DE102008026391A1

DE102008026391A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Synchronisation eines Taktsignals mit einem Referenztaktsignal

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Publication number: DE102008026391A1
Application number: DE200810026391
Authority: DE
Inventors: Andreas Binner; Maik Brett; Bernhard Gerstenberg
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Synchronisation eines Taktsignals (CLK) auf ein durch eine zeitliche Zeitmarkenfolge (PCR) repräsentiertes Referenztaktsignal. Bei dem Verfahren ist vorgesehen: - Inkrementieren oder Dekrementieren eines Zählers durch das Taktsignal (CLK) und Auslesen des Zählers (12) mit jeder Zeitmarke der Zeitmarkenfolge (PCR), um eine Zählerwertfolge (STC) zur Verfügung zu stellen; - Erzeugen einer ersils abhängig sind von Differenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zählerwerten der Zählerwertfolge (STC); - Erzeugen einer zweiten Folge von Differenzwerten (DeltaPCR), die jeweils abhängig sind von Differenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitmarken der Zeitmarkenfolge (PCR); - Erzeugen einer Folge von Einstellwerten (vincr(k)) aus der ersten Folge von Differenzwerten (DeltaSTC) und der zweiten Folge von Differenzwerten (DeltaPCR) mittels eines ersten Filterverfahrens oder eines zweiten Filterverfahrens; - Einstellen einer Frequenz des Taktsignals (fCLK) unter Verwendung der Einstellwerte (vincr(k)), wobei das erste Filterverfahren zu Beginn einer Synchronisation des Taktsignals angewendet wird und wobei auf das zweite Filterverfahren umgeschaltet wird, wenn ein erstes Umschaltkriterium erfüllt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation eines Taktsignals mit einem Referenztaktsignal, insbesondere mit einem durch eine Folge von Zählerständen oder sogenannten ”Zeitmarken” (Time Stamps) repräsentierten Referenztaktsignal.
Bei Datenübertragungsverfahren nach dem MPEG-2-Standard werden kodierte Video- oder Audiodaten in Form eines sogenannten Transportstroms (Transport Streams, TS) übertragen. Ein solcher Transportstrom umfasst eine Folge von Datenpaketen, die aus einer Kodierung eines Audio- oder Videosignals resultieren. Um eine Synchronisation zwischen einer senderseitigen Kodierung der Audio- oder Videodaten und einer empfängerseitigen Dekodierung dieser Daten zu ermöglichen, werden dem Transportstrom senderseitig Zeitmarken hinzugefügt. Diese Zeitmarken sind Zählerstände eines Zählers, der im Takt eines zur senderseitigen Signalverarbeitung verwendeten Taktsignals inkrementiert oder dekrementiert wird. Anhand einer Differenz zwischen den Werten zweier aufeinanderfolgender Zeitmarken und anhand eines zeitlichen Abstands dieser Zeitmarken kann empfängerseitig auf die Frequenz dieses Taktsignals geschlossen werden.
Über einen Datenkanal können beim MPEG-2-Verfahren mehrere Transportströme im Zeitmultiplex auf einen Datenstrom abgebildet und übertragen werden, wobei die einzelnen Transportströme durch Transportstromkennungen (Transport Stream Identifiers (IDs)), die den Datenpaketen der einzelnen Transportströme vorangestellt werden, unterscheidbar sind. Anhand dieser Transportstromkennungen kann empfängerseitig ein bestimmter Transportstrom aus dem Datenstrom ausgewählt und verarbeitet werden. Die einzelnen Transportströme können sender seitig unter Verwendung unterschiedlicher Taktsignale verarbeitet werden, so dass mit jedem Wechsel eines Transportstroms ein empfängerseitig vorhandenes Taktsignal neu auf die im jeweiligen Transportstrom enthaltenen Zeitmarken synchronisiert werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Synchronisation eines Taktsignals auf ein durch eine Folge von Zeitmarken repräsentiertes Referenztaktsignal zur Verfügung zu stellen, das eine schnelle Synchronisation ermöglicht und das robust gegenüber fehlerhaften oder einzelnen fehlenden Zeitmarken ist, und eine Vorrichtung zur Synchronisation eines Taktsignals zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 13 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Synchronisation eines Taktsignals auf ein durch eine zeitliche Zeitmarkenfolge (PCR) repräsentiertes Referenztaktsignal ist vorgesehen:

– Inkrementieren oder Dekrementieren eines Zählers durch das Taktsignal und Auslesen des Zählers mit jeder Zeitmarke der Zeitmarkenfolge, um eine Zählerwertfolge zur Verfügung zu stellen,
– Erzeugen einer ersten Folge von Differenzwerten (ΔSTC), die jeweils abhängig sind von Differenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zählerwerten der Zählerwertfolge,
– Erzeugen einer zweiten Folge von Differenzwerten, die jeweils abhängig sind von Differenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitmarken der Zeitmarkenfolge,
– Erzeugen einer Folge von Einstellwerten aus der ersten Folge von Differenzwerten und der zweiten Folge von Differenzwerten mittels eines ersten Filterverfahren oder eines zweiten Filterverfahren,
– Einstellen einer Frequenz des Taktsignals unter Verwendung der Einstellwerte,

Beispiele des Verfahrens und der Vorrichtung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Die Figuren sind dabei nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Erläuterung des Grundprinzips. In den Figuren sind dabei lediglich die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen Teile und Signale dargestellt. In den Figuren bezeichnen, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Signale mit gleicher Bedeutung.
1 veranschaulicht ein Beispiel einer Vorrichtung zur Synchronisation eines Taktsignals, einen Zähler und ein Filter aufweist.
2 veranschaulicht ein Beispiel des Filters.
3 veranschaulicht eine grundsätzliche Funktionsweise eines Synchronisationsverfahrens anhand zeitlicher Signalverläufe.
4 veranschaulicht eine Funktionsweise des Synchronisationsverfahrens bei einem Frequenzsprung.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Synchronisation eines Taktsignals CLK auf ein durch eine Folge von Zeitmarken repräsentiertes Referenztaktsignal PCR, das nachfolgend auch als Zeitmarkenfolge bezeichnet wird, wird nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert.
1 zeigt eine Synchronisationsschaltung, die beispielsweise Teil einer Empfängerschaltung zum Empfang und Weiterverarbeitung eines MPEG-Datenstroms ist. Diese Synchronisationsschaltung weist einen Taktgenerator 11 auf, dem ein Eingangstaktsignal CLK₀ sowie ein Einstellsignal vincr(k) zugeführt sind. Das Taktsignal CLK₀ wird in nicht näher dargestellter Weise, beispielsweise durch einen Quarzoszillator oder einen anderen geeigneten Oszillator, erzeugt. Der Taktgenerator 11 ist beispielsweise ein digitaler Oszillator (Digital Time Oscillator, DTO) und erzeugt ein Taktsignal CLK abhängig von dem Eingangstaktsignal CLK₀ und dem Einstellsignal vincr(k). Das Eingangstaktsignal CLK₀ bestimmt dabei eine Grundfrequenz des Taktsignals CLK, wobei die Frequenz des Taktsignals CLK über das Einstellsignal vincr(k) innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches, der die Grundfrequenz umfasst, auf einen von dem Einstellsignal vincr(k) abhängigen Frequenzwert einstellbar ist. Taktgeneratoren mit einer solchen Funktion sind hinlänglich bekannt, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet werden kann.
Das Einstellsignal vincr(k) wird durch eine Synchronisationsschaltung abhängig von dem Taktsignal CLK und abhängig von dem durch eine Folge von Zeitmarken repräsentierten Referenztaktsignal PCR erzeugt. Dieses Referenztaktsignal PCR wird beispielsweise durch einen Demultiplexer 17 aus einem Transportstrom TS ”ausgelesen”. Weitere in diesem Transportstrom TS enthaltene Daten sind beispielsweise Audiodaten AS, Videodaten VS oder Daten weiterer Datenquellen DS. Das auf das Referenztaktsignal PCR synchronisierte Taktsignal CLK wird hierbei in nicht näher dargestellter Weise zur weiteren Ver arbeitung, insbesondere zur Dekodierung, dieser weiteren in dem Transportstrom TS enthaltenen Daten AS, VS, DS verwendet.
Die Synchronisationsschaltung weist einen Zähler 12 auf, dem das Taktsignal CLK zugeführt ist und der im Takt des Taktsignals CLK entweder inkrementiert oder dekrementiert wird und der an seinem Ausgang eine Folge STC von Zählerwerten bereitstellt, wobei jeder der ausgegebenen Zählerwerte dem momentanen Zählerstand des Zählers 12 entspricht. Ein Zähler 12, der durch das Taktsignal CLK inkrementiert wird, wird hierbei dann verwendet, wenn das Referenztaktsignal PCR derart generiert wurde, dass die Werte der im Referenztaktsignal PCR enthaltenen Zeitmarken über der Zeit größer werden, während ein durch das Taktsignal CLK dekrementierter Zähler 12 dann verwendet wird, wenn das Referenztaktsignal PCR derart generiert wurde, dass die Werte der Zeitmarken über der Zeit kleiner werden. Das Referenztaktsignal kann senderseitig beispielsweise so erzeugt werden, dass ein Zähler im Takt eines senderseitig vorhandenen Taktsignals inkrementiert oder dekrementiert wird und dass Zählerwerte dieses Zählers in zeitlichen Abständen ausgelesen und als Zeitmarken übertragen werden.
Die grundsätzliche Funktion der in 1 dargestellten Synchronisationsschaltung besteht darin, das Einstellsignal vincr(k) so zu erzeugen, dass eine Differenz zwischen zwei Zählerwerten des in der Synchronisationsschaltung vorhandenen Zählers 12, die zu solchen Zeitpunkten vorliegen, an denen jeweils eine Zeitmarke des Referenztaktsignals PCR empfangen wird, der Differenz der Werte dieser beiden Zeitmarken entspricht. Unter der Annahme, dass die Zeitmarken im selben zeitlichen Abstand empfangen werden, in dem sie senderseitig erzeugt wurden, entspricht eine Frequenz des Taktsignals CLK dann der eines senderseitigen Taktsignals, mit dem der zur Erzeugung der Zeitmarken verwendete Zähler (nicht dargestellt) hochgezählt wurde. Der Einfachheit halber können der in der empfängerseitigen Synchronisationsschaltung vorhandene Zähler 12 und der senderseitig zur Erzeugung der Zeitmarken PCR verwendete Zähler so realisiert sein, dass sie mit jedem Takt des jeweiligen Taktsignals um einen gleichen Wert inkrementiert oder dekrementiert werden. Andernfalls kann dem empfängerseitigen Zähler 12 ein Dividierer oder ein Multiplizierer nachgeschaltet werden der ein unterschiedliches Zählverhalten der beiden Zähler ausgleicht.
In der Synchronisationsschaltung wird eine Zählerwertfolge STC erzeugt, die derart auf die Zeitmarkenfolge PCR synchronisiert ist, dass ein Zählerwert der Zählerwertfolge STC jeweils zum selben Zeitpunkt wie eine Zeitmarke der Zeitmarkenfolge PCR vorliegt. Hierzu ist dem Zähler 12 in dem dargestellten Beispiel ein Abtastglied 15 nachgeschaltet, das einen am Ausgang des Zählers 12 im Takt des Taktsignals CLK vorliegende Zählerwertfolge STC' jeweils zu solchen Zeitpunkten abtastet, zu den eine Zeitmarke in der Zeitmarkenfolge PCR vorliegt. Das Abtastglied ist zu diesem Zweck durch die Zeitmarkenfolge PCR gesteuert und stellt an einem Ausgang die abgetastete Zählerwertfolge STC zur Verfügung. Die Synchronisationsschaltung weist eine erste Differenzbildungseinheit 14 auf, die eine Differenz ΔPCR zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitmarkenwerten erzeugt. Diese Differenzen ΔPCR werden nachfolgend als Zeitmarkendifferenzen bezeichnet. Eine zweite Differenzbildungseinheit 13 erzeugt Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden Zählerwerten der abgetasteten Zählerwertfolge STC und stellt eine Folge ΔSTC von Differenzen der Zählerwerte zur Verfügung. Diese Differenzen werden nachfolgend als Zählerwertdifferenzen bezeichnet. Zeitliche Abstände zwischen einzelnen Zählerwerten der Zählerwertfolge STC und zeitliche Abstände zwischen einzelnen Zeitmarken der Zeitmarkenfolge PCR stimmen dann überein. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass diese zeitlichen Abstände variieren können, insbesondere dann, wenn eine Zeitmarke bei der Übertragung ”verloren geht” oder nicht aus dem Transportstrom extrahiert wird.
Die Differenzbildungseinheiten 13, 14 weisen jeweils ein Speicherglied bzw. Verzögerungsglied 131, 141 und einen Subtrahierer 132, 142 auf, wobei der Subtrahierer 132, 142 einen in dem Speicherglied 131, 141 gespeicherten vorherigen bzw. um Eins verzögerten Wert der jeweiligen Folge STC, PCR von dem aktuellen Wert der jeweiligen Folge STC, PCR subtrahiert. Der in dem Speicherglied 131, 141 gespeicherte Wert entspricht hierbei dem jeweils unmittelbar vorangegangenen Wert der jeweiligen Folge STC, PCR.
Ein am Ausgang der ersten Differenzbildungseinheit 14 zur Verfügung stehender Differenzwert wird nachfolgend als Zeitmarkendifferenz ΔPCR bezeichnet, und ein am Ausgang der zweiten Differenzbildungseinheit 13 zur Verfügung stehende Differenzwert wird nachfolgend als Zählerdifferenz ΔSTC bezeichnet. Diese Zählerdifferenz ΔSTC und diese Zeitmarkendifferenz ΔPCR sind einer Filtereinheit 20 zugeführt, die das Einstellsignal vincr(k) aus diesen Differenzen ΔSTC, ΔPCR erzeugt. Ein Ausführungsbeispiel eines solches Filters 20 ist in 2 dargestellt.
Dieses Filter 20 weist zwei Filterstufen, eine erste Filterstufe 30 und eine zweite Filterstufe 40 auf, denen jeweils die Zeitmarkendifferenzen ΔPCR und die Zählerdifferenzen ΔSTC zugeführt sind und die zur Erzeugung des Einstellsignals vincr(k) komplementär zueinander aktiviert werden, d. h. das Einstellsignal vincr(k) wird zu einem Zeitpunkt nur von jeweils einer der beiden Filterstufen 30, 40 erzeugt. Bei der in 2 dargestellten Filterschaltung wird diese komplementäre Aktivierung der Filterstufen durch einen Multiplexer 51 erreicht, der Ausgängen der beiden Filterstufen 30, 40 nachgeschaltet ist und der abhängig von einem noch zu erläuternden Steuersignal S51 das Ausgangssignal nur einer der beiden Filterstufen 30, 40 als Einstellsignal vincr(k) weitergibt. Mit vincr₃₀(k) ist in 2 ein erstes Einstellsignal bezeichnet, das durch die erste Filterstufe 30 aus den Zeitmarkendifferenzen ΔPCR und den Zählerdifferenzen ΔSTC er zeugt wird, und vincr₄₀(k) bezeichnet ein zweites Einstellsignal, das durch die zweite Filterstufe 40 aus den Zeitmarkendifferenzen ΔPCR und den Zählerdifferenzen ΔSTC erzeugt wird. Der Multiplexer 51 wählt nach Maßgabe des Steuersignals S51 das erste oder zweite Einstellsignal vincr₃₀(k), vincr₄₀(k) aus und stellt dies als Einstellsignal vincr(k) dem Oszillator (11 in 1) zur Verfügung.
Die erste Filterstufe 30 umfasst bei der dargestellten Filteranordnung einen Proportionalregler 31, der ein zu einem Quotienten aus der Zeitmarkendifferenz ΔPCR und der Zählerdifferenz ΔSTC sowie ein vom jeweils vorangehenden Ausgangssignalwert vincr₃₀(k – 1) abhängiges Signal vincr'(k) erzeugt.
Es gilt dabei:
Das Ausgangssignal vincr'(k) des Proportionalreglers 31 ist einem Tiefpassfilter 32 zugeführt, an dessen Ausgang das durch die erste Filterstufe 30 erzeugte Einstellsignal vincr(k) zur Verfügung steht. Das Tiefpassfilter 32 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei hintereinander geschaltete Filterstufen 33, 34 auf. Die erste Filterstufe 33 ist ein Medianfilter, dem das Ausgangssignal vincr'(k) des Proportionalreglers 31 zugeführt ist. Die zweite Filterstufe 34 ist ein gewichtetes Mittelwertfilter, das jeweils einen gewichteten Mittelwert zwischen einem vorangehenden Wert des Einstellsignal und dem momentanen Ausgangssignalwert des Medianfilters 33 bildet. Für das Übertragungsverhalten des in 2 dargestellten Tiefpassfilters 32 gilt: vincr30(k) = (vincr30(k – 1))·(1 – v) + V·med(vincr'(k)) (2).med(.) bezeichnet hierbei das Ergebnis einer Medianfilterung des am Ausgang des Proportionalreglers 31 anliegenden Signals. Die Filterlänge dieses Medianfilters 33 beträgt bei spielsweise 15. Für den Filterkoeffizienten V des Mittelwertfilters 34 gilt: 0 < V < 1 und beispielsweise V = 0,1.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass das in 2 dargestellte einfache Mittelwertfilter 34, das jeweils nur zwei aufeinanderfolgende Werte zur Mittelwertbildung heranzieht, lediglich als Beispiel anzusehen ist und das selbstverständlich beliebige weitere, auch komplexere Mittelwertfilter dem Medianfilter nachgeschaltet sein können.
Um eine fehlerhafte Erzeugung des ersten Einstellsignals vincr₃₀(k) zu vermeiden, wenn eine oder mehrere der Zeitmarken der Zeitmarkenfolge ΔPCR falsch übertragen werden, weist die Filterstufe 30 eine Begrenzungseinheit 35–37 auf, die ein Differenzglied 35 zur Bildung einer Differenz Δ(k) zwischen dem Zählerdifferenzwert ΔSTC und dem Zeitmarkendifferenzwert ΔPCR ermittelt. Diese Differenz ist einem Schwellwertvergleicher 36 zugeführt, der abhängig von einem Vergleich des Differenzwertes Δ(k) mit einem oberen und einem unteren Schwellenwert einen Schalter 37 derart ansteuert, dass dieser das Ausgangssignal des Proportionalreglers 31 nur dann an das nachgeschaltete Tiefpassfilter 32 weitergibt, wenn die Differenz Δ(k) innerhalb eines durch den oberen und den unteren Schwellenwert vorgegebenen Intervalls liegt. Fehlerhafte Zeitmarkenwerte, die dazu führen, dass die Differenz zwischen der Zählerwertdifferenz ΔSTC und der Zeitmarkendifferenz ΔPCR außerhalb des vorgegebenen Intervalls bzw. Schwellenwertfensters liegt, werden auf diese Weise bei der Erzeugung/Berechnung des Einstellsignals vincr(k) nicht berücksichtigt.
Die zweite Filterstufe 40 besitzt in dem dargestellten Beispiel ein Proportional-Integral-Verhalten und weist hierzu einen Proportionalregler 41 sowie einen parallel zu dem Proportionalregler geschalteten Integralregler 42 auf. Diesen Reglern ist jeweils ein Differenzsignal Δ(k) zugeführt, das jeweils durch Bildung einer Differenz zwischen dem Zählerdif ferenzwert ΔSTC und dem Zeitmarkendifferenzwert ΔPCR mittels eines Subtrahierers 47 erzeugt ist. Ausgangssignale der beiden Regler 41, 42 werden mittels eines Addierers 43 addiert, wobei am Ausgang des Addierers das durch die zweite Filterstufe 40 erzeugtes zweite Einstellsignal vincr₄₀(k) zur Verfügung steht. Für das Gesamtübertragungsverhalten der zweiten Filterstufe 40 abhängig von dem Differenzsignal Δ(k) und dem am Ausgang zur Verfügung stehenden Einstellsignal vincr(k) gilt: vincr(k) = –B0·Δ(k) + A1·θ(k) + vincr(k0) (3).
B₀ bezeichnet hierbei einen Filterkoeffizienten bzw. einen Verstärkungsfaktor des Proportionalreglers 41, während A₁ einen Verstärkungsfaktor des Integralreglers 42 bezeichnet, mit dem ein Integralanteil θ(k) verstärkt wird. Für den Integralanteil θ(k) gilt in dem dargestellten Beispiel: θ(k) = θ(k – 1) – B1·Δ(k) (4)vincr(k₀) bezeichnet in Gleichung (3) einen Anfangswert für den Einstellwert. Dieser Anfangswert vincr(k₀) ist der Wert des Einstellsignals vincr(k) zu dem Zeitpunkt, zu dem von der ersten Filterstufe 30 auf die zweite Filterstufe 40 umgeschaltet wird. Es gilt also: vincr(k0) = vincr40(k = k0) (5)
Für den Verstärkungsfaktor B₀ des Proportionalreglers 41 gilt: 0 < B₀ < 1 und beispielsweise B₀ = 0,25. Für den Verstärkungsfaktor A₁ des Integralreglers 42 gilt: 0 < A₁ < 1 und beispielsweise A₁ = 0,25, und für den Verstärkungsfaktor B₁ des Integralreglers gilt: 0 < B₁ ≤ 1 und beispielsweise B₁= 1.
Entsprechend der ersten Filterstufe 30 weist die zweite Filterstufe 40 eine zweite Begrenzungseinheit 44, 45 auf, die eine Verarbeitung des Differenzsignals Δ(k) durch die parallel geschalteten Filterstufen 41, 42 verhindert, wenn Differenzwerte des Differenzsignals Δ(k) außerhalb eines vorgegebenen Schwellenwertbereiches liegen. Diese zweite Begrenzungseinheit 44, 45 ist dazu ausgebildet, das Differenzsignal Δ(k) nur dann zur Verarbeitung an die erste und zweite Filterstufe weiterzuleiten, wenn das Differenzsignal Δ(k) innerhalb eines vorgegeben Intervalls liegt, das durch einen oberen Schwellenwert a und einen unteren Schwellenwert a vorgegeben ist, wenn also gilt: Δ(k) ∊ [–α; α] (6).
Die Begrenzungsschaltung 44, 45 weist in dem dargestellten Beispiel eine Bewertungsschaltung 44, der das Differenzsignal Δ(k) zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist zu ermitteln, ob Differenzsignal Δ(k) innerhalb des Intervalls [–a; a] liegt. Diese Bewertungsschaltung 44 steuert einen Schalter 45 an, der zwischen den Subtrahierer 47 und die erste und zweite Filterstufe 41, 42 geschaltet ist. Die Bewertungsschaltung ist dazu ausgebildet, diesen Schalter 45 zu öffnen, wenn das Differenzsignal Δ(k) außerhalb des Intervalls [–a; a] liegt, um dadurch zu verhindern, dass ”zu große” Differenzsignale Δ(k) durch die zweite Filterstufe 40 verarbeitet werden. Denn, liegt das Differenzsignal außerhalb des Intervalls [–a; a], so wird von einem Fehler bei der Übertragung der Zeitmarken ausgegangen.
Optional ist vorgesehen, den oberen und unteren Schwellenwert –a, a, des Intervalls abhängig von dem Ausgangssignal θ(k) des Integralreglers 42 einzustellen. Diese Einstellung erfolgt beispielsweise derart, dass der Betrag des oberen und unteren Schwellenwerts –a, a einem ersten Wert a1 entspricht, nachdem das Ausgangssignal θ(k) des Integralreglers 42 für eine vorgegebene Zeitdauer, bzw. für eine vorgegebene Anzahl aufeinanderfolgender Werte des Differenzsignals Δ(k), innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs geblieben ist, bzw. nachdem Schwankungen des Ausgangssignals für die vorgegebene Zeitdauer kleiner waren als ein vorgegebener maximale Schwankungswert, und dass der Betrag des oberen und unteren Schwellenwerts –a, a sonst einem zweiten Wert a2 entspricht. Der erste Wert a1 ist hierbei kleiner als der zweite Wert a2, wobei beispielsweise gilt: a1 = 0,1·a2.
Wurde der Betrag des oberen und unteren Schwellenwertes –a, a auf den ersten Wert a1 gesetzt und verlässt das Ausgangssignal θ(k) den vorgegebenen Wertebereich, so wird der Betrag des oberen und unteren Schwellenwertes –a, a so lange auf den zweiten Wert a2 gesetzt bis Schwankungen das Ausgangssignal θ(k) für die vorgegebene Zeitdauer, bzw. für eine vorgegebene Anzahl aufeinanderfolgender Werte des Differenzsignals Δ(k), wieder kleiner waren als der maximale Schwankungswert.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist vorgesehen, das Einstellsignal vincr(k) zu Beginn des Synchronisationsverfahrens durch die erste Filterstufe 30 zu erzeugen und im weiteren Verlauf des Synchronisationsverfahrens dann auf die zweite Filterstufe 40 umzuschalten. Die erste Filterstufe 30 mit dem proportionalen Regel- bzw. Filterverhalten ermöglicht hierbei eine rasche Annäherung einer Frequenz f_CLK des Taktsignals CLK an eine durch das Referenztaktsignal vorgegebene Frequenz, während die zweite Filterstufe mit dem Proportional-Integral-Verhalten ausgehend von einem durch die erste Filterstufe 30 bereitgestellten Anfangswert vincr(k₀) eine asymptotische Annäherung der Taktsignalfrequenz f_CLK an die Referenztaktfrequenz ermöglicht. Dieses grundsätzliche Vorgehen ist in 3 veranschaulicht, in der die Frequenz des Taktsignals f_CLK über der Zeit aufgetragen ist. Mit T1 ist in 3 eine erste Zeitperiode zu Beginn der Synchronisierung bezeichnet, zu welcher die erste Filterstufe aktiv ist. Gesteuert durch das Einstellsignal vincr(k) nähert sich die Taktsignalfrequenz f_CLK während dieser ersten Zeitdauer T1 bis auf eine Differenz Δf an die Referenztaktfrequenz, die in 3 mit f_REF bezeichnet ist, an. Im Anschluss an diese erste Zeitdauer T1 wird die zweite Filterstufe 40 aktiviert, die als Anfangswert bzw. Offset den zuletzt erzeugten Einstellwert vincr(k₀) der ersten Filterstufe 30 erhält und die eine asymptotische Annäherung der Taktsignalfrequenz f_CLK an die Referenzfrequenz f_REF bewirkt.
4 veranschaulicht die Funktionsweise der zweiten Filterstufe 40 bei einer fehlerhaft übertragenen Zeitmarke, die zu einem Frequenzsprung der Frequenz f_CLK führt. Nach einem solchen Frequenzsprung wird die Taktfrequenz f_CLK entsprechend des Proportional-Integral-Regelverhalten der zweiten Filterstufe 40 wieder auf die Referenzfrequenz f_REF eingeregelt.
Ein Umschalten von der ersten Filterstufe 30 auf die zweite Filterstufe 40 bzw. von einem ersten Filterverfahren mit Proportionalcharakteristik auf ein zweites Filterverfahren mit Proportional-Integral-Charakteristik erfolgt beispielsweise dann, wenn eine vorgegebenen Anzahl von Einstellwerten vincr₃₀(k) durch die erste Filterstufe 30 erzeugt wurden. Diese Anzahl entspricht beispielsweise dem n-fachen der Filterlänge des Medianfilters 33, mit n größer als 1.
Bezugnehmend auf 2 erfolgt ein Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Filter 30, 40, bzw. zwischen dem ersten und zweiten Filterverfahren durch eine Steuerschaltung 51, die das Umschaltsignal S51 bereitstellt, nach dessen Maßgabe der Multiplexer das Einstellsignal vincr(k) entweder von der ersten oder von der zweiten Filterstufe 30, 40 übernimmt. Dieses Umschaltsignal S51 steuert in dem dargestellten Beispiel außerdem ein Abtast- und Halteglied, dem das Einstellsignal vincr₃₀(k), das am Ausgang der ersten Filterstufe 30 zur Verfügung steht, zugeführt ist und das gesteuert durch das Umschaltsignal S51 zum Umschaltzeitpunkt dieses Einstellsignal abtastet und den so erhaltenen Abtastwert hält und der zweiten Filterstufe 40 als Anfangswert vincr(k₀) zuführt.
”Umschaltzeitpunkt” bezeichnet in diesem Fall jeweils einen solchen Zeitpunkt zu dem von der ersten auf die zweite Filterstufe 30, 40 umgeschaltet wird.
Die Steuerschaltung 51 kann beispielsweise einen Zähler (nicht dargestellt) enthalten, der die am Ausgang der ersten Filterstufe zur Verfügung stehenden Einstellwerte zählt und der bei Erreichen eines vorgegebenen Zählerstandes von der ersten 30 auf die zweite Filterstufe 40 umschaltet. Der Steuerschaltung ist hierzu das am Ausgang des ersten Filterstufe 30 zur Verfügung stehende erste Einstellsignal vincr₃₀(k) zugeführt.
Um ein stabiles Gesamtregelverhalten zu erreichen, ist bei einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, diesen Zähler zurückzusetzen bzw. mit einer Filterung durch die erste Filterstufe 30 von vorn zu beginnen, wenn die sich während der Regelung durch die erste Filterstufe 30 einstellende Frequenz f_CLK um mehr als einen vorgegebenen Frequenzwert von einem Sollfrequenzwert f_REF unterscheidet. In diesem Fall wird von einer fehlerhaften oder erheblich gestörten Übertragung der Zeitmarken ausgegangen, so dass eine Umschaltung auf die zweite Filterstufe bzw. das zweite Filterverfahren, die bzw. das zur Feineinstellung der Frequenz f_CLK dient, verhindert werden soll. Für eine Entscheidung, ob mit einer Filterung durch die erste Filterstufe 30 von vorn begonnen werden soll oder ob ein Umschalten auf die zweite Filterstufe 40 verhindert werden soll, wird beispielsweise das Einstellsignal vincr(k) ausgewertet. Liegt dieses Einstellsignal vincr(k) beispielsweise außerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs, so wird der Zähler zurückgesetzt und eine Filterung durch die erste Filterstufe 30 beginnt von vorn.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, während der Filterung durch die zweite Filterstufe 40 wieder auf eine Filterung durch die erste Filterstufe zurückzuschalten, wenn eine fehlerhafte bzw. stark gestörte Übertragung der Zeitmar ken registriert wird. Eine solche Bedingung für ein Umschalten von der zweiten Filterstufe 40 auf die erste Filterstufe 30 liegt beispielsweise dann vor, wenn der Differenzwert Δ(k) für eine Anzahl aufeinanderfolgender Differenzwerte außerhalb des durch die zweite Begrenzungseinheit 44, 45 vorgegebenen Intervalls [–a, a] liegt, wobei dieses Intervall in bereits erläuterter Weise variabel ist.

Claims

Verfahren zur Synchronisation eines Taktsignals (CLK) auf ein durch eine zeitliche Zeitmarkenfolge (PCR) repräsentiertes Referenztaktsignal, das aufweist Inkrementieren oder Dekrementieren eines Zählers durch das Taktsignal (CLK) und Auslesen des Zählers (12) mit jeder Zeitmarke der Zeitmarkenfolge (PCR), um eine Zählerwertfolge (STC) zur Verfügung zu stellen, Erzeugen einer ersten Folge von Differenzwerten (ΔSTC), die jeweils abhängig sind von Differenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zählerwerten der Zählerwertfolge (STC), Erzeugen einer zweiten Folge von Differenzwerten (ΔPCR), die jeweils abhängig sind von Differenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitmarken der Zeitmarkenfolge (PCR), Erzeugen einer Folge von Einstellwerten (vincr(k)) aus der ersten Folge von Differenzwerten (ΔSTC) und der zweiten Folge von Differenzwerten (ΔPCR) mittels eines ersten Filterverfahren oder eines zweiten Filterverfahren, Einstellen einer Frequenz des Taktsignals (f_CLK) unter Verwendung der Einstellwerte (vincr(k)), wobei das erste Filterverfahren zu Beginn einer Synchronisation des Taktsignals angewendet wird und wobei auf das zweite Filterverfahren umgeschaltet wird, wenn ein erstes Umschaltkriterium erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Einstellwerte (vincr₃₀(k)), die mittels des ersten Filterverfahrens erzeugt werden, gezählt werden und bei dem das Umschaltkriterium erfüllt ist, nachdem eine vorgegebene Anzahl von Einstellwerten mittels des ersten Filterverfahrens erzeugt wurde.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem nur dann auf das zweite Filterverfahren umgeschaltet wird, wenn eine Frequenz (f) des Taktsignals (CLK) um weniger als einen vorgegebenen Differenzwert von einer Sollfrequenz abweicht.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem jeweils von vorn begonnen wird, die Einstellwerte zu zählen, die mittels des ersten Filterverfahrens erzeugt werden, wenn die Frequenz (f_CLK) des Taktsignals (CLK) bei Erzeugung eines Einstellwertes um mehr als den vorgegebenen Differenzwert von der Sollfrequenz abweicht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem nach einem Umschalten von dem ersten Filterverfahren wieder auf das erste Filterverfahren umgeschaltet wird, wenn ein zweites Umschaltkriterium erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine dritte Folge von Differenzwerten (Δ(k)) aus Differenzwerten der ersten Folge von Differenzwerten (ΔSTC) und aus Differenzwerten der zweiten Folge von Differenzwerten (ΔPCR) erzeugt wird und bei dem das zweite Umschaltkriterium erfüllt ist, wenn eine vorgegebene Anzahl von aufeinanderfolgenden Differenzwerten (Δ(k)) der dritten Folgen außerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erste Filterverfahren zur Ermittlung eines aktuellen Einstellwertes die Verfahrensschritte aufweist: Bilden eines Quotienten aus einem Differenzwert (ΔSTC) der ersten Folge von Differenzwerten und einem Differenzwert (Δ_PC) der zweiten Folge von Differenzwerten zur Erzeugung eines Quotientenwertes, Multiplizieren des Quotientenwertes mit einem zuvor ermittelten Einstellwert zur Erzeugung eines gewichteten Quotientenwertes, Filtern des gewichteten Quotientenwertes mittels eines Tiefpassfilters.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der gewichtete Quotientenwert nur dann gefiltert wird, wenn der Betrag einer Differenz zwischen dem Differenzwert (ΔSTC) der ersten Folge von Differenzwerten und dem Differenzwert (ΔPCR) der zweiten Folge von Differenzwerten kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das zweite Filterverfahren zur Ermittlung eines aktuellen Einstellwertes die Verfahrensschritte aufweist: Bilden einer dritte Folge von Differenzwerten (Δ(k)) aus Differenzwerten (ΔSTC) der ersten Folge von Differenzwerten und aus Differenzwerten (ΔPCR) der zweiten Folge von Differenzwerten, Filtern der Differenzwerte ((Δ(k)) mittels eines Filters mit integrierendem Filterverhalten.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Filter ein proportionales und ein integrierendes Filterverhalten besitzt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die dritte Folge von Differenzwerten nur dann gefiltert wird, wenn der Betrag der Differenzwerte ((Δ(k)) innerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Intervall abhängig ist von einer I-Komponente eines Signals, das durch Fil terung der Differenzwerte ((Δ(k)) mit dem Filter, das ein integrierendes Filterverhalten besitzt, erhalten wird.
Vorrichtung zur Synchronisation eines Taktsignals (CLK) auf ein durch eine zeitliche Zeitmarkenfolge (PCR) repräsentiertes Referenztaktsignal, die aufweist einen Zähler (12), dem das Taktsignal (CLK) zugeführt ist und der dazu ausgebildet ist, durch Taktimpulse des Taktsignals (CLK) inkrementiert oder dekrementiert zu werden, eine Ausleseschaltung (15), der die Zeitmarkenfolge (PCR) zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist, den Zählers (12) mit jeder Zeitmarke der Zeitmarkenfolge (PCR) auszulesen und eine Zählerwertfolge (STC) zur Verfügung zu stellen, eine erste Differenzbildungseinheit (14), der die Zeitmarkenfolge (PCR) zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist, eine erste Folge von Differenzwerten (ΔPCR) zu erzeugen, die jeweils abhängig sind von Differenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitmarken der Zeitmarkenfolge (PCR), eine zweite Differenzbildungseinheit (13), der die Zählerwertfolge (STC) zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist, eine zweite Folge von Differenzwerten (ΔSTC) zu erzeugen, die jeweils abhängig sind von Differenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zählerwerten der Zählerwertfolge (STC), einen einstellbaren Taktgenerator (11), dem zur Einstellung einer Frequenz des Taktsignals (CLK) ein Einstellsignal mit einer Folge von Einstellwerten (vincr(k)) zugeführt ist und der das Taktsignal (CLK) bereitstellt, eine Filtereinheit (20), der die erste und die zweite Folge von Differenzwerten zugeführt (ΔPCR, ΔSTC) zugeführt ist, die dazu ausgebildet ist, das Einstellsignal (vincr(k)) aus der ersten Folge von Differenzwerten (ΔSTC) und der zweiten Folge von Differenzwerten (ΔPCR) mittels eines ersten Filterverfahren oder eines zweiten Filterverfahren und die dazu ausgebildet ist, das erste Filterverfahren zu Beginn einer Synchronisation des Taktsignals (CLK) anzuwenden wird und auf das zweite Filterverfahren umzuschalten, wenn ein erstes Umschaltkriterium erfüllt ist.