DE2139404C3

DE2139404C3 - Verfahren zur Synchronisierung

Info

Publication number: DE2139404C3
Application number: DE19712139404
Authority: DE
Inventors: Klaus Dieter Dr.-Ing. 7913 Senden Schenkel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-08-06
Filing date: 1971-08-06
Publication date: 1980-12-04
Also published as: DE2139404B2; AU4497772A; DE2139404A1; AU464103B2

Description

Phasenlage der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge gegenüber den Datenbits vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere jt'solcher Mittelwerte (<p_m ι bis (p_mk') zu einer Gesamtphasenverschiebung (g>'_m) aufsummiert werden, die Zeit (to), in welcher sich die Gesamtphasenverschiebung (<p_m') ereignet, bestimmt wird, aus ίο und <p'_m die Frequenzverschiebung (Af) ermittelt wird, und die Eigenfrequenz des Oszillators zur Erzeugung der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge um einen möglichst nahe bei Af liegenden Betrag dauerhaft so verändert wird, daß der Oszillator mit der neuen Frequenz so lange weiterschwingt, bis eine neue Frequenzverschiebung erfolgt.

60

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Synchronisierung der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge eines Datenempfängers auf die Impulsfolge eines Datensenders.

Aus der DE-AS 11 48 584 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Verschiebung der Phase zwischen dem Datenschritt und der Referenzfrequenz ohne Mittelung in einem Schritt durchgeführt wird. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise hoher statistischer Phasenjitter des rückgewonnenen Taktes.

Aus der DE-OS 15 37 031 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Kreuzkorrelation zwischen einem Taktschritt und dem Referenztakt vorgenommen wird. Die Integrationsdauer entspricht dabei einer Schrittlänge. Das hierbei gewonnene Regelsignal stellt jeweils ein Maß für die Phasenverschiebung dieses einen Taktschrittes gegenüber dem bezogenen Referenztakt dar. Das Verfahren ermittelt also auf eine besondere Weise die Phasenverschiebung jeden Zeichenschrittes gegenüber dem Referenztakt und stellt dabei sofort die Phase des Referenztaktes nach. Insofern unterscheidet sich dieses Verfahren von dem oben genannten nur durch die Art der Messung der Phasenverschiebung.

Da der Datenempfänger in der Regel seinerseits wieder an einen Datensender angeschlossen ist, kann man davon ausgehen, daß ihm aus einem Oszillator des eigenen Senders eine Impulsfolge zur Verfugung steht, die recht genau mit der Impulsfolge des ankommenden Datenstroms übereinstimmt.

In der Regel ergibt sich daher zunächst das Problem der Phasensynchronisierung der örtlich erzeugten Impulsfolge auf die Impulsfolge des ankommenden Datenstromes.

Stand der Technik ist es, derartige Phasensynchronisierungen durch eine Phasenregelschleife (»phase-lokked-loop«), in der sich ein spannungsgesteuerter Oszillator befindet, vorzunehmen. Die Genauigkeit, mit der die Synchronisierung erreicht wird — und damit die Anfälligkeit gegen Frequenzschwankungen durch Rauschen, das dem Datenstrom überlagert ist — hängt ausschließlich von dem in der Regelscheife, nach dem Modulator, verwendeten Tiefpaß ab, dessen Bandbreite gleichzeitig die Zeit bis zur völligen Synchronisierung bestimmt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Synchronisierzeit verhältnismäßig lang ist, wenn eine nur geringe Phasenabweichung zugelassen werden kann.

Ein von J. Swoboda beschriebenes Verfahren (»Ein Vorschlag zur Taktsynchronisierung bei Datenübertragung«, AEU 22/1968/, 11, 509-513) umgeht diesen Nachteil teilweise, indem die Regelung der Phasenlage zwischen der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge und der Impulsfolge des ankommenden Datenstromes dann vorgenommen wird, wenn ie mehrmals hintereinander in derselben Richtung angestoßen wird. Es wird dabei gezeigt, daß eine unerwünschte, zufällige Phasenverschiebung der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge, die durch eine Übertragungsstörung verursacht wird, mit hinreichender Sicherheit vermieden werden kann, obwohl die maximale Regelgeschwindigkeit nicht verringert wird. Allerdings wird dabei unabhängig von der Größe der Phasenverschiebung zwischen der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge und der Impulsfolge des ankommenden Datenstroms, die Phase der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge nur um einen festen Betrag nachgestellt. Es sind also, bei der Erstsynchronisierung, in der Regel mehrere solcher Phasennachstellungen erforderlich, bis der völlige Synchronismus erreicht ist.

Diesen Nachteil zu umgehen ist das Ziel der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst jede zwischen den einzelnen Datenbits und den einzelnen Impulsen der Abtastimpulsfolge auftretende Phasenverschiebung ein-

zein gemessen wird, daß danach aus einer vorgegebenen Anzahl solcher aufeinanderfolgender Messungen eine mittlere Phasenverschiebung ermittelt wird und daß aaschließend die Phase der Abtastimpulsfolge um einen der mittleren Phasenverschiebung entsprechenden einzigen Schritt nachgestellt wird.

Zur Erläuterung der Erfindung whd zunächst davon ausgegangen, daß die Frequenzen der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge und der Impulsfolge des ankommenden Datenstromes gleich sind, eine Einschränkung, die später wieder aufgegeben wird.

In F i g. 1 ist das Prinzipschaltbild der Erfindung angegeben. Die zwischen den positiven Flanken der Impulsfolge des ankommenden Datenstromes a und der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge b auftretende Phasenverschiebung wird in der Phasenmeßeinheit 1 mit Bezug auf a gemessen und der Mittelwert über ni solcher Messungen gebildet Nach diesen n₃ Messungen wird die mittlere Phasenverschiebung <p_m einem Phasenschieber 2 zugeführt, in dem die aus de; Frequenz £>₄ gewonnene örtlich erzeugte Abtastimpulsfolge b in der Zeit bis zum Auftreten einer nächsten Flanke um <p_m, entgegengesetzt zur urspmnglichen Phasenverschiebung, verschoben wird. Die Anzahl der für die Mittelwertbildung von φ herangezogenen Einzelmessungen hängt ab von dem Verhältnis, um das die auf dem Datenübertragungsweg aufgetretenen stochastischen Flankenversetzungen — gegenüber der ursprünglichen Impulsfolge des ankommenden Datenstromes — im Empfänger reduziert werden sollen.

Die Phasenverschiebung läßt sich besonders einfach und schnell durchführen, wenn die örtlich erzeugte Abtastimpulsfolge aus einer, wesentlich höherfrequenten, Oszillatorfrequenz O₄ über einen als Frequenzteiler ausgebildeten Ringzähler gewonnen wird. Es braucht hier nämlich nur, wenn die Phasenschiebeinformation q>m vorliegt, das Teilerverhältnis n₂ für einen Umlauf um den Faktor Λ - ' "Λ geändert zu werden (mit g>_m>0

wenn die örtlich erzeugte Abtastimpulsfolge der Impulsfolge des ankommenden Datenstromes nacheilt). Bei unveränderbarem Teilerverhältnis wird die Phasenverschiebung erreicht, indem bei positivem <p_m dem Teiler zusätzlich zur Oszillatorfrequenz '"J · n₂ Impulse zugeführt werden, bzw. bei negativem <p_m aus dem Oszillator \'" ■ n₂ Impulse unterdrückt werden.

Um die Metzeit zu verkürzen, wird, in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung, sowohl die Vorder- als auch die Rückflanke der Datenimpulse zur Messung der Phasenverschiebung herangezogen. In Verbindung mit dem Impulsdiagramm in Fig. 2 ergibt sich dann die Prinzipschaltung nach F i g. 3.

Sind die Frequenzen der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge und der Impulsfolge des ankommenden Datenstromes geringfügig verschieden, dann bewirkt der entstehende Schlupf räch der Anfangssynchronisierung eine sich ständig vergrößernde Phasenverschiebung. Ist die mittlere Phasenverschiebung q>_m (bei vorgeschriebenen ns Mes: ι. en) so groß geworden, daß sie die kleinstmöglicne Phasenverschiebung, <p_m,„, die der Phasenschieber 2 durchführen kann, überschreitet, dann wird dieser Frequenzschlupf durch eine Phasenverschiebung der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge wieder ausgeglichen. Dieser Frequenzschlupf kann Werte bis i'-üi"- annehmen, ohne daß die, innerhalb

π n₃

Φαιίη genaue Phasensynchronisierung in Mitliedenschaft gezogen wird (f= Datenbitrate).

Fig.4 zeigt eine beispielhafte Anordnung zur Phasensynchronisierung. Die zwischen den positiven Flanken a der Impulsfolge des ankommenden Datenstrornes und der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge b auftretende Phasenverschiebung wird mittels einer Frequenz f_n=n₂- f_n (f<\ ist die Frequenz der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge b) ausgezählt Die jeweils

ίο auftretende positive oder negative Phasenverschiebung wird dann in dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler Z\ aufsummiert Durch n₂ ist dabei die Genauigkeit, mit der die Phasenverschiebung gemessen werden kann, festgelegt Soll der Mittelwert über k Messungen genommen

werden, um den Rauscheinfluß um den Faktor flc zu verringern (Zähler Z₃), dann ist bei einer 1-0-Folge des D&tenstromes die mittlere Phasenverschiebung zwischen der Impulsfolge des ankommenden Datenstromes und der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge

Im =

Dieser Mittelwert wird durch den Zähler Z₄ gebildet Stimmen die beiden Frequenzen der Impulsfolge des ankommenden Datenstromes und der örtlich erzeugten Abtastimpi'lsfolge genügend genau überein, so daß sich während der Zeit, in der die Mittelung vorgenommen wird, durch die Frequenzdifferenz keine nennenswerte zusätzliche Phasenverschiebung ergibt, dann ist qp_m bis auf einen durch Rauschen verursachenden Störanteil genau der Phasenunterschied zwischen den beiden Takten. Mit dem durch Z₄ gewonnenen Phasenunterschied ψπ, wird durch Unterdrücken oder zusätzliches

Einfügen von Impulsen am Frequenzteiler Z₅ kurzzeitig das Teilverhältnis verändert und somit am Ausgang von Z₅ eine Phasenverschiebung der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge b erreicht

In bestimmten Fällen kann es notwendig sein, auch bei starken Rauschstörungen einen vorgeschriebenen Flankenjitter, der sich durch ständige Neueinstellen der Phase ergeben kann, einzuhalten ohne die Schnelligkeit der Einphasung zu beeinflussen. Hier wird mit einem zunächst kleinen Wert von k (&=4...8) eine »Grob-Einphasung« durchgeführt, deren Genauigkeit durch überlagertes Rauschen etwas beeinträchtigt ist. Nach dieser ersten Einphasung wird der Wert von k so vergrößert, daß er der geforderten Synchronisiergenauigkeit entspricht Die Zähler Z₃ und Z₄ sind dann

entsprechend dem neuen Wert umzustellen. Der Zähler Zi muß in seiner Größe schon von vornherein dem größten vorkommenden Wert von k angepaßt sein.

In der Praxis stimmen die örtlich erzeugten Abtastimpulsfolgen und die Impulsfolgen des ankom-

menden Datenstromes in ihren Bitraten nicht beliebig genau überein. Die im Laufe der Zeit sich dadurch einstellende Phasenverschiebung wird durch die Phasensynchronisierschaltung immer wieder ausgeglichen, sofern die Impulsfolge des ankommenden Datenstromes nicht über längere Zeit unterbrochen ist oder keine Zeichenwechsel aufweist.

Muß jedoch mit längeren Unterbrechungen gerechnet werden und ist der Frequenzunterschied zwischen dem Oszillator zur Erzeugung der Impulsfolge des ankommenden Datenstromes und dem Oszillator zur Erzeugung der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge so groß, daß während dieser Unterbrechung der Synchronismus zwischen der Impulsfolge des ankommenden

Datenstromes und der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge verloren geht, dann ist es vorteilhaft, nach der Phasensynchronisierung auch die Frequenz der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge zu regeln (F i g. 5). Zu diesem Zweck werden in einem weiteren Speicher k' mittlere Phasenverschiebungen y_mj aufsummiert (beginnend nach der Phasensynchronisierung), so daß

_ A' +1 2

Σ Vn

fm =

bung q>_mj hängt einmal davon ab, wie gut eine überlagerte Störung eliminiert werden soll. Zum anderen wird mit steigendem k der Einfluß des von q>_m herrührenden Quantisierfehlers geringer (<p_m ist die nächst kleinere — oder größere — ganze Zahl von

Zwischen der gesamten Phasenverschiebung <p'„„ die während einer Zeit fo aufgetreten ist und der Frequenzdifferenz Af zwischen dem Oszillator zur Erzeugung der Impulsfolge des ankommenden Datenstromes und dem Oszillator zur Erzeugung der örtlich erzeugten Äbtastimpuisfoige gut die Beziehung

10

15

worin η das Frequenzverhältnis zwischen der Oszillatorfrequenz zur Erzeugung der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge und der Impulsfolge des ankommenden Datenstromes ist. Mißt man bei der Aufsummierung der k' Phasenverschiebung <Pm/die dabei verstreichende Zeit fo, dann kann die Frequenzabweichung, um die der Oszillator zur Erzeugung der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge nachgestellt werden muß, ermittelt werden. Es ist sinnvoll, diese Oszillatorfrequenz stufenweise um den am nächsten bei 4/liegenden Wert zu verstellen. Die neue Oszillatorfrequenz bleibt nun so lange erhalten, bis eine weitere Frequenzabweichung Af auftritt, die größer als der halbe Abstand zwischen zwei benachbarten Oszillatorfrequenzeinstellungen ist.

Die Anzahl k' der aufsummierten Phasenverschiewobei φ; selbst wieder auf die ganzen Werte von -~ beschränkt ist). Nimmt man an, daß durch die

Frequenznachregelung eine genügend gute Übereinstimmung zwischen den beiden Oszillatorfrequenzen erreicht werden kann, die Frequenzabweichung also nur durch den von der Qua· tisierang herrührenden Fehler bei der Messung von gr'_m bedingt ist, dann ergibt sich

20 k'

ti·/.

2k ■ η ■ tu · a

worin f| die Zeit ist, innerhalb der sich die Flanke der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge um einen Betrag a · T verschoben haben soll, π das Frequenzteilerverhältnis und Π2 die Anzahl der Stufen ist, in die ein

Datenbit mit der Breite T= -γ- zur Messung der

J l>

Phasenverschiebung unterteilt wird. Der Faktor 2 im Nenner ergibt sich bei statistischer Folge von Bits mit der Wertigkeit »0« und »1« im Datenstrom. Bei Übertragung quaternär codierter Daten entfällt dieser Faktor, wenn die Synchronisierung mit Hilfe der Flanken der quaternären Zeichen durchgeführt wird (a, k, n, /72 und f_p beziehen sich dann auf den quaternären Datenimpuls).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

^iärt^^ ■n,ü

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen und Aufrechterhalten des Gleichlaufs zwischen einem Datensender und einem Datenempfänger durch Nachstellen der Phasenlage einer örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge aufgrund eines Vergleichs derselben mit der Phasenlage der eintreffenden Datenbits in Datenübertragungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst jede zwischen den einzelnen Datenbits und den einzelnen Impulsen der Abtastimpulsfolge auftretende Phasenverschiebung (φ,) einzeln gemessen wird, daß danach aus einer vorgegebenen Anzahl ("/^solcher aufeinanderfolgen- is der Messungen eine mittlere Phasenverschiebung (<p_OT) ermittelt wird und daß anschließend die Phase der Abtastimpulsfolge um einen der mittleren Phasenverschiebung (g>_m) entsprechenden einzigen Schritt nachgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Phasenverschiebung {<p_m), um die der Empfängertakt nachgeregelt wird, quantisiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Phasenverschiebung (q>m) durch einmalige, d. h. nur einen Umlauf dauernde Veränderung des Teilerverhältnisses des Frequenzteilers, mittels dessen die örtlich erzeugte Abtastimpulsfolge aus einer höherfrequenten Oszillatorfrequenz gewonnen wird, vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei festem Teilerverhältnis (n₂) des Frequenzteilers, mittels dessen die örtlich erzeugte Abtastimpulsfolge aus einer höherfrequenten Oszillatorfrequenz (T₀) gewonnen wird, die mittlere Phasenverschiebung (fp_m) durch zusätzliches Einfügen von l'" · Λ, Impulsen bei nacheilender Phasenlage der örtlich erzeugten Abtastimpulsfolge gegenüber den Datenbits oder durch Unterdrücken von '+'" ■ f₀ Impulsen des Oszillatortaktes bei voreilender