstige Zusammenfassung der Rückwegsignale erlaubt.
In den TDM-Implementierungen werden die Abtasttakte der Unterbäume nicht durch einen Pilotton gesteuert und weichen somit etwas voneinander ab, die Signalverarbeitungslogik des Multiplexers 334 fügt Füllzeichen hinzu und entfernt sie erforderlichenfalls aus den eintreffenden Datenströmen, um Differenzen zwischen den Taktraten der empfangenen Datenströme und der Taktrate des Symbolübertragungstakts der Zentralstelle auszugleichen. Solange die Bandbreite, die durch die Füllzeichen in jedem Datenstrom besetzt wird, über die Grenzwert-Fehlanpassung der Taktraten zwischen dem Ausgabesymboltakt der Zentralstelle und den Taktraten der eintreffenden Datenströme hinausgeht, gehen bei einer Verwendung des Zeitteilungsmultiplexens niemals Daten verloren. Zum Beispiel kann die Signalverarbeitungslogik des Multiplexers 334 Füllsymbole an die Stelle eines Datenrahmens für einen speziellen Unterbaum einsetzen, wenn die HF-Daten-FIFO-Pufferspeicher für die anderen Unterbäume genügend Daten für die Übertragung eines nächsten Datenrahmens enthalten, jedoch nicht der FIFO-Pufferspeicher für den speziellen Unterbaum.
Wie oben angegeben wurde, kann eine Zentralstelle einen Wellenlängenteilungsmultiplexer (WDM) verwenden. In einer Ausführungsform ist der WDM ein Grob-Wellenlängenteilungsmultiplexer, der zwei oder mehrere Datenströme auf zwei oder mehreren entsprechenden optischen Wellenlängen überträgt. Das Verwenden eines "Grob"-Wellenlängenteilungsmultiplexens bedeutet, dass die optischen Wellenlängen der zwei optischen Signale mindestens 10 nm (und vorzugsweise mindestens 20 nm) voneinander getrennt sind. In einer Ausführungsform überträgt jede Lichtleitfaser 360 einen ersten Datenstrom von 2,56 Gb/s bei 1310 nm und einen zweiten Datenstrom von 2,56 Gb/s bei 1550 nm.
Das Zusammenfassen von Rückweg-Datenströmen unter Verwendung der in 4, 7 und 13 dargestellten Knoten- und Zentralstellen-Untersysteme erlaubt es, dass digitale Rückströme von den Zubringern aufgebaut und dann an der Kopfstation wieder aufgeteilt werden. Darüber hinaus kann jede einzelne Rückführung noch ihren A/D-Haupttakt aufwei sen, der an der Kopfstation unter Verwendung des VCXO und des oben beschriebenen FIFO-Verfahrens rückgewonnen wird.
Zweites Verfahren zur Verkehrszusammenfassung
In den Systemen vom Stand der Technik werden die Rückwege normalerweise unter Verwendung analoger HF-Kombinationstechniken zusammengefasst, aber das verursacht eine Zunahme des Verbindungsrauschens ohne irgendeine Zunahme des Signals. Die digitale Zusammenfassung unter Verwendung des Zeitteilungsmultiplexens, wie es oben beschrieben wurde, erlaubt einen gleichzeitigen Transport mehrerer Datenströme über eine einzige Faser ohne Signalabschwächung.
Das Synchronisieren aller Rückwegtakte auf ein einziges Frequenzsoll erlaubt eine einfachere digitale Zusammenfassung von mehreren Strömen, weil die Daten von jedem Strom kohärent mit den anderen sind. Zum Beispiel können zwei Rückweg-Datenströme durch einfache Addition der Daten kombiniert werden. Das ist das gleiche wie das Ausführen einer HF-Kombination, aber es erfordert nicht, dass die Signale vom digitalen Bereich zurück in den analogen gebracht werden müssen. Dieses Kombinationsverfahren kann ausgeführt werden an einem Knoten, an dem sich zwei oder mehr Unterbäume treffen, an einem Zwischenpunkt im CATV-System, wie z. B. einer Zentralstelle, oder es kann an der Kopfstation ausgeführt werden, bevor die Signale durch ein CMTS im Kopfstationssystem verarbeitet werden. In allen Fällen sind die Verfahren die gleichen, und die Fähigkeit, diese Funktion digital auszuführen, bedeutet, dass keine zusätzlichen Verluste in der Signalintegrität über jene hinaus auftreten, die aufgrund theoretischer Argumente auftreten werden (d. h. der normale Signal-Rausch-Leistungsverlust). Da es möglich ist, das CATV-System unter Verwendung digitaler Rückverbindungen mit SRV-Pegeln zu konzipieren, die unter Verwendung analoger faseroptischer Verfahren nicht erhalten werden können, ist es folglich möglich, mit Signalen zu starten, die so rein sind, dass das digitale Kombinieren in signifikanten Ausmaßen ausgeführt werden kann. Das ermöglicht es, dass das System andere Zielvorgaben, wie z. B. die Kostenverringerung und die Signalpflege bei veränderlichen Systembelastungen, erfüllt.
Es wird angemerkt, dass das in den 2 und 3 dargestellte Rückverbindungssystem sowohl im Sender als auch im Empfänger Synthesizer benötigt, während in der vorliegenden Erfindung einen Synthesizer nur im Empfänger verwendet wird, wodurch die Kosten verringert werden und die Zuverlässigkeit der Rückwegverbindung erhöht wird.
Verkettungsversion des Rückverbindungssystems unter Verwendung summierender HF-Sender und eines Nicht-HF-Datenkanals großer Bandbreite
Das Augenmerk wird nun auf eine "Verkettungs"-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gerichtet. In der folgenden Beschreibung werden immer dann, wenn in der Verkettungsausführungsform Komponenten verwendet werden, deren Funktion die gleiche ist wie in den vorherigen Ausführungsformen, diese Komponenten mit denselben Bezugsziffern in den Diagrammen und Erläuterungen der Verkettungsausführungsform(en) gekennzeichnet, und außerdem wird die Funktion und Arbeitsweise derartiger Komponenten nur in dem Umfang erläutert, der notwendig ist, ihre Funktion und Arbeitsweise in der (den) Verkettungsausführungsform(en) zu verstehen.
14 stellt ein digitales CATV-Rückwegverbindungssystem 400 dar, in dem mehrere Unterbaum-Rückverbindungssender 402 in einer Verkettung verbunden sind und das außerdem einen Satz von Digitalkanälen großer Bandbreite zusätzlich zur Bereitstellung einer digitalen Rückwegverbindung für HF-Daten bereitstellt. Genauer gesagt werden in der dargestellten Ausführungsform Rückverbindungen von bis zu acht Unterbäumen des CATV-Systems durch die "summierenden HF-Sender" 402 bedient, obwohl die Anzahl der Unterbaum-HF-Sender in anderen Ausführungsformen größer oder kleiner sein kann. Jeder summierende HF-Sender 402 empfängt einen Datenstrom von einem vorhergehenden Knoten wie auch das HF-Signal von einem lokalen Unterbaum. Der summierende HF-Sender 402 summiert die HF-Daten in dem empfangenen Datenstrom zu den HF-Daten von dem lokalen Unterbaum J (wobei J ein Index ist, der den lokalen Unterbaum kennzeichnet), wandelt den entstehenden Datenstrom in ein optisches Digitalsignal um und leitet das resultierende optische Digitalsignal über eine Lichtleitfaser 404-J an einen nächsten Knoten des Systems weiter.
Der erste summierende HF-Sender 402 in der Verkettung empfängt über eine Lichtleitfaser 404-0 (oder alternativ über die Hauptlichtleitfaser und den Kabel-Vorwärtsweg) einen Datenstrom von einem Satz von Routern 406 in der Kopfstation des Systems. Dieser Datenstrom wird nachfolgend ausführlicher beschrieben. Der letzte summierende HF-Sender 402 in der Verkettung sendet seinen Ausgabedatenstrom an eine Zentralstelle 408 in der Kopfstation des Systems. Der Haupttakt der Verkettung kann durch den Takt des ersten summierenden HF-Senders oder von der Kopfstation selbst bereitgestellt werden. Oder das System kann so konfiguriert sein, dass der Haupttakt durch irgendeinen der summierenden HF-Sender in der Kette bereitgestellt wird.
Durch Summieren der HF-Daten von mehreren Unterbäumen werden die HF-Signale einander überlagert, und der resultierende Datenstrom stellt die Summe (die auch als Superposition bezeichnet wird) dieser HF-Signale dar.
Über das Senden der HF-Daten an das Kopfstationssystem hinaus empfängt jeder summierende HF-Sender 402 auch einen Satz von Datenkanälen großer Bandbreite, sendet sie ab und leitet sie zu. In einer Ausführungsform weist jeder summierende HF-Sender 402 einen gesonderten Datenkanal von 100 Mb/s auf, der zum Beispiel als ein Ethernet-Kanal implementiert ist. Der von jedem HF-Sender empfangene Datenstrom umfasst einen 100-Mb/s-Datenkanal für jeden Unterbaum. Der HF-Sender leitet die Daten in seinem Datenkanal einem Router oder einer anderen Vorrichtung (nicht dargestellt) an dem lokalen Knoten zu und setzt in diesen Datenkanal auch einen Strom eines Datenstroms ein. Somit werden die empfangenen Daten in dem Kanal für den lokalen Knoten auf einen lokalen Bus "abgeworfen", und die Daten, die durch den lokalen Knoten bereitgestellt werden, werden zum Kanal "addiert". In den meisten Ausführungsformen wird erwartet, dass der Nicht-HF-Datenstrom für jeden Unterbaum ein Vollduplex-Datenkanal sein wird, der eine Bandbreite von mindestens 5 Mb/s aufweist. In anderen Ausführungsformen kann der Nicht-HF-Datenstrom als ein Halbduplex-Datenkanal implementiert sein, der Daten nur in der Rückwegrichtung von jedem Unterbaum zum Kopfstationssystem befördert.
Der Zusatzdatenkanal für jeden Unterbaum-Rückverbindungssender 402 kann zum Beispiel ein Vollduplex-Kanal von 10 Mb/s oder ein Ethernet-Kanal von 100 Mb/s sein, und der Anschluss zum Rückverbindungssender 402 kann durch eine Faseroptik-, Kabel- oder Funkverbindung hergestellt sein.
Bandbreitenzuweisung und Datenstromstruktur
In der in 14 dargestellten Ausführungsform wird der Datenstrom, der über die Lichtleitfasern 404 gesendet wird, bei ungefähr 2,56 Gb/s gesendet, und diese Bandbreite wird wie folgt zugewiesen: 1,20 Gb/s werden zum Übermitteln der HF-Daten aus allen Unterbäumen als ein kombiniertes, summiertes Signal verwendet; 800 Mb/s werden für acht Ethernet-Datenkanäle von 100 Mb/s, einer für jeden der acht Unterbaumknoten, verwendet; die HF-Daten- und Ethernet- Datenströme werden kombiniert und 8b/10b-codiert, was einen kombinierten Datenstrom von 2,5 Gb/s ergibt; und ein Wartungsdatenkanal von bis zu 24 Mb/s (60 Mb/s einschließlich Codierung und Overhead-Bits) wird verwendet, um die Wartungsdaten von den HF-Sendern an das Kopfstationssystem zu übermitteln.
Mit weiterer Bezugnahme auf 14 wird der Wartungsdatenkanal von 24 Mb/s auch verwendet, um Anweisungen vom Kopfstationssystem (oder von einer Zwischen-Zentralstelle zwischen den HF-Sendern und dem Kopfstationssystem) an die HF-Sender zu übermitteln. Beispiele für Anweisungen, die durch das Kopfstationssystem (oder durch eine Zentralstelle) an einen beliebigen spezifizierten HF-Sender gesendet werden können, umfassen: eine Anweisung, um eine Abtastung der HF-Daten aus seinem Unterbaum über den Wartungsdatenkanal zu senden; eine Anweisung, um das Senden von HF-Daten aus seinem lokalen Unterbaum (z. B. wegen eines übermäßigen Ingress in diesen Unterbaum) zu beenden; und eine Anweisung, die Verstärkung seines HF-Eingangsverstärkers zu erhöhen oder zu verringern.
15 stellt die Datenstruktur der Daten dar, die durch irgendeinen Unterbaum-Rückverbindungssender 402 über die Rückverbindungs-Lichtleitfaser 404 übermittelt werden. Der Datenstrom, der durch die übermittelten Daten erzeugt wird, enthält eine Folge von 16-Bit-Datenwörtern, wobei ein erster Anteil von ihnen eine HF-Datenabtastung darstellt und ein zweiter Anteil von ihnen Nicht-HF-Daten aus einem der Datenkanäle sind. In einer Ausführungsform stellen 12 Bits eines jeden Datenworts ein HF-Datenabtastung dar und 4 Bits sind Nicht-HF-Daten aus einem Datenkanal. Wenn die Anzahl der Datenkanäle N (z. B. acht) ist, dann wird der Datenkanal, dessen Daten in jedem Datenwort enthalten sind, auf eine Round-Robin-Weise gedreht, wodurch jedem Datenkanal ein gleicher Anteil des 4-Bit-Daten-Unterkanals des 16-Bit-Datenwortkanals gegeben wird. Mit anderen Worten sind die Nicht-HF-Datenkanäle über Zeitteilung gemultiplext, um so den 4-Bit-Daten-Unterkanal des 16-Bit-Datenwortkanals zu belegen.
Wie in 15 angezeigt ist, wird jedes 16-Bit-Datenwort in ein bitausgeglichenes 20-Bit-Wort umgewandelt, wobei entweder eine standardgemäße oder eine systemeigene 8b/10b- oder 16b/20b-Umwandlung verwendet wird. Darüber hinaus werden die 20-Bit-codierten Datenwörter wie in der Ausführungsform, die weiter oben in diesem Schriftstück beschrieben ist, entweder mit Leer- oder Wartungsdaten aufgefüllt, wenn derartige Wartungsdaten verfügbar sind, um den vollen Datenstrom zu erzeugen, der über die Lichtleitfasern 404 des Systems gesendet wird.
Der Datenstrom, der über die Vorwärtsweg-Lichtleitfaser 404-0 (downstream) gesendet wird, weist das gleiche Format auf, wie das in 15 dargestellte. Die HF-Daten in jedem Datenwort werden jedoch entweder auf einen Festwert, wie z. B. null, gesetzt, oder es wird festgelegt, dass sie einen oder mehrere "Dither"-Töne geringer Amplitude des Typs mitführen, von dem oben dargelegt wurde, dass er durch den Tonaddierer 225 erzeugt wird (siehe 5 und die zugehörige Beschreibung). Außerdem wird der über den Vorwärtsweg 404-0 gesendete Datenstrom gewöhnlich keinerlei Wartungsdaten enthalten, und somit werden die HF-Datenwörter mit Leerdaten aufgefüllt. Wie zuvor angegeben wurde, werden die HF-Datenwörter in einigen Ausführungsformen jedoch sowohl mit Leerdaten als auch Anweisungsdaten aufgefüllt. Zum Beispiel können die Anweisungsdaten zwischen den Datenrahmen gesendet werden, indem zwei Trägerwörter gefolgt von zwei Anweisungsdatenwörtern übertragen werden. Wenn sie angesammelt werden, bilden die Anweisungsdatenwörter eine oder mehrere Anweisungen. Jede Anweisung enthält einen Zielbestimmungsanteil, der kennzeichnet, welcher HF-Sender oder welche HF-Sender das Ziel der Anweisung sind, und einen Anweisungsanteil, der eine in dem (den) gekennzeichne ten Sender oder Sendern zu ergreifende Maßnahme oder einen festzulegenden Modus spezifiziert.
In einer Ausführungsform des in 14 dargestellten Rückverbindungssystems enthält jeder Datenrahmen 16 Datenwörter. Das erste Datenwort eines jeden Datenrahmens enthält Daten für den ersten Nicht-HF-Datenkanal, und das letzte Datenwort eines jeden Datenrahmens enthält Daten für einen letzten der Nicht-HF-Datenkanäle. Leerdaten, Wartungsdaten und Anweisungen sind zwischen Datenrahmen eingefügt, wobei die gleiche Methodik verwendet wird, wie sie oben für die 1×- und 2×-Rückverbindungssender beschrieben wurde. Jeder Übergang von einem Leer- zu einem Datenwort ist ein Hinweis auf den Beginn eines Datenrahmens, und dieser Übergang wird verwendet, um jeden summierenden Rückverbindungssender 402 mit dem Datenstrom zu synchronisieren, der aus dem vorhergehenden Knoten empfangen wurde.
Es versteht sich, dass 15 nur ein Beispiel darstellt, wie die Bandbreite einer Lichtleitfaser zugewiesen werden könnte und wie der übermittelte Datenstrom strukturiert sein könnte. Wie Fachleuten verständlich sein wird, gibt es eine weitgehend unbegrenzte Anzahl von Wegen, wie eine derartige Bandbreite zwischen den HF- und Nicht-HF-Daten verteilt werden kann, und es gibt auch eine weitgehend unbegrenzte Anzahl von Wegen, wie der Datenstrom strukturiert werden kann. Viele Aspekte der vorliegenden Erfindung sind unabhängig von irgendeiner speziellen Bandbreitenzuweisung und Datenstromstruktur.
Verketteter/summierender Unterbaum-Rückverbindungssender
16 zeigt ein Blockdiagramm eines summierenden Unterbaum-Senders 402. Wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen umfasst der HF-Sender 402 einen Verstärker mit variabler Verstärkung 203 zum Anpassen des Signalpegels des empfangenen HF-Signals und einen Analog-Digital-Wandler 202 zum Abtasten des analogen HF-Signals bei einer Rate, die durch einen Abtasttakt festgelegt ist. In dieser Ausführungsform werden die vollen zwölf Bits, die durch den ADC 202 erzeugt werden, genutzt. Es kann wahlweise ein Tonaddierer 225 verwendet werden, um zu dem HF-Datensignal einen Satz von Dither-Tönen geringer Amplitude hinzuzufügen, wie zuvor beschrieben wurde.
Der Sender 402 empfängt über den Empfänger 424 auch einen digitalen Datenstrom aus einem vorhergehenden Knoten. Dieser Datenstrom wird parallel mit den HF-Daten aus dem lokalen Unterbaum empfangen. Der empfangene Datenstrom enthält digitalisierte HF-Daten von null, einem oder mehreren anderen Unterbäumen des Systems. Der empfangene Datenstrom enthält Daten von N (z. B. acht) Nicht-HF-Datenkanälen und Wartungsdaten aus einem Wartungsdatenkanal. Die verschiedenen Datenkanäle innerhalb des empfangenen Datenstroms werden durch einen Demultiplexer 426 erkannt und verteilt. Der Demultiplexer 426 gewinnt aus dem empfangenen Datenstrom auch einen Abtasttakt zurück, und dieser Abtasttakt wird verwendet, den ADC 202 so anzutreiben, dass die HF-Daten aus dem lokalen Baum mit einer Rate erzeugt werden, die mit der Datenrate des Datenstroms synchronisiert ist, der aus dem vorhergehenden Knoten erhalten wurde.
Eine Ausgabe aus dem Demultiplexer 426 ist ein HF-Datenstrom, der in einer bevorzugten Ausführungsform Zwölf-Bit-HF-Datenabtastungen enthält. Dieser HF-Datenstrom wird durch einen Summierer 430 mit den HF-Daten für den lokalen Unterbaum summiert, um am Knoten 432 ein summiertes HF-Datensignal zu erzeugen.
Eine weitere Ausgabe aus dem Demultiplexer 426 ist ein Nicht-HF-Datenstrom, der N (z. B. acht) durch Zeitteilung gemultiplexte Datenströme enthält. Nur einer der N Datenströme gehört zu einem jeweiligen lokalen Unterbaum, und ein Drop/Add-Schaltkreis 434 wird verwendet, um den Nicht- HF-Datenstrom aus einem TDM-Zeitschlitz des Nicht-HF-Datenstroms zu extrahieren und einen neuen Nicht-HF-Datenstrom in denselben TDM-Zeitschlitz des Nicht-HF-Datenstroms einzufügen.
Noch eine weitere Ausgabe aus dem Demultiplexer 426, die in 16 nicht dargestellt ist, ist der Wartungsdatenstrom (wenn überhaupt vorhanden), der in dem empfangenen Datenstrom enthalten ist. In einer weiteren Ausführungsform ist eine weitere Ausgabe aus dem Demultiplexer 426, die in 16 nicht dargestellt ist, ein Anweisungsdatenstrom, der in dem empfangenen Datenstrom enthalten ist. Diese Seiten des Demultiplexers 426 werden nachfolgend mit Bezugnahme auf andere Figuren beschrieben.
Wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann der HF-Sender 402 einen Satz von Sensoren 226 zur Überwachung der Temperatur, Spannungen und anderer Parameter des Senders 402 umfassen. Die vom Sensor erzeugten Werte werden durch einen Prozessor 420 gelesen, der auch eine innere Speichervorrichtung 230 zum Speichern der Senderidentifizierungsinformationen, wie z. B. Seriennummern, Modellnummern, Software- und Hardware-Überprüfungen, Herstellungsdatum und dergleichen, des Senders 402 umfasst. Der Prozessor leitet die vom Sensor erzeugten Werte wie auch die Senderidentifizierungsinformationen, die hier zusammenfassend als Wartungsdaten bezeichnet werden, periodisch an eine FIFO-Speichervorrichtung 229 (in 20 dargestellt) weiter. In einer Ausführungsform werden die Wartungsdaten der Speichervorrichtung 229 alle 40 ms übermittelt.
Darüber hinaus umfasst der HF-Sender 402 vorzugsweise einen HF-Datenabtaster 422 zum Einsetzen eines Stroms von Abtastungen der HF-Daten aus dem lokalen Unterbaum in den Wartungsdatenstrom. In einer Ausführungsform wird der HF-Datenabtaster 422 durch eine Anweisung aktiviert, die vom Kopfstationssystem gesendet wird. In einer weiteren Ausführungsform ist der Prozessor 420 programmiert, den HF-Datenabtaster 422 auf einer periodischen Basis zu aktivieren, wie z. B. einmal pro Minute. Wenn er aktiviert ist, dann erzeugt der HF-Datenabtaster 422 in Verbindung mit dem Prozessor 402 eine ausreichende Zahl von Abtastungen der HF-Daten aus dem lokalen Unterbaum, um einen Rechner oder eine andere Vorrichtung, welche die abgetasteten HF-Daten (über den Wartungsdatenstrom) empfängt, zu befähigen, eine Fourier-Analyse dieser Daten auszuführen, um zum Beispiel zu bestimmen, ob es einen übermäßigen Ingress bei dem lokalen Unterbaum gibt.
17 stellt eine Ausführungsform des Empfängers 424 und des Demultiplexers 426 des Unterbaum-Rückverbindungssenders von 16 dar. Der Empfänger 424 umfasst einen Faserempfänger 252, 254, einen Entserialisierer-Schaltkreis 258 und einen Taktrückgewinnungsschaltkreis 260, die so arbeiten, wie oben mit Bezugnahme auf 9A beschrieben wurde. Ein Verkettungsempfänger-Demultiplexer 450 empfängt die Daten und Markierungen, die durch den Entserialisierer-Schaltkreis 258 rückgewonnen wurden, und identifiziert und demultiplext diese Daten für eine zeitweilige Speicherung in den Speichervorrichtungen 452, die als FIFOs verwendet werden. Die HF-Datenwerte von 12 Bit werden gemeinsam mit einer EOF-Markierung und einer Übertragungsfehlermarkierung für jedes empfangene HF-Datenwort im Speicher 452-1 gespeichert; die Nicht-HF-Datenwerte von 4 bit sowie eine lokale Inhaltsauswahlmarkierung von 1 Bit sind im Speicher 452-2 gespeichert; und die Wartungsdaten im empfangenen Datenstrom sind im Speicher 452-3 gespeichert.
Der Demultiplexer 426 umfasst einen VCXO (spannungsgesteuerter Quarzoszillator) 264, der einen Abtasttakt erzeugt, und einen Taktgeschwindigkeitsanpassungsschaltkreis 284, der auf die gleiche Weise arbeitet, wie oben mit Bezugnahme auf 10 beschrieben wurde. Der Steuerlogik-Schaltkreis 454 arbeitet ähnlich wie der Steuerlogik-Schaltkreis 283 von 10, außer dass er jetzt alle HF-Daten in einem Speicher 452-1 speichert und die Nicht-HF aus einem Satz von Nicht-HF-Datenkanälen in einem weiteren Speicher 452-2 speichert. Dieser Steuerlogik-Schaltkreis 454 erzeugt auch einen Satz von Modussignalen, welche den Betrieb verschiedener Schaltkreise in dem verketteten summierenden HF-Sender 402 steuern, und er kann auch eine Verstärkungseinstellung für den Verstärker mit variabler Verstärkung 203 erzeugen.
18 zeigt den Teil des Verkettungsempfänger-Demultiplexers 450 von 17, der die lokale 1-Bit-Inhaltsauswahlmarkierung erzeugt, die in 17, 18 und 20 mit "Eth Sel" gekennzeichnet ist. Wie dargestellt ist, werden die rückgewonnenen Daten und Markierungen unter Verwendung einer "verdrahteten Logik" (d. h. durch Routing der verschiedenen Bitleitungen der Daten- und Markierungsbusse) kombiniert und separiert, um einen 14-Bit-"Daten + Übertragungsfehler + EOF"-Bus 460 und einen 4-Bit-"Ethernet-Daten"-Bus 461 auszubilden.
Eine Kanal-ID-Zustandsmaschine 466 verfolgt, welcher Nicht-HF-Datenkanal gerade verarbeitet wird. Wie in 19 dargestellt ist, wird immer dann, wenn im empfangenen Datenstrom einen Leerwort-Datenwort-Übergang vorliegt, die Zustandsmaschine so initialisiert, dass der Wert, der durch einen zyklischen TDM-Zeitschlitzzähler erzeugt wird, auf einen Anfangswert (z. B. 1) gesetzt wird. Ist die Zustandsmaschine einmal initialisiert, dann inkrementiert sie automatisch den zyklischen TDM-Zeitschlitzzähler jedes Mal, wenn durch den Verkettungsempfänger-Demultiplexer 450 ein neues HF-Datenwort empfangen worden ist. Wie in 18 und 19 dargestellt ist, wird darüber hinaus jedes Mal, wenn der durch den zyklischen TDM-Zeitschlitzzähler erzeugte Wert mit der ID oder dem Index der Kanal-ID für den lokalen Knoten übereinstimmt, das "Eth-Sel"-Signal auf einen ersten Wert (z. B. 1) gesetzt, und sonst wird es auf den entgegengesetzten Wert (z. B. 0) gesetzt. Die Eth-Daten und Eth-Sel-Signale bilden zusammen ein kanalmarkiertes 5-Bit-Datensignal 462.
Wie Fachleuten verständlich sein wird, gibt es viele andere Wege, auf denen die TDM-Zeitschlitze des Nicht-HF-Datenkanals durch die Unterbaum-Rückverbindungssender markiert und identifiziert werden könnten, und viele (wenn nicht alle) dieser Verfahren würden mit der Architektur und dem Arbeitsablauf der vorliegenden Erfindung konsistent sein.
20 zeigt eine Ausführungsform des Drop/Add-Schaltkreises 434, Multiplexers 436 und Senders 438 des in 16 dargestellten Unterbaum-Rückverbindungssenders 402. Der Drop/Add-Schaltkreis 434 übermittelt die Daten auf dem Eth-Datenbus über einen Latch 470 an einen einlaufenden lokalen Ethernet-Kanal, wenn das Eth-Signal aktiv (z. B. auf "1" gesetzt) ist, und setzt auch die von einem auslaufenden lokalen Ethernet-Kanal empfangenen Daten über einen Multiplexer 471 in den Nicht-HF-Datenstrom ein, wenn das Eth-Signal aktiv ist. Während der Zeitschlitze, in denen das Eth-Signal nicht aktiv ist, wird der Nicht-HF-Datenstrom durch den Multiplexer 471 unverändert durchgeleitet.
Der Multiplexer 436 von 16 ist in einer Ausführungsform unter Verwendung eines Steuerlogik-Schaltkreises 472 zur Steuerung des Schreibens der HF-Daten und der Nicht-HF-Daten in die Speichervorrichtung 474-1 implementiert. Der Steuerschaltkreis 472 schreibt auch die lokal erzeugten Wartungsdaten in eine Speichervorrichtung 229. Außerdem steuert der Steuerschaltkreis 472 den Vorgang des Lesens der Daten aus den Speichervorrichtungen 474-1, 452-3 (Wartungsdaten aus den vorherigen Knoten) und 229 (lokal erzeugte Wartungsdaten) auf eine Weise, die ähnlich zu der oben für den Steuerlogik-Schaltkreis 283 von 10 beschriebenen ist. Insbesondere werden Datenwörter im Speicher 474 immer dann für die Übertragung durch den Data-Out- Multiplexer 476 ausgelesen, wenn der Füllungswert des Speichers 474 über einem Grenzwert liegt. Liegt der Füllungswert des Speichers 474 nicht über dem Grenzwert, dann wird ein Satz von vier Leerwörtern zwischen die Datenrahmen eingefügt, wenn weder der Wartungsdatenspeicher 452-3 noch der 229 einen zur Übertragung bereiten Satz von Wartungsdaten enthält. Liegt der Füllungswert des Speichers 474 nicht über dem Grenzwert und enthält weder der Wartungsdatenspeicher 452-3 noch der 229 einen zur Übertragung bereiten Satz von Wartungsdaten, so werden ein Leerwort, ein Trägerwort und dann zwei Wörter der Wartungsdaten über den Multiplexer 476 zwischen Datenrahmen aus dem Speicher 474 übertragen. Sobald die Übertragung eines Satzes von Wartungsdaten entweder aus dem Wartungsdatenspeicher 452-3 oder aus 229 beginnt, wird die Übertragung der Wartungsdaten in diesem Speicher während der verfügbaren Zeitschlitze zwischen den Datenrahmen fortgesetzt (d. h. solange der Füllungswert des Speichers 474 nicht über dem Grenzwert liegt) bis der komplette Satz von Wartungsdaten gesendet worden ist.
Der Sender 438, der aus dem Serialisierer 206 und dem Laserdiodentreiber 208 sowie dem Laser 209 aufgebaut ist, arbeitet wie oben mit Bezugnahme auf 7 beschrieben wurde.
In 21 ist eine Ausführungsform der Zentralstelle 408 im Kopfstationssystem dargestellt. Die Zentralstelle umfasst einen Empfänger 424 für den Empfang des Rückverbindungsdatenstroms aus dem letzten Unterbaum-Rückverbindungssender im System und einen Demultiplexer 478, um den HF-Datenstrom, den Nicht-HF-Datenstrom und die Wartungsdaten voneinander abzutrennen. Der Empfänger 424 ist in 17 dargestellt, und er arbeitet auf die gleiche Weise wie der Empfänger 424 in dem Unterbaum-Rückverbindungssender. Der Demultiplexer 478 leitet den HF-Datenstrom zu einem CMTS 134 im Kopfstationssystem, leitet die Nicht-HF-Datenströme zu einem Satz von Sende-Empfängern 479, von denen jeder Daten mit einem entsprechenden Router 406 (z. B. Ethernet-Router) austauscht, und leitet die Wartungsdaten zu einem Prozessor 482 in der Kopfstation zur Analyse. Jeder Sende-Empfänger 479 sendet einen der Nicht-HF-Datenströme an einen entsprechenden Router und empfängt einen Nicht-HF-Datenstrom von diesem Router. Die Router 406 können herkömmliche Datennetzrouter, so z. B. 10-Mb/s- oder 100-Mb/s-Ethernet-Router, sein. Das Kabelmodem-Terminationssystem (CMTS) 134 empfängt den HF-Datenstrom, der die summierten Abtastungen von mehreren verschiedenen Unterbaum-HF-Signalen darstellt, und rekonstruiert daraus digitale Nachrichten, die in einem jeden Unterbaum-HF-Signal codiert sind. Da das CMTS 134 ein Produkt ist, das seit einer Reihe von Jahren zur Verarbeitung von Rückwegsignalen in vielen Kabelfernsehsystemen in Gebrauch ist, wird seine Struktur und Arbeitsweise hier nicht beschrieben.
Downstream-Senden von Anweisungen an Unterbaum-Rückverbindungssender
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden durch das Kopfstationssystem oder eine Zwischen-Zentralstelle Anweisungen gesendet, um so die Arbeit der Unterbaum-Rückverbindungssender zu steuern. Der Bedarf an einer Kopfstationssteuerung der Unterbaum-Rückverbindungssender betrifft potenziell alle oben beschriebenen Ausführungsformen. Zum Beispiel werden die vom Kopfstationssystem gesendeten Anweisungen von einem (in 5 dargestellten) Steuerlogik-Schaltkreis 227 empfangen, der die Anweisungen verwendet, um die Verstärkung der Verstärker 203 wie auch den Modus der anderen Komponenten des Senders 200 festzulegen.
22 zeigt ein System, um über die Haupt-Vorwärtsverbindung des Kabelfernsehnetzes Anweisungen an die Rückweg-Sender von mehreren Unterbäumen zu senden. In dieser Ausführungsform umfasst das Kopfstationssystem 480 einen Prozessor 482, normalerweise einen Rechner, der die Anweisungsdatenpakete über den Kopfstationssender 318 in die Haupt-Vorwärtsverbindung eingibt. Die Anweisungen werden zusammen mit Fernsehsignalen und Dateneinspeisungen vom Vorwärtswegempfänger 302 eines jeden Unterbaums im System empfangen. Die Anweisungspakete werden vorzugsweise bei einer Trägerfrequenz übertragen, die nicht von anderen Signale im System verwendet wird, und deshalb wird ein Kammfilter 484 verwendet, um die Anweisungspakete zu extrahieren, und es wird ein Verstärker 486 verwendet, um das extrahierte Signal in ein Datensignal umzuwandeln, das durch den Steuerlogik-Schaltkreis 454 des Unterbaum-Rückverbindungssenders empfangen und interpretiert werden kann.
23 zeigt eine andere Ausführungsform des Multiplexers von 17 mit zusätzlichen Schaltungen für den Empfang von Anweisungen, wie z. B. Anweisungen, die von einem Kopfstationsprozessor gesendet wurden, welche in einen Datenstrom eingebettet sind, der von der Kopfstation eines CATV-Systems empfangen wird. In dieser Ausführungsform wird der 24-Mb/s-Wartungsdatenkanal verwendet, um Anweisungen vom Kopfstationssystem (oder von einer Zwischen-Zentralstelle zwischen den HF-Sendern und dem Kopfstationssystem) an die HF-Sender über den Abwärtsverbindungs-Ethernet-Kanal 404-0 zu senden, der in 14 dargestellt ist. Beispiele für Anweisungen, die durch das Kopfstationssystem (oder durch eine Zentralstelle) an irgendeinen vorgegebenen HF-Sender gesendet werden können, schließen ein: eine Anweisung, um eine Abtastung der HF-Daten aus seinem Unterbaum über den Wartungsdatenkanal zu senden; eine Anweisung, um das Senden von HF-Daten aus seinem lokalen Unterbaum zu beenden (z. B. wegen eines übermäßigen Ingress in diesen Unterbaum); und eine Anweisung, die Verstärkung seines HF-Eingangsverstärkers zu erhöhen oder herabzusetzen. Die Anweisungsdaten werden vorzugsweise zwischen Datenrahmen gesendet, indem zwei Trägerwörter gefolgt von zwei Anweisungsdatenwörtern übermittelt werden. Wenn sie zusammengefasst werden, stellen die Anweisungsdatenwörter eine oder mehrere Anweisungen dar. Jede Anweisung enthält einen Zielbestimmungsanteil, der kennzeichnet, welcher HF-Sender oder welche HF-Sender das Ziel der Anweisung sind, und einen Anweisungsanteil, der eine in dem (den) gekennzeichneten Sender oder Sendern zu ergreifende Maßnahme oder einen festzulegenden Modus spezifiziert. Der Zielbestimmungsteil kann implementiert sein als ein Indexwert, der einen speziellen Knoten kennzeichnet, oder als eine Bitmap, die einen oder mehrere Knoten als das Ziel der Anweisung kennzeichnet. Der Anweisungsteil kann implementiert sein, indem ein herkömmliches Format "Operationscode + Operand" oder ein beliebiges anderes geeignetes Format verwendet wird.
Der Demultiplexer 500 umfasst einen Empfänger-Demultiplexer 502, der Anweisungen erkennt, die in dem Wartungsdatenstrom eingebettet sind, und sie in einer Speichervorrichtung 506 speichert. Wenn die Anweisung nur an den Unterbaum-Rückverbindungssender gerichtet ist, in dem sie empfangen wurde, dann wird durch den Steuerlogik-Schaltkreis 504 im Demultiplexer 500 verarbeitet und nicht an den nächsten Unterbaumknoten weitergeleitet. Ist die Anweisung nicht an den Unterbaum-Rückverbindungssender gerichtet, in dem sie empfangen wurde, oder ist sie auch an zusätzliche Unterbaum-Rückverbindungssender gerichtet, dann wird die Anweisung über den Data-Out-Multiplexer 476, der in 20 dargestellt ist, an den nächsten Unterbaumknoten weitergeleitet.
Automatische Verstärkungssteuerung und Ingress-Nachweis und -Steuerung
In einer beliebigen oben beschriebenen Ausführungsform, welche die Fähigkeit zum Senden von Anweisungen vom Kopfstationssystem an Unterbaum-Rückverbindungssender einschließt, kann das Kopfstationssystem die Verstärkungs einstellung des Eingangsverstärkers eines jeden Unterbaum-Rückverbindungssenders wie folgt optimieren. Zunächst überwacht das Kopfstationssystem das HF-Datensignal aus dem Unterbaum. in den 2×- und 1×-Rückverbindungssendern wird das HF-Datensignal aus jedem Unterbaum an der Kopfstation als ein ausgeprägtes Signal empfangen, und somit kann der Energiepegel im HF-Datensignal durch einen Prozessor in der Kopfstation analysiert werden. In der Verkettungsausführungsform kann jeder Unterbaum-Rückverbindungssender angewiesen werden, eine HF-Datensignalabtastung über den Wartungsdatenkanal an die Kopfstation zu senden.
In einer Ausführungsform wird eine Anzahl von Grenzwertpegeln festgelegt und dann verwendet, um zu bestimmen, wie die Verstärkung des HF-Eingangsverstärkers 203 (4) für jeden Unterbaum-Rückverbindungssender anzupassen ist. Wird festgestellt, dass der Energiepegel in dem HF-Datensignal für einen bestimmten Unterbaum unter einem ersten Grenzwert liegt, dann wird eine Anweisung an den Unterbaum-Rückverbindungssender gesendet, die Verstärkung des Eingangsverstärkers nach oben, zum Beispiel um 6 dB, anzupassen, um so die Leistung des HF-Datensignals anzuheben. Das hat eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses für den Unterbaum zur Folge, ohne dass irgendeine der Anlagen im System verändert werden muss. Wird festgestellt, dass der Energiepegel im HF-Datensignal für einen bestimmten Unterbaum über einem zweiten Grenzwert liegt, was anzeigt, dass ein Datenabschneiden auftreten kann, dann wird an den Unterbaum-Rückverbindungssender eine Anweisung gesendet, die Verstärkung des HF-Eingangsverstärkers nach unten, zum Beispiel um 3 dB oder 6 dB anzupassen, um so die Leistung des HF-Datensignals zu verringern und das Datenabschneiden zu vermeiden. Jeder Unterbaum-Rückverbindungsidentifikator ist vorzugsweise mit der Fähigkeit ausgestattet, in Reaktion auf Anweisungen, welche durch das Kopfstationssystem gesendet werden, die Verstärkung des Eingangsverstärkers auf mindestens drei ausgeprägte Verstärkungsstufen und vorzugsweise auf fünf ausgeprägte Verstärkungsstufen einzustellen.
Zusätzlich zur Überwachung der HF-Leistung ist in einer Ausführungsform ein Prozessor im Kopfstationssystem konfiguriert, periodisch eine Fourier-Analyse der aus jedem Unterbaum empfangenen HF-Daten auszuführen und automatisch Ingress-Probleme nachzuweisen. Wird ein Ingress-Problem nachgewiesen, dann wird ein Operator des Systems benachrichtigt. Der Systemoperator kann dann über das Kopfstationssystem dem Unterbaum-Rückverbindungssender eine Anweisung senden, entweder das Senden von HF-Daten an die Kopfstation zu beenden oder die Verstärkung des HF-Eingangsverstärkers so anzupassen, dass die Auswirkungen des Ingress-Problems herabgemindert werden. In einigen Ausführungsformen kann dann, wenn das durch den Prozessor im Kopfstationssystem nachgewiesene Ingress-Problem hinlänglich schwerwiegend ist, zeitgleich mit dem Senden einer Benachrichtigung an den Systemoperator automatisch eine Anweisung an den Rückverbindungssender für den Unterbaum, der das Ingress-Problem hat, gesendet werden, das Senden von HF-Daten an die Kopfstation zu beenden, oder es kann eine Anweisung zum Anpassen der Verstärkung des HF-Eingangsverstärkers gesendet werden.
Rückverbindungssystem mit HF-Kanal und Nicht-HF-Datenkanal großer Bandbreite
Das Augenmerk wird nun auf 24 gerichtet, die ein Blockdiagramm ist, das eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 24 zeigt ein digitales CATV-Rückwegverbindungssystem 600, in dem mehrere Rückweg-Sender 611 an mehrere Zentralstellen 621 und an ein Kopfstationssystem 631 gekoppelt sind. In dieser Ausführungsform empfängt jeder Rückweg-Sender 611 Rückweg-HF-Daten von einem lokalen Unterbaum J (wobei J ein Index ist, der den lokalen Unterbaum kennzeichnet), wandelt den entstehenden Datenstrom in ein optisches Digitalsignal um und leitet das optische Digitalsignal über eine Lichtleitfaser 602-J an eine Zentralstelle 621 weiter. Jede Zentralstelle 621 empfängt mehrere optische Digitalsignale von mehreren Rückweg-Sendern 611 und übermittelt die optischen Digitalsignale über das faseroptische Kabel 606 an die Kopfstations-Zentralstelle 631. Jede Zentralstelle 621 empfängt auch optische Signale aus der Kopfstations-Zentralstelle 631 und übermittelt diese optischen Signale an die Rückweg-Sender 611.
Das Rückverbindungssystem 600 stellt für eine beschränkte Anzahl von Teilnehmern zusätzlich zu dem HF-Datenkanal für die Übermittlung von HF-Daten an die Kopfstation (z. B. die Zentralstellen 621 und die Kopfstations-Zentralstelle 631) mehrere zugeordnete Hochgeschwindigkeits-Nicht-HF-Datenkanäle (d. h. digitale Datenkanäle) pro Sender 611 bereit, die von den HF-Datenkanälen getrennt sind. Mit anderen Worten stellt das Rückverbindungssystem 600 mehrere "Seitenband"-Datenkanäle hoher Datenrate zwischen einem Sender 611 und der Kopfstations-Zentralstelle 631 bereit. In einigen hier beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die mehreren Nicht-HF-Datenkanäle als 100BaseT-Ethernet-Kanäle implementiert. Es sollte jedoch verständlich sein, dass die Anzahl der Nicht-HF-Datenkanäle im System 600, die Datenrate der Nicht-HF-Datenkanäle und/oder die Typen der Datenkanäle in anderen Ausführungsformen der Erfindung unterschiedlich sein können. Wenn zum Beispiel den digitalen Ethernet-Datenkanälen im Rückweg eine Bandbreite von 1 Gb/s zugewiesen ist, was vor der 8b/10b-Umwandlung 800 Mb/s Daten entspricht, dann kann der Rückverbindungssender zum Beispiel durch einen Multiport-Ethernet-Router an eine beliebige Kombination von 10BaseT- und 100BaseT-Ethernet-Kanälen angeschlossen werden, solange die gesamte Datenbandbreite nicht 800 Mb/s überschreitet. Wenn allgemeiner die den digitalen Ethernet-Datenkanälen zugewiesene Bandbreite D ist, dann können A 10BaseT-Kanäle und B 100BaseT-Kanäle an den Rückverbindungssender angeschlossen werden, solange wie 10A und 100B nicht D überschreitet.
In anderen Ausführungsformen können die Nicht-HF-Datenkanäle als Halbduplex-Datenkanäle für die Beförderung von Daten nur in der Rückwegrichtung ("upstream") implementiert werden.
25A ist ein Blockdiagramm, das einige Komponenten eines Rückweg-Senders 611 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie dargestellt ist, ist der Rückweg-Sender 611 konfiguriert, ein Hochfrequenz(HF)-Signal aus einem Koaxialkabel zu empfangen. Das HF-Signal wird durch den Verstärker mit variabler Verstärkung 203 verstärkt und durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 202 digitalisiert. Wie in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die an anderer Stelle in diesem Schriftstück beschrieben sind, kann die Verstärkung eines jeden Verstärkers mit variabler Verstärkung 203 über Anweisungen, die von der Kopfstation erhalten werden, gesteuert werden. Diese Anweisungen werden durch Logikschaltkreise des Senders 611 verwendet, um die Verstärkung des Verstärkers 203 wie auch die Betriebsweise anderer Komponenten des Senders 611 einzustellen. Andere Schaltkreise des Rückweg-Senders 611, wie z. B. Abtasttakterzeuger und Symboltakterzeuger, die oben beschrieben sind, sind nicht dargestellt.
Mit weiterer Bezugnahme auf 25A wird die Ausgabe aus dem ADC 202 zur Signalverarbeitungslogik 613 weitergeleitet. Die Signalverarbeitungslogik 613 verarbeitet dann die digitalisierten HF-Signale und gibt eine Folge von Datenrahmen aus. In einer Ausführungsform enthält jeder Datenrahmen 80 Bits HF-Daten. Die Zahl der Datenbits pro Rahmen ist jedoch eine Frage der Entwurfswahl und kann in anderen Ausführungsformen unterschiedlich sein.
Über die Verarbeitung digitalisierter HF-Signale hinaus empfängt und verarbeitet die Signalverarbeitungslogik 613 Ethernet-Daten aus den Ethernet-Sende-Empfängern 619. In einer Ausführungsform setzt die Signalverarbeitungslogik 613 die Ethernet-Daten in die Datenrahmen ein, um zusammen mit den digitalisierten HF-Daten an die Kopfstation übertragen zu werden. Der Einfachheit halber werden die Ethernet-Daten zur Übertragung an die Kopfstations-Zentralstelle 631 als Rückweg-Ethernet-Daten oder "Upstream"-Ethernet-Daten bezeichnet.
Die Signalverarbeitungslogik 613 erzeugt auch Ergänzungsdatenwörter, die zwischen die Datenrahmen einzusetzen sind, und sie erzeugt ein Rahmensteuersignal zur Anzeige, ob die Ausgabe, die sie gerade erzeugt, Teil eines Datenrahmens oder Teil des Ergänzungsdatenstroms ist. Die Ergänzungsdatenwörter schließen in der vorliegenden Ausführungsform Statusinformationen (z. B. Wartungsdaten) des Senders 611 ein.
Die durch die Signalverarbeitungslogik 613 erzeugten Datenrahmen und Ergänzungsdatenwörter werden durch einen Serialisierer-Schaltkreis SERDES 616 in einen bitausgeglichenen Datenstrom serialisiert und 8b/10b-gewandelt. Die Ausgabe des Serialisierer-Schaltkreises wird durch einen optoelektronischen Sender 615a in ein digital moduliertes optisches Signal umgewandelt. Der optische WDM-Multiplexer/Demultiplexer 617 übermittelt dann das digital modulierte optische Signal "upstream" über die Lichtleitfaser 602 zur Kopfstation hin.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird kein optischer WDM-Mux/Demux 617 verwendet, und stattdessen werden zwei getrennte Fasern für die Upstream- und Downstream-Kommunikationskanäle zu der bzw. von der Zentralstelle verwendet.
Mit weiterer Bezugnahme auf 25A empfängt der optische WDM-Mux/Demux 617 optische "Downstream"-Signale von der Lichtleitfaser 602. Der optische Mux/Demux 617 übermittelt die optischen "Downstream"-Signale an einen optoelektronischen Empfänger 615b, der die optischen Signale in elektrische Signale umwandelt. Die elektrischen Signale werden erforderlichenfalls durch einen Entserialiserer-Schaltkreis des SERDES 616 in einen entserialisierten Datenstrom entserialisiert und 10b/8b-gewandelt. Die Signalverarbeitungslogik 613 empfängt den entserialisierten Datenstrom aus dem SERDES 616, verarbeitet den entserialisierten Datenstrom, gewinnt daraus die "Downstream"-Ethernet-Daten zurück und gibt die "Downstream"-Ethernet-Daten an die Ethernet-Sende-Empfänger 619 aus. In der vorliegenden Erörterung werden Daten, die sich im Rückverbindungssystem 600 in der Vorwärtswegrichtung bewegen, als Vorwärtswegdaten bezeichnet, und Ethernet-Daten, die sich im Rückverbindungssystem 600 in der Vorwärtswegrichtung bewegen, werden als Vorwärtsweg-Ethernet-Daten bezeichnet. In einigen Ausführungsformen werden Anweisungen für das Steuern des Rückweg-Senders 611 (z. B. Daten zum Steuern der Verstärkung des Verstärkers mit variabler Verstärkung) durch das digitale Rückverbindungssystem 600 übermittelt. In diesen Ausführungsformen können die Anweisungen aus den Vorwärtswegdaten rückgewonnen werden.
Es sollte auch angemerkt werden, dass die Rückwegdaten (einschließlich der Rückweg-HF-Daten und der Rückweg-Ethernet-Daten) durch optische Signalen bei einer ersten Wellenlänge (z. B. 1590 nm) transportiert werden. Die Vorwärtswegdaten (einschließlich der Vorwärtsweg-Ethernet-Daten) werden auf optischen Signalen bei einer zweiten Wellenlänge (z. B. 1310 nm) transportiert. Die Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen im Rückverbindungssystem 600 ermöglicht es, mehrere optische Signale auf denselben Lichtleitfasern 602 zwischen den Rückweg-Sendern 611 und einer Zentralstelle 621 weitgehend ohne Überlagerungsstörung zu übermit teln. Die Rückwegdaten und die Vorwärtswegdaten werden auf demselben faseroptischen Kabel durch passive optische Multiplexer/Demultiplexer gemultiplext und demultiplext.
Das Augenmerk wird nun auf 25B gerichtet, die ein Blockdiagramm ist, das eine Signalverarbeitungslogik 613 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Arbeitsgänge der Signalverarbeitungslogik 613 sind ähnlich zu denen der Signalverarbeitungslogik 204-1X von 8. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Signalverarbeitungslogik 613 einen Ethernet-E/A-Block 522, der konfiguriert ist, E/A-Funktionen zwischen der Signalverarbeitungslogik 613 und den Ethernet-Sende-Empfängern 619 bereitzustellen, und den Rückweg-Ethernet-Datenmultiplexer 521 für das "Multiplexen" der Rückweg-Ethernet-Daten aus mehreren Ethernet-Kanälen, um einen Rückweg-Ethernet-Datenstrom auszubilden. Der Rückweg-Ethernet-Datenstrom wird dann einer Speichervorrichtung 524 für das Pufferspeichern übermittelt. Der Steuerlogik-Schaltkreis 626 und der Data-Out-Multiplexer 528 kombinieren den digitalisierten Rückweg-HF-Datenstrom und den Rückweg-Ethernet-Datenstrom zum Beispiel auf eine Weise, die ähnlich zu der in 15 dargestellten ist, und verschachteln dann die kombinierten Daten mit Wartungsdaten für die Übertragung auf dem Rückweg. In einigen Ausführungsformen können die HF-Daten und die Rückweg-Ethernet-Daten auf dem Rückweg gemeinsam mit den Wartungsdaten in getrennten Datenrahmen, die verschachtelt sind, übermittelt werden.
In 25B ist auch ein Vorwärtswegdaten-Demultiplexer 520 dargestellt, der die Daten und Markierungen empfängt, die vom Entserialisierer-Schaltkreis des SERDES 616 rückgewonnen wurden, und diese Daten identifiziert und demultiplext. Die Daten, die als Vorwärtsweg-Ethernet-Daten identifiziert sind, werden dem Ethernet-E/A-Block 522 weitergegeben. In der vorliegenden Ausführungsform kann der Vorwärtswegdaten-Demultiplexer 520 Anweisungen aus den vom Entserialisierer- Schaltkreis rückgewonnenen Daten und Markierungen identifizieren. Die so rückgewonnenen Anweisungen können verwendet werden, um bestimmte Arbeitsgänge des Rückweg-Senders 611 zu steuern. Es sollte beachtet werden, dass in den speziellen Ausführungsformen, die in 25A–25B dargestellt sind, der Rückweg-Sender 611 nicht eingerichtet ist, die Vorwärtsweg-HF-Daten zu empfangen. Vorwärtsweg-HF-Daten können üblicherweise über ein Vorwärtswegverbindungssystem gesendet werden, das nicht dargestellt ist.
26 ist ein Blockdiagramm, das die Komponenten einer Zentralstelle 621 darstellt, mit der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umgesetzt wird. Wie dargestellt ist, umfassen die Komponenten einer Zentralstelle 621 mehrere optische WDM(Wellenlängenteilungsmultiplex)-Multiplexer/Demultiplexer 623 und einen optischen 40-Kanal-DWDM(Dichter Wellenlängenteilungsmultiplex)-Multiplexer/Demultiplexer 625, der in einem bidirektionalen Modus arbeitet. Jeder optische WDM-Mux/Demux 623 schließt über das faseroptische Kabel 624 an den optischen DWDM-Mux/Demux 625 an. Der optische DWDM-Mux/Demux 625 multiplext alle Wellenlängen aus den einzelnen WDM-Mux/Demux 623 zusammen unter Verwendung des DWDM und sendet dann das DWDM-Signal über das faseroptische Kabel 606 an die Kopfeinheit.
Das Augenmerk wird nun auf die Kopfstations-Zentralstelle 631 des digitalen CATV-Rückwegverbindungssystems 600 gerichtet, von der ein Teil in 27A entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Die Kopfstations-Zentralstelle 631 umfasst einen optischen DWDM-Mux/Demux 633 für die Kommunikation mit dem optischen DWDM-Mux/Demux 625 der Zentralstelle 621 über das faseroptische Kabel 606. Im Betrieb empfängt der optische DWDM-Mux/Demux 633 optische Rückwegsignale aus dem faseroptischen Kabel 606, gewinnt Signale bei jeder betreffenden Wellenlänge zurück und stellt sie den entsprechenden Sende-Empfänger-Karten 635 bereit. Der optische DWDM-Mux/Demux 633 empfängt ferner optische Vorwärtsverbindungssignale von den Sende-Empfänger-Karten 635 und übermittelt sie über das faseroptische Kabel 606 an die Zentralstellen 621.
Mit Bezugnahme auf 27B umfasst jede Sende-Empfänger-Karte 635 einen optoelektronischen Sender 641, einen optoelektronischen Empfänger 642, einen Vorwärtswegdaten-Multiplexer 643, einen Rückwegempfänger-Demultiplexer 644, einen Ethernet-E/A-Block 645 und einen Analog-Rück-D/A-Wandler 646. Die vom optoelektronischen Empfänger 642 empfangenen optischen Signale werden durch den Rückwegempfänger-Demultiplexer 644 in elektrische Signale umgewandelt, die in einen Strom von Datenrahmen entserialisiert werden, der digitalisierte HF-Daten und Ethernet-Daten enthält. Darüber hinaus werden geeignete 10b/8b-Umformungen ausgeführt, und durch den Rückwegempfänger-Demultiplexer 644 werden Ergänzungsdatenwörter aus den Rückwegdaten rückgewonnen. Dann werden die digitalisierten Daten in den Analog-Rück-D/A-Wandler 646 geführt und in analoge HF-Signale umgewandelt. In der vorliegenden Ausführungsform werden die analogen HF-Signale dem CMTS im Kopfstationssystem bereitgestellt. Die aus den optischen Signalen rückgewonnenen Ethernet-Daten werden einem Ethernet-E/A-Block 645 und einem Ethernet-Schalter oder einem Router übergeben, der an die Kopfstations-Zentralstelle 631 angeschlossen ist. Die Wartungsdaten werden der (nicht dargestellten) Statusanalyse-Logik der Kopfstations-Zentralstelle 631 bereitgestellt.
In einer Ausführungsform ist der Rückwegempfänger-Demultiplexer 644 im Wesentlichen ähnlich zu dem Demultiplexer 426 der 17–18; und die Ethernet-Kanäle können durch eine Kanalzustandsmaschine, die ähnlich zu der in 19 dargestellten ist, ausgewählt werden. Zum Beispiel enthält der Rückwegempfänger-Demultiplexer 644 Schaltungen, die eine Abtasttaktrate erzeugen, welche der Rate entspricht, mit der das analoge HF-Signal am Sender 611 abgetastet wird. Der Rückwegempfänger-Demultiplexer 644 verwendet diese Abtasttaktrate, um die Folge von Abtastungen des HF-Signals, das durch die Folge von Datenrahmen dargestellt wird, zu regenerieren. Ein Unterschied zwischen dem Rückwegempfänger-Demultiplexer 644 und dem Demultiplexer 426 besteht jedoch darin, dass der Rückwegempfänger-Demultiplexer 644 nicht in einer Verkettungsform an die Rückweg-Sender 611 gekoppelt ist.
Mit Rückverweis auf 27A gehen die Vorwärtsweg-Ethernet-Daten über den Ethernet-E/A-Block 645 in das System 600 ein. Dann werden die Vorwärtsweg-Ethernet-Daten dem Vorwärtsweg-Ethernet-Datenmultiplexer 643 zugeführt. In einer Ausführungsform verschachtelt der Vorwärtsweg-Ethernet-Datenmultiplexer 643 Daten aus mehreren Ethernet-Datenkanälen und erzeugt einen Vorwärtsweg-Ethernet-Datenstrom. In der vorliegenden Ausführungsform können Anweisungen oder Steuerinformationen mit dem Vorwärtsweg-Ethernet-Datenstrom kombiniert oder verschachtelt werden. Die entstehenden Daten werden einem optoelektronischen Sender 641 übergeben, um in ein optisches Signal für die Übertragung an einen Rückweg-Sender 611 umgewandelt zu werden.
Das Augenmerk wird nun auf die anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet. Mit Bezugnahme auf 28 ist dort ein digitales CATV-Rückwegverbindungssystem 700 dargestellt, in dem mehrere Rückweg-Sender 711 an mehrere Zentralstellen 621 und an ein Kopfstationssystem 631 gekoppelt sind. Im Unterschied zu den Rückweg-Sendern 611 empfängt jeder Rückweg-Sender 711 Rückweg-HF-Daten aus mehreren Unterbäumen, wandelt den empfangenen Datenstrom in ein optisches Digitalsignal um und leitet das optische Digitalsignal über eine Lichtleitfaser 602 an eine Zentralstelle 621 weiter. Jede Zentralstelle 621 empfängt mehrere optische Digitalsignale von mehreren Rückweg-Sendern 711, multiplext die optischen Signale optisch unter Verwendung von DWDM-Verfahren und übermittelt die optischen Digitalsignale über das faseroptische Kabel 606 an die Kopfstations-Zentralstelle 631. Jede Zentralstelle 621 empfängt auch optische Signale von der Kopfstations-Zentralstelle 631, demultiplext diese Signale optisch unter Verwendung von DWDM-Verfahren und übermittelt diese optischen Signale den Rückweg-Sendern 611. Ähnlich zu dem Rückverbindungssystem 600 weist das Rückverbindungssystem 700 mehrere Nicht-HF-Datenkanäle auf, die von dem HF-Datenkanal getrennt sind. Wie in den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurde, sind die Nicht-HF-Datenkanäle des Rückverbindungssystems 700 als 100BaseT-Ethernet-Kanäle implementiert.
29A ist ein Blockdiagramm, das einige der Komponenten eines Rückweg-Senders 711 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie dargestellt ist, ist der Rückweg-Sender 711 konfiguriert, Hochfrequenz(HF)-Signale aus zwei Koaxialkabeln zu empfangen. Die HF-Signale werden durch die Verstärker mit variabler Verstärkung 203 verstärkt und durch Analog-Digital-Wandler 202 digitalisiert. Wie in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung an anderer Stelle in diesem Schriftstück beschrieben ist, kann die Verstärkung eines jeden Verstärkers mit variabler Verstärkung 203 über Anweisungen gesteuert werden, die von der Kopfstation erhalten werden.
Mit weiterer Bezugnahme auf 29A wird die Ausgabe aus dem ADC 202 der Signalverarbeitungslogik 713 übergeben. Die von der Signalverarbeitungslogik 713 ausgeführten Arbeitsgänge sind größtenteils ähnlich zu den von der Signalverarbeitungslogik 613 von 25A–25B ausgeführten. Ein Unterschied besteht jedoch darin, dass die Signalverarbeitungslogik 713 die digitalisierten HF-Daten aus mehr als einer HF-Quelle kombiniert. Die Arbeitsgänge, die von dem SERDES 616, dem optoelektronischen Sender 615a, dem optoelektronischen Empfänger 615b und dem optischen WDM-Mux/Demux 617 ausgeführt werden, sind ähnlich zu den Ausführungsformen gemäß obiger Beschreibung.
29B ist ein Blockdiagramm, das die Signalverarbeitungslogik 713 eines Rückweg-Senders 711 darstellt. Einige Arbeitsgänge der Signalverarbeitungslogik 713 sind ähnlich zu denen der Signalverarbeitungslogik 613 von 25B. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Signalverarbeitungslogik 713 durch Schaltungen für den Empfang und das Speichern mehrerer Ströme von HF-Signalen ergänzt. Insbesondere kombinieren der Steuerlogik-Schaltkreis 726 und der Data-Out-Multiplexer 528 mehrere digitalisierte Rückweg-HF-Datenströme und den Rückweg-Ethernet-Datenstrom zum Beispiel auf eine Weise, die zu der in 15 dargestellten ähnlich ist, und verschachteln dann die kombinierten Daten mit Wartungsdaten für die Übertragung auf dem Rückweg. In einigen Ausführungsformen können die HF-Daten und die auslaufenden Ethernet-Daten zusammen mit Wartungsdaten auf dem Rückweg in getrennten Datenrahmen, die verschachtelt sind, übertragen werden. In anderen Ausführungsformen können die digitalisierten HF-Daten aus den zwei HF-Quellen digital summiert werden, bevor Ethernet-Daten in die Datenrahmen eingesetzt werden.
30A ist ein Blockdiagramm, das die Kopfstations-Zentralstelle 731 des Rückverbindungssystems 700 darstellt. Die Arbeitsgänge der Kopfstations-Zentralstelle 731 sind ähnlich zu denen Kopfstations-Zentralstelle 631. 30B ist ein Blockdiagramm, das den in 30A dargestellten Rückwegempfänger-Demultiplexer 744 detaillierter darstellt. In einer Ausführungsform ist der Rückwegempfänger-Demultiplexer 744 weitgehend ähnlich zu dem Demultiplexer 426 der 17–18; und die Ethernet-Kanäle können durch eine Kanalzustandsmaschine ausgewählt werden, die ähnlich zu der in 19 dargestellten ist. Ein Unterschied zwischen dem Rückwegempfänger-Demultiplexer 744 und dem Demultiplexer 426 ist jedoch, das der Rückwegempfänger-Demultiplexer 744 nicht in einer verketteten Form an die Rückweg-Sender 611 gekoppelt ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der Rückwegempfänger-Demultiplexer 744 mehrere Speichervor richtungen zum Speichern mehrerer Ströme von HF-Daten aufweist. Mit anderen Worten sind die Sende-Empfänger-Karten 735 konfiguriert, die HF-Daten und die Ethernet-Daten, welche durch die Rückweg-Sender 711 kombiniert wurden, rückzugewinnen. Darüber hinaus sind die Sende-Empfänger-Karten 735 konfiguriert, Ethernet-Daten von einem Ethernet-Schalter oder Router zu empfangen, der an die Kopfstations-Zentralstelle 631 angeschlossen ist, und Datenrahmen zu erzeugen, die den Rückweg-Sendern 711 zu übermitteln sind.
In einigen Ausführungsformen sind die Sende-Empfänger-Karten 735 konfiguriert, die durch die Rückweg-Sender 711 erzeugten Wartungsdaten aus den Rückweg("Upstream")-Daten rückzugewinnen. Außerdem ist die Kopfstations-Zentralstelle 731 an ein Steuersystem (z. B. den Prozessor 482) angeschlossen, um die Anweisungen zum Steuern der Rückweg-Sender 711 in Reaktion auf die Wartungsdaten zu empfangen. In diesen Ausführungsformen werden durch die Sende-Empfänger-Karten 735 Ergänzungsdatenwörter, welche die Anweisungen enthalten, erzeugt und in die Datenrahmen für die Übertragung an die Rückweg-Sender 711 eingesetzt.
31 ist ein Blockdiagramm eines digitalen CATV-Rückverbindungssystems 800 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform werden die aus einem Unterbaum empfangenen HF-Daten in optische Signale umgewandelt, um durch einen Rückweg-Sender 200-1X (7–8) zur Kopfstation übertragen zu werden. Der Rückweg-Sender 200-1X übermittelt jedoch keine Ethernet-Daten. Stattdessen werden die Ethernet-Daten in dieser Ausführungsform durch einen getrennten Ethernet-Datenverbindungs-Sende-Empfänger 812 abgefertigt, welcher über den optischen 3-Kanal-WDM-Mux/Demux 817 und die Zentralstelle 821 optische Signale von der Kopfstations-Zentralstelle 831 empfängt und ihr optische Signale übermittelt. (Die drei Kanäle beziehen Kanäle für die Übertragung und Rückweg-Ethernet-Daten und einen für die Rückweg-HF-Daten ein.) Zu beachten ist, dass die Zentralstelle 821 ähnlich zur Zentralstelle 621 ist, außer dass für den Empfang der Signale von dem optischen WDM-Mux/Demux 817 auch ein optischer 3-Kanal-WDM-Mux/Demux verwendet wird.
32 ist ein Blockdiagramm, dass den Rückweg-Sender 200-1X, den Ethernet-Datenverbindungs-Sende-Empfänger 812 und den optischen 3-Kanal-WDM-Mux/Demux 817 darstellt. Der Ethernet-Datenverbindungs-Sende-Empfänger 812 umfasst in der dargestellten Ausführungsform einen optoelektronischen Sende-Empfänger 815, den SERDES 616, die Signalverarbeitungslogik 813 und Ethernet-Sende-Empfänger 619. Im Betrieb empfängt der Ethernet-Datenverbindungs-Sende-Empfänger 812 "Upstream"- oder Rückweg-Ethernet-Daten aus den Ethernet-Sende-Empfängern 619 (z. B. den standardgemäßen 100BaseT-Sende-Empfängern), verarbeitet die Upstream-Ethernet-Daten und gibt an den optischen 3-Kanal-WDM-Mux/Demux 817 optische Signale aus, welche die Upstream-Ethernet-Daten enthalten. Darüber hinaus empfängt der Ethernet-Datenverbindungs-Sende-Empfänger 812 "Downstream"- oder "Vorwärtsweg"-Daten aus dem optischen 3-Kanal-WDM-Mux/Demux 817, verarbeitet die Downstream-Daten, um die von der Kopfstation übermittelten Ethernet-Daten rückzugewinnen, und gibt Ethernet-Daten an die Ethernet-Sende-Empfänger 619 aus. In dem Rückverbindungssystem 800 können über den Ethernet-Datenverbindungs-Sende-Empfänger 812 Anweisungen von der Kopfstations-Zentralstelle 831 an die Rückweg-Sender 200-1X gesendet werden. Somit schließt die Funktionalität des Ethernet-Datenverbindungs-Sende-Empfängers 812 in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Rückgewinnen der Anweisungen aus den "Downstream"- oder "Vorwärtsweg"-Daten und das Weiterleiten der Anweisungen an die Rückweg-Sender 200-1X ein.
In 33 ist eine Implementierung der Signalverarbeitungslogik 813 dargestellt. Die Arbeitsabläufe der Signalverarbeitungslogik 813 sind ähnlich zu denen der Signalverarbeitungslogik 713 und der Signalverarbeitungslogik 613. Die Signalverarbeitungslogik 813 der vorliegenden Ausführungsform empfängt jedoch keine HF-Signale. Somit kombinieren oder verschränken der Steuerlogik-Schaltkreis 826 und der Data-Out-Multiplexer 528 den Rückweg-Ethernet-Datenstrom mit den Wartungsdaten für die Übertragung auf dem Rückweg.
Das Augenmerk wird nun auf eine Implementierung der Kopfstations-Zentralstelle 831 des CATV-Rückverbindungssystems 800 gerichtet, von der ein Beispiel in 34A dargestellt ist. Die Arbeitsabläufe der Kopfstations-Zentralstelle 831 sind ähnlich zu denen der Kopfstations-Zentralstellen 631 und 731. Ein Unterschied besteht darin, dass die HF-Daten und die Ethernet-Daten getrennt behandelt werden. Wie dargestellt ist, weist jede Sende-Empfänger-Karte 835 einen Empfänger für die Rückverbindung 250-1X (9A) für den Empfang der optischen Signale und dafür auf, aus ihnen die HF-Daten und Wartungsdaten rückzugewinnen. Jede Sende-Empfänger-Karte 835 enthält ferner einen Ethernet-E/A-Block 645, einen Ethernet-Mux/Demux 843 und einen optoelektronischen Sende-Empfänger 841 für das Abfertigen der Ethernet-Daten und – in bestimmten Fällen – der Anweisungen zur Steuerung der Rückweg-Sender des Rückverbindungssystems 800.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 34B dargestellt ist, werden die HF-Daten und die Ethernet-Daten getrennt durch separate Sende-Empfängerkarten – die HF-Empfänger-Karte 835-A und das Ethernet-Sidecar 835-B – abgefertigt. Das Rückwegsignal wird über das faseroptische Kabel 606 von einer Zentralstelle 821 empfangen, durch den optischen DWDM-Mux/Demux 633 demultiplext und dem Empfangsteil des optoelektronischen Sende-Empfängers 990-1 der HF-Empfängerkarte 835-A bereitgestellt. Alternativ kann das Signal direkt dem Empfangsteil des optoelektronischen Sende-Empfängers 990-1 zugeleitet werden, wenn die Upstream- und Downstream-Signale zuvor demultiplext wurden oder wenn für die Upstream- und Downstream-Signale getrennte faseroptische Kabel verwendet werden. In einer Ausführungsform ist der optoelektronische Sende-Empfänger 990-1 ein SFF-Sende-Empänger.
Die im optoelektronischen Empfänger 990-1 empfangenen optischen Signale sind der vollständige Signalbereich, der über die Rückverbindung empfangen wird, wobei einige von ihnen nicht mit den HF-Daten oder den Wartungsdaten in Beziehung stehen. Deshalb überträgt der Sendeteil des optoelektronischen Sende-Empfängers 990-2 die Gesamtmenge der optischen Signale (nachdem sie durch einen – nicht dargestellten – SERDES serialisiert wurden) zurück an das Ethernet-Sidecar 835-B, wo sie vom Empfangsteil des optoelektronischen Sende-Empfängers 990-2 empfangen wird, während der Empfänger für die Rückverbindung 250-1X die HF-Daten und/oder Wartungsdaten aus dem empfangenen Signal extrahiert. In einer Ausführungsform ist der optoelektronische Sende-Empfänger 990-2 ein GBIC mit einem standardgemäßen Empfangsvermögen und einem DWDM-Sendevermögen.
Als Teil des Ethernet-Sidecar 835-B arbeiten das Ethernet-Daten-Mux/Demux 843 und der Ethernet-E/A-Schaltkreis 645 zusammen, um die Ethernet-Daten aus dem empfangenen optischen Signal rückzugewinnen und um in bestimmten Fällen die Anweisungen zum Steuern der Rückweg-Sender des Rückverbindungssystems rückzugewinnen. Der Ethernet-Daten-Mux/Demux 843, Ethernet-E/A-Schaltkreis 645 und der Sendeteil des optoelektronischen Sende-Empfängers 990-2 arbeiten auch zusammen, um Ethernet-Daten und/oder Anweisungen entweder direkt oder durch einen optischen DWDM-Mux/Demux 633 zurück an andere Zentralstellen 821 zu übertragen.
Ein Vorteil bei der Verwendung getrennter Karten zum Verar beiten der HF-Daten und der Ethernet-Daten ist der, dass das Ethernet-Sidecar 835-B in einem beliebigen angemessenen Abstand von der HF-Empfängerkarte 835-A angeordnet werden kann, was getrennte Plätze für die HF- und Ethernet-Verarbeitung, z. B. getrennte Gebäude, erlaubt. Das Ethernet-Sidecar 835-B kann als eine eigenständige Ethernet-Einheit, wie z. B. als ein Ethernet-Server, arbeiten. Um die Kosten für den Einsatz zweier getrennter Karten für die Signalverarbeitung zu verringern, können die FPGAs in der HF-Karte 835-A und das Ethernet-Sidecar 835-B denselben FPGA-Code verwenden, wobei jedes FPGA eingestellt ist, den entsprechenden Datentyp zu extrahieren.
34C zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform, in der die HF- und Ethernet-Daten bei getrennten Wellenlängen übertragen werden. In dieser Ausführungsform wird das Rückwegsignal, das aus der Zentralstelle 821 in dem optischen DWDM-Mux/Demux 633 empfangen wird, in getrennte Wellenlängen demultiplext, die zu den getrennten HF- und Ethernetsignalen gehören. Das HF-Signal wird dem optoelektronischen Empfänger 992 der HF-Empfängerkarte 835-A bereitgestellt. Das Rückweg-Ethernet-Signal wird dem Empfangsteil des optoelektronischen Sende-Empfängers 990 des Ethernet-Sidecar 835-B getrennt bereitgestellt. Die Vorwärtsweg-Ethernet-Daten werden durch den Sendeteil des optoelektronischen Sende-Empfängers zurück zum optischen DWDM-Mux/Demux 633 übermittelt, wo sie auf die Faseroptik 606 gemultiplext werden. Diese Ausführungsform ist dahingehend besonders vorteilhaft, dass es unnötig ist, einen Sender für den optoelektronischen Empfänger 992 der HF-Empfängerkarte 835-A zu verwenden. Durch Multiplexen und Demultiplexen mehrerer Wellenlängen auf die Faseroptik 606 können auch mehrere getrennte HF- und Ethernet-Kanäle verwendet werden.
35 ist ein Blockdiagramm eines Rückverbindungssystems 900 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Rückverbindungssystems 900 ist ähnlich zu dem Rückverbindungssystems 800 von 34. Ein Unterschied ist, dass anstelle der oder zusammen mit den HF-Rückverbindungssendern 200-1X HF-Rückverbindungssender 200 eingesetzt werden, die konfiguriert sind, mehrere HF-Signale und Wartungsdaten zu kombinieren oder zu verschachteln und die kombinierten Signale in optische Signale umzuwandeln.
36 ist ein Blockdiagramm der Kopfstations-Zentralstelle 931 des Rückverbindungssystems 900. Die Kopfstations-Zentralstelle 931 ist ähnlich zur Kopfstations-Zentralstelle 831, außer das jede Sende-Empfängerkarte 935 einen Empfänger für die Rückverbindung 250 (9A) enthält, um die optischen Signale zu empfangen und daraus mehrere HF-Signale und Wartungsdaten rückzugewinnen. Jede Sende-Empfängerkarte 935 enthält ferner einen Ethernet-E/A-Block 645, einen Ethernet-Mux/Demux 843 und einen optoelektronischen Sende-Empfänger 841 zum Abfertigen der Ethernet-Daten und – in bestimmten Fällen – der Anweisungen zur Steuerung der Rückweg-Sender des Rückverbindungssystems 800.
Obwohl es nicht explizit dargestellt ist, kann in anderen Ausführungsformen der Kopfstations-Zentralstelle 931 die Ethernet- und HF-Verarbeitung auf einzelne Karten aufgeteilt sein, ähnlich zu der in 34B dargestellten Ausführungsform. Auf diese Weise kann die HF-Verarbeitung und die Ethernet-Verarbeitung getrennt und entfernt voneinander, wie z. B. in separaten Gebäuden, stattfinden. Ferner könnte die Verarbeitung für die verschiedenen HF-Unterbäume (z. B. Unterbaum-1 und Unterbaum-2) an Orten stattfinden, die von der Verarbeitung anderer HF-Unterbäume (z. B. Unterbaum-3 und Unterbaum-4) getrennt ist, die getrennt von der Ethernet-Verarbeitung stattfinden kann. Das Aufteilen der Verarbeitung von verschiedenen HF- und Ethernet-Kanälen/Unterbäumen kann realisiert werden durch Verkettung eines Signals um die verschiedenen Verarbeitungsstationen herum, wobei der gesamte Umfang des Signals zwischen jeder Station rückübertragen wird. Oder alternativ können – wie in der in 34C dargestellten Ausführungsform – getrennte Wellenlängen die HF-Daten, Ethernet-Daten und/oder beliebige Kombinationen daraus aufnehmen. In dieser Ausführungsform wird das empfangene Signal nicht zwischen den Verarbeitungskarten rückübertragen, sondern es wird durch die optischen DWDM-Mux/Demux 633 in getrennte Wellenlängen aufgeteilt und geeignet weitergeleitet.
Es wurden Ausführungsformen eines CATV-Rückwegverbindungssystems gemäß vorliegender Erfindung beschrieben. Diese Ausführungsformen machen Gebrauch von der existierenden hybriden Faser-Koaxialkabel-Infrastruktur vieler CATV-Rückverbindungssysteme, die bereits an Ort und Stelle vorliegen. Somit können in den meisten Fällen die Bereitstellungskosten, die gewöhnlich die Kosten für das Verlegen eines faseroptischen Kabels über eine kurze Entfernung oder eines Doppeladerkabels zwischen dem Sender und dem Teilnehmer umfassen, durch die Teilnehmer oder den Systembetreiber schnell wieder hereinbekommen werden.
Alternative Ausführungsformen
Viele Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können entweder durch Modifizieren der verschiedenen Parameter, wie z. B. der Datenraten, Bitlängen, anderer Datenstrukturen usw., wie auch durch Kombinieren der Merkmale der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen erhalten werden. Zum Beispiel kann das Nicht-HF-Datenkanal-Merkmal der "Verkettungs"-Ausführungsformen (dargestellt in den 14–20) in den 1×- und 2×-Unterbaum-Sender-Ausführungen verwendet werden.
37 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Empfängers 540, wie z. B. eines Empfängers im Kopfstationssystem, der einen DAC-Takterzeuger 542 verwendet, der nicht mit dem Abtasttakt des Senders synchronisiert ist und dessen Taktrate nicht entsprechend dem Füllungsstand des HF-Daten-Pufferspeichers 544 abgestimmt ist. Daten und Markierungen werden aus den eingehenden digitalen optischen Signalen rückgewonnen, und ein Empfänger-Demultiplexer 546 speichert den HF-Datenstrom im Pufferspeicher 544, wie oben bezüglich der anderen Ausführungsformen des Empfängers beschrieben wurde. Ein Steuerlogik-Schaltkreis 548 erzeugt die Schreib-Adresse für das Speichern der HF-Daten im Speicher 544 und erzeugt auch die Lese-Adresse, um die HF-Daten aus dem Speicher 544 wieder auszulesen. Der Steuerlogik-Schaltkreis 548 erzeugt auch ein Speichertiefe-Signal auf der Basis der aktuellen Lese- und Schreib-Adressen.
Ein Resampler 552 empfängt über einen Deblockierungs-Schaltkreis 550, der ähnlich zu den oben beschriebenen Deblockierungs-Schaltkreisen ist, die HF-Abtastungen aus dem Speicher 544. Der Verwendungszweck des Resamplers 552 ist die Erzeugung eines interpolierten Wertes auf Basis eines Satzes von empfangenen HF-Datenwerten, welcher den Wert des ursprünglichen/abgetasteten HF-Signals zu einem Zeitpunkt darstellt, der dem nächsten Zyklus des DAC-Takts entspricht. Der interpolierte Wert wird dem DAC 553 übergeben, der ein regeneriertes HF-Signal erzeugt. Die Rate des DAC-Takts ist nicht die gleiche wie der Abtasttakt am Sender. Der Unterschied in den Taktraten kann klein sein, wie z. B. dort, wo der DAC-Takt nahe an den aber nicht genau gleich dem Abtasttakt gesetzt wird, oder der Unterschied kann groß sein, wie z. B. dort, wo die DAC-Taktrate auf eine höhere Rate gesetzt wird als der Abtasttakt des Senders, wie z. B. eine Rate, die etwa das Doppelte der Abtastrate ist. Der Resampler 552 führt die Dateninterpolation entsprechend einer "Regel" aus, die durch einen Satz von Interpolationskoeffizienten dargestellt werden kann, die durch einen Regel-Erzeuger 554 erzeugt werden. Der Regel-Erzeuger 554 wiederum aktualisiert die Regel im Zeitablauf entsprechend einem Schleifenfilter-Signal, das durch ein Schleifenfilter 556 erzeugt wird, welches die Differenz zwischen dem Speichertiefe-Signal und einem vorgegebenen Füllungsgrad (erzeugt durch den Addierer 558) filtert. Die Resampling-Regel wird zu jedem DAC-Taktzyklus aktualisiert. Das Schleifenfilter 556, der Regelerzeuger 554 und der Resampler 552 führen im Digitalbereich das aus, was in der Tat eine Abtasttakt-Synchronisierung mit dem Sender ist, aber ohne die Taktrate des DAC-Takts tatsächlich anzupassen. Ein wichtiges Charakteristikum dieser Ausführungsform des Empfängers ist, dass das HF-Signal genau mit einem außerordentlich geringen Jitter regeneriert wird, da der lokale DAC-Takt nicht durch den Jitter in dem Takt beeinflusst wird, der durch den (in 37 nicht dargestellten) Lichtleitfaser-Digitalsignalempfänger rückgewonnen wird. Der DAC-Takterzeuger 542 kann auch eine weitaus kostengünstigere Oszillatorkomponente sein als der VCXO, der in den anderen Empfänger-Ausführungsformen verwendet wird, da der DAC-Takt nicht genau auf die Sender-Abtastrate abgestimmt zu werden braucht.
Es wird angemerkt, dass in den Systemen, welche die vorliegende Erfindung implementieren, viele andere spezifische Frequenzwerte verwendet werden könnten, die sich von denen unterscheiden, die in einigen hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden. Ebenso könnten andere Datenformate als die beschriebenen wie auch andere Schaltkreis-Konfigurationen und andere SERDES-Schaltkreise als die hier erwähnten verwendet werden.
Obwohl in einigen Ausführungsformen der Einsatz von Ethernet-Datenkanälen beschrieben ist, können in anderen Ausführungsformen die Datenkanäle, die zusammen mit dem (den) HF-Datenkanal (Kanälen) übertragen werden, ATM-, SONET-, Faserkanal- oder andere Typen von Datenkanälen sein.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf einige wenige spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Beschreibung eine Veranschaulichung der Erfindung und ist nicht zur Einschränkung der Erfindung vorgesehen.

Claims

Rückweg-Sender (611) zur Verwendung in Verbindung mit einem lokalen System, das ein analoges HF-Datensignal erzeugt, das einem Kopfstationssystem zu übermitteln ist, wobei der Rückweg-Sender (611) umfasst: einen HF-Signalempfänger, der konfiguriert ist, das analoge HF-Datensignal zu empfangen und in digitalisierte HF-Datenabtastungen umzuwandeln, wobei der HF-Signalempfänger weiter konfiguriert ist, einen ersten Datenstrom, der die digitalisierten HF-Datenabtastungen einschließt, auszugeben; einen Ethernet-Datenempfänger (619), der konfiguriert ist, erste Ethernet-Daten von einer Vorrichtung zu empfangen, die extern zum Rückweg-Sender ist, wobei der Ethernet-Datenempfänger (619) konfiguriert ist, die ersten Ethernet-Daten in einem zweiten Datenstrom auszugeben; Signalverarbeitungs-Logikschaltungen (613), die an den HF-Signalempfänger und den Ethernet-Datenempfänger (619) gekoppelt sind, um den ersten Datenstrom und den zweiten Datenstrom zu empfangen und zu verarbeiten und einen dritten Datenstrom auszugeben, der sowohl die ersten Ethernet-Daten als auch als auch die digitalisierten HF-Abtastungen enthält; einen Serialisierer/Entserialisierer SERDES (616), der eingerichtet ist, den dritten Datenstrom und einen vierten Datenstrom zu empfangen und zu verarbeiten; einen optischen Sender (615a), der konfiguriert ist, den Empfang des dritten Datenstroms vom SERDES zu empfangen und den dritten Datenstrom in ein erstes opti sches Datensignal zur Übertragung über eine Lichtleitfaser (602) zum Kopfstationssystem umzuwandeln; einen optischen Empfänger (615b), der konfiguriert ist, ein zweites optisches Signal über die Lichtleitfaser (602) zu empfangen, wobei der optische Empfänger konfiguriert ist, das zweite optische Datensignal in einen vierten Datenstrom umzuwandeln und den vierten Datenstrom dem SERDES zur Verarbeitung zu senden; die Signalverarbeitungs-Logikschaltung (613), die eingerichtet ist, den vierten Datenstrom vom SERDES zu empfangen, wobei die Signalverarbeitungs-Logikschaltung konfiguriert ist, die zweiten Ethernet-Daten aus dem vierten Datenstrom rückzugewinnen; und einen Ethernet-Datensender (619), der an die zweite Schaltung gekoppelt und konfiguriert ist, die zweiten Ethernet-Daten zu senden an die externe Vorrichtung, den HF-Signalempfänger, die Signalverarbeitungs-Logikschaltung, SERDES und den optische Sender, die gemeinsam einen Abschnitt eines Upstream-Datenweges des Rückweg-Senders umfassen, und den optischen Empfänger, SERDES und eine Signalverarbeitungslogik, die gemeinsam einen Abschnitt eines Downstream-Datenweges des Rückweg-Senders umfassen.
Rückweg des Senders nach Anspruch 1, der ferner einen optischen WDM-Multiplexer/Demultiplexer umfasst, der eingerichtet ist, das erste optische Datensignal zu empfangen und das empfangene erste optische Datensignal für die Übertragung über eine Lichtleitfaser an das Kopfstationssystem zu verarbeiten, wobei der optische WDM-Multiplexer/Demultiplexer ein Element sowohl des Upstream-Datenweges als auch des Downstream-Datenweges umfasst.
Rückweg-Sender nach Anspruch 1, der ferner einen Ethernet-E/A-Block umfasst, der zumindest im Downstream-Weg für die Kommunikation mit einem weiteren Element des Downstream-Datenweges angeordnet ist.
Rückweg-Sender (611) nach Anspruch 1, wobei die erste Schaltung (613) konfiguriert ist, Datenrahmen in dem kombinierten Datenstrom auszugeben, wobei jeder Datenrahmen Ethernet-Daten und digitalisierte HF-Datenabtastungen aufweist.
Rückweg-Sender (611) nach Anspruch 1, wobei die erste Schaltung (613) umfasst: eine erste Speichervorrichtung (223-1), die für die Zwischenspeicherung des ersten Datenstroms konfiguriert ist; eine zweite Speichervorrichtung (524), die für die Zwischenspeicherung des zweiten Datenstroms konfiguriert ist; Steuerschaltungen (626), die konfiguriert sind, den Füllungsgrad der ersten Speichervorrichtung (223-1) zu überwachen und auf Basis des Füllungsgrades Steuersignale zu erzeugen; und einen Multiplexer (528), um den dritten Datenstrom auszugeben, wobei der Multiplexer in Reaktion auf die Steuersignale die in der ersten Speichervorrichtung gespeicherten Daten in einer ersten Form ausgibt, wenn der Füllungsgrad der ersten Speichervorrichtung größer als ein vorher festgelegter Grenzwert ist, und er die in der ersten Speichervorrichtung gespeicherten Daten und die in der zweiten Speichervorrichtung gespeicher ten Daten in einer verschachtelten Form ausgibt, wenn der Füllungsgrad der ersten Speichervorrichtung kleiner ist als der vorher festgelegte Grenzwert.
Rückweg-Sender (611) nach Anspruch 5, ferner umfassend: Zusatzkanalschaltungen (226, 228, 238, 229), die an den Multiplexer (528) gekoppelt sind, wobei die Zusatzkanalschaltungen konfiguriert sind, Wartungsdaten zu erzeugen, die einen Betriebszustand des Rückweg-Senders (611) anzeigen, die Zusatzkanalschaltungen ferner konfiguriert sind, einen fünften Datenstrom zu erzeugen, der die Wartungsdaten einbezieht, wobei der Multiplexer konfiguriert ist, die Wartungsdaten in den dritten Datenstrom einzubeziehen.
Rückweg-Sender nach Anspruch 6, wobei die Zusatzkanalschaltung (226, 228, 229, 230) mindestens einen Sensor (226) für das Messen eines Betriebsparameters enthalten, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus der Temperatur und der Betriebsspannung besteht.
Rückweg-Sender (611) nach Anspruch 1, wobei die zweite Schaltung (613) umfasst: Schaltungen (520), die konfiguriert sind, Steuerinformationen für den HF-Signalempfänger aus dem zweiten optischen Signal rückzugewinnen und die Steuerinformationen dem HF-Signalempfänger bereitzustellen.
Rückweg-Sender (611) nach Anspruch 1, wobei der optische Sender (615a) und der optische Empfänger (615b) unterschiedliche, jeweils zugehörige Betriebswellenlängen aufweisen.
Rückweg-Sender (611) nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Wellenteilungs-Multiplexen, WDM, einen optischen MUX/DEMUX (617), der enthält: einen Eingang, der an den optischen Sender (615a) gekoppelt ist; und einen Ausgang, der an den optischen Empfänger (615b) gekoppelt ist.
Sende-Empfänger-Karte, die den Rückweg-Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 10 einbezieht.
Kopfstations-Zentralstelle, die eine Sende-Empfänger-Karte nach Anspruch 11 einschließt, und wobei die Kopfstations-Zentralstelle ferner einen optischen Kopfstations-Mux/Demux (633) umfasst, der an den optischen Empfänger (642) und den Rückweg-Sender (611) gekoppelt ist.