DE3307309C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie von einer Schaltungsanordnung zur Durch­ führung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren sowie eine zugehörige Schaltungsanordnung sind aus der US-PS 39 22 617 bekannt.

Laserdioden, aber auch lichtemittierende Dioden, eignen sich auf­ grund ihrer nichtlinearen Kennlinie schlecht für eine analoge Si­ gnalübertragung mittels Intensitätsmodulation, wenn an die Klirr­ dämpfung höhere Anforderungen (<40 dB) gestellt werden. Häufig wird deshalb in der optischen Übertragungstechnik ein gegenüber Nichtlinearitäten unempfindliches Modulationsverfahren wie Puls­ codemodulation (PCM, wertdiskret) gewählt. Gegenüber einer Basis­ bandübertragung wird hierbei jedoch ein beträchtlich breiteres Frequenzband benötigt, so daß die Dispersion des Lichtwellenlei­ ters zu dem die Reichweite begrenzenden Faktor werden kann. Als praktisch bedeutsames Beispiel kann die Übertragung des 300 MHz breites Bandes bei Kabelfernsehen (KTV) angegeben werden.

Die Übertragung des 300 MHz-KTV-Bandes mittels Intensitätsmodu­ lation bis zum Teilnehmer könnte wirtschaftlich attraktiv sein, wenn es gelingt, die bestehenden Linearitätsprobleme kostengünstig zu lösen. Man könnte dem Teilnehmer dann im Frequenzmultiplex alle KTV-Kanäle zuführen (also Entfall eines Rückkanals zu Auswahl des gewünschten Kanals), und die Demodulation wäre wesentlich einfacher als bei digitalen Verfahren. Bei der Intensitätsmodula­ tion ergeben sich im wesentlichen zwei Probleme:

Realisierung eines optischen Sendeelementes z. B. Laserdiode mit genügend linearer Kennlinie und Vermeidung von Rückwirkungen des angeschlossenen Lichtwellenleiters auf die Sendediode, die ihrer­ seits zu Nichtlinearitäten führen.

Aus J. Straus, "Linearized Transmitters for Analog Fiber Links", Laser Focus Magazine, 1978, S. 54-61, sind bereits folgende Linearisierungsverfahren bekannt:

• - optisches "feedfortward" (Subtraktion der Klirrprodukte),
• - breitbandige Phasenschieber zur Kompensation der quadra­ tischen oder kubischen Klirrprodukte,
• - Gegenkopplung,
• - Vorverzerrung.

Das Verfahren des "feedforward" benötigt eine zweite, möglichst identische Sendediode, um die Klirrprodukte der ersten Sendediode durch Subtraktion zu eliminieren. Diese Methode muß im Falle der Verwendung von Laserdioden als zu teuer, aber wohl auch als zu un­ genau wegen der i. a. unterschiedlichen Kennlinien abgelehnt wer­ den. - Die Phasenschiebermethode kompensiert nur die quadratischen oder nur die kubischen Verzerrungen. Phasenschieber der erforder­ lichen Genauigkeit und Bandbreite dürften darüber hinaus nur schwer zu realisieren sein.

Das Verfahren der Gegenkopplung scheint zunächst recht vorteilhaft zu sein. Hierbei wird ein Teil der von der Laserdiode abgestrahl­ ten Lichtleistung (entweder rückwärtig abgestrahltes oder abge­ zweigtes Licht) einer Photodiode zugeführt, deren Ausgangssignal nach Verstärkung von dem zu übertragenden Signal subtrahiert wird. Man erhält dabei eine Linearisierung, und zwar werden die Klirr­ faktoren jeweils um den Faktor 1 + kv reduziert, wobei kv die Ring­ verstärkung ist.

Für die Anwendung dieser Methode bei breitbandigen Signalen ist durch die Laufzeit t _s in der Schleife eine Grenze gesetzt. Diese Laufzeit entspricht einer Phasendrehung der Ringverstärkung um ω t _s .

Soll z. B. die Stabilitätsgrenze bei f _s = 500 MHz liegen, so ist eine Laufzeit von t _s = 1 ns nötigt. Hieraus folgt, daß das Konzept der Gegenkopplung beim heutigen Stand der Technologie für KTV- Bandbreiten nicht realisierbar ist.

Beim Verfahren der Vorverzerrung wird im Vorverzerrer ein Zusam­ menhang zwischen Eingangs- und Ausgangssignal geschaffen, welcher der Kennlinie der Laserdiode entgegengesetzt ist, so daß das Aus­ gangssignal nach der Laserdiode linear vom Eingangssignal abhängt. Die Vorverzerrung hat in dieser einfachen prinzipiellen Form er­ heblich praktische Nachteile: Der Vorverzerrer ist exemplarab­ hängig einzustellen. Dies bedeutet darüber hinaus, daß sich Ände­ rungen der Kennlinie durch Temperatur oder Alterung in einem An­ stieg der Klirrprodukte bemerkbar machen.

Bei der aus der DE-AS 23 64 493 bekannten Schaltungsanordnung, wird der erste Verstärker in einer Kette klirrender Ver­ stärker mit einem Parallelzweig so versehen, daß die Klirr­ produkte des beschalteten Verstärkers umgekehrte Polarität gegenüber den Klirrprodukten des unbeschalteten Verstärkers erhalten. Damit wirkt dieser Verstärker als fest eingestell­ ter Vorentzerrer. Der Vorschlag ist demzufolge in keiner Weise vergleichbar mit dem hier vorgeschlagenen adaptiven Vorentzerrer, der über die Auswertung der Klirrprodukte eines Pilotsignals geregelt wird.

In der US 39 22 617 ist eine Einrichtung beschrieben, bei der ein "feedforward"-Prinzip zur Kompensation der Klirrprodukte eines Verstärkers angewandt wird. Zwei verschiedene Pilotsignale werden in die beiden Kompensationszweige einge­ speist, um über ihre Auswertung die Kompensation zu regeln. Dies ist vom Prinzip völlig anders. Darüber hinaus ist das "feedforward"-Prinzip nicht sinnvoll für optische Übertragung einsetzbar.

Das aus der DE-AS 10 04 667 bekannte Prinzip ähnelt dem "feedforward"-Prinzip. Ein verzerren­ des Prinzip P kann durch ein möglichst in gleicher Weise ver­ zerrendes System Q linearisiert werden. Dazu wird das System P in Kette geschaltet mit dem System Q und parallel hierzu ein möglichst klirrfreier Verstärker R. Wählt man dessen Ver­ stärkung entsprechend, so ergibt sich bei Subtraktion der Ausgangssignale von Q und R ein weniger verklirrtes Ausgangs­ signal. Auch dieses Prinzip unterscheidet sich grundlegend von dem gemachten Vorschlag.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine zugehörige Schaltungs­ anordnung zu schaffen, womit man über einen sehr großen Frequenz­ bereich ein nichtlineares System (insbesondere eine Laserdiode) linearisieren kann. Die Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und für eine Schaltungsanordnung durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Gegenkopplung (siehe Straus Fig. 5) als grundsätzlich gut geeignetes Verfahren scheidet für sehr breitban­ dige Signale aus, sie kann aber zu der Überlegung führen, statt der zu übertragenden Signale langsam veränderliche Signalcharak­ teristiken, wie etwa Klirrfaktoren, zu einer Gegenkopplung in Form einer adaptiven Regelung eines Vorverzerrers zu benutzen. Dazu werden die Klirrprodukte eines eingespeisten Pilotsignals detek­ tiert, die in einer Regelschleife möglichst zu Null geregelt wer­ den.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Vorverzer­ rung automatisch an mögliche Änderungen der Kennlinie der Laser­ diode angepaßt wird. Außerdem werden beim erfindungsgemäßen Ver­ fahren Rückwirkungen des Lichtwellenleiters vermindert, die sich als zusätzlich auftretende Verzerrungen äußern würden, da das Regelsignal am Ausgang der Laserdiode abgegriffen wird. Dem Regel­ mechanismus ist es nämlich grundsätzlich gleichgültig, wie die Verzerrungen entstehen, ob durch Nichtlinearität der Kennlinie selbst oder durch Rückgewinnung des angeschalteten Lichtwellenlei­ ters auf die Kennlinie.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anord­ nung.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Vorverzerrers und

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Klirrdetektors,
wobei gleiche Teile in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen ver­ sehen sind.

Bei 1 werden der Anordnung nach Fig. 1 die zu übertragenden Signale zugeführt. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Viel­ zahl von im Frequenzmultiplex zu übertragenden Fernsehsignalen handeln, wie es beispielsweise auch in der Fernsehrundfunktechnik angewendet wird. Die zu übertragenden Signale werden einem Vorver­ zerrer 2 zugeführt, welcher im Zusammenhang mit Fig. 2 noch näher erläutert wird. An den Vorverzerrer 2 ist dann ein elektro-opti­ scher Wandler 3 - beispielsweise eine Laserdiode - angeschlossen, dessen optisches Ausgangssignal über eine nicht näher dargestellte Glasfaser 4 weitergeleitet wird. Ein Teil des Ausgangssignals des elektro-optischen Wandlers 3 wird zu einem opto-elektrischen Wand­ ler 5, beispielsweise einer Fotodiode, geleitet. Dessen Ausgangs­ signal wird verstärkt, was in der Figur nicht gesondert darge­ stellt ist, und einem Klirrdetektor 6 zugeführt. Ein Ausführungs­ beispiel eines Klirrdetektors 6 ist in Fig. 3 genauer dargestellt. Mit Hilfe des Klirrdetektors werden nun die durch den elektro- optischen Wandler 3 bedingten Verzerrungen ermittelt und in eine Steuerspannung umgewandelt, welche dem Vorverzerrer 2 zugeführt wird. Hierbei kann vorausgesetzt werden, daß der opto-elektrische Wandler 5 eine lineare Kennlinie aufweist.

Ein wesentliches Anwendungsgebiet ist, wie eingangs erwähnt, die optische Übertragung von Signalen. Es sind jedoch Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Linearisierung von elektri­ schen Übertragungsgliedern, beispielsweise Sendern, möglich.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Vorverzer­ rer 2 (Fig. 1) näher erläutert. Das bei 1 zugeführte Eingangs­ signal wird den Schaltungen 21, 22 und 23 zugeführt, deren Aus­ gangssignale aufsteigenden Potenzen des Eingangssignals entspre­ chen. So ist beispielsweise das Ausgangssignal der Schaltung 21 linear vom Eingangssignal u ₀ abhängig, während mit Hilfe der Schaltung 22 ein Signal u ₀ ² gebildet wird und in der Schaltung 23 ein Signal u ₀ ³ abgeleitet wird. Je nach Anforderungen an die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens können weitere Poten­ zen gebildet werden. Die Amplitude der Ausgangssignale ist dann in den Schaltungen 24, 25 und 26 mit Hilfe von diesen ebenfalls zuge­ führten Steuerspannungen steuerbar. In einer Schaltung 27 werden dann die Ausgangsspannungen der Multiplizierschaltungen miteinan­ der addiert und ergeben die Ausgangsspannung u ₁ des Vorverzerrers 2 (Fig. 1). Die Teile 3, 4, 5 und 6 entsprechen denen der Anord­ nung nach Fig. 1. Der Klirrdetektor 6 hat bei dem gezeigten Aus­ führungsbeispiel drei Ausgänge; und zwar sind zwei davon zur Steuerung der eigentlichen Vorverzerrung den Multiplizierschaltun­ gen 25 und 26 zugeführt, während ein dritter den linearen Anteil der Spannung u ₀ in seiner Amplitude beeinflußt, also zur Einstel­ lung der Amplitude vorgesehen ist.

Für die Detektion des Klirrgrades bzw. des Oberwellengehaltes ist es nun erforderlich, diese Messung für ein Signal durchzuführen, welches an sich keine Oberwellen enthält und bei welchem auch keine Vielfachen der Grundfrequenz mit anderen zu übertragenden Signalen übereinstimmen. Hierzu kann beispielsweise dem Signal­ spektrum eines vollständigen Fernsehbandes eine Pilotschwingung zugesetzt werden, welche selbst einschließlich der Oberwellen im Fernsehband nicht vertreten ist. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, eine Frequenz von beispielsweise einigen MHz zu wählen, deren für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens relevante Oberwellen noch unterhalb der für die Übertragung der Fernsehsignale genutzten Frequenzbereiche liegen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird beispielsweise mit Hilfe der Additionsschaltung 7 eine sinusförmige Spannung mit der Frequenz von 1 MHz den bei 1 zugeführten zu übertragenden Signalen überlagert. Der Vorverzerrer 2, der elektro-optische Wandler 3, die Übertragungsstrecke 4 sowie der opto-elektrische Wandler 5 entsprechen den im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Teilen. Die Wechselspannung der Frequenz f ₀ wird nun mit Hilfe des Frequenzteilers 8 aus einer mit Hilfe des Generators 9 gewonnenen Wechselspannung höherer Frequenz abgeleitet. Außerdem sind dem Frequenzteiler 8 Wechselspannungen der Frequenz 2 f ₀ und 3 f ₀ entnehmbar. Die Spannung mit der Frequenz f ₀ wird der Addierschaltung 7 zugeführt, während die Spannungen mit den Frequenzen 2 f ₀ und 3 f ₀ den Multiplizierschaltungen 35, 36 zugeführt und dort mit der Ausgangsspannung des opto-elektrischen Wandlers 5 multipliziert werden. Diese Mulitplizierschaltungen stellen im Verband mit den anschließenden Integrationsschaltungen 32, 33 Korrelationsempfänger dar, mit welchen äußerst schmalbandig eine der Amplitude der jeweiligen Oberwelle entsprechende Steuer­ spannung erzeugt wird, welche dann dem zugehörigen Eingang der Schaltung 2 zugeführt wird.

Grundsätzlich können auch andere Filter verwendet werden. Die Fil­ terung mit Hilfe der Multiplizierschaltungen ist jedoch äußerst selektiv, was insbesondere dazu führt, daß die Wirkung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens nicht durch in der Nähe der Oberwellen des Pilotsignals liegende Rausch- oder Nutzsignale die Messung der Klirranteile verfälschen kann. Außerdem entfällt jeglicher Ab­ gleich der Filter bei der Fertigung einer erfindungsgemäßen Schal­ tung.

Das Pilotsignal selbst mit der Frequenz f ₀ wird ebenfalls einer Multiplikation mit dem Ausgangssignal des opto-elektrischen Wand­ lers 5 unterworfen (Multiplizierschaltung 34). Nach anschließender Integration mit Hilfe der Integrierschaltung 31 steht eine Steuer­ spannung zur Amplitudenregelung zur Verfügung, welche der Multi­ plizierschaltung 24 (Fig. 2) zugeführt wird.

Außer der im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Hinzufügung eines Pilotsignals ergibt sich beispielsweise bei der Übertragung von Fernsehsignalen je nach Erfordernissen des Anwendungsfalles die Möglichkeit, während periodisch auftretender Zeitabschnitte, in denen der Träger nicht moduliert ist, diesen sowie dessen Oberschwingungen zur Messung des Klirranteils heranzuziehen. So könnte beispielsweise das Signal einer nicht durch weitere Informationen belegten Zeile innerhalb des vertikalfrequenten Rücklaufs der Fernsehsignale durch eine dem opto-elektrischen Wandlers 5 nachgeschaltete Torschaltung ausgetastet und in ähnlicher Weise wie das Pilotsignal ausgewertet werden.

Die in den Figuren als Schaltungsblöcke dargestellten Schaltungen sind als solche hinreichend bekannt und brauchen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht näher erläutert werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Schaltungen mit Rechenfunk­ tion, wie Multiplizier-, Addier und Potenzierschaltungen, sowohl in digitaler als auch in analoger Technik realisiert werden kön­ nen. Für die Schaltungen 22 und 23 (Fig. 2) können bekanntlich Durchlaßkennlinien von Halbleiterdioden in einfacher Weise genutzt werden. Dabei werden Dioden in verschiedene Zweige von Brücken­ schaltungen eingesetzt. Vorverzerrer von höheren als dritten Graden können durch Kettenschaltungen von Vorverzerrern zweiten und dritten Grades aufgebaut werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Übertragung von elektrischen Signalen über eine Übertragungsstrecke, die ein Übertragungsglied mit nichtli­ nearer Übertragungskennlinie aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß den zu übertragenden Signalen ein Pilotsignal hinzuaddiert wird, dessen n Klirrprodukte durch Korrelation des Ausgangssignals des nichtlinearen Übertragungsgliedes mit n Harmonischen des Pilotsignals ermittelt und zur Regelung eines vorverzerrenden Netzwerks, das Verzerrungen 2., 3. . . . n.ter Ordnung erzeugt, verwendet werden, so daß die nichtlinearen Verzerrungen des Übertragungsgliedes weitgehend auf Null geregelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Übertragungsgliedes eine optische Strah­ lung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangssignal Signale selektiv entnommen werden, welche eine Frequenz aufweisen, die in den zu übertragenden elektrischen Signalen ohne ganzzahlige Vielfache vorhanden ist, daß die Amplituden der Grundwelle sowie der Harmonischen der selektiv entnommenen Signale gemessen werden und daß die Meßergebnisse zur Steuerung der Vorverzerrung herangezogen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem zu übertragenden elektrischen Signal eine sinusförmige Wechsel­ spannung als Pilotsignal überlagert wird, deren Frequenz so­ wie ganzzahlige Vielfache davon in den zu übertragenden Si­ gnalen nicht auftreten.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu übertragenden Signale periodisch auftretende oberschwingungs­ freie Anteile aufweisen und daß entsprechende Anteile zeitse­ lektiv aus dem Ausgangssignal des Übertragungsgliedes entnom­ men werden.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu übertragenden Signale über einen Vorverzerrer (2) mit einer steuerbaren nicht­ linearen Kennlinie dem Übertagungsglied zugeführt sind und daß mit dem Ausgang des Übertragungsgliedes ein Klirrdetektor (6) zur Messung der nichtlinearen Verzerrungen verbunden ist, an dessen Ausgang wiederum ein Steuereingang des Vorverzerrers angeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied ein elektro-optischer Wandler (3) ist, welcher mit einem opto-elektrischen Wandler (5) optisch gekoppelt ist, an dessen Ausgang der Klirrdetektor (6) angeschlossen ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vorverzerrer (2) n parallel ge­ schaltete Zweige aufweist, daß ein Zweig eine im wesentlichen lineare Übertragungsfunktion aufweist und daß weitere Zweige eine die zweite bis nte Potenz der elektrischen Signale bil­ dende Übertragungsfunktion aufweisen, wobei n mindestens 2 ist und die Größe der Signale der einzelnen Zweige steuerbar ist.

9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu übertragenden Signale einem Eingang einer Addierschaltung (7) zugeführt sind, daß der Ausgang der Addierschaltung (7) mit dem Eingang des steuerbaren Vorverzerrers (7) verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang des Übertragungsgliedes angeschlossen ist, daß der Ausgang des Übertragungsgliedes über frequenzselektive Glieder und Integrationsschaltungen (31, 32, 33) mit Steuereingängen des Vorverzerrers (2) verbunden ist und daß die frequenzselektiven Glieder auf verschiedene ganzzahlige Vielfache der Frequenz des Pilotsignals und auch auf die Frequenz des Pilotsi­ gnals selbst abgestimmt sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzselektiven Glieder von Multiplizierschal­ tungen (34, 35, 36) mit anschließenden Integrationsschaltungen (31, 32, 33) als Korrela­ tionsempfänger gebildet sind, welchen außer den Aus­ gangssignalen des Übertragungsgliedes jeweils Signale der nfa­ chen Frequenz des Pilotsignals zuführbar sind.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Wechselspannungen ein Oszillator (9) und ein Frequenzteiler (8) vorgesehen sind und daß die Ausgänge des Fre­ quenzteilers mit dem Multiplizierschaltungen und mit dem anderen Eingang der Addierschaltung verbunden sind.