DE2259234C3

DE2259234C3 - Anordnug zur Taktsynchronisierung von PCM-Signalen durch Phasenvergleich

Info

Publication number: DE2259234C3
Application number: DE2259234A
Authority: DE
Inventors: Gerard Rene Joseph Toulouse Tarel (Frankreich)
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1971-12-03
Filing date: 1972-12-04
Publication date: 1978-11-02
Also published as: GB1418467A; FR2165711A1; FR2165711B1; US3806656A; DE2259234B2; DE2259234A1; BE792086A

Description

solcher Worte gebildet.

Es ist hierbei klar, daß die Anordnung ein sogenannter »primärer« Synchronisator ist, d. h., dall er zur Herausarbeitung der einen zufälligen Charakter aufweisenden Informationsbits dient und nicht /um Herausarbeiten der Worte,

Bei dem PCM-Telekommunikationsverfahren werden verschiedene Code als Träger der binären Information benutzt:

Bei dem m:t NRZ bezeichneten Code (»no return to zero«), der selbst mehrere Varianten aufweist, stellt die ganze Periodendauer des Bits den Informationsträger. Zum Beispiel wird beim sogenannten NRZ-L-Code eine 1 durch ein. erstes Niveau (hoch) und eine 0 durch ein zweites Niveau (niedrig) dargestellt; somit erhält man einen Übergang jedesmal dann, wenn das Bit seinen Zustand ändert (von 0 nach J oder von 1 nach 0).
Beim Zweiphasen-Code (auch Spaltphase genannt) wird die Information durch einen Übergang inmitten der Bit-Periode dargestellt. Auch dieser Code weist verschiedene Varianten uuf.
Binärnachrichten die gleichwahrscheinWeh unter Zuhilfenahme des NRZ-Codes und des Zweiphasen-Codes übertragen werden, zeigen in ihrem Frequenzspektrum eine diskrete Linie der Taktfrequenz des digitalen Signals.

Was das PSK-Verfahren (phase shift keying) anbetrifft, so handelt es sich dabei um ein Verfahren zur Modulation der Phase einer unterdrückten Trägerwelle (oder einer Teilträgerwelle) durch eine NRZ-kodierte aleatorische Nachricht.

Die erfindungsgemäße Dekommutationsanordnung, die eine von Rauschen begleitete PCM-Eingangs-Nachricht erhält, baut die beiden folgenden Funktionen auf:

1. Sie erzeugt ein lokales Taktgebersignal, das synchron mit der Eingangsnachricht ist;

2. sie baut (unter Ausnutzung des Taktgebersignals) die PCM-Folge wieder auf, die in Gegenwart des Rauschens gesendet worden ist.

Im einzelnen hat man festgestellt, daß die Fehlerhäufigkeit bei diesem erneuten Aufbau der ausgesandten Signale praktisch die geringste Dichte cireicht. die theoretisch überhaupt möglich ist.

Es existiert bereits eine Reihe von Anordnungen, die ihrem Arbeitsprinzip nach beschrieben oder bereits in die Praxis umgesetzt worden sind, bei denen zum Erreichen des angestrebten Ziels (vgl. Funktionen I und 2) eine Synchronisationseinrichtung benutzt wird, in welcher eine Kreuz-Korrelation des Eingangssignals mit Hilfe von lokal erzeugten Taktgebersignalen aufgebaut wird. Diese Kreuz-Korrelation wird zu diesem Zweck von einer nichtlinearen Bearbeitung begleitet. Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet auch in dieser Weise, wobei sie jedoch die Nachteile der bekannten Anordnungen nicht aufweist.

Letztlich erkennt man die zahlreichen Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung nur im Vergleich zum Stand der Technik. Nichtsdestoweniger ist hier zu unterstreichen, daß die erfindungsgemäße Anordnung in der Lage ist, Nachrichten in analoger, aber auch genauso gut in digitaler Technik mit einem NRZ-Code, einem Zweiphasen-Code oder im PSK-Verfahren zu bearbeiten, wobei die Grundstruktur der Anordnung erhalten bleibt Dies ist bei den bekannten Anordnungen nicht der Fall, die nur bei einer besonderen Signalart arbeiten z. B. bei digitalen NRZ.

Darüber hinaus können die bekannten Anordnungen in zwei Klassen eingeteilt werden:

in die eine Klasse gehören die zwar beschriebenen Prinzipanordnungen, die aber nicht effektiv realisiert worden sind; es fehlt die Angabe von Details, die für die Beurteilung des Wertes der Anordnung unbedingt erforderlich sind und eine vergleichende Wertung mit der erfindungsgemäßen Anordnung erst ermöglichen;

in die andere Klasse gehören die Anordnungen, die lu bereits effektiv realisiert worden sind.

Man muß feststellen, daß die Anordnungen der

/weiten Klasse sehr schwer und komplex im Aufbau sind; es gibt somit keine relativ leichten und einfachen Anordnungen, die einen Wirkungsgrad aufweisen, der sich dem theoretisch möglichen Maximum annähen.

Im speziellen Fall eines Raumfahrzeuges ist es aber besonders wichtig, daß der im Raumschiff befindliche Dekommutator so leicht und so zuverlässig wie möglich ist und dabei einen guten Wirkungsgrad aufweist Man erkennt daraus, das beachtliche Interesse der Erfindung daran, diese Ziele zu erreichen.

Es wurde gefunden, daß es möglich ist eine allgemein verwendbare Anordnung zu benutzen, die relativ einfach im Aufbau und leicht ist, die einen guten Wirkungsgrad aufweist und eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bekannten Anordnungen aufweist; ein beachtlicher technischer Fortschritt ist somit gegeben.

Trotzdem sollen im folgenden einige der bekannten Vorrichtungen beschrieben werden, um die Unterschiede gegenüber der erfindungsgemälJen Anordnung deutlich hervortreten zu lassen. '

In erster Linie soll die von A. J. Viterbi beschriebene Phasenverriegelungsschleife (»Principles of coherent communication«, herausgegeben von McGraw Hill, 1966) beschrieben werden; es handelt sich dem Prinzip nach bei dieser Anordnung um einen Synchronisator, der mit einer in dem Spektrum der Eingangssignale enthaltenen Linie arbeitet, d. h. die Taktfrequenz muß im Spektrum als Linie en'.halte:; sein. Außerdem ist die von Mengali beschriebene Anordnung zu erwähnen (»IEE Transactions on aerospace and electronic systems«, Juli 1971, Seiten 686 f., insbesondere Fig. 1). Die Nachricht wird auf zwei parallel liegende Ketten, die Integratoren enthalten, mittels zweier Multiplikatoren gegeben, auf die die von der Kombination der beiden Ketten erzeugten Signale mittels mehrerer in Reihe geschalteter Elemente einwirken; dazu gehören ein Schleifenfilter und ein spannungsgesteuerter Taktgeber. Diese Anordnung so weist in ihrem Erscheinungsbild gewisse strukturelle Übereinstimmungen mit der erfindungsgemäßen Anordnung auf; gleichwohl ist ihre Arbeitsweise sehr unterschiedlich. Sie beruht in erster Linie auf dem Vorhandensein eines Elements tanh in einer der Ketten und scheint nur für den Betrieb im digitalen NRZ oder zweiphasig vorgesf iien zu sein; es weist weiterhin keine Mittel zum Aufheben der Phasenmehl deutigkeit der Ausgangssignale auf.

Der Vollständigkeit halber soll schließlich hier der in der Fig. 4 des NAjA-Berichtes »I PL-Technical report 32-1314«, Jet propulsion laboratory, I.August 1968, Seite 4 beschriebene PSK-Demodulator beschrieben werden. Wegen vorhandener Analogien könnte man diese Anordnung als Stand der Technik zugrunde legen.

Man findet dort einen Phasenvergleicher oder eine ähnliche Einrichtung mit zwei parallel von der Nachricht gespeisten Ketten, von denen jede einen Integrator (»early integrator«, »late integrator«) und ein

niehllincares F.lenient vom Absolutwertiyp (»bit liming loop«) in Serie geschaltet aufweist, die über einen spannungsgcstcuertcn Taktgebcroszillator die Takige bcrsignale ansteuern. Die Einrichtung »bil timing loop« funktioniert nur bei digitalem NR/. Darüber hinaus isi ϊ eine COSTAS-Phasenschleife zur Erfassung der Takt frequenz der Teil-Träger-Welle erforderlich, die da/u führt, daß diese Ausführungsfoim sehr komplex und spezifisch realisiert ist.

Bei dieser letzten Anordnung der NASA soll bemerkt to werden, daß in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die beiden Integratoren während unterschiedlicher Feile der Periodendauer arbeilen, bei diesen tritt aber folgende Überlappung zwischen ilen Teilender Periodendauer auf: der als »early« bezeichne- π te Integrator integriert von In+T/i bis ιη + 4 1'Ί und der mit »late« bezeichnete Integrator integriert von in +2TIi bis In'rJT/i, st. daß die Überlappung 2 Tl J betragt. !iciVicniriprccncrii! wurden iss" K et!·«.· rs lies erfindungsgcmäßen Anordnung, in denen sich die 2i> Integratoren in ähnlicher Aufgabenstellung befinden. ;ils Kette /:'(earl\)und Kette /,(late) bezeichnet.

Ausgehend von der zuletzt genannten bekannten Anordnung kann man also folgende Übereinstimmung mit der erfindungsgcmäßen Anordnung feststellen: 2* Anordnung zur Dckomniulation einer von thermischen Rauschen begleiteten unbestimmten Nachricht vom Typ PCM. welche Anordnung die Information in digitalisierter Form unter Steuerung eines Bit-Detektors ohne Benutzung externer Taktgebersignale heraus in arbeitet, wobei die Anordnung zu diesem /weck wenigstens einen Phasenvcrgleichcr oder eine ähnliche Einrichtung mit zwei parallel von der Nachricht gespeisten Ketten aufweist, von denen jede einen Integrator und ein nichtlincares Element in Serie π geschaltet besitzt und wobei die Integratoren jeweils während einer gleich langen Zeitdauer einer Taktgeberperiode unter teilweiser Überlappung dieser Zeitdauer arbeiten.

Um die oben umrisscncn Ziele und Vorteile zu erreichen, ist die Dekommutieranordnung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleicher Schaltelemente aufweist, die von den lokal erzeugten Taktgebersignalcn angesteuert werden und bei einer Frequenz arbeiten, die ein Teilviclfaches (somultiple) der Frequenz der Taktgebersignale ist. um die von den Integratoren in einem eine ganzzahligc Zahl von Taktgeberperioden enthaltenden Zeitintervall erzeugten und während eines folgenden gleichen Zeitintcrvalls gespeicherten Signale abzugreifen, um im Gegensatz zum Bekannten Fehlersignale zu erzeugen, welche ihrerseits einen Oszillator steuern, der die auf den Phasenvergleicherundden Bit-Detektor einwirkenden lokalen Taktgebersignale (Uhrsignale) erzeugt.

Für die Realisierung der Speicherung der Informationssignale und ihre stetige Fortleitung ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von Vorteil, nicht nur ein Kettenpaar zu benutzen, sondern zwei Kettenpaare, die abwechselnd derart betrieben werden, daß sie eine Kette speichernd arbeitel, während die andere Kette zum Erzeugen der Fehlersignale für die Phaseneinstellung des Oszillators dient. Man kann auch einen einzigartigen Phasenvergleich^ realisieren — der nicht notwendigerweise eine Hilfsphasenschleife für die Bestimmung der Taktfrequenz, der Teil-Trägerwelle aufweisen muß —.der im PSK-Betrieb arbeitet.

Die Erfindung soll nun anhand der Figuren beschrieben werden. Von den Figuren zeigt

[■' i g. I eine Darstellung des PSK-Verfahrens.

I i g. 2 ein Pnn/ipschallbild der crfindungsgeniäßcn Anordnung.

F i g. J zeigt die Form des Fehlersignals in Abhängig keil von Zeil.

F i g. 4 d;ts /cilverhalten der in der Anordnung gemäß I i g. 2 verwendeten Elemente.

F i g. 5 ein Blockschaltbild der in der Anordnung gemäß F i g. 2 verwendeten Logik.

Fig. 6 ein Prinzipschallbild zweier Ketten zur Erläuterung der Erfindung.

I i g. 7 eine PhasencharaktcrUlik.

I i g. 8 zcigi die theoretische Abhängigkeil von

als Funktion von

_t ^ . wobei der Parameter ,1 ii

der Figur /u 4/.τ- gewählt ist.

I i g. 4 die experimentellen Werte für die Phasenän derung im Vergleich zur theoretischen Kurve.

! i". !0 die Bi'.-Fchler-Wahrscheinüchkei'sk'ü'vvn und zw ar die experimentellen und theoretischen.

I'ig. Il und 12 grafische Aufzeichnungen der Fehlet der Phasen übergänge.

Fig.!' ulic ir, zwei Teilfiguren IJa und 131 dargestellt ist) ein Priiizipblockdiagranim eines PSK Swichronisators.

I ig. t4 die Charakteristik des entsprechender Phasenfehlers.

I ig. 15 Jic Eingangsschaltung eines Vcrstärkcr-Inie grators und

Fig. 16 die mögliche Eingangsschaltung für einer Summierer.

Die erfindungsgemäßc Anordnuvig (oder die mögli ehen Ausführungsfonnen) hat also die Aufgabe, die Frequenz oder den Takt der Bits zu bestimmen — die angenommenerweise ungefähr bei 1000 Hz liegt —. uir die die Information darstellenden Bits wieder aufzubau cn.

Bevor nun auf die erfindungsgemäßc Anordnung eingegangen wird, soll kurz das PSK-Verfahren be einer in NRZ-kodierten Nachricht beschrieben werden In der F i g. I ist in der Zeile adie Binärnachricht 100101 kodiert in NRZ dargestellt. In den Zeilen 6und eist die PSK modulierte Welle (rechteckig oder sinusförmig dargestellt unter der Annahme zweier vollständigei Schwingungen pro Bit.

In der Fig. 2 ist das Blockschaltbild der Grundaus stattung der erfindungsgemäßen Anordnung beschrie ben. Man findet dort zwei mil A und B bezeichnete Blöcke und eine mit Cbezeichnete Kette.

Der mit B bezeichnete Block stellt den an sicr bekannten Bit-Detektor dar. Der mit A bezeich.wie Block stellt zusammen mit der Kette C die Phasenver riegelungsschleife zur Bestimmung der Teil-Trägerwelle (sous porteuse) dar. In dem einen Phasenvergleichei darstellenden Block A finden sich vier Ketten Fi, Lu £j L·. die parallel mit der Nachricht x(t+q>) ggf. übei Multiplikatoren M₁. My gespeist werden. Jeder Multipli kator speist ein Kettenpaar. In jeder der Ketten sind eir Integrationselement /Ei, ILu IEi bzw. JLj, ein nichtlinea res Element /VLo. NLu, NLb bzw. NLu und eir Sehaltelement Ca. Cu. Cq bzw. Cu in Reihe geschaltet Jedes Integrationselement arbeitet während zweiei Zeitintervalle. Im ersten Zeitintervall integriert es du empfangenen Signale und im zweiten Intervall speicher es die so empfangene Information; über das nichtlinear« Element und das Schaltelement wird diese Informatior abgezogen, um ein Fehlersignal zu bestimmen.

Es bietet sich hier an. darauf hinzuweisen, daß du

erfimlimgsgemaHe Vorrichtung ganz allgemein definiert worden ist: sie kann in Abhängigkeit davon, ob sie analog oder numerisch arbeiten soll, auf verschiedene Weisr realisiert weden. Arbeitet sie analog so sind die Inlcgralionsclemente //f. usw. und die nichtlinearen Elemente Nl.11 besondere Bauelemente, wie sie aus der Analogtechnik bekannt sind: wenn aber andererseits die Verarbiv'iing digital erfolgt, bezeichnen /,, usw. .Summicrg'iedcr und die FJemente NL_n usw. sind Filcmcnte vom Modul-Typ.

F3ie Anordnung wird so ausgelegt, daß einerseits die Intcgrations/eiten eines Paares der einander zugeoid neten Ketten sich /um Feil überlappen: - 7/4 bis + 3 7/4 für I_n b/w. /,..und - i 774 bis + 774 für //, b/w. //>. wobei 7 die vollständige Periodendauer der BiI-I reqiien/ ist (oder der Trägerwelle im I alle der PSK)UiHl andererseits jedes Paar abwechselnd arbeilet. el. h. während in einem Paar die Integration erfolgt, speichert das andere Paar die Information, worauf das Signal abgegeben wird. Dies Ergebnis wirel mit Hilfe eier Art und Weise der Kommutationsausführung erreicht. In der F i g. 3 ist das Fehlersignal grafisch dargestellt und in der F i g. 4 sind die Zeitabläufe schematisch dargestellt.

Man sieht daß jeelesder Intervalle einen Wert win 2 7 aufweist. Das Umschalten von einem der Kettenpaare zum anderen wird im zeitlichen Abstand von 2 7 bewirkt, el. h. das I ehlersignal wird von jeder Kette im /eitlichen Abstand von 4 7" abgegriffen und für die Zeitdauer von 2/"an das Siimmierglied .Vangelegt. Man sieht arSerdem. daß die Nullstellung am Anfang eines Intervalls von der Dauer 27 nach der Integration bewirkt wird.

Auf den Phasenverglcichcr Λ folgt die Kette e". und /war als erstes ein Summierer .S". der die Differenz der beiden in den Ketten /fund /.erzeugten F-'chlersignale bestimmen soll. An den Ausgang des Summierers .V ist ein Schleifcnfilter In angeschlossen. Das Ausgangssignal des Filters (mittleres l'ehlcrsignal f ((/)) wird auf einen lokalen Oszillator VCO gegeben, dessen Spannung gesteuert wird: seine f requenz beträgt z. B. das Scchzehnfaehc der Bit-Frequenz. Die Ausgangssignale des Oszillators durchlaufen eine Divisionslogik /.. eieren Schaltschema in der F i g. 5 gezeigt ist. und wirken danach auf die Multiplikatoren, die Intcgrationselemcnte und die Kommutierelemente des Phasenvergleichers ein, sowie auf die drei Hauptclementc des Teils ß der Anordnung ein. Die Hauptelemente des Bit-Detektors sind ein Multiplikator Λ/j. ein Integrator In und eine »FIntscheidungsx-Kippschaltung Bn. Am Ausgang der letzteren erhält man die zurückgewonnenen Bits der Information.

Die Bits werden hier in kohärenter Weise im NRZ-Code mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit erfaßt, die eine Funktion der folgenden Größen ist:

Nn: Rauschleistungsdichte.

T. Periodendauer der Bits.

P: Leistung des empfangenen Signals und

E: Bit-Energie. ,

Im folgenden soll nun die Arbeitsweise des Phasenvergleichers unter Bezugnahme auf die F i g. 6 beschrieben werden, in der nur ein einziges Kettenpaar eezeigt ist. " ι

Das Eingangssignal λ (t + ψ) wird in der Kette £ im Multiplikator M, mit einem Signal Soft+TA) eines lokalen Taktgebers multipliziert: in der Kette L wird das Eingangssignal in eiern Multiplikator mit dem Signal Si (I + J 774) eines lokalen 1 aktgebers multipliziert.

Diese Produkte werden danach während der Elementiirpcrkxlcn T integriert, die gegenüber der > Phase des Taktgebers um folgende Werte zeitlich verschoben sind:

774 ( = vorcilend) in der Kelle /fund
f 774 ( = nacheilend) in der Kette /..
Ein nichtlincarcs Element (mit der Charakteristik in ι =a") richtet das Ausgangssignal gleich. Man hat dort n = 2 zugrunde gelegt: dieser Wert ist eine gute Annäherung der Übertragungscharakteristik des in der Fig. Ib gezeigten Schemas mit einem günstigen Signal/Rauseh-Verhällnis; außerdem werden dadurch ι". die Berechnungen erleichtert.

Das Fehlersignal f((/). das den Oszillator VCO steuert, wirel durch die Differenz der von den beiden Ketten /fund /.erzeugten Fchlersignale gebildet.

Fs ist ersichtlich. il;iU heim Fehlen eine«. K;H!ScheMV :n wenn eine Modifikation der Bits nicht auftritt. c((/) = 0 ist und wenn eine Modifikation vorhanden ist. ι (r/) proportional zur Phasendifferenz /wischen dem Signal des lokalen Taktgebers und dem empfangenen Signal lsi.

Bei der Bestimmung der Phase tritt keine Mehrdeutigkeit auf. wie es sich aus der charakteristischen Kurve des Mittelwertes des Signals t (_(/) als Funktion der bestimmten Phase ergibl (siehe F i g. 7).

Für die an den verschiedenen Punkten (1). (2). (i) und in (4) der F i g. b anliegenden Spannungen ergeben sich die folgenden Ausdrücke:

Vl

Kl/.

(2)

(3)

wobei (/. (/1. ei die Phasenwinkel sind.

Analoge öleichungen erhält man für die mit einem Apostroph charakterisierten Punkte (F). (2) und (3') in der F i g. 6.

(4)

Die Phasenvarianz kann im Falle der von A. |. Viterbi beschriebenen Synchronisationsanordnung mit oquaring-Schleife wie folgt geschrieben werden (vgl. Seite 291):

-0

darin ist β ein Koeffizient:

für eine Schleife vom Rechteck-Rechtecktyp, d. h. S₀(t)und*(t+φ)sind Rechtecksignaie.
1

für eine Schleife vom Sinus-Sinustype, bei der * (t) und χ (t+φ) sinusförmige Signale sind.

Bi. ist die Bandbreite
Viterbi. Seite 35).

der Äquivalentschleife (vgl.

"7

2.7

Die I i g. 8 zeigl die Variaiionskurve von

Funktion von Λ'/Λ/« für eine Bandbreite lh gleich 30 II/. Unter diesen Bedingungen kann die Bcsiimmungs/eil

für die Phase geschrieben werden als /,, =

einem Diimpfiifigsfaklor der Schleife von ξ = 0.707. wobei die Annäherung wegen 0/< < I/Γzulässig ist; für die Bcstimmungszcit der .Synchronisationsfreciuen/ ergibt sich unter denselben Bedingungen:

'/ s

4.2( I ff

(in see).

Damit man zu in geeigneter Weise verleihen Fehlersignalproben gelangt, isl vorgesehen, dall zwei Paare paralleler Kellen vorgesehen sind, die abwechselnd arbeilen (siehe I i g. 2). I lierbci isl auch in gleicher Weise von Vorteil, daß die vier Kelten einen identischen AiMuaii aufweisen, wodurch ihre iiersieiiiing vereinfacht wird.

Es wird zum Beispiel angenommen, daß die nichtlinearen Elemente Dioden sind, von denen die eine in einer Richtung in der Kette E und die andere mil umgekehrter Durchlaßrichtung in der Kette L angeordnet isl; weiter wird angenommen, daß die .Spannungsdurchlaßcharakteristik der ihrem Ladekreis zugeordneten Diode quadratisch und einseitig gerichtet ist. Wenn man nun eine (integrierte) Spannung Vi auf den Eingang der Diode in der Kette fund eine Spannung V₂ auf den Eingang der Diode in der Kette L gibt, so gelang! man (im Falle von nur zwei Ketten) zu folgender Wertetabelle:

Fehlersignal c{φ)

1.	Fall	V\ -	V₁	>	0	0
2.	Fall	V\-	V₂	<	0
3.	Fall	V\ <	V₂	>0
4.	Fall	V₁ <	V₂	<
>0
>0
CO
CO

- V₂ ²

Man sieht, daß im ganzen der Mittelwert von f. [φ) gleich Vp- V₂ ² ist; dieser betrifft die Information; während das Rauschen einen Beitrag liefert, der in diesem Falle zu einem Abfall der Phasenänderung von 3 dB führt: das Rauschen ist eine »nichtkorrelierte« Funktion im Zeitintervall der Dauer 2T. Aus diesem Grunde nimmt man folgenden Ausdruck für die Phasenänderung im Vergleich zur Gleichung (I) an:

2N₀B_L

β P

Dies Ergebnis, das im Vergleich zu der bekannten Anordnung von Vorteil ist, gründet sich gänzlich auf den einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Phasenvergleiches.

Man hat Versuche und Messungen mit einer solchen Ausführungsform durchgeführt Das Eingangssignal war ein zweiphasiges Rechtecksignal mit einer Amplitude von 1 V von Spitze zu Spitze und das Signal S₀ (t) des lokalen Taktgebers war ebenfalls ein Rechtecksignal von ungefähr 5 V. Die PCM-Modulation ermöglichte eine Länge von 511 Bits mit einer Freq^nz der Trägerwelle von ! kHz.

Die charakteristischen Werte der .Schleife waren die folgenden:

— Dämpfungsverhältnis ι/ = 1.4.
") — Eigenfrequenz m,,= 28.

— Gewinn bei offener Schleife K= 10^!,

— Bandbreite des Rauschens 21h = 30 11/.

— Gewinn des VCO= 164 Hz/V.

κι Man erhält für die Phasenänderung (mil ₍^ = 4/.τ-') Werte, die in dem in der Fig. 9 schraffierten Band /wischen den Kurven /Auncl /fliegen; die Kurve C" ist die theoretische Kurve. Die experimentelle Kurve /:\ für die Bit-Fchlerwahrscheinlichkeit isl in der Fig. 10

r> dargestellt: man sieht, daß sie ziemlich nahe der theoretischen Kurve 77;liegt.

In den F" i g. I I und 12 sind die graphischen Aufzeichnungen wiedergegeben, die die transistor schen Phasenfehler /eigen.

.'Ii Aus der Analyse der Aufzeichnungen wird deutlich, daß die Bcstimmungszeit für die Phase kleiner oder gleich 200 ms ist. was in Übereinstimmung mit der theoretischen Gleichung steht.

Die hervorragenden Ergebnisse der erfirtdungsgcmä-

_'". ßen Taktsynchronisieriingsanordtuing hinsichtlich ihrer Arbeitsweise können dem Zusammenwirken mehrerer Faktoren zugeordnet werden, die alle zu einer Vermeidung von Energieverlusien der benutzten Informationssignale fuhren:

in in erster Linie die Wahl der Anordnung, nämlich eines einzigen Phasenvergleichcrs diine eine besondere I lilfseingangseinrichtung:

in /weiter Linie die Realisierung ties Phasenvergleichcrs in zwei Abschnitten, von denen tier eine speichert.

r> während der andere integriert und umgekehrt:

in dritter Linie in der geeigneten Auswahl der Zeitpunkte und der Integralionsdauer und ihrer geeigneten gegenseitigen Überlappung (gleich 772) in einem Keltenpaar;

in vierier Linie im Kommuticrsyslcni und in der Auswahl der Zeitpunkte zu denen es arbeitet
und schließlich in der guten Ausführung der Jchalikreise und ihrer Elemente.

Die in der Fig. 2 gezeigte Grundanordnung kann

4ί ohne Abänderung oder Zusatz für die Dekommutierung von PCM-Signalen dienen, die in NRZ oder zweiphasig kodiert sind. Es ist klar, daß für die Dekommutierung der Signale NRZ die Multiplikatoren Mt und M₂ in Fortfall kommen können, die bei zweiphasiger Kodierung nötig sind.

Für die Wiedergewinnung der in PSK kodierten Signale wird das in der Fig.2 gezeigte Schema vervollständigt, und zwar wird zum Teil A das Teil A* ergänzt, wie es in der in Teilfiguren 13a und 13b unterteilten Fig. 13 dargestellt ist. Die in der Fig. 13 dargestellte Anordnung arbeitet bei der Trägerfrequenz F'=mF. Das Teil A⁺ ist wie das Teil A aufgebaut, d. h. aus vier Ketten fbzw. L Die Fehlerspannung ε, die von der mit Bit-Frequenz arbeitendem Teil A ⁺ erzeugt wird, und die Fehlerspannung ε', die von dem mit der Trägerfrequenz arbeitenden Teil A erzeugt wird, werden in einem Addierer addiert, dessen Ausgangsspannung den VCO steuert.

Die Anordnung ermöglicht die Taktsynchronisierung der Signale PSK, wie auch immer das Verhältnis m zwischen der Trägerwellenfrequenz w.F und der Bit-Frequenz Fsein mag (m ist dabei eine positive ganze Zahl) unter der Voraussetzung, daß Bedingungen vom

wenigstens

folgenden Typ /wischen den Verstärkungen der Teile und Λ ' erfüllt sind:

die Verstärkung von A- beträgt /»-fache der Verstärkung von A. In der F i g. 14 ist der Verlauf der Fehlercharaktenstik der Phase (f + (■■') für den folgenden Fall gezeigt:

m = 4. Verstärkung von Λ · gleich dem Sechsfachen der Verstärkung von Λ die Charakteristik der nichtlinearcn Klemeniesei vom Typ \ ·=*-'.

Die Anordnung hai aber nicht nur ihren Funktions-

niit/.cn allein bei PSK, sondern auch bei einer mit NR/.

oder zwciphasig modulierten Trägerwelle, wobei die Taktfrequenz der Trägerwelle ein Teilv ielfaches ties Taktes der Informalions/eichen isl: die Kontakte der Schalter musvjsi nur in die in den folgenden Tabellen angegebenen lagen gebracht werden:

NR/.-Betrieb bei der Frequenz l·'

Schalter Schalter Schalter Schalter Schalter Schalter Schalter Schalter

Ao lh-8'o Co Do Lo Ko Eo (io

Lage I Lage Lage I Lage Lage

Lage Lage Lage

NRZ-Bctrich bei der Frequenz mF

Schalter Schalter Schalter Schaller Schalter Schalter Schalter Schalter

An Bo-B¹O Co Do Lo Ko Eo Go

Lage

Zweiphasiger Betrieb bei der Frequenz/»/⁷

Schalter Schalter Schalter Schalter Schalter Schalter Schalter Schalter

Au Bo-Bb Co Do Lo Ko Eo Go

PSK-Betrieb (niF/F)

Schalter Ao Schalter Bo-BO Schalter Co Schalter Do Schalter Lo Schalter Ko Schalter Eo Schalter Go

Lage Lage Lage Lage Lage Lage Lage I Lage

Lage Lage Lage Lage Lage Lage Lage Lage

bO

Man sieht, daß beim Zweiphasen-Betrieb mit der Frequenz FaIs Multiplikator MA ein Multiplikator im Teil A ⁺ zugeschaltet wird. In diesem Fall sind die Teile b5 A und /4* vom Funktionsstandpunkt aus gesehen vollkommen identisch (dies ist nicht im Schema der F i g. 13 dargestellt worden).

Der Vollständigkeit halber sollen nun noch weitere Einzelheiten der Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnungen mitgeteilt werden.

Die .Schaltelemente sind vorzugsweise elektronische Schalter.

Die Integratoren werden in vorteilhafter Weise nach dem in der Fig. I'3 gezeigten Schcna mit den dort angegebenen Werten realisiert. Ai bezeichne! einen üblichen integrierten Verstarker. RAZ bezeichnet die Nulleinstellung. V/ bezeichnet die Klemme für die Kingangsspannung und die Klemmen InI. und Mein, sind jeweils mit einem Integrator oder mil einem uls Speicher wirkenden Element (einem anderen Integra tor) verbunden.

Die ►·' ig. Ib zeigt, wie die Eingangsschaltung für den Summierer aufgebaut sein kann. Λ: bezeichnet wieder einen integriert aufgebauten üblichen asymmetrischen Verstärker, der kein Differeniialverstarker isl. wie die vorangegangenen Blockschaltbilder (Fig. 2 und IJ) glauben machen konnten. Die eine hiiigangskieinriie du·- Verstärkers ist über den Widerstand Rcq. geerdet. Man wählt nun eine einzige Klemme des Verstärkers für die Signale von geeigneter Polarität aus. Die von den Integratoren erzeugten und durch die nichilincarcn F.lemenie geführten Signale werden auf die Basiselektroden der Transistoren Q₁ gelegt. Die Feldeffektlransi stören Qj wirken unter dem Einfluß der an die Klemmen /ι. Λ. Λ und Ai gelegten Signale des lokalen Taktgebers wie Schalter. Die Daten der verwendeten Bauelemente sind der F i g. 16 beigefügt.

Es ist klar, daß die beschriebenen Ausführungsbeispicle nicht alle möglichen Auslühriingsformeii sind, sondern vielmehr Änderungen vorgenommen werden können, ohne die Grundidee der Erfindung /u verlassen.

Zum Schluß sollen noch einmal in einer Zusammenstellung die Vorteile der erfmdungsgeinäßen Anordnung aufgeführt werden:

a) Realisierung der Prinzipschaluingen:

Einfachheit und Betriebssicherheit der Schahkrei-

Regulierungen sind auf ein Minimum reduziert (sie treten nur bei der Feineinstellung auf): robuste Ausführungsformen und gutes Temperaturverhalten sind möglich:

Gewicht, F.nergicbedarf und Raumbedart sind reduziert:

eine Realisierung mit einer großen Anzahl von standardisierten und mehreren identischen Ketten ist möglieh:

die Elemente sind austauschbar und ihre Wartung ist erleichtert:

weiterhin ist eine Realisierung für Raumfahrzeuge möglich, da die Anordnung stoßfest und leicht ausgelegt werden kann im Vergleich zu einem schwereren Apparat mit mehreren Möglichkeiten auf dem Boden:

Funktionsweise und Schaltkreise: Ein Wirkungsgrad in der Nähe des maximal möglichen theoretischen Wirkungsgrades, gutes Betriebsverhalten im Rauschen; die Äquivalentbandbreite der Schleife ist die größtmögliche für die Erfassung der Synchronisation: das Aufheben der Phasenmehrdeutigkeit am Ausgang erfolgt automatisch und ohne zusätzliche Elemente für alle Code: eine »universelle« Anordnung für die Messung, das dem optimal benutzten Code angepaßt werden kann (NRZ, zweiphasig usw.):

man kann leicht ein veränderliches Verhältnis /wischen der Frequenz der Trägerwelle· und der Bit-Frequenz erreichen: wenn das Verhältnis fixiert ist. kann man es leicht ändern, indem man in der einen oder der anderen Divisionsstufe ausgehend von dem Tuktgeber.signal verzweigt: die erfindungsgemäße Anordnung nimmt unabhängig von der Signalart jedes Eingangssignals auf, d. h. im Gegensatz /u den bekannten Anordnungen isi am Hingang ein Begrenzer oder ein besonders berechnetes Filier nicht erforderlich: es wird Hinein Verstärker mit variabler Verstärkung zusammen mit einem ganz üblichen Filter vorgeschlagen. um die ersten Eingangsbauteile zu schützen und sie nicht unnützerweise durch Störungen aufzuladen:
es wird nur eine einzige Phasenschleife bei der Bit-Taktirequenz in Kombination mit einem Pha-

sencomparator bei derTragcrwellen-Taktfrequen/ im FaIJ des PSK-Betricbs und in Kombination mit einem Phasenvergleicher bei der binären Taktfrequenz im Falle der anderen Modulationen verwendet;

die Anordnung kann (weniger gut) mit einer einzigen Phasencomparatorhälfte arbeiten:
man kann von einer Arbeitsweise (NRZ, zweiphasig. PSK) zu einer anderen durch eine einfache Umschaltung ohne Schwierigkeit und auch ohne Änderung der Taktfrequenz gelangen;
die Phasenschleife des Bit-Taktes bleibt verriegelt sogar wenn eine Bit-Änderung in der Eingangsbotschaft in der zweiphasigen Konfiguralion oder besonders beim PSK-Betrieb nicht auftritt: dies isi bei allen anderen entsprechenden bekannten Anordnungen nicht der Fall.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: Summierer und einen von diesem gespeisten Filier auf den Oszillator (VCO) arbeiten.

1. Anordnung zur Taktsynchronisierung von PCM-Signalen durch Phasenvergleich mit mindestens zwei gleichzeitig mit von den PCM-Signalen abhängigen Eingangssignalen gespeisten und zueinander parallel geschalteten Ketten, die mindestens aus einer Reihenschaltung eines Integrators und eines nichtlinearen Elementes in bestehen, einem mit den Ausgangssignalen der beiden Ketten gespeisten Verknüpfungsglied, einem dem Verknüpfungsglied nachgeschalteten steuerbaren Oszillator, einem von dem Oszillator angesteuerten, Steuersignale erzeugenden Zeitsteuersignal-Ge- nerator, einem ebenfalls von den von den PCM-Signalen abhängigen Eingangssignalen gespeisten Bit-Detektor und mit speichernden Elementen für die am Ende der Integrationszeit vorhandenen Werte, wobei der Zeitsteuersignal-Generator Steuersignal für den Bit-Detektor und die Integratoren erzeugt derart, daß die Integratoren jeweils während eines gleich langen Teils des Bit-Taktes integrieren und sich die Integrationszeiten überlappen und bezüglich der möglichen Bit-Obergänge der PCM-Signale so gelegt sind, daß der eine Integrator der einen Kette mit der Integration vor dem Bit-Übergang und der Integrator der anderen Kette mit der Integration nach dem Bit-Obergang beginnt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens jo zwei Kettenpaare (E\, Lr. £2. L2) vorgesehen sind und die Ketc:n (E\, Li) der einen Kette während einer Periode (2TJl in Her ihre Integratoren (Im, Iu) selbst ihren aufintegrierten Wert speichern, durch Schaltelemente (Cb. Cu) mit dem Verknüpfungs- » glied (S) verbunden sind, während die Kette (Ei, Li) des anderen Paares während dieser Periode durch Schaltelemente (Ci, Cu) von dem Verknüpfungsglied ^getrennt sind und ihre Integratoren (la. /u) während der vorgegebenen Integrationszeit (T) innerhalb der Periode (2T) die anstehenden Signale aufintegrieren und daß die Periode (27}ein ganzzahliges Vielfaches der

Integrationszeit (T)\s\.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang einer jeden Kette (Er, Fig.6) ein ebenfalls von den Steuersignalen des Zeitsteuersignal-Generators (L) ansteuerbarer Multiplikator (Me, Ml; M₁, M2) zugeordnet ist, daß die Steuersignale für den Multiplikator (Mir, Mi) einer Kette (E; L) und für den Integrator (l/r, li) derselben Kette (E; L) um 180° phasenverschoben sind und daß die Steuersignale für die beiden Multiplikatoren (M_f:, Mi) und die Steuersignale für die beiden Integratoren (Ie, Il) jeweils um 180° gegeneinander phasenverschoben sind.

3. Anordnung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlappungszeit die Hälfte (T/2) der Integrationszeit ^beträgt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 Mi zur Dekodierung einer mittels einer Trägerwelle übertragenen Nachricht, wobei deren Frequenz ein Vielfaches der Taktfrequenz der Informationsbits ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Kettenpaare (A, A*) vorgesehen sind, von denen das eine Kettenpaar (A + ) im Takt (F,Jder Bits und das andere Kettenpaar (A) bei der Frequenz (mF) der Trägerwelle arbeitet und die jeweils über einen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Takisynchronisierung von PCM-Signalen durch Phasenvergleich der im Oberbegriff des vorstehenden Hauptanspruchs genannten Art

Eine solche Anordnung, wie sie aus der US-PS 35 57 308 bekannt ist, wird z. B. beim Aufbau einer Nachrichtenverbindung zwischen Raumfahrzeugen und der Erde eingesetzt, da die am Raumfahrzeug oder auf der Erde ankommenden PCM-Signale oftmals ein starkes Rauschen aufweisen. Bei der aus der US-PS 35 57 308 bekannten Anordnung sind zwei zueinander parallel geschaltete Ketten vorgesehen, die jeweils aus einer Reihenschaltung aus einem Integrator, einer Sample-Hold-Schaltung und einem nichilinearen Element bestehen. Die Realisierung aller drei Bestandteile der Reihenschaltung, insbesondere der Sample HoId-Schaltung führt zu erheblichem Aufwand, da drei verschiedene Schaltungstypen realisiert werden müssen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Taktsynchronisierung der vorstehend genannten Art zu schaffen, die in ihrem Aufbau vereinfacht ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichendes Anspruchs 1 gelöst.

Da die Integratoren der einen Kette selbst ihren aufintegrierten Wert speichern, während die andere Kette integriert, sind keine besonderen Speicherschaltungen erforderlich, insbesondere keine Sample-HoId-Schaltungen.

Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß die erfindungsgemäße Anordnung nicht allein beim Aufbau von Nachrichtenverbindungen zwischen Raumfahrzeugen und der Erde eingesetzt werden kann,obwohl in der nachfolgenden Beschreibung dieses, Anwendungsgebiet behandelt wird. Es muß aber ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt werden soll, sondern daß auch der Telefonverkehr mit kodierten Impulsen, die Verbindung zwischen Rechnern, die Fernsehtechnik und im allgemeinen alle die Systeme einbezogen werden sollen, bei denen eine Verbindung über eine Entfernung hinweg mit Hilfe einer Nachricht aufgebaut wird, deren Frequenzspektrum keine dem Synchronisationssignal (Bittakt) entsprechende Frequenzkomponente aufweist.

Bevor nun die Erfindung im einzelnen weiter beschrieben wird, soll eine Anzahl von üblichen Definitionen wiederholt werden und angemerkt werden, in welchem Sinne sie hier gebraucht werden.

Das PCM-Verfahren (Pulscodemodulation) ist ein Zeitmultiplexverfahren, das man bei digitalen Kommunikationssystemen benutzt, um seriell große Informationsmengen zu übertragen. Bei der Aussendung werden die Informationsquellen durch einen Schalter abgetastet, jede einem Multiplex-Weg entsprechende analoge Größe wird durch einen Digital-Analog-Wandler in eine binäre Größe umgewandelt. Die binäre Größe wird durch eine Impulsfolge dargestellt, von denen jeder den Wert Null oder Eins annehmen kann und die »Bits« genannt werden, leder Kanal der zu übertragenden Signale wird binär kodiert, um »Worte« zu bilden; die PCM-Nachrichl wird von einer Reihe