A. Technischer Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein optisches Empfangssystem mit einem
opto-elektrischen Wandler zum Wandeln von optischen
Eingangsimpulsen in elektrische Ausgangsimpulse.
B. Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein optisches Empfangssystem, welches in
grossem Masse geeignet ist, um hochverlässliche Übertragungen
von sogenannten "Burst-Mode" impulsartigen Signalen zu
erreichen. Insbesondere arbeitet das System gemäss der Erfindung in
grossem Masse zufriedenstellend bei der Übertragung von ATM-
Datenzellen. Das Empfangssystem gemäss der Erfindung ist
insbesondere ausgelegt für den Empfang und die Übertragung von ATM-
Datenzellen in einem Netzwerkvermittlungssystem aus lokalen,
passiven optischen Netzwerken (sogenannten PONs), wo es für die
ATM-Zellen, die von verschiedenen Teilnehmern stammen, möglich
ist, verschiedene Pulsamplituden aufzuweisen, die als Ergebnis
von verschiedenen Abständen zwischen Teilnehmern und der
Netzwerkvermittlungsstelle auftreten. Darüber hinaus treten aufgrund
der verschiedenen Abstände Phasendifferenzen zwischen den
einlaufenden Signalen und der Systemuhr des Empfangssystems auf. In
dem System gemäss der Erfindung werden eine Anzahl von Modulen
kombiniert, von denen einige an sich bekannt sind, aber in hohem
Masse geeignet sind, um mit anderen kombiniert zu werden, um ein
System zu ergeben, welches nicht teuer ist und eine hohe
Verarbeitungsgeschwindigkeit aufweist, was das System für ATM-
Applikationen hochgradig einsetzbar macht.
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Das System gemäss der Erfindung umfasst zwei Untersysteme,
nämlich einen Pulsglätter und einen Phasenkorrektor, die in
synergetischer Weise zusammengebaut sind. Es ist festzustellen, dass
Pulsglätter und Phasenkorrektoren als solche beispielsweise aus
der EP-A-0 424 741 und WO-A-91/15927 bekannt sind. Jedoch ist
die Architektur von diesen bekannten Untersystemen
unterschiedlich zur Architektur der Untersysteme gemäss der vorliegenden
Erfindung und daher können diese Untersysteme nicht in einfacher
Weise und einfach als Untersysteme gemäss der Erfindung
integriert werden.
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Das erste Untersystem umfasst einen ersten Puls/Puls-Wandler
(2), wie einen Verzögerungsleitungsdifferenziator, um
Ausgangsimpulse des optischen/elektrischen Wandlers (1) in Pulse
umzuwandeln, die eine Pulsbreite aufweisen, die klein ist in
Bezug auf die der Originalimpulse, und die dabei in konstanter
Weise die Polarität wechseln, deren Erscheinungszeiten den
Erscheinungszeiten der Vorderflanken und der Rückflanken der
Originalimpulse entsprechen und deren Amplituden gleich zu den
Amplituden der Originalimpulse sind; ein eingangsseitig regelndes
Amplitudenkorrektur-Element (3, 4) zum Wandeln der
Ausgangsimpulse des besagten Puls/Puls-Wandlers in Pulse von konstanter
maximaler Amplitude; und einen zweiten Puls/Puls-Wandler (5),
wie einen Integrator, zum Wandeln der bipolaren Ausgangsimpulse
des Amplitudenkorrektions-Elementes in unipolare Impulse -
Repliken der ursprünglichen Impulse - von denen die
Erscheinungszeiten der Vorderflanken und der Rückflanken den
Erscheinungszeiten der Ausgangsimpulse, deren Polaritäten wechseln, des
Amplitudenkorrektions-Elementes entsprechen.
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Das zweite Untersystem umfasst einen Phasenvergleicher (9, 10,
11, 7) zum Vergleichen der Phase der Impulse, die von dem besagten
opto-elektrischen Wandler (1) ausgesandt werden, oder von
einer Darstellung desselben, mit den Phasen der Impulse, die von
einem Systemtaktgenerator ausgesandt werden, und zum Aussenden
als Funktion des Vergleichsergebnisses eines Steuersignals an
ein Verzögerungselement (8), wobei die Ausgangsimpulse des opto-
elektrischen Wandlers oder Darstellungen davon einem ersten
Eingang des Phasenvergleichers vorgelegt werden, und die von dem
Systemtaktgenerator abgesandten Impulse an einem zweiten Eingang
des Phasenvergleichers vorgelegt werden, während das besagte
Steuersignal an einem Ausgang des besagten Phasenvergleichers
abgenommen wird, wobei die Verzögerungszeit des besagten
Verzögerungselementes in solch einer Weise von dem Steuersignal
gesteuert wird, welches von dem Phasenvergleicher abstammt, dass
die Pulse, die diesem Verzögerungselement vorgelegt werden, in
Übereinstimmung mit dem Unterschied zwischen der Phase dieser
Pulse, die von dem opto-elektrischen Wandler abstammen, und der
Phase des Taktpulsgenerators verzögert werden.
C. Spezifische Ausführungsbeispiele
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Im folgenden wird ein spezifisches Ausführungsbeispiel eines
Systems gemäss der Erfindung in Bezug auf die beiliegende Figur
beschrieben.
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Über ein passives optisches Netzwerk werden am Eingang des
dargestellten Systems - in einer Netzwerkzentrale angeordnet - die
ATM-Datenzellen, die durch Puls-Bursts gebildet werden und von
verschiedenen Teilnehmern stammen, vorgelegt werden. In einem
opto-elektrischen Wandler 1, der von einer Photodiode mit einem
zugehörigen Verstärker gebildet wird, wie er beispielsweise in
der Patentanmeldung NL 87 00 328 der Anmelderin beschrieben
worden ist, werden die vorgelegten optischen Pulsabfolgen, die die
ATM-Datenzellen bilden, in entsprechende elektrische
Pulsabfolgen umgewandelt. Der Verstärker ist ein Wechselspannungsgekoppelter
Verstärker, dessen Vorteile insbesondere auch darin
liegen, dass der Einfluss von thermischen Effekten (Drift)
minimal ist. Ein Problem in der Weiterverarbeitung dieser
Datenzellen liegt darin, dass die Pulsamplituden der Datenzellen, die
von verschiedenen Teilnehmern abstammen, in wesentlicher Weise
voneinander differieren können, da die Teilnehmer in
unterschiedlichen Distanzen vom Netzwerkzentrum angeordnet sind.
Daher können wesentliche Variationen in der
Gleichspannungskomponente entstehen, wobei Pulserfassung durch das Mittel eines
festen Erfassungsschwellwertes nicht möglich ist.
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Weiterhin entstehen durch Übertragungszeitdifferenzen
Differenzen in den Phasen der Pulsabfolgen, die von verschiedenen
Teilnehmern abstammen.
Erstes Untersystem:
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Um die Impulsamplituden "zu standardisieren", werden diese in
einem Korrekturelement 4 verarbeitet, welches durch den Ausgang
eines Amplitudenvergleicherelementes 3 nach vorne gesteuert
wird. Um in diesen Elementen den (unerwünschten) Effekt der
Gleichspannungskomponente des Signals zu eliminieren wird das
Ausgangssignal des opto-elektrischen Wandlers in einem
Puls/Puls-Wandler 2 in spitzenförmige Pulse von alternierender
Polarität gewandelt, wobei die positiven Spitzen den
Vorderflanken der zugeführten Pulse entsprechen, und die negativen Spitzen
den Rückflanken dieser Pulse entsprechen. Zu diesem Zweck wird
ein sogenannter "Verzögerungsleitungsdifferentiator" eingesetzt,
der unter anderem in der Patentanmeldung NL 92 01 003 der
Anmelderin beschrieben ist. Die unipolaren Eingangsimpulse werden
daher in bipolare Spitzen umgewandelt, deren Durchschnittswert je
Periode Null ist. Die Amplituden der spitzengeformten Pulse, die
den Amplituden der Originalimpulse entsprechen, werden dann in
den Elementen 3 und 4 "standardisiert". Das Element 3 ist ein
Vergleicher, der ein Referenzsignal A mit dem (absoluten Wert
des) Spitzenwertes der zugeführten Signalspitze vergleicht und
sendet ein Steuersignal aus, dessen Amplitude proportional zum
Abstand zwischen den beiden ist. Das Steuersignal wird einem
Verstärker 4 vorgelegt, dessen Verstärkung durch ein
Steuersignal gesteuert werden kann (anstelle eines Verstärkers ist es
auch möglich, einen steuerbaren Abschwächer vorzusehen). Daher
resultiert am Ausgang des steuerbaren Verstärkers 4 ein
spitzengeformtes bipolares Signal, dessen Absolutwert der Spitzen
konstant ist. Von dem Ausgangssignal wird dann ein unipolares
Pulssignal wiederum wiedergewonnen durch Vorlegen des
spitzengeformten Ausgangssignals an den Eingang eines zweiten Puls/Puls-
Wandlers, wobei dieser ein Setz/Rücksetzschaltkreis ist, an
dessen Ausgang zu allen Zeiten ein positives Signal abgegeben wird,
nach Erscheinen einer positiven Eingangsspitze ("Setzsignal")
bis an seinem Eingang eine negative Spitze ("Rücksetzsignal")
erscheint.
Zweites Untersystem:
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Wie oben beschrieben, werden die unterschiedlichen Pulsabfolgen
(die ATM-Zellen) im allgemeinen unterschiedliche Phasen
aufweisen. Die "Standardisierung" von diesen findet in einem
Untersystem statt, welches von den Elementen 9, 10, 11 und 7 gebildet
ist, dem Phasenvergleicher. Die Phase des Ausgangssignals des
Elementes 4, welches aus Amplituden-standardisierten bipolaren
spitzengeformten Pulsen besteht, wird mit der Phase eines
Referenztaktsignals verglichen (das lokale Systemtaktsignal). Dann
erscheint am Ausgang des Phasenvergleichers ein Steuersignal,
dessen Amplitude ein Mass für die Phasendifferenz zwischen den
zwei zugefügten Impulssignalen ist. Das Steuersignal steuert
eine veränderliche Verzögerungsleitung 7, wobei im Ergebnis die
Phasendifferenzen kompensiert werden.
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Der Phasenvergleicher wird von zwei Bandpassfiltern 9 und 10
gebildet, über dessen Ausgangssignal das Element 4 und das
(lokale) Systemtaktsignal jeweils einer Mischstufe 7 zugeführt
werden. An den Ausgängen der Filter 9 und 10 erscheinen sinusoidale
Signale. Da - wie es üblich ist - die Taktzykluszeit, die Zeit,
die für ein Takt Ein Bit und ein Takt Null Bit erforderlich ist,
der Pulszeit entspricht (Bit-Zeit, die Zeit für entweder ein
Signal-1-Bit oder ein Signal-0-Bit), ist die Taktfrequenz in einem
Teiler 11 zu halbieren, bevor sie dem Filter 10 vorgelegt wird,
damit die Frequenzen der Ausgangssignale der Filter 9 und 10
gleich sind. Die zwei Signale, die so verarbeitet worden sind,
werden in der Mischstufe 7 multiplikativ gemischt (miteinander
multipliziert). Das Ausgangssignal ist ein
Gleichspannungssignal, welches eingesetzt werden kann, um das
Verzögerungselement 8 zu steuern, und dessen Amplitude der Phasendifferenz der
zugeführten sinusoidalen Signale entspricht:
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cos a·cos b = ¹/&sub2; cos(a - b) + ¹/&sub2; cos(a + b)
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Ausgangssignal des Filters 9 = A cos(ωt + φ)
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Ausgangssignal des Filters 10 = A cos(ωt)
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Multiplikation der zwei Signale in der Mischstufe 7 führt zu:
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A cos(ωt + φ)·A cos(ωt)
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= A² {¹/&sub2; cos(ωt + φ - ωt) + ¹/&sub2; cos(ωt + φ + ωt)}
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= ¹/&sub2;A² {cos(φ) + (cos 2ωt + φ)}
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Der Ausdruck ¹/&sub2;A² cos(φ) ist das erforderliche
Gleichspannungssteuersignal (da ω abwesend ist), dessen Grösse eine Masszahl
für die Phasendifferenz φ zwischen den zwei Signalen ist; der
Ausdruck (cos 2ωt + φ) ist ein Wechselspannungssignal, welches in
einem Tiefpassfilter 12 ausgefiltert wird.
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Um zu gewährleisten, dass das Verzögerungselement 8 nur dann
gesetzt wird, wenn (unipolare) Impulse tatsächlich empfangen werden,
wird zwischen der Mischstufe 7 und dem einstellbaren
Verzögerungselement 8 ein "Abtast- und Halte-"Element 13 eingesetzt,
welches durch das verbesserte Ausgangssignal über eine Diode 14
des Filters 9 gesteuert wird. Solange keine Impulse auftreten,
wird das Gleichspannungssteuersignal an dem Verzögerungselement
8 nicht modifiziert. Falls Impulse am Eingang des Systems
auftreten, werden diese in bipolare spitzengeformte Impulse
(Elemente 2) umgewandelt, die eine standardisierte Amplitude
aufweisen (Element 4), die auf der einen Hand zur Erzeugung von
Impulsrepliken dienen, die eine standardisierte Amplitude (Element
5) aufweisen, und die auf der anderen Seite dazu dienen, um ein
Wechselspannungssignal (Filter 9) zu erzeugen, welches (Element
7) durch ein Wechselspannungssignal multipliziert wird, welches
aus der Systemuhr (Elemente 10 und 11) abgeleitet wird, wobei
das Ergebnis ein Gleichspannungssteuersignal (Element 12) ist,
wobei das Wechselspannungsausgangssignal über eine Diode 14 das
"Abtast- und Halte"-Element 13 in einen offenen Zustand treibt,
womit im Ergebnis das Verzögerungselement 8 noch einmal durch
das Gleichspannungssteuersignal gesetzt wird, welches den Wert
¹/&sub2;A² cos(φ) aufweist. Schliesslich ist festzustellen, dass es nicht
absolut notwendig ist, die Eingangssignale in der Mischstufe 7
durch die Filter 9 und 11 zu filtern. Sicher sind die
verschiedenen Impulse in der Praxis auf keinen Fall perfekt quadratisch,
aber sie tendieren dazu, in einer sinusoidalen Form vorzuliegen,
so dass es praktisch immer möglich ist, die Filter 9 und 11
wegzulassen.
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In der Praxis erscheinen die oben beschriebenen Empfänger sehr
attraktive, gut arbeitende Vorrichtungen zu sein, insbesondere
in der Umgebung der Übertragung von ATM-Datenzellen in lokalen
PONs. Der Erfolg dieser relativ einfachen Empfänger wird durch
den synergetischen Effekt hervorgerufen, der durch den Einsatz
der besagten bipolaren spitzengeformten Impulse gleichzeitig als
Eingang für die Erzeugung der standardisierten Repliken der
originalen Signalimpulse, die in sehr gut erfassbaren Impulsen
resultieren, und als Eingang für die Erzeugung eines
Phasenkorrektursignals entsteht, welches in phasenkorrigierten Impulsen
resultiert, die für die weitere Verarbeitung gut geeignet sind.
D. Druckschriften
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[1] NL 87 00 328 im Namen der Koninklijke PTT Nederland N. V.
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[2] NL 92 01 003 im Namen der Koninklijke PTT Nederland N. V.