FI70352C - Foerfarande och anordning foer att utoeka dynamikomraodet hos en mottagare i ett fiberoptiskt informationsoeverfoeringssystem - Google Patents

Description

1 70352

Menetelmä ja laite kuituoptisen informaationsiirtojärjestelmän vastaanottimen sisääntuloasteen dynamiikka-alueen lisäämiseksi 5 Tekniikan ala

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää ja laitetta kuituoptisen informaationsiirtojärjestelmän vastaanottimen sisääntuloasteen dynamiikka-alueen lisäämiseksi. Sisääntu-loaste on lähemmin määriteltynä nk. siirtoimpedanssityyp-10 piä, joka esiintyy yleisesti kuituoptisissa yhteyksissä.

Tekniikan taso

Aikakausijulkaisun PROCEEDINGS OF THE IEEE, Voi. 65. No. 12 Dec 1977 artikkelissa RECEIVER DESIGN FOR OPTICAL FIBER SYSTEM - S.D. PERSONICK annetaan katsaus tekniikan 15 tasosta kyseisellä alueella. Artikkelista ilmenee mm., että vastaanottimen sisääntuloasteen dynamiikka, ts. korkeimman ja matalimman oikein ilmaistun sisääntulosignaalin välistä osamäärää voidaan parantaa vähentämällä siirtoimpedanssi-vastuksen avoa. Tämä johtaa kuitenkin siihen, että vastaan-20 otin saa alemman herkkyyden, mikä voi olla haitta tietyissä yhteyksissä.

Keksinnön selvitys

Teknillinen ongelma esillä olevassa tapauksessa perustuu vastaanottimen dynamiikka-alueen lisäämiseen siten, 25 että sekä hyvin voimakkaat että hyvin heikot optiset signaalit voidaan ilmaista oikein ilman, että herkkyys heikke-nee. Ongelma liittyy lisäksi tämän tekemiseen täysin elektronisesti, ts. vaikuttamatta itse valovirtaan.

Tavanomaisen siirtoimpedanssiasteen dynamiikkarajoi-30 tus perustuu siihen, että ulostulosignaali vääristyy ilmai-sukelvottomaan muotoon, kun se saavuttaa saman suuruusluokan kuin asteen vahvistimen syöttöjännite. Esillä oleva keksintö aikaansaa dynamiikka-alueen lisäyksen rajoittamalla ulostulosignaalia ilman, että se vääristyy liian paljon.

35 Keksintö soveltuu sitä paitsi edullisesti aikaansaamaan nopean dynamiikan, ts. vastaanotin voi ilmaista oikein esim. digitaaliset signaalipulssit, joiden amplitudi lyhyen aikajakson sisällä vaihtelee ääriarvojen välillä.

70352

Koko ajan edellytetään, että siirtoimpedanssiasteen jälkeen vastaanottimessa on piiri, joka aikaansaa itse signaalin ilmaisun ja että tämä piiri selviää ilmaisusta niin kauan kuin signaali ei ole voimakkaasti vääristynyt. Täl-5 lainen ilmaisinpiiri voi toimia esim. ns. AGC:n, automaattisen vahvistuksensäädön, avulla tunnetun tekniikan mukaisesti. Tämä piiri on kuitenkin varsinaisen keksinnön ulkopuolella .

Se ratkaisu ongelmaan, johon sillä oleva keksintö 10 viittaa, tunnetaan siitä, mikä ilmenee oheisista patenttivaatimuksista .

Keksinnön oleellisin etu on, että se yksinkertai-sillä välineillä tietyissä sovellutuksissa aikaansaa merkittävästi suuremman dynamiikan kuin mitä on mahdollista 15 tunnetun tekniikan avulla.

Kuvioiden selitys

Keksintöä tullaan alla kuvaamaan joidenkin suori-tusmuotoesimerkkien avulla viitaten oheiseen piirustukseen, jossa 20 kuvio 1 esittää keksinnön 1 mukaisen laitteen loh- kokaaviomuodossa, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen optosähköisen muun-timen suoritusmuodon, kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaisen integraattorin 2 25 suoritusmuodon, kuvio 4 esittää joidenkin keksinnön mukaisen piirin kiinnostavien signaalien yhteenkuuluvat arvot.

Edulliset suoritusmuodot

Kuvio 1 esittää lohkokaaviomuodossa keksinnön mukai-30 sen laitteen. Virta, joka on suoraan verrannollinen osuvan valon tehoon, kehitetään optosähköisessä muuntimessa 3.

Tämän muuntimen suoritusmuoto esitetään kuviossa 2. Esimerkin mukaan muunnin koostuu valodiodista, joka esijännitetään tasajännitteellä, jolla on esitetty napaisuus. Jat-35 kossa edellytetään, että diodi on jännitetty estosuuntaan, mikä on tavallisesti tämäntyyppisissä käyttötarkoituksissa. Yksinkertaisuuden vuoksi tullaan kehitettyä virtaa I kuvion 1 3 70352 navan 8 suunnassa tarkastelemaan varsinaisena sisääntulo-asteen tulosignaalina.

Kondensaattori 5, jolla on kapasitanssi Cp, edustaa muuttajan 3 väistämätöntä rinnakkaiskapasitanssia. Tällä 5 kapasitanssilla on keskeinen osa keksinnön toimintaa selitettäessä .

Muuttajan 3 ulostuloon on liitetty korkeaimpedans-sinen vahvistin 1, jolla on negatiivinen vahvistus -A, missä A >> 1. Vahvistin on käytännön syistä vaihtovirtakytket-10 ty, mutta siirtofunktiota laskettaessa alla olevan mukaisesti sitä tarkastellaan tasavirtakytkettynä, millä ei ole vaikutusta jatkoperustelun kannalta. Kondensaattori 6 edustaa vahvistimen 1 sisäkapasitanssia, jonka arvo on sa maa suuruusluokkaa kuin Cp. Vastus 4 on ns. siirtoimpedans-15 sivastus, jolla on arvo R^. Tunnetun tekniikan mukaisesti tulee arvon RT olla hyvin suuri, jos toivotaan hyvin herkkää sisääntuloastetta.

Vahvistimen 1 ulostulon 7 ja muuttajan 3 toisen navan 9 väliin on keksinnön mukaisesti liitetty integraatto-20 ri 2. Integraattori voi olla osittaislineaarinen, mutta laskelmissa alla sitä tarkastellaan lineaarisena piirinä, jolla on siirtofunktio A^/S, missä A^ voi olla hyvin suuri positiivinen luku ja S on Laplace-operaattori. Jos A^ asetetaan nollaksi, tulevat kondensaattori 5 ja muuttaja 3 25 vaihtovirtamaatetuiksi navassa 9 ja piiri toimii kuin tavanomainen siirtoimpedanssiaste. Jotta dynamiikka-aluetta voitaisiin lisätä, täytyy, mikä tullaan esittämään alla, vahvistusta A^ voida muuttaa joko ajasta riippuvalla osit-taislineaarisella tavalla tai ajasta riippumattomalla li-30 neaarisella tavalla riippuen kulloisestakin suoritusmuodosta. Dynaamisella osittaislineaarisella tavalla tarkoitetaan tässä, että A^ vaihtelee riippuvaisesti integraattorin 2 sisääntulosignaalista.

Tavanomaiselle siirtoimpedanssiasteelle pätee, että 35 siirtofunktio saa dimension ohmia, koska yllä olevan mukainen tulosignaali on virta ja lähtösignaali jännite. Jos vahvistimen 1 vahvistus A kasvaa kohti ääretöntä, lähenee siirtofunktio arvoa -RT- 4 70352

Keksinnön toiminnan selittämiseksi on soveliasta johtaa kuvion 1 mukaisen piirin siirtofunktio.

Alla määritellään joukko signaaleja, jolloin S yllä olevan mukaisesti merkitsee Laplace-operaattoria.

5 I(S) - muuttajassa 3 kehitetty virta ja määritelty positiiviseksi navan 8 suunnassa, ts. kuvion 1 mukaisen vahvistimen 1 sisääntulon suunnassa, U(S) = jännite navassa 7, ts. vahvistimen 1 ulostulossa , 10 V(S) = jännite navassa 8, I^(S) = virta kondensaattorin 5 läpi määritelty positiiviseksi suunnassa kohti napaa 8, I2(S) = virta kondensaattorin 6 läpi määritelty positiiviseksi suunnassa maadoitusta kohti, 15 I3(S) = virta vastuksen 4 läpi määritelty positiivi seksi suunnassa napaa 7 kohti.

Aikaisemmin määriteltyjen suureiden A, A^, R^,, CD ja C avulla voidaan muodostaa seuraavat yhtälöt.

20 U(S) = -A · V(S) (1) A1

Il(s) = (-^ · U(S) - V(S)) S · CD (2) I2(S) = V(S) · S CIN (3) 25 13 (S) = (V (S) - U (S) ) j RT (4) I(S) = I2(S) + 13 (S) - 13(8) (5) 30 Yllä esitettyjen yhtälöiden avulla voidaan helposti osoittaa, että siirtofunktioksi tulee = u(s> = _I__, 35 * ' KS) + (1+A) + SRt(Cd+Cin) m

Seuraavan esityksen yksinkertaistamiseksi aproksi-moidaan termi (A+l) termiksi A. Tämä on hyvä aproksimaatio, 5 70352 koska A >> 1. Lausekkeen (6) lisämuunnosten jälkeen saadaan tällöin -A . _i____ c + c 5 H (S) =--(7) AI1 Ai¥d) VCD + CIN> Tämä on yksinapaisen alipäästösuotimen siirtofunk-10 tio. Jos = O, tulee lauseke (7), kuten on aikaisemmin mainittu, tavanomaisen siirtoimpedanssiasteen siirtofunktioksi .

Huomataan, että kun A^> O alipäästösuotimen kaistanleveys lisääntyy, mikä tavallisesti ei ole haitta siir-15 toimpedanssiasteessa. Jotta saadaan selville, kuinka H(S) käyttäytyy päästökaistan sisällä, voidaan asettaa S = O.

20 ",0,=ίή

Lauseke 8 osoittaa selvästi, että voidaan aikaansaada vaihteleva vahvistus siirtoimpedanssiasteelle vaihtelemalla vahvistusta A^. Tämä voi esimerkiksi tapahtua käyttämällä tavanomaista AGC-silmukkaa piirissä. Kun vahvistus-25 ta A1 vaihdellaan, aikaansaadaan vaimennus, joka dBreinä lausuttuna tulee olemaan 20 10log (1+A1R Cd) 30 Lisäämällä vahvistusta A^, vähenee siten lähtösig- naalin amplitudi, mikä suurten tulosignaalien yhteydessä estää lähtösignaalin vääristymisen enemmän kuin on hyväksyttävää .

Kuten yllä on mainittu, voi integraattori 2 keksinnön 35 yhdessä suoritusmuodossa olla muodostettu epälineaarisena piirinä ja toisessa suoritusmuodossa osittaislineaarisena piirinä. Ensiksi mainitussa tapauksessa tulee vahvistimen 1 6 70352 olla vaihtovirtakytketty, koska valo ja siten virta I aina sisältävät tasavirtakomponentin johtuen siitä, että ei ole olemassa negatiivista valoa. Tämän tasavirtakomponentin tulisi, jos vahvistin 1 olisi tasavirtakytketty, aiheuttaa 5 tasajännite napaan 7, mikä puolestaan integroitaisiin in-tegraattorissa 2 ja aiheuttaisi jänniterampin navassa 9, joka voisi vähitellen kumota muuntimen 3 esijännitteen.

Yksi vaihtoehto on käyttää epäideaalista integraattoria, jolla on rajoitettu vahvistus alhaisilla taajuuksilla.

10 Kun integraattori 2 on muodostettu osittaislineaa- riseksi piiriksi, voi sillä olla kuvion 3 mukainen muoto. Periaatteessa on tässä toteutuksessa epälineaarinen jänni-teohjattu virtageneraattori 12, 13 kytketty integrointi-kondensaattoriin 10. Purkausvastus 11 on liitetty rinnan 15 kondensaattorin 10 kanssa. Epälineaarinen jänniteohjattu virtageneraattori on tässä esitetty tehtävän mukaisesti jaetuksi kahteen osaan, nimittäin epälineaariseksi vahvistimeksi 13 ja lineaariseksi virtageneraattoriksi 12, mutta se voidaan luonnollisesti hyvinkin toteuttaa yhtenä kompo-20 nenttina. Epälineaarinen vahvistin toimii sillä tavoin, että kun jännite navassa 7 on positiivinen suhteessa ver-tailujännitteeseen niin vahvistimella ei ole lain- kaan vahvistusta tai merkityksettömän vähäinen vahvistus.

Kun jännite tulee negatiivisemmaksi kuin vertailujännite, 25 vahvistus lisääntyy ja silloin edullisesti suhteessa jännite-eroon. Tämä tilanne muistuttaa aproksimatiivisesti diodin differentiaalista admittanssivaihtelua jännitteen kohoamisen mukaan. Normaalitapauksessa, ts. kun sisääntulosig-naalia ei ole tai se on hyvin pieni, on jännite navassa 7 30 positiivisempi kuin vertailujännite, minkä johdosta kuvion 1 mukainen kytkentä yllä olevan mukaisesti toimii, kuten tavanomainen siirtoimpedanssiaste. Virtageneraattorin 12 ulostulossa oleva kondensaattori 10 integroi epälineaarisesti jännitteen navassa 7. Näin ollen signaalin navassa 7 olles-35 sa voimakas,varautuu kondensaattori. Kondensaattorin rinnalle kytketty vastus 11 purkaa kondensaattorin jännitettä U vastaan. Tällainen purkaus on tarpeellinen, jotta 70352 mahdollistetaan heikon tulosignaalin vastaanottaminen voimakkaan signaalin ilmaisemisen jälkeen. Optosähköinen muutin 3 toimii nimittäin optimaalisesti herkkyyden suhteen, kun se on negatiivisesti esijännitetty. Tulee huomata, et-5 tä tämä toiminta edellyttää, että kondensaattori 10 on niin suuri, että virta ulkoapäin vaikuttaa vain merkityksettö-mästi jännitteeseen navassa 9, ts. että integraattorilla 2 on merkityksettömän alhainen ulostuloimpedanssi.

Kun laitteen sisääntulosignaali muodostuu pysyväs-10 ti voimakkaasta signaalista tai voimakkaiden signaalien pulssijonosta, näyttää ensi katsomalta voivan syntyä ongelmia, koska purkausvastus 11 ei ehdi purkaa kondensaattoria 10. Näin ollen napaan 9 tulee syntymään jänniteramp-pi. Jos optosähköinen muuttaja on toteutettu kuvion 2 mu-15 kaisesti, vastustetaan tällaista tapahtumakulkua kuitenkin seuraavalla tavalla.

Kun jännite navassa 9 tulee yhä negatiivisemmaksi, vähenee valodiodin rinnakkaisvastus vähitellen voimakkaasti, mikä vuorostaan aiheuttaa, että muuttaja itsessään ra-20 joittaa sisääntulosignaalia. Tässä tilanteessa ohikytketään siten suuri osa muuttajassa kehitetystä virrasta ja se ei koskaan saavuta siirtoimpedanssiastetta. Tämä asiantila yhdessä purkausvastuksen 11 toiminnan kanssa stabilisoi jännitteen navassa 8.

25 Keksinnön toimintatapaa kuvion 3 mukaisen integraat- torin kanssa, kun sisääntulosignaalin voimakkuus vaihtelee voimakkaasti rajoitetun aikajakson sisällä, kuvataan kuvion 4 aikadiagrammissa.

Signaali A osoittaa optisen sisääntulosignaalin tai 30 optosähköisen muuttajan kehittämän virran. Kaksi ensimmäistä valopulssia ovat suhteellisen heikkoja, mutta niiden jälkeen sisääntuloteho lisääntyy hyppäyksenomaisesti ja edellytetään, että viidellä seuraavalla pulssilla on sanokaamme 1 000 kertaa korkeampi valoamplitudi. Pulsseja on 35 kuvattu katkoviivoilla tämän osoittamiseksi. Sen jälkeen seuraa esimerkin mukaan neljä valopulssia, joilla on sama amplitudi kuin kahdella ensimmäisellä.

70352

Signaali B osoittaa jännitteen navassa 9. Jakson 1 kuluessa on napajännite sama kuin kuvion 3 mukainen jännite U. Syy tähän on, että integraattori 2 ei ole ollut aktivoituna tiettynä aikana, mikä aikaansaa, että purkaus-5 vastus 11 on ehtinyt purkaa kaiken mahdollisen latauksen kondensaattorista 10.

Jakson 2 alussa lisääntyy yllä olevan mukaisesti sisääntulosignaalin voimakkuus hyppäyksenomaisesta, mistä seuraa, että jännite navassa 9 käyrän B mukaisesti integ-10 roidaan alas pulssin vaikutusajan kuluessa. Alasintegroin-nistä seuraa, että jännite navassa 7 tulee pienemmäksi kuin U . Ensimmäisen pulssin jälkeen lisääntyy jännite hivenen ennen kuin seuraava pulssi tulee riippuen purkauksen kulusta RC-piirissä 10, 11. Kaksi seuraavaa pulssia signaalissa 15 A aikaansaavat tapahtumakulun toistumisen. Neljäs pulssi, jakso 3, synnyttää sitä vastoin hivenen toisenlaisen signaalin napaan 9. Valodiodi on nyt alkanut jännittyä eteenpäin, mistä seuraa, että signaalia B rajoitetaan riippuen siitä, että suurempi osa kehitetystä virrasta ohitetaan 20 valodiodissa yllä olevan mukaisesti. Sama pätee seuraaval-le pulssille. Sen jälkeen, ts. jaksossa 4, lisääntyy jännite käyrän B mukaisesti jännitearvoa U kohti kuvion 3 mukaisesti.

Käyrä C osoittaa jännitteen navassa 7, ts. laitteen 25 ulostulosignaalin. Pulssien väliset amplitudierot eri jaksoissa ovat suhteellisen pienet. Ensimmäisellä pulssilla jaksossa 4 on kuitenkin jonkin verran pienempi amplitudi. Tätä asiantilaa havainnollistaa se tosiasia, että keksinnön yhdessä kuvion 3 mukaisen integraattorin kanssa on merkit-30 tävästi helpompi ilmaista oikein heikkoja signaaleja heti voimakkaiden jälkeen kuin päinvastoin.

Positiivinen ramppi signaalissa B, jonka kehittää RC-piirin purkaustapahtuma, on itse asiassa voimakkaasti liioiteltu. Tämän signaalin täytyy käytännössä kasvaa mer-35 kittävästi hitaammin, jotta signaaliin C ei vaikuteta epäedullisesti. Kuvio 4 on myös muissa suhteissa voimakkaasti 9 70352 yksinkertaistettu esittääkseen selvemmin keksinnön toimintatavan periaatteen. Näin on esim. signaali C kuvioissa esitetty ilman nousuaikoja.

Claims (3)

70352

1. Laite dynamiikka-alueen lisäämiseksi kuituoptisen informaationsiirtojärjestelmän ns. siirtoimpedanssi- 5 tyyppiä olevassa sisääntuloasteessa, jossa optinen sisääntulo muodostuu kahdella navalla (8, 9) varustetusta ei-vahvistetusta valodiodista (3) esim. pin-diodista, jonka toinen napa (8) on liitetty sisääntulon ja ulostulon välisen vastuksen (4) kautta takaisinkytketyn vahvistimen 10 (1) sisääntuloon, jolloin myös vahvistimen ulostulo (7) on integraattorin (2) ja kapasitanssin (5), joka on rinnan va-lodiodin (3) kanssa, kautta liitetty vahvistimen (1) sisääntuloon (8), tunnettu siitä, että integraattori on epälineaarinen ja sillä on vahvistus (A^), jota vaih-15 dellaan mainitun vahvistimen (1) ulostulosignaalista riippuen .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että kapasitanssi (5) muodostuu valodio-din (3) ominaiskapasitanssista (CD).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu integraattori (2) on osittaislineaarinen.