ITMI20002727A1

ITMI20002727A1 - Schema di codifica di linea per comunicazioni digitali metodo di trasmissione e apparato

Info

Publication number: ITMI20002727A1
Application number: IT2000MI002727A
Authority: IT
Inventors: Giancarlo Prati; Enrico Forestieri
Original assignee: Marconi Comm Spa
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2002-06-15
Also published as: JP3863110B2; WO2002049299A3; JP2004516714A; CA2430963A1; IT1319558B1; US7333734B2; EP1344320B1; CN1633748A; EP1344320A2; US20040066856A1; WO2002049299A2; CN100399704C; DE60127711T2; AU2002233571A1; DE60127711D1; ATE358914T1

Description

"Schema di codifica di linea per comunicazioni digitali, metodo di trasmissione e apparato”

La presente invenzione si riferisce al campo della codifica dei dati per trasmissioni seriali in un mezzo trasmissivo e, in particolare, ma non limitatamente, al campo dei sistemi di comunicazione ottici.

I sistemi di comunicazione ottici sono una componente sostanziale ed in rapida crescita delle reti di comunicazione. L'espressione “sistema di comunicazione ottico”, cosi come qui usata, si riferisce a qualsiasi sistema che usi segnali ottici per il trasferimento di informazione. Tali sistemi ottici includono, ma non sono limitati a, sistemi di telecomunicazione, sistemi televisivi via cavo, e reti in area locale (in inglese: Locai Area Networks, LAN). I sistemi di comunicazione ottici sono configurati per trasportare informazione per mezzo di raggi di luce modulati e confinati all'interno di fibre ottiche. Le fibre ottiche oggi in uso hanno però caratteristiche che limitano la velocità e la distanza di trasmissione dei dati.

Una fibra dispersiva provoca un allargamento temporale di un impulso in ingresso causando interferenza intersimbolica al ricevitore e limitando quindi, per una data velocità, la massima distanza di collegamento. Dal momento che questo effetto è dovuto all'andamento non lineare della risposta in fase della fibra attorno alla frequenza della portante ottica, un segnale con banda più stretta soffre meno per la dispersione cromatica. La banda del segnale può essere ridotta mediante l'uso di un codice di linea, ed uno dei candidati proposti è il codice duobinario

Quello duobinario è uno schema di codifica largamente utilizzato nel quale un bit “0” ("zero”) viene rappresentato mediante un livello zero di corrente o tensione mentre un bit “1” (“ uno ") viene rappresentato mediante un livello positivo di corrente o tensione se il numero di bit “0” intercorsi dal precedente bit “1” è pari, e da un livello negativo di corrente o tensione se il numero di bit “0” intercorsi dal precedente bit “1” è dispari. Tale logica può anche essere invertita, scambiando tra di loro, nella discussione precedente, i bit “0” con i bit “1”.

Recentemente altri schemi di codifica di linea, chiamati codici Phased Amplitude-Shift Signalling (PASS) e basati su una modifica di quello duobinario, sono stati proposti da Stark ed altri in “Line coding for dispersion tolerance and spectral efficiency: duobinary and beyond ”froc. OFC'99, 1999, voi. WM46-1, pp. 331-333. Uno schema di codifica alternativa detto Phase-Shaped Binary Trammissìon (PSBT) viene descritto da Penninckx ed altri in “The phase-shaped binary transmission (PSBT): a new technique to transmit far beyond thè chromatic dispersion limit”, lEEEPhoton. Technol. Leti., voi. 9, n. 2, pp. 259-261, Feb. 1997.

Le prestazioni di tali tecniche di codifica possono essere accuratamente valutate e confrontate per mezzo di un metodo analitico recentemente proposto da uno degli inventori della presente invenzione in E. Forestieri, “Evaluating thè errar probability in lightwave systems with chromatic dispersion, arbitrary pulse shape and pre- and post-detection filtering”, J. Lightwave Technol., voi. 18, n. 11, Nov. 2000,

C'è bisogno di un nuovo codice di linea che fornisca prestazioni migliori rispetto a quelli esistenti.

Scopo generale della presente invenzione è ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo uno schema di codifica di linea, un metodo e un apparato che permettano migliori prestazioni rispetto alla tecnica nota.

In vista di tale scopo si è pensato di realizzare, secondo l’invenzione, uno schema di codifica di ordine n per comunicazioni digitali per ottenere un segnale codificato x(t) rappresentante dati binari costituiti da sequenze di bit di informazione {υκ} con cadenza T, avente N = 2" stati, indicati con ∑,, con i = 1,2,...,N , e comprendente prestabiliti segnali elementari st(t) che combinati formano il segnale

caratterizzato dal fatto che se ad un tempo t - kT il codificatore si trova in uno stato ∑ra degli N stati, l’arrivo di un bit di informazione uk della sequenza provoca una transizione ad uno stato ∑q degli N stati e la selezione del segnale elementare com Qx(t), dove q e i sono dati dalle seguenti equazioni:

Secondo un aspetto dell’invenzione si è pensato inoltre di realizzare un tale schema di codifica nel quale i segnali elementari sono tali che

dove

e g(t) è un impulso di durata centrato sull’origine, tale che e avente altezza costante su intervalli temporali di durataT/2.

Sempre secondo l’invenzione si è anche pensato di realizzare un metodo di trasmissione in comunicazioni digitali codificate, caratterizzato dal fatto di codificare i dati digitali secondo tale schema di codifica e di trasmettere il segnale così codificato lungo il mezzo trasmissivo

Sempre secondo l’invenzione si è anche pensato di realizzare un apparato per comunicazioni digitali codificate, caratterizzato dal fatto di comprendere un codificatore per la codifica di dati digitali secondolo schema di codificarivendicato. Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, possibili realizzazioni esemplificative applicanti tali principi. Nei disegni:

-figura 1 mostra diagramma di stato e segnali elementari secondo una prima realizzazione della presente invenzione (codice di ordine 1);

-figura 2 mostra un modello di un trasmettitore secondo la presente invenzione;

-figura 3 mostra il diagramma a blocchi per un sistema ottico a rivelazione diretta con preamplificazione;

-figura 4 mostra esempi di forme d'onda della tecnica nota e dei nuovi codici di linea; -figura 5 mostra lo spettro di potenza del nuovo codice di linea di ordine 1 all'uscita del codificatore per due valori del parametro a;

-figura 6 mostra un diagramma ad occhio per il noto codice duobinario;

-figura 7 mostra un diagramma ad occhio per il nuovo codice di linea secondo l’invenzione nel caso di ordine 1.

-figura 8 mostra diagramma di stato e segnali elementari secondo una seconda realizzazione della presente invenzione (codice di ordine 2);

-figura 9 mostra il diagramma di stato secondo una terza realizzazione (codice di ordine 3).

Con riferimento alle figure, in figura 1 è mostrato il diagramma di stato e un insieme di segnali elementari relativi ad una prima realizzazione applicante i principi della presente invenzione nel caso di codice di ordine 1.

Come illustrato, il nuovo codice di linea usa quattro forme d'onda o segnali elementari s(t), come mostrato in figura la. Si noti che i segnali elementari formano due coppie per le quali i segnali di una (cioè s1(r) e s2(t )) sono gli opposti dei segnali dell'altra (cioè s4(t) e s3(t) rispettivamente). In aggiunta, due dei segnali elementari (s2(t) e s3(t) ), cioè uno da ciascuna coppia, sono scalati di un fattore ot. Il fattore a viene scelto in modo da produrre la migliore configurazione spettrale. Il diagramma di stato relativo a questo primo codice di linea secondo l’invenzione ha due stati, come mostrato in figura lb. Gli stati del codice sono indicati con ∑1 e ∑2 mentre i segnali elementari sono indicati cons(t), /= 1,2, 3, 4.

La figura 2 mostra un apparato trasmettitore secondo l’invenzione nel quale una sorgente di informazione SOURCE alimenta un codificatore secondo la presente invenzione. L’uscita xe(t ) del codificatore passa attraverso il filtro passabasso LPF prima di pilotare il modulatore MOD.

La figura 3 mostra l’intero apparato che impiega li metodo di trasmissione secondo l’invenzione per inviare le informazioni digitali lungo un mezzo trasmissive^ in particolare un mezzo formato da una fibra ottica. Il sistema è composto dal trasmettitore di figura 2 (blocco TRANS), dalla fibra ottica (di tipo a singolo modo) e dal ricevitore che comprende, in sequenza, un preamplificatore ottico con guadagno di potenza G, un filtro ottico passabanda BPF, il rivelatore (DETECTOR), un filtro passabasso LPF e il campionatore, all’uscita del quale si ha la restituzione della sequenza di informazione {uk) trasmessa (SAMPLE). Si noti che il codice secondo l’invenzione non ha bisogno di decodifica, poiché i segnali elementari s1(t) che rappresentano gli “zeri” e gli “uno” della sequenza trasmessa hanno potenza ben differente al momento della fotorivelazione. Siccome il DETECTOR rivela la potenza del segnale in ingresso, la distinzione fra zero ed uno è realizzabilecon l’uso di un semplice circuito a soglia.

La sequenza di informazione {ut} a cadenza di bit T viene codificata come mostrato in figura 2 per formare il segnale:

dove denota il generico stato del codificatore e è un coefficiente definito dalla seguente regola;

dove ∑, e ∑2 indicano gli stati permessi al codificatore, e è uno dei due segnali elementari 5,(0 o s2(t) selezionati secondo la seguente regola:

Quindi il segnale elementare all’uscita del codificatore sarà uno tra o i loro negativi (cioè rispettivamente) a seconda del valore di

come mostrato in figura 1.

La sequenza degli stati del codificatore è definita nell’invenzione dalla seguente regola:

(4)

dove il valore della funzione g2 da usarsi nella realizzazione è dato dalla seguente mappa:

Un esempio di forma d’onda generata dal nuovo codice di linea (con a = 0.5) è mostrato in figura 4a, insieme, per confronto, a segnali generati con codice duobinario (figura 4b), PASS (figura 4c) e PSBT (figura 4d) della tecnica nota.

La densità spettrale di potenza del segnale xt(J) in (1) codificato secondo il diagramma di stato di figura 1 risulta essere:

dove sono le trasformate di Fourier dei segnali elementari .v, (i) e s2 (/) , ri sp ettivamente .

Il diagramma di stato in figura lb può essere usato in combinazione con una qualsiasi selezione di se nsità spettrale di potenza in (5) rimane valida finché

Una differente scelta dell’insieme dei segnali elementari non

modifica sostanzialmente le prestazioni fintantoché si usa un filtro di post codifica. Per questa ragione ci si può limitare a considerare l’insieme dei segnali elementari mostrato in figura la.

Una migliore comprensione della struttura e delle caratteristiche del codice di ordine 1 può ottenersi esprimendo la forma dei quattro segnali in figura 1 matematicamente come combinazione lineare di impulsi rettangolari di durata^ / 2 , vale a dire:

In questo caso per i segnali elementari si ottengono le seguenti espressioni:

che conducono ad una utile generalizzazione nel caso del codice di ordine n, come descritto più avanti. Usando la (6a) si può anche scrivere Gt(/) in termini di P(/), la trasformata di Fourier di p(t) , come segue

Lo spettro di potenza è mostrato in figura 5 per due valori del parametro α . Come si vede, all’ aumentare di a il lobo principale si allarga, ma c’è una maggiore attenuazione per le frequenze attorno a 1/T ed una maggiore quantità di energia viene spinta nella banda di Nyquist. Questo comportamento ha importanti conseguenze nella selezione del miglior valore per a . Si noti che l’espressione (7a) per Ge(f) rimane valida finché i segnali si(t) sono come nella (6b) indipendentemente dalla forma di p(t ) , che può anche essere differente dalla (6a), come già affermato.

Come descritto in precedenza con riferimento alla figura 2, il segnale xt{i ) nella (1) viene filtrato passabasso prima di essere usato per pilotare il modulatore. Si vedrà più avanti che questo filtro passabasso ha conseguenze importanti sulla prestazione complessiva del sistema.

Al fine di introdurre i nuovi codici di ordine «, si noti che, sebbene il codice di Ordine 1 sia completamente descritto dal diagramma di stato di figura 1, il suo segnale di uscita xt(t) nella (1) può essere visto nella forma di un segnale PAM (Pulse Amplitude Modulied) equivalente, come segue

dove (si veda la figura le per un grafico di g(t))

e

dove i simboli precodi fi cati bk sono ottenuti dai simboli di inforrmzione uk come

Il codificatore si comporta come se “larghi” segnali di uscita g (t) pesati dai coefficienti wk , fossero generati ogni T secondi, sovrapponendosi perciò l’un l’altro per introdurre una quantità controllata di interferenza intersimbolica. Questa interpretazione risulta molto utile in quanto permette di riconoscere che quando l’impulso PAM g{t ) nella (9a) viene filtrato da un filtro gaussiano di banda pari a

’uscita del filtro approssima molto bene una “ prolate spheroidal wave

fiinction ", che, a parità di durata temporale, ha il più compatto spettro in frequenza. Questo significa che il segnale xt filtrato ha una densità spettrale di potenza la più concentrata in frequenza e quindi è più robusto alla dispersione cromatica. In effetti si può dimostrare che una fibra sufficientemente dispersiva converte un impulso in ingresso J n trasformata di Fourier S! banda Bin ell’impulsodi uscita il cui inviluppo è approssimativamente dato da

dove γ è l’indice di dispersione cromatica della fibra, definito come

dove c è la velocità della luce, λ è la lunghezza d’onda corrispondente alla frequenza della portante ottica, D è il parametro delia dispersione cromatica della fibra alla lunghezza d’onda λ (di solito fornito in ps/nm/km), Rb è la bit rate e L è la lunghezza della fibra. La precedente formula (12) risulta essere una relazione esatta invece che una approssimazione quando l’impulso di ingresso è opportunamente modulato linearmente in frequenza ( chirped , in inglese). Quindi, tanto più concentrato è in frequenza l’impulso, tanto minore è l’effetto della interferenza intersimbolica dovuta alla dispersione cromatica nel segnale di uscita. Il segnale corrispondente alla (I) o alla (8), all’uscita del filtro passabasso di post rivelazione, è di tipo binario e in figura 7 è mostrato un esempio di diagramma ad occhio corrispondente ad un pattern di 32 bit con fibra ottica dispersiva lunga L = 60 km e dispersione cromatica D

In figura 6 è mostrato un corrispondente diagramma ad occhio di un segnale duobinario/PSBT. Dal confronto delle figure risulta evidente Γ efficacia del nuovo codice di linea secondo l’invenzione

E evidente che all’ aumentare di γ aumenta anche l’allargamento temporale di

nella (12) e si arriva al punto che il codice di ordine 1 non riesce più ad evitare l’interferenza intersimbolica. Ma, osservando che per all’impulsodi ingresso

avente la stessa energia di corrisponderebb

impulso di uscita che corrisponde a se ne conclude che quando la dispersione raddoppia si riesce ancora ad evitare l’interferenza intersimbolica usando un impulso PAM equivalente di durata doppia (in questo caso, comunque, può essere necessaria una modulazione lineare di frequenza del'impulso,chirping in inglese). II segnale x (t) corrispondente ad un impulso PAM equivalente di durata ( può essere ottenuto da un codificatore di ordine n, come di seguito descritto.

Si descriverà ora la regola generale per la realizzazione del codificatore di ordine n secondo la presente invenzione Come già visto, un codificatore viene descritto dai suoi stati, dalle transizioni tra stati e dai segnali elementari corrispondentemente generati.

Il codificatore di ordine « ati, denotati con ∑ e le transizioni e i segnali generati sono specificati dalla seguente regola. Se al tempo t codificatore si trova nello stato ∑ arrivo del bit di informazione u

forza una transizione allo stato ∑ la trasmissione del segnale elementare $

dove q e i sono dati dalle seguenti equazioni:

I li l ri

£

dove

e ora è un impulso di durata centrato sull’origine, tale che

e con valori costanti (scelti in modo da avere la migliore configurazione spettrale) su intervalli temporali di durata T/2. Per ottenere il kesimo simbolo di informazione il segnale di uscita filtrato passabasso dopo la

rivelazione, deve essere campionato all’istante

E’ inteso naturalmente che la divisione nella equazione (13c) è una divisione intera.

A seconda dell’ordine n impiegato, i segnali elementari ottenuti tramite la (13b) hanno caratteristiche indipendenti dalla loro particolare forma. Ad esempio, nel caso già sopra menzionato di ordine 1, i segnali indicati con in figura la (che formano una coppia secondo la notazione generale) devono essere sagomati per avere semplicemente almeno il cambio di segno a metà dell 'intervallo di bit. Altre forme di segnali elementari possono perciò essere impiegate secondo i principi della presente invenzione, vale a dire seguendo lo schema di codifica stabilito dalle (13 a), ovvero tutte quelle ottenibili con un qualsiasi tipo di filtraggio dei segnali elementari ottenuti tramite la (13b). In altre parole, le

ottenute dalla (13b) possono essere sottoposte a filtraggio prima dell’impiego nella codifica.

Ciascuna coppia di segnali elementari ha altezza differente dall’altezza delle altre coppie di segnali elementari-

Come ulteriore esempio di realizzazione, in figura 8 viene mostrato un diagramma di stato (figura 8b) ed un insieme di segnali elementari (figura 8a: per semplicità non sono mostrati gli altri quattro segnali per un codificatore a 4 stati (ordine n

2). In figura 8c è mostrato l’impulso PAM g(t) equivalente.

Un altro diagramma di stato di esempio per un codificatore a 8 stati (ordine n - 3) viene mostrato in figura 9 (per semplicità, i segnali elementari e l’impulso PAM equivalente non sono mostrati).

Allo scopo di valutare le prestazioni del sistema a rivelazione diretta con premplificazionee codifica di linea mostrato in figura 2 e in figura 3, è stata usata l’analisi presentata nell’articolo di E. Forestieri sopra menzionato, dal momento che essa non pone nessuna restrizione sui tipi di segnale e dei filtri di pre e post rivelazione. Si è così trovato che la scelta migliore per il parametro a. nella (6b) secondo l’invenzione è a - 0.5 .

Per fibre altamente dispersive (y > 0.35), il più efficace filtro passabasso LPF in figura 2, è ideale di banda pari a metà della bit rate nei casi non codificato, duobinario e PASS, mentre per il nuovo codice di linea secondo l’invenzioneil filtro migliore risulta essere gaussiano con la stessa banda. In questo caso, i risultati mostrano che il nuovo codice di linea si comporta meglio di tutti gli altri schemi di codifica (tra i quali i migliori sono risultati il duobinario con filtraggio stretto e la PSBT, con uguali prestazioni) dal momento che, data la stessa potenza (per esempio circa 4 dB più di quella necessaria per una trasmissione non codificata su fibra non dispersiva), esso consente di trasmettere ad una distanza di 1.5 volte più grande di quella consentita dal duobinario prima che la probabilità di errore sul bit diventi più grande di Pb = IO-12 .

A questo punto è chiaro come con la presente invenzione si siano raggiunti gli scopi prefissati, fornendo uno schema di codifica che grazie ad un innovativo diagramma di stato e, in aggiunta, ad una particolare selezione di segnali elementari, permette di ottenere prestazioni sostanzialmente migliori di quelle ottenibile con schemi di tecnica nota.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di realizzazioni applicanti i principi innovativi della presente invenzione è riportata a titolo esemplificativodi tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato. Ad esempio, risulta chiaro al tecnico esperto che le indicazioni di “bit 0” e di “bit 1” usate possono essere scambiate fra loro, come possono essere cambiati gli indici impiegati per indicare le varie forme d’onda elementari (ad esempio, nella figura la gli indici 1,2,3 ,4 possono essere scritti anche come 1,2, -1,-2, come ovvio dal caso generale di ordine n). La

Claims

Rivendicazioni 1. Uno schema di codifica di ordine n per comunicazioni digitali per ottenere un segnale codificato x(t) rappresentante dati binari costituiti da sequenze di bit di informazione {uk} con cadenza T, avente N - 2" stati, indicati con ∑i, con i = 1,2 N , e comprendente prestabiliti segnali elementari st(t) che combinati formano il segnale x(t), caratterizzato dal fatto che se ad un tempo t ~ kT il codificatore si trova in uno stato ∑m degli N stati, l arrivo di un bit di informazione uk della sequenza {«*} provoca una transizione ad uno stato ∑? degli N stati e la selezione del segnale elementare Si(t) come x(t), dove q e i sono dati dalle seguenti equazioni :
2. Schema di codifica secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i segnali elementari , sono tali che e, per i ≥ 1 , che:

dove

e g(t ) è un impulso di durata centrato sull’origine, tale che e avente altezza costante su intervalli temporali di durata 772.
3. Schema di codifica secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i segnali elementari con ì sono tali da formare coppie di segnali ( ) ( ) e hanno altezze che sono non nulle in un intervallo di ampiezza T e nulle altrove.
4. Schema di codifica secondo rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che ciascuna coppia di segnali ha altezza differente dall’altezza delle alte coppie di segnali.
5. Schema di codifica secondo rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che le differenze di altezza sono scelte in modo tale da produrre una migliore configurazione spettrale.
6. Schema di codifica secondo rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che i segnali di una delle coppie di segnali hanno un cambio di segno iriT/2.
7. Schema di codifica secondo rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che i segnali di detta una delle coppie di segnali hanno altezza costante su intervalli temporali di durata T/2.
8. Schema di codifica secondo rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che almeno quando l’ordine è n = 1 un’altra di dette coppie di segnali è formata da un impulso di altezza costante e di ampiezza T.
9. Schema di codifica secondo rivendicazioni 7 e 8, caratterizzato dal fatto che l’altezza costante di detta una delle coppie di segnali è minore della altezza costante dell’altra di dette coppie di segnali.
10. Schema di codifica secondo rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che l’altezza costante di detta una delle coppie di segnali è uguale alla metà della altezza costante dell’altra di dette coppie di segnali.
11. Schema di codifica secondo rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i segnali 5,(0 ottenuti dalla equazione (1) sono sottoposti a filtraggio per ottenere i segnali elementari si(t) impieghi per formare la x(t).
12. Metodo di trasmissione in comunicazioni digitali codificate, caraterizzato dal fato di codificare i dati digitali secondo uno schema di codifica realizzato come rivendicato in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni e di trasmetere il segnale cosi codificato lungo un mezzo trasmissivo
13. Metodo secondo rivendicazione 12, caratterizzato dal fato che i mezzi trasmissivi sono fibre otiche dispersive.
14. Apparato per comunicazioni digitali codificate, caraterizzato dal fatto di comprendere un codificatore per la codifica di dati digitali secondo uno schema di codifica realizzato come rivendicato in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1-11.
15. Apparato secondo rivendicazione 14, caraterizzato dal fato che il segnale codificato è trasmesso in mezzi trasmissivi.
16. Apparato secondo rivendicazione 15, caraterizzato dal fato che i mezzi trasmissivi sono fibre otiche dispersive.
17. Apparato secondo rivendicazione 15, caraterizzato dal fatto di comprendere un filtro passabassofra codificatore e mezzi trasmissivi.