DE2905903C2 - Schaltungsanordnung zur Amplituden- und Grundlinienstabilisierung eines PCM-Signals - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Amplituden- und Grundlinienstabilisierung eines PCM-Signals

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Abstract

In Empfaengern optischer Uebertragungsstrecken werden Photodetektoren verwendet, deren elektrisches Ausgangssignal von der Temperatur und anderen Einflussgroessen abhaengig ist. Zur Erzielung eines elektrischen Ausgangssignals konstanter Amplitude ist daher eine Verstaerkungsregelung erforderlich. Werden PCM-Signale schwankender Bithaeufigkeit uebertragen, so verursacht die Abtrennung des Gleichspannungsanteils (einschliesslich der tiefen Frequenzen) Schwankungen der Grundlinie des PCM-Signals. Es ist daher eine Schaltungsanordnung zur Wiederherstellung der Grundlinie des PCM-Signals erforderlich. Angegeben ist eine fuer hohe Bitraten (bis in den GBIT/s-Bereich) geeignete Schaltungsanordnung zur Regelung der Verstaerkung des Photodetektors und/oder der Verstaerkung des Vorverstaerkers sowie zur Wiederherstellung der Grundlinie des PCM-Signals, welche sich mit Verstaerkern mittlerer Ein- und Ausgangsimpedanzen realisieren laesst und frei von Einschraenkungen im Hinblick auf die Zeitkonstanten der Schaltung ist. ...U.S.W

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Amplituden- und Grundlinienstabilisierung eines PCM-Signals nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3.
  • In Empfängern optischer Übertragungsstrecken werden Photodetektoren verwendet, deren elektrisches Ausgangssignal von der Temperatur und anderen Einflußgrößen abhängig ist. Zur Erzielung eines elektrischen Ausgangssignals konstanter Amplitude ist daher eine Verstärkungsregelung erforderlich. Dabei kann entweder die Verstärkung des auf den Photodetektor folgenden Vorverstärkers geregelt werden, oder falls der Photodetektor selbst eine regelbare Signalverstärkung aufweist (z. B. Lawinenphotodiode) kann die Verstärkung des Photodetektoren allein oder zusätzlich zur Verstärkung des Vorverstärkers geregelt werden. Photodetektoren werden mit einer hohen Gleichvorspannung betrieben. Bei PIN-Photodioden dient diese Gleichvorspannung (einige Volt) der Erzielung einer kleinen Sperrschichtkapazität. Bei Lawinenphotodioden beträgt die Gleichvorspannung einige 100 V und dient der Erzielung der Lawinenverstärkung in der Lawinenphotodiode. Da andererseits das vom Photodetektor abgegebene Empfangssignal maximal im Millivoltbereich liegt, ist eine Abtrennung des hohen Gleichspannungsanteils der Spannung am Photodetektor erforderlich. Dieser Gleichspannungsanteil wird üblicherweise durch einen Koppelkondensator zwischen Photodetektor und Eingang des nachfolgenden Vorverstärkers abgetrennt. Werden PCM-Signale schwankender Bithäufigkeit übertragen, so verursacht die Abtrennung des Gleichspannungsanteils (einschließlich der tiefen Frequenzen) Schwankungen der Grundlinie des PCM-Signals. Es ist daher eine Schaltungsanordnung zur Wiederherstellung der Grundlinie des PCM-Signals erforderlich.
  • Üblicherweise wird zur Regeneration der schwankenden Grundlinie eine Klammerschaltung mit Dioden verwendet (siehe z. B. W. Bitterlich: "Einführung in die Elektronik", Springer 1967, Seiten 404-408). Bei einer Klammerschaltung ist jedoch zur Ansteuerung der Klammerschaltung ein Verstärker niedriger Ausgangsimpedanz und nach der Klammerschaltung ein Verstärker hoher Eingangsimpedanz für das PCM-Signal erforderlich, um in der Klammerschaltung eine ausreichend große Entladezeitkonstante und dadurch eine ausreichende Unterdrückung der (insbesondere langsamen) Grundlinienschwankungen zu erzielen. Für breitbandige PCM-Signale (oberhalb etwa 100 Mbit/s) ist ein Verstärker ausreichend hoher Eingangsimpedanz schwer realisierbar.
  • Aus der DE-OS 25 49 966 ist eine Schaltungsanordnung zur Grundlinienstabilisierung eines PCM-Signals in einem Empfänger bekannt, der zur Verwendung in einem Magnetbandspeichergerät geeignet ist. Dabei ist das von dem Empfänger erzeugte unstabilisierte PCM-Signal über eine Wechselspannungskopplung einmal an den ersten Eingang eines Summations- oder Differenzverstärkers gelegt, dessen Ausgang mit dem Ausgang der Schaltung verbunden ist, und zum anderen sowohl einem Detektor für die positiven als auch einem Detektor für die negativen Spitzenwerte zugeführt ist, deren Ausgangssignale zu einem Mittelwert verarbeitet werden, der an den zweiten Eingang des Summations- oder Differenzverstärkers gelegt ist.
  • Weiterhin ist aus der DE-AS 20 42 784 eine Schaltungsanordnung zur Amplitudenstabilisierung eines PCM-Signals in einem Empfänger eines Nachrichtenkanals bekannt, bei der das PCM-Signal über eine Wechselspannungskopplung an einen regelbaren Verstärker gelegt ist, dessen Ausgangssignal einem Spitzenwertdetektor zugeführt ist, dem ein Verstärker nachgeschaltet ist, dem eine Referenzspannung zugeführt ist, und dessen Ausgangssignal den regelbaren Verstärker ansteuert.
    •
  • Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine für hohe Bitraten (bis in den Gbit/s-Bereich) geeignete Schaltungsanordnung zur Regelung der Verstärkung des Photodetektors und/oder der Verstärkung des Vorverstärkers sowie zur Wiederherstellung der Grundlinie des PCM-Signals anzugeben, welche sich mit Verstärkern mittlerer Ein- und Ausgangsimpedanzen realisieren läßt und frei von Einschränkungen im Hinblick auf die Zeitkonstanten der Schaltung ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 3 angegebenen Merkmale.
  • Eine zweckmäßige Ausgestaltung und/oder Weiterbildung ist dem Unteranspruch entnehmbar. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
    •
  • Für die Vereinigung der Funktionen der Verstärkungsregelung sowie der Grundlinieregeneration in einer gemeinsamen Schaltungsanordnung war die Überlegung maßgebend, daß so wesentliche Teile der Schaltung doppelt ausgenutzt werden können.
  • Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Das Ausgangssignal S 1 des Photodetektors wird über den Koppelkondensator C 0 dem breitbandigen Verstärker V 1 zugeführt. Der Verstärker V 1 besitzt eine regelbare Verstärkung und ist wechselspannungsgekoppelt. Das Ausgangssignal S 2 von V 1 gelangt sowohl an den ersten Eingang + des gleichspannungsgekoppelten Differenzverstärkers V 4 als auch an die Eingänge je eines positiven (D 1, R 1, C 1) und eines negativen (D 2, R 2, C 2) Spitzwertdetektors. Im positiven Spitzenwertdetektor wird der Maximalwert S 2max von S 2 gebildet, im negativen Spitzenwertdetektor wird der Minimalwert S 2min von S 2 gebildet. Die Signale S 2max und S 2min werden den gleichspannungsgekoppelten Verstärkern V 2 und V 3 zugeführt, und zwar so, daß im Verstärker V 2 die Signale S 2max und S 2min addiert und mit der Spannungsverstärkung 1/2 verstärkt werden, so daß am Ausgang von V 2 das Signal (S 2max +S 2min )/2 vorliegt und daß im Verstärker V 3 vom Signal S 2max die Signale S 2min und U Reft abgezogen werden und die Differenz (S 2max -S 2min -U Ref 3) mit dem Faktor K 3 verstärkt wird, so daß am Ausgang des Verstärkers V 3 das Signal
    S 3 = K 3(S 2max - S 2min - U Ref 3) (1)
    vorliegt, wobei U Ref 3 eine fest einstellbare Spannung ist, durch welche der Sollwert von (S 2max -S 2min ) eingestellt wird. Der Verstärker V 1 besitzt einen Steuereingang über den die Verstärkung durch S 3 gesteuert werden kann. Im allgemeinen wird die Verstärkung von V 1 (aus Gründen der einfachen Realisierbarkeit) eine nichtlineare Funktion von S 3 sein, die prinzipielle Funktion der Schaltungsanordnung läßt sich jedoch anhand des linearen Zusammenhanges
    K 1 = c 0 - c 1 S 3 (2)
    erläutern, wobei K 1 die Verstärkung von V 1 bedeutet und c 0 und c 1 Konstanten sind. Aus
    S 2 = K 1 S 11, (3)
    wobei S 11 aus S 1 durch Abtrennung des Gleichspannungsanteils entsteht, folgt für die Abhängigkeit des Spitzen-Spitzenwertes (S 2max -S 2min ) von S 2 von dem Spitzen-Spitzenwert (S 11max -S 11min ) von S 11 die Beziehung
    S 2max - S 2min = K 1 (S 11max - S 11min ) (4)
    und durch Einsetzen der Gleichung (1) und (2): °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
  • Für ausreichend große Werte von K 3 gilt mit beliebig kleiner Abweichung näherungsweise
    S 2max - S 2min ≈ U Reft (6)
    und der Spitzen-Spitzenwert (S 2max -S 2min ) ist nur noch von U Ref 3 und nicht mehr von (S 11max -S 11min ) abhängig.
  • Im breitbandigen gleichspannungsgekoppelten Differenzverstärker V 4 werden S 2 und (S 2max +S 2min )/2 addiert, so daß am Ausgang von V 4 das Signal
    S 4 = K 4 [S &sub2; - (S 2max + S 2min )/2] +S 40 (7)
    vorliegt, wobei S 40 der Gleichspannungsanteil des Ausgangssignals S 4 für S 2 - (S 2max +S 2min )/2=0 ist. Aus Gleichung (7) folgt für den Mittelwert (S 4max +S 4min )/2 des Maximalwertes und des Minimalwertes des Ausgleichssignals
    (S 4max + S 4min) /2 = S 40 (8)
  • Der Mittelwert (S 4max +S 4min )/2 ist also konstant und von den Schwankungen des Mittelwertes (S 2max +S 2min )/2 unabhängig. Da aufgrund der Gleichung (6) und (7) auch der Spitzen-Spitzenwert
    S 4max - S 4min = K 4 U Ref 3 (9)
    konstant ist, sind sowohl Grundlinie als auch Spitzen-Spitzenwert des PCM-Signals konstant.
  • Die beiden Spitzenwertdetektoren (D 1, R 1, C 1; D 2, R 2, C 2) sollen eine geringe Ladezeitkonstante und eine große Entladezeitkonstante aufweisen. Die Ladezeitkonstanten sind durch das Produkt von C 1 bzw. C 2 und des Ausgangswiderstandes von V 1 bestimmt. Die Entladezeitkonstanten sind durch R 1&min; · C 1 und R 2&min; · C 2 gegeben, wobei R 1&min; (R 2&min;) durch die Parallelschaltung von R 1 (R 2) und der Eingangswiderstände von V 2 und V 3 gegeben sind. Eine sinnvolle Wahl der Entladezeitkonstanten ist.
    R 1&min; · C 1 = R 2&min; · C 2 = 1/2π f u (10)
    wobei f u die untere Grenzfrequenz der Kettenschaltung von C 0 und V 1 ist. Da V 2 schmalbandig sein kann, ist dieser Verstärker leicht mit hoher Eingangsimpedanz realisierbar. Es bestehen daher keine schaltungsbedingten Beschränkungen der Entladezeitkonstanten.
  • Fig. 2 stellt eine Variante der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 dar, bei der lediglich die Polaritäten der Eingänge des schmalbandigen Verstärkers V 2 sowie des invertierenden Eingangs von V 4 geändert wurde. V 4 ist in diesem Fall ein Summationsverstärker.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Signalverläufe in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 oder Fig. 2. S 1 ist das Eingangssignal konstanter Grundlinie, S 2 das Ausgangssignal von V 1 mit schwankender Grundlinie. Die Mittellinienschwankungen (S 2max +S 2min )/2 werden von S 2 in V 4 abgezogen, so daß am Ausgang von V 4 das Signal S 4 mit konstanter Grundlinie vorliegt. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Breitbandverstärker V 4 mit einer nichtlinearen begrenzenden Verstärkerkennlinie nach Fig. 4 ausgeführt. Es entsteht also ein Amplituden-Begrenzerverstärker mit einer das PCM-Signal einseitig begrenzenden Verstärkung. Dadurch wird zusätzlich zur Grundlinienregeneration eine Amplitudenregeneration des PCM-Signals bewirkt.
  • Fig. 5 zeigt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wobei das Signal S 3 zusätzlich zur Verstärkung K 1 des Verstärkers V 1 auch die Ausgangsspannung V 0 der Spannungsversorgung SV steuert. Dadurch wird die Verstärkung der Lawinenphotodiode PD gesteuert. Der ausgangsseitige Innenwiderstand der Spannungsversorgung SV ist üblicherweise um Größenordnungen höher als der Eingangswiderstand von V 1, so daß der Ausgang von SV keinen Nebenschluß für das Ausgangssignal von PD bewirkt. Eine besondere einfache Verstärkungsregelung erhält man, wenn auf die Regelung der Verstärkung von V 1 verzichtet wird (die Leitung vom Ausgang von V 3 zu V 1 entfällt dann) und von S 3 nur SV angesteuert wird und folglich nur die Verstärker der Lawinenphotodiode geregelt wird.
  • Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Eingangsstufe (C 0 V 1), die Spitzenwertdetektoren (D 1, R 1, C 1; D 2, R 2, C 2) und der Verstärker V 3 (mit Referenzspannung U Ref 3) sind funktionsgleich mit den entsprechenden Komponenten in Fig. 1. Die Verstärkungsregelung erfolgt in gleicher Weise, wie in Fig. 1, indem die Signaldifferenz (S 13max -S 13min ) mit U Ref 3 in V 3 verglichen wird und dadurch in V 3 das Regelsignal
    (S 13max - S 13min - U Ref 3)K 3
    gebildet wird, welches dem Signal
    (S 2max - S 2min - U Ref 3)K 3
    in Fig. 1 entspricht.
  • Die Subtraktion von (S 13max +S 13min )/2 vom PCM-Signal erfolgt hier jedoch mit Hilfe einer negativen Rückkopplung. V 12 ist ein gleichstromgekoppelter linearer breitbandiger Differenzverstärker. Dem invertierenden Eingang von V 12 wird das Ausgangssignal S 12 von V 1 zugeführt. Der lineare schmalbandige Verstärker V 13 hat zwei invertierende Eingänge und einen nichtinvertierenden Eingang (jeweils hoher Eingangsimpedanz) und einen hohen Verstärkungsfaktor K 13. Am Ausgang von V 13 liegt das Signal
    - (S 13max + S 13min - U Ref )K 13 (11)
    vor, wobei S 13max (S 13min ) der Maximalwert (Minimalwert) des Ausgangssignals S 13 von V 12 ist. U Ref 1 ist eine Referenzspannung, mit welcher der Sollwert von (S 13max +S 13min ) eingestellt wird. Es gilt
    S 13 = K 12 [ - S 12 - K 13 (S 13max + S 13min - U Ref )] -(12)

  • Da sich (S 13max +S 13min ) kurzzeitig nicht ändert, so ist die Verstärkung der kurzzeitigen Signaländerungen durch
    °KV°k¤=¤@W:&udf57;°KD&udf56;°KS°kÉË:&udf57;°KD&udf56;°KS°kÉÉ&udf54; °KK°T1°t¤°KK°T12°t°B:34&udf54;(13)°b
    gegeben. Aus Gleichung (12) folgt für (S 13max +S 13min ) die Beziehung
    (°KS°T13°Kmax°t¤+¤°KS°T13°Kmin°t¤=¤°KU°T°KRef¤°k1°t-¤@W:1:1+°KÉÊ°KKÉË&udf54; °KK°T12°t(°KS°T12°Kmax°t¤+¤°KS°T12°Kmin°t)¤+¤°KU°T°KRef¤°k1°t°z
    wobei S 12max (S 12min ) der Maximalwert (Minimalwert) von S 12 ist. Für ausreichend große Verstärkungsfaktoren K 13 gilt S 13max +S 13min =U Ref 1, so daß der Mittelwert von Minimalwert und Maximalwert des Ausgangssignals S 13 auf den Sollwert (U Ref )/2 eingeregelt wird. Für die Wahl der Zeitkonstanten gelten dieselben Gesichtspunkte wie bei der Anordnung nach Fig. 1.
  • Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Mit Ausnahme der Komponenten PD und SV ist die Schaltungsanordnung mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 identisch. Die Funktionen von SV und PD entspricht der Funktion der gleichen Komponenten in Fig. 5.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Amplituden- und Grundlinienstabilisierung eines PCM-Signals in einem Empfänger eines optischen Nachrichtenübertragungssystems mit einem Photodetektor mit Spannungsversorgung, dem ein wechselspannungsgekoppelter Verstärker nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der wechselspannungsgekoppelte Verstärker (V 1) mit dem ersten Eingang (+) eines Summations- oder Differenzverstärkers (V 4), dem Eingang eines positiven Spitzenwertdetektors (D 1, R 1, C 1) und dem Eingang eines negativen Spitzenwertdetektors (D 2, R 2, C 2) verbunden ist, deren Ausgänge mit den Eingängen eines ersten, summierenden, schmalbandigen Verstärkers (V 2) mit dem Verstärkungsfaktor 0,5 sowie eines zweiten subtrahierenden, schmalbandigen Verstärkers (V 3) mit einem großen Verstärkungsfaktor, der gegebenenfalls noch einen dritten Eingang aufweist, an den eine Referenzspannung (U Ref 3) anlegbar ist, verbunden sind, daß der Ausgang des ersten schmalbandigen Verstärkers (V 2) mit dem zweiten Eingang (-) des Summations- oder Differenzverstärkers (V 4) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Ausgang der Schaltung verbunden ist, und daß der Ausgang des zweiten schmalbandigen Verstärkers (V 3) mit einem Regeleingang des wechselspannungsgekoppelten Verstärkers (V 1) oder einem Regeleingang der Spannungsversorgung (SV) oder mit beiden Regeleingängen verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Summations- oder Differenzverstärker (V 4) als Amplituden-Begrenzerverstärker mit einer das PCM-Signal einseitig begrenzenden Verstärkung ausgebildet ist (Fig. 4).
3. Schaltungsanordnung zur Amplituden- und Grundlinienstabilisierung eines PCM-Signals in einem Empfänger eines optischen Nachrichtenübertragungssystems mit einem Photodetektor mit Spannungsversorgung, dem ein wechselspannungsgekoppelter Verstärker nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der wechselspannungsgekoppelte Verstärker (V 1) mit dem ersten Eingang eines Summations- oder Differenzverstärkers (V 12) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines positiven Spitzenwertdetektors (D 1, R 1, C 1) und dem Eingang eines negativen Spitzwertdetektors (D 2, R 2, C 2) verbunden ist, deren Ausgänge mit einem ersten und einem zweiten Eingang eines ersten summierenden schmalbandigen Verstärkers (V 13) sowie eines zweiten, subtrahierenden, schmalbandigen Verstärkers (V 3) verbunden sind, daß der erste und zweite schmalbandige Verstärker (V 13; V 3) hohe Verstärkungsfaktoren und jeweils einen dritten Eingang aufweisen, an den Referenzspannungen (U Ref 1, U Ref 3) anlegbar sind, daß der Ausgang des ersten schmalbandigen Verstärkers (V 13) mit dem zweiten Eingang des Summations- oder Differenzverstärkers (V 12) verbunden ist, und daß der Ausgang des zweiten schmalbandigen Verstärkers (V 3) mit einem Regeleingang des wechselspannungsgekoppelten Verstärkers (V 1) oder einem Regeleingang der Spannungsversorgung (SV) oder mit beiden Regeleingängen verbunden ist.
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