JPH03181220A - 量子化システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は量子化システムに関し、特に入力信号を２つの
論理レベル（”　１　”または０°゛）のうち適当な１
つの論理レベルに変換する量子化システムに関する。

（従来の技術） 光伝送システムにおいては、情報信号は、通常、デジタ
ル光パルスとして光ファイバ線を介して伝送される。こ
れらの光パルスは、受信側での処理のために電圧パルス
に変換する必要がある６通常は、入力光が、前置増幅器
の入力側に接続されている光検知器に入射する。前置増
幅器のピークピーク出力電圧は、−ｍに５ｍＶから略１
．５Ｖの範囲の値をとる。２つの論理レベルのうち適切
な１つのレベルを生成するためには、この電圧は、増幅
されなければならず、適当な閾値が定められなければな
らない、そして、信号は、この閾値に基づいて量子化さ
れなければならない。

上述の閾値は、論理“ｌ”か“０”のいずれが受信され
ているかを決定するために、入力信号と比較される電圧
レベルである。光伝送は、ノンリターンゼロ（ＮＲＺ）
形態であるがら、これら２つの条件は、それぞれ光を受
信している状態と光を受信していない状態を示している
。どの伝送期間においても、これによって前置増幅器か
らの２つの明瞭な出力電圧レベルが決定される。出力電
圧値は、光検知器を照射している光束量と前置増幅値の
利得によって定まる。光フアイバ伝送媒体と前置増幅器
の帯域に起因して、元のデータ矩形波は正弦波に再整形
される（退化する〉、データが復元される場合には、（
１）妥当な論理レベルか選択され、（２）妥当な遷移点
が決定され、りＩフック信号がデータストリームから復
元されることが必要である。これらの結果を得るため、
信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）は、退化したパルスの低レベ
ルと高レベルの両者に対して最大化されなければならな
い、したがって、切替閾値は、信号の低ピーク値および
高ピーク値間の中間値としなければならない。

（発明が解決しようとする課Ｍ） 従来の高速デジタル光ファイバデータシステムは、デー
タ復元回路を簡易化するために、データストリーム中の
論理レベルに対して、５０％デユーティサイクルを得る
べく試みられている。データストリームが５０％デユー
ティサイクルをもっているときには、ｉａ閾値電圧は、
入力信号レベルを単に平均化することによって定まる。

５０％デユーティサイクルを得るために、システム設計
者は種々コーディング手法を用いている。これらコーデ
ィング手法としては、バイフェーズコード（つまり、マ
ンチェスターコーディング）があるが、かかるコーディ
ング手法は伝送帯域が情報帯域の２倍である点で非常に
非効率的である。伝送帯域を、より有効に利用するため
に、置き換え型コーディング手法（つまり、４ビツトか
ら５ビツトへの、または８ビツトからＩＯビットへの置
き換え〉がときに採用されている。これらのコードは、
統計的にバランスするように設計できるが、現実にはデ
ユーティサイクルが５０％から大きく異なっている長い
期間をもつことがある。従来の゛°平均値パ検出受信器
を用いて、計算された閾値は、これら期間において、入
力信号の中央値ではない。

閾値が入力信号の中央値でないときには、多くの有古な
問題が生ずる。そのような１つの問題は、量子化出力パ
ルスがパルス幅歪をもつことである。

これは、入力信号パルスの立ち上がり端および立ち下が
り端を上昇または下降させる閾値に起因する。また、受
信器感度も低下する。感度は、閾値と入力信号との間の
Ｓ／Ｎ比の関数である。閾値が入力信号の電圧の極値電
圧に向かって変化すると、これらの間のＳ／Ｎ比は減少
し、妥当でないパルス検出の可能性が増大する。

したがって、本発明の主要な目的は、両信号レベルのＳ
／Ｎ比を最大化するように入力信号の中央値を正確に定
義することである。

入力信号のレベルに起因して他の問題が生ずる。

前述のように、単一伝送期間中は、入力信号レベル変化
範囲は一定であるけれども、入力信号は、少なくとも２
０ｄＢ範囲（すなわち、５ｍＶから１．５Ｖのビーク−
ピーク）にわたって変化する。

低信号レベルであるから増幅が必要になる。特に、ＡＣ
結合された多段増幅器が良く用いられる。これは、段間
のキャパシタがＤＣ情報を取り除いてしまい、システム
が実質的にピーク間中央値の閾値をもつものではなく、
平均値検知器になってしまうという欠点をもつ、この理
由により、従来のシステム設計は、データストリームの
５０％デユーティサイクルを得なければならなかった。

しかし、デユーティサイクルが５０％から変化するとき
には、ピーク値は重要であり、クリップできない。

それ故、本発明の他の目的は、量子化処理の前に信号を
クリップしないシステムを提供することにある。したが
って、より高いレベルの入力信号は、より低レベル入力
信号よりも少なく増幅することが必要となる。

（課題を解決するための手段〉 前述の課題を解決するため、本発明による量子化システ
ムは、 第１レベル間を変動する入力信号を２つのレベルに量子
化する量子化システムにおいて、いて、 前記入力信号を受信する検出器と、 前記入力信号を閾値電圧と比較し、前記入力信号が前記
閾値電圧より大きいとき前記２つのレベルのうち一方の
レベルの信号を出力し、前記入力信号が前記閾値電圧よ
り小さいとき前記２つのレベルのうち他方のレベルの信
号を出力する差動増幅器と、 前記入力信号レベルの変動範囲の中央値レベルをもつ前
記閾値レベルを出力する誤差増幅器と、を備えて構成さ
れる。

（作用） 本発明では、第１の値と第２の値の間の範囲を変化する
入力信号を２つのレベルに量子化するシステムにおいて
、入力信号を受信する手段と、入力信号を閾値と比較し
、入力信号が閾値電圧を越えるときは上記２つのうち一
方のレベル（例えば′“１°゛）の出力信号を、また入
力信号が閾値より小さいときにはもう一方のレベル（例
えばパ０”）の出力信号を生成する手段と、入力信号の
中央値レベルをもつ閾値を生成する手段とを備える。こ
の閾値電圧の決定は、５０％でないデユーティサイクル
のデータストリームに対して特に有効である。

本発明の１つの実施態様によれば、比較手段は第１と第
２の入力及び第１と第２の出力を有し、第１の入力が入
力信号の受信用で第２の入力が閾値電圧受信用である差
動増幅器を有する。閾値電圧生成手段は、差動増幅器に
対するフィードバックループを有し、このフィードバッ
クループは、差動増幅器の第１の出力に接続されている
第１のピーク検出器と、差動増幅器の第２の出力に接続
されている第２のピーク検出器とを備える。

本発明の他の実施態様によれば、フィードバックループ
は、演算増幅器を有し、この演算増幅器は第１のピーク
検出器に接続された第１の入力と、第２のピーク検出器
に接続された第２の入力と、差動増幅器の第２の入力に
接続された出力を含んでいる。

（実施例） 次に本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に
説明する。

第１図は、本発明の原理により構築された受信システム
を示すｔｔ４戒図である。第１図に示す受信システムは
、機能的には、３つのセクションから成ると考えること
ができる。これら３つのセクションは、破線で規定され
るブロック内のエレメントを含み、フロントエンド部１
０と、後置増幅部１２及び信号検出部１４とを有する。

上述の如く、第１図に示す受信システムは、特に、光フ
アイバシステムに適合する。受信システムへの入力は、
前置増幅器１６のリード１８上の出力であり、前置増幅
器１６への入力は、光フアイバ伝送媒体から光が入射し
ている光検出器２０の出力である。

フロントエンド部１０は、レベルシフター２２と、非線
形差動増幅器２４と、ピーク検出器２６゜２８と、エラ
ー（誤差〉増幅器３０とを含む、レベルシフター２２の
機能は、リード１８上の前置増幅器１６のＤＣオフセッ
ト電圧出力が５増幅器２４の共通モード領域内にあるよ
うに増大させることである。ここで、更に詳述するよう
に、増幅器２４は、約十／　　５０ｍＶの入力差レベル
でのブレーク点をもつように設計されたゲイン特性を有
する非線形差動増幅器である。こうして、増幅器２４の
差動利得は、ブレーク点以下の入力差電圧に対して最大
となり、ブレーク点より大きい入力差電圧に対しては減
少する。その結果、増幅器２４は、前置増幅器１６の出
力のダイナミックレンジにわたってクリップ動作しない
ようになる。

ピーク検出器２６と２８は、それらの出力にそれぞれ増
幅器２４の正と負の出力の最大正ピーク変化を保持して
いる。エラー増幅器３０は、演算増幅器と考えられ、入
力信号を量子化するための同値電圧を増幅器２４の負入
力に供給している。

フロントエンド部１０の動作は、第２Ａ図〜第２Ｃ図を
参照すれば最も良く理解されるであろう。

同図に示されている波形を参照すると、各波形はプライ
ム（ダッシュ〉を付された参照符号で示されている。参
照符号は波形が現れるリードを示す。

したがって、例えば、波形３２′は、差動増幅器２４の
正入力３２での信号波形を示すことになる。

ここで、前置増幅器１６のリード１８上の出力は、光が
光検出器２０上に入射すると負方向に変調される。伝送
前には、光検出器２０上への光入射がないときには、リ
ード１８上の信号は°°高“′であり、同様に増幅器２
４の正の入力３２の信号は゛高°″である。これは差動
増幅器２４の正と負の出力が等しい場合の安定条件であ
る。同様に、ピーク検出器２６と２８の出力は等しく、
差動増幅器２４の負の入力３８へのエラー増幅器３０の
出力レベルは差動増幅器２４の正の入力３２のレベルと
等しい。

第１の光パルスが光検出器２０に照射したとき、前置増
幅器１６のリード１８上の出力は゛低゛°となり、差動
増幅器２４の正の入力３２を°“低”とする（第２Ａ図
参照〉、そして、差動増幅器２４の正の出力３４は、°
“低”になり、差動増幅器２４の負の出力３６は対応し
て゛′高°゛になる（第２Ｂ図参照）、負の出力３６に
接続されたピーク検出器２８は、その出力４２の増大電
圧を追跡し、保持する。一方、正の出力３４に接続され
たピーク検出器２６は、その出力４０上の前の電圧を若
干の低下はありながら保持している（第２Ｃ図〉、ピー
ク検出器２６と２８の出力の相対的レベル変化は、エラ
ー増幅器３０の入力で負差を生成している。したがって
、差分増幅器２４の負の入力３８に供給されたエラー増
幅器３０の出力は、制御されたレートで“低”にされる
（第２Ａ図参照）、この動作は、次の受信光パルスの期
間中、差動増幅器２４への入力での正及び負の差を変化
させ、これらを絶対値で近付ける。正着は大きくし、負
差は小さくする。このことは、差動増幅器２４の正の出
力３４の正の変化を上昇させ、差動増幅器２４の負の出
力３６の正変化を下落させる。・ピーク検出８２６と２
８の出力４０と４２は、それぞれ、その変化を追跡し、
エラー増幅器３０への入力として供給している（第２Ｃ
図参照）、このプロセスは、差動増幅器２４の入力３２
における正及び負の入力差が差動増幅器２４の入力３８
に供給される閾値と等しくされるまで続行する。この条
件に合致すると、差動増幅器２４の出力３４と３６の正
の変化が等しくなり、その結果、ピーク検出器２６と２
８の出力が等しくなる（第２ｃ図参照）、エラー増幅器
３０は、もはや、その出力を変化させようとせず、差動
増幅器２４の入力３２に供給されている信号の領域の中
央値の闇値を与える（第２Ａ図参照〉。

差動増幅器２４のリード３４と３６上の出力が第２Ｂ図
に示されている。これらの出力信号は、後置増幅器部１
２に、特に差動制限増幅器４４の入力に供給される。差
動制限増幅器４４の出力は、順次、差動制限増幅器４６
に供給されている。これら増幅器４４と４６は、第２Ｂ
図に示すような波形の信号を矩形波形に近似させるよう
に増幅、クリシブする。増幅、クリップされた信号は、
その後、ゲート駆動バッファ増幅器４８の入力に供給さ
れる。増幅器４８は、入力を増幅、クリップする点で増
幅器４４と４６と類似する。しかし、増幅器４８は、リ
ード５０と５２に供給されている信号によってゲートす
ることができる。また、正の信号がリード５０に供給さ
れているとき、リード５４と５６上のデータ出力が受信
データを反射し、一方、正の信号がリード５２に供給さ
れたときには、増幅器４８はリード５４と５６に所定の
規則正しい信号を供給するように制御状態にラッチされ
るように構成される。尚、リード５０と５２上の信号は
相補的でなければならない。

信号検出部１４は、信頼性のある受信データを得るため
に、入力信号が充分なＳ／Ｎ比をもつか否かを示す適当
な論理フラグをリード６０上に供給している。こうして
、非線形差動増幅器２４のリード３４と３６上の出力は
、抵抗器６２と６４を含む抵抗分圧回路網を介して、差
動増幅器２４の出力の平均レベルをピーク検出器６６の
入力として供給される。この平均レベルは変化せず、ピ
ーク検出器６６のリード６８上の出力は、この平均レベ
ルである。ピーク検出器６６が使用されている理由は、
検出器６６がピーク検出器２６と２８と同じ構成であれ
ばピーク検出器２６と２８の出力に影響を与える電圧及
び温度変化を補償するからである。こうして、リード６
８上の信号は追跡基準として使われる。ピーク検出器２
６と２８の出力は、差動増幅器２４の出力のピーク平均
信号を、その出カフ２上に出力する合成回路７０に供給
される。リード７２上の出力の平均ピークは、リード６
８上の出力の平均よりも小さい。

これら両信号は、増幅器７４に供給される。増幅器７４
は、ピーク平均と出力平均間の差を示す信号を比較器７
８の入力として与えている。リード６８上の出力平均基
準信号は、その再入力が共通接続されている点を除けば
増幅器７４と同一の増幅器７６に供給される。したがっ
て、比較器７８は、増幅器７４からの差信号を増幅器７
６からの補償基準信号と比較し、Ｓ／Ｎ比を決定する。

比較器Ｎ７８のリード６０上の出力は、Ｓ／Ｎ比が信頼
できる受信データを示すに充分に高ければ低“となり、
そうでなければ高”となる。

第３図は、非線形差動増幅器２４を示す回路図である。

フロントエンド部１０、後置増幅部１２及び信号検出部
１４（第１図）の回路すべては、１つの集積回路に組み
込まれることが望ましい。

例えば、この集積回路は、ＡＳＩＣであり、個々の増幅
器やピーク検出器等を精成するのに利用できる素子に制
限を与える。第３図に示す非線形差動増幅器２４は、半
導体デバイス８０と８２のマルチエミッタ構造の利点を
利用する利得圧縮差動増幅器と考えることができる。２
組のエミッタは、相互に接続され、多対はそれぞれ電流
源８４と８６を電源に接続している。これは、小信号に
対して比較的大きな増幅を与える。３番目のエミッタ対
は、電流源８８に接続され、さらに抵抗器９０と９２を
接続して、この最終段エミッタ対の線形レンジを拡張す
るようにデジェネレート（負帰還〉している、その結果
、増幅器２４は、前置増幅器１６の出力の全ダイナミッ
クレンジにわたって制限せず、ピーク情報が失われない
ようになる。トランジスタ９４と９６は、増幅器２４の
出力をバッファするエミッタフォロワである。ショット
キーダイオード９８は、ピーク検出回路２６と２８にレ
ベルシフトを与える。増幅器２４は、マルチプルエミッ
タデバイスが利用できないマルチプル、シングルエミッ
タデバイスを用いて構成することも可能である。この増
幅器設計の本質的な特徴は、共通入力をもつ差動対と、
同じ負荷抵抗器８３と８５を与え、それぞれは異なる負
帰還量を、したがって、異なる線形レンジと利得特性を
もつことである。

第４図は、ピーク検出器２６．２８の回路を示す、第４
図に示すピーク検出回路は、理想ダイオード型回路と考
えることができる。ピーク検出回路の中心部は、トラン
ジスタ９９．トランジスタ１００、抵抗器１０２で構成
される増幅器である。

トランジスタ１０４は、利得１の帰還を与え、トランジ
スタ９つと１００のベース電圧を等しくする。抵抗器１
０６は、電流制限抵抗器であり、負（ｍ（レール）に接
続されているストレージキャパシタ１０８がその出力ｓ
側に接続されている。キャパシタ１０８は、増幅器２４
からの入力電圧が正変化する間、トランジスタ１０４に
よって充電され、トランジスタ１００のベース電流によ
っては放電のみが行われる。したがって、ストレージキ
ャパシタ１０８は、入力電圧の前の高”の正変化を記憶
する。入カバルス幅が一定で既知であれば、キャパシタ
１０８の値は正確に選択できる。

しかし、本システムが開発されたような特別な応用では
、パルス幅は数ナノ秒程度に狭くでき、また数百ナノ秒
程度に広くできる。長時間（低ドループ〉ピークレベル
を正確に保持するためには、大キャパシタンス（容量）
が必要となる。しかし、パルスが非常に狭ければ、大容
量は正確に充電することが困難となる。したがって、第
４図に示すピーク検出回路は、２段ピーク検出器として
設計される。破線内の参照符号１１０で示される第２段
は、ストレージキャパシタ１１２の値を除いては第１段
と同一である。こうして、ストレージキャパシタ１０８
は、比較的小さな容量となり、狭パルスの間、簡単に充
電され、同様に比較的迅速に放電される。一方、ストレ
ージキャパシタ１１２は大容量であり、長時間（幅広）
入力パルスの間中、正確に保持するため、ゆっくりと放
電される。その結果、キャパシタ１０８は、幅狭パルス
の幅を効率的に延ばし、第２段のストレージキャパシタ
１１２は正確にピークを検出できるようになる。この２
段ピーク検出器設計を用いることにより、正確且つ高速
のピーク検出が可能となる。ピーク検出器６６（第１図
〉は第４図と同じ回路を利用しているが、キャパシタ１
０８と１１２は用いていない。その入力は、ピーク検出
器２６．２８への入力電圧の中央値である。

第５図には、エラー増幅器３０（第１図）の回路例が示
されている。エラー増幅器３０は、約４００のオープン
ループ利得をもつ演算増幅器である。この増幅器の高い
利得は、閾値電圧のオフセットを非常に低くする。トラ
ンジスタ１１４と抵抗１１６を含む１ｍＡ電流源は、エ
ラー増幅器３０の差動増幅器部の電源となる。大容量キ
ャパシタ１１８は、増幅器３０の出力３８と負し−ル問
に接続されている。増幅器３０は、主に°゛チヤージー
ポンプ°モード動作し、閾値電圧の非常に良く制御され
たスルーレートを与えている。トランジスタ１２０が“
オン°゛で、トランジスタ１２２が“オフ″のときには
、１ｍＡの電流がキャパシタ１１８に注入され、閾値電
圧を上昇させる。トランジスタ１２２が゛°オン”で、
トランジスタ１２０が“°オフ”のときには、トランジ
スタ１２２は、キャパシタ１１８から１ｍＡの電−流を
取り出し、閾値電圧を低下させる０両レジスタ１２０と
１２２がそれらの線形領域にあるときには、この能動負
荷トランジスタペアの高利得は閾値オフセットを″゛低
°°とする。

〈発明の効果） 以上説明したように、本発明による量子化システムによ
れば、デユーティサイクルが５０％以上であっても正確
な量子化が可能となる。つまり、デユーティサイクル内
の５０％以上のピーク信号生成率に応答することにより
同じ信号ストリーム期間内で生ずる４または５バイト信
号の光信号の量子化が可能となる。また、本発明を用い
た光電トランシーバは４バイトまたは５バイト信号スト
リームのいずれの光信号のサンプリングに適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理に基づく受信システムのブロッ
ク図、第２Ａ図〜第２Ｃ図は第１図に示すシステムの動
作を説明するための波形図、第３図は第１図に示すシス
テムで用いられている非線形差動増幅器を示すブロック
図、第４図は第１図のシステムで用いられているピーク
検出回路の詳細を示すブロック図、第５図は第１図のシ
ステムで用いられるエラー増幅回路の詳細を示すブロッ
ク図である。 ２０・・・検出器、２４・・・差動増幅器、３０・・エ
ラー増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１レベルと第２レベル間を変動する入力信号を２つの
   レベルに量子化する量子化システムにおいて、 前記入力信号を受信する検出器と、 前記入力信号を閾値電圧と比較し、前記入力信号が前記
   閾値電圧より大きいとき前記２つのレベルのうち一方の
   レベルの信号を出力し、前記入力信号が前記閾値電圧よ
   り小さいとき前記２つのレベルのうち他方のレベルの信
   号を出力する差動増幅器と、 前記入力信号レベルの変動範囲の中央値レベルをもつ前
   記閾値レベルを出力する誤差増幅器と、を備えて成るこ
   とを特徴とする量子化システム。