CH634698A5 - Procedimento e apparecchiatura di controllo automatico in reazione negativa di un dispositivo per la trasmissione di dati. - Google Patents

Description

La presente invenzione riguarda i controlli automatici ed in particolare un procedimento ed un'apparecchiatura atti a ricavare un segnale proporzionale alla potenza picco-picco da un segnale modulato ad impulsi per il controllo della sorgente, degli amplificatori e in genere di quei dispositivi che generano, amplificano ed elaborano detto segnale modulato nei sistemi di trasmissione numerica ad alta velocità.

È noto che, per il controllo completo dell'efficienza di una sorgente di onde elettromagnetiche (o radioonde, microonde, radiazioni luminose) e dei dispositivi interessati al trattamento di tali segnali, è necessario avere a disposizione segnali proporzionali alla potenza media e segnali proporzionali alla potenza picco-picco. Questi segnali, inseriti in un anello di controreazione, possono essere utilizzati per controllare le polarizzazioni e i valori delle grandezze di pilotaggio delle relative sorgenti (dispositivi di potenza, tubi ad onda progressiva, laser, ecc.), degli amplificatori o di altri dispositivi.

Infatti, intendendo per efficienza di una sorgente o di un amplificatore le prestazioni in fatto di energia e forma degli impulsi, forniti nonché di rapporto tra la minima e la massima potenza emessa nei due stati logici, in condizioni mutevoli di temperatura e con il degradamento progressivo dei dispositivi, appare evidente l'importanza di avere a disposizione semplici e precisi metodi per ricavare dal segnale con modulazione ad impulsi i necessari segnali di controllo. Se ricavare un segnale proporzionale alla potenza media non presenta eccessiva difficoltà, ben più critici sono i circuiti utilizzati nella rivelazione della potenza picco-picco. Infatti, per ricavare un segnale (in tensione o in corrente) proporzionale alla potenza media è sufficiente integrare l'inviluppo di modulazione del segnale in uscita dal dispositivo da controllare scegliendo opportunamente la costante di integrazione.

Viceversa, per quanto riguarda il controllo della potenza picco-picco, in genere si preleva una piccola parte della radiazione elettromagnetica modulata, e la si rivela con un rivelatore di inviluppo molto veloce. Data la piccola potenza in gioco, è necessario amplificare detto segnale da inviare al rivelatore con un amplificatore le cui prestazioni, in termini di banda passante e di rumore, sono dello stesso tipo di quelle dello stadio di ingresso del ricevitore. In tal modo viene duplicato uno dei complessi più critici, specialmente quando la velocità di trasmissione è elevata, con un aumento dei costi e delle difficoltà circuitali.

Ovvia a tali inconvenienti il procedimento di controllo di cui alla presente invenzione, il quale, sfruttando un proprietà delle forme d'onda con ritorno a zero, ottiene l'informazione sulla potenza picco-picco emessa dal dispositivo da controllare, utilizzando circuiti semplici, affidabili e poco costosi. È oggetto della presente invenzione un procedimento di controllo automatico in reazione negativa di un dispositivo per la trasmissione di dati atto a fornire alla sua uscita un segnale o una radiazione elettromagnetica con modulazione ad impulsi organizzati in sequenze casuali di forme d'onda con ritorno a zero, equiprobabili e statisticamente indipendenti, in cui parte del segnale o della radiazione elettromagnetica in uscita dal dispositivo da controllare viene prelevata e demodulata, in modo da ricavarne il segnale inviluppo, sul quale vengono effettuate operazioni di filtraggio selettivo alla frequenza di ripetizione degli impulsi, di demodulazione e integrazione in modo da ottenere un segnale proporzionale alla potenza picco-picco di detto segnale o detta radiazione elettromagnetica, nel corso di dette operazioni essendo previste una o più fasi di amplificazione tali da mettere detto segnale proporzionale alla potenza picco-picco in grado di pilotare in reazione negativa detto dispositivo da controllare. Ë pure oggetto dell'invenzione l'apparecchiatura di controllo atta a realizzare questo procedimento, definito nella rivendicazione 2.

Le particolarità della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione di una forma preferita di realizzazione della stessa, data a titolo esemplificativo, presa in connessione con il disegno annesso, in cui è rappresentato

5

io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

634 698

10 schema a blocchi dell'apparecchiatura di controllo atta a realizzare il procedimento oggetto dell'invenzione.

Come esempio di applicazione dell'invenzione si è adottato un'apparecchiatura di controllo per laser a semiconduttore, un tipo di sorgente molto utilizzata per la trasmissione numerica su fibre ottiche.

È noto che nella maggioranza dei casi, un laser a semiconduttore viene alimentato mediante una corrente elettrica ottenuta dalla somma di una corrente continua di polarizzazione e di una corrente variabile di modulazione. Quando l'informazione da trasmettere consiste in una sequenza di dati o di segnali vocali codificati, la corrente di modulazione ha un andamento temporale ad impulsi binari a due livelli, l'uno corrispondente al simbolo 0 e l'altro corrispondente al simbolo jL

Il livello massimo di corrente di modulazione viene evidentemente scelto tenendo conto sia delle specifiche di funzionamento del laser in condizione di massima dissipazione, sia della qualità del segnale ottico emesso, dal punto di vista del rumore e in relazione agli altri parametri del sistema.

Il livello di corrente continua di polarizzazione viene invece scelto in modo da fissare un punto di lavoro opportuno in assenza di corrente di modulazione.

La curva caratteristica di funzionamento, avente in ascissa la corrente di alimentazione e in ordinata la potenza della radiazione ottica, è costituita in prima approssimazione da un segmento quasi orizzontale passante per l'origine raccordato ad un altro segmento avente pendenza molto più pronunciata. In corrispondenza del punto di raccordo tra i due segmenti si ha il passaggio dalla zona a sinistra in cui il semiconduttore presenta un funzionamento simile a quello di un normale diodo fotoemittente (LED), alla zona a destra in cui si innesca l'effetto laser e la potenza ottica emessa aumenta rapidamente in funzione della corrente. Il valore di corrente corrispondente alla transizione viene comunemente denominato «corrente di soglia» del laser.

In condizioni operative è opportuno che il punto di lavoro del semiconduttore venga fissato immediatamente sopra la corrente di soglia fornendo una corrente continua di polarizzazione lievemente superiore alla corrente di soglia. Infatti, in queste condizioni il laser fornisce le migliori prestazioni in fatto di rapporto di estinzione, cioè di rapporto tra la minima e la massima potenza ottica nei due stati logici, a frequenze di pilotaggio elevate, senza dar luogo ai ben noti problemi di distorsione che nascono fissando il punto di lavoro sotto la corrente di soglia.

Tuttavia, a causa delle variazioni di temperature e/o della progressiva degradazione del semiconduttore, la curva caratteristica (potenza ottica-corrente) del semiconduttore subisce sia una traslazione parallela all'asse delle correnti, sia una variazione del coefficiente angolare nella zona a maggior pendenza. Tutto ciò comporta una deriva della corrente di soglia e una variazione dell'efficienza del laser, il cui effetto sulla forma e sull'energia degli impulsi luminosi, nonché sul rapporto di estinzione del segnale ottico, è notevole. Per limitare il più possibile questi inconvenienti le ampiezze delle correnti di polarizzazione e di modulazione del laser non sono mantenute fisse a valori prestabiliti, ma vengono regolate con continuità mediante un sistema di controllo automatico,

11 quale, elaborando il segnale ottico emesso dal laser, retroagisce sulla corrente di attivazione secondo la tecnica della reazione negativa. In particolare, utilizzando un segnale proporzionale alla potenza media della radiazione luminosa, può essere corretta la deriva della corrente di soglia, mentre utilizzando un segnale proporzionale alla potenza picco-picco, può essere mantenuta costante l'efficienza di emissione del laser.

Con riferimento alla figura, in essa è indicato con LA un normale dispositivo laser a semiconduttore avente nn ingresso per la corrente di attivazione (intesa come somma della corrente di polarizzazione più quella di modulazione) collegato alla connessione 5 e un'uscita attraverso la quale viene prele-s vata la radiazione ottica, rappresentata con una linea sinusoidale e indicata con 6. Quest'ultima attraversa in gran parte uno specchio semitrasparente BS e raggiunge l'estremità della fibra ottica, indicata con FO, costituente il mezzo trasmissivo, mentre una piccola parte della radiazione, indicata con 7, io viene riflessa da BS e inviata verso un dispositivo di fotorivelazione FR. È evidente che la potenza della radiazione riflessa deve rappresentare solo una piccola aliquota della potenza totale della radiazione emessa dal laser, in quanto essa è perduta ai fini della trasmissione, per cui il sistema di con-15 trollo, che la utilizza per ricavarne gli opportuni segnali di controreazione, deve essere fornito di buona sensibilità. Al morsetto di uscita di FR, collegato alla connessione 9, è presente un segnale elettrico, corrispondente all'inviluppo di modulazione del fascio ottico emesso dal laser, il quale viene 2o utilizzato sia per il controllo della corrente di polarizzazione, secondo un metodo convenzionale, sia per il controllo della corrente di pilotaggio, secondo il metodo originale che verrà descritto nel seguito.

In particolare per quanto riguarda la corrente di polariz-25 zazione, il segnale elettrico fornito da FR entra in un normale filtro passa-basso BP1 all'uscita del quale si ha una tensione che rappresenta il valore medio della potenza ottica emessa. Questa tensione viene successivamente amplificata da un amplificatore, indicato in figura con AM 1, dotato di 30 buona sensibilità e bassa deriva (per es.: un amplificatore a campionamento) e comanda l'intensità della corrente di polarizzazione fornita da un apposito circuito, indicato con BI.

Questa corrente, attraverso un sommatore A, giunge al laser e ne stabilisce il punto di lavoro, immediatamente sopra la ss corrente di soglia. Una deriva di quest'ultima per effetto della variazione della temperatura e/o della progressiva degradazione del semiconduttore provoca una variazione del valor medio della potenza irradiata una parte della quale, raccolta da FR, integrata da BP1 e amplificata da AMI, viene fatta « retroagire su BI, in modo che la corrente da lui fornita subisca un incremento o un decremento tale da riportare nelle condizioni fissate in origine il punto di lavoro del laser.

Per quanto riguarda la misura della potenza picco-picco del segnale ottico, il metodo seguito si basa su di una pro-45 prietà spettrale delle forme d'onda con ritorno a zero. Infatti, il segnale generato dal laser ha uno spettro a righe contraddistinto da una riga alla frequenza di ripetizione degli impulsi, la quale ha un'ampiezza direttamente proporzionale alla potenza picco-picco del segnale ottico. Ne consegue che è suf-50 ficiente la misura dell'ampiezza della riga relativa alla frequenza di ripetizione degli impulsi per avere tutte le informazioni necessarie sulla potenza picco-picco. Appare evidente il vantaggio determinato dal fatto che l'amplificazione necessaria può essere effettuata ad una frequenza ben precisa, sen-55 za la necessità di amplificatori a larga banda o a risposta in frequenza (roll-off) controllata, che, ad elevate velocità di trasmissione, creano problemi di costo e messa a punto.

Per evitare sequenze troppo lunghe di zeri, è tecnica normale l'inserzione di un dispositivo (scrambler) atto a elabo-60 rare opportunamente i dati provenienti dalla sorgente, la presenza del quale è anche richiesta in seguito ad altre considerazioni di sistema.

In figura, il segnale elettrico, rivelato da FR è presente sulla connnessione 9, giunge ad un amplificatore selettivo 65 BPF avente una frequenza di centrobanda coincide con la frequenza di ripetizione degli impulsi. La selettività di questo filtro non è molto spinta, in quanto la sua funzione consiste essenzialmente in una prima blanda azione di filtraggio

634 698

4

per evitare dannosi effetti di sovraccarico dei circuiti seguenti, a cui è devoluto il compito della separazione finale della voluta riga delio spettro di frequenza dalle altre contigue.

Il segnale in uscita da BPF, tramite la connessione 10, giunge ad un demodulatore coerente indicato con CD in figura. Sulla connessione 20, connessa ad un secondo ingresso del demodulatore coerente, giunge contemporaneamente un segnale proveniente dall'oscillatore ad onda quadra non rappresentato in figura, che fornisce la temporizzazione alla sorgente degli impulsi di modulazione. All'uscita di CD si avrà pertanto un segnale di frequenza pari alla differenza fra le frequenze dei segnali agli ingressi, un segnale di frequenza pari alla somma ed altri segnali dovuti a combinazioni lineari tra armoniche di ordine superiore. Fra tutti questi, vi è un segnale in corrente continua che può essere agevolmente separato dagli altri. Esso è dovuto alla differenza tra quei segnali agli ingressi di CD che hanno la stessa frequenza, cioè tra il segnale di temporizzazione e la riga spettrale del segnale dati alla frequenza di ripetizione. Pertanto, filtrando il segnale in uscita da CD sulla connessione 11 con un filtro passa-basso, indicato in figura con BP2, si ottiene un segnale in corrente continua proporzionale all'ampiezza della riga dello spettro di frequenza corrispondente alla frequenza di ripetizione e quindi, come si è detto in precedenza, detto segnale in corrente continua sarà proporzionale alla potenza picco-picco del segnale ottico emesso dal laser. Il segnale in corrente continua in uscita dal BP2 giunge, tramite la connessione 12, ad un amplificatore, indicato con AM2, dotato di buona sensibilità e bassa deriva, il quale lo porta al livello necessario per il comando del blocco successivo. Quest'ultimo indicato con DR in figura, è un circuito di pilotaggio, cioè, un circuito atto a trasformare il flusso dati in ingresso sulla connessione 1, in un flusso di impulsi di corrente di intensità e durata opportuni per il laser alla sua uscita sulla connessione 3. L'intensità della corrente impulsiva fornita da DR viene regolata 5 automaticamente in base al segnale in corrente continua presente sulla connessione 2; in tal modo la potenza picco-picco degli impulsi luminosi forniti dal laser resta costante al variare della temperatura e con il degradamento progressivo nel tempo del semiconduttore. Come si può notare in figura gli io impulsi di corrente emessi da DR non pilotano direttamente il laser LA, ma vengono prima sommati alla corrente di polarizzazione fornita da BI nel sommatore A. La corrente di attivazione del laser, cioè la corrente comprensiva della corrente di pilotaggio e della corrente di polarizzazione, è preis sente all'uscita di A e tramite la connessione 5 giunge al laser.

È evidente che quanto descritto è stato dato unicamente a titolo di esempio non limitativo e che varianti e modifiche 20 sono possibili, senza uscire dal campo di protezione dell'invenzione: in particolare, il sistema di controllo potrebbe essere applicato non solo ad un laser a semiconduttore, ma a qualsiasi sorgente di onde elettromagnetiche o a qualsiasi amplificatore ad alta frequenza di cui si voglia controllare la 2J potenza picco-picco fornita (ed eventualmente la potenza media), purché l'informazione da trattare risponda ai requisiti citati.

Una ovvia estensione dello stesso principio consiste nell'utilizzare un rivelatore ad inviluppo invece del demodu-30 latore coerente, a condizione di avere un livello di segnale sufficiente all'ingresso del suddetto rivelatore.

v

1 foglio disegni

Claims (7)

634 698

1. Procedimento di controllo automatico in reazione negativa di un dispositivo per la trasmissioni di dati atto a fornire alla sua uscita un segnale o una radiazione elettromagnetica con modulazione ad impulsi organizzati in sequenze casuali di forme d'onda con ritorno a zero, equiprobabili e statisticamente indipendenti, caratterizzato da ciò che parte del segnale o della radiazione elettromagnetica in uscita dal dispositivo da controllare viene prelevata e demodulata in modo da ricavarne il segnale inviluppo, sul quale vengono effettuate operazioni di filtraggio selettivo alla frequenza di ripetizione degli impulsi, di demodulazione e integrazione in modo da ottenere un segnale proporzionale alla potenza picco-picco di detto segnale o detta radiazione elettromagnetica, nel corso di dette operazioni essendo previste una o più fasi di amplificazione tali da mettere detto segnale proporzionale alla potenza picco-picco in grado di pilotare in reazione negativa detto dispositivo da controllare.

2. Apparecchiatura di controllo automatico atta a realizzare il procedimento della rivendicazione 1, caratterizzata da ciò che comprende un mezzo di estrazione (BS) atto a prelevare parte del segnale o radiazione elettromagnetica fornita dal dispositivo da controllare (LA) e ad inviarla ad un rivelatore (FR) alla cui uscita è presente un segnale elettrico avente l'andamento dell'inviluppo di modulazione, un filtro passa-banda (BPF) collegato all'uscita del rilevatore e avente frequenza di centrobanda pari alla frequenza di ripetizione degli impulsi, un demodulatore (CD) collegato all'uscita del filtro passa-banda, il cui segnale di uscita filtrato mediante un filtro passa-basso (BP2) risulta proporzionale alla potenza picco-picco, e un amplificatore (AM2) collegato all'uscita del filtro passa-basso e atto a comandare un circuito di pilotaggio (DR) avente in ingresso il flusso di dati da trasmettere e in uscita un segnale di ampiezza controllata automaticamente che attiva e controlla detto dispositivo (LA).

2

RIVENDICAZIONI

3. Apparecchiatura di controllo automatico come nella rivendicazione 2, caratterizzata da ciò che, detto dispositivo da controllare (LA) essendo un laser a semiconduttore atto a fornire in uscita una radiazione ottica, detto mezzo di estrazione (BS) è uno specchio semiriflettente e detto rivelatore (FR) è un fotorivelatore.

4. Apparecchiatura di controllo automatico come nella rivendicazione 2, caratterizzata da ciò che, detto dispositivo da controllare (LA) essendo atto a fornire in uscita un segnale a radio frequenza, detto mezzo di estrazione (BS) è un dispositivo di accoppiamento capacitivo o induttivo o resistivo e detto rivelatore (FR) è un rivelatore per radiofrequenza.

5. Apparecchiatura di controllo automatico come nella rivendicazione 2, caratterizzata da ciò che detto demodulatore (CD) è un demodulatore coerente, atto ad effettuare la demodulazione del segnale in uscita da detto filtro passa-banda (BPF) per battimento con un segnale periodico di freguen-za parti alla frequenza di ripetizione degli impulsi.

6. Apparecchiatura di controllo automatico come nella rivendicazione 2, caratterizzata da ciò che detto demodulatore (CD) è un rivelatore di inviluppo.

7. Apparecchiatura di controllo automatico come nella rivendicazione 2, caratterizzata da ciò che detto filtro passabanda (BPF) è un amplificatore selettivo.