DE3607688A1 - Empfaenger (empfangsmodul) fuer eine optische nachrichtenuebertragungsstrecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Empfänger oder Empfänger­ baustein, auch Empfangsmodul genannt, für eine optische Nachrichtenübertragungsstrecke, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Im Bereich der Nachrichtenübertragung werden neben her­ kömmlichen Übertragungstechniken in letzter Zeit ver­ mehrt optische Übertragungssysteme eingesetzt, da sie sich gegenüber den herkömmlichen Übertragungsarten durch eine Vielzahl von bestechenden Vorteilen auszeichnen. Beispielsweise sind sie störfrei gegen elektromagneti­ sche Wellen, sie ermöglichen eine totale stromtechnische Isolation zwischen Sender und Empfänger, eine sehr hohe Bandbreite der übertragbaren Signale, eine relativ ge­ ringe Dämpfung und damit die Überbrückung großer Ent­ fernungen ohne Einschaltung von Zwischenverstärkern, was optische Nachrichtenübertragungssysteme weit weniger störanfällig als herkömmliche Systeme macht, insbesonde­ re wenn Digitaltechnik, beispielsweise PCM-Technik ange­ wandt wird.

Als weitere Vorteile sind zu erwähnen, daß optische Nachrichtenübertragungsstrecken relativ abhörsicher sind und - ein Punkt der immer mehr an Bedeutung gewinnt - die Leitungen metallfrei sind, das heißt eine beachtli­ che Einsparung des Rohstoffes Kupfer erzielt werden kann.

Als Empfänger der optischen Lichtsignale dient in der Regel ein optoelektrischer Detektor, beispielsweise in Form einer Photodiode, der am Auskopplungsende des opti­ schen Übertragungsmediums, meist in Form eines aus einer Glasfaser oder einem Glasfaserbündel bestehenden Licht­ leiters, mit dem Licht in Wechselwirkung steht. Das Ausgangssignal des Lichtdetektors muß durch einen Ein­ gangsverstärker des Empfängerbausteins verstärkt werden.

Als Eingangsverstärker wären zum Beispiel sogenannte "high impedance"-Verstärker denkbar, die theoretisch eine ziemlich gute Empfindlichkeit haben; sie werden allerdings selten eingesetzt, da ihre Bandbreite zum Begrenzen des Rauschens klein gehalten wird und der Verstärker dadurch als Integrator wirkt. Dieses Verhal­ ten muß gegebenenfalls mit einem nachgeschalteten Equa­ lizer (Entzerrer) kompensiert werden.

Dagegen haben sich sog. Transimpedanzverstärker als Eingangsverstärker besonders bewährt, deren Übertra­ gungsfunktion durch einen den Verstärkerausgang mit dem Eingang verbindenden Gegenkopplungswiderstand bestimmt wird.

Da sich in einer optischen Nachrichtenübertragungs­ strecke die auf den Lichtdetektor einfallende optische Leistung je nach Länge der Lichtwellenleiter-Strecken um bis zu 40 dB ändern kann, ist es wünschenswert, Emp­ fangsmodule zur Verfügung zu haben, deren Dynamikbereich ca. 80 dB beträgt. Ein derartiger Empfängerbaustein besäße den wesentlichen Vorteil, daß er - ohne weitere schaltungstechnische oder optische Zusatzmaßnahmen (bei­ spielsweise optische Dämpfungsglieder) - an beliebigen Stellen der Nachrichtenübertragungsstrecke unabhängig von den an der jeweiligen Stelle vorliegenden, in den Empfänger einfallenden optischen Leistung eingesetzt werden könnte. Herkömmliche aktive einstellbare Wider­ standselemente müssen hier versagen, da zum einen deren Einstellbereich zur Gewährleistung eines Dynamikberei­ ches von 80 dB nicht ausreichend ist und zum anderen durch parasitäre Effekte Hochfrequenz- und Rauschverhal­ ten des Transimpedanzverstärkers oder "high impedance"- Verstärkers verschlechtert werden.

Es wurde bereits versucht, PIN-Dioden oder FETs als einstellbare Widerstände einzusetzen, jedoch mußte dies im wesentlichen scheitern, da beispielsweise PIN-Dioden eine hohe untere Grenzfrequenz und eine zu große parasi­ täre Kapazität aufweisen, um einen wirklich störfreien Betrieb zu gewährleisten. Der durch einen kapazitätsar­ men FET gebildete einstellbare Widerstand vermag zum einen den angestrebten Dynamikbereich des Empfängermo­ duls nicht zu gewährleisten, darüber hinaus bringen FETs oftmals nicht lineare Verzerrungen aufgrund einer Kenn­ linienverkrümmung mit sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Empfän­ ger der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu ver­ bessern, daß er auf einfache Weise und ohne Rücksicht auf vorliegende Signalintensität an beliebigen Stellen von optischen Nachrichtenübertragungssystemen eingesetzt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnend­ en Merkmale des Anspruches 1 gelöst, vorteilhafte Wei­ terbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungstragend ist der Einsatz eines als lichtemp­ findliches Bauteil ausgebildetem Rückkopplungs- oder parallelen Eingangswiderstandes, dessen Widerstandswert durch Zuführung regelbarer Lichtintensität manuell oder automatisch einstellbar ist, wobei insbesondere ein kapazitätsarmer und hochfrequenztauglicher Photowider­ stand verwendet werden soll. Durch die "optische" und damit potentialfreie Einwirkungsmöglichkeit auf den Photowiderstand und damit auf die Verstärkung wird zu­ nächst die Einspeisung von Störungen in dem Empfänger vermieden. Vorteilhaft wirkt sich weiter die gerade Kennlinie und der extrem große Einstellbereich des Pho­ towiderstandes aus. Die Regelung des Verstärkungsgrades erfolgt - wie oben bereits angemerkt - potentialfrei, so daß die Einstreuung potentialgebundener Störungen aus­ geschlossen ist. Damit reduziert sich die Fehleranfäl­ ligkeit von Zwischenverstärkern ganz erheblich, so daß die Verfügbarkeit der optischen Nachrichtenübertragungs­ strecke weiter gesteigert werden kann.

Vorteilhafterweise ist im Strahlungsempfangsbereich des lichtempfindlichen Bauteils, nämlich des Photowiderstan­ des eine geregelte elektrische Lichtquelle zur Einstel­ lung des Widerstandswertes angeordnet. Diese kann durch eine Regelungsvorrichtung versorgt werden, die als ge­ schlossener Regelkreis ausgebildet ist und abhängig von der Ausgangsspannung des Vorverstärkers arbeitet. Bei­ spielsweise kann die Ausgangsspannung des Verstärkers dadurch konstant geregelt werden. Es ist aber auch mög­ lich, eine Regelungsvorrichtung vorzusehen, die direkt auf die auf den optoelektrischen Lichtdetektor, nämlich die Photodiode einfallende Strahlungsintensität rea­ giert. Allerdings ist diese zweite Lösung insofern nach­ teilig, als optische Nachrichtenübertragungssysteme in der Regel bis hin zur Rauschgrenze betrieben werden und somit eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehen­ den Lichtintensität zur Signalübertragung anzustreben ist, so daß eine Auskopplung eines Lichtanteils zu Re­ gelungszwecken meist ausscheiden muß.

Besonders vorteilhaft wirkt sich eine Kennlinienkompen­ sation gemäß Anspruch 8 aus, da dann die optoelektri­ schen Bauelemente keine Regelungsfluktuationen bewirken.

Vorteilhafterweise sind der Transimpedanzverstärker oder "high impedance"-Verstärker, der Lichtdetektor, das lichtempfindliche Bauteil, die Lichtquelle sowie die elektronischen Bauteile der Regelung in einem gemeinsa­ men Gehäuse angeordnet. Dieses kann zwei lichtdicht gegeneinander abgetrennte Kammern aufweisen, deren erste wenigstens den Lichtdetektor, nämlich die an den Licht­ leiter angekoppelte Photodiode enthält, und deren zweite wenigstens das lichtempfindliche Bauteil, nämlich den Photowiderstand sowie die geregelte elektrische Licht­ quelle enthält. Dadurch ist eine gegenseitige Beeinflus­ sung der beiden Lichtquellen ausgeschlossen.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn der sich automatisch regelnde Verstärkungsgrad auf einer Anzeigevorrichtung anzeigbar ist oder als Ausgangssignal an einem Meßaus­ gang anliegt. Dann kann das Empfangsmodul sogleich als Meßdetektor verwendet werden, um die optische Güte eines Nachrichtenübertragungsstreckenabschnittes zu überprü­ fen.

Da es sein kann, daß sich bei Einstellung der Verstär­ kung auch der Frequenzgang des Empfängers verändert, kann es vorteilhaft sein, wenn die Regelung eine equali­ zerartige Vorrichtung umfaßt, die bei Nachregelung des Verstärkungsgrades eine selektive Beeinflussung, bei­ spielsweise eine Konstantregelung oder selektive Anhe­ bung oder Absenkung des Frequenzganges des Verstärkers vornimmt.

Die Erfindung ist anhand zweier Ausführungsbeispiele in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild mit angedeuteten Gehäuse­ elementen eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild mit angedeuteten Gehäuse­ elementen nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 weist der insgesamt als 1 bezeichnete Empfän­ ger für eine optische Nachrichtenübertragungsstrecke einen als Transimpedanzverstärker 2 ausgebildeten Ein­ gangsverstärker auf, dessen Übertragungsfunktion durch einen den Verstärkerausgang 3 mit dem invertierenden Eingang 4 verbindenden Gegenkopplungswiderstand bestimmt wird, der als kapazitätsarmer und hochfrequenztauglicher Photowiderstand 5 ausgebildet ist.

Mit dem Eingang des Verstärkers 2 steht ein als Photo­ diode 6 ausgebildeter optoelektrischer Lichtdetektor in Verbindung, auf den die durch das Auskopplungsende 7 des optischen Übertragungsmediums (Lichtleiter 8) ankommende Strahlung auftrifft und das Fließen eines Photostromes verursacht, der in das zu verstärkende Signal umgesetzt wird.

Im Strahlungsempfangsbereich des Photowiderstandes 5 ist eine geregelte elektrische Lichtquelle 9 zur Einstellung des Widerstandswertes des Photowiderstandes 5 angeord­ net, die über eine als geschlossener Regelkreis ausge­ bildete Regelung 10 betrieben wird, deren Regelgröße von der Ausgangsspannung U _A des Verstärkers 2 abhängt.

Die Regelung 10 kann ferner zur Kompensation der Kenn­ linie des Photowiderstandes 5 und/oder der Photodiode 6 dem verstärkten Signal eine nicht-lineare Regelkomponen­ te überlagern, was durch Pfeil 11 angedeutet ist.

Durch die schematisch dargestellten Gehäuseelemente wird deutlich, daß der Gehäuseinnenbereich in zwei lichtdicht gegeneinander abgetrennte Kammern A und B zerfällt, deren erste die Photodiode 6 im Bereich des Auskopp­ lungsendes 7 des Lichtleiters 8 enthält und deren zweite Kammer B den Photowiderstand 5 sowie die geregelte Lichtquelle 9 enthält. Dies kann insbesondere dann not­ wendig werden, wenn eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Lichtquellen, nämlich des Lichtwellenleiterendes und der Lichtquelle zur Steuerung des Photowiderstandes sich störend auswirken sollte.

Der sich automatisch regelnde Verstärkungsgrad des Ver­ stärkers 2 ist auf einer nicht näher dargestellten An­ zeigevorrichtung 12 anzeigbar oder liegt als Ausgangs­ signal an einem Meßausgang 13 an.

Das in Fig. 2 dargestellte modifizierte Ausführungsbei­ spiel stimmt im wesentlichen mit dem in Fig. 1 darge­ stellten überein. Allerdings ist der Empfänger 23, der in einem Gehäuse 27 mit Gehäuseabschnitten C und D un­ tergebracht ist, ein sogenannter "high impedance ampli­ fier" oder hoch ohmiger Verstärker, dessen Eingang 26, der mit der Photodiode 16 verbunden ist, weiterhin mit einem parallelgeschalteten Widerstand verschaltet ist, der als Photowiderstand 20 ausgebildet ist und durch eine regelbare Lichtquelle 21 bestrahlbar ist. Die Lichtquelle 21 steht - wie beim ersten Ausführungsbei­ spiel - mit einer Regelung 19 in Verbindung und wird durch diese spannungsversorgt. Die Regelung 19 spricht - wie durch Pfeil 22 angedeutet ist - auf das Ausgangs­ signal U _A des Verstärkers 17 an. Die Regelgröße der Regelung 19 ist durch eine Anzeigevorrichtung 24 und/oder einen Meßausgang 25 ablesbar oder am Gehäuse abgreifbar.

Claims (13)

1. Empfänger (Empfangsmodul) für eine optische Nachrichtenübertragungsstrecke mit folgenden Merkmalen:

• - Der Empfänger (1, 23) weist einen Eingangs­ verstärker (Transimpedanzverstärker 2, 5; "high impedance amplifier" = hoch ohmiger Verstärker 17, 20) auf,
  • - dessen Ubertragungsfunktion, neben in­ ternen Ubertragungsmerkmalen durch einen ihm zugeordneten externen Anpassungswi­ derstand (Gegenkopplungswiderstand 5; zum Verstärkereingang 26 parallelge­ schalteter Widerstand 20) einstellbar ist;
• mit dem Auskopplungsende (7, 15) des opti­ schen Übertragunsgsmediums (Lichtleiter 8, 30) steht ein optoelektrischer Wandler (Pho­ todiode 6, 16) in optischer Wechselwirkung,
  • - dessen Ausgangssignal dem Eingang (4, 26) des Verstärkers (2, 17) zugeführt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:.
• - Der Anpassungswiderstand (Gegenkopplungs­ widerstand 5; zum Verstärkereingang 26 pa­ rallelgeschalteter Widerstand 20) ist als lichtempfindliches Bauteil (Photowiderstand) ausgebildet,
  • - dessen Widerstandswert (R _P) durch Zufüh­ rung regelbarer Lichtintensität manuell oder automatisch einstellbar ist.

2. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsverstärker des Empfängers (1) als Transimpedanzverstärker (2) und der Anpas­ sungswiderstand als zugehöriger Gegenkopplungs­ widerstand (5) ausgebildet ist.

3. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsverstärker des Empfängers (23) als "high impedance amplifier" (= hoch ohmiger Verstärker 17) und der Anpassungswiderstand als zugehöriger, zum Verstärkereingang (26) paral­ lelgeschalteter Widerstand (20) ausgebildet ist.

4. Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlungsempfangsbereich des lichtemp­ findlichen Bauteils (Photowiderstand 5, 20) eine geregelte Lichtquelle (9, 21) zur Einstellung des Widerstandswertes (R _P) angeordnet ist.

5. Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Bauteil ein hoch­ frequenztauglicher und rauscharmer Photowider­ stand (5, 20) ist.

6. Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (10, 19) als geschlossener Regelkreis ausgebildet ist und abhängig von der Ausgangsspannung U _A erfolgt.

7. Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (10, 19) abhängig von der auf den optoelektrischen Wandler (Photodiode 6, 16) einfallenden Strahlungsintensität erfolgt.

8. Empfänger nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (10, 19) zur Kompensation der Kennlinie des lichtempfindlichen Bauteils (Photowiderstand 5, 20) oder des optoelektri­ schen Wandlers (Photodiode 6, 16) dem verstärk­ ten Signal eine nichtlineare Regelkomponente überlagert.

9. Empfänger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nichtlinearität der Regelkomponente einstellbar ist.

10. Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Transimpedanzverstärker (2, 17), der Lichtdetektor (Photodiode 6, 16), das licht­ empfindliche Bauteil (Photowiderstand 5, 20), die Lichtquelle (9, 21) sowie die elektronischen Bauteile der Regelung (10, 19) in einem gemein­ samen Gehäuse (14, 27) angeordnet sind.

11. Empfänger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14, 27) zwei lichtdicht gegen­ einander abgetrennte Kammern (A, B; C, D) auf­ weisen kann, deren erste (A; C) wenigstens den Lichtdetektor (Photodiode 6, 16) und deren zwei­ te (B; D) wenigstens das lichtempfindliche Bau­ teil (Photowiderstand 5, 20) sowie die geregelte Lichtquelle (9, 21) enthält.

12. Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der sich automatisch regelnde Verstärkungs­ grad auf einer Anzeigevorrichtung (12; 24) an­ zeigbar ist oder als Ausgangssignal an einem Meßausgang (13; 25) anliegt.

13. Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (10; 19) eine Vorrichtung (Equalizer) umfaßt, durch die bei Nachregelung der Frequenzgang des Verstärkers selektiv ein­ stellbar (z. B. konstant regelbar) ist.