DE1919345B2

DE1919345B2 - Rahmensynchronisiervorrichtung für einen orthogonalen oder biorthogonalen Decoder

Info

Publication number: DE1919345B2
Application number: DE1919345A
Authority: DE
Inventors: William G. Rockville Schmidt, Md. (V.St.A.)
Original assignee: Comsat Corp
Current assignee: Comsat Corp
Priority date: 1968-04-16
Filing date: 1969-04-16
Publication date: 1979-07-26
Also published as: DE1919345C3; NL165349C; US3575554A; NL6905881A; SE345942B; GB1230343A; DE1919345A1; FR2006291A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Anordnung zur Rahmensynchronisierung eines orthogonalen oder biorthogonalen Decoders auf einen ankommenden Datenfluß gemäß dem Oberbegriff des PatentansDruchs 1.

Die digitale Datenübertragung unterscheidet sich von der analogen Übertragungstechnik nicht nur durch die diskrete Art der Signalübertragung gegenüber der kontinuierlichen Analogtechnik, sondern auch dadurch, daß ein digitaler Datenstrom die Takt- und die Wortsynchronisation zusammen mit den eigentlichen Daten enthält Die digitale Datenübertragung, die sich der orthogonalen und biorthogonalen pulscodierten Form bedient, ist insbesondere be; Übertragungsmedien nützlich, die sich durch schlechte Signal-Geräuschverhältnisse auszeichnen, da sie bei diesen Einsatzfällen geringe Fehlerwahrscheinlichkeiten aufweisen. Dahingegen ergeben sich bei demselben hohen Geräuschfaktor beachtlichen Probleme, um die notwendige Takt- und Wortsynchronisation zu erreichen. Die orthogonale und biorthogonale Codiertechnik ist an sich in der Technik bereits bekannt Hinsichtlich der Synchronisationstechnik digitaler Übertragungssysteme sind zwar verschiedene grundsätzliche Lehren bekannt, die Anforderungen für einen Synchronlauf bei schlechten Signal-Geräuschverhältnissen (SNR) sind jedoch so gelagert, daß nur wenige von ihnen wirkungsvoll und zuverlässig genug sind, um in Systemen mit orthogonaler oder biorthogonaler Codierung angewendet werden zu können. Die vorliegende Erfindung hat deshalb zur Aufgabe, eine Rahmensynchronisiertechnik zu schaffen, die eine außerordentlich schnelle und zuverlässige Synchronisierung bei schlechten Signal-Geräuschverhältnissen (SNR) ergibt und die sich außerdem sehr wirtschaftlich in ein Digitalübertragungssystem mit orthogonaler oder biorthogonaler Codierung einfügt, so daß weitgehend die bereits vorhandenen Datendecodierschaltungen verwendet werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.

Zusammenfassend gesagt, weist eine erfindungsgemäße Anordnung eine Vorrichtung auf, die dazu geeignet ist, durch Korrelationsempfangstechnik eine gleichzeitige Auswertung eines empfangenen Synchronisierworts mit jeder örtlich erzeugten Phase dieses Wortes vorzunehmen. Weiterhin sind Vorrichtungen vorgesehen, um sämtliche Ausgänge des bzw. der Korrelationsempfänger (s) abzutasten, wobei das größte Ausgangssignal, das sich aus dem Phasenvergleich ergibt, einen Puls hervorbringt, der entsprechend der ausgewählten Phase einen Decoder betreibt. Immer, wenn anschließend die ausgewählte Phase erzeugt wird, was einmal in jeder Rahmen- oder Wortperiode der Fall ist, erzeugt der Decoder den gewünschten Synchronisierimpuls. Der Korrelationsempfänger und die verwendeten Abtast- und Auswahlvorrichtungen sind Bestandteile des vorhandenen Datendecoders und es ergeben sich somit beachtliche Einsparungen bei diesen Baugruppen. Da die grundsätzliche Rahmensynchronisiertechnik ihrerseits die orthogonale Codierung und Korrelations-Decodierung enthält, bietet sie, verglichen mit der bekannten Technik, eine außerordentliche Synchronisiergeschwindigkeit und Zuverlässigkeit bei schlechten Signal-Geräuschverhältnissen. Eine vollständige Rahmensynchronisation innerhalb weniger Rahmenperioden ist leicht erreichbar.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnung.

F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Rahmensynchronisiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

F i g. 2a bis 2n geben Osziüograrnrnc der verschiede

nen Zeitfunktionen wieder, die im Blockschaltbild von F i g. 1 anstehen.

In der nachfolgenden Beschreibung wird unterstellt, daß die Übertragung bündelweise erfolgt und daß die Daten biorthogonal codiert sind. Im Beginn eines jeden Impulsbündels ist nur der unmoduliert^ Träger enthalten, der es dem empfangsseitigen Demodulator ermöglicht. Frequenz und Phasenkohärenz abzuleiten (Trägerrückgewinnung). Der zweite Teil eines jeden Bündels enthält den Träger, der mit einem Takt- oder Synchronisiersignal, im allgemeinen einem regelmäßigen Impulszug, moduliert ist Der dritte Teil enthält eine sich wiederholgende Folge eines Rahmensynchronisierworts mit, wie bereits erwähnt, guten Autokorrelationseigenschaften, während der verbleibende Teil jedes Bündels die biorthogonal codierten Datenbits enthält Die Erfindung bezieht sich ausschließlich auf die Rahmensynchronisation, die den dritten Abschnitt eines jeden Datenbündels betrifft und es soll weiterhin stets angenommen werden, daß sowohl Träger- als Taktableitung in getrennten, nicht dargestellten Schaltkreisen bereits erfolgt sind.

Das Synchronisierwort, das bei der folgenden Beschreibung verwendet wird, besteht aus einer 8-Bit-Binär-Folge, nämlich aus 11100100. Diese Folge dient hier nur als Beispiel, eine Anzahl anderer Folgen bzw. Wörter mit guten Korrelationseigenschaften könnten diesem Zweck genau so gut genügen. Die Länge von 8 Bit wurde in Anlehnung an die im gesamten Datenübertragungssystem verwendete Wortlänge g> wählt. In der folgenden Tabelle wird die Autokorrelationsfunktion des Rahmensynchronisierwortes 11100100 dargestellt

35

40

45

In dieser Tabelle ist jede der 8 Phasen des gewählten Wortes .sowie die Anzahl der übereinstimmenden und verschiedenen Bits zwischen jeder Phase und der ursprünglichen bzw. der Differenzphase dargestellt. Ordnet man übereinstimmenden Bits den Wert +1 und den verschiedenen Bits -1 zu, so ergibt sich eine Summenspalte, aus der hervorgeht, daß nur die phasengleiche Folge einen positiven Summenwert ergibt, während alle anderen Folgen 0 oder negative Werte aufweisen.

In der nachstehend beschriebenen Schaltung wird demzufolge die Referenzphase der Folge 11100100 unmittelbar nach der Taktsynchronisierperiode übertragen. Gleichzeitig werden die 8 Phasen oder Folgen dieses Wortes empfängerseitig durch ein in sich geschlossenes Schieberegister erzeugt. Jede Phase wird mit der empfangenen Referenzphase durch Multiplikation der beiden Folgen und anschließender Integration der Ergebnisse der Multiplikation verglichen (Korrelationscrnpfang). Nach einer geeigneten Anzahl von

Folge	Gleiche	Ungleiche	Summe
	Bits	Bits
11100100	8	0	+ 8
01110010	4	4	0
00111001	2	6	-4
10011100	4	4	0
01001110	4	4	0
00100111	4	4	0
10010011	2	6	-4
11001001	4	4	0

Perioden des Synchronisierwortes werden außer einer einzigen sämtliche Integrationsschaltkrfcise in der Nähe von 0 sein oder stark negative Werte aufweisen (entsprechend der obigen Tabelle). Die Ausnahme ergibt sich hier bei der Integration mit der phasengleichen Folge des Rahmensynchronisierwortes, deren Ergebnis stark positiv ist Baugruppen, die einen Teil der biorthogonalen Decodierschaltuug des Empfängers darstellen, werden benützt, um die Integrationswerte abzutasten und einen Impuls an einen von 8 Wahlausgängen zu liefern, der die phasengleiche Folge markiert Dieser Impuls steuert einen einfachen logischen Decoder, der jedesmal dann einen Ausgangspuls liefert, wenn die ausgewählte bzw. phasenrichtige Folge im Schieberegister ansteht Dieser Ausgangspuls dient als der gewünschte Rahmensynchronisierpuls für die nachfolgende Datenübertragung und wird zu Beginn einer jeden Rahmen- oder Wortperiode erzeugt

F i g. 2a zeigt das Taktzeitsignal, das dem Eingang 10 in F i g. I zugeführt wird, wobei es unmittelbar an den Verschiebetakteingang eines 8stufigen Schieberegisters 12 angekoppelt ist F i g. 2b zeigt daß das ankommende modulierte Impulsbündel Taktsynchronisations-, Rahmensynchronisations- und Datenanteile enthält Es wird dem Eingang 14 in F i g. 1 zugeführt wird. In F i g. 2c ist das Signal dargestellt das die erfolgte Taktableitung anzeigt und dem Eingang 16 zugeführt wird.

Die Rahmensynchronisation wird durch einen kurzen Impuls ausgelöst (F i g. 2d), der durch den Pulsgenerator 18 nach Maßgabe des Signals für die erfolgte Taktableitung, das dem Eingang 16 zugeführt wird, erzeugt wird. Dieser Impuls wird dem Setzeingang einer Kippschaltung 20 zugeführt deren im gesetzten Zustand spannungsführender Ausgang über die Verbindung 22 (Fig.2e) die Und-Schaltungen 24 freigibt während der im gesetzten Zustand spannungslose Ausgang über die Verbindung 26 die Und-Schaltungen 28 sperrt Durch den Startimpuls aus dem Generator 18 werden weiterhin die Kippschaltungen 30, 32 und 34 sowie 6 weitere Kippschaltungen, die 6 weitere Decodern zugehören, zurückgesetzt und es wird die monostabile Kippschaltung 36 angestoßen. Weiterhin wird durch diesen Startimpuls die Binärfolge 11100100 in umgekehrter Reihenfolge wie gezeigt in das Schieberegister 12 eingeschrieben. Unmittelbar darauf wird diese Folge im Schieberegister nach rechts geschoben und kreist im geschlossenen Kreis mit der Taktfrequenz. Die Serienausgänge jeder Stufe, die den 8 Phasen des Rahmensynchronisierwortes entsprechen, werden über durchgesteuerte Und- und Oder-Schaltungen 24 bzw. 28 den Signalmultiplikatoren 40 zugeführt Diesen Multiplikatoren wird auch das Impulsbündel zugeführt, das am Eingang 14 ankommt und durch den Verstärker 42 verstärkt wird, wobei gleichzeitig das ankommende Rahmensynchronisierwort mit jeder seiner 8 Phasen multipliziert wird.

Die Ausgangssignale der Multiplikationsschaltungen 40 werden den Integratoren 44 zugeführt die aus konventionellen Operationsverstärkern mit kapazitiven Gegenkopplungen bestehen, während die Ausgänge der Integratoren ihrerseits der Decoderentscheideschaltung 46 zugeführt werden. Die Multiplikatoren, Integratoren zusammen mit der Decoderentscheidungsschaltung bilden einen Korrelationsempfänger bzw. ein digitales Optimalfilter. Die Multiplikatoren und Integratoren als solche sind Stand der Technik und werden hier nicht weiter beschrieben. Die Decoderentscheidungsschaltiing 46 ist dazu ausgelegt, die Integratorausgänge bei

Bedarf abzutasten und eine bestimmte aus der Anzahl von Ausgangsleitungen auszuwählen, die dem Integrator mit dem höchsten Wert entspricht.

Da das Schieberegister 12 in einem geschlossenen Kreis umläuft, erzeugt jede Stufe in Serienform, so wie oben erwähnt, eine der 8 Phasen des Rahmensynchronisierwortes. Das Ausgangssignal der Stufe Nr. 8 ist als Beispiel in F i g. 2f dargestellt und, wie leicht zu sehen ist, ist diese Folge nicht gleichphasig mit der Referenzfolge, wie sie in Fig.2b dargestellt ist. Wenn diese zwei Zeitfunktionen miteinander multipliziert und in einem Korrelationsdetektor integriert werden, gleicht das Ausgangssignal des Integrators der in F i g. 2g gezeigten Zeitfunktion, Ihr Wert ist stets Null oder negativ und die Nullachse wird von ihr nie zum positiven Bereich hin überschritten. Fünf Taktperioden nach dem die Rahmenerkennung im Empfänger ausgelöst wurde, erscheint das erste Bit der Referenzphase des Rahmensynchronisierwortes im Bündelsignal. Während dieser Zeit ist das erste Bit, das ursprünglich in der achten Stufe des Schieberegisters stand, nach der fünften Stufe vorgerückt Das Serien-Ausgangssignal an der fünften Stufe des Schieberegisters ist in Fig.2h dargestellt und ist offensichtlich gleichphasig mit dem ankommenden Rahmensynchronisierwort, wie es in Fig.2b dargestellt ist Nach Multiplikation dieser beiden Funktionen miteinander und der Integration der Multiplikationsergebnisse im Korrelationsdetektor am Integratorausgang ergibt sich ein positiver, stetig zunehmender, in Fig.2i dargestellter Spannungsverlauf. Die Ausgangsspannungen sämtlicher anderen Integratoren sind, ähnlich wie in Fig.2g für die Stufe Nr. 8 dargestellt, hierbei entweder stark negativ oder Null. Nach einer vorgegebenen Verzögerung von zwischen 2 und 4 Wortlängen kippt der Ausgang der monostabilen Kippschaltung 36, Fig.2j, in seine Ruhelage zurück und triggert hierbei den Pulsgenerator 48. Letzterer erzeugt einen Rahmenentscheidungsimpuls, F i g. 2k, der auf die Decoder-Entscheidungsschaltung 46 einwirkt und die Kippschaltung 50 setzt Die Decoderentscheidungsschaltung löst ein Signal an der der fünften Stufe des Schieberegisters entsprechenden Ausgangsleitung aus und kennzeichnet auf diese Art diese Stufe, die die phasenrichtige Folge erzeugt. Weiterhin wird durch dieses Signal die Kippschaltung 12 gesetzt Diese Kippschaltung triggert ihrerseits den Decoder 52, der in der Folge jedesmal einen Ausgangsimpuls abgibt F i g. 2m, wenn die Binärfolge, die an seinen 8 Eingängen gezeigt ist im Schieberegister 12 steht Diese Folge tritt im Schieberegister offensichtlieh zu Beginn jeder Wort- oder Rahmenperiode des ankommenden Bündelsignals auf. Der Impuls vom Decoder 52 wird der Oder-Schaltung 54 zugeführt deren Ausgang die Und-Schaltung 56 freigibt, sowie die Kippschaltung 30 setzt und die Kippschaltung 20 zurücksetzt Das Ausgangssignal der Kippschaltung 30 gibt die Und-Schaltung 56 statisch frei, so daß diese jedesmal, wenn der Decoder 52 einen Impuls erzeugt, am Ausgang 58 den gewünschten System-Rahmensynchronisierimpuls abgibt. Das Ausgangssignal der Und-Schaltung 56 ist in F i g. 2n dargestellt.

Durch die Kippschaltung 50, die durch den Rahmenentscheidungsimpuls gesetzt wird, wird am Ausgang der Oder-Schaltung 60 ein Ausgangssignal erzeugt, F i g. 21, das die in den Integratoren gespeicherten Werte löscht; beispielsweise deren Gegenkopplungskapazitäten entlädt, um diese für die anschließende Daten-Decodierung vorzubereiten. Durch den spannungsführenden Ausgang, der zu Beginn einer Rahmensynchronisierperiode getriggerten monostabilen Kippschaltung 36 wurden die Integratorschaltungen dahingehend verändert, daß ein zusätzlicher Kondensator in jeden ihrer Gegenkopplungskreise eingeschaltet wird. Dies ist notwendig, da die Integratoren über eine längere Zeit linear arbeiten müssen als die Datendecodierbaugruppe. Sobald der Ausgang der monostabilen Kippschaltung 36 spannungslos wird, werden die zusätzlichen Kondensatoren von den Integratoren abgeschaltet.

Wenn die Kippschaltung 20 durch den Impuls von der Oder-Schaltung 54 zurückgesetzt wird, sperrt der spannungslose Ausgang an der Verbindung 22 (F i g. 2e) die Und-Schaltungen 24 und sperrt weiterhin die Ausgänge des Schieberegisters 12, die zu den Multiplikatoren 40 hinführen, während das Spannungssignal an der Verbindung 26 die Und-Schaltungen 28 freigibt. Die anderen Eingänge für diese Torschaltungen an den Verbindungen 62 werden von einem Codefunktionsgenerator des Typs, wie er in der gleichlaufenden Anmeldung P 17 62 3993 vom 10. Juni 1968 mit dem Titel »Biorthogonalcodegenerator« aufgeführt wird, abgeleitet In der Daten-Decodier-Baugruppe stellen die derart erzeugten Signale die verschiedenen Phasen und/oder Folgen einer orthogonalen Codefolge dar. Diese Folgen werden über die Und- und Oder-Schaltungen 28 und 38 den Multiplikatoren 40 zur Korrelationsanalyse mit dem ankommenden Impulsbündel zugeleitet. Während der Datenübertragung wird am Ende jeder Rahmenperiode durch die Oder-Schaltung 60 den Integratoren ein von einer nicht gezeigten Quelle herrührender Löschimpuls zugeführt durch den die Integratorkondensatoren entladen und für die nächste Rahmenperiode vorbereitet werden sollen.

Wie nun besser zu übersehen ist, stellt der Korrelationsanalysator zusammen mit den Multiplikatoren 40, den Integratoren 44 und den Decoder-Entscheidungsschaltkreis 46 einen Teil der Datendecodierschaltung des Empfängers dar, wobei die gleichzeitige Ausnützung dieser Schaltungen zur Erlangung der Rahmensynchronisation, verglichen mit früher angewendeten Systemen, beträchtliche Einsparungen an Schaltungsaufwand mit sich bringt Zusätzlich dazu wird durch diese Einsparung das Gewicht des gesamten Empfängers verringert und dies kann wiederum ein schwerwiegender Faktor beim Einsatz in einem Satelliten sein, der in einem Weltraumnachrichtenübertragungssystem eingesetzt ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rahmensynchronisieranordnung für einen orthogonalen oder biorthogonalen Decoder, der eine Rahmensynchronisierwortlänge von η Bit benützt, und einen Korrelationsanalysator mit ersten und zweiten Gruppen von π Eingängen und π Ausgängen enthält, der weiterhin die Einrichtungen zum Empfang eines ankommenden Impulsbündelsignals, das einen Datenteil umfaßt, dem eine wiederholte Folge eines Wortes von π Bit Länge vorausgeht, das seinerseits gute Autokorrelationseigenschaften hat, und der Einrichtungen dafür besitzt, das Signal an die erste Gruppe der Eingänge des Korrelationsanalysators anzulegen, gekenn zeichnet durch (a) is Einrichtungen (12) zur gleichzeitigen Erzeugung jeder der möglichen Phasen des Wortes, (b) Einrichtungen (24, 38), um die erzeugten Wortphasen einzeln andie zweite Eingangsgruppe des Korrelationsanalysators (40, 44, 46) anzulegen, und (c) Einrichtungen (46), die abhängig von einem Signal an einem der η Ausgänge des Korrelationsanalysators in der Lage sind, diejenige der erzeugten Wortphasen, die mit dem Empfangswort phasengleich ist, zu identifizieren, um einen Rahmensynchronisierimpuls zu Beginn jeder Rahmenperiode abzugeben.

2. Rahmensynchronisieranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 1 und (a) aufgeführten Einrichtungen ein jo zum Kreis geschlossenes n-stufiges Schieberegister (12) enthalten, das ursprünglich eine der Phasen des Wortes enthält.

3. Rahmensynchronisieranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 1 unter (c) aufgeführten Einrichtungen einen Decoder (46) enthalten, der jedesmal dann einen Ausgangsimpuls erzeugt, wenn das erste Bit der phasenrichtigen Wortfolge in der Rtgisterstufe durch den Korrelationsanalysator festgestellt wird.

4. Rahmensynchronisieranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (18) vorgesehen sind, die dazu dienen, die in Anspruch 1 unter (a) angeführten Worterzeugungseinrichtungen auszulösen und die unter (b) aufgeführten Koppelelemente in Abhängigkeit von der Lage des Taktpulses zu aktivieren.

5. Rahmensynchronisieranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (20,22,24,26,28,30,32,34, 36) zum Setzen des Schieberegisters vorgesehen sind, die die in Anspruch 1 unter (b) erwähnten Koppelelemente in Abhängigkeit von der Lage des Taktpulses aktivieren.

6. Rahmensynchronisieranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (54, 20) vorgesehen sind, um den Korrelationsanalysator zu setzen, damit dieser den Datenteil des Impulsbündelsignals nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung empfangen kann.