WO2018189330A1 - Sender für ein optisches freistrahl-kommunikationssystem sowie optisches freistrahl-kommunikationssystem - Google Patents

Sender für ein optisches freistrahl-kommunikationssystem sowie optisches freistrahl-kommunikationssystem Download PDF

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WO2018189330A1
WO2018189330A1 PCT/EP2018/059454 EP2018059454W WO2018189330A1 WO 2018189330 A1 WO2018189330 A1 WO 2018189330A1 EP 2018059454 W EP2018059454 W EP 2018059454W WO 2018189330 A1 WO2018189330 A1 WO 2018189330A1
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Dirk Giggenbach
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • H04B10/118—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum specially adapted for satellite communication
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    • H04B10/677—Optical arrangements in the receiver for all-optical demodulation of the input optical signal for differentially modulated signal, e.g. DPSK signals
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    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
    • H04B7/18513—Transmission in a satellite or space-based system

Definitions

  • Geostationary (GEO) communication satellites require large data rates in the uplink to bring the data to be transmitted from the ground gateway to the satellite. From there they are transmitted via radio transponder as a communication signal to the users on the ground.
  • GEO Globalstar feeder link
  • GFL GEO feeder link
  • optical GFLs are disturbed by the atmosphere: clouds over the optical ground station (OGS) block the connection to the satellite. This can be sufficiently counteracted by OGS diversity.
  • the temporal behavior of these signal fluctuations is due to the temporal change of the refractive index structure. This is mainly influenced by the lateral wind. This means that typically fade durations of 2 to 20 ms are to be expected. Such fading events are classically compensated for by FEC (Forward Error Correction) algorithms and ARQ (Automated Repeat Request) protocols, which, however, result in principle delays of a multiple of the fading duration comes (in this case, something 100 ms) and additional throughput losses (through the FEC overhead) must be taken into account.
  • FEC Forward Error Correction
  • ARQ Automatic Repeat Request
  • Tx-Div transmitter diversity
  • two or even more ( ⁇ ) transmit beams "Tx” are emitted by the OGS parallel to the GEO. These beams propagate through different IRT volumes (the IRT structures must be significantly smaller than the Tx distance, which is very well ensured with typical feature sizes in the cm to dm range from about 1 m Tx distance).
  • the satellite In the satellite, they thus generate several statistically independent intensity patterns. If the wavelengths used in the different transmitters are different (frequency difference must be greater than the bandwidth of the data receiver), the patterns are incoherently superimposed, ie the intensities are added together. This is generally the case for simple intensity modulations / direct reception systems (IM / DD). This results in a balance of minima and maxima, ie. the relative fluctuations are reduced.
  • Transmitter diversity for IM / DD is an established method that has been widely described and experimentally demonstrated.
  • the basic mode of operation is shown in FIG.
  • Two transmitters are positioned at a distance dTx from each other and emit the same target.
  • the structure size of the turbulence cells is in particular smaller than dTx. This results in different intensity patterns, which add incoherently when the frequencies of the two transmitters are far apart.
  • the receive power variations can be reduced.
  • the reduction of the minima ie the avoidance of strong fades
  • the received signal is thus stabilized.
  • the technique is also already being used in experimental satellite optical uplinks, e.g. In SILEX (uplink from the ESA-OGS on Tenerife to the GEO Artemis of the ESA - with up to four parallel transmit beams and in the experiment KIODO and KODEN in uplinks to the Japanese satellite OICETS / Kirari of the JAXA).
  • FIG. 1 An example of a 0.5 second length received power vector measured at the satellite is shown in FIG.
  • an uplink of an optical ground station to a receiver on a geostationary satellite is considered once with and without transmitter diversity (measured in the project ArtemEx).
  • the solid line represents a signal generated with a transmitter while the dashed line represents a signal generated with two transmitters. This has weaker fades and surges and is therefore better suited for data transmission.
  • IM / DD z When using the Tx-Div in incoherent but very broadband transmission with IM / DD z.
  • a 40 Gbps IM / DD data channel is radiated over two (or n) physically separate DWDM channels (or in a 100 GHz DWDM channel) and it must be ensured that the spectra of the two diversity channels associated with a data channel do not overlap (this is also the case for all lower-rate transmissions, but the spectral bandwidth efficiency is irrelevant there). If the optical spectra overlap, the signal quality will be disturbed (crosstalk due to mixing of overlapping spectral components with beat-like effects in the sub-range, which will make the received signal worse or unusable depending on the degree of overlap).
  • the multi-channel (DWDM) transmission of the Tx-Div therefore forces the required optical bandwidth to be a multiple of the data rate (to avoid overlapping). This can lead to the total available spectrum being insufficient to transmit the required data rates.
  • DWDM multi-channel
  • a 40 Gbps data signal requires two 100 GHz physical DWDM channels, ie 200 GHz physical bandwidth per 40 Gbps effective user data rate, which limits the overall rate to 640 Gbps for typically technically available 32 DWDM channels.
  • the channels could le may be tighter, the principle restriction that at Tx Div a multiple of the bit rate is needed, but remains.
  • DE 10 2015 221 283 A1 proposes to transmit a single-sideband modulation signal with each transmit beam "Tx", which superimposes itself on the receiver to form a two-sideband modulation signal. This also reduces interference in transmission.
  • this method is limited to two diversity channels.
  • this is an incoherent modulation method, as well as the method by means of separation by the wavelength.
  • WO 2005/002102 A1 describes a free-jet optical communication system having a transmitter having a plurality of data channels, each of the data channels each using a different wavelength. The data channels are then combined in a multiplexer and transmitted to a receiver.
  • the transmitter according to the invention for a free-jet optical communication system in particular for a data uplink to a satellite for emitting a light signal, has a number of m data channels.
  • Each of the data channels in each case has a different wavelength.
  • the m data channels have exactly m wavelengths.
  • the data channels are generated by superposition of a carrier light of a specific wavelength with the bit sequence of the data to be transmitted by means of a modulator.
  • a multiplexer is provided for superposing the m data channels into a sum signal.
  • the multiplexer is connected to a number of n pulse devices, wherein a pulse signal is formed from the sum signal by the respective pulse device.
  • n pulses are generated from the sum signal.
  • a delivery of a pulse signal of the first pulse device, etc. then ensues again below, so that pulse signals are generated in succession or periodically by the n pulse devices.
  • the pulse signals are temporally offset from each other, so that in a time domain no two pulses are present simultaneously.
  • a transmitting device is connected in each case for emitting the respective pulse signal.
  • the number of transmitting devices is also n.
  • the basic idea of the invention is thus to use a temporal separation of the individual diversity channels in order to avoid interference on the receiver side.
  • the same bit stream is always emitted from the n transmit devices, but in successive pulses.
  • the spectra of the respective pulse signals are broadened by the required shortening by the pulse devices.
  • the spectral broadening can largely be reversed.
  • the spectral efficiency is better compared to other Tx-div methods.
  • the inventive transmitter is scalable and allows for easy transmitter diversity and is not limited to two diversity channels, as in the methods described above.
  • a plurality of data channels can be transmitted while simultaneously using a plurality of transmitting devices.
  • the formation of the pulse signal increases the pulse amplitude so that a higher total amplitude can be received at the receiver.
  • the complexity of the system lies in the transmitter side, where the respective pulse signals are generated, as well as in the generation of the sum signal.
  • the receiver side eg the satellite
  • a conventional DWDM receiver is sufficient.
  • the number m of the data channels is at least 1.
  • a significantly larger number of data channels can be transmitted by the transmitter according to the invention, so that the number m of the data channels is in particular> 50.
  • the present invention is freely scalable and limited only to the existing bandwidth of the DWDM channels used.
  • the pulse signals are amplified.
  • the transmitter diversity additionally enables an increase in the total radiated power. This can be per transmitter telescope z. B. be limited for technical reasons (for example, due to the thermal load capacity of the transmitting fiber or other components or the eye safety of the transmission system). By distributing the power over several transmitters, these technical limitations can be met efficiently.
  • the sum of the lengths of the pulses of the pulse signals is equal to the length of the original data bit. This ensures that the complete data bit is covered by the respective pulse signals, wherein each pulse signal has only a section of the original data bit or the sum signal.
  • the length of the respective pulse signal preferably corresponds to 1 / n of the length of the original data bit.
  • the temporal offset between the individual pulse signals is generated by optical waveguides of different lengths or by modulators, which are triggered by means of a corresponding pulse source.
  • the transmitters have a distance which is greater than the structure size of turbulence cells in the free-space optical transmission, so that the light signal is represented by different atmospheres. see paths is transmitted.
  • the transmitters may be spaced 20 cm apart, and more preferably 1 m apart, so that the signal is transmitted through different atmospheric paths.
  • the n signals are combined so that the scintillation is reduced.
  • all data channels have a common carrier. This makes it possible to use coherent demodulation on the receiver side.
  • the data signal is modulated by means of IM / DD (NRZ pulse modulation) or by means of a coherent format such as selfhomodyne DPSK, BPSK, ASK heterodyne or the like.
  • IM / DD NMR pulse modulation
  • a coherent format such as selfhomodyne DPSK, BPSK, ASK heterodyne or the like.
  • the transmitter according to the invention can be used in particular for a data uplink to a satellite starting from a ground station.
  • This can be a LEO or GEO satellite.
  • the transmitter according to the invention can be used in an optical uplink to an aircraft / OAVs / HAPs starting from an optical ground station.
  • a ground-floor communication is conceivable.
  • Such can be used, for example, for connecting building LANs to the Internet or for connecting mobile base stations.
  • Far-reaching FSO links (up to 20 km) can also be used as communication backbones in the future, especially if the fading problem can be eliminated.
  • optical inter-HAP links are possible.
  • These future stratospheric communication platforms are advantageously connected by optical radio link, the distance of up to several 100 km brings a runtime, which has an adverse effect in repeated repeat request (ARQ).
  • the transmitter according to the invention can furthermore be used for an optical transmission of frequency standards for the synchronization of optical clocks.
  • the invention relates to a free-jet communication system, in particular for a data uplink to a satellite with a transmitter as described above and a DWDM receiver, for example in a satellite.
  • the receiver preferably has a receiving device for receiving the light signal emitted by the transmitter and a de-multiplexer connected to the receiving device for wavelength-selective splitting of the received light signal. Connected to the de-multiplexer are a number of m detectors for receiving the respective data channel. In this case, a data channel is received by each detector at a certain Wellenläge.
  • the received light signal consists of the superposition of all pulse signals generated by the transmitter.
  • the receiver has a simple structure. In particular, no increased bandwidth is required for the receiver.
  • the receiver need not consider the pulses or the number of diversity channels; The level of this transmitter diversity can therefore also be changed dynamically (or per link partner) without the receiver having to react to it.
  • Fig. 1 shows the basic operation of a transmitter diversity
  • FIG. 2 shows an exemplary receive power vector received at the satellite
  • Fig. 3 shows an embodiment of the transmitter according to the invention
  • the device has three laser light sources 10 for generating laser light having a first wavelength WL 1, a second wavelength WL 2 and a third wavelength WL 3.
  • the wavelengths of the lasers 10 are different.
  • the respective laser light of the laser 10 is superimposed with a data channel 14.
  • the number of data channels corresponds to the number of wavelengths used.
  • the data channel having the first wavelength WL 1, the data channel having the second wavelength WL 2 and the data channel having the third wavelength WL 3 are combined in a multiplexer 16 into a sum signal, which is passed to four pulse devices 18. In this case, all pulse devices 18 receive the same sum signal.
  • the pulse devices 18 are in each case modulators which are controlled via a pulse source 20 in order to form a pulse signal from the sum signal.
  • the pulse signals all have the same length and are offset in time from one another, as indicated by the indicated trigger pulse 22 in FIG. 3 shown.
  • the pulse signals are amplified in an amplifier 24. Subsequently, each pulse signal is transmitted through its own transmission telescope 26.
  • the transmission telescopes 26 have a distance from one another which is greater than the structure size of the turbulence cells of the optical free space transmission, in particular of the atmosphere. In this case, the same signal is transmitted by each transmission telescope 26, but at different times due to the time offset of the pulse signals to each other.
  • the pulse signals emitted by the transmitting telescopes 26 superimpose to form a light signal consisting of the three wavelengths WL 1, WL 2 and WL
  • the received light signal is preamplified in a preamplifier 30.
  • a de-multiplexer 32 splitting of the received light signal in the wavelengths WL 1, WL 2 and WL 3.
  • the Wellenläge WL 1 is detected by a first detector 34
  • the second wavelength WL 2 is detected by a second detector 36
  • the third wavelength WL 3 is detected by a third detector 38.
  • Fig. 5 the spectra of the three wavelengths WL 1, WL 2 and WL 3 are plotted. Due to the generation of short pulses of the pulse signal by the pulse devices 18, the spectrum of the respective pulse 40 is widened, also shown in FIG. 5, only for the wavelength WL 2. When superposed in the receiver, the pulses of the respective wavelengths (spectrum 42) are added, the sum spectrum having a width which is substantially the width of the spectrum of the three wavelengths WL 1, WL 2 and WL 3 corresponds. Thus, wavelengths can be efficiently transmitted by means of transmitter diversity a plurality of data channels are transmitted. A limitation to only two diversity channels is not given.

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Abstract

Sender für ein optisches Freistrahl-Kommunikationssystem, insbesondere für einen Daten-Uplink zu einem Satelliten, zum Aussenden eines Lichtsignals mit einer Anzahl von m Datenkanälen, wobei die Datenkanäle jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge WL aufweisen. Weiter ist ein Multiplexer vorgesehen zur Überlagerung der m Datenkanäle zu einem Summensignal. Aus dem Summensignal wird durch eine Anzahl von n Pulsvorrichtungen ein Pulssignal geformt, wobei die Pulssignale zeitlich zueinander versetzt sind. Mit den Pulsvorrichtungen ist jeweils eine Sendevorrichtung verbunden zum Aussenden des jeweiligen Pulssignals.

Description

Sender für ein optisches Freistrahl-Kommunikationssvstem sowie optisches Freistrahl-Kommunikationssvstem
Geostationäre (GEO) Kommunikationssatelliten benötigen große Datenraten im Up-Link, um die zu übertragenden Daten vom Boden-Gateway zum Satelliten zu bringen. Von dort werden sie über Funk-Transponder als Kommunikationssignal zu den Nutzern am Boden übertragen. Diese Funkverbindungen zwischen Bodenstation und GEO (sog . GEO-Feeder-Link, GFL) müssen dabei immer hochratiger werden, um die Anforderungen der Systeme zu erfüllen. Gleichzeitig wird das verfügbare Frequenzspektrum immer knapper. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, von Mikrowellen(Funk)- Verbindungstechnik zu optischem Richtfunk zu wechseln.
Informationen zu den genannten Technologien, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden :
[1] http ://www.fiberdyne.com/products/itu-grid.html
[2] L.C. Andrews and R. L. Phillips, "Laser Beam Propagation through Random Media", SPIE-Press, 2. Edition, 2005
[3] Mata-Calvo et al., "Transmitter diversity verification on ARTEMIS geosta- tionary satellite", SPIE-Photonics West 2014 Im optischen Bereich gibt es keine regulatorische Spektrumsbeschränkung . Zudem ermöglichen optische Datenverbindungen - wie aus der terrestrischen Glasfasertechnik bekannt - erheblich höhere Datenraten (momentan bis 100 Gbps pro Kanal, was durch Wellenlängenmultiplex-Technik - DWDM - noch ca. verhundertfacht werden kann) [s. Veröffentlichung 1] .
Optische GFLs (OGFL) werden allerdings durch die Atmosphäre gestört: Bewölkung über der optischen Bodenstation (Optical Ground Station, OGS) blockiert die Verbindung zum Satelliten. Diesem kann durch OGS-Diversität ausreichend begegnet werden.
Einen weiteren Atmosphäreneinfluss stellt die Brechungsindexturbulenz (BIT) dar, welche zu einer Störung der optischen Wellenfront führt und damit im weiteren Verlauf der Propagation zu Intensitätsschwankungen (Szintillationen) [s. Veröffentlichung 2] . Je nach Standort der OGS und Tageszeit, verwendeter Wellenlänge und Elevation des Links (Winkel zwischen Satellit, Bodenstation und Horizont) kann die BIT zu erheblichen Feldstörungen führen, womit das Signal beim GEO extrem stark schwankt. Je nach Übertragungsverfahren und BIT-Situation wird dadurch der Signalempfang stark gestört oder gar verhindert. Die Schwankungen wurden z. B. in Veröffentlichung [3] für ein konkretes Szenario nachgewiesen und quantifiziert. Die Empfangsleistungsschwankungen entstehen durch die Schwankungen in der Intensitätsverteilung beim Satelliten.
Das zeitliche Verhalten dieser Signalschwankungen wird durch die zeitliche Veränderung der Brechungsindexstruktur bedingt. Diese wird hauptsächlich durch den seitlichen Wind beeinflusst. Das bedeutet, dass typischerweise mit Fade-Dauern von 2 bis 20 ms zu rechnen ist. Derartige Fading-Ereignisse werden klassischerweise durch FEC (Forward Error Correction)-Algorithmen und durch ARQ (Automated Repeat Request)-Protokolle kompensiert, wodurch es aber zu prinzipiellen Verzögerungen von einem Mehrfachen der Fadingdauer kommt (in diesem Fall also etwas 100 ms) und zusätzliche Durchsatz-Verluste (durch den FEC-Overhead) in Kauf genommen werden müssen.
Ein Lösungsansatz zur Verringerung dieser Schwankungen besteht in der Transmitterdiversität (Tx-Div) : Es werden hierzu von der OGS zwei oder noch mehr (ητχ) Sendestrahlen "Tx" parallel zum GEO abgestrahlt. Diese Strahlen propagieren durch verschiedene IRT-Volumina (die IRT-Strukturen müssen hierzu deutlich kleiner als der Tx-Abstand sein, was bei typischen Strukturgrößen im cm bis dm Bereich ab ca 1 m Tx-Abstand sehr gut gewährleistet ist). Beim Satelliten erzeugen sie damit mehrere statistisch unabhängige Intensitätsmuster. Wenn die bei den verschiedenen Transmittern verwendeten Wellenlängen unterschiedlich sind (Frequenzunterschied muss größer sein als die Bandbreite des Datenempfängers), so werden die Muster inkohärent überlagert, d.h. die Intensitäten addieren sich. Dies ist für einfache Intensitätsmodulationen / Direktempfangs-Systeme (IM/DD) meist generell der Fall . Hierdurch kommt es zu einem Ausgleich von Minima und Maxima, d .h. die relativen Schwankungen werden reduziert. Konkret ändert sich der Szintillationsindex SI zu SI(n) = SI(l)/nTx.
Transmitterdiversität für IM/DD ist ein etabliertes Verfahren, dass bereits vielfach beschrieben und experimentell nachgewiesen wurde. Die grundsätzliche Funktionsweise ist in Figur 1 dargestellt. Hierbei sind zwei Sender im Abstand dTx voneinander positioniert und strahlen auf das gleiche Ziel . Die Strukturgröße der Turbulenzzellen ist dabei insbesondere kleiner als dTx. Hieraus resultieren unterschiedliche Intensitätsmuster, welche sich inkohärent addieren, wenn die Frequenzen der beiden Sender weit auseinanderliegen.
Mit dieser relativ einfachen Technik der inkohärenten Tx-Diversität lassen sich die Empfangsleistungsschwankungen reduzieren. Insbesondere die Reduktion der Minima (also das Vermeiden von starken Fades) wirkt sich dabei sehr vorteilhaft aus. Das Empfangssignal wird damit stabilisiert. Die Technik wird auch bereits in experimentellen optischen Satelliten-Uplinks angewandt, z. B. in SILEX (Uplink von der ESA-OGS auf Teneriffa zum GEO Artemis der ESA - mit bis zu vier parallelen Sendestrahlen und im Experiment KIODO und KODEN in Uplinks zum japanischen Satelliten OICETS/Kirari der JAXA).
Ein Beispiel für einen am Satelliten gemessenen Empfangsleistungsvektor der Länge von 0,5 Sekunden ist in Figur 2 dargestellt. Hierbei wird ein Uplink einer optischen Bodenstation zu einem Empfänger an einem geostationären Satelliten einmal mit und einmal ohne Transmitterdiversität betrachtet (gemessen im Projekt ArtemEx). Die durchgezogene Linie stellt ein mit einem Sender erzeugtes Signal dar, während die gestrichelte Linie ein mit zwei Sendern erzeugtes Signal darstellt. Dieses weist schwächere Fades und Surges auf und ist damit besser zur Datenübertragung geeignet.
Beim Einsatz der Tx-Div bei inkohärenter aber sehr breitbandiger Übertragung mit IM/DD wird z. B. ein 40 Gbps IM/DD-Datenkanal über zwei (oder n) physikalisch getrennte DWDM-Kanäle abgestrahlt (oder in einem 100 GHz DWDM- Kanal) und es muss sichergestellt werden, dass sich die Spektren der beiden zu einem Datenkanal gehörigen Diversitätskanäle nicht überlappen (dies ist ebenso der Fall bei allen niederratigeren Übertragungen, wobei dort aber die spektrale Bandbreiteneffizienz irrelevant ist). Sollten sich die optischen Spektren überlappen, kommt es zu Störungen der Signalqualität (Übersprechen durch Mischen der überlappenden Spektralanteile mit schwebungsartigen Effekten im Teilbereich; das empfangene Signal wird dadurch je nach Grad der Überlappung schlechter bis unbrauchbar). Die Tx-Div erzwingt bei mehrkanali- ger (DWDM) Übertragung daher, dass die benötigte optische Bandbreite ein Vielfaches der Datenrate beträgt (zur Vermeidung der Überlappung). Dies kann dazu führen, dass das verfügbare Spektrum insgesamt nicht ausreicht, um die geforderten Datenraten zu übertragen. Zum Beispiel benötigt ein 40 Gbps Datensignal zwei 100 GHz physikalische DWDM-Kanäle, also 200 GHz physikalische Bandbreite pro 40 Gbps effektive Nutzerdatenrate, was bei typischerweise technisch verfügbaren 32 DWDM Kanälen die Gesamtrate auf 640 Gbps beschränkt. Durch optimierte Filter und Demultiplexer könnten die Kanä- le evtl. enger gelegt werden, die prinzipielle Beschränkung, dass bei Tx-Div ein Vielfaches der Bitrate benötigt wird, bleibt aber bestehen.
Neben der Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen für die Trennung der einzelnen Kanäle schlägt DE 10 2015 221 283 AI vor, mit jedem Sendestrahl "Tx" ein Einseitenbandmodulationssignal zu übertragen, welches sich am Empfänger zu einem Zweiseitenbandmodulationssignal überlagert. Auch hierdurch werden Störungen der Übertragung reduziert. Dieses Verfahren ist jedoch beschränkt auf zwei Diversitätskanäle. Weiterhin handelt es sich hierbei um ein inkohärentes Modulationsverfahren, ebenso wie das Verfahren mittels Trennung durch die Wellenlänge.
DE 10 2014 213 442 AI beschreibt die Verwendung unterschiedlicher Polarisationen für die Transmitterdiversität. Hierbei wird eine destruktive Überlagerung der einzelnen Sendestrahlen aufgrund einer sich unterscheidenden Polarisierung verhindert. Jedoch ist man auch in diesem Fall auf zwei Diversitätskanäle beschränkt.
WO 2005/002102 AI beschreibt ein optisches Freistrahl-Kommunikationssystem mit einem Sender, der eine Vielzahl von Datenkanälen aufweist, wobei jede der Datenkanäle jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge verwendet. Die Datenkanäle werden sodann in einem Multiplexer kombiniert und an einem Empfänger übertragen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sender für ein optisches Freistrahl-Kommunikationssystem sowie ein optisches Freistrahl-Kommunikationssystem bereitzustellen, welche eine verbesserte Spektraleffizienz und eine skalierbare Transmitterdiversität aufweisen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1, sowie des Anspruchs 9. Der erfindungsgemäße Sender für ein optisches Freistrahl- Kommunikationssystem, insbesondere für einen Daten-Uplink zu einem Satelliten zum Aussenden eines Lichtsignals, weist eine Anzahl von m Datenkanälen auf. Dabei weist jeder der Datenkanäle jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge auf. Somit weisen die m Datenkanäle genau m Wellenlängen auf. Insbesondere werden die Datenkanäle erzeugt durch Überlagerung eines Trägerlichts einer bestimmten Wellenlänge mit der Bitfolge der zu übertragenden Daten mittels eines Modulators. Erfindungsgemäß ist ein Multiplexer vorgesehen zur Überlagerung der m Datenkanäle zu einem Summensignal. Der Multiplexer ist mit einer Anzahl von n Pulsvorrichtungen verbunden, wobei durch die jeweilige Pulsvorrichtung ein Pulssignal aus dem Summensignal geformt wird . Hierdurch werden n Pulse aus dem Summensignal erzeugt. Insbesondere bei Abgabe eines Pulssignals der n-ten Pulsvorrichtung erfolgt sodann nachfolgend wieder eine Abgabe eines Pulssignals der ersten Pulsvorrichtung usw., so dass Pulssignale reihum bzw. periodisch durch die n Pulsvorrichtungen erzeugt werden. Die Pulssignale sind dabei zeitlich zueinander versetzt, so dass in einer Zeitdomäne keine zwei Pulse gleichzeitig vorliegen. Mit jeder Pulsvorrichtung ist jeweils eine Sendevorrichtung verbunden zum Aussenden des jeweiligen Pulssignals. Somit beträgt die Anzahl der Sendevorrichtungen ebenfalls n.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, eine zeitliche Trennung der einzelnen Diversitätskanäle zu nutzen, um Interferenzen auf der Empfängerseite zu vermeiden. Aus den n Sendevorrichtungen wird dabei stets derselbe Bitstrom abgestrahlt, aber in kurzen Pulsen nacheinander. Die Spektren der jeweiligen Pulssignale werden zwar durch die erforderliche Verkürzung durch die Pulsvorrichtungen verbreitert. Jedoch, wenn die jeweiligen Pulssignale im Empfänger überlagert werden, kann die spektrale Aufweitung größtenteils wieder rückgängig gemacht werden. Somit ist die spektrale Effizienz im Vergleich zu anderen Tx-Div- Verfahren besser. Dies folgt daraus, dass in der vorliegenden Erfindung für alle Diversitätskanäle derselbe Träger verwendet wird und sich diese am Empfänger kohärent summieren, wodurch die spektrale Breite sich nahezu auf die ursprüngliche Breite für das einfache Datensignal reduziert. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Sender skalierbar und erlaubt eine einfache Transmitterdiversität und ist dabei nicht, wie die vorstehend beschriebenen Verfahren, auf zwei Diversitätskanäle begrenzt. Es kann somit gleichzeitig eine Vielzahl von Datenkanälen übertragen werden bei der gleichzeitigen Verwendung einer Vielzahl von Sendevorrichtungen.
Weiterhin ist in der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, dass nur ein Träger für alle Diversitätskanäle verwendet wird, so dass auf Empfängerseite eine kohärente Demodulation erfolgen kann. Der Senderaufbau ist kostengünstiger und robuster, da pro Kanal nicht mehrere, sondern nur eine Quelle eingesetzt werden muss.
Durch die Bildung des Pulssignals steigt die Pulsamplitude, so dass am Empfänger eine höhere Gesamtamplitude empfangen werden kann.
Die Komplexität des Systems liegt in der Senderseite, wo die jeweiligen Pulssignale erzeugt werden, ebenso wie in der Erzeugung des Summensignals. Auf Empfängerseite (z. B. beim Satelliten) ist dagegen ein konventioneller DWDM- Empfänger ausreichend .
Vorzugsweise beträgt die Anzahl m der Datenkanäle mindestens 1. Jedoch kann durch den erfindungsgemäßen Sender eine deutlich größere Anzahl an Datenkanälen übertragen werden, so dass die Anzahl m der Datenkanäle insbesondere > 50 ist. Somit ist die vorliegende Erfindung frei skalierbar und lediglich beschränkt auf die vorhandene Bandbreite der verwendeten DWDM- Kanäle.
Vorzugsweise beträgt die Anzahl n der Pulsvorrichtungen und dementsprechend die Anzahl n der Sendevorrichtungen mindestens 2. Mindestens zwei Sendevorrichtungen sind erforderlich, um eine Transmitterdiversität zu erhalten und somit die Störungen des Signals bei der Übertragung zu reduzieren . Aufgrund des Zusammenhangs SI(n) = SI( l)/nTx wird erwartet, dass sich die Szintillation bei zwei Sendern halbieren wird . Wird n > 2 gewählt, reduziert sich die Szintillation entsprechend weiter. Somit können die atmosphärischen Einflüsse auf die Übertragung des Lichtsignals weiter reduziert werden .
Vorzugsweise werden die Pulssignale verstärkt. Die Transmitterdiversität ermöglicht neben der Verringerung der Schwankungen zusätzlich eine Erhöhung der gesamten abgestrahlten Leistung. Diese kann pro Transmitter-Teleskop z. B. aus technischen Gründen begrenzt sein (beispielsweise aufgrund der thermischen Belastbarkeit der Sendefaser oder sonstiger Bauteile oder aber der Augensicherheit des Übertragungssystems). Indem die Leistung auf mehrere Sender verteilt wird, kann diesen technischen Einschränkungen effizient begegnet werden.
Vorzugsweise ist die Summe der Länge der Pulse der Pulssignale gleich zu der Länge des ursprünglichen Datenbits. Somit ist sichergestellt, dass das vollständige Datenbit durch die jeweiligen Pulssignale abgedeckt ist, wobei jedes Pulssignal lediglich einen Ausschnitt des ursprünglichen Datenbits bzw. des Summensignals aufweist.
Vorzugsweise entspricht die Länge des jeweiligen Pulssignals 1/n der Länge des ursprünglichen Datenbits. Bei Vorsehen von n Pulsvorrichtungen wird somit das ursprüngliche Datenbit in n Pulse zerlegt, welche allesamt eine gleiche Länge aufweisen, nämlich 1/n der Länge des ursprünglichen Datenbits.
Vorzugsweise wird der zeitliche Versatz zwischen den einzelnen Pulssignalen erzeugt durch optische Wellenleiter unterschiedlicher Länge oder durch Modulatoren, welche mittels einer entsprechenden Pulsquelle ausgelöst werden.
Vorzugsweise weisen die Sendevorrichtungen einen Abstand zueinander auf, der größer ist als die Strukturgröße von Turbulenzzellen in der optischen Freiraumübertragung, so dass das Lichtsignal durch unterschiedliche atmosphäri- sehe Pfade übertragen wird . Beispielsweise können die Sendevorrichtungen 20 cm und insbesondere 1 m voneinander beabstandet sein, so dass das Signal durch unterschiedliche atmosphärische Pfade übertragen wird . Beim Empfänger werden die n Signale kombiniert, so dass sich die Szintillation reduziert.
Vorzugsweise weisen alle Datenkanäle einen gemeinsamen Träger auf. Hierdurch ist es möglich, eine kohärente Demodulation auf Empfängerseite zu verwenden.
Vorzugsweise ist das Datensignal mittels IM/DD (NRZ-Pulsmodulation) oder mittels einem kohärenten Format moduliert wie beispielsweise selfhomodyne- DPSK, BPSK, ASK-heterodyne oder dergleichen.
Der erfindungsgemäße Sender kann insbesondere für einen Daten-Uplink zu einem Satelliten ausgehend von einer Bodenstation verwendet werden. Hierbei kann es sich um einen LEO- oder GEO-Satelliten handeln.
Weiterhin kann der erfindungsgemäße Sender in einem optischen Uplink zu einem Flugzeug/OAVs/HAPs ausgehend von einer optischen Bodenstation verwendet werden. Auch eine Boden-Boden-Kommunikation ist denkbar. Eine solche kann beispielsweise zur Anbindung von Gebäude-LANs ans Internet verwendet werden oder zur Anbindung von Mobilfunkbasisstationen. Weitreichende FSO-Links (bis 20 km) können zukünftig auch als Kommunikationsbackbo- nes eingesetzt werden, insbesondere wenn das Fading-Problem beseitigt werden kann.
Weiterhin ist eine Anwendung in optischen Inter-HAP-Links möglich. Diese zukünftigen stratosphärischen Kommunikationsplattformen werden vorteilhafterweise durch optischen Richtfunk verbunden, wobei der Abstand von bis zu einigen 100 km eine Laufzeit mit sich bringt, die sich bei mehrmaliger Wiederholungsanforderung (ARQ) nachteilig auswirkt. Der erfindungsgemäße Sender kann weiterhin für eine optische Übertragung von Frequenznormalen zur Synchronisation optischer Uhren verwendet werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Freistrahl-Kommunikationssystem, insbesondere für einen Daten-Uplink zu einem Satelliten mit einem Sender wie vorstehend beschrieben und einem DWDM-Empfänger, beispielsweise in einem Satelliten.
Vorzugsweise weist der Empfänger eine Empfangsvorrichtung auf zum Empfang des vom Sender ausgesendeten Lichtsignals sowie einen mit der Empfangsvorrichtung verbunden De-Multiplexer zur wellenlängenselektiven Aufspaltung des empfangenen Lichtsignals. Mit dem De-Multiplexer ist eine Anzahl von m Detektoren zum Empfangen des jeweiligen Datenkanals verbunden. Dabei wird von jedem Detektor ein Datenkanal bei einer bestimmten Wellenläge empfangen. Das empfangene Lichtsignal besteht dabei aus der Überlagerung aller durch den Sender erzeugten Pulssignale. Somit weist der Empfänger einen einfachen Aufbau auf. Insbesondere ist für den Empfänger keine erhöhte Bandbreite erforderlich. Der Empfänger muss weder die Pulse noch die Anzahl der Diversitätskanäle berücksichtigen; die Stufe dieser Senderdiversität kann also auch dynamisch (oder pro Linkpartner) geändert werden, ohne dass der Empfänger darauf reagieren muss.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 die grundsätzliche Funktionsweise einer Transmitterdiversität
Fig. 2 einen beispielhaften am Satelliten empfangenen Empfangsleistungsvektor, Fig. 3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Senders
Fig. 4 einen Empfänger des erfindungsgemäßen Freistrahl-Kommunikationssystems
Fig. 5 Spektrum des Lichtsignals auf Senderseite und
Fig. 6 Spektrum des empfangenen Lichtsignals auf Empfängerseite.
Figuren 1 und 2 wurden bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Senders mit drei Datenkanälen (m = 3) und vier Pulsvorrichtungen (n = 4). Die Vorrichtung weist drei Laserlichtquellen 10 auf zur Erzeugung von Laserlicht mit einer ersten Wellenlänge WL 1, einer zweiten Wellenlänge WL 2 und einer dritten Wellenlänge WL 3. Dabei sind die Wellenlängen der Laser 10 unterschiedlich. In einem Modulator 12 wird das jeweilige Laserlicht des Lasers 10 mit einem Datenkanal 14 überlagert. Dabei entspricht die Anzahl der Datenkanäle der Anzahl der verwendeten Wellenlängen. Der Datenkanal mit der ersten Wellenlänge WL 1, der Datenkanal mit der zweiten Wellenlänge WL 2 und der Datenkanal mit der dritten Wellenlänge WL 3 werden in einem Multiplexer 16 zu einem Summensignal kombiniert, welches an vier Pulsvorrichtungen 18 weitergegeben wird . Dabei empfangen alle Pulsvorrichtungen 18 dasselbe Summensignal . Bei den Pulsvorrichtungen 18 handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils um Modulatoren, welche über eine Pulsquelle 20 gesteuert werden, um aus dem Summensignal ein Pulssignal zu formen. Dabei weisen die Pulssignale alle die gleiche Länge auf und sind zeitlich versetzt zueinander, wie durch den angedeuteten Triggerpuls 22 in der Fig . 3 dargestellt. Die Länge der Pulse 22 entspricht dabei gerade 1/n = 1A der ursprünglichen Bitlänge. Somit wird durch die erste Pulsvorrichtung 18 das erste Viertel des ursprünglichen Bits, durch die zweite Pulsvorrichtung 18 das zweite Viertel des ursprünglichen Bits usw. erfasst.
Die Pulssignale werden in einem Verstärker 24 verstärkt. Nachfolgend wird jedes Pulssignal durch ein eigenes Sendeteleskop 26 ausgesendet. Die Sendeteleskope 26 weisen dabei zueinander einen Abstand auf, der größer ist als die Strukturgröße der Turbulenzzellen der optischen Freiraumübertragung, insbesondere der Atmosphäre. Dabei wird von jedem Sendeteleskop 26 dasselbe Signal ausgesendet, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten aufgrund des zeitlichen Versatzes der Pulssignale zueinander.
Die durch die Sendeteleskope 26 ausgesendeten Pulssignale überlagern sich zu einem Lichtsignal bestehend aus den drei Wellenlängen WL 1, WL 2 und WL
3 und werden durch ein Empfangsteleskop 28 auf Empfängerseite, wie in Fig .
4 dargestellt, empfangen. Das empfangene Lichtsignal wird in einem Vorverstärker 30 vorverstärkt. Nachfolgend erfolgt in einem De-Multiplexer 32 ein Aufspalten des empfangenen Lichtsignals in die Wellenlängen WL 1, WL 2 und WL 3. Die Wellenläge WL 1 wird von einem ersten Detektor 34 detektiert, die zweite Wellenlänge WL 2 wird von einem zweiten Detektor 36 detektiert und die dritte Wellenlänge WL 3 wird von einem dritten Detektor 38 detektiert. Durch die Detektoren 34, 36, 38 kann die ursprünglich zu übertragende Bit- Datenfolge der Datenkanäle 14 extrahiert werden.
In Fig . 5 sind die Spektren der drei Wellenlängen WL 1, WL 2 und WL 3 aufgetragen. Aufgrund der Erzeugung von kurzen Pulsen des Pulssignals durch die Pulsvorrichtungen 18 wird das Spektrum des jeweiligen Pulses 40 verbreitert, dargestellt ebenfalls in Fig . 5, nur für die Wellenlänge WL 2. Bei der Überlagerung im Empfänger addieren sich die Pulse der jeweiligen Wellenlängen (Spektrum 42), wobei das Summenspektrum eine Breite aufweist, die im Wesentlichen der Breite des Spektrums der drei Wellenlängen WL 1, WL 2 und WL 3 entspricht. Somit können Wellenlängen effizient mittels Transmitterdiversität eine Vielzahl von Datenkanälen übertragen werden. Eine Beschränkung auf lediglich zwei Diversitätskanäle ist nicht gegeben.

Claims

Patentansprüche
Sender für ein optisches Freistrahl-Kommunikationssystem, insbesondere für einen Daten-Uplink zu einem Satelliten, zum Aussenden eines Lichtsignals mit einer Anzahl von m Datenkanälen (14), wobei die Datenkanäle (14) jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge WL aufweisen, einem Multiplexer (16) zur Überlagerung der m Datenkanäle (14) zu einem Summensignal, einer Anzahl von n Pulsvorrichtungen (18), wobei durch die jeweilige Pulsvorrichtung (18) ein Pulssignal aus dem Summensignal geformt wird, wobei die Pulssignale zeitlich zueinander versetzt sind, und einer Anzahl von n Sendevorrichtungen (26), wobei jede Sendevorrichtung (26) mit einer Pulsvorrichtung (18) verbunden ist zum Aussenden des jeweiligen Pulssignals.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl m der Datenkanäle (14) mindestens 1 beträgt, insbesondere größer 50 ist.
Sender nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl n der Pulsvorrichtungen (18) und die Anzahl n der Sendevorrichtungen (26) mindestens 2 beträgt.
4. Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärker (24) vorgesehen ist zum Verstärken des Pulssignals.
5. Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Längen der Pulssignale gleich ist zu der Länge des ursprünglichen Datenbits.
6. Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des jeweiligen Pulssignals 1/n der Länge des ursprünglichen Datenbits entspricht.
7. Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Versatz zwischen den einzelnen Pulssignalen erzeugt wird durch optische Wellenleiter unterschiedlicher Länge.
8. Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendevorrichtungen (26) einen Abstand aufweisen, der größer ist als die Strukturgröße von Turbulenzzellen in der optischen Freiraumübertragung, so dass das Lichtsignal durch unterschiedliche atmosphärische Pfade übertragen wird, insbesondere einen Abstand von mehr als 20 cm und insbesondere einen Abstand von mehr als 1 m aufweist.
9. Freistrahl-Kommunikationssystem, insbesondere für einen Daten-Uplink zu einem Satelliten, mit einem Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einem DWDM-Empfänger.
10. Freistrahl-Kommunikationssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger eine Empfangsvorrichtung (28) aufweist zum Empfangen des vom Sender ausgesendeten Lichtsignals, einem mit der Empfangsvorrichtung verbundenen De-Multiplexer (32) zur wellenlängenselektiven Aufspaltung des empfangenen Lichtsignals und einer Anzahl von m Detektoren (34, 36, 38) zum Empfangen des jeweiligen Datenkanals (14), wobei von jedem Detektor (34, 36, 38) eine Wellenlänge WL des Lichtsignals empfangen wird.
Freistrahl-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Datenkanäle mittels IM/DD, selfhomodyne-DPSK, BPSK oder ASK-heterodyne moduliert sind.
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