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Technischer Bereich
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Empfänger für optische Signale gemäß Anspruch
1 sowie auf Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit eines Empfängers für optische
Signale bei der Identifizierung digitalisierter Daten, die von dem
analogen optischen Signal übertragen
werden, und zwar mit Hilfe von Maßnahmen im analogen Bereich
des genannten Empfängers
für optische
Signale.
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Im
Dokument „Electronic
PMD mitigation – from
linear equalization to maximum likelihood detection", Tech. Dig. OFC'01, Anaheim, 17.–22. März 2001,
Trends in Optics and Photonics Series, Band 54, Seite WAA3-1–WAA3-3,
ISBN: 1-55752-655-9, von H. Bühlow
und G. Thielecke, werden ein Empfänger für optische Signale, der einen
Vorwärts-Entzerrer
zur Entzerrung des empfangenen optischen Signals umfasst, ein Analog-Digital-Wandler
zur Umwandlung des entzerrten optischen Signals in ein digitales
Softdatensignal, der die Zwischenwerte umfasst, die den Amplitudenwert
des entzerrten optischen Signals angeben, und ein Viterbi-Entzerrer
zur Zuordnung zwischen dem digitalen Softdatensignal und den binären Daten
beschrieben.
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Hintergrund der Erfindung:
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Empfänger für optische Signale gemäß Anspruch
1.
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Um
digitale Daten zu übertragen,
insbesondere über
große
Entfernungen, werden analoge optische Signale eingesetzt. Solche
optischen Signale werden bei der Übertragung einer bestimmten
Verzerrung unterworfen, die kompensiert werden muss. Dies wird durch
den Einsatz von Kompensatoren, z. B. Entzerrern, in den optischen
Empfängern
erreicht.
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Viterbi-Entzerrer
sind digitale elektronische Entzerrer mit dem kleinsten Fehlerverhalten
für die Signalverzerrung.
Aber die sorgfältige
Anpassung solcher Entzerrer erfordert zusätzliche Funktionalitäten, die
nur in digitaler Form verfügbar
sind.
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Des
Weiteren ist der Aufbau solcher digitaler Schaltungen sehr anspruchsvoll
und kostenaufwändig.
Aufgrund dessen sind solche Lösungen
nicht optimal für
eine digitale Anpassung, die einen erheblichen Aufwand im digitalen
Bereich erfordert.
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Eine
Möglichkeit,
Kosten und Aufwand zu reduzieren, besteht im Einsatz von analogen
elektronischen, linearen Entzerrern oder Viterbi-Entzerrern, die
für bis
zu 10 Gbit/s zur Verfügung
stehen. Aber aufgrund der Einschränkung bei der Anzahl an möglichen
Taps (≤ 5)
weisen solche analogen Entzerrer ein zu hohes restliches Fehlerverhalten
für das
optische Signal/Rausch-Verhältnis
(OSNR) von über
2 dB auf, das z. B. für
10 G-Empfänger,
2,5 G-Empfänger,
10 G-Ethernet oder
bei Übertragungssystemen mit
10 bis 40 Gbit/s, Langstrecken- oder Metro-Systemen nicht ausreichend
ist. Für
eine mittlere Dispersion (d. h. eine Polarisationsmodendispersion
mit einer differenziellen Gruppenlaufzeit mit weniger als einer
Bitperiode = 100 ps) verfügen
FFE-Strukturen mit vielen Taps theoretisch über das Potenzial, ein niedriges
Rest-Fehlerverhalten zu erreichen, es können jedoch höchstens
5 Taps als analoge elektronische Schaltungen ausgeführt werden.
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Auf
der anderen Seite kann ein Viterbi-Entzerrer eine sehr hohe Dispersion
mit einer differenziellen Gruppenlaufzeit von über 100 ps kompensieren, bei
geringen Dispersionen (unter 100 ps) kann er das restliche Fehlerverhalten
jedoch nicht auf den erforderlichen niedrigen Wert senken (< 2 dB).
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Indem
man die Fähigkeit
des Empfängers verbessert,
die digitalen Daten zu identifizieren, die mit dem analogen Signal übertragen
werden, was zu einer geringeren Anzahl an Verstärkern im Übertragungsweg führt, können die
Kosten reduziert und die Fehlerrate der empfangenen Daten gesenkt
werden.
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Technischer Zweck der Erfindung:
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Der
technische Zweck der Erfindung besteht darin, einen Empfänger für optische
Signale zu entwickeln, der einen Viterbi-Entzerrer umfasst, der in der Lage ist,
die Genauigkeit der Identifizierung von digitalisierten Daten zu
verbessern, die über
das analoge optische Signal übertragen
werden, und zwar mit Hilfe von Maßnamen im analogen Bereich
eines Receivers für
optische Signale oder Maßnahmen
in Bezug auf das analoge Signal, und Verfahren zu entwickeln, um
die Genauigkeit der Identifizierung von digitalisierten Daten zu
verbessern, die über
das analoge optische Signal übertragen
werden, und zwar anhand von Maßnahmen
im analogen Bereich des Receivers.
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Beschreibung der Erfindung und ihrer Vorteile:
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Die
grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, die Signalidentifizierung
mit Hilfe von Maßnahmen
im analogen Bereich des Receivers, anstatt im digitalen Bereich
des genannten Receivers, zu verbessern, die die Möglichkeit
bieten, die an einen Analog-Digital-Wandler
(ADC) übertragenen
analogen Signale vorzuverarbeiten und zu verbessern, indem vor dem
ADC ein analoger Entzerrer angeordnet wird, und/oder die die Möglichkeit
bieten, eine Schätzung
von Verzerrung, Streuung und Mittelwertabweichung des analogen Signals
zu erhalten, das zu einem digitalen Signal gehört, wobei die Schätzwerte anschließend an
einen digitalen Entzerrer weitergeleitet werden, der nach dem ADC
angeordnet ist, um auf diese Weise die Qualität der Signalidentifizierung der
digitalen Signale zu verbessern.
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Zu
diesem Zweck umfasst der Empfänger
einen Vorwärts-Entzerrer
als variablen und adaptiven Filter für die Signale, ehe die Signale
vom Viterbi-Entzerrer verarbeitet werden. Das analoge Signal wird vom
Vorwärts-Entzerrer
im analogen Signalweg vorverarbeitet, wobei seine Qualität, die z.
B. anhand einer Messung des Q-Faktors ermittelt werden kann, verbessert
wird. Der Viterbi-Entzerrer wandelt die analogen Signal-Abtastwerte
gewöhnlich
in ein 3- oder 4- Bit-Wort
um, demultiplext die digitalisierten Daten und verarbeitet die parallelen
Daten entsprechend dem Viterbi-Algorithmus.
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Bei
dem genannten Empfänger
mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 ist der Vorwärts-Entzerrer
(FFE) mit einer adaptiven Steuervorrichtung verbunden, die wiederum
mit dem Viterbi-Entzerrer verbunden ist, der die Tap-Koeffizienten
(Ci) des FFE durch Einsatz analog-digital
konvertierter Signal-Abtastungswerte anpasst, die vom Viterbi-Entzerrer
angenommen werden können
und anhand derer das Fehlersignal und die Einstellung der Taps in
der adaptiven Steuervorrichtung digital berechnet werden können. Bei
mäßig hoher
Verzerrung weist die vorgeschlagene Lösung ein geringeres, restliches
Fehlerverhalten auf als wenn lediglich ein Entzerrer eingesetzt
wirdd. Die Erfindung kann sowohl in einem optischen Backbone als
auch in WAN-, MAN- und Unterwassernetzen eingesetzt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsvariante der
genannten Erfindung umfasst der genannte Vorwärts-Entzerrer eine Anzahl an
Taps kleiner oder gleich 6. Es wird vorgeschlagen, einen einfachen Vorwärts-Entzerrer mit nur
wenigen Taps einzusetzen, genauer gesagt drei für die Verarbeitung des Signals
vor der Weiterleitung an einen Viterbi-Entzerrer, um das restliche Fehlerverhalten
des Letztgenannten weiter zu reduzieren. Ein analoger elektronischer
Entzerrer mit minimaler Komplexität wie dieser weist den Vorteil
auf, dass er einfach und billig hergestellt werden kann und dass
er in der Lage ist, genau genug zu arbeiten, um eine Verbesserung
der Signalschätzung
zu bewirken. Zur Entzerrung von elektronischen Signalen, z. B. in
einem Modem oder einem tragbaren Radio, sind komplexere Vorfilter
bekannt. Infolge ihrer Komplexität
reduzieren sie die Wirkung des Viterbi-Entzerrers bei sehr starken
Verzerrungen wie z. B. die Signalstreuung über mehrere Bitslots. Bei mittelstarken
Verzerrungen von optischen Signalen wird vorgeschlagen, als elektronischen
Entzerrer einen einfachen analogen FFE mit nur drei bis sechs Taps
einzusetzen, der anhand der tatsächlichen
Verzerrung entsprechend einem optimalen FFE-Ausgangssignal (d. h.
mittlere quadratische Anpassung oder ein ähnliches, höherrangiges Kriterium, das
für optisches
Rauschen geeignet ist) angepasst wird, und das restliche Fehlerverhalten
des FFE durch den Anschluss eines Viterbi-Entzerrers an seinem Ausgang weiter
zu reduzieren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante
der genannten Erfindung wird eine automatische Verstärkungsregelung
in den analogen elektronischen Entzerrer integriert oder zusammen
mit dem analogen elektronischen Entzerrer im analogen Signalweg
des Empfängers
angeordnet. Die Qualität von
Identifizierung und Verhältnis
der digitalen Signale auf Empfängerseite
kann weiter verbessert werden, indem man eine automatische Verstärkungsregelung
im Übertragungsweg,
unmittelbar nach dem optisch-elektrischen Signalwandler und vor
dem ADC installiert, die die Amplituden aller eingehenden analogen
Signale verstärkt,
bis diese den gleichen absoluten Wert aufweisen.
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Um
die Genauigkeit bei der Identifizierung von digitalisierten Daten,
die über
ein analoges Signal übertragen
werden, weiter zu verbessern, kann eine Vorrichtung zur Parameterschätzung zur
Ermittlung von Schätzwerten,
die den Grad der Verzerrung der optischen Signale angeben, mit dem
analogen Signalweg verbunden werden, wobei die Vorrichtung zur Parameterschätzung mit
dem Viterbi-Entzerrer verbunden wird, um die aus dem analogen Signal
gewonnenen Schätzwerte
an den Viterbi-Entzerrer weiterzuleiten. Die Genauigkeit eines Viterbi-Entzerrers kann
erhöht
werden, indem ihm die Schätzwerte übermittelt
werden, die die Verzerrung und das optische Signalrauschen angeben,
z. B. in Bezug auf die Streuung und den Mittelwert der Amplitude,
insbesondere von Datensymbolen, z. B. 3-Bit-Kombinationen ,1-0-1' oder ,0-1-0'. Im digitalen Signalweg
hätte eine
derartige Schätzung
erheblichen Aufwand und Kosten zur Folge, wogegen die genannte Erfindung, die
eine Vorrichtung zur Parameterschätzung umfasst, die zur Schätzung der
Verzerrung des optischen Signals auf der Basis des analogen Signals
mit dem analogen Signalweg und dem Viterbi-Entzerrer verbunden ist,
kostengünstig
hergestellt werden kann. Es wird vorgeschlagen, eine analoge Anpassung
durchzuführen,
indem eine Schaltungsstruktur eingesetzt wird, die mit einem Fehlererkennungs-Ausgleicher vergleichbar
ist. Zunächst
wird das analoge Signal demultiplext, wobei der Demultiplexer von
einem Fehlererkennungs-Ausgleicher gesteuert wird, um die verschiedenen
Symbole separat zu integrieren. Der Mittelwert wird am Integrator-Ausgang
ausgegeben und die Streuung entspricht der AC-Höhe am Integrator-Ausgang. Ein
derartiger Aufbau ist einfacher als ein digitaler und im Hinblick
auf Größe und Stromverbrauch
weniger Hardware-kritisch. Vorzugsweise sollte ein Feedback des
vom Viterbi-Entzerrer ausgegebenen digitalen Signals zur Vorrichtung
zur Parameterschätzung
möglich
sein, wobei eine weitere Erhöhung
der Qualität
des digitalen Signals durch Senkung der Fehlerrate erreicht werden
könnte.
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Der
Empfänger
umfasst vorzugsweise einen solchen Fehlererkennungs-Ausgleicher,
der einen Demultiplexer steuert, durch den die analogen Signale,
die digitalisierte Daten übertragen, übermittelt werden,
um eine Integration der demultiplexten analogen Signale zu erhalten,
wobei der Fehlererkennungs-Ausgleicher mit dem Viterbi-Entzerrer
verbunden ist. Die Datensequenz-Schätzung des Viterbi-Entzerrers
wird mit Hilfe der vom Fehlererkenungs-Ausgleicher gelieferten Werte verbessert,
die eine Schätzung
des Verzerrungsgrads für
das optische Signal umfassen, wodurch eine höhere Genauigkeit des Viterbi-Entzerrers
erreicht werden kann. Die Parameterschätzung ist insbesondere vorteilhaft, da
die Schätzwerte
vom Auftreten von Nichtlinearitäten
und Rauschen abhängig
sind, und da das Rauschen variiert.
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Vorzugsweise
ist im optischen Empfänger mindestens
ein Vorwärts-Entzerrer angeordnet,
um die Qualität
des analogen Signals zu verbessern, und mindestens eine Vorrichtung
zur Parameterschätzung
ist mit dem Viterbi-Entzerrer und dem analogen Signalweg im Empfänger verbunden,
um Schätzwerte
zu erhalten, die den Verzerrungsgrad des optischen Signals angeben,
und um diese Werte an den Viterbi-Entzerrer zu übertragen, um die Genauigkeit des
Viterbi-Entzerrers
zu erhöhen,
wenn digitale Werte dem analogen Signal zugeordnet werden. Im Vergleich
zum derzeitigen Stand der Technik wird eine eindeutige Verbesserung
von Qualität
und Genauigkeit der Zuordnung zwischen digitalen Signalen und analogem
Signal im Viterbi-Entzerrer erreicht, ohne die Notwendigkeit, komplexe
digitale elektronische Schaltungen im digitalen Signalweg zu installieren.
In Bezug auf die Genauigkeit der Identifizierung und der Beziehung
zwischen digitalen Signalen und analogem Signal ermöglicht die
genannte Erfindung den Einsatz von analogen Geräten, vorzugsweise einem analogen
Vorwärts-Entzerrer
und einem Fehlererkennungs-Ausgleicher, die einfach eingestellt
und integriert werden können,
während
sie mindestens so zuverlässig
und leistungsfähig
sind wie komplexe digitale elektronische Schaltungen. Zudem ist
die im Rahmen der Erfindung vorgeschlagene Schaltung schneller.
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Die
Erfindung wird außerdem
in einem Verfahren zur Verbesserung der Fähigkeit eines optischen Empfängers gemäß Anspruch
4 umgesetzt, die digitalisierten Daten zu identifizieren, die über analoge
optische Signale übertragen
werden.
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Es
ist zudem möglich,
die Fähigkeit
eines optischen Empfängers
zur Identifizierung der digitalisierten Daten, die über analoge
optische Signale übertragen
werden, zu verbessern, indem ein Verfahren umgesetzt wird, das die
folgenden Schritte umfasst:
- – Ermittlung
eines Schätzwerts,
der die Verzerrung eines eingehenden analogen optischen Signals
mit Hilfe eines analogen elektronischen Entzerrers angibt, vorzugsweise
mit einem Fehlererkennungs-Ausgleicher,
- – Weiterverarbeitung
dieses Schätzwerts
in eine Form, die von einem Viterbi-Entzerrer verarbeitet werden
kann,
- – Weiterleitung
dieses Schätzwerts
an den Viterbi-Entzerrer,
- – Umwandlung
der digitalen Softdaten aus dem analogen Signal mit Hilfe eines
Analog-Digital-Wandlers (ADC) in binäre Daten (d. h. harte Daten,
die aus ,0' und
,1' bestehen) im
Viterbi-Entzerrer mit Hilfe von Zwischenwerten, die aus dem analogen
Signal gewonnen werden, das den Verzerrungsgrad des analogen Signals
angibt.
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Es
ist insbesondere zu bevorzugen, beide Verfahren parallel anzuwenden,
wobei die Verstärkung
der Schätzwerte
vor der analogen Entzerrung des analogen Signals erfolgt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt
einen Empfänger
für optische Signale
dar, wobei ein Vorwärts-Entzerrer
im analogen Signalweg mit drei Taps angeordnet ist, das Ausgangssignal
des Vorwärts-Entzerrers über einen Analog-Digital-Wandler
(ADC) an einen Viterbi-Entzerrer übertragen wird, wobei die Tap-Koeffizienten mit
Hilfe einer adaptiven Steuervorrichtung, die mit dem Viterbi-Entzerrer
verbunden ist, ermittelt werden.
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2 stellt
einen Empfänger
für optische Signale
gemäß der genannten
Erfindung dar, der neben einem Vorwärts-Entzerrer sowohl einen
automatischen Verstärkungsregler,
der in den Vorwärts-Entzerrer integriert
ist, als auch eine Vorrichtung zur Parameterschätzung umfasst, die mit dem
analogen Signalweg und dem Viterbi-Entzerrer verbunden ist.
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Wege zur Umsetzung der Erfindung:
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Die
Ausgänge
eines Empfängers 7 für optische
Signale gemäß 1,
der einen Vorwärts-Entzerrer 2 mit
drei Taps 3 umfasst, die im analogen Signalweg 1 angeordnet
sind, sind mit einem Analog-Digital-Wandler
(ADC) 4 verbunden. Der ADC 4 wandelt die analogen
Signale in digitale Softdaten um, die, im Gegensatz zu binären Daten,
die nur aus den Werten ,0' und
,1' bestehen, Zwischenwerte
umfassen, die den Amplitudenwert des analogen Signals angeben. Die
digitalen Softdaten werden an den Viterbi-Entzerrer 5 übermittelt,
wobei die Tap-Koeffizienten durch eine adaptive Steuervorrichtung 6 ermittelt
werden, die mit dem Viterbi-Entzerrer 5 verbunden ist.
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Der
Vorwärts-Entzerrer 2 besteht
aus einer analogen elektronischen Schaltung mit einem Tap-Abstand
TC von 1 Bitperiode (100 ps bei 10 G), der Abstand kann jedoch auch
nur Bruchteile davon betragen (TC < 100
ps). Die Tap-Koeffizienten Ci werden mit
Hilfe der adaptiven Steuervorrichtung 6 auf die optimale
Verbesserung am Ausgang des Vorwärts-Entzerrers 2 eingestellt.
Dies kann erreicht werden, indem das Signal am Ausgang mit einer
zusätzlichen
Entscheidungsschaltung beobachtet und ein Fehlersignal erzeugt wird.
Eine alternative Möglichkeit
besteht darin, Teile des angeschlossenen Viterbi-Entzerrers 5 zu
nutzen, wie in 1 dargestellt, da dieser bereits
Signal-Abtastwerte in einer analog-zu-digital konvertierten Form liefert.
Fehlersignal und Tap-Einstellungen
können
dann in der adaptiven Steuervorrichtung 6 digital berechnet
werden. Der Viterbi-Entzerrer 5 wandelt die analogen Signal-Abtastwerte
gewöhnlich
in ein 3- oder 4-Bit-Wort um, demultiplext die digitalisierten Daten
(z. B. auf 311 oder 622 MHz) und verarbeitet die parallelen Daten
entsprechend dem Viterbi-Algorithmus.
Taktrückgewinnung,
Taktweg und Anpassung des Viterbi-Entzerrers sind in 1 nicht
dargestellt.
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Bei
mäßig hohen
Verzerrungen ist das restliche Fehlerverhalten niedriger als der
Wert eines einzelnen Vorwärts-Entzerrers
oder eines einzelnen Viterbi-Entzerrers. Bei einem Vorwärts-Entzerrer 2 mit 3
Taps und einem Viterbi-Entzerrer 5 (4 Zustände) kann
das OSNR-Fehlerverhalten
beispielsweise von 2,5 dB ohne Vorwärts-Entzerrer auf äußerst günstige 2
dB reduziert werden. Bei hohen Verzerrungen (die außerhalb
des vorgesehenen Betriebsbereichs eines Produkts liegen könnten) ist
das Fehlerverhalten des Viterbi-Entzerrers 5 nicht schlechter
als ohne Vorwärts-Entzerrer 2,
was einen nahtlosen Betrieb über den
gesamten Bereich ermöglicht,
von niedrigen bis hohen Verzerrungen.
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2 stellt
einen Empfänger 7 für optische Signale
dar, der neben einem Vorwärts-Entzerrer 2 gemäß 1 einen
automatischen Verstärkungsregler 8 umfasst,
der in den Vorwärts-Entzerrer 2 integriert
ist. Des Weiteren ist eine Vorrichtung zur Parameterschätzung 9 im
Nebenschluss mit dem Viterbi-Entzerrer 5 verbunden. Die
Vorrichtung zur Parameterschätzung 9 ist
mit dem analogen Signalweg 1 verbunden und über diese
Verbindung 10 in der Lage, Schätzwerte zu ermitteln, die den
Verzerrungsgrad des optischen Signals angeben. Diese Schätzwerte
werden dann an den Viterbi-Entzerrer 5 übermittelt, wobei die Genauigkeit
des Viterbi-Entzerrers 5 in
Bezug auf die dem analogen Signal zugeordneten digitalen Werte erhöht wird,
da die Schätzwerte eine
Angabe dafür
liefern, welcher Zwischenwert den Grenzwert für die Zuordnung eines digitalen
Softdaten-Signals zu einem binären
Datensignal ,0' oder '1' im Viterbi-Entzerrer 5 darstellt.
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Kommerzieller Einsatz:
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Die
Erfindung kann insbesondere im Bereich der Herstellung und des Betriebs
von Netzwerken für die
optische und/oder elektromagnetische Datenübertragung kommerziell eingesetzt
werden.
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Legende zu 1
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- 1 – Verstärker
- 3 – FFE – Vorwärts-Entzerrer
- 5 – VE – Viterbi-Entzerrer
- ADC/demux – Analog-Digital-Wandler/Demultiplexer
- 6 – Adaptive
Steuervorrichtung
- recovered data – wiederhergestellte
Daten
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Legende zu 2
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- 1 – Empfangene
Daten
- 2 – Filter
mit adaptiver Steuervorrichtung
- 9 – Vorrichtung
zur Parameterschätzung
- ADC – Analog-Digital-Wandler
- Viterbi Equalizer – Viterbi-Entzerrer
- CR – Taktrückgewinnung
- Clock Processing – Taktverarbeitung
- decided data – Ermittelte
Daten
- recovered clock – Wiederhergestellter
Takt
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- 1
- Analoger
Signalweg im optischen Empfänger
- 2
- Vorwärts-Entzerrer
- 3
- Tap
- 4
- Analog-Digital-Wandler
(ADC)
- 5
- Viterbi-Entzerrer
- 6
- Adaptive
Steuervorrichtung
- 7
- Empfänger für optische
Signale
- 8
- Automatischer
Verstärkungsregler
- 9
- Vorrichtung
zur Parameterschätzung
- 10
- Verbindung