KR100445910B1 - 광신호 세기의 변동에 관계없이 최적의 수신 성능을 갖는광신호 수신장치 및 그 방법 - Google Patents

광신호 세기의 변동에 관계없이 최적의 수신 성능을 갖는광신호 수신장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

광신호 세기의 변동에 관계없이 최적의 수신 성능을 갖는 광신호 수신장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 광신호 수신 장치는 입력되는 광신호를 소정비율로 분배하여 제1분배신호 및 제2분배신호를 생성하는 광분배기, 제1분배신호를 전기신호로 변환하는 광/전변환기, 광/전변환기에서 변환된 전기신호가 기준전압을 중심으로 소정 범위내에 들도록 제한하여 증폭하는 신호 증폭부, 제2분배신호의 세기를 검출하여 제1분배신호의 광세기를 예측하고, 예측된 광세기에 따라 기준전압의 크기를 제어하는 기준전압 제어부 및 신호 증폭부에서 출력되는 신호로부터 클럭 및 데이터를 복구하는 클럭 및 데이터 복구부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 광세기가 점차 변하더라도, 해당 수신 광세기에 최적화된 리미팅 앰프의 기준전압을 찾아 조절해줌으로써 수신 광신호의 세기가 변하더라도 항상 최적의 성능을 유지할 수 있다.

Description

광신호 세기의 변동에 관계없이 최적의 수신 성능을 갖는 광신호 수신장치 및 그 방법{Optical signal receiving apparatus and method having suitable receiving performance in spite of change of intensity of the optical signal}
본 발명은 광전송 시스템에서 전송되어 온 광신호를 원래의 전기 신호로 복원하기 위해 사용되는 광신호 수신장치에 관한 것으로, 상세하게는 광신호 수신장치로 입력되는 광신호 세기의 변동에 관계없이 최적의 수신 성능을 가질 수 있는 광신호 수신장치 및 그 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 광신호 수신장치를 개략적으로 나타내는 블록도로서, 포토다이오드(10), 증폭기(12), 리미팅 앰프(14) 및 클럭 및 데이터 복구부(16)를 포함하여 구성된다.
도 1을 참조하여, 포토다이오드(10)는 입력되는 광신호(INopt)를 광/전변환 작용을 통해 전기신호로 변환한다. 포토다이오드(11)에서 변환된 전기신호 미약하므로 증폭기(12)는 변환된 전기신호를 증폭한다. 한편, 증폭기(12)에서 증폭된 전기신호는 광신호(INopt)의 세기에 따라 그 크기가 변하므로, 일정한 크기의 입력 신호를 요구하는 클럭 및 데이터 복구부(16)의 입력 신호로는 적합하지 않다. 따라서, 리미팅 앰프(14)는 입력된 광신호(INopt)의 세기에 관계없이 증폭기(12)에서 증폭된 신호의 크기를 일정하게 유지시켜주며, 클럭 및 데이터 복구부(16)는 리미팅 앰프(14)에서 출력된 신호로부터 클럭신호(clock)과 데이터(data)를 복원한다.
도 2는 광신호가 전기신호로 변환됐을 때의 데이터 0과 데이터 1에 대한 신호 각각의 확률적 분포를 나타낸 것이다. 광수신 장치의 잡음에 의해 데이터 1과데이터 0에 대한 각각의 신호(PDF(1),PDF(0))는 일정한 확률 분포를 갖고 있음을 보인다. 여기서, 데이터 1에 대한 신호의 평균과 표준편차는 V1, σ1이고, 데이터 0에 대한 신호의 평균과 표준편차는 V0, σ0이다. 이 때, 두 확률밀도함수 PDF(1)와 PDF(0)가 교차하는 점인 Vopt를 리미팅 앰프의 기준전압으로 설정하고, 이를 기준으로 데이터 1 및 데이터 0를 판별할 때 가장 적은 비트오류를 얻을 수 있다.
한편, 종래의 광수신 장치에서는 데이터 1 및 데이터 0를 판별하는 기준을 하나의 Vopt(예컨대, 0V)에 고정시켜 놓고 사용한다. 이 때, 광신호의 세기가 작으면 열잡음이나 산탄잡음이 주도적 영향을 주므로 데이터 1에 대한 신호와 데이터 0에 대한 신호의 잡음 분포가 거의 동일하여 두 확률밀도함수의 교차점이 중앙에 위치하지만, 수신 광신호의 세기가 커지면 비트잡음이 주도적 영향을 주며 이 때는 데이터 1에 대한 신호 PDF(1)의 잡음이 데이터 0에 대한 신호 PDF(0)의 잡음보다 커져 두 확률밀도함수의 교차점 Vopt는 도 3에 도시된 바와 같이, 데이터 0에 대한 신호 PDF(0)쪽으로 이동하게 된다. 따라서, 수신 광신호의 세기가 큰 경우, 최소의 비트오류를 얻기 위해 데이터 0 및 데이터 1을 판별하기 위한 전압 Vopt가 도 3에 도시된 바와 같이 데이터 0에 대한 신호쪽으로 이동해야 된다. 여러 잡음에 관한 상세한 내용과 그 영향에 대해서는 N. A. Olsson, Lightwave Systems With Optical Amplifiers, IEEE J. Light Technol., vol.7, No.7, pp.1071-1081, 1989. 에 기재되어 있다.
그런데, 종래의 광수신 장치에서는 데이터 판별을 위한 전압 Vopt가 광신호의 세기에 관계없이 고정되어 있어, 광신호 세기의 변화에 따라 최적의 수신 성능을 나타낼 수 없다는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수신 광신호의 세기 변화를 감시하여 그 세기에 따라 데이터 0 또는 데이터 1의 판별에 영향을 주는 리미팅 앰프의 기준전압을 자동 조절하여 수신 광신호의 세기가 변해도 항상 최적의 수신 성능을 얻을 수 있는 광신호 수신장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 광신호 수신장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 광신호가 전기신호로 변환됐을 때의 데이터 0과 데이터 1에 대한 신호 각각의 확률적 분포를 나타낸 도면이다.
도 3은 수신 광신호의 세기가 커져 비트잡음이 클 경우, 데이터 0과 데이터 1에 대한 신호 각각의 확률적 분포를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 수신 광신호의 세기 변화에도 최적의 성능을 나타낼 수 있는 광신호 수신장치의 개략적 구성을 보여주는 블록도이다.
도 5(a) 내지 도 5(c)는 도 4에 도시된 장치에서 기준전압(Vref)에 따른 리미팅 앰프(44)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 V 커브를 이용한 최적의 전송 성능 Q를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 광세기 별로 최적의 기준전압을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 4에 도시된 장치에서 광신호 세기의 변동에 관계없이 최적의 수신 성능을 갖는 광신호 수신 방법의 일실시예에 따른 흐름도이다.
상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 따른 광신호 수신 장치는 입력되는 광신호를 소정비율로 분배하여 제1분배신호 및 제2분배신호를 생성하는 광분배기, 제1분배신호를 전기신호로 변환하는 광/전변환기, 광/전변환기에서 변환된 전기신호가 기준전압을 중심으로 소정 범위내에 들도록 제한하여 증폭하는 신호 증폭부, 제2분배신호의 세기를 검출하여 제1분배신호의 광세기를 예측하고, 예측된 광세기에 따라 기준전압의 크기를 제어하는 기준전압 제어부 및 신호 증폭부에서 출력되는 신호로부터 클럭 및 데이터를 복구하는 클럭 및 데이터 복구부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 따른 광신호 수신방법은 수신되는 광신호의 세기를 측정하고, 측정된 광신호 세기에 따른 기준전압을 생성하는 (a)단계, 수신되는 광신호를 전기신호로 변환하여 변환된 전기신호를 생성하는 (b)단계, (a)단계에서 생성된 기준 전압에 따라 변환된 전기신호가 기준전압을 중심으로 소정범위내에 들도록 제한하여 증폭하는 (c)단계 및 (c)단계에서 증폭된 신호로부터 클럭 및 데이터를 복구하는 (d)단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 광신호 세기의 변동에 관계없이 최적의 수신 성능을 갖는 본 발명에 따른 광신호 수신장치 및 그 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 수신 광신호의 세기 변화에도 최적의 성능을 나타낼 수 있는 광신호 수신장치의 개략적 구성을 보여주는 블록도로서, 광분배기(40), 광/전변환기(42), 증폭부(62), 클럭 및 데이터 복구부(48) 및 기준전압 제어부(60)를 포함하여 구성된다.
도 4를 참조하여, 광분배기(40)는 입력되는 광신호(INopt)를 소정비율로 분배하여 제1분배신호(opt1) 및 제2분배신호(opt2)를 생성한다.
광/전변환기(42)는 광분배기(40)에서 분배된 제1분배신호(opt1)를 전기신호로 변환한다.
신호 증폭부(62)는 광/전변환기(42)에서 변환된 전기신호가 기준전압 제어부(60)에 의해 제어되는 기준전압(Vref)을 중심으로 소정 범위내에 들도록 제한하여 증폭한다. 바람직하게는, 신호 증폭부(62)는 증폭기(44) 및 리미팅 앰프(46)를 포함하여 구성된다. 광/전변환기(42)에서 변환된 전기신호는 매우 미약한 신호이며 증폭기(44)는 이를 증폭시킨다. 리미팅 앰프(46)는, 클럭 및 데이터 복구부(48)로 일정한 크기의 신호가 입력되도록, 증폭기(44)에서 증폭된 신호가 기준전압(Vref)을 중심으로 소정 범위내에 들도록 제한하여 증폭한다.
계속해서, 기준전압 제어부(60)는 제2분배신호(opt2)의 세기를 검출하여 제1분배신호(opt1)의 광세기를 예측하고, 예측된 광세기에 따라 기준전압(Vref)의 크기를 제어한다. 바람직하게는, 기준전압 제어부(60)는 광세기 감시부(50) 및 제어부(52)를 포함하여 구성된다. 광세기 감시부(50)는 광분배기(40)로부터 제2분배신호(opt2)를 받아들여 제2분배신호(opt2)의 광세기를 검출하고, 검출된 광세기에 상응하여 제1분배신호(opt1)의 광세기를 예측한다. 예컨대, 광분배기(40)에서 제1분배신호(opt1)와 제2분배신호(opt2)의 분배비율을 9:1로 한 경우, 제1분배신호(opt1)의 광세기는 제2분배신호(opt2)의 광세기의 9배임을 예측할 수 있다. 제어부(52)는 광세기 감시부(50)에서 예측된 광세기에 따라 기준전압(Vref)의 크기를 제어한다. 전술된 바와 같이, 수신 광신호의 세기가 커지면 비트 잡음이 주도적 영향을 주어 데이터 1 준위의 잡음이 데이터 0 준위의 잡음보다 커진다. 이처럼, 리미팅 앰프(46)에서 증폭된 신호에서 데이터 1 준위의 잡음과 데이터 0 준위의 잡음분포가 동일하지 않게 되면 클럭 및 데이터 복구부(46)에서 비트 판별 오류가 발생될 수 있다. 기준전압 제어부(60)는 클럭 및 데이터 복구부(46)에서 클럭신호 및 데이터의 복구시 비트 판별 오류를 최소화시키기 위해, 리미팅 앰프(44)의 기준전압(Vref)을 제어한다. 이에 대해서는 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
계속해서, 클럭 및 데이터 복구부(48)는 신호 증폭부(42)의 리미팅 앰프(44)에서 출력되는 크기가 일정한 증폭된 신호로부터 클럭 신호(clock) 및 데이터(data)를 복구한다.
한편, 도 4에 도시되지는 않았지만, 기준신호 제어부(60)는 예측된 광신호의 세기에 따른 최적의 기준전압을 저장한 메모리를 더 포함할 수 있다. 즉, 제어부(52)는 광세기 감시부(50)에서 예측된 광신호의 세기에 상응하는 최적의 기준전압을 메모리로부터 추출하고, 추출된 기준전압으로 증폭부를 제어한다.
일반적으로, 광시스템에 사용되는 레이저 다이오드와 같은 광소자의 노화에 의하여 광신호의 세기가 점차 줄어들거나, 광증폭기의 이득 불균형이 발생하여 일부 채널의 세기는 커지고 일부 채널의 세기는 작아질 수 있다. 또한, 광섬유의 손실이 커져서 광세기가 줄어들어 수신되는 광세기가 처음과 다르게 변할 수 있다. 이처럼, 광세기가 점차 변하더라도, 본 발명에 따른 광신호 수신 장치의 경우, 해당 수신 광세기에 최적화된 리미팅 앰프의 기준전압을 찾아 조절해줌으로써 수신 광신호의 세기가 변하더라도 항상 최적의 성능을 유지할 수 있다.
도 5(a) 내지 도 5(c)는 도 4에 도시된 장치에서 기준전압(Vref)에 따른 리미팅 앰프(44)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위해, 도 5b에 도시된 바와 같이 리미팅 앰프(46)에서 증폭된 신호의 데이터 1 준위의 잡음과 데이터 0 준위의 잡음이 동일한 분포를 가질 때의 기준전압이 0V라 가정한다. 이 때, 데이터 1 준위의 잡음이 데이터 0 준위의 잡음보다 큰 경우, 도 5c에 도시된 바와 같이, 기준전압 제어부(46)는 리미팅 앰프(44)의 기준전압(Vref)의 전압을 0V보다 작게 즉, (-)로 하여 리미팅 앰프의 다음 단에 있는 클락 및 데이터 복구부가 보았을 때 데이터 판별을 위한 기준전압이 낮아지는 효과를 나타내도록 한다. 또한, 데이터 0 준위의 잡음이 데이터 1 준위의 잡음보다 큰 경우, 도 5a에 도시된 바와 같이, 기준전압 제어부(46)는 리미팅 앰프(44)의 기준전압(Vref)을 0V보다 크게 즉, (+)로 하여 리미팅 앰프의 다음 단에 있는 클락 및 데이터 복구부가 보았을 때 데이터 판별을 위한 기준전압이 높아지는 효과를 나타내도록 한다.
도 6은 V 커브를 이용한 최적의 전송 성능 Q를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. V커브를 사용하여 수신 성능을 측정하는 방법에 대해서는 N. S. Bergano, F. W. Kerfoot, and C. R. Davidson, Margin Measurements in Optical Amplifier Systems, IEEE Photon. Technol., Vol.5, No.3, pp.304-306, 1993. 에 기재되어 있다.
도 6을 참조하여, X축은 리미팅 앰프의 기준전압(Vrfe)이고, Y축은 전송 성능 Q를 나타낸다. V 커브는 리미팅 앰프의 기준전압을 조절하여 데이터 1신호와 데이터 0신호쪽에서 각각 하나씩의 직선을 얻어 두 직선을 연장함으로써 만들어진다. 도 6에 도시된 바와 같이, 광신호의 세기가 -17dBm에서 -4dBm으로 커짐에 따라 V커브의 꼭지점의 위치가 데이터 0신호쪽으로 치우치는 것은 전술된 바와 같이, 광신호의 세기가 커질수록 비트잡음이 커지기 때문이다. 도 6을 참조하여, V 커브의 꼭지점에서의 Y축 값이 비트 판별 오류가 최소인 즉, 최적의 전송최적의 전송성능 Q를 의미하며, 리미팅 앰프의 기준전압을 제어함으로써 각 광신호 세기별로 최적의 전송성능 Q가 발휘되도록 할 수 있다.
도 7은 광세기 별로 최적의 기준전압을 측정한 결과를 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 장치에서 리미팅 앰프(44)에 기준전압을 설정하는 과정을 살펴보면, 일반적으로 수신 광신호의 세기가 클 경우엔 비트 잡음에 의하여 데이터 1신호의잡음이 크므로 리미팅 앰프(44)의 기준 전압이 낮아지는 경향이 있다. 한편, 리미팅 앰프(44)의 최적 기준 전압은 사용하는 부품과 시스템 상황에 따라 다를 수 있으므로, 광신호 수신장치를 시스템에 설치할 때 미리 도5, 6과 같이 해당 수신 광신호의 세기에 따른 최적 기준 전압을 찾아서 전술된 바와 같이, 도 4에 도시되지는 않았지만 메모리에 기억시켜 놓을 수 있다. 이렇게 하면, 제어부(52)는 광세기 감시부(50)에서 입력 받은 광세기에 해당하는 기준전압(Vref)을 메모리에서 읽어와 리미팅 앰프(44)의 기준전압(Vref)으로 설정해 줄 수 있다.
도 8은 도 4에 도시된 장치에서 광신호 세기의 변동에 관계없이 최적의 수신 성능을 갖는 광신호 수신 방법의 일실시예에 따른 흐름도이다.
이제, 도 4 및 도 8을 참조하여, 도 4에 도시된 광신호 수신 장치의 동작을 상세히 설명한다.
도 4 및 도 8을 참조하여, 먼저, 기준전압 제어부(60)는 수신되는 광신호(INopt)의 세기를 측정하고, 측정된 광신호 세기에 따른 기준전압을 생성한다(제70단계). 제70단계 후에, 광/전변환기(42)는 입력 광신호(INopt)를 전기신호로 변환하여 변환된 전기신호를 생성한다(제72단계). 제70 및 제72단계를 보다 구체적으로 설명하면, 광분배기(40)는 입력된 광신호(INopt)를 소정 비율로 분배하여 제1분배신호(opt1) 및 제2분배신호(opt2)를 생성한다. 광/전변환기(42)는 제1분배신호(opt1)를 전기신호로 변환하여 변환된 전기신호로서 생성한다. 그리고, 기준전압 제어부(60)의 광세기 감시부(50)는 광분배기(40)로부터 분배된 제2분배신호(opt2)의 광세기를 측정하고, 측정된 제2분배신호(opt1)의 광세기로부터 제1분배신호(opt1)의 광세기를 예측한다. 제어부(52)는 광세기 감시부(50)로부터 예측된 광세기에 상응하여 기준전압(Vref)을 생성하며, 생성된 기준전압(Vref)에 따라 리미팅 앰프(46)를 제어한다.
제72단계 후에, 리미팅 앰프(46)는 제어부(52)에 의해 기준전압(Vref)이 제어되며, 광/전변환되어 증폭된 전기신호가 기준전압을 중심으로 소정 범위내에 들도록 제한하여 증폭한다(제74단계). 전술된 바와 같이, 기준전압 제어부(60)에서 제어되는 기준전압에 의해 데이터 1 준위 또는 데이터 0 준위 어느 한쪽에 잡음이 치우칠 경우에 클럭 및 데이터 복구부(48)에서 데이터 판별에 기준이 되는 전압을 조절하는 효과를 나타냄으로써, 클럭 및 데이터 복구부(48)에서의 비트 판별 오류를 최소화시킬 수 있다.
제74단계 후에, 클럭 및 데이터 복구부(48)는 증폭된 신호로부터 클럭신호(clock) 및 데이터(data)를 복구한다(제76단계).
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플라피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터네을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상의 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 광신호 수신 장치 및 그 방법에 따르면, 광세기가 점차 변하더라도, 해당 수신 광세기에 최적화된 리미팅 앰프의 기준전압을 찾아 조절해줌으로써 수신 광신호의 세기가 변하더라도 항상 최적의 성능을 유지할 수 있다.

Claims (5)

  1. 입력되는 광신호를 소정비율로 분배하여 제1분배신호 및 제2분배신호를 생성하는 광분배기;
    상기 제1분배신호를 전기신호로 변환하는 광/전변환기;
    상기 광/전변환된 전기신호를 증폭한 후, 기준전압에 의해 제어되는 증폭기를 통해 상기 증폭된 전기신호가 소정의 범위내에 존재하도록 제한하는 신호 증폭부;
    상기 제2분배신호의 세기를 검출하고, 상기 광신호의 분배 비율을 기초로 상기 제1분배신호의 광세기를 예측하고, 상기 예측된 광세기에 따라 상기 기준전압의 크기를 설정하는 기준전압 제어부; 및
    상기 신호 증폭부에서 출력되는 신호로부터 클럭 및 데이터를 복구하는 클럭 및 데이터 복구부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광수신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기준전압 제어부는
    상기 제2분배신호를 받아들여 광세기를 검출하고, 검출된 광세기에 상응하여 상기 제1분배신호의 광세기를 예측하는 광세기 감시부; 및
    상기 광세기 감시부에서 예측된 광 세기에 따라 상기 기준전압의 크기를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광수신 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 예측된 광신호의 세기에 따른 최적의 기준전압을 저장한 메모리를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 예측된 광신호의 세기에 상응하는 최적의 기준전압을 상기 메모리로부터 추출하고, 추출된 기준전압으로 상기 증폭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 광수신 장치.
  4. 입력되는 광신호를 소정비율로 분배하여 제1분배신호 및 제2분배신호를 생성하는 단계;
    상기 제1분배신호를 전기신호로 변환하는 단계;
    상기 제2분배신호의 세기를 검출하고, 상기 광신호의 분배 비율을 기초로 상기 제1분배신호의 광세기를 예측하고, 상기 예측된 광세기에 따라 기준전압의 크기를 설정하는 단계;
    상기 광/전변환된 전기신호를 증폭한 후, 상기 기준전압을 기초로 상기 증폭된 전기신호가 소정의 범위내에 존재하도록 제어하는 단계; 및
    상기 증폭된 전기신호로부터 클럭 및 데이터를 복구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광신호 수신 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 기준전압 크기 설정단계는 광신호의 세기에 따른 최적의 기준전압이 저장된 메모리로부터 상기 예측된 광신호의 세기를 기초로 최적의 기준전압을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광신호 수신 방법.
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