NO842499L - Optisk fdm system - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et frekvensdelt multipleks system (FDM) og da særlig et system for bruk i anlegg hvor transmisjonsmediet er en optisk fiberkabel.

Når man forsøker å bygge opp FDM-systemer for optiske anlegg i henhold til konvensjonell teknikk under bruk av filtre, støter man på problemer som skyldes de relativt smale båndbredder som forlanges på de optiske filtre som er nødvendige. Man får også problemer med stabilitetsforhold og avstand mellom frekvensbånd p.g.a. forandringer i komponenter og utstyr.

Ifølge foreliggende oppfinnelse unngås slike problemer ved at det frekvensdelte multipleks systemet bygges opp i overens-stemmelse med de nedenfor fremsatte patentkrav.

For å gi en klarere forståelse av foreliggende oppfinnelse vises til nedenstående tegninger, hvor: - fig. 1 er et diagram som forklarer frekvensspekteret som er benyttet, - fig. 2 viser en multiplekser/demultiplekser for et første FDM-system ifølge foreliggende oppfinnelse, og - fig. 3 er et arrangement som viser oppfinnelsen brukt i for-bindelse med et svitsjeelement.

Prinsippet som systemet er basert på, vil nå bli beskrevet under henvisning til frekvensfordelingsdiagrammet i fig. 1. Kanalene som skal svitsjes er modulert med dobbelte sideband på bærebølgefrekvensene f^, f2fn og har hver en båndbredde Af. Mellom hvert par av tilstøtende kanaler befinner det seg en ube-nyttet seksjon av frekvensspekteret. Størrelsen på denne fremgår av ligning 1.

De lokale oscillatorfrekvensene f1Q, f2Q, osv. blir tildelt på en slik måte at de befinner seg i disse gapene over eller under signalfrekvensen og med en frekvensdifferanse fIFfra disse.

De velges slik at

For å sikre at f ikke frembringer et signal med frekvensen IF, må følgende betingelser være tilfredsstilt:

Av ligningene 1, 2 og 3 fremgår det at f er større enn 2f__ og S Ir den minste akseptable kanalavstand blir derfor gitt av Med en toleranse på ±T for frekvensstabiliteten til hver kanal-oscillator og med spektrallinjebredde på oscillatorene = S, må kanalavstanden økes til

Vi antar at én eller annen form for frekvensstyring av den lokale oscillator benyttes for å låse differansefrekvensen til en kon-stant, slik at det ikke er nødvendig å forutsette en toleranse for de lokale oscillatorfrekvenser. Spektrallinjebredden antas å være den samme som for kanaloscillatoren.

Den minste IF gir den minste kanalavstanden og den minste IF er 2Af, slik at:

Med dobbelt sidebåndmodulasjon vil minst halvparten av den tilgjengelige kanalbåndbredden bli sløst bort. Enkelt sidebåndsmodulasjon kan, hvis den er anvendbar, fordoble antall kanaler i det tilgjengelige spektrum, men det er ikke klart hvordan enkelt sidebåndsmodulasjon kan oppnås. Dobbelt sidebåndsmodulasjon som antatt ovenfor, medfører amplitudemodulasjon av lyskilden. En slik amplitudemodulasjon av de styrte bølger er i virkeligheten en fasemodulasjonsprosess, og for små modulasjonsdybder vil de dobbelte sidebånd strekke seg mange ganger utover et område som er lik båndbredden til modulasjonssignalet. Dette er blitt diskutert i "Topics in Applied Physics - Integrated Optics" av J.M. Hammer (utgitt av T. Tamir), bind 7, Springer-Verlag, 1982, sidene 139-200. For store modulasjonsdybder vil imidlertid fase-modulasjonsprosessen bli en amplitudemodulasjon, fordi ved sluk-king vil energi mistes ved stråling, refleksjon eller defleksjon fra den rette linjen som en vei gjennom bølgelederen. Spekteret for det resulterende amplitudemodulerte signal vil derfor stort sett holde seg innenfor et frekvensområde som er lik pluss og minus dets båndbredde. Regenerering av det digitale signalet etter mottageren vil i alle tilfelle fjerne krysstalekomponentene.

De samme forutsetninger kan imidlertid ikke gjøres for analoge signaler som krever lineære modulasjonsprosesser, og hvor et betydelig øket kanalmellomrom er nødvendig for å gi plass til fasemodulasjonsspekteret. For en gitt type informasjon vil imidlertid digitalisering vanligvis øke kravene til båndbredde slik at den økede avstand mellom kanalene blir oppveiet av den smalere iboende båndbredde til informasjonssignalet.

Et problem med et heterodynt arrangement som fordrer svitsjing (i motsetning til demultipleksing), er at den lokale oscillator må være i stand til å bli avstemt over hele frekvensområdet. Halvlederlasere som ofte benyttes, er uegnet for dette formål fordi deres arbeidsfrekvens avhenger av deres geometri. For å unngå dette problemet benytter vi én hovedoptisk kilde for hele svitsjeprosessen eller for multipleksing/demultipleksing-systemet og syntetiserer de ønskede frekvenser fra en hovedoscillator under bruk av akustisk/optisk interferens. Dette har i tillegg den fordel at dersom den benyttede hovedoptiske kilde driver i frekvens, vil alle de øvrige frekvenser drive i samsvar med dette slik at faktoren T i ligningen (5) kan settes lik null. Ved å benytte én optisk kilde med høy kvalitet kan man være i stand til å påkoste en relativt kostbar oscillator med god spektrallinjebredde og vil dermed minimalisere S.

Figurene 2 og 3 viser arrangementer som er basert på de ovenfor nevnte prinsipper, og i fig. 2 er det vist det enkleste tilfelle med multipleksing/demultipleksing, mens i fig. 3 er det benyttet et svitsjearrangement, hvor de innkommende og utgående kanalene ikke har et fast innbyrdes forhold til hverandre.

F.eks. kan man anta et spesielt eksempel med 5 digitale TV-kanaler, hver på 7 0 Mb/s og en mellomfrekvens på 160 MHz samt en kanalavstand på 500 MHz.

I figurene 2 og 3 er transmisjons- (multipleksing-) endene identiske.

Hovedoscillatorens utgang blir splittet idet halve energien eller mer går til mottagersiden, og resten går til sendersiden. Sendersignalet føres inn i en splittkrets RNM 1 som arbeider i Råman Nath (RN) området, og for definisjon av dette vises til den ovennevnte referanse. Av interesse er også artikkelen "Inter-action Between Light and Sound" av R. Adler, IEEE Speetrum, V4,

nr. 5, sidene 42-54, mai 1967. Denne modulatoren har også en inngang, over hvilken et signal på 500 MHz tilføres. Fasevand-ringen eller modulasjonsindeksen til utstyret RNMl er slik at det

fører til at bærebølgen og de høyere ordens sidebånd har samme amplitude. For arrangementet med 5 kanaler som er vist på figuren medfører dette at bærebølgen, førsteordens og annenordens sidebånd som tilsvarer Bessel-funksjonen JQ, J og J2må ha omtrent samme amplituder. En modulasjonsindeks på ca. 3 radianer tilfreds-stiller dette kriteriet. Når inngangen blir frekvensmodulert,

vil også utstyret RNMl splitte den romlig i 5 utganger med frekvensene fQ, fQ±fm og fQ±<2>f.Hver av disse utganger blir deretter modulert i én av kanalmodulatorene CM1-CM5 med ett av de 5 TV-signalene, og de blir deretter kombinert i en kombinasjonskrets CB, hvis utgang føres til en optisk fiberkabel. Kombinasjonen kan gjennomføres ved hjelp av optisk utstyr (kollimering og fokusering) dersom funksjonene er på separate brikker, - eller dersom de foreligger på bølgeledere i samme brikke, ved hjelp av en standard bølgeleder koblingsteknikk.

Til slutt vil således den kombinerte utgang bli overført langs en fiber eller bølgeleder til mottagersiden. Mottagersiden til hovedoscillatorens utgangskrets blir også overført langs en annen leder eller fiber til mottagersiden for å virke som en lokal oscillatorkilde.

I fig. 2 inneholder mottagersiden for multipleksing/demulti-pleksingsbehov, en Bragg modulator BM som forskyver det lokale oscilatorsignalet med en verdi som tilsvarer IF-frekvensen, oppover i det foreliggende tilfelle. Signalet blir deretter splittet av en annen Råman Nath modulator RNM2 til delfrekvensene<f>0<+><f>IF'<f>0<+><f>IF<±>fm °<9><f>0<+><f>IF±2V

Informasjonssignalet splittes ved mottaging til 5 like kanaler under bruk av en splittekrets SP som arbeider på en bølgeleder dekoblingsteknikk. Så snart disse kanalene er splittet, blir de kombinert med de tilsvarende lokale oscillatorutganger fra kretsen RNM2. Denne kombinasjonen kan utføres på brikken eller direkte ved fotodetektoren. Blanding foretas ved fotodetektoren, og det resulterende elektriske signal filtreres og forsterkes for å gi 5 separate TV-kanaler.

I fig. 3 er det for svitsjeformål nødvendig at hver av de 5 lokale oscillatorfrekvenser blir potensielt tilgjengelige for en vilkårlig kanal. For å oppnå dette, blir mottagerens lokale oscillatorutgang splittet med en enkel optisk splittekrets OS til 5 like deler, og hver del mates til en separat Bragg-krets BMl til BM5. Hver Bragg-krets kan bli akustisk modulert med signalene ved IF-frekvens, ved IF-frekvens + eller - f m, eller ved IF-frekvens + eller - 2f m , etter behov. En slik modulering 3 krever flere akustiske omformere, hvorav bare én blir energisert ad gangen, og resulterer i forskjellige Bragg-vinkler ved hver frekvens. Utgangen blir deretter kollimert og fokusert før den føres til blandekretsen. Fra dette punkt av er operasjonen lik den som gjelder for multipleks-tilfellet.

Skjønt det ovenfor er benyttet et digitalisert TV-signal som eksempel, kan prinsippet like gjerne benyttes på et analogt TV-signal, og hovedforskjellen er at kanalbåndbredden vil være mindre (f.eks. 5 MHz), men kanalavstanden vil være større (f.eks. 100 MHz) uttrykt ved multipler av båndbredden. Den resulterende konstruksjon er derfor ikke i hovedsak forskjellig fra det som er blitt beskrevet. Således kan man ved en tilsynelatende dårlig utnyttelse av det optiske spektrum og filtrering ved hjelp av elektrisk utstyr, overvinne ulempene som oppstår ved filtrering ved optiske frekvenser.

Det er antatt at et slikt system skal benyttes for svitsjing og/eller for multipleksing av bredbåndede videokanaler. Imidlertid kan det også utvides til å gjelde for f^eks. 3 0 kanaler, noe som f.eks. kan trenges for kabel-TV.

Claims (7)

1. Frekvensdelt multipleks system (FDM) hvor transmisjonsmediet er en optisk fiberkabel, og hvor systemet oppviser flere kanaler hvis frekvenser er vidt og jevnt adskilt over det tilgjengelige frekvens-spekteret, karakterisert ved at en enkelt oscillator er tilknyttet alle kanalene og tilveiebringer én enkelt utgangsfrekvens ved eller nær et sentralt punkt på frekvens-spekteret, hvor den enkelte utgangsfrekvens føres til en modulasjonskrets som genererer flere utgangssignaler som hver utgjør en bærefrekvens for en av kanalene, hvor utgangssignalene utledes fra oscillatorens utgang ved at en annen frekvens subtra-heres derfra og/eller adderes dertil én eller flere ganger for å gi én eller flere ytterligere frekvenser, og hvor de ytterligere frekvenser eller de ytterligere frekvenser pluss den opprinnelige

oscillator-frekvens benyttes som bærebølger for FDM-kanalene. 2. Frekvensdelt multipleks system ifølge krav 1, karakterisert ved at modulasjonsarrangementet er en Raman-Nath krets til hvilken oscillatorfrekvensen fg og den ytterligere frekvens f begge blir tilført, og hvor Raman-Nath kretsen tilveiebringer 2N+1 utganger ved frekvenser hvorav N er lavere enn f^ og N er høyere enn f^ .

3. Frekvensdelt multipleks system ifølge krav 2, karakterisert ved at N=2 slik at Raman-Nath kretsen gir utgangssignaler ved frekvensene (fg - 2f), (f^ - f), f^ , (f^ + f) og (f0 + 2f).

4. Frekvensdelt multipleks system ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at hvert av utgangssignalene fra Raman-Nath kretsen føres til én respektiv av de 2N+1 kanalmodulatorene, én pr. kanal som betjenes, og hvor utgangene fra kanalmodulatorene kombineres i en kombinasjonskrets for over-føring langs en optisk fiber til en fjerntliggende stasjon.

5. Frekvensdelt multipleks system ifølge krav 4, karakterisert ved at utgangen fra oscillatoren føres via en ytterligere optisk fiber til en fjerntliggende stasjon når den benyttes for å detektere signalene på de forskjellige kanalene.

6. Frekvens multipleks system ifølge krav 5, karakterisert ved at den mottatte oscillatorutgangen ved den fjerntliggende stasjon blir frekvensforskjøvet med ± en tredje frekvens <f>T _, hvor frekvensen (fA ± fT „) føres til en annen ir U Ir Raman-Nath krets for å frembringe fem lokale utganger som hver avviker med fTl„ r fra én av kanalfrekvensene, og hvor de 2N+1 lokale utgangsfrekvenser kombineres med de respektive frekvenser ved de mottatte kanaler fra hvilke deteksjon utføres.

7. Frekvensdelt multipleks system ifølge krav 5, karakterisert ved at FDM-kanalene er svitsjbare, idet de mottatte oscillatorutganger ved de fjerntliggende stasjonene blir forskjøvet med ± fIF/ og de forskjøvede utgangssignalene splittes ved hjelp av en optisk splittekrets for å gi 2N+1 lignende utganger som blir tilført et sett med 2N+1 Bragg-modulatorer, én pr. kanal, og hvor hver Bragg-modulator har lokale oscillator-innganger slik at den kan benyttes for en hvilken som helst av kanalene, og hvor inngangsmodulerte signaler blir splittet av en ytterligere optisk splittekrets for å gi 2N+1 utgangssignaler, og hvor de respektive utgangssignalene fra Bragg-modulatorene og fra den ytterligere optiske splittekrets blir kombinert i sett for å effektuere detektering.