Brevet FR2738969A1 — publié le 19970321

La présente invention a pour objet un procédé de synchronisation d'un oscillateur local, notamment optique, homodyne en modulation verrouillée en phase ainsi qu'un système d'émission/réception mettant en oeuvre ce procédé. Des récepteurs à haute sensibilité sont utilisés dans les systèmes de télécommunication optiques et ils sont en particulier mis en oeuvre dans des liaisons laser en espace libre tels que les systèmes de transmission de données optiques entre satellites, ainsi que dans les systèmes de transmission terrestre à fibre optique. Les récepteurs de type homodyne sont ceux qui présentent la plus grande sensibilité d'entrée lorsqu'ils mettent en oeuvre des signaux d'entrée verrouillés en phase PSK. La limite de sensibilité d'un récepteur optique, qui est liée à la nature quantique de la lumière, est de 9 photons par bit pour un taux d'erreur de 10-9 et pour des signaux binaires. Dans le domaine des micro-ondes, la sensibilité d'un récepteur hétérodyne, c'est-à-dire d'un récepteur qui présente une fréquence intermédiaire différente de 0 et d'un récepteur homodyne, c'est-à-dire d'un récepteur qui présente une fréquence intermédiaire égale à 0, sont approximativement les mêmes. Par contre, dans les systèmes optiques, un récepteur homodyne présente une sensibilité qui est environ deux fois plus élevée. Pour approcher le plus près possible de la limite théorique, il faut que le laser qui constitue l'oscillateur local du récepteur soit parfaitement synchronisé avec la porteuse de fréquence fs du signal d'entrée. La procédure de synchronisation est généralement réalisée par une boucle de commande électrique qui agit sur la fréquence fLO et la phase du laser d'oscillateur local. Le but est de rendre la fréquence d'oscillateur local fLO égale à la fréquence de porteuse fS et d'obtenir une différence de phase de 90 au niveau de l'élément mélangeur optique, c'est-à-dire de la photodiode d'entrée du récepteur. On obtient ainsi la réception homodyne désirée qui transpose directement le signal d'entrée optique modulé en phase PSK en un signal électrique en bande de base en réalisant en même temps la démodulation des données. Lors de la mise en oeuvre pratique d'un récepteur optique homodyne, un problème difficile à résoudre est l'obtention d'un synchronisme de phase. Un premier problème à résoudre est d'obtenir un faible écart par rapport à un état de synchronisation parfait. Une telle procédure de commande nécessite une fraction plus ou moins faible de la puissance optique incidente. Un second problème est donc d'obtenir la synchronisation sans lui affecter une quantité notable de la puissance optique incidente spécifique. Un troisième problème est enfin de mettre en oeuvre dans la boucle de commande un dispositif qui ne cause que des pertes faibles et qui est techniquement fiable. Dans un récepteur optique homodyne, le problème fondamental est donc l'obtention d'une synchronisation de phase entre le signal optique reçu modulé en phase PSK et l'oscillateur local LO. Ceci est réalisé par une boucle de commande dénommée boucle de commande optique verrouillée en phase qui établit la relation de phase de 90 qui est souhaitée entre la porteuse d'entrée et l'oscillateur local. Pour ce faire, trois systèmes principaux ont été jusqu'à présent mis en oeuvre. Le premier système met en oeuvre un récepteur à porteuse pilote qui fonctionne avec un signal d'entrée dont la modulation de phase est incomplète, c'est-à-dire que la porteuse est modulée en phase de manière binaire d'une quantité + a avec a Le principal problème que pose le récepteur à porteuse pilote est la nécessité d'un couplage en continu entre la sortie de la photodiode jusqu'à l'entrée d'accord du laser d'oscillateur local. Dans cette partie de la boucle de commande, le signal de commande de faible amplitude est accompagné d'une composante continue importante qui a pour origine le mélange du champ de l'oscillateur local avec lui-même, c'est-à-dire la sortie de détection directe. Il n'est pas possible de compenser cette composante continue à long terme et sans dérive. I1 n'est de ce fait pas possible d'obtenir un fonctionnement fiable de la boucle de synchronisation sur une longue période si la puissance d'entrée optique est faible, ce qui est généralement le cas dans les applications envisagées. Un deuxième système est le récepteur à boucle de Costas qui a été décrit dans l'Article intitulé "Synchronous communications1 de John P. COSTAS, publié dans les "Proceedings of the IRE (Décembre 1956). Ce récepteur est capable de réaliser une synchronisation de phase même dans le cas d'une modulation de phase PSK complète (a = 90'), et donc en l'absence de composante de porteuse. La figure 2a montre un exemple du signal çs(t) de modulation de phase numérique et le diagramme vectoriel correspondant est représenté à la figure 2b. Une unité de pré-traitement optique combine le champ reçu et le champ d'oscillateur local. Ce dispositif démonte hybride à 90 présente une entrée à deux bras de réception. Dans l'entrée qui est en phase, une photodiode génère un signal qui est proportionnel au cosinus de l'erreur de phase optique. Le second bras génère le signal en quadrature du champ d'entrée optique. Un mélangeur radiofréquence réalise une fonction de redresseur à commutation pour le signal du bras en quadrature et il est commandé par le signal du bras en phase. Sa sortie est filtrée par le filtre de boucle qui est un filtre passe-bas et qui permet au signal de commande d'être appliqué à l'oscillateur local. C'est la non-linéarité de l'élément mélangeur qui permet de synchroniser l'oscillateur local LO avec une porteuse inexistante". L'avantage de ce récepteur est son couplage alternatif jusqu'au niveau du mélangeur radio-fréquence. A cet endroit, les niveaux des signaux sont suffisamment importants pour ne pas être affectés par des problèmes de dérive. L'inconvénient de ce système est par contre que jusqu'à présent il n'a pas été possible de réaliser un hybride optique à 90 du type à faible perte par exemple en technologie à fibre optique. Un troisième type de système est constitué par un récepteur à bit de synchronisation. I1 est décrit dans le Brevet allemand DE-41 10 138 ainsi que dans l'Article de B. VANDERNOTH intitulé N1064 nm, 565 Mbit/s PSK Transmission Experiment with Homodyne Receiver Using Synchronisation Bits M publié dans ELECTRONICS LETTERS du 12 septembre 1991, vol.27, n 19, pages 1692 et 1693. I1 utilise des fenêtres temporelles, par exemple de longueur 1 bit à la place de données encodées. Ces fenêtres sont utilisées pour transmettre le signal de porteuse pur.La figure 3a montre un exemple du signal çs(t) de modulation numérique de phase et la figure 3b montre le diagramme vectoriel correspondant. Ce système nécessite un multiplexage temporel des données et du signal de porteuse pur lors de la transmission et un démultiplexage correspondant lors de la réception. En outre, le débit binaire de transmission est plus élevé que le débit des données. L'avantage de ce récepteur est qu'il nécessite uniquement un hybride à 180 pour la superposition spatiale du champ d'entrée et du champ local. De tels éléments sont disponibles en technologie à fibre optique avec de bonnes caractéristiques. Par contre, les circuits électroniques pour introduire les bits de synchronisation dans le transmetteur et pour les récupérer dans le récepteur sont extrêmement complexes. I1 faut en effet garder présent à l'esprit que les échelles temporelles qui sont envisagées peuvent être de l'ordre de la nanoseconde.En outre, le rapport entre les bits de synchronisation et les bits de données est établi une fois pour toutes par ces circuits électroniques. I1 n'est donc pas possible de faire varier la puissance d'entrée optique qui est utilisée pour la synchronisation du laser d'oscillateur local, pour l'adapter aux nécessités de mise en oeuvre et notamment aux variations d'instabilité de phase du laser. La présente invention a pour objet un procédé et un système permettant de remédier au moins partiellement aux inconvénients précités et plus particulièrement un procédé et un système couplés en alternatif et qui permettent de ne dériver pour la synchronisation qu'une faible partie de la puissance disponible, cette partie restant facilement ajustable en fonction des conditions rencontrées en pratique, et qui, dans le cas d'un récepteur optique ne nécessitent pas d'élément hybride à 90'. L'invention concerne ainsi un procédé de synchronisation d'un oscillateur local d'un récepteur, notamment optique, homodyne en modulation verrouillée en phase caractérisé en ce qu'il met en oeuvre - à l'émission la modulation d'une porteuse, notamment optique, par un signal de modulation qui est la somme d'une part d'un signal de données a(t) modulé avec une déviation de phase de 90 et d'autre part d'un signal additionnel modulé avec une déviation de phase très inférieure à 90', le signal additionnel étant le produit du signal de données a(t) et d'un signal d'horloge c(t) - à la réception une étape a) de filtrage du signal de modulation reçu, une étape b) de récupération d'au moins le signal d'horloge à partir du signal de modulation filtré, une étape c) de multiplication du signal d'horloge et du signal de modulation reçu pour obtenir un signal multiplié, une étape d) de filtrage passe-bas du signal multiplié, et une étape e) de commande de la phase de l'oscillateur local à partir du signal multiplié filtré. Dans le cas d'une application optique, le récepteur homodyne nécessite un hybride à 180 qui est un composant connu, qui peut être par exemple un coupleur directionnel, soit en optique intégrée, soit en technologie à fibre optique. Etant donné que les signaux qui portent l'information sur la phase sont de nature alternative, la partie amont, qui est la plus sensible, de la boucle verrouillée en phase peut être couplée en alternatif. En outre, la boucle verrouillée en phase fonctionne indépendamment du signal de données et par conséquent, il n'existe pas de diaphonie entre les données et le verrouillage de phase. La boucle se verrouille sur les différences de phases O qui sont égales à des multiples pairs de 90 et par conséquent, il n'existe pas d'ambiguité pour savoir si un symbole démodulé est une marque ou un espace. La proportion de la puissance optique qui est nécessaire à la synchronisation de phase de l'oscillateur local peut être modifié aisément en jouant sur la valeur de la déviation de phase . Ceci est un avantage étant donné que la stabilité en fréquence des lasers est susceptible d'évoluer durant leur durée de vie. En pratique, on choisira la plus faible valeur de compatible avec une bonne synchronisation. On peut choisir par exemple pour que la puissance utilisée pour la synchronisation soit comprise entre 0,5% et 10% (et soit de préférence égale à 1%) de la puissance totale. L'étape b) peut également mettre en oeuvre une récupération du signal de données. L'étape a) met de préférence en oeuvre l'élimination de la composante du signal d'horloge présente dans le signal additionnel modulé. L'invention concerne également un système pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus caractérisé en ce qu'il comporte a) un émetteur comprenant un modulateur de phase produisant ledit signal de modulation b) un récepteur comportant successivement un coupleur à 180 présentant une première entrée de réception du signal de modulation et une deuxième entrée couplée à la sortie dudit oscillateur local, un filtre adapté et un circuit de récupération de signal d'horloge, ainsi qu'un multiplieur recevant à une première entrée le signal d'horloge fourni par le circuit de récupération du signal d'horloge, et à une deuxième entrée le signal de sortie du coupleur à 180-, la sortie du multiplieur attaquant un filtre passe-bas dont la sortie est couplée à une entrée de commande de phase de l'oscillateur local. Le filtre adapté présente de préférence une caractéristique d'élimination de la composante du signal d'horloge présente dans le signal additionnel modulé. L'invention concerne également un émetteur pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini cidessus caractérisé en ce qu'il comporte un modulateur de phase produisant ledit signal de modulation émis et comportant un modulateur de phase produisant ledit signal de modulation émis et comportant - un moyen pour moduler une porteuse, notamment optique par un signal de données, avec une déviation de phase de 90', - un moyen pour multiplier le signal de données par un signal d'horloge pour produire un signal de multiplication, - un moyen pour moduler additionnellement la porteuse par le signal de multiplication avec une déviation de phase inférieure à 90', la valeur de étant éventuellement modifiable. L'invention concerne enfin un récepteur pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus caractérisé en ce qu'il comporte successivement un coupleur à 180 présentant une première entrée de réception dudit signal de modulation et une deuxième entrée couplée à la sortie dudit oscillateur local, un filtre adapté et un circuit de récupération du signal d'horloge, et en ce qu'il comporte un multiplieur recevant à une première entrée le signal d'horloge fourni par le circuit de récupération du signal d'horloge et à une deuxième entrée le signal de sortie dudit coupleur à 180-, la sortie du multiplieur attaquant un filtre passebas dont la sortie est couplée à une entrée de commande de phase de l'oscillateur local. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins, dans lesquels - les figures la et lb illustrent un récepteur à porteuse pilote selon l'Art Antérieur tel que mentionné ci-dessus - les figures 2a et 2b illustrent la mise en oeuvre d'un récepteur à boucle de Costas tel que mentionné ci-dessus - les figures 3a et 3b illustrent la mise en oeuvre d'un récepteur à bit de synchronisation de l'Art Antérieur tel que mentionné ci-dessus - la figure 4 est un bloc diagramme d'un mode de réalisation d'un système selon l'invention ; et - les figures 5a et 5b sont respectivement une illustration du signal (p5(t) et le diagramme vectoriel correspondant, les figures 6a à 6d étant les chronogrammes correspondant respectivement au signal de données a(t), au signal d'horloge c(t), au signal additionnel modulé a(t)c(t)e et au signal (p5(t) de la figure 5a. Le procédé selon l'invention utilise pour la modulation des données sur la porteuse optique le format PSK habituel c'est-à-dire que a = 90'. L'information de phase de la porteuse (virtuelle) du champ d'entrée est contenue dans les composantes de fréquence qui sont introduites par une petite modulation de phase additionnelle à la fréquence d'horloge des données et qui est également émise par le transmetteur. Le signal transmis peut être représenté par deux porteuses de même fréquence et en quadrature qui sont modulées respectivement par les signaux d'horloge et de données. L'amplitude de la porteuse des données est très supérieure à l'amplitude de la porteuse du signal d'horloge additionnel. Cette relation assure que seule une petite proportion de la puissance optique transmise (de 1 à quelques %, par exemple de 1 à 5 %) est utilisée pour fournir l'information de synchronisation et est de ce fait perdue pour la transmission des données. L'allure des signaux cps(t) est donnée à titre indicatif à la figure 5a avec pour la modulation des données une amplitude de + 90 ' et pour le signal additionnel une amplitude de + A l'émission, on additionne entre eux deux signaux modulés en phase respectivement a(t) s/2 et a(t) c(t) qui sont appliqués à un modulateur PM qui module la lumière émise par un laser. A la réception, dans un récepteur R, le signal optique est appliqué à une entrée d'un hybride à 180 dont l'autre entrée reçoit la sortie du laser d'oscillateur local LO. Les deux sorties de l'hybride sont appliquées à des photodiodes P1 et P2 et recombinées puis amplifiées par un amplificateur A sous forme d'un signal électrique S. Le signal de sortie S du coupleur hybride CH est appliqué à l'entrée d'un filtre adapté qui peut être un filtre de mise en forme qui élimine les composantes d'horloge présentes dans le signal additionnel modulé a(t) c(t) .La sortie du filtre MF produit donc le signal de données modulé en phase qui est introduit à l'entrée d'un circuit de récupération de signaux de données et d'horloge qui, de manière classique, récupère le rythme des informations en ligne pour fournir en sortie un signal d'horloge C et d'autre part un signal de données démodulé D. Le filtre MF et le circuit DCR peuvent être ainsi réalisés de manière connue. Le filtre adapté MF peut être en particulier déterminé selon l'enseignement de l'ouvrage "Digital communication de Edward A. Lee et David G. Nesserschmitt, publié par KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS à Boston (1988). Le filtre est réalisé de telle sorte que sa réponse impulsionnelle soit orthogonale avec l'impulsion d'horloge, ce qui fait que l'impulsion d'horloge du signal additionnel d'horloge n'entre pas dans le circuit DCR. Seul le signal de données franchit le filtre MF du circuit DCR, lequel fonctionne de manière classique. Le signal de sortie S du coupleur hybride et le signal d'horloge c(t) démodulé sont multipliés dans un multiplieur M dont la sortie attaque un filtre passe-bas LF dont la sortie fournit un signal proportionnel au sinus du déphasage à corriger. Le filtre passe-bas LF filtre les composantes à la fréquence d'horloge de données et au-dessus et ne conserve que les signaux de variations lentes caractéristiques des variations de phases. La phase du laser d'oscillateur local LO est modulée par la sortie du filtre passe-bas LF et la sortie du laser LO attaque l'autre entrée du coupleur hybride à 180 en refermant ainsi la boucle verrouillée en phase PLL. Lorsque l'onde émise par le laser LO est parfaitement synchronisée en phase avec la composante de données de l'onde lumineuse incidente, le courant photoélectrique généré par la détection homodyne contient seulement le signal de données. Dans le cas contraire, le courant photoélectrique contient également le signal d'horloge. L'invention peut être expliquée de la manière suivante Soit un signal de données a(t) en bande de base qui est, à l'entrée du récepteur où Ak E(-1,l} et représente les symboles de données, 1/T représente le débit binaire et p(t) est une impulsion de forme rectangulaire Le signal d'horloge c(t) est de la forme dans lequel l'impulsion q(t) est 1 Si 0 t I T/2 q(t) = # -1 si T/2 t T 0 sinon. En cas de modulation "zéro du transmetteur, le champ électrique de la porteuse optique monochromatique qui attaque la photodiode réceptrice peut être représenté par où Ps est la puissance optique moyenne et o, est la fréquence angulaire de l'onde lumineuse. Le modulateur optique de phase module la phase de la porteuse optique de ps(t) = a(t) s/2 + a(t)c(t) où l'angle e satisfait à la relation e 5a). En tenant compte des égalités a(t) = + 1 et c(t) = 1, l'onde lumineuse reçue par la ou les photodiodes peut être représentée par De la sorte, le signal d'entrée du récepteur peut être représenté par deux porteuses en quadrature qui sont modulées respectivement par les signaux d'horloge et de données. L'amplitude complexe des signaux modulés est Le diagramme correspondant des vecteurs de phase est représenté à la figure 5b et les signaux a(t), c(t), a(t) c(t) et çs(t) sont représentés aux figures 6 à 6d. La puissance optique des composantes portant respectivement les données et l'horloge sont respectivement Pscos2 e et P5sin2 e. Le champ électrique généré par l'onde lumineuse de l'oscillateur local qui illumine la ou les photodiodes peut être représenté par où PLO est la puissance optique de l'oscillateur local LO et représente une phase qui varie en fonction du temps. Pour un récepteur homodyne, la fréquence de l'oscillateur local LO est égale à celle de la porteuse de transmission soit oLO = oe5. Le courant photoélectrique généré iD(t) est iD(t) = S(Es(t) + ELO(t))2 où S représente la sensibilité de la ou des photodiodes et la barre horizontale indique une moyenne temporelle. Le courant photoélectrique alternatif est alors Lorsque e(t) = 0, le laser de l'oscillateur local est parfaitement synchronisé avec la composante porteuse de données du signal optique incident. Le signal détecté est appliqué à un filtre adapté de réponse impulsionnelle p(t). Etant donné que p(t) est orthogonal à l'impulsion d'horloge q(t), la sortie du filtre échantillonné est indépendante de c(t) et proportionnelle à Akcos e cos e. La variation de la phase e(t) de l'oscillateur local LO pendant la durée T d'un bit est négligeable. Un circuit de récupération des signaux de données et d'horloge permet d'obtenir Ak et c(t) à partir de la sortie du filtre. La multiplication du courant photoélectrique par le signal d'horloge récupéré donne On applique le signal de sortie du multiplicateur à un filtre passe-bas qui filtre les composants c(t) et a(t) et qui produit alors à sa sortie un signal proportionnel à sin sin e(t) r Le filtre de boucle ("look filter") est un filtre passe-bas dont la sortie peut être donc utilisée pour commander la phase du laser d'oscillateur local et fermer la boucle verrouillée en phase PLL. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit et représenté. En particulier, le signal de modulation pourrait être réalisé différemment du mode de réalisation préféré de la figure 4. REVUDICATIOXS 1. Procédé de synchronisation d'un oscillateur local d'un récepteur, notamment optique, homodyne en modulation verrouillée en phase caractérisé en ce qu'il met en oeuvre - à l'émission la modulation d'une porteuse, notamment optique, par un signal de modulation qui est la somme d'une part d'un signal de données a(t) modulé avec une déviation de phase de 90 et d'autre part d'un signal additionnel modulé avec une déviation de phase très inférieure à 90', le signal additionnel étant le produit du signal de données a(t) et d'un signal d'horloge c(t) - à la réception une étape a) de filtrage du signal de modulation reçu, une étape b) de récupération d'au moins le signal d'horloge à partir du signal de modulation filtré, une étape c) de multiplication du signal d'horloge et du signal de modulation reçu pour obtenir un signal multiplié, une étape d) de filtrage passe-bas du signal multiplié pour obtenir un signal multiplié filtré, et une étape e) de commande de la phase de l'oscillateur local à partir du signal multiplié filtré. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape b) met en oeuvre également une récupération du signal de données. 3. Procédé selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape a) met en oeuvre l'élimination de la composante du signal d'horloge présente dans le signal additionnel modulé. 4. Système pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte a) un émetteur comprenant un modulateur de phase produisant ledit signal de modulation b) un récepteur comportant successivement un coupleur à 180 présentant une première entrée de réception dudit signal de modulation et une deuxième entrée couplée à la sortie dudit oscillateur local, un filtre adapté et un circuit de récupération de signal d'horloge, ainsi qu'un multiplieur recevant à une première entrée le signal d'horloge fourni par le circuit de récupération du signal d'horloge, et à une deuxième entrée le signal de sortie du coupleur à 180-, la sortie du multiplieur attaquant un filtre passe-bas dont la sortie est couplée à une entrée de commande de phase de l'oscillateur local. -5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le filtre adapté présente une caractéristique d'élimination de la composante du signal d'horloge présente dans le signal additionnel modulé. 6. Emetteur pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un modulateur de phase produisant ledit signal de modulation émis et comportant - un moyen pour moduler une porteuse, notamment optique, par un signal de données, avec une déviation de phase de 90', - un moyen pour multiplier le signal de données par un signal d'horloge pour produire un signal de multiplication, - un moyen pour moduler additionneîîement la porteuse par le signal de multiplication avec une déviation de phase inférieure à 90'. 7. Récepteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la déviation de phase est modifiable. 8. Récepteur pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte successivement un coupleur (CH) à 180 présentant une première entrée de réception dudit signal de modulation et une deuxième entrée couplée à la sortie dudit oscillateur local (LO), un filtre adapté (MF) et un circuit (DCR) de récupération du signal d'horloge, et en ce qu'il comporte un multiplieur (M) recevant à une première entrée le signal d'horloge (C) fourni par le circuit (DCR) de récupération du signal d'horloge et à une deuxième entrée le signal de sortie (S) dudit coupleur à 180-, la sortie du multiplieur (M) attaquant un filtre passe-bas (LF) dont la sortie est couplée à une entrée (E) de commande de phase de l'oscillateur local (LO).