WO1991015907A2 - Bit- und rahmensynchronisiereinheit für einen zugriffsknoten einer optischen übertragungseinrichtung - Google Patents

Bit- und rahmensynchronisiereinheit für einen zugriffsknoten einer optischen übertragungseinrichtung Download PDF

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Thomas Martinson
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Ascom Tech Ag
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Definitions

  • Bit and frame synchronization unit for access to an optical transmission device
  • the invention relates to a bit and frame synchronization unit for an access node of an optical transmission device.
  • Couplers e.g. Couplers, switches and modulators that use electro-optical effects to influence the light.
  • These elements work up to frequencies in the gigahertz range.
  • address-coded packets for the transmission of information is generally known.
  • Such packages have a header and an info part, the header containing all the data necessary for the respective package and the facilities involved, for example a destination address, details of the type of package, monitoring bits, etc.
  • info part is available for the useful information to be transmitted.
  • each receiving subscriber station When receiving information arriving via an optical line, it is inevitable that at least part of the luminous flux carrying the information is consumed. Furthermore, each receiving subscriber station must be synchronized to the bit clock and the clock of the packets passing by.
  • the object of the invention is now to provide a transmission device which makes do largely without electrical regenerators using the components mentioned.
  • a bit and frame clock synchronization unit is to be specified which is simple in structure and simple in operation.
  • FIG. 4 block diagram of a first bit
  • FIG. 6 block diagram of a second bit
  • FIG. 1 schematically shows a transmission device 10 on which information is transmitted in the form of addressed packets in the direction of the arrow.
  • An optical fiber 11, in particular a single-mode fiber, serves as the transmission medium.
  • a plurality of access nodes 12 are inserted serially into this fiber 11, whereby the fiber 11 is divided into sections, but the luminous flux as a whole is not interrupted.
  • An address is assigned to each access node 12, by means of which it is distinguished from all other nodes. However, it is also possible for a plurality of nodes 12 to be assigned the same address.
  • the light flow begins with a transmission unit 16, in particular a semiconductor laser, which feeds an essentially constant direct light current into the beginning of the fiber 11 and an associated modulator for modulating this direct light current.
  • the modulated light flow passes through the fiber 11 and passes through all access nodes 12 without interruption.
  • These nodes have access units 13 which, as described, do not interrupt the light flow.
  • each node 12 is able to Luminous flux read information.
  • this information can be useful information contained in packets.
  • this information can represent addresses, information about the packets, synchronization signals, etc.
  • the modulation of the luminous flux is selected such that existing light or high light output or high light intensity or bright represents the state logic 1 and nonexistent light or low light output or low light intensity or dark represents the state logic 0 .
  • the bit clock of the luminous flux and the packets arise in the transmission unit 16 by controlling their modulator by a clock generation unit 17 and depending on the information to be transmitted, indicated as a bar arrow 18.
  • frames can also be used to structure the luminous flux.
  • the optical fiber 11 can be laid in a circle and the receiver 23 of the last access node 12 by e.g. short electrical connection 19 can be connected to the transmitter unit 16.
  • the receiver 23 of the last access node 12 can also be electrically connected to the transmission unit 16 of a further transmission device 10, as a result of which the linear expansion is doubled.
  • active transmission units 16 equipped with a light transmitter and passive nodes 12 containing no light transmitter then alternate with one another.
  • the directional coupler 30 has, on a semiconductor substrate 32, for example an InP substrate, two adjacent, optical rib waveguides 34, 35, which are covered by a total of four metallic control electrodes 36 to 39, via which electrical control voltages can be applied .
  • the directional coupler is connected on its input side with the one rib waveguide 34 to an incoming fiber, in particular a single-mode fiber 41. On its output side, it is connected with two rib waveguides 34, 35 to an outgoing fiber 42 and 43, respectively.
  • the described, for example directional coupler 30 works as a light switch, the light flux arriving via the fiber 41 depending on the voltages applied to the control electrodes 36 to 39 being divisible in any ratio between the two outgoing fibers 42, 43.
  • 3 shows a symbol representation of the directional coupler 30, which is intended to express the switch function.
  • the arrow 44 symbolizes the electrical control option that is given via the control electrodes 36 to 39 (FIG. 2).
  • the directional coupler 30 If the directional coupler 30 is fully switched through, there are two “digital” switch positions, one in which the light path from the input of the coupler to the respective output is transparent to a light beam and a second in which this path is blocked.
  • FIG. 4 shows a block diagram of a bit and frame synchronization unit 51. This is used in each access node 12 for synchronization to the luminous flux of the fiber 11, to be precise simultaneously to the bit clock and to the packet or frame clock.
  • the bit and frame synchronization unit 51 hereinafter referred to as the sync unit, has an optical input 53, which corresponds to the connection 15 of FIG. 1, and two electrical outputs 54, 55. In the illustration, these are electrical connections are shown as simple arrows and the optical connections as bar arrows.
  • the sync unit 51 comprises an electrically controllable, optical switching element 57, an optoelectric converter 60, an integration element 63, a controller and evaluator 66, a controller 69, a clock generator 72 and a sequence generator 75.
  • a coarse regulator 48 is added.
  • the clock generator 72 is connected to the controller 69, the controller and evaluator 66 and to the sequence generator 75, the latter (75) is connected to the switching element 57 and the controller 69 is connected to the sequence generator 75, the integration element 63 and to the controller and evaluator 66
  • the coarse controller 48 is connected to the controller 69 and the outputs 54 and 55 to the clock generator 72 and the controller 69, respectively.
  • the clock generator 72 outputs a bit clock on its outputs, which always corresponds approximately to the (known) bit clock BT of the clock generation unit 17 and thus the clock on the fiber 11. Via its input 67, it receives a control signal RS from the controller and evaluator 66, with the aid of which it adjusts itself precisely to the respective bit clock BT of the fiber 11 which is possibly subject to fluctuations.
  • This clock BT is emitted via all outputs of the clock generator 72, in particular also via the output 54 of the sync unit 51.
  • the sequencer 75 outputs a serial, electrical comparison pattern VM to the switching element 57 in the bit clock BT of the clock generator 72, this process being controlled by the controller 69 and the coarse controller 48.
  • the comparison pattern VM consists of a sequence of, for example, twenty to thirty bits, ie values of logical 0 and 1, for example the sequence 1110010011101000011111000000111.
  • This comparison pattern VM corresponds entirely to an optical bit pattern BM, which comes from the transmitter unit 16 as a regular synchronization signal on the Fiber 11 appears.
  • the optical switching element 57 is designed as a directional coupler 30, which, controlled via its control input 44, either enables or blocks the optical path between its input 79 and its single output 80.
  • the optical switching element 57 can be designed as any element that fulfills the functions described.
  • Such elements are, for example, controllable, optical amplifiers, optical modulators, controlled mirrors, etc.
  • the optoelectric converter 60 is preferably a fast photodiode with a suitable, downstream amplifier.
  • the output capacitance of the diode and the amplifier which is spatially closely coupled to the diode together form the integration element 63.
  • the circuitry structure of the amplifier allows the "virtual" size of the integration element, its RC time and other parameters to be influenced.
  • the integrating element 63 outputs voltage pulses ü at its output, the heights of which form a measure of a respective integral.
  • the controller and evaluator 66 is a unit that consists of several input signals U, e.g. by comparing successive signals, forms a control signal RS and outputs it to connection 67.
  • This control signal RS can e.g. be a DC voltage which is fed into a VCO (voltage controlled oscillator) at the clock generator 72 for the purpose of varying the bit clock BT of the clock generator 7.2.
  • VCO voltage controlled oscillator
  • the sync unit 51 operates as follows: The coarse controller 48, which is yet to be described, enables the sync unit 51 to work by means of a signal to the controller 69.
  • the bit pattern BM branched off from the fiber 11 becomes the sync unit 51 entered via the input 53 and reaches the switching element 57.
  • the electrical comparison pattern VM is now applied to it as phase and clockwise as possible.
  • the switching element 57 switches the light, or rather the light / dark sequence of the optical bit pattern BT, to the optoelectric converter 60 bit by bit and depending on the logical meaning of the respective bit of the comparison pattern VM, or blocks the optical path through the switching element 57.
  • the optoelectric converter 60 receives the light transmitted through the switching element 57 and converts this light into electrical charge e in proportion to its respective light output or quantity. This charge e builds up in the integration element 63 an overall voltage of the value U which depends on the patterns BM, VM and their mutual phase relationship.
  • the controller and evaluator 66 evaluates this respective voltage U and outputs the control signal RS to the connection 67.
  • the clock generator 72 then adjusts its respective bit clock BT and the phase position in relation to the next bit pattern BM.
  • the sync unit 51 forms a control loop in the manner described.
  • the controller 69 ensures that the integration element 63 and the controller and evaluator 66 are timely, i.e. is only activated for the duration of the bit pattern BM and is then returned to the respective rest position ("clear" function).
  • the optical bit pattern BM and the electrical comparison pattern VM appear in phase and with the same clock at the respective inputs of the switching element 57, ie if there is more precise synchronism, then there is practically a state which is known as an autocorrelation in a correlator.
  • the voltage U this means that it reaches an extreme value, either a maximum value Umax, because all light is let through or a minimum value Umin, because all light is blocked, so light quantity zero. Which of these extreme values is reached depends on which logical value, 1 or 0, is assigned to the states light or no light at the input 53 of the switching element 57. In the following it is assumed that the extreme value is a maximum value Umax.
  • bit pattern BM and comparison pattern VM is the desired case in which both the bit clock BT and the frame or packet clock RT are fully synchronized.
  • bit clock BT appears at the output 54 for controlling further units (not shown) of the respective access node 12 and the frame clock RT at the output 55.
  • bit sequence BM shows the theoretical dependence of the respective voltage value U at the output 64 of the integration element 63 on the phase deviation ⁇ between the bit pattern BM and the comparison pattern VM.
  • the bit sequence logically serves as the bit pattern BM
  • bit sequence mentioned logically 1110010011101000011111000000111. Apart from the six zeros at the edges, these two bit sequences are the same.
  • Theoretical dependency means that the bit clocks BT match exactly in terms of frequency and that there is no phase deviation of the bit clocks.
  • the integration in the integration element 63 takes place completely and without errors.
  • the voltage U is plotted as an ordinate in (any values), the magnitude ⁇ as a deviation from the exact synchronism in phase or shift steps of 1 bit on the abscissa.
  • the dependency or curve of FIG. 5 has a symmetrical course which slopes away from the maximum umax on both sides.
  • the maximum is sharp.
  • the regulator and evaluator 66 can therefore be set to Generate simple control and evaluation signals that guide the sync unit 51 in the direction of maximum output voltage values U at any time. If the maximum is reached, this means both optimal bit and frame synchronization at the same time. This is the exact synchronism you want.
  • the maximum search method is known as such and is based on the fact that two or more successive or mutually corresponding measurements of U are compared with one another.
  • the order and the heights of U indicate the edge of the curve of FIG. 5 on which the measured values lie. This creates a measure of the direction in which the maximum lies.
  • the curved edges and the sharp maximum are particularly suitable for control processes, through which even minor deviations from the synchronism of the bit and frame clocks BT and RT can be recognized very quickly and can be reversed or corrected.
  • FIG. 6 shows the block diagram for a second, somewhat modified sync unit 51.
  • the switching element 57 forms an optical switch, the input 53 and the two outputs 81, 82 of which are optionally optically connected to one another by the controller 69 and the sequencer 75 .
  • the outputs 81, 82 are followed by two identical optoelectric converters 60.1, 60.2 and associated integration elements 63.1, 63.2.
  • a difference formation stage 85 is connected, which forms the difference Udiff from the two output voltages U1, U2 of the integration elements 63.1, 63.2. This difference Udiff is fed to the controller and evaluator 66.
  • the unit constructed otherwise the same as the sync unit of Fig. 4 operates similarly to that.
  • the difference is that the controlled, optical switchover to the two outputs 81, 82 and the difference formation in the difference formation stage 85 results in a sharper maximum of the assigned theoretical dependence of the voltage U on the phase deviation ⁇ . Furthermore, there is an improved behavior when the always inevitable noise (noise) occurs.
  • FIG. 7 shows the named dependency associated with the sync unit 51 according to FIG. 6.
  • the sequence logically serves as bit pattern BM (as an example)
  • a sync unit 51 of the type described only works properly and quickly if there is at least a certain overlap between the bit pattern BM and the comparison pattern VM.
  • the coarse controller 48 is used to bring about this minimal overlap. It responds to coarse synchronization signals GS which are emitted regularly, in particular periodically, from the clock generation unit 17 to the fiber 11.
  • a coarse synchronization signal for example, is a short sequence with an oscillation, the frequency of which is twice or three times as high as the basic frequency of a (normal) logical sequence 010101 .... Such a sequence can easily be identified and eliminated by the coarse controller with the help of a filter filter out the general bitstream.
  • the coarse controller 48 can also be of such a type that it searches the successive frames or packets for the position of the respective bit pattern BM and gradually moves from frame to frame Phase position ⁇ changes relative to the frame until it discovers the bit pattern BM.
  • the sequence generator 75 can either be constructed in such a way that it contains the respective comparison pattern VM and outputs it in each case controlled by the controller 69 and in time with the clock generator 72. Instead, he can regenerate it using a suitable algorithm or receive the comparison pattern VM from a unit (not shown) and forward it to the optical switching element 57.
  • the controller and evaluator 66 can comprise a simple threshold circuit, e.g. a monostable multivibrator. For the faster search of the correlation maximum, however, a more complex circuit is recommended, which can compare and evaluate several voltage values U, e.g. Values appearing one after the other or values appearing parallel to each other.
  • the described sync unit 51 works with very low light outputs and is much more robust against interference, against noise and against the required quality of the light bits than a comparable, purely electronic unit. This is based primarily on the compensating function of the integration element 63, which is based on analog technology and not on digital technology. This results in a reduction in the required working speed by at least a factor of 4 to 10 at a crucial point in the arrangement.
  • bit BM and comparison pattern VM can be replaced by other patterns or sequences.
  • An important criterion for their quality is the Number of bits required, ie the length of the pattern.
  • the bit BM and comparison pattern VM should - as described - be identical except for their edge. However, it is also possible that they differ slightly from one another, for example in general or because of jitter effects or the like.
  • the bit patterns BM can be contained in every packet, in particular in their headers. However, they can also be emitted onto fiber 11 less frequently, e.g. as the content of a special package type that is reserved for special tasks and appears, for example, after every hundred normal packages.
  • the access nodes 12 can be connected to a continuous fiber 11 as described. However, it is also possible to use the sync unit 51 in other nodes, e.g. Those that regenerate the luminous flux electrically.
  • the integration element 63 can be designed differently by means of electronic means, in particular sensitive and fast input amplifiers. In this case, the electrical charge e released in the optoelectric converter 60 builds up the voltage U mentioned integrating into the resulting input capacitance of the amplifier.

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Abstract

Die Bit- und Rahmensynchronisiereinheit (51) dient zum Synchronisieren eines Zugriffsknotens auf den über eine optische Übertragungsfaser laufenden Bitstrom. Die Einheit (51) weist ein elektrisch steuerbares, optisches Schaltglied (57) auf, das als Lichtschalter dient. Sie weist weiter einen Sequenzgeber (75) zum elektrischen Steuern des Schaltgliedes (57) auf, einen Taktgeber (72), einen optoelektrischen Wandler (60), ein elektrisches Integrationsglied (63), einen Regler und Bewerter (66) sowie eine Steuerung (69). Hierzu kommt noch ein Grobregler (48). Am Eingang (53) erscheint periodisch ein optisches Bitmuster (BM), diesem zugeordnet am Steuereingang (44) ein äquivalentes, elektrisches Vergleichsmuster (VM). Die Höhe des hierbei resultierenden elektrischen Spannungsimpulses U am Ausgang (64) des Integrationsgliedes (63) ist bei annäherndem Synchronlauf ein Mass für die jeweilige, gegenseitige Phasenabweichung. Bei absolutem Synchronlauf ergibt sich ein scharfes Impuls-Maximum. Die Einheit (51) dient zum gleichzeitigen Synchronisieren des Bit- und des Rahmentaktes.

Description

Bit- und Rahmensynchronisiereinheit. für einen Zuqriffs noten einer optischen ϋbertraqun seinrichtuncr
Die Erfindung betrifft eine Bit- und Rahmensynchronisier¬ einheit für einen Zugriffsknoten einer optischen Übertragungseinrichtung.
Übertragungseinrichtungen und diverse Arten der Informationsübertragung über Übertragungsstrecken sind allgemein bekannt. In neuerer Zeit werden aus verschiedenen Gründen optische Übertragungsstrecken zunehmend wichtig. Neben den optischen Punkt/Punkt-Verbindungen sind auch kompliziertere Netzstrukturen mit optischen Leitungen bekannt. So beschreibt z.B. B. Viklund in einem Artikel "Optical fibres in local area networks",
Communications/Communications International, October 1985, Seite 19 ff. verschiedene NetzStrukturen mit Glasfaserkabeln für Verteilnetze und für Netze mit individuell aufbaubaren Verbindungen zwischen diversen Teilnehmern. Bei letzteren ist vor allem eine Ringstruktur günstig. Die Teilnehmerstellen einer optischen Übertragungsleitung der letztgenannten Art sind über optoelektrische Koppler an die jeweils verwendete Faser angeschlossen.
Auf der Basis von z.B. InP-Halbleitermaterial gibt es heute Bauelemente für optische Systeme, z.B. Koppler, Weichen und Modulatoren, die zur Lichtbeeinflussung elektrooptische Effekte ausnützen. Diese Elemente arbeiten bis zu Frequenzen im Gigahertz-Bereich.
Zur Übermittlung von Information ist die Verwendung von adresscodierten Paketen allgemein bekannt. Solche Pakete weisen einen Kopfteil (header) und einen Infoteil auf, wobei der Kopfteil alle für das jeweilige Paket und die beteiligten Einrichtungen notwendigen Daten enthält, z.B. eine Zieladresse, Angaben über die Art des Paketes, Überwachungsbits usw. Der Infoteil steht für die zu übertragende Nutzinformation zur Verfügung.
Beim Empfang einer über eine optische Leitung ankommenden Information ist es unumgänglich, dass dabei wenigstens ein Teil des die Information tragenden Lichtstromes verbraucht wird. Weiter muss jede empfangende Teilnehmerstelle auf den Bittakt und auf den Takt der vorbeilaufenden Pakete synchronisiert sein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, unter Ausnützung der genannten Bauelemente eine Übertragungseinrichtung anzugeben, die weitgehend ohne elektrische Regeneratoren auskommt. Insbesondere soll eine Bit- und Rahmentakt-Synchronisiereinheit angegeben werden, die im Aufbau einfach und in der Wirkungsweise unkompliziert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gegeben. Die abhängigen Ansprüche geben Ausgestaltungen der Erfindung an.
Mit der erfindungsgemässen Lösung ergibt sich die Möglichkeit, flexible Übertragungseinrichtungen anzugeben, die wegen ihres vermehrt optischen Aufbaus gegenüber den vergleichbaren, bisher bekannten Einrichtungen erhebliche Vorteile bringen. Insbesondere ist zu erwähnen eine hervorragende Immunität gegen elektromagnetische Interferenzen. Die Synchronisiereinheit arbeitet sodann mit einem Integrierer, der im Vergleich zum Bittakt langsam ist und von Natur aus problemlos auf Verzerrungen und ähnliches reagiert. Hierdurch ist die Synchronisiereinheit geeignet für schnelle Übertragungsleitungen bis zu Taktfrequenzen von z.B. mehreren GigaBit. Vorteilhaft ist ausserdem, dass die Synchronisierung auf den Bit- und den Rahmentakt gemeinsam und gleichzeitig erfolgt. Im folgenden wird die Erfindung anhand von sieben Figuren beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 - schematische Darstellung einer optischen
Übertragungseinrichtung
Fig. 2 - schematische Darstellung eines optischen
Richtungskopplers, sehr stark vergrössert
Fig. 3 - Symboldarstellung des Richtungskopplers
Fig. 4 - Blockschaltbild einer ersten Bit- und
Rahmensynchronisiereinheit
Fig. 5 - zugeordnete Funktionsabhängigkeit
Fig. 6 - Blockschaltbild einer zweiten Bit- und
Rahmensynchronisiereinheit
Fig. 7 - Funktionsabhängigkeit der zweiten Bit- und
Rahmensynchronisiereinheit.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Übertragungseinrichtung 10, auf der Information in Form adressierter Pakete in Pfeilrichtung übertragen wird. Als Übertragungsmedium dient eine optische Faser 11, insbesondere eine Monomodefaser. In diese Faser 11 ist seriell eine Mehrzahl von Zugriffsknoten 12 eingefügt, wodurch die Faser 11 zwar in Abschnitte unterteilt wird, der Lichtstrom insgesamt jedoch nicht unterbrochen wird. Jedem Zugriffsknoten 12 ist eine Adresse zugeordnet, durch die er von allen jeweils anderen Knoten unterschieden ist. Es ist jedoch auch möglich, dass mehreren Knoten 12 eine gleiche Adresse zugeordnet ist.
Der Lichtfluss beginnt bei einer Sendeeinheit 16, insbesondere einem Halbleiterlaser, der einen im wesentlichen konstanten Gleichlichtstrom in den Anfang der Faser 11 einspeist und einem zugeordneten Modulator zum Modulieren dieses Gleichlichtstromes. Der modulierte Lichtström durchläuft die Faser 11 und passiert dabei unterbruchlos sämtliche Zugriffsknoten 12. Diese Knoten weisen Zugriffseinheiten 13 auf, die wie beschrieben den Lichtstrom nicht unterbrechen. Mit Hilfe dieser Zugriffseinheiten 13 ist jeder Knoten 12 in der Lage, im Lichtstrom enthaltene Information zu lesen. Diese Information kann zum einen in Paketen enthaltene Nutzinformation sein. Zum anderen kann diese Information Adressen, Angaben über die Pakete, Synchronisierungssignale usw. darstellen. Zum Empfang und zur Auswertung der Information dienen die Informationsempfänger 23, die über Verbindungen 15 mit den Zugriffseinheiten 13 verbunden sind.
Es ist günstig, wenn die Modulation des Lichtstromes so gewählt wird, dass vorhandenes Licht bzw. hohe Lichtleistung bzw. hohe Lichtintensität bzw. hell den Zustand logisch 1 und nichtvorhandenes Licht bzw. niedrige Lichtleistung bzw. niedrige Lichtintensität bzw. dunkel den Zustand logisch 0 darstellt.
Der Bittakt des Lichtstromes und die Pakete entstehen in der Sendeeinheit 16, indem deren Modulator durch eine Takterzeugungseinheit 17 und in Abhängigkeit von der als Balkenpfeil 18 angedeuteten, zu übertragenden Information gesteuert wird. Statt Pakete können auch Rahmen zur Gliederung des Lichtstromes dienen.
Die optische Faser 11 kann kreisförmig verlegt und der Empfänger 23 des letzten Zugriffsknotens 12 durch eine z.B. kurze elektrische Verbindung 19 mit der Sendeeinheit 16 verbunden sein. Hierdurch entsteht eine Ringanordnung, bei der die Sendeeinheit 16 die einzige Lichtquelle enthält. Der Empfänger 23 des letzten Zugriffsknotens 12 kann aber auch elektrisch mit der Sendeeinheit 16 einer weiteren Übertragungseinrichtung 10 verbunden sein, wodurch eine Verdoppelung der linearen Ausdehnung erreicht wird. Bei einer solchen Einrichtung wechseln dann aktive, mit einem Lichtsender ausgerüstete Sendeeinheiten 16 und passive, keinen Lichtsender enthaltende Knoten 12 einander ab.
Fig. 2 zeigt in schematischer, stark vergrösserter Darstellung einen integrierten optischen Richtungskoppler 30 als Herzstück der genannten Zugriffseinheiten 13. Der Richtungskoppler 30 weist auf einem Halbleitersubstrat 32 z.B. einem InP-Substrat, zwei benachbarte, optische Rippenwellenleiter 34, 35 auf, die von insgesamt vier metallischen Steuerelektroden 36 bis 39 bedeckt sind, über die elektrische Steuerspannungen anlegbar sind. Der Richtungskoppler ist auf seiner Eingangsseite mit dem einen Rippenwellerleiter 34 an eine ankommende Faser, insbesondere eine Monomodefaser 41 angeschlossen. Auf seiner Ausgangsseite ist er mit beiden Rippenwellenleitern 34, 35 an je eine abgehende Faser 42 bzw. 43 angeschlossen.
Der beschriebene, beispielsweise Richtungskoppler 30 arbeitet als Lichtweiche, wobei in Abhängigkeit von den an die Steuerelektroden 36 bis 39 angelegten Spannungen der über die Faser 41 ankommende Lichtstrom in beliebigem Verhältnis auf die beiden abgehenden Fasern 42, 43 aufteilbar ist. Fig. 3 zeigt eine Symbol-Darstellung des Richtungskopplers 30, die die Weichenfunktion zum Ausdruck bringen soll. Der Pfeil 44 symbolisiert dabei die elektrische Ansteuermöglichkeit, die über die Steuerelektroden 36 bis 39 (Fig. 2) gegeben ist.
Wird der Richtungskoppler 30 jeweils voll durchgeschaltet, dann ergeben sich zwei "digitale" Schaltstellungen, und zwar eine, bei der der Lichtpfad vom Eingang des Kopplers zum jeweiligen Ausgang für einen Lichtstrahl durchlässig ist und eine zweite, bei der dieser Pfad gesperrt ist.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Bit- und Rahmensynchronisiereinheit 51. Diese dient in jedem Zugriffsknoten 12 zur Synchronisierung auf den Lichtstrom der Faser 11, und zwar gleichzeitig auf den Bittakt und auf den Paket- bzw. den Rahmentakt. Die Bit- und Rahmensynchronisiereinheit 51, im folgenden als Sync- Einheit bezeichnet, besitzt einen optischen Eingang 53, der der Verbindung 15 von Fig. 1 entspricht, und zwei elektrische Ausgänge 54, 55. In der Darstellung sind die elektrischen Verbindungen als einfache Pfeile und die optischen Verbindungen als Balkenpfeile dargestellt.
Die Sync-Einheit 51 umfasst ein elektrisch steuerbares, optisches Schaltglied 57, einen optoelektrischen Wandler 60, ein Integrationsglied 63, einen Regler und Bewerter 66, eine Steuerung 69, einen Taktgeber 72 und einen Sequenzgeber 75. Hierzu kommt noch ein Grobregler 48.
Der Taktgeber 72 ist mit der Steuerung 69, dem Regler und Bewerter 66 und mit dem Sequenzgeber 75 verbunden, Letzterer (75) ist mit dem Schaltglied 57 verbunden und die Steuerung 69 mit dem Sequenzgeber 75, dem Integrationsglied 63 und mit dem Regler und Bewerter 66. Der Grobregler 48 ist mit der Steuerung 69 verbunden und die Ausgänge 54 und 55 mit dem Taktgeber 72 bzw. der Steuerung 69.
Der Taktgeber 72 gibt auf seine Ausgänge einen Bittakt ab, der stets in etwa dem (bekannten) Bittakt BT der Takterzeugungseinheit 17 und damit dem Takt auf der Faser 11 entspricht. Über seinen Eingang 67 erhält er ein Regelsignal RS vom Regler und Bewerter 66, mit dessen Hilfe er sich jeweils exakt auf den jeweiligen, eventuell Schwankungen unterliegenden Bittakt BT der Faser 11 einstellt. Dieser Takt BT wird über alle Ausgänge des Taktgebers 72 abgegeben, insbesondere auch über den Ausgang 54 der Sync-Einheit 51.
Der Sequenzgeber 75 gibt im Bittakt BT des Taktgebers 72 ein serielles, elektrisches Vergleichsmuster VM an das Schaltglied 57 ab, wobei dieser Vorgang durch die Steuerung 69 und den Grobregler 48 gesteuert wird. Das Vergleichsmuster VM besteht aus einer Folge von z.B. zwanzig bis dreissig Bits, d.h. Werten logisch 0 und 1, beispielsweise der Folge 1110010011101000011111000000111. Diesem Vergleichsmuster VM entspricht vollständig ein optisches Bitmuster BM, das von der Sendeeinheit 16 herkommend als Synchronisiersignal regelmässig auf der Faser 11 erscheint.
Das optische Schaltglied 57 ist als Richtungskoppler 30 ausgebildet, wobei dieser, gesteuert über seinen Steuereingang 44, den optischen Pfad zwischen seinem Eingang 79 und seinem einzigen Ausgang 80 entweder freigibt oder sperrt.
Alternativ kann das optische Schaltglied 57 als beliebiges Element ausgebildet sein, das die beschriebenen Funktionen erfüllt. Solche Elemente sind beispielsweise steuerbare, optische Verstärker, optische Modulatoren, gesteuerte Spiegel usw.
Der optoelektrischer Wandler 60 ist bevorzugt eine schnelle Fotodiode mit einem geeigneten, nachgeschalteten Verstärker. In diesem Fall bildet die Ausgangskapazität der Diode und der räumlich eng an die Diode angekoppelte Verstärker zusammen das Integrationsglied 63. Durch den schaltungstechnischen Aufbau des Verstärkes lässt sich die "virtuelle" Grosse des Integrationsgliedes, dessen RC-Zeit und sonstige Parameter beeinflussen. Das Integrationsglied 63 gibt an seinem Ausgang Spannungsimpulse ü ab, deren Höhen ein Mass für ein jeweiliges Integral bilden.
Der Regler und Bewerter 66 ist eine Einheit, die aus mehreren Eingangssignalen U, z.B. durch Vergleich jeweils aufeinanderfolgender Signale, ein Regelsignal RS bildet und auf die Verbindung 67 abgibt. Dieses Regelsignal RS kann z.B. eine Gleichspannung sein, die beim Taktgeber 72 in einen VCO (voltage controlled oscillator) eingespeist wird zum Zwecke der Variation des Bittaktes BT des Taktgebers 7.2.
Die Sync-Einheit 51 arbeitet wie folgt: Der noch zu beschreibende Grobregler 48 gibt durch ein Signal an die Steuerung 69 die Arbeit der Sync-Einheit 51 frei. Das von der Faser 11 abgezweigte Bitmuster BM wird der Sync-Einheit 51 über den Eingang 53 eingegeben und erreicht das Schaltglied 57. An dieses wird nun möglichst phasen- und taktgerecht, ausgehend vom Taktgeber 72, der Steuerung 69 und dem Sequenzgeber 75 das elektrisches Vergleichsmuster VM angelegt. Das Schaltglied 57 schaltet hierdurch bitweise und in Abhängigkeit von der logischen Bedeutung des jeweiligen Bits des Vergleichsmusters VM das Licht bzw. besser die Hell/Dunkel-Folge des optischen Bitmusters BT zum optoelektrischen Wandler 60 durch oder sperrt den optischen Pfad durch das Schaltglied 57.
Der optoelektrische Wandler 60 empfängt jeweils das durch das Schaltglied 57 durchgelassene Licht und wandelt dieses Licht proportional zu dessen jeweiliger Lichtleistung bzw. Lichtmenge in elektrische Ladung e um. Diese Ladung e baut im Integrationsglied 63 eine von den Mustern BM, VM und deren gegenseitiger Phasenlage gesamthaft abhängige elektrische Spannung des Wertes U auf. Der Regler und Bewerter 66 bewertet diese jeweilige Spannung U und gibt das genannte Regelsignal RS auf die Verbindung 67 ab. Der Taktgeber 72 passt hierauf seinen jeweiligen Bittakt BT sowie die Phasenlage gegenüber dem nächsten Bitmuster BM an.
Die Sync-Einheit 51 bildet auf die beschriebene Weise einen Regelkreis. Die Steuerung 69 sorgt hierbei dafür, dass das Integrationsglied 63 und der Regler und Bewerter 66 jeweils zeitgerecht, d.h. nur für die Dauer des Bitmusters BM aktiv geschaltet und anschliessend zurück in die jeweilige Ruhestellung gebracht wird (Funktion "clear") .
Erscheinen das optische Bitmuster BM und das elektrische Vergleichsmuster VM phasen- und taktgleich an den jeweiligen Eingängen des Schaltgliedes 57, liegt also genauer Synchronismus vor, dann ergibt sich praktisch ein Zustand, wie er bei einem Korrelator als Autokorrelation bekannt ist. Dies bedeutet für die Spannung U, dass diese einen Extremwert erreicht, entweder einen Maximalwert Umax, weil alles Licht durchgelassen wird oder einen Minimalwert Umin, weil alles Licht gesperrt wird, also Lichtmenge Null. Welcher dieser Extremwerte erreicht wird, hängt dabei davon ab, welcher logische Wert, 1 oder 0, den Zuständen Licht bzw. kein Licht am Eingang 53 des Schaltgliedes 57 zugeordnet ist. Im folgenden wird angenommen, dass der Extremwert ein Maximalwert Umax ist.
Der Fall der genannten exakten Übereinstimmung zwischen Bitmuster BM und Vergleichsmuster VM ist der angestrebte Fall, bei dem sowohl der Bittakt BT als auch der Rahmen¬ oder Pakettakt RT voll synchronisiert ist. In diesem Fall erscheint am Ausgang 54 der Bittakt BT zur Steuerung weiterer, nicht gezeigter Einheiten des jeweiligen Zugriffsknotens 12 und am Ausgang 55 der Rahmentakt RT.
Fig. 5 zeigt die theoretische Abhängigkeit des jeweiligen Spannungswertes U am Ausgang 64 des Integrationsgliedes 63 von der Phasenabweichung δ zwischen dem Bitmuster BM und dem Vergleichsmuster VM. Als Bitmuster BM dient dabei die Bitfolge logisch
0000001110010011101000011111000000111000000, als Vergleichsmuster VM die genannte Bitfolge logisch 1110010011101000011111000000111. Abgesehen von den jeweils sechs Nullen an den Rändern sind diese beiden Bitfolgen gleich. Theoretische Abhängigkeit bedeutet dabei, dass die Bittakte BT frequenzmässig exakt übereinstimmen und dass keine Phasenabweichung der Bittakte besteht. Weiter erfolgt die Integration im Integrationsglied 63 vollständig und fehlerfrei. Die Spannung U ist als Ordinate in (beliebigen Werten) aufgetragen, die Grosse δ als Abweichung vom genauen Synchronismus in Phasen- bzw. Verschiebungsschritten von jeweils 1 Bit auf der Abszisse.
Die Abhängigkeit bzw. Kurve von Fig. 5 besitzt einen symmetrischen, vom Maximum Umax nach beiden Seiten "geschwungen" abfallenden Verlauf. Das Maximum ist scharf ausgeprägt. Der Regler und Bewerter 66 kann daher auf einfache Art Regel- und Bewertungssignale erzeugen, die die Sync-Einheit 51 jederzeit in Richtung maximaler Ausgangsspannungswerte U führen. Ist das Maximum erreicht, so bedeutet dies gleichzeitig sowohl optimale Bit- als auch Rahmensynchronisierung. Dies ist der gewünschte genaue Synchronismus.
Die Methode der Maximum-Suche ist als solche bekannt und basiert darauf, dass jeweils zwei oder mehr aufeinander folgende bzw. miteinander korrespondierende Messungen von U miteinander verglichen werden. Die Reihenfolge und die Höhen von U geben hierbei an, auf welcher Flanke der Kurve von Fig. 5 die Messwerte liegen. Damit entsteht eine Messgrösse dafür, in welcher Richtung das Maximum liegt. Die geschwungenen Flanken und das scharfe Maximum eignen sich dabei besonders für Regelprozesse, durch die auch geringfügige Abweichungen vom Gleichlauf der Bit- und Rahmentakte BT bzw. RT sehr schnell erkannt und rückgängig gemacht werden bzw. ausgeregelt werden können.
Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild für eine zweite, etwas abgewandelte Sync-Einheit 51. Bei dieser bildet das Schaltglied 57 einen optischen Umschalter, dessen Eingang 53 und dessen zwei Ausgängen 81, 82 durch die Steuerung 69 und den Sequenzgeber 75 wahlweise optisch miteinander verbunden werden. Den Ausgängen 81, 82 sind zwei gleiche optoelektrische Wandler 60.1, 60.2 und zugeordnete Integrationsglieder 63.1, 63.2 nachgeschaltet. An deren Ausgänge 64.1, 64.2 ist eine Differenzbildungsstufe 85 angeschlossen, die die Differenz Udiff aus den beiden Ausgangsspannungen Ul, U2 der Integrationsglieder 63.1, 63.2 bildet. Diese Differenz Udiff wird dem Regler und Bewerter 66 zugeführt.
Die ansonsten gleich wie die Sync-Einheit von Fig. 4 aufgebaute Einheit arbeitet ähnlich wie jene. Der Unterschied liegt darin, dass durch die gesteuerte, optische Umschaltung auf die beiden Ausgänge 81, 82 und durch die Differenzbildung in der Differenzbildungsstufe 85 ein schärferes Maximum der zugeordneten theoretischen Abhängigkeit der Spannung U von der Phasenabweichung δ resultiert. Weiter ergibt sich ein verbessertes Verhalten beim Auftreten des stets unvermeidbaren Rauschens (Geräusch) .
Fig. 7 zeigt die genannte, der Sync-Einheit 51 nach Fig. 6 zugeordnete Abhängigkeit. Als Bitmuster BM dient (als Beispiel) die Folge logisch
00000000001111111100001110110000000000, als Vergleichsmuster VM die Folge 00001111111100001110110000. Obwohl diese Folgen deutlich kürzer sind als die anhand von Fig. 5 beschriebenen Folgen, weist die wiederum symmetrische Kurve ein schärferes Maximum mit deutlich tiefer liegenden Seitenflanken auf, wobei diese Flanken wiederum von oben her gesehen konkav sind.
Eine Sync-Einheit 51 der beschriebenen Art arbeitet nur dann einwandfrei und schnell, wenn zumindest eine gewisse Überlappung zwischen dem Bitmuster BM und dem Vergleichsmuster VM besteht. Zum Herbeiführen dieser minimalen Überlappung dient der Grobregler 48. Dieser spricht auf Grobsynchronisiersignale GS an, die regelmässig, insbesondere periodisch von der Takterzeugungseinheit 17 auf die Faser 11 ausgesandt werden. Als Grobsynchronisiersignal eignet sich beispielsweise eine kurze Sequenz mit einer Schwingung, deren Frequenz doppelt oder dreifach so hoch ist wie die Grundfrequenz einer (normalen) logischen Folge 010101.... Eine solche Sequenz lässt sich leicht durch den Grobregler mit Hilfe eines Filters erkennen und aus dem allgemeinen Bitstrom herausfiltern.
In anderer Ausbildung kann der Grobregler 48 auch so geartet sein, dass er die aufeinanderfolgenden Rahmen bzw. Pakete jeweils auf die Lage des jeweiligen Bitmusters BM hin absucht und schrittweise von Rahmen zu Rahmen seine Phasenlage δ gegenüber den Rahmen so lange ändert, bis er das Bitmuster BM entdeckt.
Ausser den bereits genannten Variationen seien noch folgende genannt:
Der Sequenzgeber 75 kann entweder so aufgebaut sein, dass er das jeweilige Vergleichsmuster VM gespeichert enthält und dieses jeweils gesteuert durch die Steuerung 69 und im Takt des Taktgebers 72 ausgibt. Statt dessen kann er es jeweils mittels eines geeigneten Algorithmusses neu generieren oder das Vergleichsmuster VM von einer nicht gezeigten Einheit empfangen und zum optischen Schaltglied 57 weiterleiten.
Der Regler und Bewerter 66 kann in einfachster Ausführung eine einfache Schwellenschaltung umfassen, z.B. eine monostabile Kippschaltung. Für die schnellere Suche des Korrelationsmaximums empfiehlt sich jedoch eine aufwendigere Schaltung, die mehrere Spannungswerte U miteinander vergleichen und beurteilen kann, z.B. zeitlich nacheinander auftretende Werte oder parallel zueinander auftretende, zeitgleiche Werte.
Die beschriebene Sync-Einheit 51 arbeitet mit sehr geringen Lichtleistungen und ist wesentlich robuster gegen Störungen, gegen Störgeräusche und gegenüber der erforderlichen Qualität der Licht-Bits als eine vergleichbare, rein elektronisch arbeitende Einheit. Dies beruht vor allem auf der ausgleichenden Funktion des Integrationsgliedes 63, welches auf Analogtechnik und nicht auf Digitaltechnik basiert. Hierdurch ergibt sich an einer entscheidenden Stelle der Anordnung eine Verminderung der erforderlichen Arbeitsgeschwindigkeit um wenigstens einen Faktor 4 bis 10.
Die genannten beispielsweisen Bit- BM und Vergleichsmuster VM können durch andere Muster bzw. Folgen ersetzt werden. Ein wichtiges Kriterium für ihre Güte bildet dabei die Anzahl erforderlicher Bits, d.h. die Länge der Muster. Die Bit- BM und Vergleichsmuster VM sollten - wie beschrieben - bis auf ihren Rand gleich sein. Es ist aber auch möglich, dass sie geringfügig voneinander abweichen, z.B. generell oder aufgrund von Jitter-Effekten oder ähnlichem.
Die Bitmuster BM können in jedem Paket, insbesondere in deren Kopfteilen enthalten sein. Sie können aber auch weniger häufig auf die Faser 11 ausgesendet werden, z.B. als Inhalt eines speziellen Pakettyps, der für Sonderaufgaben reserviert ist und beispielsweise nach jeweils hundert normalen Paketen erscheint.
Die Zugriffsknoten 12 können wie beschrieben an einer durchgehenden Faser 11 angeschlossen sein. Es ist aber auch möglich, die Sync-Einheit 51 in anderen Knoten einzusetzen, z.B. solchen, die den Lichtstrom jeweils elektrisch regenerieren.
Das Integrationsglied 63 kann mittels elektronischer Mittel, insbesondere empfindlicher und schneller Eingangsverstärker verschieden gestaltet sein. Hierbei baut die im optoelektrischen Wandler 60 freigesetzte elektrische Ladung e jeweils in der resultierenden Eingangskapazität des Verstärkers integrierend die genannte Spannung U auf.

Claims

- 14 -Patentansprüche
1. Bit- und Rahmensynchronisiereinheit (51) für einen Zugriffsknoten (12) einer optischen Übertragungseinrichtung (10),
• wobei die Übertragungseinrichtung (10) eine Mehrzahl unabhängiger Zugriffsknoten (12) aufweist, die seriell an eine optische Übertragungsfaser (11) angeschlossen sind,
• wobei auf dieser Faser (11) ein ununterbrochener, gerichteter Bitstrom in Form einer Hell/Dunkel-Folge und mit einem gegebenen Bittakt (BT) fliesst,
• wobei der Bitström durch einen Rahmentakt (RT) und diesem zugeordnete Signale gegliedert ist, und
• wobei jeder Zugriffsknoten (12) ausgerüstet ist zum Mitlesen und zum Empfang der auf der Faser (11) übertragenen Information, gekennzeichnet für die Übertragungseinrichtung (10) als Ganzes
- durch eine Takterzeugungseinheit (17) und eine Sendeeinheit (16) , welche die dem Rahmentakt (RM) zugeordneten Signale als stets gleiche, serielle Bitmuster (BM) auf die Übertragungsfaser (11) aussenden, und gekennzeichnet in jedem Zugriffsknoten (12)
- durch ein optisches Schaltglied (57) , das elektrisch steuerbar ist, das einen optischen Eingang (53) und wenigstens einen optischen Ausgang (80, 81, 82) aufweist, das für jeden optischen Ausgang (80, 81, 82) eine erste Schaltstellung besitzt, be-i der der Pfad zwischen dem Eingang (79) und dem jeweiligen Ausgang (80, 81, 82) für einen Lichtstrahl durchlässig ist und eine zweite Schaltstellung besitzt, bei der dieser Pfad für einen Lichtstrahl gesperrt ist, und in dessen Eingang (79) das serielle Bitmuster (BM) , getragen durch einen Lichtstrahl, eingebbar ist,
- durch einen Sequenzgeber (75) zum elektrischen Steuern des optischen Schaltgliedes (57) im Takt (BT) des Taktgebers (72) und entsprechend dem logischen Wert des jeweiligen Bits eines Vergleichsmusters (VM) , welches dem Bitmuster (BM) wenigstens weitgehend entspricht,
- durch eine der Anzahl Ausgänge (80, 81, 82) entsprechende Anzahl optoelektrischer Wandler (60, 60.1, 60.2), von denen jeder einem der Ausgänge (80, 81, 82) nachgeschaltet ist,
- durch eine entsprechende Anzahl elektrischer Integrationsglieder (63, 63.1, 63.2), von denen jedes einem optoelektrischen Wandler (60, 60.1, 60.2) nachgeschaltet ist zum Integrieren der von den Wandlern (60, 60.1, 60.2) jeweils abgegebenen elektrischen Ladung (e) und zur Abgabe von zu dieser Ladung (e) proportionalen Spannungswerten (U, U2, U2),
- durch einen den Integrationsgliedern (63, 63.1, 63.2) nachgeschalteten, elektronischen Regler und Bewerter (66) zum Bilden eines Regelsignals RS aus den Spannungswerten (U, U-., U2) , und
- durch eine Steuerung (69) zum Steuern des Sequenzgebers (75), der Integrationsglieder (63, 63.1, 63.2) sowie des
Reglers und Bewerters (66) .
2. Bit- und Rahmensynchronisiereinheit (51) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied (57) als optischer Ein/Aus-Schalter mit einem einzigen Ausgang (80) ausgebildet ist.
3. Bit- und Rahmensynchronisiereinheit (51) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Schaltglied (57) als optischer Umschalter mit zwei Ausgängen (81, 82) ausgebildet ist, und
- dass zusätzlich eine Differenzbildungsstufe (85) vorgesehen ist, die zwischen die beiden Integrationsglieder
(63.1, 63.2) und den Regler und Bewerter (66) geschaltet ist zur Bildung eines Differenzsignals (Udiff) aus den Spannungswerten (Ol r U2) .
4. Bit- und Rahmensynchronisiereinheit (51) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder optoelektrische Wandler (60. 60.1, 60.2) eine Fotodiode umfasst, deren Ausgangskapazität zusammen mit der Eingangskapazität eines nachgeschalteten Verstärkers das zugeordnete Integrationsglied (63, 63.1, 63.2) bildet.
5. Bit- und Rahmensynchronisationseinheit (51) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (69) vorgesehen ist, die den Sequenzgeber (75), die Integrationsglieder (63, 63.1, 63.2) und den Regler und Bewerter (66) so steuert, dass der Sequenzgeber (75) das Vergleichmuster (VM) in stets optimaler Synchronisation gleichzeitig mit dem am Schaltglied (57) ankommenden Bitmuster (BM) abgibt.
6. Bit- und Rahmensynchronisiereinheit (51) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grobregler (48) vorgesehen ist zum Herstellen einer Grobsynchronisierung (GS) zwischen dem Bitmuster (BM) und dem Vergleichsmuster (VM) und zur Abgabe eines zugeordneten Signals an die Steuerung (69) .
7. Bit- und Rahmensynchronisiereinheit (51) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grobregler (48) ausgebildet ist zum Ansprechen auf eine Bitsequenz, deren Frequenz wenigstens doppelt so hoch ist wie die Grundfrequenz einer Folge von Bits, deren Wert abwechselnd logisch 0 und 1 ist.
8. Bit- und Rahmensynchronisiereinheit (51) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grobregler (48) ausgebildet ist zum schrittweisen Absuchen aufeinanderfolgender Rahmen, wobei von Schritt zu Schritt die Phasenlage zwischen Bitmuster (BM) und Vergleichsmuster (VM) variiert wird.
9. Bit- und Rahmensynchronisiereinheit (51) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Bitmuster (BM) und das Vergleichsmuster (VM) so ausgebildet sind, dass die Funktionsabhängigkeit der Höhe der resultierenden Spannungswerte (U, Udiff) von der Phasenabweichung (δ) zwischen den beiden Mustern (BM, VM) geschwungene, vom Maximum her gesehen konkave Flanken aufweist.
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