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"Verfahren zur Rückgewinnung des Bittaktes aus einem binären Nachrichtensignal"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung des Bittaktes der Frequenz
fo aus einem ankommenden binären Nachrichtensignal durch Messung der Phasendifferenz
## zwischen diesem Nachrichtensignal und dem von einem spannungs gesteuerten Taktoszillator
abgegebenen Signal der
Taktfrequenz f1 unter anschließender Umwandlung
des Meßergebisses in eine diesem proportionale Steuerspannung, die den Taktoszillator
derart ansteuert, daß die zu messende Phasendifferenz einen vorgegebenen Wert beibehält.
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Bei der digitalen Übertragung von Nachrichten entsteht häufig das
Problem, den Bittakt aus dem an einem Empfänger ankommenden binären Nachrichtensignal
zurückzugewinnen, um das Nachrichtensignal phasenrichtig getaktet abfragen und in
ein Empfangsregister einlesen zu können. Gleichermaßen wird dieser Bit takt benötigt
zur weiteren internen Verarbeitung des Nachrichtensignals sowie auch zu dessen Regenerierung
und anschließenden Weiterleitung an andere Stationen.
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Ein Verfahren, das eine solche Taktrückgewinnung leistet, ist unter
dem Namen "Phase-Locked-Loop" (PLL) bekannt. Der in einem eigenen, spannungsgesteuerten
Oszillator erzeugte Takt mit der Frequenz f1 wird hinsichtlich seiner Phase mit
der Phase ## des Eingangssignals mit der Bitrate fo in einer Phasenvergleichsschaltung
verglichen. Deren Ausgang spannung, die proportional der Phasendifferenz ç - 4,
ist, wird gefiltert und steuert als Regelspannung den Taktoszillator derart, daß
seine Frequenz fl = fo wird mit einer
konstanten kleinen Phasendifferenz
AP gegenüber tp 0 (F.M. Gardner, Phaselock-Techniques, J. Wiley, N.X. (1967) ).
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Treten nun jedoch im Eingangssignal vereinzelt oder gar längere Folgen
von Nullen auf, so liefert die Phasenmessung bei diesem Verfahren an solchen Stellen
Fehlmessungen, was einen Phasenaitter des eigen-erzeugten Taktes zur Folge hat.
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Diesen Nachteil der Abhängigkeit der Phasenmessung von der momentanen
Struktur des Eingangssignals zu beseitigen ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Brfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Phasenmessung
nur in einem dazu bestimmten, periodisch sich wiederholenden Zeitintervall innerhalb
des gesamten ankommenden Nachrichtenstromes vorgenommen wird, daß die während dieses
Zeitintervalls oder eines Teils desselben entstehende Änderung der Phasendifferenz
AÇ zwischen Eingangssignal und Taktsignal zeitlich gespreizt gemessen wird und daß
das Ergebnis der Messung in Form einer Regelspannung in an sich bekannter Weise
den Taktoszillator steuert.
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Durch die Phasenmessung in einem periodisch sich wiederholenden Zeit
intervall wird die Rückgewinnung des phasenstarren Bittaktes unabhängig von dem
übrigen Nachrichtensignal und Phasenåitter werden so vermieden.
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Das periodisch sich wiederholende Zeitintervall soll aus einem ersten
Zeitintervall mit einem Impulsmuster zur Erkennung des Zeitintervalls und aus einem
unmittelbar daran anschlieBenden zweiten Zeit intervall mit einem Impulsmuster zur
eigentlichen Phasenmessung bestehen. Diese Maßnahme erleichtert die Synchronisierung
der Bittakt-Rückgewinnungseinrichtung und das sichere Auffinden des Impulsmusters
zur eigentlichen Phasenmessung.
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Das Impulsmuster zur Phasenmessung besteht in vorteilhafter Weise
aus (k - 1) Bittakten einer alternierenden Folge von Nullen und Einsen, deren Bittaktfrequenz
fp um einen definiert kleinen Wert von der Bittaktfrequenz f0 des übrigen Nachrichtensignals
abweicht. Durch diese Maßnahme läßt sich die zu messende Phasendifferenz ## in einer
zeigt lich stark gespreizten Form 4 = k .## durchführen.
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Weitere vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen sind in den
Unterasprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nun anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels
für einen Repeater näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 den zeitlichen Verlauf der
einzelnen Signale für den sationären Zustand, in dem die Taktfrequenz gleich der
Bitfrequenz des ankommenden Nachrichtenflusses ist.
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Figur 2 das vollständige Blockschaltbild eines Repeaters, dem das
erfindungsgemäße Verfahren zugrunde gelegt ist.
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Figur 3 den Zusammenhang zwischen der real vorhandenen Phasenablage
## zwischen Eingangs- und Taktsignal und der gespreizten Phasenablage ## , wie sie
sich in der Phasenmeßeinrichtung darbietet.
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Figur 4 ein Ausführungsbeispiel der Phasenmeßschaltung, die die Steuerspannung
für den spannungsgesteuerten Taktoszillator erzeugt den zu den Zusainrnenhan zwischen
der gespreizten Phasenablage t und der Ausgangsspannung UR der Phasenmeßeinrichtung.
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ein einfaches Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordung zur
Prüfung des Phasenprüfmusters.
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Figur 6a die Ausgangssignale der Schaltung nach Fig. 6, Figur 7 eine
Variante der Phasenmeßschaltung mit einem einstufigen Register.
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Hier verwendete Abkürzungen sind: RSW = Rahmen-Synchronisierwort REM
= Rahmen-Erkennungsmuster PPM = Phasen-Prüfmuster VCO = Voltage-Controlled Oscillator
(spannungsgesteuerter Oszillator) AMV = astabiler Multivibrator MF = monostabiler
Multivibrator In Figur 1 ist ein Ausschnitt aus dem zeitlichen Verlauf der wesentlichen
Signale gezeigt, anhand deren in Verbindung mit Fig. 2 die prinzipielle Wirkungsweise
des erfindungsgemäBen Verfahrens dargelegt werden soll.
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Der betrachtete Ausschnitt des periodisch sich wiederholenen Zeitintervalls
in dem ankommenden Nachrichtensignal Eo (Fig. ,) habe beispielsweise de Funktion
eines Rahmen-Synchronisierwortes RSW, wie es üblicherweise in der zeitmultiplexen
Nachrichtenübertragung verwendet wird.
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Dieses I6W ist unterteilt in zwei Abschnitte: einem ersten Zeitintervall
(Zeit to bis t1) zur Erkennung des Zeitintervalls. Er kennzeichnet den Beginn eines
Zeitrahmens und damit auch die Lage weiterer interessierender Zeitabschnitte.
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Er besteht aus einem Rahmen-Erkennungsmuster REM zu a Bit.
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Das zweite Zeitintervall (Zeit t1 bis t2) dient zur Phasenmessung
und besteht aus einem Phasen-Prüfmuster PPM. Der zwischen den einzelnen RSW befindliche
Teil des Nachrichten-Stromes ist mit beliebig gearteten binären Nachrichtensignalen
belegt oder auch teilweise leer und wird im folgenden mit "Text" bezeichnet.
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Dem gesamten Nachrichtensignal Eo liegt mit Ausnahme des PPM-Teils
die Bitfrequenz o = 1/To zugrunde. Bas PPM besteht aus (k - 1) Bittakten einer alternierender
Folge von Nullen und Einsen und hat eine Bittaktfrequenz fp, die um einen definierten
kleinen Wert von der Bittaktfrequenz fo des übrigen Nachrichtensignals abweicht.
Es gilt: fp = fo (1-1/k) = 1/Tp oder (fo - fp)/fo = 1/k Das PPM hat dadurch während
der Gesamtdauer von k Takten des eigenen Taktoszillators einen Bittakt weniger als
der eigene Taktoszillator erzeugt.
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Das zum Teil verzerrte und mit Flankenåitter behaftete Signal Eo wird
gemäß Figur 2 im Verstärker 1 verstärkt und hinsichtlich seiner Flanken - beispielsweise
durch Begrenzung -zum Signal E aufbereitet.
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Der gesamte Nachrichtenstrom E wird mit Hilfe des von einem spannungsgesteuerten
Taktoszillators 6 erzeugten Taktes TI der Frequenz fl = 1/T1 in ein Register 2 bestehend
aus k Stufen eingelesen.
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Es wird der stationäre Zustand vorausgesetzt, bei dem f1 = fo ist
und die Taktimpulse TI zeitlich in der Mitte der einzelnen Bits des Signals E liegen,
also die normierte Phasenablage = TL ist.
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Ist das REM vollständig in das Register 2 eingelaufen, gibt die an
den Parallelausgängen des Registers 2 angeschlossene Rahmen-Erkennungsschaltung
3 ein Steuersignal 3 an einen monostabilen Multivibrator 4 ab, dessen Ausgangssignal
St genau k Impulse über den Schalter S3 aus dem Takt signal TI ausblendet. Mit dem
hieraus entstehenden Taktsignal T2 wird das dem REM nachfolgende PPM in ein k-stufiges
Register 7
eingelesen, wobei das Signal E im Rhythmus des traktes
Tl wechselweise durch den Inverter 5 invertiert über den Schalter 52 an dem Eingang
des Registers 7 anliegt.
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Am Ausgang der ersten Stufe des Registers 7 erscheint dadurch ein
zeitlicher Signalverlauf P1, der zunächst nur Nullen, dann nur Einsen enthält, Er
kommt dadurch zustande, daß einige erste Taktimpulse des Signals T2 wegen der vom
Signal T1 getakteten Invertierung des PPM solange Nullen im Signal X "vorfinden",
solange die Impulsflanken des PPM die Taktimpulse des Signals T2 nicht "überholen".
Überholen die Impulsflanken des PPM die Taktimpulse des Signals T2, so werden für
die restliche Dauer des PPM Einsen in das Register 7 eingeschrieben.
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Die auf den Anfang des PPM bezogene Zeit, bei der im Signal Pl ein
Sprung von Null nach Eins auftritt, ist proportional der Phasendifferenz ## und
damit ein in den Zeitabschnitten T1 = 1/f1 quantisiertes, jedoch um den Faktor k
zeitlich gesreiztes Maß ## = k ## für die Phasendifferenz .
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figur 3 zeigt den sich hieraus resultierenden Zusammenhang zwischen
## und ##
Figur 4 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, wie diese
resllltierende Phase A in eine Regelspannung UR für den spannungsgesteuerten Oszillator
6 umgewandelt wird. Da die Zeitfunktion P1 (Figur 1) im Register 7 als eine entsprechend
verlaufende Ortsfunktion entlang der Registerstufen vorliegt, kann diese direkt
zur Umsetzung in einen quantisierten Spannungswert herangezogen werden. Dabei werden
die Ausgangssignale der einzelnen Registerstufen durch eine als Widerstands-Netzwerk
Ro...Rn ausgebildete Einheit 10 bewertet und zur Regelspannung UR aufaddiert, wodurch
eine Digital/Analog-Wandlung der digitalen Zeitfunktion P1 erreicht wird.
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Gehorchen die einzelnen Widerstandswerte in Figur 4 der Beziehung
Ri = R/zi mit i = 0,1,...,n und z = 1,2,3...
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so wird durch geeignete Wahl der Basis z ein gewünschter Verlauf der
Kennlinie der Digital/Analog-Wandlung erreicht.
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Figur 5 zeigt verschiedene einstellbare Kennlinien mit beispielsweise
z = 1,2 und 3, die den Zusammenhang zwischen ## und der Regelspannung UR angeben.
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Der S-förmige Verlauf der in Fig. 5 gezeigten Kennlinie UR/UR = f(A4)
ergibt sich durch die gewählte Anordnung der Widerstände Ro bis Rn in Fig. . D ese
Anordnung ist so gewählt, daß der Widerstand ro an dem mittleren Parallelausgang
des Zwischenspeichers 9 angeschlossen ist und die restlichen Widerstände symmetrisch
dazu mit jeweils zwei gleichen Widerstandswerten folgen.
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Dadurch kommen die Widerstände Rn an dem Ausgang der ersten und k-ten
Stufe des Zwischenspeichers 9 zu liegen.
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Figur 6 zeigt in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens
eine Einrichtung, mit der auf einfache Weise eine Prüfung dahingehend vorgenommen
werden kann, ob das einem erkannten REM folgende Impulsmuster wirklich ein PPM ist
oder nicht, da ein einmal vereinbartes REM auch gelegentlich durch eine geeignete
Konstellation von Bits innerhalb des Textes vorgetäuscht werden kann.
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Das Kriterium für ein richtiges PPM kann aus der Ortsfunktion des
im Register 7 liegenden Signals entnommen werden. in diesem Fall muß, ausgehend
von der ersten Stufe des Registers 7 von links nach rechts, zuerst eine Reihe von
Einsen anliegen und die restlichen Stufen müssen alle Nullen enthalten. Dies zu
prüfen ist die Aufgabe der Anordnung nach Fig. 6 . Jeweils zwei benachbarte Ausgänge
des
Registers 7 sind durch eine Inhibitionsschaltung 121 (ein UND-Glied
mit einem normalen und einem negierten Eingang) derart erfaßt, daß die Stufe, die
dem Eingang des Registers näher liegt, mit dem negierten Eingang der Inhibitionsschaltung
verbunden ist. Die Ausgänge der Inhibitionsschaltungen werden durch eine NOR-Schaltung
122 zusammengefaßt und auf den einen Eingang einer UND-Schaltung 123 geleitet.
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Der andere Eingang dieser UND-Schaltung wird vom Ausgangssignal der
ersten Stufe des Registers 7 angesteuert. Auf diese Weise ist das Ausgangssignal
D der UND-Schaltung 123 Eins, wenn genau nur eine negative Planke in der Ortsfunktion
an den Ausgängen des Registers enthalten ist oder wenn das Register 7 lauter Einsen
enthält, also ein richtiges PPN vorliegt. Enthält die Ortsfunktion eine oder mehrere
positive Flanken oder ist sie identisch Null, so wird das eingelesene Muster als
falsch erkannt, indem D den Wert Null beibehält.
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Figur 6a zeigt für vier verschiedene Signalverläufe des Signals P1
den Wert des Ausgangssignals D. Das Signal D ist nur dmnvon Null verschieden, wenn
in allen Stufen des Registers 7 jeweils eine Eins oder wenn in den ersten Stufen
des Registers jeweils eine Eins und in den restlichen Stufen jeweils eine Null steht.
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Erst nach vollständig eingelaufenem PPM und erfolgreicher PPII-Prüfung
wird der Inhalt des Registers 7 auf einen Zwischenspeicher 9 (Fig. 2) durchgeschaltet,
wo er bis zum Eintreffen eines nächsten Meßwertes liegen bleibt und ständig durch
du einheit 10 in eine ihm entsprechende analoge Spannung umgewandelt wird.
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Gleichzeitig mit der Durchschaltung schaltet, gesteuert von der Einheit
12 zur PPM-Erkennung und PPM-Prüfung, ein Umschalter S1 das neue, für die nächste
Repeaterstation zur Phasenmessung bestimmte PPM (Signal M in Fig. 1), welches in
einem astabilen Nultivibrator 13 für die Dauer von k Taktimpulsen mit der Taktfrequenz
fp erzeugt wird, auf die abgehende Leistung in den übrigen Nachrichtenstrom phasenrichtig
ein. Das komplette Nachrichtensignal wird im Verstärker 14 weiter verstärkt und
gelangt als regeneriertes Nachrichtensignal A (Fig. 1 und 2) zum Ubertragungskanal.
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Figur 7 zeigt eine andere Variante zur Erzeugung einer von Ap abhängigen
Regelspannung. Sie besteht erfindungsgemäß darin, daß das Register 7 nur aus einer
einzigen Stufe 71 besteht und daß deren Ausgangssignal P1 (Fig. 1) während der Dauer
des PPM im Integrator 15 aufintegriert und der so erreichte
Spannungswert
UR mit einem analogen Halteglied 16 so lange gehalten wird, bis der nächste Meßwert
am Ausgang des Integrators 15 vorliegt und vom Halteglied übernommen wird.