DE3783320T2 - Optischer frequenzverschiebungsdemodulator. - Google Patents

Description

Technisches Anwendungsgebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei der Demodulation von optischen Frequenzverschiebungs-(FSK)-Übertragungen oder bezieht sich hierauf.
• Kohärente optische Kommunikationssysteme bieten eine höhere praktische Empfangsempfindlichkeit und höhere Wellenlängenselektivität als direkte Erfassungssysteme. Diese Vorteile werden zum Preis strengerer Stabilitätsanforderungen an den lokalen Oszillator und die Signallaser erkauft. Abschätzungen schlagen vor, daß die kombinierte Linienbreite des lokalen Oszillators und Übertragungslasers geringer als o,5% der Bitrate für PSK-Systeme sein muß, obwohl dies für asynchrone ASK- und FSK-Heterodyn-Systeme auf 10 bis 30% gemildert werden kann. Frequenzverschiebungstastung oder gleitende Frequenzumtastung (FSK) ist von diesem Standpunkt aus attraktiv und auch, weil sie die direkte Modulation des Übertragerinjektionslasers über den Antriebsstrom gestattet. Bisher war ein Hauptnachteil von FSK-Systemen die Notwendigkeit, daß die Emfänger das Vierfache der Bandbreite der Basisbanddaten aufweisen.
Stand der Technik
• Bei der direkten FSK-Demodulation werden optische frequenzmodulierte Signale unter Verwendung eines optischen Frequenzdiskriminators demoduliert. Obwohl die direkte Detektion eine grundlegende und einfache Konfiguration für optische FSK-Systeme ist, bringt sie im Leistungspegel des empfangenen Signals keinerlei Verbesserungen mit sich.
• Im FSK-Heterodyn-System (FIG. 1) aus dem Stand der Technik werden optische Signale vom FSK-Übertrager in zwei Schritten optischer und elektrischer Demodulation demoduliert. Der übertragene Strahl wird mit einem Strahl von einem lokalen Oszillator 3 gekoppelt und mittels eines quadratischen Gleichrichters 5 in ein IF-Signal umgesetzt. Dies erzeugt ein elektrisches IF- Signal, welches dann verstärkt und gefiltert wird 7. Es wird dann durch einen HF-Frequenzdiskriminator 9 auf das Basisband demoduliert, und das IF-Signal wird durch ein Basisbandfilter 11 geführt. IF-Signalfrequenzstabilität stellt ein Erfordernis für stabile FSK-Signaldemodulation dar. Es ist daher gebräuchlich, einen Rückkopplungsverstärker 13, folgend auf den Diskriminator 9, vorzusehen, um die Frequenz des lokalen Oszillatorlasers 3 zu steuern. Es ist bei diesem System üblich, daß die Bandbreite für den Empfangsverstärker der Vierfachen der der Basisbanddaten entspricht.
• Ein alternativer Lösungsversuch hierzu besteht in der Verwendung eines einzigen Filterhüllendetektors, der eine Grenzfrequenz in der Mitte zwischen den oberen und niedrigeren Signaltönen aufweist. Vergleiche Saito et al "S/N and error rate evaluation for an optical FSK heterodyne system using semiconductor lasers", IEEE Journal of Quantum Electron. 1983 QE-19, Seiten 180-193. Dies hat dann den Vorteil einer reduzierten Bandbreite, jedoch zum Preis eines 3 dB Verlusts in Signalempfindlichkeit.
Offenbarung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung soll eine Alternative - einen FSK-Demodulator vorsehen, der eine reduzierte Bandbreite, jedoch ohne einen entsprechenden Verlust in der Empfindlichkeit, bietet.
• Gemäß der Erfindung ist ein Frequenzverschiebungs- (FSK)-Signaldemodulator vorgesehen, der aufweist:
• einen lokalen Oszillator, der ein kohärentes optisches Bezugssignal einer Frequenz in der Mitte zwischen Signaltönen liefert:
• einen optischen mehrtorigen Anschluß, der mit dem lokalen Oszillator verbunden ist und auf ein Eingangssignal anspricht, um Kombinationen des Bezugssignals und des Eingangssignals an seinen Ausgangsanschlüssen zu liefern;
• eine Detektoreinrichtung, die mit den Ausgangsanschlüssen des mehrtorigen Anschlusses zusammenwirkt, um ansprechend auf die zugeleiteten kombinierten optischen Signale mehrere phasen-diverse elektrische Signale auf Überlagerungsfrequenz zu erzeugen; und
• eine Phasendiskriminatoreinrichtung, die mit der Detektoreinrichtung zusammenwirkt, um ein demoduliertes Signal zu erzeugen, dessen Amplitude in Abhängigkeit von der Voreil/Nacheil-Phasenbeziehung der elektrischen Signale bestimmt ist.
• Die zuvor erwähnte Phasendiskriminatoreinrichtung kann entweder synchron oder asynchron sein. Das letztere erfordert keine Frequenzverriegelungsschaltung, ist infolgedessen kostengünstiger zu verwirklichen, kann von einfacher Auslegung sein und wird daher bevorzugt. Im letzteren Fall kann die Diskrimination entweder eine Mischung oder Hüllendetektion beinhalten.
• Bei der Multiport- oder Mehrtordetektion, wie oben erwähnt, werden das Signal und der lokale Oszillator im mehrtorigen Anschluß kombiniert, um im allgemeinen mehr als zwei Ausgangssignale zu erzeugen. Vorausgesetzt, daß sie mit geeigneter Phasenverschiedenartigkeit kombiniert werden, ist es dann möglich, ihre relative Phase und Amplitude zu bestimmen. Innerhalb der Grenze eines starken lokalen Oszillators werden an den Ausgangsanschlüssen entstehende Photoströme, abgesehen von einem großen konstanten Term infolge der Leistung des lokalen Oszillators, proportional zu den Komponenten komplexer Signalamplitude in Richtungen, die durch die durch den mehrtorigen Anschluß eingeführte Phasenverschiedenartigkeit bestimmt sind. Für eine 3x3-Multiportrealisation mit symmetrischer Kopplung liefern die drei Photoströme drei Signale A, B und C, die gegeben sind durch
• A = as cos (θ);
• B = as cos (θ + 2Π/3); und
• C = as cos (θ - 2Π/3);
• worin as die Signalamplitude ist und θ die Phase des Signals relativ zu einer Null, festgesetzt durch den lokalen Oszillator und die Wahl optischer Bezugsebenen. Für eine symmetrische oder abgeglichene 4x4-Multiportverwirklichung liefern die Detektoren vier Photoströme, von denen komplementäre Paare kombiniert werden, um die Inphase-Komponente des Signals relativ zum lokalen Oszillator und die Quadraturkomponente zu ergeben. Wenn man diese mit I und Q beschreibt, ergibt sich:
• I = as cos (θ); und
• Q = as sin (θ).
• Die Messung von A, B und C oder I und Q ergibt eine vollständige Kenntnis der komplexen Amplitude des Signals bezüglich des lokalen Oszillators, nämlich as und θ. Dort, wo hier der lokale Oszillator und das Signal unabhängig sind, wird sich θ bei der Überlagerungs- oder Schwebungsfrequenz zwischen ihnen ändern. In diesem heterodynen Detektionsschema dreht sich θ so bei dieser Zwischenfrequenz (IF). Bei der FSK besteht ein Vorteil der Multiportdetektion darin, daß es möglich ist, zwischen positiven und negativen Zwischenfrequenzen durch Beobachten der Richtung dieser Drehung von θ zu unterscheiden. Die optische Frequenz des lokalen Oszillators wird dann auf der Mitte zwischen den beiden Signaltönen so festgesetzt, daß die Richtung der Drehung ein Unterscheidungskriterium für die übertragenen Daten liefert. Für eine minimale Beabstandung der beiden Signaltöne ist die erforderliche Bandbreite jedes Detektors individuell das Zweifache der Basisbandbreite, anstatt dem Vierfachen der Basisbandbreite, wie es in der FSK-Detektion aus dem Stand der Technik erforderlich war. Diese Bandbreitereduktion ist wichtig für Systeme hoher Bitrate, da eine große Bandbreite mit rauscharmen Vorverstärkern schwer zu erzielen ist. Diese Multiportlösung hat auch den Vorteil, daß sich nicht unter der 3dB-Einbuße am Empfindlichkeit leidet, wie sie dem zuvor erwähnten Detektionssystem reduzierter Bandbreite mit einem einzigen Filter eigen war.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• In den Zeichnungen, die dieser Beschreibung beiliegen
• zeigt FIG. 1 ein Blockschaltbild, das die Anordnung eines FSK-Heterodyn-Demodulationssystems aus dem Stand der Technik zeigt;
• stellt FIG. 2 ein Blockschaltbild dar, das die Anordnung eines 4x4-Multiportanschlusses mit Faseraufbau zeigt;
• stellt FIG. 3 ein Blockschaltbild einer elektrischen Verarbeitungsschaltung, die eine Hüllendetektion verwendet, zum Einsatz in Kombination mit dem Multiportanschluß der FIG. 2 und gemäß dieser Erfindung dar; und
• stellt FIG. 4 ein Blockschaltbild einer elektrischen Verarbeitungsschaltung, die auch eine Hüllendetektion verwendet, zum Einsatz in Kombination mit einem 3x3-Multiportanschluß, ebenfalls gemäß dieser Erfindung dar.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
• Damit die Erfindung besser verstanden wird, werden nun Erfindungsbeispiele beschrieben und dabei auf die FIG. 2 und 4 der beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Die folgende Beschreibung wird nur beispielhalber angegeben.
• Eine 4x4-Multiportanschlußrealisierung ist in den FIG. 2 und 3 gezeigt. Es ist empfehlenswert, einen 4x4- symmetrisierten Multiportanschluß 15 einer Lichtleitfaserkonstruktion z.B. der in FIG. 2 gezeigten Art zu verwenden. Dieser Anschluß 15 umfaßt ein Netzwerk von vier 2x2-Faserkopplern 17, 19, 21 und 23. In den beiden Armen dieses Netzwerks sind variable Phasenverzögerungseinheiten 25 und 27 eingefügt, um eine Einstellung der Phase zur Lieferung des erforderlichen Abgleichs zu ermöglichen. In den anderen beiden Armen ist ein Paar Polarisationssteuereinheiten 29 und 31 ebenfalls eingefügt worden. Ein lokaler Oszillator, Laser 3, ist zwischen einen Eingangsanschluß des Multiportanschlusses 15 geschaltet, um als eine Bezugssignalquelle zu wirken. Ein optisches Eingangssignal I/P von einem FSK-Übertrager wird auf einen weiteren geeigneten Eingangsanschluß gekoppelt. Die verbleibenden zwei Eingangsanschlüsse werden nicht verwendet. Unterschiedliche Phasenkombinationen der optischen Eingangs- und Bezugssignale werden zu Photodioden 33, 35, 37 und 39 geleitet, die an den Ausgang des Anschlusses 15 angrenzen.
• Der elektrische Verarbeitungsteil dieser Realisierung ist in FIG. 3 gezeigt.
• Die Phasendiskriminierung wird durch eine Hüllendetektion in der dargestellten Weise vorgesehen. Jedes der Signale, das Inphasesignal I und das Quadratursignal Q wird über eine Π/2 Phasenverzögernungs-(Zwischenfrequenz)- Komponente 49, 51 auf einen entsprechenden Summierknoten 53, 55 geleitet, wo es zu dem anderen dieser beiden Signale Q, I addiert wird. Das Summensignal jedes Knotens 53, 55 wird dann über einen jeweiligen Hüllendetektor, z.B. einen Gleichrichter 57, 59, auf einem Subtraktionsknoten 51 geleitet. Das an diesem Knoten 61 erzeugte demodulierte Signal wird dann über ein Basisbandfilter 47 zu einem Ausgang O/P geführt.
• Durch Vergleich mit der 3x3-Anschlußrealisierung, die weiter unten diskutiert wird, wird ersichtlich, daß die obige elektrische Verarbeitungsschaltung geradliniger ist und so weniger Komponenten für die Verwirklichung erfordert. Jedoch ist der optische Teil - der 4x4-Multiportanschluß - weniger geradlinig, da er eine sorgfältige Einstellung usw. erfordert, um die erforderlichen Abgleichbedigungen sicherzustellen. Der 3x3-Multiportanschluß ist einfacher herzustellen und ist gut als gebräuchliches kommerzielles Produkt erhältlich. Details elektrischer asynchroner Diskriminatorschaltungen, die zur Verwendung mit diesem Anschluß geeignet sind, werden diskutiert werden. In den unten diskutierten 3x3-Multiportverwirklichungen weisen die drei Photoströme A, B und C die Form eines Dreiphasenwechselsignals auf der Zwischenfrequenz (IF) auf. Die Phasenfolge ABC oder ACB wird von dem Frequenzzustand, dem oberen oder unteren Ton des optischen FSK-modulierten Signal abhängen, das zugeführt wird.
• In der in FIG. 4 gezeigten Anordnung, einer Hüllkurvendetektoranordnung, werden die Photoströme A, B und C auf ein Paar Phasendiskriminatornetzwerke 77 und 79 gegeben. Die Signale, die an dem Ausgang jedes dieser Netzwerke 77 und 79 erzeugt werden, werden dann mittels eines Differenzverstärkers 81 subtrahiert, und das erzeugte demodulierte Signal wird basisbandgefiltert 47. Jedes gleiche Netzwerk 77 und 79 umfaßt drei symmetrisch angeordnete Summierknoten 83, 85 und 87, jeweils mit einer entsprechenden Verzögerungskomponente 93, 95 und 97, die mit einem ihrer beiden Eingänge verbunden ist. Jede Verzögerungskomponente sieht eine Phasenverzögerung von Π/3 auf der Zwischenfrequenz vor. Die Summierknoten 83, 85 und 87 sind direkt mit Eingangsanschlüssen X, Y bzw. Z verbunden, während Knoten 87, 83 und 85 ebenfalls mit diesen Anschlüssen über die Verzögerungskomponenten 97, 93 und 95 verbunden sind. Jeder Summierknoten 83, 85 und 87 ist mit einem Gleichrichter-Diodennetzwerk 99 verbunden, um Eingangssignale für den Differenzverstärker 81 zu bilden. Es wird bemerkt werden, daß die Phasenverbindungen zu diesen beiden Schaltungen 77 und 79 umgekehrt sind. So sind für eine Schaltung 77 die Photoströme B und C auf Eingangsanschlüsse Y und Z bezogen, während für die andere Schaltung 79 diese Photoströme B und C umgekehrt sind und so auf Eingangsanschlüsse Z und Y bezogen sind. Eine Schaltung wird ein maximales Ausgangssignal erzeugen, wenn die Phasensequenz in der Reihenfolge ABC vorliegt, während die andere Schaltung ein maximales Ausgangssignal erzeugen wird, wenn die Phasensequenz umgekehrt ist, d.h. ACB.
• In den vorhergehenden Anordnungen wird die lokale Oszillatorfrequenz (f) auf einer Frequenz (fo) gehalten, d.h. präzise in der Mitte zwischen den beiden FSK-Tönen (fo + δf). Diesbezüglich kann das optische Übertragungssignal codiert werden, um Bursts von Frequenzverriegelungsinformation vorzusehen, die jedem Datensatz vorausgehen. Diese Information kann die Form eines Zuges gleichmäßig beabstandeter Hochton- und Niedertonpulse aufweisen. Eine Frequenzverriegelung kann dann erzielt werden, indem die Leistung durch das Durchlaßfilter maximiert wird, wenn der Zug gleichmäßig beabstandeter (fo + δf) und (fo - δf) Pulse so übertragen wird, daß δf deutlich außerhalb der Flügel des Durchlaßbandes liegt. Ist f = fo, dann beträgt das Ausgangssignal folglich:
• {2/[1+(δf)²/fo²]}.
• Wenn jedoch keine Frequenzverriegelung vorliegt (d.h. f≠fo), so wären die Änderungen im ausgegebenen Fehlersignal proportional zu {1/[1+(fo+δf-f)²]}+{1/[1+fo-(δf-f)²/fo²]} -{2/[1+(δf)²/fo²]}
• sein
• d.h. α-2(f-fo)²,
• so daß der Ausgang in der Tat ein Maximum annimmt, wenn f=fo. Andere Steuerschaltungen, um den lokalen Oszillator auf Spur zu verriegeln, werden nicht vom generellen Schutzumfang dieser Erfindung vorausbegleitet.

Claims (5)

1. Optischer Frequenzverschiebungs-(FSK) Signaldemodulator, aufweisend:

einen lokalen Oszillator (3), der ein kohärentes optisches Bezugssignal (10) einer Frequenz in der Mitte zwischen Signaltönen liefert; einen optischen mehrtorigen Anschluß (15), der mit dem lokalen Oszillator (3) verbunden ist und auf ein Eingangssignal (I/P) anspricht, um Kombinationen des Bezugssignals (10) und des Eingangssignals (I/P) an seinen Ausgangsanschlüssen zu liefern; eine Detektoreinrichtung (33, 35, 37, 39; 63, 67), die mit den Ausgangsanschlüssen des mehrtorigen Anschlusses (15) zusammenwirkt, um ansprechend auf die ihr zugeleiteten kombinierten optischen Signale mehrere phasen-diverse elektrische Signale auf überlagerungsfrequenz zu erzeugen; und

eine Phasendiskriminatoreinrichtung (Fig.3; Fig.4), die mit der Detektoreinrichtung (33, 35, 37, 39; 63, 65, 67) zusammenwirkt, um ein demoduliertes Signal (O/P) zu erzeugen, dessen Amplitude in Abhängigkeit von der Voreil/Nacheil-Phasenbeziehung der elektrischen Signale bestimmt ist.

2. FSK-Demodulator (Figuren 1 und 2) nach Anspruch 1, aufweisend

einen mehrtorigen 4x4 Anschluß (15);

einen entsprechenden Satz von vier Fotodetektoren (33, 35, 37, & 39), die paarweise (33 und 35, 37 und 39) an einen ersten bzw. zweiten Differenzverstärker (41, 42) angeschlossen sind, um elektrische Inphase- und Quadratursignale (I,Q) zu erzeugen; und

eine Phasendiskriminatoreinrichtung (49-61) zur Erzeugung des demodulierten Signals in Abhängigkeit von der Voreil/Nacheil-Phasenbeziehung dieser beiden elektrischen Signale.

3. FSK-Demodulator (Figuren 2 und 3) nach Anspruch 2, in welchem die Phasendikriminatoreinrichtung ein Verzögerungs- und Addiernetzwerk (49, 51, 53, 55) zur Erzeugung von Quadraturphase-verschobenen Kombinationen der elektrischen Inphase- und Quadratursignale, einen Hüllkurvendetektor (57, 59), der auf jeden Netzwerkausgang anspricht, und einen Subtraktionsknoten (61), der mit dem Ausgang jedes Hüllkurvendetektors (57, 59) verbunden ist, aufweist.

4. FSK-Demodulator nach Anspruch 1, aufweisend einen mehrtorigen 3x3 Anschluß;

einen entsprechenden Satz von drei Fotodetektoren (63, 65, 67), einer an jedem Ausgangsanschluß des Anschlusses; und eine Phasendiskriminatoreinrichtung (Fig.4) zur Erzeugung des demodulierten Signals in Abhängigkeit von der Phasensequenz der Ausgangsströme der Fotodetektoren (63, 65, 67).

5. FSK-Demodulator (Fig.4) nach Anspruch 4, in welchem die Phasendiskriminatoreinrichtung ein Paar gleicher Verzögerungs-Addier- und Gleichrichtungsnetzwerke (77, 79) aufweist; und einen Differenzverstärker (81), der mit beiden Netzwerken (77, 79) verbunden ist.