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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Kommunikationssystem
und insbesondere einen optischen Transmitter zum Bilden von optischen Signalen.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Optische
Kommunikationssysteme, die ein Dense-Wavelength-Division-Multiplexing (DWDM)-Schema
nutzen, haben eine exzellente Kommunikationseffizienz, da sie die Übertragung
optischer Signale mehrerer Kanäle
mit unterschiedlichen Wellenlängen über einen
einzigen Lichtwellenleiter erlauben. Die DWDM-Systeme können auch optische
Signale mit unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten übertragen.
Als solche sind die DWDM heute in Ultrahochgeschwindigkeits-Internet-Netzwerken
weit verbreitet und Systeme, die dazu geeignet sind, mehr als hundert
Kanäle
durch einen einzigen Lichtwellenleiter unter Nutzung der DWDM-Technologie
zu übertragen,
sind weit verbreitet. Verschiedene Forschungsanstrengungen haben sich
kürzlich
auf die Entwicklung eines Systems fokussiert, das es ermöglicht gleichzeitig
mehr als zweihundert Kanäle
mit 40 Gbps mit einer Übertragungsgeschwindigkeit
von mehr als 10 Tbps über
einen einzigen Lichtwellenleiter zu übertragen.
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Um
mit der rapide ansteigenden Nachfrage im Datenverkehr Schritt halten
zu können,
wurde in der Wavelength-Division-Multiplexing-Technologie viel Fortschritt
erzielt. Heute erreicht die Bandbreite eines Erbium dotierten Lichtwellenleiterverstärkers (EDFA)
ihr Limit, das auf der im Stand der Technik herkömmlich benutzten Intensitätsmodulationstechnologie
basiert. Daher wird in der nahen Zukunft eine zur EDFA unterschiedliche
neue Technologie benötigt,
um mit dem stetig anwachsenden Datenstrom Schritt halten zu können. Als
eine Möglichkeit,
die Übertragungskapazität des DWDM-Systems
zu erhöhen,
ist die "duobinäre" Übertragungstechnologie aufgetaucht,
um die Bit-Spektral effizienz dadurch zu verbessern, dass die beschränkten Bänder der
Lichtwellenleiter effizient genutzt werden.
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Solch
ein duobinärer
Transmitter ist aus der
EP 1
185 006 bekannt, wobei dieser einen Verstärker, ein
Bandbreitenbeschränkungsmittel
und einen Mach-Zehnder-Lichtmodulator
umfasst. Der vorhandene Tiefpassfilter hat eine Bandbreite, die
einem Viertel der Taktfrequenz entspricht.
EP 0 825 733 offenbart einen optischen
Transmitter, der in der optischen Duobinär-Technik benutzt wird, wobei
ein binäres
Datensignal einen Tiefpassfilter mit einer Bandbreite von ungefähr 0,25
mal der Taktfrequenz passiert, dann verstärkt wird und schließlich in
einen optischen Intensitätsmodulator
eintritt. Von AG Price et al. "210
km repeaterless 10 Gb/s transmission experiment through non-dispersion shifted
fiber using partial response scheme", IEEE Photonics Technology Letters,
Band 7, Nr. 10, 1. Oktober 1995, Seiten 1219 bis 1221, ist ebenso
ein duobinärer
optischer Transmitter bekannt. Hier besteht der Transmitter aus
einer gepulsten Laserquelle, gefolgt von einem externen Modulator
mit doppelten Eingang, der zwei elektrische Eingänge aufweist, die mit elektrischen Verstärkern verbunden
sind und einem 3 GHz 3-dB-Bandbreiten-Tiefpassfilter.
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1 zeigt
eine Konfiguration eines herkömmlichen
duobinären
optischen Transmitters. Der Sender umfasst erste und zweite Tiefpassfilter 120 und 150,
erste und zweite Modulatortreiber/Verstärker 130 und 160,
eine Laserquelle 170 und einen optischen Intensitätsmodulator
des Typs Mach-Zehnder-Interferometer 180.
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Im
Betrieb wird ein Zweiniveau-Binärdatensignal
in den ersten Tiefpassfilter 120 eingegeben. Der erste
Tiefpassfilter 120 hat eine Bandbreite, die ungefähr einem
Viertel der Taktfrequenz des Zweiniveau-Binärsignals entspricht. Aufgrund
der exzessiven Beschränkung
der Bandbreite wird eine Interferenz zwischen Codes erzeugt. Dies
führt zu
einer Umwandlung des Zweiniveau-Binärsignals in ein Datensignal
mit drei Niveaus. Als solches wird das Dreiniveau-Signal in den
ersten Modulatortreiber 130 eingegeben. Dann verstärkt der
erste Modulatortreiber 130 das Dreiniveau-Signal und gibt
es an den optischen Intensitätsmodulator 180 ab.
Der erste Modulatortreiber 130 und der optische Intensitätsmodulator 180 haben
beide eine Bandbreite, die der Taktfrequenz des Zweiniveau-Binärsignals
entsprechen. In ähnlicher
Art und Weise wird während
des Betriebs ebenso ein invertiertes Binärdatensignal durch den zweiten
Tiefpassfilter 150 in ein in vertiertes Datensignal mit
drei Niveaus konvertiert. Dieses invertierte Dreiniveau-Signal wird
durch den zweiten Modulatortreiber 160 verstärkt und
dann in den optischen Intensitätsmodulator 180 eingegeben.
Schließlich
gibt die Laserquelle 170 Licht mit einer vorbestimmten
Wellenlänge
aus und der optische Intensitätsmodulator 180 moduliert
das Licht gemäß dem Dreiniveau-Signal
und gibt dieses für
die nachfolgende Übertragung aus.
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Man
beachte, dass der erste Tiefpassfilter 120 und der erste
Modulatortreiber 130 relativ zum optischen Intensitätsmodulator 180 einen
ersten Arm 110 bilden und, dass der zweite Tiefpassfilter 150 und der
zweite Modulatortreiber 160 bezüglich dem optischen Intensitätsmodulator 180 einen
zweiten Arm 140 bilden. Die ersten und zweiten Arme 110 und 140 sind
mit dem jeweiligen ersten und zweiten Modulationsanschluss (RF+
und RF–)
des optischen Intensitätsmodulators 180 verbunden.
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Jedoch
hat, im duobinären
Transmitter, wie in 1 gezeigt, nur ein Tiefpassfilter
eine Bandbreite entsprechend einem Viertel der Taktfrequenz des Zweiniveau-Binärsignals.
Der übrigbleibende
Modulatortreiber und der übrigbleibende
optische Intensitätsmodulator
haben beide eine Bandbreite, die einer Taktfrequenz des Binärsignals
mit zwei Niveaus entspricht, und sind teuer zu implementieren. Entsprechend
hat der herkömmliche
Transmitter dadurch einen Nachteil, dass Vorrichtungen mit hohen
Bandbreiten benutzt werden, was die Herstellungskosten des gesamten
optischen Transmitters erhöht,
und daher verschlechtert sich die Wettbewerbsfähigkeit bezüglich der Kosten des optischen
Senders.
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Es
wird daher ein optischer Transmitter benötigt, der in einer einfachen,
zuverlässigen
und kostengünstigen
Art und Weise realisiert werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, einen duobinären optischen
Transmitter bereitzustellen, der dazu fähig ist, verbesserte Kostenwettbewerbsfähigkeit
zu ermöglichen,
indem Komponenten mit geringerer Bandbreite benutzt werden.
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Diese
Aufgabe wird mit dem duobinären
optischen Transmitter gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist es, einen duobinären optischen
Transmitter bereitzustellen, der umfasst: eine Laserquelle zum Ausgeben von
Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge, einen optischen Intensitätsmodulator
des Typs Mach-Zehnder-Interferometer
zum Modulieren der Lichtintensität
gemäß einem
Datensignal mit drei Niveaus, das durch einen Modulationsanschluss
eingegeben wird, einen Tiefpassfilter zum Umwandeln eines eingegebenen
Binärdatensignals
mit zwei Niveaus in ein Datensignal mit drei Niveaus durch Interferenz
unter Codes, und einem Treiber/Verstärkermodulator zum Verstärken des
Datensignals mit drei Niveaus und Ausgeben des verstärkten Ausgangssignals
an einen Modulationsanschluss, wobei die Gesamtbandbreite des Tiefpassfilters,
des Treiber/Verstärkermodulators
und des optischen Intensitätsmodulators
ungefähr
einem Viertel der Taktfrequenz des Zweiniveau-Binärdatensignals
entspricht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Das
obige und Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die im Zusammenhang
mit den beiliegenden Figuren gemacht wird, wobei:
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1 eine
Anordnung eines herkömmlichen duobinären optischen
Transmitters zeigt,
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2 einen
Aufbau eines duobinären
optischen Transmitters gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt,
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3 die
Frequenzeigenschaften eines binären
NRZ-Signals und eines duobinären
NRZ-Signals zeigt,
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4 die
Frequenzeigenschaften von optischen Intensitätsmodulatoren mit verschiedenen Bandbreiten
zeigt,
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5 ein
Eye-Diagramm eines herkömmlichen
duobinären
optischen Transmitters zeigt, und
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6 ein
Eye-Diagramm eines duobinären optischen
Senders gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Nachkommend
werden duobinäre
optische Transmitter gemäß bevorzugter
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren
beschrieben. Aus Klarheits- und Einfachheitsgründen wird auf eine detaillierte Beschreibung
von bekannten Funktionen und Konfigurationen, die eingebaut sind,
verzichtet, da dies sonst den Gegenstand der vorliegenden Erfindung unklar
machen könnte.
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2 zeigt
den Aufbau eines duobinären
optischen Senders gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der erfindungsgemäße Transmitter umfasst einen
differenziellen Precoder 210, einen Tiefpassfilter 230,
einen Treiber/Verstärkermodulator 240,
eine Laserquelle 250 und einen optischen Intensitätsmodulator
des Typs Mach-Zehnder-Interferometer 260.
Der Tiefpassfilter 230 und der Treibermodulator 240 bilden
einen Arm 220, der wiederum an einen Modulationsanschluss
(RF) des optischen Intensitätsmodulators 260 angeschlossen ist.
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Der
differenzielle Precoder 210 umfasst eine Einbit-Laufzeitkette 212 und
einen EXOR (Exclusive OR)-Schaltkreis 214. Der differenzielle
Precoder 210 wandelt ein Eingangs-Binärdatensignal
mit zwei Niveaus in eine vorcodiertes Binärsignal mit zwei Niveaus um.
Man beachte, dass auf der Receiver-Seite der differenzielle Precoder
dazu benutzt werden kann, die Umkehrfunktion des Tiefpassfilters 230 durchzuführen, wodurch
ein duobinärer
Transmissions/Empfangsmodus ermöglicht
wird, ohne dass irgendein Empfänger
getauscht werden muss.
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Man
beachte, dass obwohl ein Beispiel gegeben wurde, um die Konfiguration
des differenziellen Precoders 210 darzustellen, der differenzielle Precoder 210 in
verschiedenen Arten und Weisen aufgebaut sein kann, wobei diese
dem Fachmann bekannt sind, um die gleiche Vorcodierungsfunktion durchzuführen. Beispielsweise
kann der differenzielle Precoder 210 einen Binärzähler und
einen Verzögerungszähler aufweisen.
In diesem Fall zählt
der Binärzähler die
Eingangstaktsignale, wenn ein Eingabe-Zweiniveau- Binärsignal
ein vorbestimmtes Zweigelement (0 oder 1) aufweist und gibt das
Ergebnis aus.
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Im
Betrieb wandelt der Tiefpassfilter 230 das vorcodierte
Zweiniveau-Binärdatensignal
durch eine Inter-Symbol-Interferenz zwischen den Impulsmustern in
ein Dreiniveau-Datensignal
um, was sich durch die Beschränkung
der Bandbreite ergibt. Der Treibermodulator 240 verstärkt das
Dreiniveau-Signal und gibt es an den Modulationsanschluss (RF) weiter.
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In
der Zwischenzeit gibt die Lichtquelle 250 Licht mit einer
vorbestimmten Wellenlänge
aus. Der optische Intensitätsmodulator 260 moduliert
die Intensität
des Lichts gemäß einem
Dreiniveau-Datensignals, das über
seinen Modulationsanschluss (RF) eingegeben wurde und gibt moduliertes
Licht aus. In der Ausführungsform
ist die Gesamtbandbreite des Tiefpassfilters 230, des Treibermodulators 240 und des
optischen Intensitätsmodulators 260 ungefähr ein Viertel
der Taktfrequenz des Zweiniveau-Binärsignals. Vorzugsweise ist
die Bandbreite des optischen Intensitätsmodulators 260 ungefähr zwei
Fünftel
oder vier Fünftel
der Taktfrequenz des Zweiniveau-Binärsignals.
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Das
Prinzip der vorliegenden Erfindung basiert auf der Tatsache, dass
ein Spektraltyp in der Frequenzdomäne die Qualität des Zweiniveau-Binärdatensignals
bestimmt. Entsprechend werden nun, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung
zu unterstützen,
solche Frequenzcharakteristiken betrachtet.
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3 zeigt
die Frequenzcharakteristiken eines binären NRZ (ohne Rückkehr zur
Null)-Signals und
eines duobinären
NRZ-Signals. Es werden Frequenzintensitätskurven 310 und 320 für das binäre NRZ-Signal
bzw. das duobinäre
NRZ-Signal dargestellt.
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Das
binäre
NRZ-Signal kann eine beliebige Übertragungsrate,
wie beispielsweise 10 Gbps, 20 Gbps, 40 Gbps, 80 Gbps, 160 Gbps
etc. aufweisen. Hier wird jedoch zur Klarheit und Einfachheit der
Beschreibung angenommen, dass das binäre NRZ-Signal eine Übertragungsrate
von 10 Gbps hat. Im Stand der Technik wird ein Treibermodulator
und ein optischer Intensitätsmodulator
mit einer Bandbreite von 10 GHz, entsprechend der Übertragungsrate
des binären
NRZ-Signals, wie oben beschrieben, benutzt. Dies verringert die
Kostenwettbewerbsfähigkeit
des gesamten optischen Senders.
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Im
Gegensatz dazu spielt die Gesamtbandbreite des Tiefpassfilters 230,
des Treibermodulators 240 und des optischen Intensitätsmodulators 260 in der
Erstellung des duobinären
Signals eine entscheidende Rolle für die Qualität des duobinären Signals. Wenn
grafisch das Gesamtspektrum des optischen Intensitätsmodulators 260 und
der Komponenten 230 und 240, die den Arm 220 bilden,
die gewünschte Form
der schattierten Fläche
A1 in 3 erzielen können,
kann jegliche Charakteristik, die für die optische Kommunikation
benötigt
wird, erzielt werden. In diesem Szenario ist es nicht nötig, dass
alle Komponenten eine hohe Bandbreite aufweisen. Ist die Gesamtbandbreite
des Tiefpassfilters 230 des Treibermodulators 240 und
des optischen Intensitätsmodulators 260 demgemäß ungefähr ein Viertel
der Taktfrequenz des Zweiniveau-Binärsignals, beispielsweise 2,5
GHz, können
alle Charakteristiken, die zur optischen Kommunikation benötigt werden,
befriedigt werden, da die Frequenzinformation des duobinären Signals
nicht verzerrt wird.
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Im
Falle des existierenden Treibermodulators 240 ist nicht
nur die Verstärkung
sondern auch die Gruppengeschwindigkeitsverzögerung ein wichtiger Parameter.
Daher benutzt die vorliegende Erfindung Vorrichtungen mit einer
Bandbreite von 10 GHz.
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4 zeigt
eine Frequenzcharakteristik von optischen Intensitätsmodulatoren
mit verschiedenen Bandbreiten. Es werden Frequenzintensitätskurven 420, 430 und 440 von
optischen Intensitätsmodulatoren
mit Bandbreiten von 3 GHz, 6 GHz bzw. 10 GHz, sowohl eine Frequenzintensitätskurve 410 eines
duobinären
NRZ-Signals dargestellt. Im Falle der Kurve 430 des optischen
Intensitätsmodulators
mit einer Bandbreite von 6 GHz ist die Frequenzcharakteristik besser
als für
das duobinäre
Signal. Entsprechend ist eine duobinäre optische Modulation möglich ohne eine
Verzerrung des Signals. In diesem Fall kann ein duobinäres Signal
unter Erhöhung
der Bandbreite des Tiefpassfilters gebildet werden. Während dessen hat
der optische Intensitätsmodulator
mit einer Bandbreite von 3 GHz eine Frequenzeigenschaft, die schlechter
ist als die des duobinären
Signals. Dies macht es unmöglich
eine duobinäre
optische Modulation ohne Verzerrung des Signals durchzuführen. Diese
Ergebnisse können
genauer durch Messung eines Eye-Diagramms, wie nachstehend erläutert, überprüft werden.
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5 stellt
ein Eye-Diagramm eines herkömmlichen
duobinären
optischen Transmitters und 6 ein Eye-Diagramm
eines duobinären
optischen Transmitters gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Insbesondere 5 repräsentiert
ein Eye-Diagramm, das unter Nutzung eines optischen Intensitätsmodulators
mit einer Bandbreite von 10 GHz und eines Tiefpassfilters mit einer
Bandbreite von 2,6 GHz erzielt wurde. In ähnlicher Art und Weise repräsentiert 6 ein
Eye-Diagramm, das mit einem optischen Intensitätsmodulator mit einer Bandbreite
von 6 GHz und einem Tiefpassfilter mit einer Bandbreite von 2,8
GHz erzielt wurde. Die Charakteristiken dieser Eye-Diagramme zeigen
nur einen geringen Unterschied. Daher kann ein optischer Intensitätsmodulator
mit einer Bandbreite von 10 GHz und einem Tiefpassfilter mit einer
Bandbreite von 2,6 GHz durch einen optischen Intensitätsmodulator
mit einer Bandbreite von 4,5 bis 6 GHz und einem Tiefpassfilter,
dessen Bandbreite im Vergleich ein wenig erhöht wurde, ersetzt werden. Man
beachte, dass ein optischer Intensitätsmodulator mit einer Bandbreite
von 4,5 bis 6 GHz durch Modifizierung eines optischen Intensitätsmodulators
mit einer Bandbreite von 2,5 GHz hergestellt werden kann. Entsprechend
kann, im Vergleich zu einem optischen Intensitätsmodulator mit einer Bandbreite
von 10 GHz, eine Kostenreduzierung von 30 bis 40% erzielt werden.
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Wenn
die Gesamtbandbreite des Tiefpassfilters 230 des Treibermodulators 240 und
des optischen Intensitätsmodulators 260 ungefähr ein Viertel der
Taktfrequenz eines gewünschten
Zweiniveau-Binärsignals
entspricht, kann das Zweiniveau-Binärsignal erzeugt werden. Insbesondere,
wenn ein binäres NRZ-Signal
eine Übertragungsrate
von 10 Gbps hat, wurde in einem herkömmlichen duobinären optischen
Transmitter ein optischer Intensitätsmodulator mit einer Bandbreite
von 10 GHz benutzt und der optische Intensitätsmodulator kann durch einen
optischen Intensitätsmodulator
mit einer Bandbreite von 4,5 bis 6 GHz gemäß der vorliegenden Erfindung
ersetzt werden. Entsprechend haben duobinäre optische Transmitter gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Vorteil bezüglich
der Kostenwettbewerbsfähigkeit.
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf einen optischen
Intensitätsmodulator des
Mach-Zehnder-Interferometer-Typs mit einem einzigen Arm, wie in 2 gezeigt,
beschrieben. Man sollte jedoch beachten, dass die vorliegende Erfindung
auch auf einen optischen Intensitätsmodulator des Typs Mach-Zehnder-Interferometer
mit einer Zweiarmkonfiguration angewandt werden kann. Im letzteren
Falle kann jegliche Ei genschaft, die für die optische Kommunikation
benötigt
wird, erfüllt
werden, wenn die Gesamtbandbreite eines Tiefpassfilters, eines Treibermodulators,
die den ersten Arm bilden, und des Modulators gleich ein Viertel
der Taktfrequenz des Dreiniveau-Binärsignals
ist und gleichzeitig die Gesamtbandbreite eines Tiefpassfilters,
eines Treibermodulators, die den zweiten Arm bilden, und eines Modulators
ebenfalls ein Viertel der Taktfrequenz des Zweiniveau-Binärsignals
ist.
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Wie
oben erläutert,
haben duobinäre
optische Transmitter gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Vorteil, da die Kostenwettbewerbsfähigkeit
dadurch verbessert werden kann, dass Komponenten mit einer geringeren
Bandbreite benutzt werden, da die Gesamtbandbreite der Komponenten
auf ein Viertel der Taktfrequenz des Zweiniveau-Binärsignals
eingestellt werden kann.