NO300350B1 - Bit-synkronisering for optiske nett - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører bit-synkronisering i optiske nett, og spesielt nett som er neddykket i hav. Det blir benyttet i forbindelse med systemer hvor signalene har form av strålingspulser adskilt med mellomrom hvor der ikke er noen stråling.

De fleste undersjøiske kabler har bare to terminal-punkter, det vil si ett ved hver ende. Den høye kapasiteten til optiske systemer gjør det imidlertid mulig for en under-sjøisk kabel, f.eks en transatlantisk kabel eller en kabel over Stillehavet, å tjene et meget stort landområde, og det kan være hensiktsmessig å tilveiebringe en rekke terminal-punkter forbundet med neddykkede optiske kabler til neddykkede optiske knutepunkter (som har en flerhet med inngangsfibre og en utgangsfiber).

For å holde neddykket utstyr så enkelt som mulig, er det blitt foreslått at knutepunktene alle skal være passive. Det vil si at utgangen ganske enkelt er en sammenkjeding av de forskjellige innganger med fase-og amplitude-forhold bevart. Det er derfor viktig at inngangspulser ikke faller sammen, d.v.s. det er viktig at faseforholdene ved knutepunktet er korrekt.

Senderne kan være vidt adskilt geografisk, men selv i disse tilfellene kan det etableres et fast faseforhold. Forholdet ved knutepuktet involverer imidlertid overførings-tidene langs de optiske fibrene til knutepunktet. Fibrene er utsatt for omgivelsestemperaturene til havet, og temperaturen varierer derfor etter tid på døgnet og har sesongmessige variasjoner. Brytningsindeksen, og dermed overføringshastig-heten, er avhengig av temperaturen. Således kan faseforholdene ved et knutepunkt ikke reguleres bare fra senderne.

Fra GB-A-2,111,337 er kjent et toveis optisk kommunika-sjonssystem av stjerne-type hvor de optiske signaler overføres fra en sentral sender til en av senderne på en arm i stjernen, hvoretter signalene omformes til elektriske signaler, for-sterkes og re-omformes til optiske signaler og tilbakesendes som optiske signaler til den sentrale stasjonen. Systemet er ment å detektere og unngå kollisjoner, men er bare reaktivt, og gir ingen langtids-løsning på problemet med kollisjoner. Løsningen ifølge den britiske patentsøknaden angår egentlig sende/mottakeromgivelser, og ikke egentlig et Y-type knutepunkt hvor signaler mottas fra to forskjellige steder og må sammenføres til én enkelt utgang for videre overføring, slik som i herværende oppfinnelse.

US patent nr. 4,606,023 viser et optisk, synkront kommunikasjonsnett med aktivt stjerne-opplegg og halv duplex-modus, og et formål ved publikasjonen er å eliminere behovet for såkalt "guard time" i et tidsdelt multipleks-system. Det dreier seg altså i det amerikanske patentet om et komplekst system, hvor det er et problem å sende i to retninger langs samme fiber. Et slikt behov forekommer ikke i foreliggende oppfinnelse, som dreier seg om innfletting i hverandre av signaler som innkommer fra to forskjellige steder, i et Y-knutepunkt.

Fra EP 131,662 er kjent et digitalt transmisjonssystem hvor forskjellige justeringsanordninger er tilveiebrakt for å sikre synkronisering mellom signaler innhentet. Nettet som beskrives, er imidlertid betydelig annerledes enn nettet i foreliggende oppfinnelse. Den europeiske publikasjonen angir løsninger rettet mot et toveis-system, og beskriver videre en konfigurasjon av stjerne-type. Også her dreier det seg om et betydelig mer komplekst system enn hva foreliggende oppfinnelse angår, men systemet inneholder ikke den samme type løsning av problemet med kollisjoner.

Foreliggende oppfinnelse angriper således det problem som er å tilveiebringe en effektiv utbedring av kollisjons-fenomenet ved sammenfletting av to innkommende signaler i et Y-knutepunkt. Oppfinnelsens formål oppnås ved tilveie-bringelse av et optisk telekommunikasjonssystem, en optisk mottakerstasjon og en optisk sendestasjon av den type som fremgår av de vedføyde patentkravene.

Ifølge oppfinnelsen blir avstands-jevnheten målt etter et knutepunkt, det vil si ved den første forsterker etter et knutepunkt, og feilsignaler som representerer mistilpasningen blir sendt tilbake til en sender som regulerer sin sendefase, f.eks ved å regulere en faseforsinkelse, for å redusere den feil som indikeres av signalet.

I den foretrukne utførelsesform er det to inngangsfibre og en utgangsfiber ved et knutepunkt. De to inngangssignalene, det vil si ett i hver av de to inngangsfibre, har de samme bithastigheter. Bitene i utgangene blir flettet inn i hverandre fordi hver inngang har en "markering" mens den andre har et "mellomrom". I denne utførelsesformen har feildetektoren hensiktsmessig form av et filter med et smalt passbånd anbrakt ved halvparten av bithastigheten til det kombinerte signalet, det vil si ved bithastigheten til hvert av de to inngangssignalene. Når det sammensatte signalet består av jevnt fordelte pulser, er filterets utgangssignal på et minimum. Når avstanden blir ikke-uniform, øker utgangssignalet fra filteret. Utgangssignalet fra filteret blir sendt tilbake til senderne, det vil si at den periodisk blir omformet til digitalform og sendt tilbake til senderne.

En sender er betegnet som om den har "fast fase" og den andre som "regulerbar fase". Den regulerbare senderen omfatter en regulerbar faseforsinkelses-anordning for dens signaler. Senderen mottar således feilsignaler som indikerer en fasefeil, og faseforsinkelsen blir regulert for å minimalisere feilsignalene.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av et eksempel under henvisning til de vedføyde skjematiske tegninger, hvor: Fig. 1 illustrerer oppfinnelsen anvendt på et undersjøisk nett, omfattende et neddykket knutepunkt og en neddykket forsterker ; Fig. 2 illustrerer idealiserte bølgeformer før og etter knutepuntet på fig. 1; Fig. 3 illusterer en ujevnt fordelt bølgeform forårsaket av fasefeil; Fig. 4 illustrerer en forsterker i følge oppfinnelsen; og Fig. 5 illustrerer en senderstasjon ifølge oppfinnelsen.

Nettet på fig. 1 illusterer to landbaserte sendere, nemlig en stasjon 10 med "fast fase" og en stasjon 11 med "regulerbar fase" koblet via neddykkede opptiske fibre 12 og 13 til et knutepunkt 14. Knutepunktet 14 er forbundet med en landbasert mottager 15 ved hjelp av en fiber 16. Man vil forstå at fibrene 12, 13, 16 er innbefattet i kabler (ikke vist). Systemet omfatter også forsterkere ved passende avstander, f.eks omkring 80 til 160 kilometer, men bare en av disse er vist på fig. 1. Dette er en primærforsterker 17 som er den første forsterker etter knutepunktet 14. Forsterkeren 17 omfatter overvåkingsutstyr som blir benyttet til å styre fasen ved den regulerbare stasjon 11. Dette er hovedtrekkene ved oppfinnelsen og de vil bli beskrevet nedenfor. Bølge-formen blir tidsmessig omformet ved en forsterker, og det er viktig at fasefeilene måles før eventuell tidsmessig omforming finner sted.

Signalene i de optiske fibrene 12 og 13 er signaler som vender tilbake til null (return to zero) og har form av strålingspulser adskilt av intervaller hvor ingen stråling er tilstede. Standardintervallene har samme lengde som pulsene. Knutepunktet 14 er en optisk retningskobler. Utgangssignalet i fiber 16 er et signal som ikke vender tilbake til null (non return to zero) og er summen av inngangssignalene. De tids-messige forhold er bevart.

Fig. 2 viser idealiserte tidsmarkeringer for signalene. Kurve 12 illustrerer de pulser som ankommer fra stasjonen 10 med "fast fase" på fiber 12; kurve 13 representerer de pulser som ankommer fra stasjonen 11 med "regulerbar fase" på fiber 13. Synkroniseringen av den variable stasjon 11 blir regulert slik at de to pulstogene ved perfekt drift er fullstendig ute av fase. Signalet i utgangsfiberen 16 er således som vist i kurve 16.

Fordi overgangstidene til signalene imidlertid ikke er konstant, blir det kombinerte signalet noen ganger ujevnt som illustrert på fig. 3. Ujevnheten skyldes variasjoner i begge banene 12 og 13. Selv om begge stasjonene 10 og 11 bidrar til ujevnheten, omfatter bare en stasjon, det vil si 11, reguleringsanordninger for å holde pulsene jevnt fordelt (som vist i kurve 16). Arrangementene for korrigering av avstanden er fordelt mellom forsterkeren 17 og stasjonen 11.

Mesteparten av forsterkeren er konvensjonell. Den omfatter en detektorkrets 4 0 som mottar lyssignaler fra fiber 16, omformer dem til elektriske signaler, forsterker og former dem. Utgangs-signalet fra forsterkeren tilveiebringes ved hjelp av laserkretsen 41 som er innrettet for å tilveiebringe signaler som stemmer med systemspesifikasjoner.

Laserkretsen 41 blir styrt av en diskriminator 42 som mottar signaler fra detektorkretsen 4 0 og et taktsignal fra filter 43. Dette er et konvensjonelt arrangement som er anordnet for å re-generere et nytt signal som er en etterligning av inngangssignalet. Filteret 43 er et smalt båndpassfilter, f.eks et akustisk overflatebølge-filter avstemt til den frekvens som er ekvivalent med bit-hastigheten til det kombinerte signal. Som nevnt ovenfor omfatter en kabel vanligvis en flerhet med fibre, og derfor inneholder en forsterker en rekke kretser som beskrevet, det vil si en for hver fiber. I tillegg omfatter forsterkeren en felles overvåkingskrets 4 6 som overvåker funksjonene i forsterkeren og tilveiebringer digitale signaler tilbake til land på overvåkingskanalen 47. (Kanal 47 er vanligvis en form for tidsdelt multipleks slik at dataelementer, og data for hver fiber, kan separeres på land. Kanal 47 kan være en ekstra optisk fiber eller en multipleks kanal sammen med trafikken. I mange optiske undersjøiske systemer er den utformet som et elektrisk system som benytter den koaksiale kabel dannet av tråden i midten av kablen og den rørformede kraftlederen som omgir fibrene og sentertråden.) Konvensjonelle forbindelser fra overvåkingskretsen 4 6 til de andre kretsene er ikke vist.

I tillegg til de konvensjonelle komponentene omfatter forsterkeren 17 også en rekke detektorfiltere 44, fortrinnsvis akustiske overflatebølge-filtere. Det vil si at det er ett filter 44 for hver fiber, slik at synkroniseringen for hver fiber enkeltvis overvåkes og derved reguleres. Hvert filter 44 har et smalt passbånd ved halvparten av filterets 43 frekvens, det vil si den frekvens som defineres i sporene 12 og 13 på fig. 2. Effekten (eller en annen ekvivalent parameter, f.eks amplituden) til utgangsfilteret 43 blir digitalisert i A/D-omformeren 45 og ført til overvåkingskretsen 46, hvor den blir ført til land via overvåkingskanalen 47.

Når innfletningen er perfekt, skal det ikke være noen utgang fra filter 4 4 (men det er vanligvis litt støy). Hvis innfletningen blir ujevn, f.eks som vist på figur 3, øker effektutgangen fra filteret 44, og derfor blir større verdier sendt tilbake til land over kanal 47.

Det skal bemerkes at på fig. 3 er det ikke mulig å avgjøre hvilken stasjon pulsene stammer fra. Således spesifiserer feilsignalene bare størrelsen på feilen. Feilsignalene indikerer ikke retningen på feilen.

Feilsignalene (for alle fibrene) blir sendt via den felles overvåkingskanal 47 til senderen 11, og relevante deler av denne er vist på figur 5. Hoveddelen av stasjonen er representert ved blokk 50 som styrer en optisk senderanordning, f.eks en laser 51, via en variabel faseforsinkelse 52. Feilsignalene som mottas via kanal 47, blir lagret i en mikroprosessor 53. Siden signalene ikke indikerer retningen på en feil, foretar mikroprossesoren små fasereguleringer i en tilfeldig valgt retning, og den venter for å se resultatet av denne endringen. Hvis feilen blir bedre, foretar mikroprossesoren en ytterligere endring i samme retning for å fjerne feilen. Hvis feilen blir verre, blir den annen endring foretatt i motsatt retning. Således kan stasjonen 11 regulere sin faseforsinkelse for å holde avstanden jevn på fiber 16.

Under bruk utgjør senderen 11 en del av et telekommunikasjonssystem, og den mottar sin trafikk fra systemet. Det vil foreligge en systemspesifikasjon som definerer bit-hastigheten til både systemet og senderen 11. Imidlertid kan ikke senderen 11 styre systemet, og spesielt kan senderen 11 ikke styre fasen eller tidsinnstillingen til trafikken som den mottar. Utgangen fra stasjon 11 blir slik tidsmessig innrettet at dens signaler har det korrekte faseforhold ved forsterkeren 17. Således blir tidsinnstillingen av utgangssignalene styrt (indirekte) av stasjonen 10 med fast fase, og senderen 11 må tilpasse seg to tidskrav som den ikke kan regulere.

Det er derfor hensiktsmessig å innbefatte et bufferlager i senderen 11. Bufferlageret er koblet for å motta og lagre trafikken som den kommer. Bufferet er også koblet for å tilveiebringe trafikk til kabelen 13 under styring av en taktgenerator (det vil si en taktgenerator for hver fiber) som bestemmer det øyeblikk ved hvilket hver bit blir sendt. Fasekorreksjonene som er blitt nevnt ovenfor, blir oppnådd ved reguleringer av taktgeneratorenes fase. Siden god ytelse krever nøyaktig regulering av fasen ved forsterker 17, er hver enkelt regulering av en taktgenerator en meget liten del av en bit- periode. Således utgjør hver taktregulering bare en liten forskjell for bufferet, det vil si en meget liten økning eller minskning i den tid trafikken forblir i lageret.

Over korte tidsperioder, f.eks opptil et par sekunder, vil inngangs-bithastigheten være nøyaktig tilpasset utgangs-bithastigheten, og de små taktjusteringene som er beskrevet ovenfor, har ingen virkning på andre deler av stasjonen 11 eller på inngang/utgangs-balansen. For lengre tidsperioder, f.eks timer eller dager, er det mulig at balansen ikke vil være nøyaktig. Over en periode på et år kan således variasjonene i overføringstidene være av størrelsesorden omkring 500 bit-perioder (for overføringshastigheter på 600 megabit/sekund over avstander på noen få hundre kilometer til knutepunktet 14). Således kan den kumulative virkning av mange reguleringer ventes å nå opptil 500 bit-perioder (eller + 250 til - 250 fra en middelverdi). Det ville antagelig være uhensiktsmessig å tilveiebringe et bufferlager som var stort nok til å håndtere denne variasjonen.

Generelt er det vanskelig å styre telekommunikasjons-systemet nøyaktig til den spesifiserte bithastighet, slik at avvik av lignende størrelse vil være å vente selv uten variasjonen i overføringtiden. således er stasjonen 11 et eksempel på plesiokrondrift, og teknologi for å korrigere feilene i plesiokrone systemer er velkjent. "Utslutting" hvor ikke viktige biter blir innsatt og/eller utelatt etter hva som er korrekt, er et eksempel på et slikt system.

Som beskrevet ovenfor styrer taktgeneratorene fasen ved forsterkeren 17, men den kumulative virkning av mange små justeringer kan få den mengde trafikk som er lagret i bufferet til å bli uhensiktsmessig høy eller lav. Utsluttingssystemet innsetter en bit når innholdet er for lavt, og utelater en bit når inneholdet er for høyt. Således forblir innholdet av bufferet på et hensiktsmessig nivå til tross for betydelige kumulative virkninger. (Taktgeneratorene og bufferet er ikke vist på noen tegning).

I en modifisert versjon (ikke vist) blir retningen av en korreksjon også bestemt. I denne modifikasjonen blir amplituden av signalene i fiber 13 holdt ved 99% til 95% av amplituden til signalene i fiber 12. Denne asymmetrien forårsaker en utgang forskjellig fra null selv når fase-reguleringen er perfekt. Asymmetrien gjør det også mulig å utlede et taktsignal fra trafikksignalene og måle en fasedreining av filterutgangen mot det utledede taktsignal. Dermed kan feilsignaler som innbefatter både størrelse og retning oppnås, og dette letter korreksjonen. Det er imidlertid en ulempe at det neddykkede utstyr blir mer komplekst.

Det er mulig å kombinere signaler fra mer enn to stasjoner. For å kombinere signaler fra fire stasjoner, blir således to par kombinert ved å bruke to knutepunkter som hver har en forsterker som vist på fig. 4. De to systemene blir så kombinert ved å bruke et tredje knutepunkt og en forsterker som sender sitt feilsignal til to landstasjoner. Man vil forstå at når signalene fra flere stasjoner skal kombineres, er det nødvendig for hovedsenderne å bruke intervaller som ikke er meget lenger enn mellomrommene. Når der er fire sendere, bør intervallene være (minst) tre ganger pulsene for at innfletting skal være mulig.

Claims (8)

1. Optisk telekommunikasjonssystem, som omfatter (a) en første senderstasjon (10); (b) en andre senderstasjon (11), hvilken andre stasjon omfatter en variabel faseforsinkelses-anordning (52) for justering av faseforsinkelsen av dens utsendte signaler; (c) en primær mottagerstasjon (17) koblet ved hjelp av optiske fiberkabler (12, 13) til den første og annen senderstasjon, hvorved den primære mottagerstasjon er anordnet for å motta uavhengige, pulsede optiske trafikksignaler fra første og annen senderstasjon; karakterisert ved at den primære mottagerstasjon (17) omfatter: (d) en feildetekterende anordning (40) som reagerer på mellomrommet mellom pulser i de mottatte trafikksignalene ved å tilveiebringe et feilsignal som indikerer uensartethet i trafikksignalene; (e) en feilsignal-senderanordning (41) for overføring av feilsignalet til den annen senderstasjon via de optiske kabler; og ved at den annen senderstasjon omfatter; (f) en styreanordning (53) innrettet for å motta feilsignalet, idet styreanordningen er operativt koblet for å styre den variable faseforsinkelses-anordning (52) for å minimalisere den fasefeil som indikeres av det mottatte feilsignal.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at fiberkablene omfatter en første inngangskabel (12) koblet til den første senderstasjonen (10), en andre inngangskabel (13) koblet til den annen senderstasjon (11) og en utgangskabel (16) koblet til den primære mottagerstasjonen (17), idet systemet omfatter et passivt knutepunkt (14) hvor den første og den annen inngangskabel (12, 13) er koblet til utgangskabelen (16).

3. Optisk mottagerstasjon (17), egnet for bruk som primær mottagerstasjon i et nett som angitt i krav 1, hvilken mottagerstasjon omfatter en anordning for å motta pulsede optiske trafikk-signaler (40) fra to uavhengige kilder (10, 11) via optiske fiberkabler og omforme signalene (40) til elektrisk form, idet synkroni-seringsfeil mellom de to kildene (10, 11) kan bevirke uregelmessigheter i signalene (4 0); karakterisert ved(i) en feildetekterende anordning (44) som reagerer på mellomroms-uregelmessigheter i de elektriske signaler ved å tilveiebringe et feilsignal som indikerer slike uregelmessigheter; (ii) en senderanordning (46) for utsendelse av feilsignalet som frembringes av den feildetekterende anordning (44).

4. Mottagerstasjon (17) ifølge krav 3, karakterisert ved at den feildetekterende anordning har form av et filter (44) avstemt til halve trafikksignalenes frekvens og en analog/digital-omformer (45) for omforming av utgangssignalet fra filteret til digital form.

5. Mottagerstasjon ifølge krav 4, karakterisert ved at filteret (44) er et akustisk overflatebølge-filter.

6. Optisk senderstasjon (11), egnet for bruk som andre senderstasjon i et nett som angitt i krav 1, hvilken sender-stas jon omfatter en optisk senderanordning (51) egnet for å sende trafikk inn i en optisk fiber; karakterisert ved(I) en justerbar faseforsinkelsesanordning (52) for justering av fasen til utgangssignalene fra senderanordningen(51); og (II) en styreanordning (53) innrettet for å motta fasefeilsignaler generert utenfor senderstasjonen, idet styreanordningen (53) er operativt forbundet med den justerbare faseforsinkelsesanordning (52) for å justere faseforsinkelsen slik at fasefeil som indikeres av et mottatt signal, reduseres.

7. Senderstasjon (11) ifølge krav 6 , karakterisert ved at den omfatter en rekke optiske senderanordninger (51) for å sende trafikk inn i en rekke optiske fibre, hvor hver av de av de optiske senderanordninger (51) har sin egen justerbare faseforsinkelse (52) for justering av fasen til dens utgangsignaler, idet styreanordningen (53) er innrettet for å motta fasefeilsignaler vedrørende alle de optiske senderanordninger (51), og for å separere fasesignalene for å styre hver av faseforsinkelsene ved hjelp av fasefeil-data vedrørende dens egen senderanordning.

8. Optisk telekommunikasjonssystem som omfatter (a) en første landbasert senderstasjon (10); (b) en andre landbasert senderstasjon (11), hvilken andre stasjon omfatter en variabel faseforsinkelses-anordning (52, 53) for justering av faseforsinkelsene til dens utsendte signaler; (c) en neddykket primær forsterker (17) forbundet ved hjelp av et neddykket, optisk fiberkabelsystem (14, 16) som omfatter en første inngangskabel (12) koblet til (a), en andre inngangskabel (13) koblet til (b), en utgangskabel (16) koblet til den neddykkede primære forsterker (17) og et passivt knutepunkt (14) der den første og den andre inngangskabel (12, 13) er koblet til utgangskabelen (16), hvorved den neddykkede primære forsterker (17) er innrettet for å motta uavhengige, pulsede optiske trafikk-signaler fra den første og den andre senderstasjon; karakterisert ved at den neddykkede primære forsterker (17) omfatter; (d) en feildetekterende anordning (40) som reagerer på tidsmellomrommet mellom pulser i trafikksignalene ved å tilveiebringe feilsignaler som indikerer uensartethet i traf ikksignalene; (e) en feilsignal-senderanording for overføring av feilsignalene til den annen landbaserte senderstasjon via det neddykkede, optiske fiberkabelsystem; og hvor den annen landbaserte senderstasjon omfatter: (f) en signalbehandlingsanordning innrettet for å motta feilsignalene, idet signalbehandlingsanordningen er operativt koblet til den variable faseforsinkelsesanordning for å minimalisere fasefeilene som indikeres av de mottatte feilsignaler.