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DE102004003103B4 - Circuit arrangement for precoding digital signals for message transmission by means of optical DQPSK modulation - Google Patents

Circuit arrangement for precoding digital signals for message transmission by means of optical DQPSK modulation Download PDF

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DE102004003103B4 DE200410003103 DE102004003103A DE102004003103B4 DE 102004003103 B4 DE102004003103 B4 DE 102004003103B4 DE 200410003103 DE200410003103 DE 200410003103 DE 102004003103 A DE102004003103 A DE 102004003103A DE 102004003103 B4 DE102004003103 B4 DE 102004003103B4
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Abstract

Schaltungsanordnung zur Durchführung eines optischen DQPSK-Modulationsverfahrens zur Vorcodierung der Differenz zwischen aufeinander folgenden Symbolen,
gekennzeichnet durch
ein erstes UND-Gatter (304), das eingangsseitig mit einem ersten Sendesignal (301) und einem Clock Signal (303) und ausgangsseitig mit einem ersten T-Flipflop (305) verbunden ist,
ein D-Flipflop (306), das eingangsseitig mit dem Clock Signal (303) und dem Ausgangssignal des ersten T-Flipflop (305) und ausgangsseitig mit einem zweiten UND-Gatter (387) verbunden ist,
eine Exklusiv-ODER-Schaltung, die eingangsseitig mit dem Ausgangssignal des zweiten UND-Gatters (307) und einem zweiten Sendesignal (302) verbunden ist,
ein drittes UND-Gatter (309), das eingangsseitig mit dem Ausgangssignal der Exklusiv-ODER-Schaltung und dem Clock Signal (303) und ausgangsseitig mit einem zweiten T-Flipflop (310) verbunden ist,
wobei das Ausgangssignal des ersten T-Flipflops (305) und das Ausgangssignal des zweiten T-Flipflops (310) als differentielles Sendesignal (311, 312) den seriell angeordneten Mach-Zehnder-Modulatoren (317) und dem Phasenmodulator (318) zugeführt ist.Circuit arrangement for carrying out a DQPSK optical modulation method for precoding the difference between successive symbols,
marked by
a first AND gate (304) which is connected on the input side to a first transmit signal (301) and a clock signal (303) and on the output side to a first T flip-flop (305),
a D flip-flop (306) which is connected on the input side to the clock signal (303) and the output signal of the first T flip-flop (305) and the output side to a second AND gate (387),
an exclusive-OR circuit connected on the input side to the output signal of the second AND gate (307) and a second transmission signal (302),
a third AND gate (309) which is connected on the input side to the output signal of the exclusive OR circuit and the clock signal (303) and the output side to a second T flip-flop (310),
wherein the output of the first T flip-flop (305) and the output of the second T flip-flop (310) are supplied as a differential transmit signal (311, 312) to the serially-arranged Mach-Zehnder modulators (317) and the phase modulator (318).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Schaltungsanordnung zur Vorcodierung digitaler Signale zur Nachrichtenübertragung mit Hilfe des optischen DQPSK-Modulationsverfahrens gemäß dem Oberbegriff des Schaltungsanspruchs 1.Circuit arrangement for the precoding of digital signals for message transmission with the aid of the optical DQPSK modulation method according to the preamble of the circuit claim 1.

Es sind Übertragungssysteme bekannt, die als Modulationsverfahren die Differentielle Quaternäre Phasenumtastung (DQPSK) verwenden. Der grundsätzliche Aufbau eines derartigen Übertragungssystems wird an Hand eines Signalflussbildes dargestellt. Die 1 zeigt das prinzipielle Schema der differentiellen Vorcodierung. Sie ähnelt dem einer Kreisstruktur in einem indirekt rückgeführten Regelsystem mit Signalverkettung. Die Variable a (Infosymbole) bezeichnet das informationstragende differentielle Digitalsymbol aus einer beliebigen Signalkonstellation A. Die Variable s ist der state-Zustand des Vorcodierers 102 und entspricht dem Sendesymbol x aus der gesendeten Signalkonstellation X des vorhergehenden Zeitschrittes, nachdem das Ausgangssymbol x formal durch den Operator ⊕ 101 spezifiziert wurde. D. h.: x = s ⊕ a Transmission systems are known which use Differential Quaternary Phase Shift Keying (DQPSK) as the modulation method. The basic structure of such a transmission system is illustrated by means of a signal flow diagram. The 1 shows the principal scheme of differential precoding. It is similar to that of a circular structure in an indirectly feedback control system with signal chaining. The variable a (information symbols) denotes the information-bearing differential digital symbol from an arbitrary signal constellation A. The variable s is the state of the precoder 102 and corresponds to the transmission symbol x from the transmitted signal constellation X of the preceding time step, after the output symbol x has been formalized by the operator ⊕ 101 was specified. D. h .: x = s ⊕ a

Es wird im digitalen Übertragungssystem im Sender eine differentielle Vorcodierung bezüglich Phase und Amplitude der Signalkonstellation vorgenommen. Durch diese Vorcodierung wird es möglich, die Differenz zwischen aufeinander folgenden Symbolen (im Weiteren Bits genannt) so zu codieren, dass der Empfänger die übertragenen Bits ohne weitere signaltechnische Nacharbeiten erkennen kann. Bekannt ist die in 1 abgebildete rekursive Struktur für digitale Symbole, wofür mehrere Beschreibungen in der Literatur bekannt sind [1 bis 6].It is made in the digital transmission system in the transmitter, a differential precoding with respect to phase and amplitude of the signal constellation. This precoding makes it possible to code the difference between successive symbols (referred to below as bits) in such a way that the receiver can recognize the transmitted bits without further signal processing. Known is the in 1 pictorial recursive structure for digital symbols, for which several descriptions are known in the literature [1 to 6].

Damit der erläuterte Vorcodierer angewendet werden kann, muss eine quarternäre Wandlung vorgenommen werden, indem je zwei Bits zu einem Symbol zusammengefasst werden. Die Symbole werden dann vorcodiert und anschließend werden die vorcodierten Symbole in vorcodierte Bits umgewandelt – gewissermaßen eine Wiederumkehrung der Signalwandlung. Für sehr hohe Übertragungsraten muss die Wandlung dementsprechend für hohe Bitraten erfolgen. Um die benötigte Signalrückkopplung beim beschriebenen Vorcodierer zu realisieren, sind Delaybaueinheiten/-systeme 102 erforderlich, damit das rückgeführte Signal um eine Symboldauer verzögert werden kann. Das ist für hohe Bitraten technologisch nur unzureichend bis gar nicht realisierbar. Z. B. benötigt man für eine Übertragungsrate von 40 Giga-Symbolen/s eine Delayleitungslänge von ca. 5 mm. Bei der Operation werden die möglichen Phasenwinkel 0, +π/2, π, –π/2 addiert (Modulo2-Addition). Ersetzt man diese Phasenwinkel durch die Infosymbole 0, 1, 2, 3 und vergleicht sie mit den Sendesymbolen, so kann die Operation ⊕ als Modulo-4-Addition aufgefasst werden. Sofern die Modulo-4-Addition bitweise erfolgt, kann auf die Vorcodierung verzichtet werden.For the explained precoder to be used, a quaternary conversion must be made by combining two bits into one symbol. The symbols are then precoded, and then the precoded symbols are converted to precoded bits - a kind of reversion of signal conversion. For very high transmission rates, the conversion must be done accordingly for high bit rates. To realize the required signal feedback in the pre-coder described are delay modules / systems 102 required so that the returned signal can be delayed by one symbol duration. For high bit rates, this is technologically only insufficiently or not at all feasible. For example, you need a delay line length of about 5 mm for a transfer rate of 40 gigas / s. In the operation, the possible phase angles 0, + π / 2, π, -π / 2 are added (modulo2 addition). If these phase angles are replaced by the information symbols 0, 1, 2, 3 and compared with the transmit symbols, the operation ⊕ can be understood as a modulo-4 addition. If the modulo 4 addition takes place bitwise, the precoding can be dispensed with.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine Übertragungsstrukturen hardwaremäßig ermöglicht, um Übertragungsraten mit mehr als 10 Giga Symbolen/s zu realisieren und die technologisch einfach ausführbar ist.The invention is based on the object to provide a circuit arrangement which enables a transmission structures in terms of hardware in order to realize transmission rates of more than 10 Giga symbols / s and which is technologically easy to implement.

Erfindungsgemäß wird diese Schaltungsanordnung durch den Anspruch 1 gelöst, indem die rückwärts gekoppelte Struktur – die dem Stand der Technik entspricht – in eine Vorwärtsstruktur aufgelöst wird.According to the invention, this circuit arrangement is solved by claim 1 by the back-coupled structure - which corresponds to the prior art - is resolved into a forward structure.

Die Erfindung wird an hand der Abbildung 2 erläutert. Die Abbildungen 2a und 2b zeigen strukturiert zwei Möglichkeiten der technischen Umsetzung eines Vorcodierers; während die Abbildungen 3a und 3b schaltungstechnisch bevorzugte Varianten aufzeigen und den Vorcodierer an die Besonderheiten der in der optischen Nachrichtentechnik verwendeten Sender und Empfänger anpasst. Dabei zeigt:The invention is based on the figure 2 explained. The pictures 2a and 2 B show structured two possibilities of technical implementation of a precoder; while the pictures 3a and 3b show circuitry preferred variants and adapts the precoder to the specifics of the transmitter and receiver used in optical communications. Showing:

1 einen differentiellen Vorcodierer nach [1], 1 a differential precoder according to [1],

2 differentieller Vorcodierer mit Vorwärtsstruktur, 2 differential precoder with forward structure,

2a Ausführungsbeispiel für einen seriellen DQPSK-Modulator, 2a Exemplary embodiment of a serial DQPSK modulator,

2b Ausführungsbeispiel für einen parallelen DQPSK-Modulator, 2 B Exemplary embodiment of a parallel DQPSK modulator,

3a technische Ausführung für seriellen DQPSK-Modulator, 3a technical design for serial DQPSK modulator,

3b technische Ausführung für parallelen DQPSK-Modulator. 3b technical design for parallel DQPSK modulator.

Der Gegenstand der Offenbarung bezieht sich zum Stand der Technik auf die Schriften:

  • [1]: Benedetto, S.; Biglieri, E.: Principles of Digital Transmission, Plenum Pub Corp. 1999,
  • [2]: Griffin, R.: Differential Encoder for an Optical DQPSK Modulator, WO 03/049393 A1 ,
  • [3]: Fetz, Brain P., Veradale, Wash: PI/4-DQPSK-Modulation mit Abbildungsvorrichtungs-Grobpräzession und Filter-Feinpräzession, DE 195 30 114 A1 ,
  • [4]: Lampe, L. u. a.: Digitales Übertragungssystem mit differentieller Vorcodierung und Demodulation eines trägermodulierten Signals sowie Sender und Empfänger hierfür, DE 199 45 280 A1 ,
  • [5]: Petersen, J.: Empfänger und Verfahren zum Detektieren und Dekodieren eines DQPSK-modulierten und kanalkodierten Empfangssignals, DE 100 09 443 A1 und
  • [6]: Kammeyer, K.-D.: Nachrichtenübertragung, G. T. Teubner Stuttgart 1992.
  • [7]: Kaiser, W. [u a.]: Reduced Complexity Optical Duobinary 10-Gb/s Transmitter Setup Resulting in an Increased Transmission Distance. In: IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 2001, Vol. 13, No. 8, S. 884–886)
The subject of the disclosure relates to the prior art on the writings:
  • [1]: Benedetto, S .; Biglieri, E .: Principles of Digital Transmission, Plenum Pub Corp. 1999
  • [2]: Griffin, R .: Differential Encoder for an Optical DQPSK Modulator, WO 03/049393 A1 .
  • [3]: Fetz, Brain P., Veradale, Wash: PI / 4 DQPSK Modulation with Imager Coarse Precession and Filter Precision, DE 195 30 114 A1 .
  • [4]: Lampe, L. et al.: Digital transmission system with differential precoding and demodulation of a carrier-modulated signal, and transmitter and receiver therefor, DE 199 45 280 A1 .
  • [5]: Petersen, J .: Receiver and method for detecting and decoding a DQPSK-modulated and channel-coded received signal, DE 100 09 443 A1 and
  • [6]: Kammeyer, K.-D .: News transmission, GT Teubner Stuttgart 1992.
  • [7]: Kaiser, W. [u a.]: Reduced Complexity Optical Duobinary 10 Gb / s Transmitter Setup Resulting in Increased Transmission Distance. In: IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 2001, Vol. 13, no. 8, pp. 884-886)

Die Vorwärtsstruktur besitzt die Signaleingänge 301 und 302 für die Infobits bi und br. Der Infoeingang 301 wird auf das UND-Gatter 304 geführt; der Infoeingang 302 auf eine Exklusiv-ODER-Schaltung 308. Die Vorcodierung in der vorwärts gerichteten Struktur geschieht in dem das Sendesignal 301 mit einem Clock Signal 303 im Symboltakt durch ein UND-Gatter 304 verschaltet wird. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 304 wird mit einem T-Flipflop 305 verschaltet. Das differentielle Sendesignal 311 des T-Flipflops 305 wird an die Modulatoren 318 und 324 geführt und wird mit dem Clock Signal 303 durch eine D-Flipflop 306 verschaltet. Das Ausgangssignal des D-Flipflops 306 wird mit dem Sendesignal 301 durch ein weiteres UND-Gatter 307 verknüpft. Das Ausgangssignal von Gatter 307 wird mit dem Sendesignal 302 durch eine Exklusiv-ODER-Schaltung [XOR] 308 verkoppelt. Das Ausgangssignal der XOR-Schaltung 308 wird mit dem Taktsignal der Uhr 303 durch ein weiteres UND-Gatter 309 verschaltet. Ausgangsseitig wird ein weiteres T-Flipflop 310 mit dem Ausgangssignal der UND-Schaltung 309 gespeist. Das Ausgangssignal des T-Flipflops 310 ist ein differentielles Sendesignal 312, welches an den Modulatoren 317 und 323 anliegt.The forward structure has the signal inputs 301 and 302 for infobits b i and b r . The info-entry 301 gets on the AND gate 304 guided; the info-entrance 302 to an exclusive OR circuit 308 , The precoding in the forward structure occurs in the transmission signal 301 with a clock signal 303 in symbol clock by an AND gate 304 is interconnected. The output signal of the AND gate 304 comes with a T-flip flop 305 connected. The differential transmission signal 311 of the T flip-flop 305 is to the modulators 318 and 324 guided and is with the clock signal 303 through a D flip flop 306 connected. The output signal of the D flip-flop 306 is with the transmission signal 301 through another AND gate 307 connected. The output signal of gate 307 is with the transmission signal 302 by an exclusive OR circuit [XOR] 308 coupled. The output signal of the XOR circuit 308 comes with the clock signal of the clock 303 through another AND gate 309 connected. On the output side, another T flip-flop 310 with the output of the AND circuit 309 fed. The output of the T flip-flop 310 is a differential transmission signal 312 , which at the modulators 317 and 323 is applied.

Die Rückkopplung auf binärer Ebene wird durch das UND-Gatter 307 und das T-Flipflop 305 ersetzt. Die erforderliche Verzögerung um eine Symbolbreite (1 Bit) wird durch das D-Flipflop 306 realisiert.The feedback at the binary level is through the AND gate 307 and the T flip-flop 305 replaced. The required delay of one symbol width (1 bit) is provided by the D flip-flop 306 realized.

Für die technische Schaltungsumsetzung des Vorcodieres bieten sich zwei prinzipielle Ausführungsformen an, die in den 2a (serieller DQPSK-Modulator) und 2b (paralleler DQPSK-Modulator) abgebildet sind. Beim seriellen DQPSK-Modulator wird der optische Nachrichtenträger direkt vom Lasersender 316 in den Modulator 317 (z. B. Mach-Zehnder) geschossen und mit den Sendebits dr 313 verknüpft um im Modulator 318 mit den Sendebits di phasenmoduliert zu werden. Bei der parallelen DQPSK-Ausführung wird das Lichtsendesignal 319 in einen optischen Teiler 320 geschossen um dann in parallele Signalführung mit zwei Modulatoren 323/324 und den Sendebits dr 321 und di 322 verrechnet zu werden. Die erforderliche Phasendrehung von –π/2 übernimmt das Zeitglied 325, so dass das Gesamtsignal in einem Optokoppler 326 zusammengeführt werden kann, um als geschlossenens Signal am Modulatorausgang 327 zur Verfügung steht.For the technical circuit implementation of Vorcodieres offer two principal embodiments, which in the 2a (DQPSK serial modulator) and 2 B (parallel DQPSK modulator) are mapped. With the serial DQPSK modulator, the optical message carrier is directly from the laser transmitter 316 into the modulator 317 (eg Mach-Zehnder) and shot with the send bits d r 313 linked to in the modulator 318 to be phase modulated with the transmit bits d i . In the parallel DQPSK embodiment, the light emission signal becomes 319 in an optical divider 320 shot around then in parallel signal routing with two modulators 323 / 324 and the send bits d r 321 and d i 322 to be charged. The required phase rotation of -π / 2 takes over the timer 325 , so that the total signal in an optocoupler 326 can be merged to be closed signal at the modulator output 327 is available.

Die Abbildungen der 3a und 3b zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Vorcodierers, um den DQPSK-Modulator an die Besonderheiten in der optischen Nachrichtentechnik verwendeten Sender und Empfänger anzupassen, da sich z. B. das Mapping, die Zuordnung zweier Bits auf ein Symbol für die Modulatoren, von der klassischen Nachrichtentechnik unterscheidet.The pictures of the 3a and 3b show preferred embodiments of the precoder to adapt the DQPSK modulator to the specifics used in optical communications transmitter and receiver, as z. B. the mapping, the assignment of two bits to a symbol for the modulators, different from the classical telecommunications.

Claims (2)

Schaltungsanordnung zur Durchführung eines optischen DQPSK-Modulationsverfahrens zur Vorcodierung der Differenz zwischen aufeinander folgenden Symbolen, gekennzeichnet durch ein erstes UND-Gatter (304), das eingangsseitig mit einem ersten Sendesignal (301) und einem Clock Signal (303) und ausgangsseitig mit einem ersten T-Flipflop (305) verbunden ist, ein D-Flipflop (306), das eingangsseitig mit dem Clock Signal (303) und dem Ausgangssignal des ersten T-Flipflop (305) und ausgangsseitig mit einem zweiten UND-Gatter (387) verbunden ist, eine Exklusiv-ODER-Schaltung, die eingangsseitig mit dem Ausgangssignal des zweiten UND-Gatters (307) und einem zweiten Sendesignal (302) verbunden ist, ein drittes UND-Gatter (309), das eingangsseitig mit dem Ausgangssignal der Exklusiv-ODER-Schaltung und dem Clock Signal (303) und ausgangsseitig mit einem zweiten T-Flipflop (310) verbunden ist, wobei das Ausgangssignal des ersten T-Flipflops (305) und das Ausgangssignal des zweiten T-Flipflops (310) als differentielles Sendesignal (311, 312) den seriell angeordneten Mach-Zehnder-Modulatoren (317) und dem Phasenmodulator (318) zugeführt ist.Circuit arrangement for carrying out a DQPSK optical modulation method for precoding the difference between successive symbols, characterized by a first AND gate ( 304 ), the input side with a first transmission signal ( 301 ) and a clock signal ( 303 ) and output side with a first T flip-flop ( 305 ), a D flip-flop ( 306 ), the input side with the clock signal ( 303 ) and the output signal of the first T flip-flop ( 305 ) and on the output side with a second AND gate ( 387 ), an exclusive-OR circuit, the input side with the output signal of the second AND gate ( 307 ) and a second transmission signal ( 302 ), a third AND gate ( 309 ), the input side with the output signal of the exclusive-OR circuit and the clock signal ( 303 ) and the output side with a second T flip-flop ( 310 ), the output signal of the first T flip-flop ( 305 ) and the output signal of the second T flip-flop ( 310 ) as a differential transmission signal ( 311 . 312 ) the serially arranged Mach-Zehnder modulators ( 317 ) and the phase modulator ( 318 ) is supplied. Differentielles optisches DQPSK-Modulationsverfahren zur Vorcodierung der Differenz zwischen aufeinander folgenden Symbolen, gekennzeichnet durch Verknüpfen eines ersten Sendesignals (301) mit einem Clock Signal (303) mittels eines ersten UND-Gatters (304) und Verknüpfen des Ausgangssignals des ersten UND-Gatters (304) mit einem ersten T-Flipflop (305), ein Bit zeitlich verzögertes Verknüpfen des Ausgangssignals des ersten T-Flipflops (305) mit dem Clock Signal (303) mittels eines D-Flipflops (306), Verknüpfen des D-Flipflop-Ausgangssignals mit dem ersten Sendesignal (301) mittels eines zweiten UND-Gatters (307), Verknüpfen des Ausgangssignals des zweiten UND-Gatters (307) mit einem zweiten Sendesignal (302) mittels einer Exklusiv-ODER-Schaltung (308), Verknüpfen des Ausgangssignals der Exklusiv-ODER-Schaltung (308) mit dem Clock Signal (303) mittels eines dritten UND-Gatters (309) und Verknüpfen des Ausgangssignals des dritten UND-Gatters (309) mit einem zweiten T-Flipflop (310), Weiterleiten des Ausgangssignals des ersten T-Flipflops (305) und des Ausgangssignals des zweiten T-Flipflops (310) als differentielles Sendesignal (311, 312) an Modulatoren (317, 318).Differential optical DQPSK modulation method for precoding the difference between successive symbols, characterized by combining a first transmission signal ( 301 ) with a clock signal ( 303 ) by means of a first AND gate ( 304 ) and linking the output signal of the first AND gate ( 304 ) with a first T flip-flop ( 305 ), one bit time-delayed linking of the output signal of the first T flip-flop ( 305 ) with the clock signal ( 303 ) by means of a D flip-flop ( 306 ), Combining the D flip-flop output signal with the first transmit signal ( 301 ) by means of a second AND gate ( 307 ) Linking the output signal of the second AND gate ( 307 ) with a second transmission signal ( 302 ) by means of an exclusive-OR circuit ( 308 ), Combining the output signal of the exclusive OR circuit ( 308 ) with the clock signal ( 303 ) by means of a third AND gate ( 309 ) and linking the output signal of the third AND gate ( 309 ) with a second T flip-flop ( 310 ), Forwarding the output signal of the first T flip-flop ( 305 ) and the output of the second T flip-flop ( 310 ) as a differential transmission signal ( 311 . 312 ) on modulators ( 317 . 318 ).
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