DE112020006075T5

DE112020006075T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Taktrückgewinnung in FTN PAM-n-Systemen

Info

Publication number: DE112020006075T5
Application number: DE112020006075.6T
Authority: DE
Inventors: Nebojsa Stojanovic
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2022-09-29
Also published as: WO2021155907A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Taktrückgewinnung (TR) in schneller als Nyquist n-Pegel-Pulsamplitudenmodulations-(FTN PAM-n-)Systemen, umfassend die Schritte: Empfangen eines Signals durch ein Empfängersystem; und zum Erfassen von Taktinformationen aus dem Signal, Anwenden einer Arctan-Funktion mit einer Abtastung pro Symbol (sps) auf das Signal durch das Empfängersystem.Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur TR in FTN PAM-n-Systemen.Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, die Schritte des Verfahrens auszuführen.Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein computerlesbares Medium, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, die Schritte des Verfahrens auszuführen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Taktrückgewinnung in Systemen mit starker Intersymbolinterferenz.
In diesem Zusammenhang bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Taktrückgewinnung (TR) in schneller als Nyquist n-Pegel-Pulsamplitudenmodulations-(FTN PAM-n-)Systemen.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Taktrückgewinnung (TR) in schneller als Nyquist (FTN) n-Pegel-Pulsamplitudenmodulations-(FTN PAM-n-)Systemen.
Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, die Schritte des Verfahrens auszuführen.
Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein computerlesbares Medium, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, die Schritte des Verfahrens auszuführen.
HINTERGRUND
Gemäß Verfahren des Stands der Technik verwenden optische Transceiver, die für Rechenzentren verwendet werden, sehr billige Komponenten, wie direkt modulierte Laser (DML) und Elektroabsorptionsmodulatoren (EML). Die Leistung des optischen Signals ist fast proportional zu dem elektrischen Signal, das den Laser moduliert. DSP-Verbrauch und Latenz sind sehr kritisch und nur grundlegende DSP-Funktionen werden in kommerziellen Produkten implementiert. Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward-Error Correction, FEC) ist bei höheren Datenraten notwendig. Diese Codes sind oft standardisiert, aber sie können auch proprietär sein. Nach dem Abbilden von Bits in PAM-Pegel kann das PAM-Signal vorentzerrt werden, um die Leistung zu verbessern. Ein Digital-Analog-Wandler (DAC) gibt ein analoges elektrisches Signal aus, das oft von einem Modulatortreiber (MD) verstärkt wird. Das optische Ausgangssignal von EML/DML kann unter chromatischer Dispersion (CD) in längeren Verbindungen leiden. Daher werden in einigen Systemen Dispersionskompensationsfasern (Dispersion Compensation Fibers, DCF) oder Dispersionskompensationsmodule (Dispersion Compensation Modules, DCM) verwendet, um CD zu kompensieren.
Auf der Empfängerseite detektiert ein Fotodetektor/eine Fotodiode (Photo Detector/Diode, PDet) das optische Signal. Der PDet-Ausgang ist proportional zu der optischen Signalleistung. Der PDet-Ausgang wird unter Verwendung eines Transimpedanzverstärkers (TIA) verstärkt. PDet und TIA können in optische Empfangsbaugruppen (Receive Optical Subassemblies, ROSA) integriert sein, die eine automatische Verstärkungsregelungsschaltung (Automatic Gain Control Circuit, AGC) enthalten können, um das elektrische Signal an einen Analog-Digital-Eingang (ADC-Eingang) anzupassen, wenn eine elektronische Entzerrung verwendet wird. Der Empfänger kann einen Vorwärtskopplungsentzerrer (Feed-Forward Equalizer, FFE), einen Entscheidungsrückkopplungsentzerrer (Decision Feed-Back Equalizer, DFE), einen Schätzer der maximalen Wahrscheinlichkeitssequenz (Maximum Likelihood Sequence Estimator, MLSE) verwenden oder einige von ihnen am Empfänger kombinieren. FFEs leiden unter Rauschverstärkung, DFEs leiden unter Fehlermultiplikation, während MLSE eine gute und komplexe Lösung für beide darstellt. Am Ende werden normalerweise harte FECs nach dem PAM-Demapper verwendet.
Ein AGC-Block überwacht Signalleistungsschwankungen und erzeugt fast konstanten Signalhub, der in den ADC-Eingangsbereich passt. Auf diese Weise wird der ADC effektiv verwendet. Ein Entzerrer gewinnt das unter Rauschen und Intersymbolinterferenz (Intersymbol Interference, ISI) leidende Signal zurück. Bevor der Entzerrer aktiviert wird, wird der lokale Oszillator jedoch auf das Eingangssignal, d. h. auf den Senderoszillator, der für die Datentaktung verantwortlich ist, gesperrt. Diese beiden Oszillatoren sind synchronisiert. Kleine Phasenabweichungen sind zulässig, da es unmöglich ist, die Sendertaktphase perfekt zu verfolgen. Taktextraktion wird durch einen Phasendetektor (PD) ermöglicht, der Informationen ausgibt, ob der Abtasttakt schneller oder langsamer ist. Da diese Informationen rauschbehaftet sind und unter musterabhängigem Rauschen, Rauschen, das durch Verstärker, Komponentenunvollkommenheiten usw. verursacht wird, leiden, werden Zeitinformationen gefiltert, bevor sie in den Empfängeroszillator eintreten/diesen steuern, der oft als spannungsgesteuerter Oszillator (Voltage-Controlled Oscillator, VCO) realisiert wird.
Zeitinformationen können aus dem ADC-Ausgangssignal abgeleitet werden. Der Taktrückgewinnungs- (Timing Recovery, TR) Block enthält PD, Tiefpassfilter und VCO. Die VCO-Taktphase kann unter Verwendung einer Abtastphasenanpassungs- (Sampling Phase Adjustment, SPA) Schaltung angepasst werden. Abtastphasenoptimierung kann auch durch einen FEC-Decoder unterstützt werden, der eine Anzahl von FEC-Eingangsfehlern (Anzahl korrigierter Fehler) bereitstellt. Eine gute Abtastphase sollte diese Anzahl minimieren.
Das übertragene Signal x wird durch die Systemübertragungsfunktion H modifiziert, die durch ein lineares System approximiert werden kann. Im Allgemeinen ist das System nichtlinear. Das Ausgangssignal ist eine Faltung des Signals x und der Systemimpulsantwort h: $y (k) = \sum_{j = - n}^{n} x (k - j) h (j)$
$z (k) = y (k) + n (k) = \sum_{j = - n}^{n} x (k - j) h (j) + n (k)$
wobei ISI das Eingangssignal über 2n + 1 Symbolintervalle spreizt. Üblicherweise verhält sich die Übertragungsfunktion wie ein Tiefpassfilter und Hochfrequenzkomponenten können stark gedämpft werden. Ein additives Rauschen n stört zusätzlich das Signal x. Der TR-Block erhält ein Signal, das unter ISI und Rauschen leidet. TR-Designer zählen mit Rauschen und praktische TR-Lösungen sind weniger empfindlich gegenüber Rauschen in den spezifizierten Arbeitsbedingungen. Zum Beispiel bezieht sich eine Vor-FEC-Bitfehlerrate (BER) direkt auf die Menge an Rauschen, die vom System toleriert werden kann. In Systemen, die verbesserte Entzerrungstechniken verwenden, um ISI zu bewältigen, die durch starke Bandbreitenbegrenzungen von optischen und elektrischen Komponenten verursacht werden, enthält das empfangene Signal jedoch unzureichende Taktinformationen. In solchen Systemen scheitern viele praktische TR-Schemata, weil der Frequenzinhalt um die Nyquist-Frequenz sehr rein ist.
Die Empfängerkomplexität ist für Rechenzentrenanwendungen kritisch. Daher ist die bevorzugte ADC-Abtastrate eine Abtastung pro Symbol (1sps). Die 1sps-Abtastrate erlaubt die Implementierung von TR-Interpolatoren nach dem ADC nicht, wenn eine Phasenregelschleifen(Phase-Locked Loop, PLL)-Latenz kritisch wird, weil Interpolatoren mehr als 1sps Abtastrate erfordern. Die PLL-Latenz führt Jitter-Spitzenbildung ein, die Probleme während der Taktversatzerfassung und Jitter-Verfolgung verursacht. Wenn die Taktqualität niedrig ist, scheitert die Taktversatzerfassung oft mit klassischen PDs. Um dieses Problem zu lösen, ist ein Phasenfrequenzdetektor (Phase-Frequency Detector, PFD) erforderlich, aber diese Lösung erfordert auch mehr als 1sps Abtastrate.
Der herkömmliche PFD, der vor ADC implementiert wird, basiert oft auf NAND-D-Flipflop-Verfahren und die Geschwindigkeit von Flipflops begrenzt die Betriebsfrequenz und verlangsamt die Frequenzerfassung. Das Verfahren kann nur in Systemen mit fast keinem ISI arbeiten. Es wird jedoch in FTN-Systemen unpraktisch. Üblicherweise sind PFDs so ausgelegt, dass sie linear sind, aber lineares und nichtlineares ISI macht sie instabil und unpraktisch. In einigen Fällen haben sie nicht den Gleichgewichtspunkt oder eine Zeitfehlerdetektorcharakteristik (Timing Error Detector Characteristic, TEDC) ist extrem unregelmäßig und asymmetrisch. Der nichtlineare TEDC kann eine sehr lange Taktversatzerfassung verursachen.
Ein Gardner-Phasendetektorausgang wird beschrieben durch $T E D C (τ) = x (τ) [x (τ - \frac{τ}{2}) - x (τ + \frac{τ}{2})] .$
wobei T das Symbolintervall bezeichnet und τ die Abtastphase ist. Lassen Sie uns diesen Ausgang durch TEDCI (In-Phase TEDC) bezeichnen. Der Quadratur-TEDC (TEDCQ) kann erhalten werden durch $T E D C Q (τ) = T E D C I (τ + \frac{τ}{4}) .$
Beide TEDCs haben eine sinusförmige Form und sie können im PFD mit Ausgang verwendet werden $A T E D C = a t a n 2 (T E D C I, T E D C Q)$
gefolgt von einem Unwrap-Block, der TEDC über eine unbegrenzte Anzahl von Symbolen vollständig linear macht. Dieser PFD-Detektor versagt in FTN-Systemen vollständig und es gibt kein TR-Filter, das seine Leistung verbessern kann. Dieser PFD verlässt sich auf Frequenzen, die um die Nyquist-Frequenz liegen. In FTN-Systemen ist das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal to Noise Ratio, SNR) bei diesen Frequenzen niedriger als 1 und die Entzerrung stellt keine Lösung bereit. In einigen Fällen kann sie Taktextraktion ermöglichen, aber mit einem großen Selbstjitter, einer inakzeptablen Zyklusschlupfwahrscheinlichkeit und einer geringen Toleranz gegenüber deterministischem Jitter.
Alle diese Lösungen erfordern mehr als 1 sps Abtastrate.
KURZFASSUNG
Angesichts der oben genannten Probleme und Nachteile zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, die aktuellen Implementierungen zu verbessern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein verbessertes Verfahren, eine verbesserte Vorrichtung, ein verbessertes Computerprogramm und ein verbessertes computerlesbares Medium bereitzustellen. Vorzugsweise sollten TR in schneller als Nyquist n-Pegel-Pulsamplitudenmodulations-(FTN PAM-n-)Systemen bereitgestellt werden, was eine geeignete Phasenfrequenzdetektion ermöglicht, falls nur 1 sps Abtastrate verfügbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Implementierungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben. Der beanspruchte Gegenstand ist nicht auf Implementierungen beschränkt, die nur die angeführten Nachteile lösen.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zur Taktrückgewinnung (TR) in schneller als Nyquist n-Pegel-Pulsamplitudenmodulations-(FTN PAM-n-)Systemen bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Empfangen eines Signals durch ein Empfängersystem; und zum Erfassen von Taktinformationen aus dem Signal, Anwenden einer Arctan-Funktion mit einer Abtastung pro Symbol, sps, auf das Signal durch das Empfängersystem.
Gemäß einem anderen Aspekt der Offenbarung wird eine Vorrichtung zur Taktrückgewinnung (TR) in schneller als Nyquist n-Pegel-Pulsamplitudenmodulations-(FTN PAM-n-)Systemen bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Empfängersystem, das konfiguriert ist zum: Empfangen eines Signals; und zum Erfassen von Taktinformationen aus dem Signal, Anwenden einer Arctan-Funktion mit einer Abtastung pro Symbol, sps, auf das Signal. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Vorrichtung Komponenten, die angepasst sind, um Schritte gemäß einer der bevorzugten Implementierungsformen auszuführen.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung bezieht sich auf ein Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, die Schritte des Verfahrens auszuführen. Ein Computerprogramm ist eine Sammlung von Anweisungen zum Durchführen einer spezifischen Aufgabe, die entworfen ist, um eine spezifische Klasse von Problemen zu lösen. Die Anweisungen eines Programms sind entworfen, um von einem Computer ausgeführt zu werden, und es ist erforderlich, dass ein Computer Programme ausführen kann, um es zu funktionieren.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung bezieht sich auf ein computerlesbares Medium, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, die Schritte des Verfahrens auszuführen.
Die Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Taktableitung in PAM-n-Übertragungssystemen, die durch ISI, die durch Bandbreitenbegrenzungen von elektrischen und optischen Komponenten verursacht werden, ernsthaft verschlechtert sind. Das Verfahren weist die Vorteile auf, dass der neue Phasenfrequenzdetektor eine Abtastung pro Symbol verwendet, die die Taktextraktion bei sehr hohen Baudraten mit sehr geringer Komplexität ermöglicht, und die TR-Architektur ist sehr robust gegenüber der TR-Schleifenverzögerung.
Optional wird TR in einem Phasenfrequenzdetektormodus (PFD-Modus) ausgeführt, und nachdem die Taktinformationen erfasst wurden, wird TR in einem Phasendetektormodus (PD-Modus) ausgeführt. Mit anderen Worten, nach der Taktversatzerfassung wird der TR neu konfiguriert, um im PD-Modus zu arbeiten. Dies ermöglicht, dass die TR-Schleifenverzögerung verkürzt wird und die TR-Komplexität minimiert wird.
Optional umfasst das Verfahren vor dem Schritt des Anwendens der Arctan-Funktion einen Schritt des Anwendens unterschiedlicher Taktrückgewinnungsfilter (TR-Filter) auf das Signal. Die TR-Filter ermöglichen, dass TR sperrt. Genauer gesagt sind sie so konfiguriert, dass sie die Zeitfehlerdetektorcharakteristik (Timing Error Detector Characteristic, TEDC) so modifizieren, dass TR sperren kann.
Optional unterscheidet sich ein TR-Filter, das in einem In-Phase-Modus angewendet wird, von einem TR-Filter, das in einem Quadraturmodus angewendet wird. Die unterschiedlichen TR-Filter werden angewendet, um zum Beispiel unterschiedliche TEDCs bereitzustellen.
Optional wird im Quadraturmodus das TR-Filter für eine Phasenverschiebung des Signals angewendet. Dies ermöglicht, dass der TEDC, der durch das TR-Filter des Quadraturmodus bereitgestellt wird, im Vergleich zu dem TEDC, der durch das TR-Filter im In-Phase-Modus bereitgestellt wird, verschoben wird.
Optional wird das TR-Filter für die Phasenverschiebung um π/2 (Pi/2) angewendet.
Optional wird das TR-Filter für die Signalentzerrung angewendet. Dies ist eine einfache und mit geringem Aufwand realisierbare Möglichkeit, Signale mit weniger Verzerrung für weitere Verarbeitungsschritte bereitzustellen.
Optional werden die unterschiedlichen TR-Filter im PFD-Modus angewendet. Beispielsweise ermöglicht dies, PFD mit geringem Verarbeitungsaufwand im Vergleich zu PFD gemäß dem Stand der Technik bereitzustellen.
Optional umfasst das Verfahren vor dem Schritt des Anwendens der Arctan-Funktion einen Schritt des Mittelns von Signalausgängen der PD durch ein oder mehrere Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter).
Optional umfasst das Verfahren nach dem Schritt des Anwendens der Arctan-Funktion einen Schritt des Auspackens und einen Schritt des Filterns von TR-Schätzungen. Dadurch kann ein kontinuierliches und glattes Signal für nachfolgende Verarbeitungsschritte bereitgestellt werden.
Optional umfassen die TR-Filter mehrere Taktrückgewinnungsfilterabgriffe (TR-Filterabgriffe), wobei das Verfahren das Verwenden einer Trainingssequenz zum Bereitstellen jedes der TR-Filterabgriffe umfasst. Der Vorteil ist, dass eine ziemlich kleine Anzahl von TR-Filterabgriffen ausreichend ist, um ein adäquates TR-Filter bereitzustellen. Die Trainingssequenz kann gemäß typischen Signalcharakteristiken von Signalen ausgewählt werden, für die TR ausgeführt wird.
Optional wird die Trainingssequenz während einer Autonegotiation verwendet. Autonegotiation bezieht sich auf ein Verfahren, das es zwei miteinander verbundenen Ethernet-Netzwerk-Ports ermöglicht, unabhängig eine maximal mögliche Übertragungsgeschwindigkeit und ein Duplexverfahren auszuhandeln und zu konfigurieren.
Optional wird eine Länge der Trainingssequenz basierend auf einem spezifizierten maximalen Taktversatz ausgewählt.
Optional wird die Trainingssequenz mit Abtastwerten des Signals synchronisiert. Zum Beispiel kann dadurch sichergestellt werden, dass sowohl die Trainingssequenz als auch die Abtastwerte des Signals eine gleiche Länge haben.
Optional werden ein Entzerrer und ein Gradientenalgorithmus auf die synchronisierten Abtastwerte angewendet.
Optional berechnet der Gradientenalgorithmus M TR-Filterabgriffe in einem Hauptentzerrer.
Optional wird die Abtastphase durch Verschieben der TR-Filterabgriffe angepasst.
Optional wird der Entzerrer, der an den M TR-Filterabgriffen arbeitet, für mehrere Male aktualisiert.
Optional wird, nachdem die M TR-Filterabgriffe bereitgestellt wurden, zum Bereitstellen von L Hauptentzerrerabgriffen, wobei L ≥ M, der zuvor beschriebene Schritt für mehrere Male wiederholt. Das bedeutet, dass der Entzerrer, der an den M TR-Filterabgriffen arbeitet, mehrere Male aktualisiert wird, was mehrere Male ausgeführt wird.
Optional wird TR unter Verwendung der M TR-Filterabgriffe ausgeführt, und nachdem die Taktinformationen erhalten wurden, verwendet der Hauptentzerrer die L Hauptentzerrerabgriffe, um ein empfangenes Signal zu entzerren. Dies kann zum Beispiel bedeuten, dass, nachdem die Taktinformationen erhalten wurden, der Hauptentzerrer in einem Blindmodus arbeitet.
Optional werden die TR-Filterabgriffe für ein In-Phase-TR-Filter (ITR-Filter) angewendet.
Optional umfasst das Verfahren zum Bereitstellen mehrerer Quadratur-Taktrückgewinnungsfilterabgriffe (QTR-Filterabgriffe) für ein QuadraturTaktrückgewinnungsfilter (QTR-Filter) einen Schritt des Interpolierens der TR-Filterabgriffe, die eine Phasenverschiebung zwischen einer Zeitfehlerdetektorcharakteristik (Timing Error Detector Characteristic, TEDC) des TR-Filters und einer TEDC des QTR-Filters erzeugen. Dadurch können Filterabgriffe für ein zufriedenstellendes TR bereitgestellt werden.
Optional erzeugen die mehreren QTR-Filterabgriffe eine Phasenverschiebung zwischen der TEDC des ITR-Filters und der TEDC des QTR-Filters von π/2 (Pi/2). Die bereitgestellten TEDCs sind zum Bereitstellen eines sehr zufriedenstellenden TR vorteilhaft.
Optional umfasst das Verfahren zum Bereitstellen mehrerer Optimierungs-Taktrückgewinnungsfilterabgriffe (OTR-Filterabgriffe) für eine Optimierung der Taktrückgewinnung einen Schritt des Interpolierens der TR-Filterabgriffe, die eine Phasenverschiebung zwischen der TEDC des TR-Filters und einer TEDC des OTR-Filters erzeugen. Somit bauen die Optimierungsfilterabgriffe direkt auf den anderen TR-Filterabgriffen auf und können daher eine einfache, genaue und verfeinernde Filterung bereitstellen.
Optional werden die mehreren OTR-Filterabgriffe durch Interpolieren von ITR-Filterabgriffen bei einer Phase in einem Bereich eines TEDC-Gleichgewichtspunkts bereitgestellt.
Optional umfasst das Verfahren einen Schritt des Entzerrens von TEDC.
Optional wird, nachdem die Taktinformationen erhalten wurden, eine Abtastphase optimiert. Somit wird die Abtastphase besonders optimiert, nachdem PFD abgeschlossen wurde.
Optional wird die Abtastphase durch Ändern der mehreren TR-Filterabgriffe variiert.
Optional wird, nachdem ein Entzerrer auf Abtastwerte des Signals angewendet wurde, ein mittlerer quadratischer Fehler (mean square error, MSE) berechnet.
Optional umfasst das Verfahren einen Schritt des Änderns der Abtastphase um einen Wert delta.
Optional umfasst das Verfahren den Schritt des Erfassens von Kanaleigenschaften und der Abtastphase und des Berechnens des MSE.
Optional werden die zuvor beschriebenen Schritte des Berechnens eines MSE, des Änderns der Abtastphase um einen Wert delta und des Erfassens von Kanaleigenschaften und der Abtastphase und des Berechnens des MSE wiederholt, bis ein minimaler MSE bereitgestellt wird.
Diese und andere Aspekte der Offenbarung werden aus den im Folgenden beschriebenen Implementierungsformen ersichtlich und unter Bezugnahme darauf erläutert. Einzelne Merkmale, die in den Implementierungsformen offenbart sind, können allein oder in Kombination einen Aspekt der vorliegenden Offenbarung darstellen. Merkmale der unterschiedlichen Implementierungsformen können von einer Implementierungsform zu einer anderen Implementierungsform übertragen werden.
Figurenliste
Die oben beschriebenen Aspekte und Implementierungsformen der vorliegenden Offenbarung werden in der folgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen

1 eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung eines Prinzips der Taktrückgewinnung gemäß der Offenbarung zeigt;
2 eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung eines ersten Taktrückgewinnungsmodus gemäß der Offenbarung zeigt;
3 eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung eines zweiten Taktrückgewinnungsmodus gemäß der Offenbarung zeigt;
4 eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung eines Prinzips zur Berechnung von Taktrückgewinnungsfilterabgriffen gemäß der Offenbarung zeigt;
5 eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung eines Prinzips für eine Anpassung einer Abtastphase gemäß der Offenbarung zeigt; und
6 TEDCs über ein Einheitsintervall für unterschiedliche Modulationsformen zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung eines Prinzips der Taktrückgewinnung. Die folgenden Funktionseinheiten werden verwendet: eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit (Analog-to-Digital Conversion Unit, ADC) 1, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), eine Mikrosteuerung 2, Phasendetektoren, bei denen es sich um einen phasengleichen Detektor (In-Phase Detector, IPD) 3a, einen Quadraturphasendetektor (Quadrature Phase Detector, QPD) 3b und einen Optimierungsphasendetektor (Optimization Phase Detector, OPD) 3c handelt, Taktrückgewinnungsfilter, bei denen es sich um ein phasengleiches Taktrückgewinnungsfilter 4a (ITR-Filter oder kurz ITR FIL), ein Quadraturtaktrückgewinnungsfilter 4b (QTR-Filter oder kurz QTR FIL) und ein Optimierungstaktrückgewinnungsfilter 4c (OTR-Filter oder kurz OTR FIL) handelt, einen ATAN-Block 5, einen TR-Steuerblock 6, einen Entzerrer 7, einen spannungsgesteuerten Oszillator 8, Filtermittel (FIL) 9, Auspackmittel 10, Filter mit unendlicher Impulsantwort 11 (IIR-Filter oder kurz IIR), Mittel zur Schätzung des mittleren quadratischen Fehlers (Mean Square Error Estimation, MSE) 19 und Entscheidungsmittel 20, bei denen es sich um eine Entscheidungsschaltung (Decision Circuit, DEC) handelt. Diese Schaltung kann z. B. ein Slicer (Quantisierer) sein. Zum Beispiel ist das Signal nach dem Entzerrer ein nicht ganzzahliger Wert und der Slicer trifft Entscheidungen. Angenommen, man sendet 0 und 1 (binäres Signal; PAM2), erhält man nach dem Entzerrer einen Wert 0,95. Der Slicer wird einen Wert 1 ausgeben.
Der ADC 1 tastet ein eingegebenes analoges elektrisches Signal mit einer Baudrate ab, d. h. eine Abtastung pro Symbol (1sps) ist nach der Analog-Digital-Wandlung verfügbar. Der ASIC arbeitet parallel mit N Abtastungen. Jede der N Abtastungen wird mit einer Halbgewichtung entsprechend N/2 durch die Funktionseinheiten aus ITR FIL 4a, IPD 3a und IIR 11 oder QTR FIL 4b, QPD 3b und IIR 11 verarbeitet.
Die Taktrückgewinnung (Timing Recovery, TR) wird durch die Mikrosteuerung 2 unterstützt. Am Anfang arbeitet sie als ein Phasenfrequenzdetektor (PFD) und später, wenn Taktversatz erfasst wird, arbeitet sie als ein Phasendetektor (PD). Der TR sperrt bei einer zufälligen Phase, aber später kann die Abtastphase optimiert werden. Der TR wird durch Algorithmen für PD-Verstärkungsschätzung und PD-Optimierung unterstützt. Alle Phasendetektoren, die IPD 3a, QPD 3b und OPD 3c bedeuten, sind die gleichen.
Die Taktrückgewinnungsfilter, das heißt ITR FIL 4a, QTR FIL 4b und OTR FIL 4c, ermöglichen Taktextraktion in starken Intersymbolinterferenz- (ISI) Kanälen. Sie werden durch Verwenden der kurzen Trainingssequenz erhalten. Der PFD-Detektor kombiniert In-Phase- und Quadratursignale, um Takt in einem ATAN-Block 5 zu erfassen. Der ATAN-Blockausgang wird beschrieben durch.
Der PD-Ausgang wird durch ein Signal d vorgespannt, um Taktleistung zu verbessern, wenn PD-Übertragungsfunktion asymmetrisch ist. Der TR-Steuerblock 6 steuert alle Blöcke und optimiert den TR. Es gibt keine Notwendigkeit zu erwähnen, dass nicht alle Steuerverbindungen in 1 gezeigt sind.
Das neuartige TR-Schema ist rekonfigurierbar und arbeitet in zwei Modi. Die Modi sind schematisch in den 2 und 3 gezeigt.
Modus 1 ist in 2 gezeigt. Dieser Modus ist ein Phasenfrequenzdetektions-(PFD-)Modus. Im PFD-Modus erfasst der TR einen großen Frequenzversatz, der mehrere hundert ppm betragen kann. In-Phase- und Quadratur-PDs, das bedeutet IPD 3a und QPD 3b, sind in beiden Modi gleich, während TR-Filter unterschiedlich sind. Das Quadratur-TR-Filter (QTR FIL) 4b führt eine Signalentzerrung und Phasenverschiebung von π/4 (Pi/4) durch, die aufgrund der 1sps-ADC-Abtastrate ungenau ist. Dies wird die Erfassungsleistung nicht beeinflussen. Die IIR-Filter erster Ordnung 11 werden verwendet, um PD-Ausgänge vor einer atan2-Operation im ATAN-Block 5 zu mitteln. Das Signal nach dem ATAN-Block 5 wird ausgepackt, um das PFD-Verhalten zu ermöglichen. Der Block FIL 8 filtert TR-Schätzungen und steuert die VCO-Phase und - Frequenz.
Modus 2 ist in 3 gezeigt. Dieser Modus ist ein Phasendetektions-(PD-)Modus. In diesem Modus arbeitet der TR als PD und verfolgt kleine Taktfrequenz- und Phasenschwankungen. Die PD-Filter sind die gleichen. Der Leistungsverbrauch in beiden Modi ist ähnlich, da IIR 11 und ATAN-Block 5 nicht viel Leistung verbrauchen, was eine Operation pro ASIC-Takt ist.
Der TR verwendet die absolute PD (APD) mit Ausgängen, die erzeugt werden durch $T E D C (τ) = a b s (x (τ) + x (τ + T)) [a b s (x (τ)) - a b s (x (τ + T))]$
Die Untersuchung von TEDCs über ein Einheitsintervall (UI) für unterschiedliche Modulationsformate sind in 6 gezeigt. Die Signalleistung ist auf 1 normalisiert. Von dort kann man sehen, dass TEDC praktisch nicht vom PAM-Format abhängt. Diese Funktion ist symmetrisch und hat die sinusähnliche Form. Der TEDC ist ohne Hängeregionen.
Der PFD kombiniert zwei Signale von In-Phase- und Quadraturzweigen, um das Taktsteuersignal abzuleiten. Das Hauptproblem ist, wie Abtastwerte in der Quadraturphase erhalten werden, da man nur 1sps-Signal hat. Man verwendet ein ITR FIL 4a und ändert Filterkoeffizienten, um Taktinformationen in der Quadraturphase zu erhalten. In ISI-freien Kanälen hat der PFD einen nichtlinearen TEDC, während in schweren ISI-Kanälen diese Charakteristik linear wird. Die ITR FIL- und QTR FIL-Koeffizienten für einen schweren ISI-Kanal werden durch eine spezielle Prozedur erhalten, die später erläutert wird. Der APD TEDC ist fast sinusförmig. Der PFD TEDC mit Auspacken ist fast linear. Nach dem Auspacken wird PFD-Funktion aktiviert.
Wenn Frequenzen um die Nyquist-Frequenz sehr schwach und rauschbehaftet sind, gibt es keinen bekannten PD, der Takt extrahieren kann. Daher benötigen wir das TR FIL, um die Taktextraktion zu ermöglichen.
In FTN-Systemen ist der TEDC ohne das TR FIL schwach und immer positiv oder negativ (kein Nulldurchgangspunkt), so dass das TR nicht sperren kann. Die Verwendung des TR FIL ermöglicht die Taktextraktion. Mehr Abgriffe verbessern die Taktqualität. Der TEDC ist jedoch auch vorgespannt, was Probleme im TR verursachen kann, wie einen instabilen Takt, eine höhere Zyklusschlupfwahrscheinlichkeit oder einen größeren Selbstjitter. Die Anzahl der Abgriffe beeinflusst stark die PD-Verstärkung und die TR-Schleifenbandbreite. Die Hauptprobleme, die gelöst werden müssen, sind das Finden von TR-Filterabgriffen und PD-Verstärkungsschätzung.
4 zeigt ein Schema zur Veranschaulichung, wie die TR-Filterabgriffe erhalten werden. Zum Erhalten der TR-Filterabgriffe, unter anderem des ADC 1, eines Puffers 2N 12, eines ersten Takts 13, eines zweiten Takts 14, des Entzerrers 7, eines Gradientenalgorithmusblocks 15, auf den kurz durch den „Gradientenalgorithmus“ Bezug genommen wird, Synchronisationsmittel 16 und eine Trainingssequenz 17.
Die TR-Filterabgriffe können entweder im Mikrocontroller 2 oder im ASIC berechnet werden. Im Folgenden wird die ASIC-Version, die leicht in den Mikrocontroller 2 umgewandelt werden kann, erläutert. Der TR wird entsperrt und der Frequenzversatz kann z. B. 100 ppm betragen. Die Prozedur besteht aus den folgenden Schritten:

Gemäß einem ersten Schritt werden Abtastungen nach ADC 1 im Puffer der Größe 2N gespeichert. Danach wird Takt 1 deaktiviert. Die Abtastphase ist zufällig.
Gemäß einem zweiten Schritt wird die Trainingssequenz 17 mit den gespeicherten Abtastungen synchronisiert. Die Länge dieser Sequenz hängt vom maximalen Taktversatz ab. Eine gute Wahl für 100 ppm Taktversatz ist die Sequenzlänge von 256 Symbolen. Nach der Synchronisation startet der zweite Takt 14 den Entzerrer 7 und Gradientenalgorithmus 15.
Gemäß einem dritten Schritt werden die M linearen Entzerrerabgriffe auf 0 gesetzt, mit Ausnahme des zentralen Abgriffs, der auf 1 gesetzt ist. M kann z. B. 9 sein.
Gemäß einem vierten Schritt wird der Entzerrer 7 im Trainingsmodus mit dem gleichen Eingangssignal aktualisiert. Die Anzahl der Aktualisierungen kann z. B. 500 sein. Diese Abgriffe sind nun bereit, im TR-Filter verwendet zu werden.
Gemäß einem fünften Schritt werden der dritte und der vierte Schritt z. B. für M = 51 wiederholt, um die linearen Hauptentzerrer-Startabgriffe zu erhalten.
Gemäß einem sechsten Schritt wird das TR mit den abgeleiteten Filterabgriffen gestartet. Wenn das TR gesperrt ist, verwendet ein Hauptentzerrer die abgeleiteten Abgriffe und arbeitet in einem Blindmodus.

Wenn die TR-Filterabgriffe für die IPD verfügbar sind, kann man die Interpolation verwenden, um QPD- und OPD-Abgriffe zu erhalten. Die QPD-Abgriffe sollten eine Phasenverschiebung von π/2 (Pi/2 oder 1/4UI) erzeugen. Weil man 1sps verwendet, wird die Interpolation nicht genau sein. Die QPD-Abgriffe werden nicht die verschobene Version von IPD-TEDC erzeugen. Es wird jedoch für die PFD-Funktionalität zufriedenstellend sein. Die OPD-Abgriffe werden durch Interpolation bei einer Phase sehr nahe am TEDC-Gleichgewichtspunkt (TR-Abtastphase) erhalten. Diese Phase kann z. B. π/8 (Pi/8 oder 1/16UI) sein.
Im Idealfall sollte OPD-TEDC um 1/16UI verschoben sein. Da man 1 sps verwendet, kann diese Kurve nicht genau um 1/16UI verschoben werden und die Amplitude dieser Funktion kann leicht geändert werden, wobei eine solche Genauigkeit in den praktischen Systemen akzeptabel sein sollte.
Eine gute Abtastphase für die experimentellen Daten kann beispielsweise -0,1563T sein. Die TR-Abtastphase kann unterschiedlich sein.
Um eine gute Abtastphase zu finden, verwendet man die in 5 gezeigte Architektur. Die Architektur umfasst einen ADC, einen Entzerrer 7, einen ITR FIL 4a, einen IPD 3a, einen QTR FIL 4b, einen QPD 3b, Filtermittel (FIL) 9, einen VCO 8, Gradientensuchmittel 18 und Mittel zur Schätzung des mittleren quadratischen Fehlers (mean square error estimation, MSE) 19.
Nach dem Entzerrer 7 wird ein mittlerer quadratischer Fehler berechnet und gespeichert. Die Abtastphase wird um einen kleinen Wert Δ geändert, beispielsweise um 0,01 UI. Die Abtastphasenänderung erfolgt durch Interpolieren der TR-Abgriffe um Δ. Die Phasenverschiebung wird nicht Δ sein, aber die Richtung wird korrekt sein. Das TR und der Entzerrer 7 benötigen etwas Zeit, um Abtastphasen- und Kanalbedingungen zu erfassen. Nach der Erfassung ist ein neuer MSE verfügbar. Die korrekte Richtung stellt den minimalen MSE-Wert bereit. Nach dem Erfassen einer guten Abtastphase arbeitet die Abtastphasenanpassungsschaltung im Dithering-Modus bei sehr niedriger Geschwindigkeit.
TEDC kann um d vorgespannt werden (siehe 1), um TR gegenüber Zyklusschlupfen immuner zu machen. Wenn das TR im PD-Modus arbeitet, kann die OPD-Phase auf π/4 (Pi/4) gesetzt werden, um den TEDC-Wert v(+π/4) (v(+Pi/4)) zu messen. Dann erfolgt die Messung bei -π/4 (-Pi/4) Phase. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten ergibt den Vorspannungswert.
Die Offenbarung wurde in Verbindung mit verschiedenen Implementierungsformen hierin beschrieben.
Andere Variationen der offenbarten Implementierungsformen können jedoch von Fachleuten in der Praxis der beanspruchten Offenbarung, aus einer Studie der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und bewirkt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen genannter Elemente erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, zeigt nicht an, dass eine Kombination dieser gemessenen nicht vorteilhaft verwendet werden kann. Ein Computerprogramm kann auf einem geeigneten Medium, wie beispielsweise einem optischen Speichermedium oder einem Solid-State-Medium, das zusammen mit oder als Teil anderer Hardware geliefert wird, gespeichert/verteilt werden, kann aber auch in anderen Formen, wie beispielsweise über das Internet oder andere drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationssysteme, verteilt werden.
Bezugszeichenliste

1: ADC
2: Mikrosteuerung
3a: IPD
3b: QPD
3c: OPD
4a: ITR FIL
4b: QTR FIL
4c: OTR FIL
5: ATAN-Block
6: TR-Steuerblock
7: Entzerrer
8: spannungsgesteuerter Oszillator
9: FIL
10: Auspackmittel
11: IIR
12: Puffer 2N
13: erster Takt
14: zweiter Takt
15: Gradientenalgorithmusblock
16: Synchronisationsmittel
17: Trainingssequenz
18: Gradientensuchmittel
19: MSE-Mittel
20: Entscheidungsmittel

Claims

Verfahren zur Taktrückgewinnung, TR, in schneller als Nyquist n-Pegel-Pulsamplitudenmodulations-, FTN PAM-n-, Systemen, umfassend die Schritte: Empfangen eines Signals durch ein Empfängersystem; und zum Erfassen von Taktinformationen aus dem Signal, Anwenden einer Arctan-Funktion mit einer Abtastung pro Symbol, sps, auf das Signal durch das Empfängersystem.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei TR in einem Phasenfrequenzdetektor-, PFD-, Modus ausgeführt wird, und nachdem die Taktinformationen erfasst wurden, TR in einem Phasendetektor-, PD-, Modus ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei das Verfahren vor dem Schritt des Anwendens der Arctan-Funktion einen Schritt des Anwendens unterschiedlicher Taktrückgewinnungs-, TR-, Filter, auf das Signal umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich ein TR-Filter, das in einem In-Phase-Modus angewendet wird, von einem TR-Filter, das in einem Quadraturmodus angewendet wird, unterscheidet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im Quadraturmodus das TR-Filter für eine Phasenverschiebung des Signals angewendet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das TR-Filter für die Phasenverschiebung um π/2 angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, wobei die unterschiedlichen TR-Filter im PFD-Modus angewendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, wobei die TR-Filter mehrere Taktrückgewinnungsfilterabgriffe, TR-Filterabgriffe, umfassen, wobei das Verfahren das Verwenden einer Trainingssequenz zum Bereitstellen jedes der TR-Filterabgriffe umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Trainingssequenz während einer Autonegotiation verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, wobei eine Länge der Trainingssequenz basierend auf einem spezifizierten maximalen Taktversatz ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, wobei die Trainingssequenz mit Abtastwerten des Signals synchronisiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Entzerrer und ein Gradientenalgorithmus auf die synchronisierten Abtastwerte angewendet werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Gradientenalgorithmus M TR-Filterabgriffe in einem Hauptentzerrer berechnet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 12 oder 13, wobei der Entzerrer, der an den M TR-Filterabgriffen arbeitet, für mehrere Male aktualisiert wird.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen 8 bis 14, wobei, nachdem die M TR-Filterabgriffe bereitgestellt wurden, zum Bereitstellen von L Hauptentzerrerabgriffen, wobei L ≥ M, der Schritt gemäß dem vorhergehenden Anspruch für mehrere Male wiederholt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei TR unter Verwendung der M TR-Filterabgriffe ausgeführt wird, und nachdem die Taktinformationen erhalten wurden, der Hauptentzerrer die L Hauptentzerrerabgriffe verwendet, um ein empfangenes Signal zu entzerren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 16, wobei die TR-Filterabgriffe für ein In-Phase-TR-, ITR-, Filter (4a) angewendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 17, wobei das Verfahren zum Bereitstellen mehrerer Quadratur-Taktrückgewinnungs-, QTR-, Filterabgriffe für ein QTR-Filter (4b) einen Schritt des Interpolierens der TR-Filterabgriffe umfasst, der eine Phasenverschiebung zwischen einer Zeitfehlerdetektorcharakteristik (Timing Error Detector Characteristic), TEDC, des TR-Filters und einer TEDC des QTR-Filters (4b) erzeugen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mehreren QTR-Filterabgriffe eine Phasenverschiebung zwischen der TEDC des ITR-Filters (4a) und der TEDC des QTR-Filters (4b) von π/2 erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 19, wobei das Verfahren zum Bereitstellen mehrerer Optimierungs-Taktrückgewinnungs-, OTR-, Filterabgriffe für ein OTR einen Schritt des Interpolierens der TR-Filterabgriffe umfasst, der eine Phasenverschiebung zwischen der TEDC des TR-Filters und einer TEDC eines OTR-Filters (4c) erzeugt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mehreren OTR-Filterabgriffe durch Interpolieren von ITR-Filterabgriffen bei einer Phase in einem Bereich eines TEDC-Gleichgewichtspunkts bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Schritt des Entzerrens einer Phasendetektorübertragungsfunktion.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, nachdem die Taktinformationen erhalten wurden, eine Abtastphase optimiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Abtastphase durch Ändern der mehreren TR-Filterabgriffe variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, nachdem ein Entzerrer auf Abtastwerte des Signals angewendet wurde, ein mittlerer quadratischer Fehler, MSE, berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 24 oder 25, wobei das Verfahren einen Schritt des Änderns der Abtastphase um einen Wert delta umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 25 oder 26, umfassend den Schritt des Erfassens von Kanaleigenschaften und der Abtastphase und des Berechnens des MSE.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 25 bis 27, wobei die Schritte der Ansprüche 25 bis 27 wiederholt werden, bis ein minimaler MSE bereitgestellt wird.
Vorrichtung zur Taktrückgewinnung, TR, in schneller als Nyquist n-Pegel-Pulsamplitudenmodulations-,FTN PAM-n-, Systemen, umfassend ein Empfängersystem, das konfiguriert ist zum Empfangen eines Signals; und zum Erfassen von Taktinformationen aus dem Signal, Anwenden einer Arctan-Funktion mit einer Abtastung pro Symbol, sps, auf das Signal; oder umfassend Komponenten, die angepasst sind, um Schritte gemäß einem der vorhergehenden abhängigen Ansprüche auszuführen.
Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die, wenn das Programm von einem Computersystem ausgeführt wird, das Computersystem veranlassen, die Schritte des Verfahrens gemäß mindestens einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche auszuführen.
Computerlesbares Medium, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie von einem Computersystem ausgeführt werden, das Computersystem veranlassen, die Schritte des Verfahrens gemäß mindestens einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche auszuführen.