DE2932990C2 - Regel-Schaltungsanordnung zum Regeln des Leistungshubs eines Digitalsenders - Google Patents

Description

verhalten hinsichtlich Paßband und Rauschen von gleicher Art ist wie das der Eingangsstufe des Empfängers. Auf diese Weise ist eine der kritischsten Einheiten dupliziert, insbesondere wenn die Übertragungsgeschwindigkeit hoch ist, was zu erhöhten Kosten und Schaltungsschwierigkeiten führt

Die Regelung einer Wechselstromamplitude ist bekannt (z.B. DE-AS 12 21 713). Ferner gilt ein älterer Vorschlag (DE-Patentanmeldung P 27 30 056.7) als bekannt, wonach über den Vorbelastungsstrom der Arbeitspunkt und außerdem über eine Beeinflussung des Signalstroms die mittlere Leistung und die Spitzenleistung (Leistungsamplitude) bzw. auch der Leistungshub (Modulationstiefe) geregelt werden. Hierfür werden breitbandige Detektoren und Verstärker benötigt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Leistungshub, also die Spitzen-Spitzen-Leistung, mit einfachen, unkritischen Schaltungen zu regeln. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung, ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art, dadurch gelöst daß für ein Sender-Ausgangssignal, dessen beide binäre Pegel mit gleicher Wahrscheinlichkeit und statistisch unabhängig zufailsmäßig auftreten, die Rückkopplungsschleife ein dem Modulationshüllkurven-Detektor nachgeschaltetes Bandpaßfilter, dessen Mitten-Bandfrequenz gleich der Impuls-Wiederholungsfrequenz ist und eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung der Bandpaßfilter-Ausgangssignalkomponente mit der Impuls-Wiederholungsfrequenz in ein davon abhängiges Gleichst.romsignal enthält.

Bei einer derartigen Schaltungsanordnung wird die Eigenschaft der Signalform mit Rückkehr nach Null ausgewertet wonach nach der Wiedergewinnung des modulierten Impulssignals nach der ersten Demodulation die Komponente mit der Impuls-Wiederholungsfrequenz (Baud-Rate) stets vorhanden ist, wenn solche Impulsfolgen vorliegen, und eine Amplitude proportional dem Leistungshub, also der Leistungsdifferenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Signalpegel, hat. Diese für die Auswertung aus dem Signalbruchteil herausgefilterte Signalkomponente kann dann aufeinanderfolgend demoduliert (gleichgerichtet) und integriert werden, wodurch man das Regelsignal erhält. Mit dieser Anordnung kann der Leistungshub auch bei Auswanderung verschiedenen Parameter konstant-geregelt werden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfinding ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Durch- und Ausführungscwispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung, deren Figur den Blockschaltplan einer Überwachungsschaltungsanordnung zeigt, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchführbarist.

Die dargestellte Ausführung betrifft beispielhaft eine Regelschaltungsanordnung für Halbleiterlaser, also für eine Art von Quelle, die für die digitale Übertragung auf optischen Fasern verbreitet benützt wird. Bekanntlich wird in den meisten Fällen ein Halbleiterlaser durch einen elektrischen Strom gespeist, der durch Addition eines Vorbelastungs-Gleichstroms mit einem modulierenden veränderlichen Strom erhalten wird. Wenn die zu übertragende Information aus einer Folge von Daten oder aus codierten Sprechsignalen besteht, so hat der modulierende Strom ein Zeitverhalten eines zweipegeligen Binärsignals, deren einer Pegel dem Symbol 0 und der andere dem Symbol 1 entspricht.

Bei der Wahl des Maximalpegels de? modulierenden Stroms werden sowohl die Spezifikation des Laserbetriebs unter der Bedingung maximaler Abstrahlung als auch die Qualität des emittierten optischen Signals, vom Standpunkt des Rauschens betrachtet und in bezug zu anderen Parametern des Systems, berücksichtigt

Indessen wird die Höhe der vorbelastenden Gleichspannung so gewählt daß der Arbeitspunkt ohne modulierenden Strom festgelegt wird.

Die charakteristische Betriebskurve, die das Verhalten der optischen Strahlungsleistung gegen den Speisestrom wiedergibt, besteht in erster Annäherung aus einem nahezu horizontalen Abschnitt der durch den Ursprung tritt und mit einem anderen, stärker geneigten Abschnitt zusammenhängt In Übereinstimmung mit dem Übergang zwischen den beiden Abschnitten befindet sich ein Übergang von links, wo der Halbleiter als übliche fotoemittierende Diode (LED) arbeitet, nach rechts, wo der Lasereffekt beginnt und sich die emittierte optische Leistung in Abhängigkeit vom Strom steil

erhöht. Der dem Übergang entsprechende Stromwert wird allgemein als »Schwellenstrom»: des Lasers bezeichnet.

Für den Betrieb ist es zweckmäßig, wenn der Arbeitspunkt des Halbleiters unmittelbar oberhalb des Sch-.'el- lenstroms festgelegt wird. Es wird also ein Vorbelastungs-Gi^ichstrom eingespeist, der etwas höher ist als der Schwellenstrom. Tatsächlich zeigt der Laser unter dieser Betriebsbedingung ein sehr günstiges Betriebsverhalten hinsichtlich des Erlöschensverhältnisses, das ist das Verhältnis zwischen der minimalen und der maximalen Leistung in den beiden booleschen Zuständen, bei hohen Antriebsfrequenzen, ohne daß hierdurch Verzerrungsprobleme auftreten, die sich indessen dann ergeben, wenn der Arbeitspunkt unterhalb des Schwellen-Stroms festgelegt wird. Jedenfalls macht die charakteristische Kurve der optischen Leistung in Abhängigkeit vom Strom aufgrund Temperaturänderungen und/oder einer allmählichen Halbleiteralterung sowohl einen Versatz parallel zur Stromachse als auch eine Ändei-ung des Winkelkoeffizienten im steilsten Bereich durch. Dies bewirkt eine Verschiebung des Schwellenstroms und eine Änderung des Wirkungsgrads des Lasers, was sowohl die Form als auch die Energie der Lichtimpulse und auch das Erlöschensverhältnis des optischen Signals erheblich beeinträchtigt. Um diese Nachteile so weit als möglich zu vermeiden, werden die Amplituden des Vorbelastungsstroms und des modulierenden Stroms des Lasers nicht auf vorgegebenen Werten konstant gehalten, sondern werden stetig durch ein automatisches Regelsystem nachjustiert, das durch Verarbeitung des vom Laser emittierten optischen Signals den Aktivierungsstrom, der aus der Addition des Vorbelastungsstroms und des modulierenden Siroms besteht, entsprechend der Tecnrsik der negativen Rückkopplung steuert. Im einzelnen kann durch Verwendung eines der durchschnittlichen Lichtstrahlenleistung proportionalen Signals die Stromschwellenverschiebung korrigiert werden, während durch Verwendung eines der Spitzen-Spitzen-Leistung de"· Lichtemissioii proportionalen Signals der Wirkungsgrad konstant gehalten werden kann.

Gemäß der Zeichnung hat ein üblicher Halbleiterlaser LA einen mit einer Leitung 5 verbundenen Eingangsanschluß für den Aktivierungsstrom und einen Signalausgang, durch de > die durch eine Sinuslinie dargestellte Lichtstrahlung 6 abgenommen wird. Der größte Teil 8 der Lichtstrahlung geht durch einen semitransparenien Spiegel BS hindurch und gelangt in das Ende

einer optischen Faser FO, die das Übertragungsmedium darstellt. Ein verbleibender kleinerer Teil 7 der Strahlung wird vom Spiegel BS reflektiert und zu einem Fotodetektor FR geleitet. Die Leistung der reflektierten Strahlung darf nur einen kleinen Bruchteil der vom Laser emittierten Gesamtstrahlung darstellen, da sie für die Übertragung verloren ist, so daß also das Steuersystem, das diesen Leistungsanteil zum Erhalten der geeigneten Rückkopplungssignale auswertet, hochempfindlich sein muß. Die Ausgangsklemme des Fotodetektors FR ist mit einer Leitung 9 verbunden, auf der deshalb ein elektrisches Signal auftritt, das der Modulations-Hüllkurve des vom Laser emittierten optischen Strahls entspricht und das zur Steuerung sowohl des Vorbelastungsstroms gemäß einer üblichen Methode als auch des treibenden, modulierenden Stroms gemäß einem im folgenden beschriebenen neuen Verfahren verwendet wird.

Hinsichtlich des Vorbelastungsstroms läuft das vom Fotodetektor FR gelieferte Signal zu einem normalen Tiefpaßfilter BP1. an dessen Ausgangsklemme eine Spannung auftritt, die den Mittelwert der emittierten optischen Leistung anzeigt. Diese Spannung wird von einem driftarmen Verstärker AM 1 von guter Empfindlichkeit, beispielsweise einem Instrumentationsverstärker, verstärkt und steuert die Stromstärke des Vorbelastungsstroms, der von einer entsprechenden Stromquelle Bl geliefert wird. Dieser Strom wird über einen Addierer A zum Laser gegeben und stellt dessen Arbeitspunkt unmittelbar oberhalb des Schwellenstroms ein. Eine Drift des Schwellenstroms als Effekt einer thermischen Änderung und/oder einer allmählichen Halbleiteralterung bewirkt eine Änderung des Mittelwerts der abgestrahlten Leistung, von der der vom Fotodetektor FR gesammelte Bruchteil vom Tiefpaßfilter BP 1 integriert und vom Verstärker AM 1 verstärkt wird und zur Stromquelle Bl rückgekoppelt wird, so daß der eingespeiste Strom so erhöht oder erniedrigt wird, daß der Arbeitspunkt des Lasers wieder die vorher angegebene Bedingung einnimmt.

Zur Messung der Spitzen-Spitzen-Leistung des optischen Signals wird ein Verfahren angewandt, das auf der spektralen Eigenschaft der nach Null zurückkehrenden Signalverlaufsform basiert. Das vom Laser erzeugte Signal hat nämlich ein diskretes Spektrum mit einer einzelnen Frequenz, die mit der Impuls-Wiederholungsfrequenz zusammenfällt und mit einer Amplitude auftritt, die der Spitzen-Spitzen-Leistung des optischen Signals direkt proportional ist. Es erweist sich, daß es genügt, die Amplitude der Signalkomponente mit der auf die Impulswiederholungsfrequenz bezogenen Frequenz zu messen, um die gesamte erforderliche Information über die Spitzen-Spitzen-Leistung zu erhalten. Die Tatsache, daß die erforderliche Verstärkung bei einer genau festgelegten Frequenz durchgeführt werden kann, ohne Erfordernis eines Breitbandverstärkers oder eines gesteuerten Frequenzabfaii-Verstärkers, die bei hoher Übertragungsgeschwindigkeit Probleme hinsichtlich der Kosten und der Erstellung aufweisen, erweist sich ersichtlich als vorteilhaft.

Zur Vermeidung zu langer Folgen von Nullen wird wie üblich ein Verschlüsseier eingeführt, der die von der Quelle kommenden Daten entsprechend verarbeitet und der auch aus anderen Gründen des Systemerfordernisses benötigt wird.

In der dargestellten Schaltungsanordnung liegt das vom Fotodetektor FR abgegebene elektrische Signal auf der Leitung 9 und trifft bei einem selektiven Verstärker BPFcm. der eine Band-Mittenfrequenz hat, die mit der Impulswiederholungsfrequenz übereinstimmt. Die Selektivität dieses Filters ist nicht so hoch, da seine Funktion grundsätzlich eine schwache Filterungsaktion ist, die Überlastungsschäden an den rolgenden Schaltungen verhindert, welche schließlich die geforderte spektrale Frequenz aus den benachbarten Frequenzen herausseparieren.

Das vom Verstärker BPF ausgehende Signal läuft to über eine Leitung 10 zu einem kohärenten Demodulator CD, der außerdem über einen zweiten Eingang über eine Leitung 20 ein gleichzeitig eintreffendes, von einem nicht gezeigten Rechteckwellengenerator kommendes Signal empfängt, das als Takt für die Quelle der Modulationsimpulse dient. Am Ausgang des Demodulators CD treten also die folgenden Signale auf: Ein Signal mit einer Frequenz gleich der Differenz zwischen den Frequenzen der Signale an den Eingängen; ein Signal mit einer Frequenz gleich der Summe dieser Frequenzen:

und weitere Signale aufgrund linearer Kombinationen zwischen Harmonischen höherer Ordnung. Unter allen diesen Signalen befindet sich auch ein Gleichstromsignal, das leicht von den anderen abgesondert werden kann. Es resultiert aus der Differenz zwischen den Signalen gleicher Frequenz an den beiden Eingängen des Demodulators CD, also zwischen dem Taktsignal und der Spektrumskomponente des Datensignals bei der Wiederb Mungsfrequenz.

Durch Filterung des auf einer Leitung 11 auftretenden Ausgangssignals des Demodulators CD durch ein Tiefpaßfilter BP2 wird also das Gleichstromsignal erhalten, das proportional zur Amplitude der Signalkomponente mit der einzelnen der Wiederholungsfrequenz entsprechenden Spektrumsfrequenz ist. so daß also, wie schon erläutert, dieses Gleichstromsignal proportional der Spitzen-Spitzen-Leistung des vom Laser erzeugten optischen Signals ist. Das Ausgangs-Gleichstromsignal des Tiefpaßfilters BF2 läuft über eine Leitung 12 zu einem Verstärker AM2 von guter Empfindlichkeit und geringer Drift. Dieser bringt das Signal auf einen zur Steuerung des nachfolgenden Blocks erforderlichen Pegel. Dieser über eine Leitung 2 mit dem Verstärker AM2 verbundene, mit einer Eingangsklemme 1 versehene Block ist eine Treiberschaltung DR, die einen an ihre Eingangsklemme 1 angelegten Datenfluß in eine Stromimpulsfolge an ihrer Ausgangsleitung 3 umwandelt. Die Stromstärke und Dauer dieses Stroms sind den Erfordernissen des Lasers LA angepaßt.
Die Stromstärke des von der Treiberschaltung DR gelieferten Impulsstroms wird in Abhängigkeit von dem über die Leitung 2 eintreffenden Gleichstromsign..* automatisch geregelt. Auf diese Weise bleibt die Spitzen-Spitzen-Leistung der vom Laser emittierten Lichtimpulse, unabhängig von thermischen Änderungen und von der Alterung des Halbleiters, konstant. Wie in der Zeichnung dargestellt, treiben die von der Treiberschaltung DR abgegebenen Stromimpulse den Laser LA nicht direkt, sondern werden zunächst dem von der Stromquelle Bl gelieferten Vorbelastungsstrom im Addierer A hinzuaddiert. Der Aktivierungsstrom des Lasers, also der aus der Addition des Treiberstroms und des Vorbelastungsstroms resultierende Strom, tritt am Ausgang des Addierers A auf und wird über die Leitung 5 in den Laser eingespeist

Die beschriebene Schaltungsanordnung ist bei Erzielung der gleichen Funktion verschiedentlich abwandelbar. Beispielsweise kann das Regelsystem außer bei einem Halbleiterlaser auch bei einer sonstigen Quelle

elektromagnetischer Wellen oder bei irgend einem
Hochfrequenzverstärker angewandt werden, dessen
Spitzen-Spilzen-Leistung und möglicherweise auch dessen mittlere Leisfing geregelt werden sollen, sofern nur
die zu verarbeitende Information die beschriebenen Er- 5 fordernisse erfüllt.

Die Prinzipien sind außerdem auch auf einen Hüllkurvendc'.iktor anstatt auf einen kohärenten Demodulator
anwendbar, sofern an den Eingang dieses Detektors ein
ausreichender Signalpegel angelegt werden kann. io

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen ι

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Regel-Schaltungsanordnung zum Regeln des die Differenz zwischen maximaler und minimaler Leitung darstellenden Leistungshubs eines in Abhängigkeit von einem Steuer-Eingangssignal (1) alternierenden Ausgangssignals (6) eines Digital-Senders (LA), dessen Ausgangssignal aus einer auf ein hochfrequentes Signal aufmodulierten Folge von binären Impulsen mit Rückkehr nach Null besteht, mit einer Treiberschaltungsanordnung (DR) für den Sender und mit einer Rückkopplungsschleife, die von einem abgezweigten Bruchteil (7) des Ausgangssignals gespeist ist und von der Sender-Ausgangsleistung abhängige Signale über einen ModulationshülIkurven-Detektor (FR) zur Treiberschaltungsanordnung rückkoppelt, dadurch 'gekennzeichnet, daß für ein Sender-Ausgangssignal, dessen beide binäre Pegel mit gleicher Wahrscheinlichfert und statistisch unabhängig zufallsmäßig auftreten, die Rückkopplungsschieife ein dem Modulationshüllkurven-Detektor (FR) nachgeschaltetes Bandpaßfiiter (BPF), dessen Mitten-Bandfrequenz gleich der Impuls-Wiederholungsfrequenz ist, und eine Schaltungsanordnung (CD, BP2,AM2) zur Umwandlung der BandpaßfHter-Ausgangssignalkomponente mit der Impuls-Wiederholungsfrequenz in ein davon abhängiges Gleichstroinsignal enthält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das in seinem Leistungshub zu regelnde Signal ί"·2 optische Strahlung eines Halbleiterlasers (LA) ist, der Modulationshüllkurven-Detektor ein von cinerr «eilreflektierenden Spiegel (BS), der in den Ausgangsstrahl des Halbleiterlasers gelegt ist,gespeister Fotodetektor (FR)'ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das in seinem Leistungshub zu regelnde Signal ein auf einem elektrischen Leiter auslaufendes Radiofrequenzsignal ist, der Modulationshüllkurven-Detektor ein über eine kapazitive, induktive oder Widerstands-Kopplungseinrichtung gespeister Radiofrequenzdetektor ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zur Umwandlung der Bandpaßfilter-Ausgangssignalkomponente einen koherenten Demodulator (CD) enthält, der die Demodulation des vom Bandpaßfiiter (BPF) ausgehenden Signals durch Überlagerung mit einem periodischen Signal der gleichen Frequenz wie die Impulswiederholungsfrequenz bewirkt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zur Umwandlung der Bandpaßfilter-Ausgangssignalkomponente einen Hüllkurvendetektor enthält, der die Demodulation des vom Bandpaßfilter (BPF) ausgehenden Signals durch Überlagerung mit einem periodischen Signal der gleichen Frequenz wie die Impulswiederholungsfrequenz bewirkt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dar Bandpaßfiiter ein selektiver Verstärker (BPF) ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regel-Schaltungsanordnung zum Regeln des die Differenz zwischen maximaler und minimaler Leitung darstellenden Leistungshubs eines in Abhängigkeit von einem Steuer-Eingangssignal alternierenden Ausgangssignals eines Digital-Senders, dessen Ausgangssignal aus einer auf ein hochfrequentes Signal — z. B. ein Lichtsignal oder ein Radiofrequenzsignal — aufmodulierten Folge von binären Impulsen mit Rückkehr nach Null besteht, m^:t einer

ίο Treiberschaltungsanordnung für den Sender und mit einer Rückkopplungsschleife, die von einem abgezweigten Bruchteil des Ausgangssignals gespeist ist und von der Sender-Ausgangsleitung abhängige Signale über einen Modulationshüllkur-en-Detektor zurTreiberschaltungsanordnung rückkoppelt.

Bekanntlich erfordert eine vollständige Überwachung und Regelung der Funktionstüchtigkeit einer Quelle elektromagnetischer Wellen wie Radiowellen, Mikrowellen und Lichtstrahlungen, und der in die Verarbeitung dieser Signale einbezogenen Schaltgruppen solche Signale, die sowohl der mittleren Leistung als auch dem Leistungshub, das ist der Spitzen-Spitzen-Leistung, also der Leistungsdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Scheitel, proportional sind. Werden diese Signale in eine Rückkopplungsschleife eingesetzt, so können sie zur Steuerung der Vorwerte und der Werte der treibenden Größen des Verstärkers oder anderer Schaltungen, die auf die betreffenden Quellen, beispielsweise Leistungsvorrichtungen. Wanderwellenröhren, Laser usw. arbeiten, verwendet werden. Der Aufdruck »Funktionstüchtigkeit« einer Quelle oder eines Verstärkers gibt hierbei die Leistungs- und Formeigenschaften der gelieferten Impulse sowie das Verhältnis zwischen der in. den beiden booleschen Zuständen emittierten, also der minimalen und der maximalen Leis'ung, auch unter veränderlicher Temperatur und auch unter der Bedingung einer allmählichen Verschlechterung der Vorrichtung an.

Zur Überwachung der Funkticnstüchtigkeit ist es also wichtig, einfache und genaue Verfanien zum Erhalten der erforderlichen Steuersignale aus dem pulsmodulierten Signal zur Verfügung zu haben. Während ein der mittleren Leistung proportionales Signal ohne allzu große Schwierigkeiten erhalten werden kann, sind die bei der Leistungshubfeststelluiig verwendeten Schaltungsanordnungen wesentlich kritischer. Tatsächlich kann ein der mittleren Leistung proportionales Spannungs- oder Stromsignal durch Integration der Modulations-Hüllkurve des Ausgangssignals der Vorrichtung oder Quelle extrahiert werden, die zu überwachen ist, und zwar durch eine geeignete Wahl der Integrationskonstanten.

Andererseits kann für die Überwachung des Leistungshubs (der Spitzen-Spitzen-Leistung) ein kleiner Bruchteil der modulierten elektromagnetischen Strahlung extrahiert werden, der von einem sehr schnellen Hüllkurvendetektor festgestellt wird. Der Begriff des Leistungshubs ist insbesondere dann bedeutsam, wenn es sich um von einer optischen Quelle emittierte Strahlung, beispielsweise für optisches Fernmeldewesen handelt, da die optische Quelle niemals vollkommen erlischt, also der untere Leistungspegel nicht Null ist. Damit am Empfänger die Impulse sicher reproduziert werden können, bedarf der Leistungshub einer Regelung, wobei sich das Problem ergibt, seine Größe zu messen. Aufgrund der beteiligten niedrigen Leistung ist es erforderlich, dieses an den Detektor zu gebende Signal mit Hilfe eines Verstärkers zu verstärken, dessen Betriebs-