DD227309A1

DD227309A1 - Empfaengerschaltung zum regenerieren digitaler signale

Info

Publication number: DD227309A1
Application number: DD26803384A
Authority: DD
Inventors: Wolfram Junge; Gerhard Thiem
Original assignee: Robotron Veb K
Priority date: 1984-10-05
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1985-09-11

Abstract

Empfaengerschaltung zum Regenerieren digitaler Signale, die bei geringem Aufwand fuer Eingangssignale mit geringem Signal-Rausch-Abstand, grosser Breite der verarbeitbaren Datenrate und mit grossem Schwankungsbereich der Signalleistungen geeignet ist und auch statische Signale uebertragen kann, indem die Signale ueber Vor- und Hauptverstaerker (Schmitt-Trigger) zur Umwandlung der von einem Empfaengerbauelement (Fotodiode) gelieferten Informationen in digitale Ausgangssignale vereinbarten Pegels geleitet werden. Der Vorverstaerker enthaelt einen Transimpedanzverstaerker, in dessen Eingangskreis das Empfaengerbauelement liegt. Zwischen Vor- und Hauptverstaerker ist ein Differenzierglied geschaltet, das einen Bezugspegel aufweist, der symmetrisch zwischen dem oberen und unteren Schaltpegel des Schmitt-Triggers liegt. Die Erfindung ist in digitalen Uebertragungssystemen, vorwiegend in Lichtleiteruebertragungsstrecken, wo eine Signalverzerrung und -daempfung auftritt, vorteilhaft anwendbar. Fig. 1

Description

j 28. 09. 1984

¹ ES 308-Ru/Si

Empfängerschaltung zum Regenerieren digitaler Signale

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der digitalen Signalübertragung und betrifft hierbei den Empfang und die normgerechte Regenerierung der Signale, insbesondere für Lichtleiterübertragungsstrecken.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Aus der DE-OS 30 33 565 ist es bekannt, für den Empfang und die Regenerierung digitaler Signale das von einem Empfängerbauelement gelieferte Eingangssignal einerseits direkt an den nichtinvertierenden Eingang eines Komparators zu legen und andererseits über ein verzögertes RC-Glied und einen Operationsverstärker an den invertierenden Eingang dieses Komparators zu führen. Bei der Vorder- und Rückflanke des Eingangssignales überschneiden sich infolgedessen das verzögerte und nichtverzögerte Eingangssignal, so daß der Komparator an diesen Punkten entsprechend der Richtung der Überschneidungen an seinem Ausgang die senkrechte Vorderbzw. Rückflanke des dadurch regenerierten digitalen Eingangssignales bildet.

Diese bekannte Schaltungsanordnung realisiert somit die Digitalisierung, Verstärkung und Amplitudenbegrenzung, wobei der Komparator als Schmitt-Trigger mit signalabhängigem Schaltpegel anzusehen ist, der die Funktion eines Hauptverstärkers hat.

Auf Grund der funktionsbedingten Verzögerung und Abschwächung des Eingangssignales ist die bekannte Schaltungsanord-

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nung für die Verarbeitung von Eingangssignalen mit geringem Signal-Rausch-Abstand nicht geeignet. Dies gilt auch für die Breite der verarbeitbaren Datenrate. Nachteilig wird auch der relativ hohe schaltungstechnische Aufwand zur Digitalisierung, Verstärkung und Amplitudenbegrenzung empfunden, beispielsweise durch den Einsatz zweier Operationsverstärker.

Zur Übertragung statischer Signale ist es erforderlich, das entsprechende Empfängerbauelement galvanisch an die bekannte Schaltungsanordnung anzukoppeln, wodurch Arbeitspunktschwankungen sowie andere sich laufend ändernde Störungen zur Pegelverschiebung am Komparator führen, welche die Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung einschränken, um Eingangssignale geringer Leistungen zu regenerieren, wäre die Zwischenschaltung eines allgemein bekannten aus mehrstufigen linearen Anordnungen bestehenden Vorverstärkers notwendig.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist eine derartige mit geringerem Aufwand realisierbare Empfängerschaltung, die für die Verarbeitung von Eingangssignalen mit geringem Signal-Rausch-Abstand, großer Breite der verarbeitbaren Datenrate und mit großem Schwankungsbereich der Signalleistungen geeignet ist und ebenfalls statische Signale übertragen kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Einsparung von Baugruppen, insbesondere im Bereich der Digitalisierung, Verstärkung und Amplitudenbegrenzung in Verbindung mit der Zwischenschaltung eines schaltungstechnisch wenig aufwendigen, die vorgenannten nützlichen Effekte fördernden Vorverstärkers ·

Erfindungsgemäß wird diess Aufgäbe gelöst, indem der Vor-

• · -3-

verstärker einen Transimpedanzverstärker enthält, in dessen Eingangskreis das Empfängerbauelement eingeschaltet ist, und über ein Differenzierglied, welches einen Bezugspegel symmetrisch zwischen dem oberen und unteren Schaltpegel des Schmitt-Triggers aufweist, direkt mit dem Schmitt-Trigger verbunden ist.

Ausführungsbeispiel

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine erfindungsgemäße Empfängerschaltung, (._ ^: . Fig. 2: das Blockschaltbild derselben,

Fig. 3a, b, c:

Impulsdiagramme zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Empfängerschaltung,

Fig. 4a, c:

Impulsdiagramme ohne Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung.

Gemäß Fig. 1 besteht die Empfängerschaltung aus einem Empfängerbauelement 1, das als Fotodiode realisiert ist, einem Vorverstärker 2, enthaltend einen Transimpedanzverstärker 3 als (' Eingangs stuf e und eine Verstärkerstufe 4 sowie einem Differenzierglied 5 und einem Schmitt-Trigger 6 als Hauptverstärker. Der Transimpedanzverstärker 3 wird aus einer Kombination von Kollektorstufe (Transistor TI) und Emitterstufe (Transistor T2) gebildet, indem der Kollektor des Transistors T1 am positiven Pol +U und dessen Emitter über einen Widerstand R1 an Masse liegt und zwischen Basis des Transistors T1 und dem positiven Pol +U das Empfängerbauelement 1 eingeschaltet ist und indem der Emitter des Transistors T2 mit Masse verbunden ist, seine Basis am Emitter des Transistors T1 und sein Kollektor (Ausgang des Transimpedanzverstärkers 3 ) über den Widerstand R2 am positiven Pol +U liegt. Ein zwischen Kollek-

tor des Transistors T2 und Basis des Transistors T1 geschalteter Widerstand R3 realisiert eine Parallel-Parallel-Gegenkopplung.

Die dem Transimpedanzverstärker 3 nachgeschaltete Verstärkerstufe 4 besteht aus einer Emitterdoppelstufe (Transistor T3 und T4) mit einer Serien-Parallel-Gegenkopplung, realisiert durch einen zwischen Kollektor des Transistors T4 und Emitter des Transistors T3 eingeschalteten Widerstand R4. Die Kollektoren der Transistoren T3 und T4 sind über je einen der Widerstände R5, R6 mit dem positiven Pol +U verbunden* Der Emitter des Transistors T3 liegt über einen Widerstand R10 an Masse. Sein Kollektor ist mit der Basis des Transistors T4 verbunden, dessen Emitter über eine in 5"lußrichtung gepolte Diode 7 an Masse geschaltet ist. An dem Kollektor des Transistors T4 (Ausgang des Vorverstärkers 2) ist ein Differenzierglied 5» bestehend aus dem Kondensator C und dem Widerstand R7, angeschaltet. Die Reihenschaltung von Kondensator G und WiderstandR7 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors T4 und Masse.

Der als Schmitt-Trigger 6 geschaltete Hauptverstärker enthält einen Spannungskomparator 8, der an seinem Ausgang 9 vereinbarte Pegel, beispielsweise der TTL-Technik, bereitstellt. Der invertierende Eingang des Spannungskomparators 8 ist als Signaleingang zwischen Kondensator C und Widerstand R7 geschaltet. Dem Spannungskomparator 8 wird die Betriebsspannung durch Verbindung mit dem positiven Pol +U und dem negativen Pol -U der Spannungsquelle zugeführt. Die als Spannungsteiler wirkenden Widerstände R11, R8 stellen die Symmetrie der Schaltpegel zum Massepotential durch entsprechende Vorspannung des nichtinvertierenden Eingangs des Spannungskomparators 8 her.

Die Hysterese des Schmitt-Triggers 6 ist über die Widerstände R11 und R9 unter Berücksichtigung der minimalen und maximalen Spannungspegel des Ausganges 9 einstellbar.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist wie folgt:

Als Empfängerelement 1 dient eine Fotodiode für digitale Si-

gnale eines nicht dargestellten vorgeschalteten Übertragungskanals, die in ihren Parametern stark von ihren Nennwerten abweichen und sich in der Eingangsleistung um Größenordnungen unterscheiden können» Durch die Ankopplung des Empfängerbauelementes 1 an den Transimpedanzverstärker 3 erfolgt eine direkte Verstärkung des Fotostromes durch eine Strom-Spannungs-Wandlung. Bei hochohmigem Verstärkereingang fließt der Fotostrom größtenteils durch den rückkoppelnden Widerstand R3, so daß sich die am Kollektor des Transistors T2 einstellende Ausgangsspannung als Produkt aus der Größe des Widerstandes R3 und dem Strom durch den Rückkopplungszweig ergibt. Hierbei ist vorteilhafterweise die Spannung über der Fotodiode weitestgehend unabhängig vom Fotostrom, wodurch der Einfluß auf die sρannungsabhängigen Kennwerte der Fotodiode gering bleibt.

Infolge der Ausführung des Transimpedanzverstärkers 3 als Kombination von Kollektor- und Emitterschaltung sind bei vorteilhafter Dimensionierung geringe Impulsanstiegszeiten am Ausgang des Transimpedanzverstärkers 3 sowie eine hohe Arbeitspunktstabilität erreichbar. Letztere ist eine Bedingung für den Anschluß der nachfolgenden Verstärkerstufe 4 durch eine galvanische Ankopplung, da über diese alle Schwankungen des Arbeitspunktes mitverstärkt werden, andererseits die galvanische Kopplung aus Gründen der guten Integrierbarkeit vorzuziehen ist_o

Zur Ansteuerung des. Schmitt-Triggers 6 ist eine Vergrößerung der Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers 3 erforderlich· In vorteilhafter Weise wird diese Aufgabe durch die als Emitterdoppelstufe mit Serien-Parallel-Gegenkopplung ausgebildete Verstärkerstufe 4 gelöst. Durch die große Eingangsimpedanz dieser Verstärkerstufe 4 wird der Transimpedanzverstärker 3 nur wenig belastet. Die niedrige Ausgangsimpedanz gewährleistet eine' gute Entkopplung zwischen dem Vorverstärker 2 und dem Schmitt-Trigger 6. Ein zusätzlicher

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Impedanzwandler kann dadurch entfallen.

Im Blockschaltbild nach Pig. 2 ist die Empfängerschaltung gemäß Pig. 1 dargestellt und mit a, b, c sind Abgriffspunkte für die in den Figuren 3a, b, c dargestellten Signalabläufe bezeichnet. Betrachtet werden als Beispiel die digitalen Impulsfolgen A (durchgezogene Linienführung) und B (unterbrochene Linienführung), welche sich am Eingang des Vorverstärkers 2 (Abgriffspunkt a) durch ihre Amplitude bzw. Energieinhalte unterscheiden (Fig. 3a). Diese Impulsfolgen werden nach der Vorverstärkung über das Differenzierglied 5 geleitet und als Impulsfolge gemäß Fig· 3b (Abgriffspunkt b) an den Eingang des Schmitt-Triggers 6 gegeben. Der Bezugspegel des Differenziergliedes 5 ist Masse. Damit wird jede Vorderflanke der Impulsfolgen A und B durch einen positiven und jede Rückflanke durch einen negativen Nadelimpuls, auf Masse bezogen, angezeigt. Hierbei sind die Signalleistungen an den Abgriffspunkten a, b, c mit P , P-^, P_c, die laufende Zeit mit t, die Impulsbreite der Impulsfolge A mit T., die Impulsbreite der Impulsfolge B mit T-g und die oberen und unteren Schaltpegel des Schmitt-Triggers 6 mit OP bzw. UP bezeichnet.

Durch die bereits beschriebenen Widerstände R8, R9 werden die oberen und unteren Schaltpegel OP, UP des Schmitt-Triggers β symmetrisch zum Massepotential angeglichen, so daß jede positive Vorderflanke der Impulsfolgen A oder B, sofern sie den oberen Schaltpegel OP des Schmitt-Triggers 6 übersteigt, dessen Ausgang 9 auf vereinbarte Pegel, z.B. High, umschaltet. Die Rückschaltung des Ausganges 9 auf Low-Pegel erfolgt dementsprechend durch jede den unteren Schaltpegel UP des Schmitt-Triggers 6 übersteigende negative Vorderflanke der Impulsfolgen A oder B in Fig. 3b. Damit entsteht am Ausgang 9 des Schmitt-^Triggers 6 die regenerierte digitale Impulsfolge gemäß Fig. 3c

Die Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemäßen Empfängerschaltung zeigt sich im Vergleich der Impulsfolgen A und B. Die einander gegenübergestellten digitalen Impulse gemäß Fig. 3a weichen in ihren Amplituden stark voneinander ab. Ihre Impulsbreite soll gleich sein. Wie aus Pig. 3c hervorgeht, rufen die in Größenordnungen in ihren Amplituden voneinander abweichenden digitalen Impulse keine einseitigen Schrittverzerrungen der regenerierten Impulsfolgen hervor. Voraussetzung für eine optimale Arbeitsweise ist die Einhaltung der Bedingungen: 3 χ R7 x C ^ T-.. bzw. 3 x R7 x C ^ T. . wobei T_Ein die Ein- und T^_us die Ausschaltzeit des Schmitt-Triggers 6 bedeuten. Bei Nichteinhaltung dieser Bedingungen ¹^-'' treten durch eine unvollständige Kondensatorentladung Pegelverschiebungen auf, die eine ordnungsgemäße Arbeit des Empfängers einschränken bzw. unmöglich machen.

Derartige einseitige SchrittVerzerrungen, die sich bei Nichtanwendung der erfindungs gemäßen Lösung ergeben, sind in I¹Ig. 4a, c dargestellt

Die Bezeichnungen sind mit denen in Fig. 3 identisch.

Die vorteilhafte Wirkungsweise gründet sich auf die beschriebene Einschaltung eines Differenziergliedes 5 mit einem Bezugspegel, zu dem die oberen und unteren Schaltpegel OP, UP des nachgeordneten Schmitt-Triggers 6 symmetrisch gelegt f"~-\ sind. Dadurch werden Vorder- und Rückflanke der zu regenerierenden Impulse in Abhängigkeit von der Amplitude der Eingangssignale um den jeweils gleichen Betrag in der gleichen Richtung verschoben, so daß die ursprüngliche Impulsbreite bzw. das ursprüngliche Tastverhältnis erhalten bleibt. Desweiteren werden mit der Flankensteuerung des Schmitt-Triggers 6 gleichzeitig Hauptverstärkung, Ausgangssignalbegrenzung und Störunterdrückung durch Impulshöhendiskriminierung sowie durch Ausfiltern langsamer Störungen realisiert.

Trotz der kapazitiven Kopplung von Vorverstärker 2 und Schmitt-Trigger 6 erlaubt die Empfängerschaltung die Übertragung statischer logischer Signale.

Ein weiterer Vorteil der Differentation liegt darin, daß infolge der Flankenversteilerung die Impulsverschiebung gering ist.

Claims

~* 9 — Erfindungsanspruch

1. Empfängerschaltung zum Regenerieren digitaler Signale mit Vor- und Hauptverstärker (Schmitt-Trigger) zur Umwandlung der von einem Empfängerbauelement gelieferten Informationen in digitale Ausgangssignale vereinbarten Pegels über Verstärkung und Amplitudenbegrenzung, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (2) einen Transimpedanzverstärker (3) enthält, in dessen Eingangskreis das Empfängerbauelement (1) eingeschaltet ist, und über ein Differenzierglied (5), welches einen Bezugspegel symmetrisch zwischen dem oberen und unteren Schaltpegel (OP, UPj des Schmitt-Triggers (6) aufweist, direkt mit dem Schmitt-Trigger (6) verbunden ist.

2» Empfängerschaltung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transimpedanzverstärker (3) innerhalb des Vorverstärkers (2) als parallel-parallel-gegengekoppelte Kombination von Kollektor- und Emitterschaltung aufgebaut ist und die Eingangsstufe zu einer nachfolgenden Verstärkerstufe (4) bildet, welche aus einer Emitterdoppelstufe mit Serien-Parallel-Gegenkopplung besteht.

Hierzu

3 Blatt Zeichnungen