DE102014219344B3

DE102014219344B3 - A method of broadband optical free-jet communication using transmitter diversity

Info

Publication number: DE102014219344B3
Application number: DE102014219344.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Fuchs; Dirk Giggenbach; Ramon Mata Calvo
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2034-09-25

Abstract

Bei dem Verfahren zur optischen Breitband-Freistrahlkommunikation mit mehreren sich hinsichtlich der Übertragungsfrequenz unterscheidenden Datenkanälen und unter Verwendung von Sender-Diversität werden binäre optische Datensignale von mindestens zwei Sendern zu einem gemeinsamen Empfänger gesendet, wobei die optischen Datensignale die identische Binärinformation aufweisen und Bits während jeweils gleich langer Bitübertragungsdauern übertragen werden. Die optischen Datensignale werden mit derselben Frequenz gesendet und sind somit einem gemeinsamen Datenkanal zugeordnet. Die optischen Datensignale werden phasenmoduliert, und zwar voneinander verschieden.In the method of broadband optical broadband communication having a plurality of data channels differing in the transmission frequency and using transmitter diversity, binary optical data signals are transmitted from at least two transmitters to a common receiver, the optical data signals having the identical binary information and equal bits during each long bit transmission periods are transmitted. The optical data signals are transmitted at the same frequency and are thus assigned to a common data channel. The optical data signals are phase-modulated, different from each other.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Breitband-Freistrahlkommunikation mit mehreren, sich hinsichtlich der Übertragungsfrequenz unterscheidenden Datenkanälen und unter Verwendung von Sender-Diversität.The invention relates to a method for wideband optical broadband communication having a plurality of data channels differing in the transmission frequency and using transmitter diversity.

Geostationäre (GEO) Nachrichten- und Fernsehsatelliten benötigen große Datenraten im Uplink, um die zu übertragenden Daten vom Boden-Gateway zum Satelliten zu bringen (von dort werden sie über Funk-Transponder als Fernsehsignal zu den Haushalten, oder als Kommunikationssignal zu den Nutzern am Boden übertragen). Diese Funkverbindungen zwischen Bodenstation und GEO (sog. GEO-Feeder-Link, GFL) müssen dabei immer hochratiger werden, um die Anforderungen der Systeme zu erfüllen; gleichzeitig wird das verfügbare Frequenzspektrum immer knapper. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, von Mikrowellen-(Funk-)Verbindungstechnik zu optischem Richtfunk zu wechseln. Im optischen Bereich gibt es keine regulatorische Spektrumsbeschränkung; zudem ermöglichen optische Datenverbindungen – wie aus der terrestrischen Glasfasertechnik bekannt – erheblich höhere Datenraten (momentan bis 100 Gbps pro Kanal, was durch Wellenlängenmultiplex-Technik – DWDM – noch ca. verhundertfacht werden kann).Geostationary (GEO) news and TV satellites require high data rates in the uplink to bring the data to be transmitted from the ground gateway to the satellite (from there they are transmitted via radio transponders as a television signal to the households, or as a communication signal to the users on the ground transfer). These radio links between ground station and GEO (so-called GEO feeder link, GFL) must be always hochratiger to meet the requirements of the systems; At the same time, the available frequency spectrum becomes increasingly scarce. One solution to this problem is to switch from microwave (radio) connection technology to optical directional radio. There is no regulatory spectrum restriction in the optical domain; In addition, as is known from terrestrial fiber optic technology, optical data connections enable considerably higher data rates (currently up to 100 Gbps per channel, which can be increased by a factor of about ten times due to wavelength division multiplexing technology - DWDM).

Optische GFLs (OGFL) werden allerdings durch die Atmosphäre gestört: Bewölkung über der optischen Bodenstation (Optical Ground Station, OGS) blockiert die Verbindung zum Satelliten. Diesem kann durch OGS-Diversität ausreichend begegnet werden.However, optical GFLs (OGFL) are disturbed by the atmosphere: clouds over the optical ground station (OGS) block the connection to the satellite. This can be sufficiently counteracted by OGS diversity.

Einen weiteren Atmosphäreneinfluss stellt die Brechungsindexturbulenz (BIT) dar, welche zu einer Störung der optischen Wellenfront führt und damit im weiteren Verlauf der Propagation zu Intensitätsschwankungen (Szintillationen).Another influence of the atmosphere is the refractive index turbulence (BIT), which leads to a disturbance of the optical wavefront and thus in the further course of the propagation to intensity fluctuations (scintillations).

Je nach Standort der OGS, Tageszeit, verwendeter Wellenlänge und Elevation des Links (Winkel zwischen Satellit, Bodenstation, und Horizont) kann die BIT zu erheblichen Feldstörungen führen, womit das Signal beim GEO extrem stark schwankt. Je nach Übertragungsverfahren und BIT-Situation wird dadurch der Signalempfang stark gestört oder gar verhindert.Depending on the location of the OGS, time of day, wavelength used and elevation of the link (angle between satellite, ground station, and horizon), the BIT can cause significant field disturbances, causing the signal at the GEO to fluctuate extremely. Depending on the transmission method and BIT situation, the signal reception is greatly disturbed or even prevented.

Das zeitliche Verhalten dieser Signalschwankungen wird durch die zeitliche Veränderung der Brechungsindexstruktur bedingt, diese ist hauptsächlich durch den seitlichen Wind bedingt. Das bedeutet, dass typischerweise mit Fade-Dauern von 2 bis 20 ms zu rechnen ist. Derartige Fading-Ereignisse werden klassischerweise durch FEC-(Forward Error Correction-)Algorithmen und durch ARQ-(automated repeat request-)Protokolle kompensiert, wodurch es aber zu prinzipiellen Verzögerung von einem Mehrfachen der Fadingdauern kommt (in diesem Fall also etwa 100 ms) und zusätzliche Durchsatz-Verluste (durch den FEC-Overhead) in Kauf genommen werden müssen.The temporal behavior of these signal fluctuations is due to the temporal change of the refractive index structure, this is mainly due to the lateral wind. This means that typically fade durations of 2 to 20 ms are to be expected. Such fading events are classically compensated for by FEC (Forward Error Correction) algorithms and ARQ (Automated Repeat Request) protocols, but this results in a fundamental delay of a multiple of the fading periods (in this case about 100 ms in this case). and additional throughput losses (through the FEC overhead) must be accepted.

Ein Lösungsansatz zur Verringerung dieser Schwankungen besteht nun in der Sender- bzw. Transmitter-Diversität (Tx-Div). Es werden hierzu von der OGS zwei oder noch mehr (n_Tx) Sendestrahlen ”Tx” parallel zum GEO abgestrahlt (siehe 1). Diese Strahlen propagieren nun durch verschiedene IRT-Volumina (die IRT-Strukturen müssen hierzu deutlich kleiner als der Tx-Sendestrahl-Abstand sein, was bei typischen Strukturgrößen im cm bis dm Bereich ab ca. 1 m Sendestrahl-Abstand sehr gut gewährleistet ist). Beim Satelliten erzeugen sie damit mehrere statistisch unabhängige Intensitätsmuster. Wenn die bei den verschiedenen Sendestrahlen verwendeten Wellenlängen unterschiedlich sind (Frequenzunterschied muss größer sein als die Bandbreite des Datenempfängers), so werden die Muster inkohärent überlagert, d. h. die Intensitäten addieren sich. Dies ist für einfache Intensitätsmodulation/Direktempfangs-Systeme (IM/DD) meist generell der Fall. Hierdurch kommt es zu einem Ausgleich von Minima und Maxima, d. h. die relativen Schwankungen werden reduziert. Konkret ändert sich der Szintillationsindex SI zu SI(n) = SI(1)/n_Tx. Die Transmitter-Diversität für IM/DD ist ein grundsätzlich etabliertes Verfahren.One approach to reducing these variations is now transmitter / transmitter diversity (Tx-Div). For this purpose, two or even more (n _Tx ) transmit beams "Tx" are emitted by the OGS parallel to the GEO (see 1 ). These beams now propagate through different IRT volumes (the IRT structures have to be significantly smaller than the Tx transmit beam distance, which is very well ensured with typical feature sizes in the cm to dm range from about 1 m transmit beam distance). In the satellite, they thus generate several statistically independent intensity patterns. If the wavelengths used in the different transmission beams are different (frequency difference must be greater than the bandwidth of the data receiver), the patterns are incoherently superimposed, ie the intensities add up. This is generally the case for simple intensity modulation / direct reception systems (IM / DD). This results in a balancing of minima and maxima, ie the relative fluctuations are reduced. Concretely, the scintillation index SI changes to SI (n) = SI (1) / n _Tx . Transmitter diversity for IM / DD is a fundamentally established process.

Mit dieser relativ einfachen Technik der inkohärenten Tx-Diversität lässt sich also die Empfangsleistungsschwankungen reduzieren. Insbesondere die Reduktion der Minima (also das Vermeiden von starken Fades) wirkt sich dabei sehr vorteilhaft aus, indem das Empfangssignal damit stabilisiert wird. Die Technik wird auch bereits in experimentellen optischen Satelliten-Uplinks angewandt, z. B. in SILEX (Uplink von der ESA-OGS auf Teneriffa zum GEO Artemis der ESA – mit bis zu vier parallelen Sendestrahlen; und im Experiment KIODO und KODEN in Uplinks zum japanischen Satelliten OICETS/Kirari der JAXA). 2 zeigt beispielhaft einen über eine Zeit von 0,5 sec gemessenen Empfangsleistungsvektor am Satelliten; und zwar als Uplink von einer optischen Bodenstation zum Empfänger auf geostationärem Satelliten, ohne und mit Tx-Div (gemessen im Projekt ArtemEx). Die durchgezogen dargestellte Linie zeigt das mit einem Sender erzeugte Signal während die gepunktet dargestellte Linie das mit zwei Sendern (Tx-Div) erzeugte Signal zeigt. Das mit Tx-Div erzeugte Signal weist schwächere Fades und Surges auf und ist damit besser zur Datenübertragung geeignet.With this relatively simple technique of incoherent Tx diversity, it is thus possible to reduce the received power fluctuations. In particular, the reduction of the minima (ie the avoidance of strong fades) has a very advantageous effect in that the received signal is thus stabilized. The technique is also already being used in experimental satellite optical uplinks, e.g. In SILEX (uplink from the ESA OGS on Tenerife to the GEO Artemis of the ESA - with up to four parallel transmission beams, and in the experiment KIODO and KODEN in uplinks to the Japanese satellite OICETS / Kirari the JAXA). 2 shows by way of example a received power vector measured at the satellite over a time of 0.5 sec; as an uplink from an optical ground station to a receiver on a geostationary satellite, with and without Tx-Div (measured in the ArtemEx project). The solid line shows the signal generated by a transmitter while the dotted line shows the signal generated with two transmitters (Tx-Div). The signal generated with Tx-Div has weaker fades and surges and is thus better suited for data transmission.

Beim Einsatz der Tx-Div bei inkohärenter aber sehr breitbandiger Übertragung mit IM/DD wird z. B. ein 40 Gbps IM/DD-Datenkanal über zwei (oder n) physikalisch getrennte DWDM-Kanäle abgestrahlt (oder in einem 100 GHz DWDM-Kanal) und es muss sichergestellt sein, dass sich die Spektren der beiden zu einem Datenkanal gehörigen Diversitätskanäle nicht überlappen (dies ist ebenso der Fall bei allen niederratigeren Übertragungen, wobei dort aber die spektrale Bandbreiteneffizienz irrelevant ist). 3 oben zeigt diesen idealen Fall: zwei identische Signale werden in ”Kanal 1a” und ”Kanal 1b” mit einer Bandbreite von bis zu 50 GHz übertragen. In praktischen Realisierungen jedoch werden die gesendeten Spektren zur Seite flach abfallen, wie es in 3 unten zu sehen ist. Somit überlappen sich die optischen Spektren und es kommt zu Störungen der Signalqualität (Übersprechen durch Mischen der überlappenden Spektralanteile mit schwebungsartigen Effekten im Zeitbereich. Das empfangene Signal wird dadurch schlechter bis unbrauchbar, und zwar je nach Grad der Überlappung). Die Tx-Div erzwingt bei mehrkanaliger (DWDM) Übertragung daher, dass die benötigte optische Bandbreite ein Vielfaches der Datenrate beträgt (zur Vermeidung der Überlappung). Dies kann dazu führen, dass das verfügbare Spektrum insgesamt nicht ausreicht, um die geforderten Datenraten zu übertragen. Beispiel: ein 40 Gbps Datensignal benötigt zwei 100 Ghz physikalische DWDM-Kanäle, also 200 GHz physikalisch Bandbreite pro 40 Gbps effektive Nutzerdatenrate, was bei typisch technisch verfügbaren 32 DWDM Kanälen die Gesamtrate auf 640 Gbps beschränkt. Durch optimierte Filter und Demultiplexer könnten die Kanäle evtl. enger gelegt werden, die prinzipielle Beschränkung, dass bei Tx-Div ein Vielfaches der Bitrate benötigt wird, bleibt aber.When using the Tx-Div in incoherent but very broadband transmission with IM / DD z. For example, a 40 Gbps IM / DD data channel is radiated over two (or n) physically separate DWDM channels (or in a 100 GHz DWDM channel) and it must be ensured that the spectra of the two diversity channels associated with a data channel are not overlap (this is also the case for all lower-rate transmissions, but the spectral bandwidth efficiency is irrelevant there). 3 Above shows this ideal case: two identical signals are transmitted in "Channel 1a" and "Channel 1b" with a bandwidth of up to 50 GHz. In practical implementations, however, the transmitted spectra will fall flat to the side, as in 3 can be seen below. Thus, the optical spectra overlap and signal quality is disturbed (crosstalk by mixing the overlapping spectral components with time-domain beat-like effects, making the received signal inferior or useless, depending on the degree of overlap). The Tx-Div enforces in multichannel (DWDM) transmission, therefore, that the required optical bandwidth is a multiple of the data rate (to avoid overlapping). This can lead to the total available spectrum being insufficient to transmit the required data rates. Example: a 40 Gbps data signal requires two 100 Ghz physical DWDM channels, ie 200 GHz physical bandwidth per 40 Gbps effective user data rate, which limits the overall rate to 640 Gbps for typically technically available 32 DWDM channels. Optimized filters and demultiplexers could possibly narrow the channels, but the general restriction that Tx-Div requires a multiple of the bit rate remains.

Zusammenfassend kann also zu der sich im Stand der Technik ergebenden Problematik Folgendes gesagt werden.In summary, the following can be said about the problem arising in the prior art.

Bei der Übertragung von optischen Datensignalen durch die Atmosphäre kommt es zu Signalstörungen durch die Brechungsindexturbulenz der Atmosphäre. Diese Störungen können verringert werden durch Übertragung des Datensignal aus mehreren Sendern (Sender- bzw. Transmitter-Diversität). Bei der Anwendung der Transmitter-Diversität in sehr hochratigen Kommunikationsverbindungen muss allerdings darauf geachtet werden, dass die verschiedenen Sendersignale beim Empfänger nicht miteinander interferieren, da sonst das Empfangssignal stark gestört wird. Die spektrale Trennung dieser mehrfachen Kanäle führt also zu einem zusätzlichen Bandbreitenbedarf, welcher je nach Anwendung inakzeptabel ist.In the transmission of optical data signals through the atmosphere, there are signal disturbances due to the refractive index turbulence of the atmosphere. These disturbances can be reduced by transmitting the data signal from several transmitters (transmitter or transmitter diversity). When using the transmitter diversity in very high-speed communication links, however, care must be taken to ensure that the various transmitter signals do not interfere with each other at the receiver, since otherwise the received signal is severely disturbed. The spectral separation of these multiple channels thus leads to an additional bandwidth requirement, which is unacceptable depending on the application.

Die zuvor beschriebene Sender- bzw. Transmitter-Diversität ist z. B. in US 2012/0008961 A1 beschrieben, wobei die Sendesignale verschiedener Sender verschiedene Wellenlängen aufweisen (siehe Abs. [0049] in US 2012/0008961 A1 ).The transmitter or transmitter diversity described above is z. In US 2012/0008961 A1 in which the transmission signals of different transmitters have different wavelengths (see paragraph [0049] in FIG US 2012/0008961 A1 ).

US 2013/0126713 A1 beschreibt ein Datenübertragungssystem basierend auf optischer Kommunikationstechnologie unter Verwendung von OFDM. In 30 ist ein Systemaufbau gezeigt, der zwei Sender und einen Empfänger umfasst. Bei welchen Wellenlängen diese beiden Sender senden, ist nicht offenbart. US 2013/0126713 A1 describes a data transmission system based on optical communication technology using OFDM. In 30 a system architecture is shown that includes two transmitters and one receiver. At which wavelengths these two transmitters send is not disclosed.

In US 2011/0274429 A1 ist die DPSK-Kommunikationstechnologie und deren Anwendung bei optischer Satellitenkommunikation beschrieben. In 6 dieser Schrift ist dargestellt, wie sich die Ausgangsleistung am Ausgang eines optischen Glasfaserverstärkers in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis am Eingang des Verstärkers ändert.In US 2011/0274429 A1 describes the DPSK communication technology and its application in optical satellite communication. In 6 This document illustrates how the output power at the output of an optical fiber amplifier changes depending on the duty cycle at the input of the amplifier.

US 2007/0230625 A1 betrifft ebenfalls ein optisches Datenübertragungssysten, welches auf DPSK basiert. US 2007/0230625 A1 also relates to an optical data transmission system based on DPSK.

Schließlich zeigt US 2005/0005225 A1 ein System zur optischen Datenübertragung, welches die über das System gesendeten Daten auf die verwendeten WDM-Kanäle aufteilt und so eine robuste Datenübertragungstechnologie ermöglichen soll.Finally shows US 2005/0005225 A1 an optical data transmission system that distributes the data sent over the system to the WDM channels used to enable robust data transmission technology.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei der optischen Breitband-Freistrahlkommunikation unter Verwendung von Sender-Diversität die oben genannten Nachteile zu vermeiden.The object of the invention is to avoid the abovementioned disadvantages in broadband optical broadband communication using transmitter diversity.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur optischen Breitband-Freistrahlkommunikation mit mehreren sich hinsichtlich der Übertragungsfrequenz unterscheidenden Datenkanälen und unter Verwendung von Sender-Diversität angegeben, wobei bei dem Verfahren

– binäre optische Datensignale von mindestens zwei Sendern zu einem gemeinsamen Empfänger gesendet werden, wobei die optischen Datensignale die identische Binärinformation aufweisen und Bits während jeweils gleich langer Bitübertragungsdauern übertragen werden,
– die optischen Datensignale mit derselben Frequenz gesendet werden und somit einem gemeinsamen Datenkanal zugeordnet sind und
– die optischen Datensignale phasenmoduliert werden, und zwar voneinander verschieden.

To achieve this object, the invention provides a method for broadband optical free-jet communication with a plurality of different with respect to the transmission frequency data channels and using transmitter diversity, said in the method

Binary optical data signals are transmitted from at least two transmitters to a common receiver, wherein the optical data signals have the identical binary information and bits are transmitted during bit durations of equal length in each case,
- The optical data signals are sent at the same frequency and thus associated with a common data channel, and
- The optical data signals are phase-modulated, but different from each other.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Erfordernis der spektralen Trennung der beiden (oder ”N”) für die Sender-Diversität erforderlichen physikalischen (Teil-)Kanäle eines (Gesamt-)Datenkanals ganz zu umgehen und stattdessen dasselbe Signal (d. h. bei gleicher Frequenz) von beiden bzw. von den n Sendern gleichzeitig abzustrahlen. Dabei kommt es zu konstruktiven und destruktiven Interferenzen der beiden bzw. der n Signale (also der maximale Grad des oben beschriebenen Überlagerungs-/Schwebungseffekts), welche sehr starke Fades erzeugen können. Dies wäre normalerweise von Nachteil und würde den Empfang weiter verschlechtern.The basic idea of the invention is to completely circumvent the requirement of the spectral separation of the two (or "N") physical (partial) channels of a (total) data channel required for the transmitter diversity and instead the same signal (ie at the same frequency ) from both or from the n transmitters at the same time. This results in constructive and destructive interference of the two or the n signals (ie the maximum degree of the above-described overlay / beat effect), which is very strong Can produce fades. This would normally be detrimental and would further degrade the reception.

Erfindungsgemäß wird nun dafür gesorgt, dass sich diese gleichen optischen Datensignale zeitweise hinsichtlich ihrer Phasenlage unterscheiden, also phasenmoduliert sind bzw. Phasensprünge aufweisen. Dies erfolgt vorzugsweise in regelmäßigen Abständen, wobei vorgesehen sein kann, dass eines der mehreren gesendeten, identischen optischen Datensignale nicht phasenmoduliert ist und die restlichen optischen Datensignale phasenmoduliert sind, und zwar jeweils voneinander verschieden. Die optischen Wellen dieser Datensignale liegen also abschnittsweise in Phase bzw. abschnittsweise sind sie phasenverschoben. Dadurch kommt es wechselweise zu einer destruktiven Interferenz und zu einer konstruktiven Interferenz, wenn diese optischen Datensignale vom Sender als Überlagerung empfangen werden. Wird nun das so überlagerte empfangene Signal gemittelt (z. B. durch eine Tiefpassfilterung), so stellt sich klar und deutlich die übertragene binäre Information ein.According to the invention, it is now ensured that these same optical data signals differ temporarily with regard to their phase position, ie are phase-modulated or have phase jumps. This is preferably done at regular intervals, wherein it may be provided that one of the plurality of transmitted, identical optical data signals is not phase-modulated and the remaining optical data signals are phase-modulated, in each case different from each other. The optical waves of these data signals are thus in sections in phase or in sections, they are phase-shifted. As a result, destructive interference and constructive interference occur alternately when these optical data signals are received by the transmitter as an overlay. If the received signal superimposed in this way is then averaged (eg by a low-pass filtering), the transmitted binary information is clearly and clearly established.

Die Erfindung vermeidet also die Vervielfachung des Spektrumbedarfs bei der Transmitter-Diversität und ist damit spektraleffizient und verhindert gleichzeitig den störenden Einfluss der Interferenzen.The invention thus avoids the multiplication of the spectrum requirement in the transmitter diversity and is thus spectrally efficient and at the same time prevents the disturbing influence of the interference.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Phasenmodulation durch pro Bitübertragungsdauer in insbesondere gleichen zeitlichen Abständen bewirkte Phasensprünge gleicher Größe, insbesondere von ±90° erfolgt.In a further advantageous embodiment of the invention can be provided that the phase modulation is effected by per bit transmission time in particular equal time intervals caused phase jumps of the same size, in particular of ± 90 °.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass für die Datensignale der mindestens zwei Sender pro Bitübertragungsdauer mindestens ein paar von zueinander inversen Phasensprüngen vorgesehen werden.Furthermore, it can be provided that at least a few mutually inverse phase jumps are provided for the data signals of the at least two transmitters per bit transmission duration.

Ferner kann es nach der Erfindung zweckmäßig sein, wenn die mindestens zwei Sender eine Gruppe von N Sendern umfassen, wobei für die optischen Datensignale des ersten bis N-ten Senders gilt, dass die Anzahl an Phasensprüngen des optischen Datensignals des i-ten Senders gleich 2^i-1 ist, mit i = 1, 2, ..., N – 1 bzw. N und N gleich der Anzahl der Sender.Furthermore, according to the invention, it may be expedient for the at least two transmitters to comprise a group of N transmitters, with the number of phase jumps of the optical data signal of the i-th transmitter being equal to 2 for the optical data signals of the first to Nth transmitters ^i-1 , with i = 1, 2, ..., N-1 or N and N is equal to the number of transmitters.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass für die Datensignale der mindestens zwei Sender pro Bitübertragungsdauer ein Paar von zueinander inversen Phasensprüngen vorgesehen ist, wobei der Zeitabstand dieser Phasensprünge jeweils gleich ist, dass die mindestens zwei Sender eine Gruppe von N Sendern umfasst und dass die Phasensprünge während der Bitübertragungsdauern der Datensignale der Gruppe von N Sendern zeitversetzt erfolgen, wobei für den Phasenversatz der Datensignale des ersten bis N-ten Senders 1 / 2(N-1)·(i – 1)·T_bit. gilt, mit N gleich der Anzahl der Sender, i = 1, 2, ..., N – 1 bzw. N und T_bit gleich der Bitübertragungsdauer.In a further advantageous embodiment of the invention may further be provided that for the data signals of the at least two transmitters per bit transmission time a pair of mutually inverse phase jumps is provided, wherein the time interval of these phase jumps is equal, that the at least two transmitters comprises a group of N transmitters and in that the phase jumps occur during the bit transmission periods of the data signals of the group of N transmitters with a time offset, wherein the phase offset of the data signals of the first to Nth transmitters 1/2 (N-1) · (i-1) · T _bit . is valid, with N equal to the number of transmitters, i = 1, 2, ..., N - 1 or N and T _bit equal to the bit transmission time.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:The invention will be explained in more detail with reference to several embodiments and with reference to the drawings. In detail, they show:

1 schematisch das Prinzip der Transmitter-Diversität, bei der zwei in Abstand positionierte Sender auf das gleiche Ziel strahlen, wobei dann, wenn die Strukturgrößen der Turbulenzzellen kleiner als d_Tx sind, hieraus unterschiedliche Intensitätsmuster resultieren, welche sich inkohärent addieren, wenn die Frequenzen der beiden Sender weit auseinander liegen, 1 schematically illustrates the principle of transmitter diversity, in which two spaced-apart transmitters radiate to the same target, where, if the structure sizes of the turbulence _cells are smaller than d _Tx , resulting in different intensity patterns, which add incoherently when the frequencies of the two Transmitters are far apart,

2 ein Beispiel für einen über 0,5 Sekunden gemessenen Empfangsleistungsvektor an einem Satelliten, 2 an example of a received power vector measured over 0.5 seconds on a satellite,

3 Darstellungen der Signalspektren im Frequenzbereich ohne Überlappung (oben) und mit Überlappung (unten), 3 Representation of the signal spectra in the frequency domain without overlap (top) and with overlap (bottom),

4 ein Blockdiagramm des Senders (linker Teil) und des Empfängers (rechter Teil) gemäß der Erfindung, wobei hier beispielhaft eine zweifache Sender-Diversität ”A” und ”B” gezeigt ist, mehrere Sender aber ebenfalls machbar sind, was das Signal weiter verbessert, 4 a block diagram of the transmitter (left part) and the receiver (right part) according to the invention, wherein here for example a dual transmitter diversity "A" and "B" is shown, but several transmitters are also feasible, which further improves the signal,

5 eine vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäß verarbeiteten Sende- und Empfangssignale und 5 a simplified representation of the present invention processed transmit and receive signals and

6, 7 und 8 schematische Darstellungen dreier weiterer Varianten für die Anzahl und Lage von Phasensprüngen in Abhängigkeit von der Anzahl der für die Sender-Diversität eingesetzten Sender. 6 . 7 and 8th schematic representations of three other variants for the number and location of phase jumps as a function of the number of transmitters used for the transmitter diversity.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das Erfordernis der spektralen Trennung der beiden (oder ”N”) für die Sender-Diversität erforderlichen physikalischen (Teil-)Kanäle eines (Gesamt-)Datenkanals ganz zu umgehen und stattdessen dasselbe Signal (d. h. bei gleicher Frequenz) von beiden bzw. N Sendern gleichzeitig abzustrahlen. Dabei kommt es zu konstruktiven und destruktiven Interferenzen der beiden bzw. N Signale vom Boden (also der maximale Grad des oben beschriebenen Überlagerungs-/Schwebungseffekts), welche sehr starke Fades erzeugen können. Dies wäre normalerweise von Nachteil und würde den Empfang weiter verschlechtern. Nun wird aber erfindungsgemäß eines der beiden N Tx-Div-Signale regelmäßig um +/–90° in der Phase umgetastet, und zwar während einer Bitdauer mehrfach, d. h. mindestens zweimal oder ein Vielfaches davon (geradzahlige Anzahl) (z. B. viermal oder noch öfters k-mal), siehe 4 zum Setup. Das Empfangssignal während einer ”binären Eins” schwankt damit während einer Bitdauer k-mal zwischen einem hohen Wert (konstruktive Interferenz) und einem geringen Wert (destruktive Interferenz), siehe 5. Im Mittel einer Bitdauer ist das Signal aber stabil. Hierzu muss das Empfangssignal nur gemittelt, z. B. durch Tiefpassfiltern, positioniert werden mit der Bandbreite entsprechend der Bitrate – danach sind die schnellen Schwankungen verschwunden und es liegt das Bit als ”saubere Eins” vor (5 ganz unten). Das gesamte Signal schwankt dann nur noch – wie bei einfacher inkohärenter Tx-Div üblich – mit den durch (Tx-Div bereits verbesserten) atmosphärischen Szintillationen.The basic idea of the invention is to completely circumvent the requirement of the spectral separation of the two (or "N") required for the transmitter diversity physical (sub) channels of a (total) data channel and instead the same signal (ie at the same frequency ) from both or N transmitters simultaneously. This results in constructive and destructive interference of the two or N signals from the ground (ie the maximum degree of the above-described overlay / beat effect), which is very strong Can produce fades. This would normally be detrimental and would further degrade the reception. However, according to the invention, one of the two N Tx-div signals is regularly keyed in the phase by +/- 90 °, ie several times during a bit duration, ie at least twice or a multiple thereof (even number) (eg four times or even more often k times), see 4 for setup. The received signal during a "binary one" thus fluctuates k times between a high value (constructive interference) and a low value (destructive interference) during a bit duration, see 5 , On the average of a bit duration, the signal is stable. For this purpose, the received signal only averaged, z. B. by low-pass filtering, be positioned with the bandwidth corresponding to the bit rate - after the fast fluctuations have disappeared and it is the bit as a "clean one" before 5 at the bottom). The whole signal then only fluctuates - as usual with simple incoherent Tx-Div - with the atmospheric scintillations (already improved by Tx-Div).

In 5 werden zu Veranschaulichung vereinfachte Relationen der Größenordnungen der Oszillationsfrequenzen gezeigt, diese verhalten sich in der Realität etwa wie folgt:
Die optische Welle oszilliert (bei 1550 nm Wellenlänge) mit 192 THz, also 192E12 Oszillationen pro Sekunde (blaues und rotes Signal im Bild); die Bitrate (”0”-”1”-”0” im Bild) beträgt in einer beispielhaften Anwendung 40 Gbps, also 40E9 pro Sekunde, die zusätzliche Phasenmodulation oszilliert mit (in diesem Beispiel) z. B. 4x mal pro Bit, also 160E9 Oszillationen pro Sekunde (in 5 nur zweimal dargestellt); schließlich erzeugt die Atmosphäre Signalamplitudenschwankungen von minimal etwa 1 ms, typisch 5 ms, also etwa 200 Fading- oder Surge-Ereignisse pro Sekunde (die atmosphärischen Schwankungen sind in 5 nicht dargestellt).In 5 For simplicity, simplified relations of magnitudes of oscillation frequencies are shown, which in reality behave as follows:
The optical wave oscillates (at 1550 nm wavelength) with 192 THz, ie 192E12 oscillations per second (blue and red signal in the picture); the bit rate ("0" - "1" - "0" in the picture) is 40 Gbps in one exemplary application, ie 40E9 per second, the additional phase modulation oscillates with (in this example) z. Eg 4x times per bit, ie 160E9 oscillations per second (in 5 shown only twice); Finally, the atmosphere generates signal amplitude variations of a minimum of about 1 ms, typically 5 ms, ie about 200 fading or surge events per second (the atmospheric fluctuations are in 5 not shown).

Beispiele für die Anzahl und Lage von Phasenumtastungen der optischen Datensignale, die von den für die Sender-Diversität eingesetzten Sendern (zwei oder mehr) abgestrahlt werden, sind schematisch in den 6 bis 8 gezeigt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Phasenumtastung idealerweise als binäre Umtastung stattfinden soll (π oder Null), so dass die Umtastung als Binärzahl darstellbar ist (Null bedeutet keine Umtastung, 1 bedeutet Umtastung um π = 90°). Bezogen auf 6 müsste also während der Übertragung eines Bits mit der Bitdauer T_bit sämtliche Möglichkeiten zur Überlagerung von n Sendern künstlich erzeugt werden. Die Umschaltfrequenz (Umtastfrequenz) steigt daher für jeden hinzugefügten Sender weiter an. Dabei sind für jeden Sender i eine Anzahl von zwei^(i-1) Phasensprünge notwendig, d. h. für den N-ten Sender zwei^(N-1). Der erste Sender (Sender 1) bleibt hier außen vor, da dieser nie umgetastet wird, sein Signal also nicht phasenmoduliert zu werden braucht.Examples of the number and location of phase shift keying of the optical data signals radiated from the transmitters used for transmitter diversity (two or more) are schematically shown in FIGS 6 to 8th shown. It is assumed that the phase shift keying should ideally take place as binary keying (π or zero), so that the keying can be represented as a binary number (zero means no keying, 1 means keying by π = 90 °). Related to 6 Thus, during the transmission of a bit with the _bit duration T _bit, all possibilities for superimposing n transmitters would have to be generated artificially. The switching frequency (Umtastfrequenz) therefore continues to increase for each added transmitter. In this case, a number of two ^(i-1) phase jumps are necessary for each transmitter i, ie two ^(N-1) for the Nth transmitter. The first transmitter (transmitter 1) remains outside here, since this is never keyed, so its signal does not need to be phase-modulated.

Wird die binäre Darstellung nun im Grey-Code dargestellt (was bedeutet, dass Änderungen von nur einem Bit zur nächsten Zeile vorgenommen werden – siehe 7), kann der Bandbreitenbedarf optimiert werden, da lediglich noch zwei^(N-2) Phasensprünge notwendig sind. Hinsichtlich des ersten Senders (Sender 1) gilt das zuvor Gesagte.If the binary representation is now shown in gray code (meaning that changes are made from one bit to the next) - see 7 ), the bandwidth requirement can be optimized, since only two ^(N-2) phase jumps are necessary. With regard to the first transmitter (transmitter 1), the above applies.

Eine dritte Möglichkeit der Phasenmodulation ist in 8 gezeigt. Mit dieser Vorgehensweise können zwar nicht notwendigerweise die mit den Verfahren nach den 6 und 7 möglichen Anzahlen von Kombinationen realisiert werden, die Simulation des Verfahrens nach 8 aber zeigt, dass diese Variante ebenfalls praktizierbar ist. Ihr Vorteil ist, dass sie eine geringere Modulationsbandbreite benötigt.A third possibility of phase modulation is in 8th shown. Although not necessarily with the procedure according to the 6 and 7 possible numbers of combinations are realized, the simulation of the method according to 8th but shows that this variant is also practicable. Its advantage is that it requires less modulation bandwidth.

Zu den idealisierten Darstellungen und Annahmen hinsichtlich der Varianten gemäß den 6 bis 8 sei noch angemerkt, dass in der praktischen Realisierung eine ”harte” Umschaltung der Phase der optischen Signale nicht bzw. nur schwer umsetzbar ist. Daher kann für eine technische Implementierung der Phasenumtastung nach der Erfindung statt der zuvor beschriebenen rechteckigen Umtastung praktischerweise mit einer Dreieck- oder Sinus-/Kosinusfunktion umgetastet werden.To the idealized representations and assumptions regarding the variants according to the 6 to 8th It should also be noted that in the practical implementation of a "hard" switching the phase of the optical signals is not or difficult to implement. Therefore, for a technical implementation of the phase shift keying according to the invention, instead of the above-described rectangular keying, a triangular or sine / cosine function may conveniently be keyed over.

Vorteile der erfindungsgemäßen Tx-Div:

– Effiziente Nutzbarmachung der Transmitter-(Tx-)Diversität auch für höchstratige DWDM-Übertragung mit IM/DD. Damit wird der Einsatz der DWDM-Übertragung für das wichtige Gebiet ”der optischen GEO Feeder-Links deutlich effizienter – es wird keine optische Bandbreite mehr durch Tx-Div” verbraucht – und die langfristig angestrebte ”Multi-Terabit/s Übertragungskapazität” wird ermöglicht.
– Die Tx-Div kann zu beliebiger Ordnung erhöht werden (z. B. Tx-Div mit 3, 4, oder noch mehr Sendern), ohne dass hierdurch Bandbreite ”verbraucht” wird. Die Empfangssignalstabilität beim Satelliten/Kommunikationspartner kann damit weiter verbessert werden.
– Tx-Div ermöglicht neben der Verringerung der Schwankungen zusätzlich eine Erhöhung der gesamten abgestrahlten Leistung. Dies kann pro Tx-Teleskop z. B. aus technischen Gründen begrenzt sein (z. B. thermische Belastbarkeit der Sendefaser oder sonstiger Bauteile, oder Augensicherheit des Übertragungssystems). Indem die Leistung auf mehrere Sender verteilt wird, kann diesen technischen Einschränkungen effizient begegnet werden.

Advantages of the Tx-Div according to the invention:

- Efficient utilization of transmitter (Tx) diversity also for high-level DWDM transmission with IM / DD. This will enable the use of DWDM transmission for the important area of "optical GEO feeder links significantly more efficient - no optical bandwidth is consumed by Tx-Div" - and the long-term goal of "multi-terabit / s transmission capacity" is made possible.
- The Tx-div can be increased to any order (eg Tx-Div with 3, 4, or even more channels), without this bandwidth is "consumed". The received signal stability at the satellite / communication partner can thus be further improved.
- In addition to reducing the fluctuations, Tx-Div additionally enables an increase in the total radiated power. This can be done per Tx telescope z. B. be limited for technical reasons (eg, thermal load capacity of the transmitting fiber or other components, or eye safety of the transmission system). By distributing the power over several transmitters, these technical limitations can be met efficiently.

Die Erfindung wurde vorliegend anhand des Anwendungsfalls der optischen Datensignalübertragung bei GEO-Feeder-Links (OGFLs) beschrieben. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Einsatz des erfindungsgemäßen Datenübertragungsverfahrens aber nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt ist sondern ebenso Anwendung bei Boden-Flugzeug- oder Boden-Boden-Datenübertragungsszenarien finden kann.The invention has been described in the present case with reference to the application of optical data signal transmission in GEO feeder links (OGFLs). It should be noted at this point that the use of the data transmission method according to the invention, however, is not limited to this application but can also find application in ground-plane or ground-ground data transmission scenarios.

Die Erfindung lässt sich z. B. in folgenden weiteren Anwendungen einsetzen:

– Optische Satelliten-Uplinks (LEO oder GEO), von optischen Bodenstationen.
– Optische Uplinks zu Flugzeugen/UAVs/HAPs, von optischen Bodenstationen.
– Höchstratige horizontale atmosphärische Freistrahloptische Kommunikationssysteme. Diese können z. B. zur Anbindung von Gebäude-LANs an das Internet verwendet werden oder zur Anbindung von Mobilefunk-Basisstationen. weiterreichende FSO-Links (10 bis 20 km) könnten in Zukunft auch als Kommunikations-Backbones eingesetzt werden, insbes. wenn das Fadingproblem beseitigt werden kann.
– Optische Inter-HAP-Links. Diese zukünftigen stratosphärischen Kommunikationsplattformen werden vorteilhafterweise durch optischen Richtfunk verbunden, wobei der Abstand von bis zu einigen hundert Kilometern eine Laufzeit mit sich bringt, die sich bei mehrmaliger Wiederholungsanforderung (ARQ) nachteilig auswirkt.
– Optische Übertragung von Frequenznormalen (”Synchronisation optischer Uhren”).

The invention can be z. B. in the following other applications:

- Optical satellite uplinks (LEO or GEO), from optical ground stations.
- Optical uplinks to aircraft / UAVs / HAPs, from optical ground stations.
Maximum horizontal atmospheric free-space optical communication systems. These can be z. B. for the connection of building LANs are used to the Internet or for the connection of mobile radio base stations. far-reaching FSO links (10 to 20 km) could also be used as communication backbones in the future, especially if the fading problem can be eliminated.
- Optical Inter-HAP links. These future stratospheric communication platforms are advantageously connected by optical radio link, the distance of up to a few hundred kilometers brings a runtime, which has an adverse effect in repeated repeat request (ARQ).
- Optical transmission of frequency standards ("synchronization of optical clocks").

Claims

A method of broadband optical broadband communication having a plurality of data channels different in transmission frequency and using transmitter diversity, the method comprising: transmitting binary optical data signals from at least two transmitters to a common receiver, the optical data signals having the identical binary information; Bits are transmitted during equally long bit transmission periods, characterized in that - the optical data signals are transmitted at the same frequency and are thus assigned to a common data channel and - the optical data signals are phase-modulated, different from each other.

Method according to Claim 1, characterized in that all but one of the optical data signals sent by the at least two transmitters are phase-modulated, that is, different from each other.

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the phase modulation is effected by phase jumps of the same magnitude, in particular ± 90 °, effected in each case over a period of time in particular equal time intervals.

A method according to claim 2 or 3, characterized in that at least a few mutually inverse phase jumps are provided for the data signals of the at least two transmitters per bit transmission duration.

A method according to claim 3 or 4, characterized in that the at least two transmitters comprise a group of N transmitters, wherein for the optical data signals of the first to Nth transmitters, the number of phase jumps of the optical data signal of the ith transmitter is the same 2 ^i-1 , with i = 1, 2, ..., N - 1 and N and N, respectively, equal to the number of transmitters.

Method according to Claim 3, characterized in that a pair of mutually inverse phase jumps is provided for the data signals of the at least two transmitters per bit transmission duration, the time interval of these phase jumps being equal, the at least two transmitters comprising a group of N transmitters, and the Phase shifts occur during the bit transmission periods of the data signals of the group of N transmitters with a time offset, wherein for the phase offset of the data signals of the first to N-th transmitter

1/2 (N-1) · (i-1) · T _bit

is valid, with N equal to the number of transmitters, i = 1, 2, ..., N - 1 or N and T _bit equal to the bit transmission time.