DE19735752A1 - Verfahren zur Störunterdrückung eines bipolaren Datenstroms und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Störunterdrückung eines bipolaren Datenstroms bei hohen Leitungslängen, wobei die Signale des Datenstroms einer Grobeinstellung und einer Feineinstellung in einem Entzerrer sowie einem nachgeschalte­ ten Pegeldetektor zugeführt und über eine Steuereinrichtung vom Pegeldetektor zum Entzerrer rückgekoppelt werden. Die Er­ findung betrifft ferner eine Schaltungsanordnung zur Durch­ führung des Verfahrens.

Besonders bei hohen Reichweitenanforderungen für den Empfang von ISDN-Daten können Probleme der Intersymbol-Interferrenz, der Modulation der Amplituden durch Spannungsversorgungsstö­ rer, der Einstreuung hochfrequenter Störer sowie des direkten Übersprechens aus benachbarten Übertragungsleitungen auftre­ ten. Zudem erfordert der Dauerbetrieb ohne Unterbrechung des Empfanges eine geringe Bitfehlerrate (1E-7) und ist damit dem vollen Temperaturgang über seine gesamte Betriebszeit ausge­ setzt. Des weiteren erlauben die einschlägigen Vorschriften Sendeamplitudenvariationen von bis zu 50% und eine Bitraten­ variation von ± 13%. Gleichzeitig werden die selbständige Adaptionsfähigkeit auf beliebige Kabellängen innerhalb der spezifizierten Reichweiten gefordert. Im T1-Standard können diese beispielsweise je nach Kabeltyp zwischen 0 und 2000 Me­ ter oder 0 und 2800 Meter liegen.

Da sich mit zunehmender Länge der Übertragungsstrecke der Si­ gnal-/Rauschabstand immer mehr verschlechtert, müssen immer höhere Anforderungen an den Entzerrer gestellt werden und/oder es werden vom Entzerrer selbst aufgrund von ständi­ gen Nachregelungen im Dauerbetrieb Bitfehler erzeugt.

Bisher ist es bekannt, zu Beginn der Übertragung Standardsi­ gnale zu senden und auszuwerten, die als Trainingsimpulse oder Referenzimpulse dienen. Es werden auch Verfahren verwen­ det, die ein ständiges kontinuierliches Nachregeln erfordern oder welche Einschränkungen hinsichtlich der Amplitudenvaria­ tion und des tolerierten Rauschens notwendig machen. Ferner sind Verfahren bekannt, die mit einer Vielzahl von Detektion­ spegeln arbeiten. Nachteilig bei diesen letztgenannten Ver­ fahren ist, daß abhängig von der verwendeten Technologie Feh­ leinstellungen unter Umständen nicht verhindert werden kön­ nen. Zudem wächst der schaltungstechnische Aufwand für größe­ re Reichweiten sehr stark an. Außerdem machen sich in solchen Fällen pulsartige Störer oder einzelne Störereignisse deut­ lich auf der Empfangsstrecke des Entzerrers bemerkbar und führen zu Bitfehlern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzuge­ ben, welche einen fehlerfreien Empfang ermöglichen, obwohl sie einer Vielzahl von Störern ausgesetzt sind, und welche trotzdem einen hinreichend feinauflösenden Empfangsfeinab­ gleich in Verbindung mit einer sofortigen Reaktion bei Ver­ letzungen von absoluten Störgrenzen gewährleisten.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Schaltungsmäßig erfolgt die Lö­ sung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7. Be­ vorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie auf einem vollständig rückgekoppelten Prinzip beruht und daß eine Beobachtung des unmittelbaren Eingangssignals nicht erforderlich ist. Es sind lediglich drei Referenzpegel erforderlich sowie das aus der Rückgewinnung des digitalen Eingangssignals zur Verfügung stehende Datensignal. Durch die Verwendung von Medianfilte­ rung im Rückkopplungspfad erhält man eine große Unempfind­ lichkeit gegen Impulsstörungen, ohne daß die Detektionsfähig­ keit herabgesetzt wird.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß die beim Stand der Technik verwendeten, fest vorgegebenen Entschei­ dungsschwellen durch Entscheidungsschwellen ersetzt werden, welche auf einer statistischen Auswertung beruhen und man da­ her eine Tendenz der Schwellenverletzung als Entscheidungs­ kriterium für Gegenmaßnahmen heranziehen kann. Einmalige Ver­ letzungen eines Referenzpegels führen daher nicht zu einem unerwünschten Ausregeln. Es werden vielmehr stochastische Störungen durch Mittelwertbildung gegenseitig aufgehoben und dadurch kann genau angepaßt entweder eine Grobeinstellung oder lediglich eine Feinadaption eingeleitet werden. Über­ flüssige Grobeinstellungen werden dadurch vermieden. Dadurch verringern sich die Anforderungen an den Aussteuerbereich bei reduzierter Versorgungsspannung, womit eine Verwendung bei höheren Reichweiten möglich wird. Die statistische Auswertung und die damit verbundene Vermeidung von unnötigen Grobein­ stellungen führt zu einer höheren Einstellungsgeschwindig­ keit, so daß mit geringen Bitfehlerraten gearbeitet werden kann.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren erhält man eine Erweite­ rung des verfügbaren Aussteuerbereiches und damit eine Ver­ ringerung des schaltungstechnischen Aufwandes, weil weniger Schaltstufen erforderlich sind, oder im umgekehrten Sinn eine Reduktion der möglichen Betriebsspannung. Es werden damit An­ wendungen bei niedriger Betriebsspannung bei sehr hohen Ent­ zerrerreichweiten erschließbar.

Ein großer Vorteil ist auch darin zu sehen, daß ausschließ­ lich eine Amplitudenmessung zur Durchführung des Verfahrens erforderlich ist. Der Einsatz der Unterabtastung hat den Vor­ teil, daß kein hochfrequenter Referenztakt erforderlich ist und daß der Aufwand im Hinblick auf Zählfaktor und Register gering gehalten werden kann. Der Rückkopplungszweig kommt mit einer geringen Bandbreite aus.

Eine optimale stochastische Datenbasis erhält man dadurch, daß die Meßperiode aus 3 Null-Taktlängen besteht. Damit kann eine noch bessere Entscheidung herbeigeführt werden, ob eine Grobeinstellung oder eine Feineinstellung durchzuführen ist. Zwar kann durch eine weitere Erhöhung der Anzahl der Null- Taktlängen eine noch größere Genauigkeit herbeigeführt wer­ den, es wird jedoch andererseits die Adaptionsdauer des Ent­ zerrers vergrößert, so daß insgesamt die dreifache Null- Taktlänge als Meßperiode als besonders gut geeignet er­ scheint.

Als Null-Taktlänge wird ein Datenstrom mit einer minimalen Dichte von logisch-"1"-Signalen verstanden, d. h. einem Da­ tenstrom mit 15 "0"-Signalen und 3 "1"-Signalen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Schal­ tungsanordnung zur Störunterdrückung eines bipola­ ren Datenstroms.

Fig. 2 zeigt schematisch drei Referenzpegel, wie sie in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 verwendet werden,

Fig. 3 zeigt schematisch eine Unterabtastung eines Span­ nungsverlaufs bei drei Referenzpegeln entsprechend Fig. 2,

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen jeweils schematisch anhand eines Diagramms das Verhalten der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 bei der oberen bzw. unteren Pegelauswertung, und

Fig. 6 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Amplitu­ denvariation des Datenstroms anhand eines Augenmu­ sters.

Gemäß Fig. 1 wird ein aus bipolaren Signal bestehender Daten­ strom einem Entzerrer 9 mit einer automatischen Verstärkungs­ steuerung 10, die auch AGC genannt wird, und einem Gruppen­ laufzeitfilter 11 zugeführt, dessen Ausgang parallel mit ei­ nem Spannungspegeldetektor 12 und einem Spannungsspitzende­ tektor 13 verbunden ist.

Der Spannungspegeldetektor 12 weist drei Ausgänge auf, die unter Bildung einer Rückkopplungsschleife mit einer Steuer­ einrichtung 14 verbunden sind. Die Steuereinrichtung 14 be­ aufschlagt sowohl die automatische Verstärkungssteuerung 10 als auch das Gruppenlaufzeitfilter 11. Außerdem ist der Aus­ gang des Spannungspegeldetektors 13 mit einem Empfänger 15 verbunden, an dessen Ausgang der rekonstruierte Datenstrom zum Beaufschlagen der folgenden Übertragungsstrecke liegt. Über eine Rückkopplungsleitung 16 wird dieser rekonstruierte Datenstrom an die Steuereinrichtung 14 rückgekoppelt. Eine Tendenzsteuerung 17 ist über eine bidirektionale Verbindung 18 mit der Steuereinrichtung 14 verbunden.

Der von einer Übertragungsstrecke auf einem Empfangspfad 19 anliegende Datenstrom ist mit einer Vielzahl von typischen, übertragungsbedingten Störungen behaftet. In der Verstär­ kungssteuerung 10 und im nachgeschalteten Entzerrer wird die Amplitude wieder auf einen konstanten Nominalwert eingestellt und die Datensignale werden rekonstruiert. Dazu wird der Spannungsverlauf am Entzerrerausgang 20 vom Spannungspegelde­ tektor 12 unter Verwendung von drei Referenzpegeln a, b, c auf Verletzungen der Pegel a, b, c hin überprüft, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Zwischen einem unteren Referenzpegel a und einem oberen Referenzpegel c zur Grobeinstellung der Verstärkungssteuerung 10 und des Gruppenlaufzeitfilters 11 liegt mit einem Pegelabstand D vom oberen Referenzpegel c ein mittlerer Referenzpegel b zur Feineinstellung. Bei einem Aus­ steuerbereich A der Verstärkungssteuerung 10 und des Gruppen­ laufzeitfilters 11, welcher den Abstand des unteren und obe­ ren Referenzpegels a, c bestimmt, wird der Pegelabstand D durch die Summe S aller in Betracht zu ziehenden Störungen und die Feineinstellungsbandbreite F der Verstärkungssteue­ rung 10 und Gruppenlaufzeitfilters 11, d. h. D = F + S, durch das Verhältnis

bestimmt (bezogen auf Pegel

in logarithmierter Darstellung).

Außerdem wird das analoge Ausgangssignal des Gruppenlaufzeit­ filters 11 im Spannungsspitzendetektor 13 und im Empfänger 15 zur Bildung des regenerierten bidirektionalen Datensignals umgewandelt, welches auf der ausgangsseitigen Datenleitung 21 abgreifbar ist.

In Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Spannungsdetek­ tors 12 und des Empfängers 15 werden über die Steuereinrich­ tung 14 die Schaltstufen der Verstärkungssteuerung 10 und die Charakteristik des Gruppenlaufzeitfilters 11 und damit ver­ bunden die Grob- und Feineinstellung eingestellt. Diese Ein­ stellung wird ferner von der Tendenzsteuerung 17 beeinflußt, in welcher entweder die Auswertekriterien für die im Span­ nungspegeldetektor 12 und vom Empfänger 15 kommenden Signale im Sinne einer Steuerung fest vorgegeben werden oder im Sinne einer Regelung nach wählbaren Kriterien nachgeführt werden.

Die Abtastung der Amplitude im Spannungspegeldetektor 12 er­ folgt gemäß Fig. 3 mittels Unterabtastung mit einem Meßtakt Clk und einer Meßperiode T, welche der dreifachen Null- Taktlänge entspricht. Bei einer Verletzung eines der drei Re­ ferenzpegel a, b, c wird jeweils ein digitales Signal V_a, V_b und V_c getriggert. Mit steigender Flanke des Taktsignals T werden diese Signale als digitales Meßsignal abc ausgewertet und der Steuereinrichtung 14 zugeführt. In der Figur sind bei­ spielhaft drei Meßzeitpunkte dargestellt, welche drei digita­ le Meßsignale abc 110, 001 und 111 veranschaulichen. Dabei ist hervorzugeben, daß die stochastisch gegebene Möglichkeit der Pegelfehlinterpretation aufgrund der Unterabtastung in der Auswertung berücksichtigt wird.

In einer Einstellphase werden die auf diese Weise festge­ stellten Pegelverletzungen einer stochastischen Auswertung auf dem Prinzip der Ereignis-Medianfilterung der Referenzpe­ gel in der Steuereinrichtung 14 unterzogen. Die Auswertung beruht auf den Schaltungskriterien, welche von der Tendenz­ steuerung 17 eingespeist werden.

Das Verhalten der Steuereinrichtung 14 wird anhand der in Fig. 4 und 5 beispielhaft dargestellten Entscheidungskriteri­ en für die Auswertung des oberen Referenzpegels c bzw. des unteren Referenzpegels a veranschaulicht. In der Grob- und Feineinstellungsphase gilt dabei, daß eine erste und eine zweite Entscheidungsschwelle Z1 bzw. Z4 und Z2 bzw. Z3 fest­ gelegt werden, welche in Abhängigkeit von der Symboldichte des Datenstroms bei prozentual vorgegebenen Pegelüberschrei­ tungen zu einer Grob- oder Feineinstellung oder keiner Kor­ rektur führen. In den in Fig. 4 und 5 dargestellten Beispie­ len sind jeweils Entscheidungsschwellen Z1 bis Z4 vorgegeben, die auf einer prozentualen Pegelüberschreitung von 50% beru­ hen, d. h. die Anzahl der Pulse des Datenstroms, deren Ampli­ tude die Entscheidungsschwellen während der Grob- oder Fein­ einstellungsphase überschreitet, beträgt 50%.

Wenn demnach die Anzahl der Pulse, welche die erste Entschei­ dungsschwelle Z1 für den oberen Referenzpegel c und die vier­ te Entscheidungsschwelle Z4 für den unteren Referenzpegel a überschreiten, 50% beträgt, erfolgt ein Wechsel zur Feinein­ stellung. Wenn danach in der Feineinstellungsphase wiederum eine Überschreitung des mittleren Pegels b entsprechend den Entscheidungsschwellen Z2 und Z3 mit 50% erfolgt, wird ein Zustand eingenommen, in welchem keine Korrektur erfolgt und die Verstärkungssteuerung 10 und der Gruppenlaufzeitfilter 11 eingestellt sind. Dieser Zustand wird dann in einer Verifika­ tionsphase einer Regelung unterzogen.

Grobeinstellungen werden beispielsweise erforderlich beim Um­ schalten einer Übertragungsstrecke oder einer sprunghaften Verringerung der Signalamplitude, wobei die untere Referenz­ schwelle a z. B. nur noch in einem Verhältnis von 5% über­ schritten wird. Dies erfordert eine möglichst schnelle und deutliche Korrektur.

Feineinstellungen werden beispielsweise erforderlich, wenn der die Schaltungsanordnung eingangsseitig beaufschlagende Sender oder die Spannungsversorgung der vorliegenden Schal­ tungsanordnung den vorgegebenen Betriebsbereich verläßt oder wenn nicht spezifizierte stochastische Störer auftreten, die außerhalb des schaltungstechnisch durch die Medianfilterlänge unterdrückten Frequenzbereiches liegen. In solchen Fällen soll der Betrieb so lange wie möglich aufrechterhalten wer­ den. Da aber Effekte auftreten, die schleichend den unteren Referenzpegel verletzen, wird bei Erreichen der 50% Schwelle der Medianfilteranordnung eine Feineinstellung ausgelöst. Dies führt umso wahrscheinlicher zu keinen Bitfehlern, je ge­ ringer die Symboldichte ist und verletzt nicht die zulässige Bitfehlerrate. Somit führt die oben beschriebene Auswertung zu einem noch robusteren Verhalten der Steuereinrichtung 14, ohne dabei die Anforderungen nach maximaler Ausnutzung des Aussteuerbereichs, der Langzeitstabilität und der Reaktions­ geschwindigkeit auf massive Änderungen bis zu einer Grobein­ stellung zu verletzen.

In der Verifikationsphase werden Langzeiteffekte, wie Ei­ generwärmung des Empfangspfades oder Drift des Spannungspe­ gels des Senders betrachtet. Systembedingt variieren die re­ konstruierten Signalamplituden und bewegen sich relativ in dem erlaubten Band der Amplituden, die durch den unteren und oberen Referenzpegel a, c begrenzt werden. Damit das vorste­ hend beschriebene Anforderungsdreieck optimal erfüllt wird, wird in der Verifikationsphase eine stochastische Auswertung durchgeführt, welche die prozentual vorgebbare Anzahl von Schwellenverletzungen berücksichtigt, und daher zwischen Fein- und Grobeinstellung unterscheidet. In der Verifikati­ onsphase wird der mittlere Referenzpegel c nicht mehr durch das entsprechende Ausgangssignal des Spannungspegeldetektors 12 festgelegt, sondern durch den regenerierten Datenstrom über die Rückkopplungsleitung 16.

Um zu verhindern, daß bei einer drastischen Veränderung der Datenstromstatistik, beispielsweise von einem Dauer-1-Signal aufgrund Streckenalarm zu einem Ruhedatensignal mit minimaler Signal-1-Dichte, ein Verwurf der Feineinstellung oder eine Beendigung der Verifikationsphase erfolgt, werden auch Ampli­ tudenvariationen aufgrund der unterschiedlichen stochastisch verteilten Pulsdichte im Datenstrom zugelassen. Eine derarti­ ge Amplitudenvariation veranschaulicht Fig. 6 anhand eines Augenmusters eines rekonstruierten Signalverlaufs, welches sich im Betrieb des Entzerrers 9 im zulässigen Randbereich um den mittleren Referenzpegel b findet. Mit SA₁ ist der Pfad der dichteren Signale und mit SA₂ der Pfad der Einzelimpulse bzw. der geringen Signaldichte bezeichnet. Der sich aufgrund der Amplitudenvariation ergebende Bereich ist mit ΔSA be­ zeichnet.

Die Auswertung der Pegelverletzungen des unteren und oberen Referenzpegels a, c erfolgt daher nach einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung auch unter Berücksichtigung der in Fig. 6 veranschaulichten möglichen Amplitudenvariationen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß mittels der Tendenzsteuerung 17 die prozentual vorgebbare An­ zahl von unteren und oberen Schwellenverletzungen während des Betriebs umgeschaltet werden kann. Das hat den Vorteil, daß das Verfahren noch toleranter gegenüber massiveren stochasti­ schen Störern ist. Wenn der Erfolg dieser Auswertung wiederum (stochastisch) zur Umschaltung verwendet wird, so erhält man eine Regelung. Bei einer derartigen Regelung werden eine vor­ gebbare Anzahl von Feineinstellungen auf ihren Erfolg hin überprüft. Wenn nach einer bestimmten Anzahl kein Erfolg festgestellt wird, wird die für diese Versuche vorgegebene prozentuale Anzahl von Schwellenverletzungen wieder verän­ dert.

Claims (10)

1. Verfahren zur Störunterdrückung eines bipolaren Daten­ stroms bei hohen Leitungslängen, wobei der Datenstrom einer Grobeinstellung und einer Feineinstellung in einem Entzerrer sowie einem nachgeschalteten Pegeldetektor zugeführt und über eine Steuereinrichtung vom Pegeldetektor zum Entzerrer rück­ gekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Schritte durchgeführt werden:

• a) der Datenstrom wird mit einer Meßperiode abgetastet, die mindestens zweimal der Länge der maximalen NULL-Taktlänge entspricht,
• b) der Abtast-Takt ist so bemessen, daß Unterabtastung durch­ geführt wird,
• c) es werden drei Referenzpegel (a, b, c) verwendet,
• d) aus den Referenzpegeln wird jeweils ein Abtastsignal abge­ leitet, und
• e) abhängig von einer prozentual vorgebbaren Anzahl von obe­ ren und unteren Schwellenverletzung wird eine Grobeinstel­ lung oder eine Feineinstellung eingeleitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßperiode dreimal der Länge der maximalen Null-Takt­ länge entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Referenzpegel in der Weise zwischen einem obe­ ren und unteren Referenzpegel liegt, daß ein Pegelabstand D = F + S eingehalten ist, wobei S im wesentlichen die Summe aller Störungen und F die Feineinstellungsbandbreite des Equalizers ist, und daß F und S zu einem Aussteuerbereich A des Equalizers wie
festgelegt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als mittlerer Referenzpegel der ausgangsseitige Daten­ strom verwendet wird, sobald die Feineinstellung abgeschlos­ sen ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung des unteren und/oder oberen Referenzpegels (a, c) in Abhängigkeit vom Erfolg oder Nichterfolg einer vor­ gebbaren Anzahl von Grob- und/oder Feineinstellungen erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die prozentual vorgebbare Anzahl von oberen und/oder un­ teren Schwellenverletzungen in Abhängigkeit von einer vorge­ gebenen Amplitudenvariation des Datenstroms eingestellt wird.

7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Entzerrer (9) in einem ersten Rückkopplungspfad ein Spannungspegeldetektor (12) mit drei Referenzpegeln (a, b, c) nachgeschaltet ist, welche einer Steuereinrichtung (14) zuge­ führt werden, deren Ausgang mit dem Steuereingang des Entzer­ rers (9) verbunden ist, und daß die Steuereinrichtung (14) eine Auswertecharakteristik für die Ausgangssignale des Span­ nungspegeldetektors (12) aufweist, die auf einer prozentual vorgebbaren Anzahl von oberen und unteren Schwellenverletzun­ gen zur Einleitung einer Grob- oder Feineinstellung des Ent­ zerrers (9) beruht.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruchs 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Rückkopplungspfad mit einem Spannungsspitzen­ detektor (13) in Reihe mit einem Empfänger (15), welcher das regenerierte Datensignal erzeugt, liegt, und daß der Ausgang des Empfängers (15) mit der Steuereinrichtung (14) zur Aus­ wertung des regenerierten Datensignals verbunden ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruchs 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Steuereinrichtung (14) beaufschlagende Tendenz­ steuerung (17) vorhanden ist, mit welcher die Charakteristik der Steuereinrichtung (14) in Abhängigkeit vom Ergebnis der Regelung durch den Entzerrer (9) angestellt wird.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzerrer (9) eine automatische Verstärkungssteuerung 10 zur Feineinstellung und ein Filter (11) zur Grobeinstel­ lung der Signalamplitude aufweist.