DE60207618T2

DE60207618T2 - Modulationsverfahren für kurze Impulse mit geringem Tastverhältnis

Info

Publication number: DE60207618T2
Application number: DE60207618T
Authority: DE
Inventors: Alan H. Middletown Gnauck; Antonio Mecozzi; Mark Shtaif; Jay Lincroft Weisenfeld
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: JP2002290333A; US7848658B2; EP1225712A2; EP1225712B1; DE60207618D1; US7068946B2; CA2369205A1; US20080285983A1; EP1225712A3; US7580642B2; US20060222374A1; CA2369205C; US20020126359A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Systeme optischer Kommunikationstechnik und im Speziellen ein Verfahren zur Reduzierung der nicht linearen Störungen in optischen Übertragungssystemen.
Hintergrund der Erfindung
Die Übertragung kurzer optischer Impulse erweist sich als die beste Wahl in Systemen mit hoher Bitrate und/oder großen Entfernungen. Die Impulse werden jedoch durch nicht lineare Effekte innerhalb des Kanals in Mitleidenschaft gezogen, welche die Leistung schwächen und so die überwundene Entfernung oder die Bitrate verringern.
Die Fernübertragung von Informationen mit Glasfasern und optischen Inline-Verstärkern, unter Verwendung des digitalen Ein/Aus-Übertragungsformats, unterliegt zwei Haupt-Störungen. Eine ist die Anwesenheit von Rauschen durch verstärkte Spontan-emission (amplified spontaneous emission, ASE) der Verstärker. Eine Möglichkeit zur Bekämpfung von ASE-Störungen besteht in der Verwendung von Hochleistungssignalen, in denen Einsen durch Impulse mit Energie repräsentiert werden, die stark genug ist, um auf der Empfängerseite zuverlässig erfasst zu werden. Die zweite Störung ist die Signalverzerrung, die durch optische Nichtlinearität verursacht wird, hauptsächlich der Kerr-Effekt. Optischen Nichtlinearitäten kann durch möglichst weitgehende Reduzierung der Signal-Leistung entgegengewirkt werden. Die Signal-Leistung, die das Erreichen der maximalen Entfernung ermöglicht, kann dann durch einen Kompromiss zwischen den zwei widersprüchlichen Notwendigkeiten der Signal-Leistung und der optischen Nichtlinearität ermittelt werden. Normalerweise erfolgt das durch Erhöhung der Signal-Leistung bis zu einem Punkt, an dem die optische Nichtlinearität so stark erhöht wird, dass sie das Signal über ein akzeptables Niveau hinaus verzerrt. Bei optimaler Leistung wird das System gleichzeitig durch verstärktes Spontan-Emission-Rauschen und durch die Nichtlinearität begrenzt. Wenn das Übertragungssystem nur vom Spontan-Emission-Rauschen begrenzt werden würde, würde die Verstärkung der Leistung eine Verlängerung der Entfernung ermöglichen, und wenn das Übertragungssystem nur von der optischen Nichtlinearität begrenzt werden würde, würde die Verringerung der Leistung eine Verlängerung der Entfernung ermöglichen.
Das Dokument US-A-5,917,858 offenbart ein Übertragungssystem, in dem eine Vielzahl digitaler Signale so codiert ist, dass die Amplitude des modulierten Trägers für digitale Symbole höherer Wahrscheinlichkeit verringert wird.
Das Dokument EP-A-0300771 offenbart ein PCM-Signalcodierverfahren, in dem die Quantisierungspegel entsprechend der Wahrscheinlichkeit von Quantisierungspegeln und der Anzahl von ON-Bits in den Codewörtern ausgewählt werden.
Das Dokument US-A-5,434,693 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von Solitonen.
Zusammenfassung der Erfindung
Dispersion beschreibt, wie ein Signal aufgrund der verschiedenen Frequenzkomponenten des Signals, die verschiedene Fortpflanzungseigenschaften haben, verzerrt wird. Im Speziellen ist Dispersion der Streuungsgrad im Lichtstrahl, während er einen Faserbereich entlangwandert. Dispersion kann auch durch die Frequenzabhängigkeit der Gruppengeschwindigkeit eines Lichtsignals verursacht werden, das sich in einer Faser fortpflanzt.
Es ist gut bekannt, dass die Kapazität eines Binärkanals, in dem Störungen nicht berücksichtigt werden, C = –P1log2P1 – P0log2P0 (1)ist, worin P₀ und P₁ die Wahrscheinlichkeiten sind, dass eines der beiden Symbole übertragen wird. In der Binärzeichen-Übertragung ist die maximale Kapazität des Kanals erreicht, wenn die Wahrscheinlichkeit beider Symbole gleich ist und C = 1 Bit pro Symbol beträgt. Vor Kurzem wurde die These aufgestellt, dass die Verwendung kurzer Impulse mit niedrigem Tastverhältnis, in der Fachliteratur Tedone genannt, es ermöglicht, bisher nicht erreichte Übertragungsentfernungen bei sehr hohen Bitraten, 40 Gbps und mehr, zu erzielen. Tedone sind Impulse, die aufgrund ihrer sehr großen Bandbreite und ihres daher sehr kurzen Dispersionswegs nach ihrer Einspeisung in die Faser schnell dispergiert werden. Die Integrität der Impulse wird dann im Empfänger durch die Verwendung von Dispersionskompensationstechniken wiederhergestellt. Bei Tedonen kann die Dispersionskompensation auch in regelmäßigen Abständen entlang der Verbindung durchgeführt werden, im Allgemeinen an den Verstärkerpositionen oder direkt hinter dem Sender. Das Konzept, die Impulse so weit wie möglich und so schnell wie möglich im Zeitbereich zu verbreiten, wodurch ein rasch wechselndes Intensitätsmuster erzeugt wird, um die Auswirkungen der Nichtlinearität zu bekämpfen, stellt eine solch große Veränderung gegenüber herkömmlichen dispersionsbezogenen Ansätzen dar, dass im Fachgebiet zur Bezeichnung dieses Schemas ein spezieller Begriff, "Tedonen-Übertragung", geprägt wurde.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Übertragungsentfernung einer Kommunikationsverbindung zu vergrößern. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Datenübertragungsgeschwindigkeit einer Kommunikationsverbindung zu erhöhen.
Diese und andere Ziele werden von der Erfindung wie in den Ansprüchen 1, 2, 4 und 5 beansprucht erreicht. Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden in den Unteransprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist am besten mit Bezug auf die detaillierte Beschreibung und die darauf folgende Zeichnung zu beschreiben, worin:
1 eine optische Übertragungsleitung darstellt, die Tedonen-Übertragungstechniken verwendet.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Selbst bei Tedonen ist, trotz ihrer immanenten Robustheit, die Übertragungsgüte noch eingeschränkt durch Störungen aufgrund von optischen Nichtlinearitäten. Die Besonderheit von Tedonen besteht jedoch darin, dass die nicht linearen Störungen ungefähr proportional zur durchschnittlichen Leistung sind, anders als bei den meisten anderen Übertragungsschemata, in denen die nicht linearen Störungen von der Spitzenleistung des Signals abhängen (wobei Impulse logische Einsen darstellen). Diese Überlegungen ermöglichen es uns, die nicht linearen Störungen durch Verminderung der Anzahl logischer Einsen, die übertragen werden, und somit der Durchschnittsleistung des Signals, zu reduzieren. Durch eine passende Codierung des Signals kann dieses Ziel leicht erreicht werden. Die Reduzierung der Anzahl von Einsen vermindert die Kapazität des Systems gegenüber einem System, in dem Einsen und Nullen gleich wahrscheinlich sind. Der Kapazitätsverlust wird jedoch durch die verbesserten Leistungen des Systems mehr als kompensiert. Die verbesserten Leistungen des Systems können verwendet werden, um entweder die Reichweite der Übertragung (bei derselben physikalischen Bitrate) oder die Informations-Bitrate (bei derselben Reichweite) zu erhöhen.
Es ist zunächst der Fall zu betrachten, in dem das Ziel außerhalb der Reichweite oder Entfernung des Übertragungssystems liegt, begrenzt durch Nichtlinearität und ASE-Störung. Mit Tedonen nach den ersten wenigen hundert Metern werden die Impulse so dispergiert, dass eine signifikante Überlappung zwischen Impulsen stattfindet, die viele Bits auseinander liegen. Daher wird sich, bei identischer Ausgangs-Pulsbreite der über tragenen Impulse, die Form des Intensitätsmusters nach wenigen hundert Metern nicht ändern, wenn die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Eins um z. B. die Hälfte reduziert und gleichzeitig die Leistung des einzelnen Impulses verdoppelt wird. Da die nicht linearen Störungen der Übertragung vom dispergierten Intensitätsmuster abhängen, ist es logisch, dass eine Reduzierung des Auftretens von Einsen die nicht linearen Störungen der Übertragung vermindern kann. Die Reduzierung des Auftretens von Einsen ermöglicht eine größere Übertragungsentfernung. Es muss angemerkt werden, dass in diesem Fall, da die Leistung von Einsen unverändert ist, die Störungen aufgrund von ASE-Störung nicht durch die Reduzierung des Auftretens von Einsen beeinflusst werden.
Jetzt ist der Fall zu betrachten, in dem es erwünscht ist, auf die Entfernung zu übertragen, die mit herkömmlicher Übertragung erreicht wird, aber mit höherer Bitrate. Die Erhöhung der Bitrate würde dieselbe Energie von Einsen erfordern (anderenfalls wären die Einsen aufgrund der ASE-Störung nicht nachweisbar), und daher wird aufgrund der höheren Bitrate bei herkömmlicher Übertragung (d. h. mit der Wahrscheinlichkeit von Einsen gleich der Wahrscheinlichkeit von Nullen) die durchschnittliche Leistung höher. Mit dem angegebenen Schema hingegen wird die durchschnittliche Leistung durch Reduzierung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Einsen konstant gehalten. Nehmen wir zum Beispiel an, dass die physikalische Bitrate verdoppelt und ein Codierschema verwendet werden, bei dem die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Eins 25% und einer Null 75% beträgt. Die Informations-Bitrate verdoppelt sich nicht wie die Bitrate aufgrund der Reduzierung der Kapazität, die durch die Reduzierung von C verursacht wurde, das unter Anwendung der obigen Gleichung (1) 0,811 wird. Die Informations-Bitrate beträgt jedoch immerhin 2 × 0,811 = 1,622-mal so viel wie die ursprüngliche Informations-Bitrate. Im Allgemeinen beträgt bei derselben Durchschnittsleistung die Zunahme der Informations-Bitrate, die mit der Wahrscheinlichkeit P₁ der Übertragung von Einsen erhalten wird, g = 0,5/P1(–P1log2P1 – P0log2P0)
Die Zunahme ist das Produkt zweier Ausdrücke. Der erste, 0,5/P₁, steht für die Zunahme der physikalischen Bitrate, wenn die Wahrscheinlichkeit von Einsen P₁ wird. Der zweite, (–P₁log₂P₁ – P₀log₂P₀) steht für die Reduzierung der Kapazität, die durch die reduzierte Wahrscheinlichkeit der Übertragung von Einsen verursacht wird. Es ist anzumerken, dass g bei P₁ → 0 gegen Unendlich geht, und daher scheint es vorteilhaft zu sein, eine physikalische Bitrate zu verwenden, die so hoch ist wie möglich, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Einsen proportional zu reduzieren. Dies trifft jedoch nur teilweise zu, da die Verwendung einer höheren physikalischen Bitrate Nachteile in Form von teureren Leitungsendgeräten mit sich bringt, die mit der erhöhten physikalischen Bitrate betrieben werden müssen, ganz abgesehen davon, dass die Erhöhung der physikalischen Bitrate über einen bestimmten Punkt hinaus eine Reduzierung der Pulsbreite der übertragenen Impulse erfordert. Kürzere Impulse haben eine größere Bandbreite, und dies bedeutet einen Verlust an Spektrallichtausbeute, wenn Wellenlängenmultiplex verwendet wird. Schließlich ist auch anzumerken, dass die Zunahme bei kleinem P₁ nur logarithmisch gegen Unendlich geht, nämlich proportional zu log₂(l/P₁).
In dem obigen Beispiel können wir sehen, dass die Verwendung eines Modulationsformats mit einer 25%igen Wahrscheinlichkeit von Eins und einer 75%igen Wahrscheinlichkeit von Null eine Kapazität von 0,811 hat, nur 19% weniger als bei einem symmetrischen Kanal, in dem die Einsen und Nullen gleich wahrscheinlich sind. Die Übertragung mit einem solchen asymmetrischen Kanal unter Verwendung des Bitintervalls, das 40 Gbps entspricht, ergibt ein Signal, das eine Informations-Bitrate von 32,5 Gbps und eine Durchschnittsleistung eines 20 Gbps-Signals hat. Die Reduzierung der nicht linearen Störungen, proportional zur Reduzierung der Durchschnittsleistung, kann genutzt werden, um über eine größere Entfernung zu übertragen oder den Systemreserve zu vergrößern (die Bitrate zu erhöhen). Zu dem Preis einer solchen moderaten Reduzierung der Kapazität wird die Halbierung der nicht linearen Störungen erreicht.
Es ist möglich, sich einen Code mit einer reduzierten Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Einsen auszudenken. Ein mögliches Verfahren zur Codierung von Informationen ist die Pulslagenmodulation (pulse position modulation, PPM). Nehmen wir an, die Zeitfenster des Signals werden in Blöcke mit N Schlitzen unterteilt, und M Impulse werden in jedem dieser Blöcke übertragen. Jeder einzelnen Position der M Impulse innerhalb der N Möglichkeiten ist eine andere logische Bedeutung zugeordnet. Die Anzahl verschiedener Nachrichten, die in jedem Block übertragen werden können, ist n = N!/(M!(N – M)!) (2)
Betrachten wir den Spezialfall N = 8 und M = 2. Dieses N und dieses M werden nur zum Zweck der Verdeutlichung ausgewählt und sollen nicht praktisch anwendbar sein; praktisch anwendbare Werte für N und M sind viel höher. Die zwei Impulse können an jede beliebige Stelle in den 8 Schlitzen platziert werden, und die Gesamtzahl von Möglichkeiten (verschiedene Nachrichten) aus der obigen Gleichung (2) beträgt n = 28. Jeder einzelnen Platzierung der zwei Impulse ist ein anderes Symbol aus einem Zeichenvorrat mit 28 Wörtern zugeordnet. Bei Übertragung mit dem herkömmlichen Verfahren, in dem die An- oder Abwesenheit eines Impulses eine logische Eins oder eine logische Null bedeutet, beträgt die Anzahl möglicher Nachrichten 2⁸ = 256. Die Anzahl der Nachrichten wird so signifikant, um den Faktor 28/256, reduziert. Was jedoch die Bits betrifft, so beträgt die Anzahl der Bits beim allgemein angewandten PPM-Codierschema log₂28 ~ 4,8, im Gegensatz zu den 8 Bits, die innerhalb desselben Zeitrahmens mit dem herkömmlichen Verfahren übertragen werden können. In diesem Fall beträgt die Reduzierung ungefähr 40% in Bezug auf Bits, bei einer Leistungszunahme von 50% (die Durchschnittsleistung beträgt im allgemein angewandten PPM-Schema die Hälfte wie im herkömmlichen Schema, wo die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Nullen und Einsen 50% ist).
Bei Berechnung der Anzahl von Bits b = log2n = log2N! – log2M! – log2(N – M)! (3) beträgt der Informationsgehalt eines Signals, das einen solchen Code verwendet, C' = b/N = [log2N! – log2M! – log2(N – M)!]/N (4)Bit pro Symbol. Bei hohen Werten für M und N nähert sich der Informationsgehalt der obigen Gleichung dem maximalen Informationsgehalt, der mit der Wahrscheinlichkeit der Übertragung einer Eins mit M/N-Wahrscheinlichkeit übertragen werden kann (ββ). Wenn zum Beispiel N = 64 und M = 16 (entsprechend einer 25%igen Wahrscheinlichkeit, dass eine Eins übertragen wird), ist C' = 0,76. Bei hohen Werten für N und M kann die Stirling-Näherung der Fakultät m! = √2πm m^m e^–m verwendet werden, um
zu erhalten, worin der (negative) Rest
gegen Null tendiert, wenn M und N mit einem finiten konstanten Verhältnis gegen Unendlich gehen. Wenn PPM mit M = 256 und N = 1024 angewandt wird, erhalten wir p = –8,7 × 10^–3, und daher ist C' = 0,81, praktisch gleich dem maximalen Wert an Informationsgehalt, der mit einer 25%igen Wahrscheinlichkeit der Übertragung von Einsen erreichbar ist. Dieses Ergebnis kann exakt bewiesen werden, da bei diesem Schema die Wahrscheinlichkeit der Übertragung einer Eins P₁ = M/N ist, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Null Po = 1 – P₁ = 1 – M/N ist und daher bei hohen Werten für M und N C' → –P0log2P0 – P1log2P1 = C (7)
Die Neuheit der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass hier zum ersten Mal die Art und Weise der Codierung von Informationen in einem Signal optimiert wird, um spezifische physikalische Störungen der optischen Übertragungsleitung auszugleichen.
Mit Bezug auf 1, die eine optische Übertragungsleitung L darstellt, welche hierin beschriebene Tedonen-Übertragungstechniken verwendet, wird das Signal von einem Codierer C codiert, um die Wahrscheinlichkeit von Einsen zu reduzieren, und dann von einem Sender T über die optische Übertragungsleitung übertragen. Im Empfänger R wird das Signal empfangen und zur Wiederherstellung des Ausgangssignals an einen Decoder D weitergeleitet.
Die vorliegende Erfindung kann ebenso in Hard-, Soft- oder Firmware implementiert werden wie in anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs) oder Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) oder beliebigen anderen Mitteln, durch welche die hierin offenbarten Funktionen und Verfahren oder eine beliebige Kombination davon effektiv und effizient umgesetzt werden können. Die obigen Mittel zur Implementierung sollten nicht als erschöpfend, sondern nur als exemplarisch betrachtet werden und somit nicht die Mittel einschränken, durch welche die vorliegende Erfindung praktiziert werden kann.
Aus dem Vorhergehenden sollte deutlich werden, dass die Ziele der Erfindung erreicht wurden.

Claims

Ein Verfahren zur Erhöhung der Übertragungsentfernung, der Datenubertragungsgeschwindigkeit oder sowohl der Übertragungsentfernung als auch der Datenübertragungsgeschwindigkeit einer Lichtwellenleiter-Kommunikationsverbindung (L) unter Verwendung von Tedonen, wobei ein Tedon ein kurzer Impuls mit einem geringen Tastverhältnis und einem kurzem Dispersionsweg ist, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: Codierung eines zu übertragenden Datensignals, wobei das Datensignal eine Anzahl von Einsen und Nullen umfasst, um ein codiertes Datensignal mit Hilfe eines Codierschemas, welches die Anzahl der Einsen im Datensignal verringert, zu bilden; und Übertragung des codierten Datensignals über die Lichtwellenleiter-Kommunikationsverbindung (L) in Form von Tedonen; Durchführung von Dispersionskompensation entlang der Verbindung.
Ein Empfangsverfahren zur Erhöhung der Übertragungsentfernung, der Datenübertragungsgeschwindigkeit oder sowohl der Übertragungsentfernung als auch der Datenübertragungsgeschwindigkeit einer Lichtwellenleiter-Kommunikationsverbindung (L) unter Verwendung von Tedonen, wobei ein Tedon ein kurzer Impuls mit einem geringen Tastverhältnis und einem kurzen Dispersionsweg ist, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: Empfang eines codierten Datensignals, das in Form von Tedonen vorliegt, wobei das codierte Datensignal eine reduzierte Anzahl von Einsen gegenüber einem ursprünglichen Datensignal hat, das eine Anzahl von Einsen und Nullen umfasst; Durchführung von Dispersionskompensation des codierten Datensignals; und Decodieren des codierten Datensignals, um das ursprüngliche Datensignal wiederherzustellen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, worin das Codierschema Pulslagenmodulation ist.
Ein System zur Erhöhung der Übertragungsentfernung, der Datenübertragungsgeschwindigkeit oder sowohl der Übertragungsentfernung als auch der Datenübertragungsgeschwindigkeit einer Lichtwellenleiter-Kommunikationsverbindung (L) unter Verwendung von Tedonen, wobei ein Tedon ein kurzer Impuls mit einem geringen Tastverhältnis und einem kurzen Dispersionsweg ist, dadurch gekennzeichnet, dass es folgendes umfasst: einen Codierer (C) zur Codierung eines zu übertragenden Datensignals, wobei das Datensignal eine Anzahl von Einsen und Nullen umfasst, unter Verwendung eines Codierschemas, das die Anzahl von Einsen im Datensignal reduziert, und einen Sender (T), der mit dem Codierer gekoppelt ist, zur Übertragung des codierten Datensignals über die Lichtwellenleiter-Kommunikationsverbindung (L) in Form von Tedonen; Dispersionskompensationsmittel, um entlang der Verbindung die Integrität der übertragenen Tedone wiederherzustellen.
Ein Empfangssystem zur Erhöhung der Übertragungsentfernung, der Datenübertragungsgeschwindigkeit oder sowohl der Übertragungsentfernung als auch der Datenübertragungsgeschwindigkeit einer Lichtwellenleiter-Kommunikationsverbindung (L) mit Hilfe von Tedonen, wobei ein Tedon ein kurzer Impuls mit einem geringen Tastverhältnis und einem kurzen Dispersionsweg ist, dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes umfasst: einen Empfänger (R) zum Empfangen eines codierten Datensignals, das in Form von Tedonen vorliegt, wobei das codierte Datensignal eine reduzierte Anzahl von Einsen gegenüber einem ursprünglichen Datensignal hat, welches eine Anzahl von Einsen und Nullen umfasst; Dispersionskompensationsmittel zur Wiederherstellung der Integrität der empfangenen Tedone; und einen Decoder (D) zum Decodieren des codierten Daten signals, um das ursprüngliche Datensignal wiederherzustellen.
Das System gemäß Anspruch 4 oder 5, worin das Codierschema Pulslagenmodulation ist.