DE2432834C3

DE2432834C3 - Entzerrer für digitale Übertragung

Info

Publication number: DE2432834C3
Application number: DE2432834A
Authority: DE
Inventors: Cliff Andrew Matawan N.J. Harris
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1973-07-12
Filing date: 1974-07-09
Publication date: 1982-01-21
Also published as: BE817482A; SE7408579L; NL7409217A; FR2237380A1; CA1009711A; NL166163C; JPS5039847A; US3824501A; GB1470577A; DE2432834A1; JPS6052611B2; SE390095B; IT1016568B; FR2237380B1; DE2432834B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Entzerrer für digitale Übertragung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein unvollkommenes digitales Übertragungsmedium führt zu Störungen und verschiedenen Signalverzögerungen, die Interferenzen zwischen den Zeichen (Symbolen), die eine Signalregeneration verhindern. Die Zwischenzeichen-Interferenz, die ein unvollkommenes Übertragungsmedium kennzeichnet, kann graphisch als ein Augenöffnen am empfangsseitigen Ende des Übertragungsmediums dargestellt werden. Daher entspricht eine große Augenöffnung, die noch definiert werden wird, einem niedrigen Grad von Zwischenzeichen-Interferenz. Diese »Augenöffnung« definiert einen Bereich, den Entscheidungsbereich, innerhalb jeder Taktperiode, der am besten geeignet ist für die Durchführung von Signalregenerierungsaufgaben. Eine sorgfältigere Behandlung des Stoffes »Augendiagramm« ist in dem Buch: »Data Transmission«, von W. R. Ben net und J. R. Davey, S. 119, Mc Graw-Hill, 1965, vorgenommen worden.

Gegenwärtig werden, um die notwendige Entzerrung von Kabeln vorzunehmen, die digitale Daten übertragen, feste Kabelentzerrer verwendet Diese Entzerrer sind nach den Prinzipien der »Augenöffnungs«-Messungen ausgewählt, die bezüglich des betreffenden Kabels vorgenommen werden, das entzerrt werden soll. Eine derartige Auswahl von festen Entzerrern hängt von den Kabelkenniinien, dem Verstärkerabstand und den jahreszeitbedingten Temperaturen des Kabels ab. Da jedoch feste Kabelentzerrer aus einer endlichen Gruppe von Netzwerken ausgewählt wurden und da die Kabelkennlinien meßbar durch Temperaturänderungeii beeinflußt werden (besonders dann, wenn ein Kabel an Masten montiert ist), hat die Kabelentzerrung durch feste Entzerrer beträchtliche Nachteile.

R-A. Tarbox beschreibt in einem Aufsatz, veröffentlicht in den Proceedings of the IEEE, März 1969, S. 363, ein Verfahren zur automatischen Entzerrung eines Datenübertragungskabels, das auf den Signalkennlinien am Ausgang des Kabelentzerrers basiert Tarbox hat insbesondere herausgefunden, daß eine zufriedenstellende »Augenöffnung«, die für eine fehlerfreie Signalregenerierung erforderlich ist für einen Bereich von Temperaturen und Kabeln erreicht werden kann, indem die Spitzensignalhöhe am Ausgang des Entzerrers festgestellt und indem die Verstärkung verändert wird, und zwar als Funktion der Amplitude des Entzerrers und der Frequenzlage eines einfachen realen Nullwertes der Frequenzcharakteristik des Entzerrers. Der Tarbox-Entzerrer variiert Verstärkung und Nullage in Abhängigkeit von einer komplexen nichtlinearen Beziehung, die eine Funktion des festgestellten Spannungsspitzenwertes ist. Darüber hinaus wird die Verstärkung und die Nullage in eine gegenseitige Beziehung gebracht. Dieses bewirkt daß der Entzerrer nur einen ungenügenden Umfang an automatischer Entzerrung besitzt der zusätzliche feste Entzei rernetzwerke erfordert, die für kurze Kabellängen dazwischenzuschalten sind.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Nachteile bekannter Entzerrer zu vermeiden und insbesondere einen Entzerrer anzugeben, der eine automatische Entzerrung über sinnvolle Temperatur- und Kabelbereiche ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltung

sowie weitere technische Merkmale des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird der Vorteil erzieh, daß eine bequeme automatische Entzerrung von

Kabeln möglich ist, über die digitale Information übertragen wird. Das Ausgangssignal kann auf diese Weise für gegebene Kabellängen und -stärken über einen weiten Temperaturbereich konstant gehalten

werden.

Diese Vorteile werden aus dem nachstehenden verständlich:

Der angegebene Kabelentzerrer, der über vier aktive Elemente verfügt, die zu einer Schaltkreiskonfiguration zusammengeschaltet sind, hat eine biquadratische Übertragungscharakteristik, die allgemein als »Biquadrat« bekannt ist. Dieses Biquadrat stellt die gewünschte Frequenzcharakteristik des Entzerrers dar, in der die Verstärkung, eine feste Formgebung (ein Paar komplexer Pole) und eine einfache reale Nullstelle enthalten sind. Zusätzlich zu dem Biquadrat verfügt der Entzerrer über eine Einrichtung zur Beeinflussung der Verstärkung des Biquadrates und der Frequenzlage der realen Nullstelle in der Frequenzcharakteristik des Biquadrates gemäß dem Prinzip der Erfindung. Insbesondere wird eine Optimierung der Kabelcharakteristik bezüglieh digitaler Signale erreicht, indem das Spitzensignal am Ausgang des Entzerrers festgestellt wird und indem ler Wert eines ersten Widerstandes in dem Biquadrat in Abhängigkeit von dem festgestellten Signal variiert

wird, um die Verstärkung k des Biquadrates zu ändern. Gleichzeitig wird die Frequenzlage des realen Nullpunktes g des Biquadrates geändert, indem ein zweiter Widerstand in dem Biquadrat verändert wird, um am Ausgang des Entzerrers ein konstantes Spitzensignal 5 aufrechtzuerhalten. Die Verstärkung k und die reale Nullstelle g sind über die folgende Beziehung miteinander verknüpft:

-L = K_lg + K₂,

wobei K\ und Ak vorgegebene Konstante sind.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Darstellung des klassischen »Augendiagramms« digitaler Signale, die an dem Ausgang entzerrter Kabel austreten,

Fig.2 ein Diagramm, in dem die Verstärkung des Entzerrers über der Frequenz der Nullage des Entzerrers aufgetragen ist, wobei zwei Gebiete zulässiger »Augenöffnungen« für ein Kabel mit der Stärke 26 dargestellt sind, d.h. 0,0159ZoIl oder 0,404 mm nach AWG Norm,

F i g. 3 ein Diagramm der Verstärkung des Entzerrers über der Frequenz der Nullstelle des Entzerrers, mit zwei Bereichen zulässiger »Augenöffnungen« für ein Kabel der Stärke 19, d.h. 0,0359 Zoll oder 0,912 mm nach AWG Norm,

Fig.4 ein Diagramm, in dem die Verstärkung des Entzerrers über der Frequenz der Nullstelle des Entzerrers aufgetragen ist, wobei zwei Bereiche zulässiger »Augenöffnungen« dargestellt sind, die für alle Kabel mit Stärken zwischen 26 und 19 einschließlich gelten, d. h. zwischen 0,404 mm und 0,912 mm,

Fig.5 die Darstellung eines bekannten biquadratischen aktiven Filters,

F i g. 6 eine Darstellung des automatischen Kabelentzerrers, in dem die Prinzipien der Erfindung realisiert sind,

F i g. 7 eine ausführliche schematische Darstellung des in F i g. 6 gezeigten Spitzenwertdetektors und

Fig.8 eine ausführliche schematische Darstellung eines gesteuerten variablen Widerstandes, der in der Einrichtung nach F i g. 6 verwendet wird.

Fig. 1 zeigt das klassische »Augendiagramm« digitaler Signale, die aus Datenübertragungskabeln austreten, die bipolar codierte Signale übertragen. Ein »Augendiagramm« von empfangenen Digitalsignalen, wie es in F i g. 1 dargestellt ist, wird allgemein erzeugt, wenn Kabel geprüft werden, indem eine Mehrzahl von Linien der empfangenen digitalen. Signale auf einem Oszillographenschirm überlagert werden. Auf diese Weise werden alle möglichen Signal-Wellenformen innerhalb einer Datensignal-Taktperiode sichtbar gemacht. Eine sorgfältige Betrachtung der F i g. 1 zeigt, daß der günstigste Zeitpunkt für die Feststellung, Wiedertaktierung und -erzeugung des digitalen Signals der Zeitpunkt t\ ist, ein Zeitpunkt, zu dem die Differenz zwischen dem Niveau des niedrigsten hohen Signals 17 und dem höchsten niedrigen Signal 18 am größten, d. h. die »Augenöffnung« am größten ist. Daher wird die Größe der »Augenöffnung« oder der Entscheidungsbereich

zum Zeitpunkt fi durch die Beziehung^ definiert, wobei

"

// die maximale Signalspitze und h die Differenz zwischen der minimalen Signalspitze zum Zeitpunkt ii und die maximale Signalinte-ferenz zum Zeitpunkt fi,

d. h. die Differenz zwischen dem Spitzenwert 17 und 18 ist. In der Praxis jedoch ist die Höhe des überschießenden Signals, b, von Bedeutung, da dieses Überschießen mit der Zeitwiederherstellungsschaltung interferieren kann. Daher ist es in der Praxis nicht nur wünschenswert, das Verhältnis T₇ zu maximieren, sondern auch das π

Verhältnis-^-zu minimieren, um einen großen Entscheidungsbereich zu erhalten. Daher wird der Ausdruck

wobei h, b und H die in F i g. 1 angegebenen Signalniveaus sind, in dieser Beschreibung genommen, um die »Augenöffnung« darzustellen.

Es wurde experimentell gefunden, daß durch die Veränderung der Verstärkung k eines Entzerrers und durch eine gleichzeitige Änderung des Frequenzbereiches einer einfachen realen Nullstelle g in der Frequenzcharakteristik des Entzerrers eine zufriedenstellende »Augenöffnung« erhalten werden konnte, während gleichzeitig ein konstantes Spitzenausgangssignalniveau für einen weiteren Bereich von Temperaturen, Kabellängen und -stärken aufrechterhalten werden konnte, wodurch die Zwischenzeichen-Interferenz klein gehalten wird. Fig. 2 zeigt das »Augenöffnungs«-Diagramm für spezielle feste Formgebung eines Kabels der Stärke 26, d. h 0,404 mm, wobei Bereiche bestimmter »Augenöffnungen« für verschiedene Kabellängen, relativ zur Nullfrequenz g des Entzerrers und seiner Verstärkung k dargestellt sind, die unabhängig für bipolar codierte Daten, die mit einer Geschwindigkeit von 2,4 kbit/sec variiert wurden. Die Familie der Kurven 101, 102, 103 und 104 stellen die Charakteristik oder Kennlinie von Kabeln dar, die eine Länge von 42 000, 30 000, 18 000 und 6000 ft. jeweils aufweisen (dieses entspricht Kabellängen in Metern von 12 801,60, 9144,00, 5486,40 und 1828,80). Der schraffierte Bereich 201 stellt einen Bereich dar, in dem die »Augenöffnung« mindestens (20, 80), der schraffierte Bereich 202 einen Bereich, in dem die »Augenöffnung« mindestens (30, 70) ist. Das spi'zenentzerrte Signal wird bei einem konstanten Wert aufrechterhalten, indem diese Kennlinien erzeugt werden.

F i g. 3 ist der F i g. 2 sehr ähnlich und zeigt eine Familie der Kurven 105, 106, 107, 108 und 109 für ein Kabel der Stärke 19 (0,912 mm) und Längen von 120 000, 96 000, 74 000, 84 000 und 24 000 ft. (umgerechnet in Nietern 36 576,00, 29 260,80, 22 555,20, 14 630,40 und 7315,20). Der schraffierte Bereich 203 repräsentiert einen Bereich, in dem eine (20, 80)-»Augenöffnung« erreicht wird. Der schraffierte Bereich 204 ist ein Bereich, in dem mindestens eine (30, 70)-»Augenöffnung« erzielt wird.

F i g. 4 zeigt die (20, 80)-»Augenöffnung« des schraffierten Bereichs 20Γ und die (30, 70)-»Augenöffnung« des Bereichs 202', die die Kabel mit den Stärken 26 und 19 (0,404 mm bzw. 0,912 mm) gemeinsam haben und die in der Tat allen Kabeln zwischen den Stärken 26 und 19 (0,404 mm bzw. 0,912 mm) gemeinsam ist.

Eine genaue Betrachtung der gemeinsamen Bereiche in F i g. 4 läßt erkennen, daß eine automatische Entzerrung für alle interessanten Kabellängen und -stärken erreicht werden kann, während eine (20, 80)-»Augenöffnung« mittels einer speziellen funktionel-

len Beziehung zwischen k und g aufrechterhalten werden kann. Es wurde festgestellt, daß tatsächlich zahlreiche Beziehungen zwischen der Verstärkung £des Entzerrers und der Nullage g des Entzerrers existieren können, die einfach sind, leicht in integrierter Schaltkreistechnologie implementiert und leicht mittels Änderungen in bestimmten Schaltkreisparametern gesteuert werben können und die eine (20,80)-»Augenöffnung« für alle interessanten Kabellängen und -stärken garantieren. Man hat auch herausgefunden, daß eine Entzerrung mit Schaltkreisparametervariationen gemäß Fig. 4 erreicht werden kann. Jede /t-^-Beziehung, die durch eine lineare Funktion darstellbar ist oder durch eine inverse Funktion, die in dem Bereich 201' der Fi g. 4 enthalten ist, der alle Kabellängen (Kurven 10Γ, 102', 103', 104', 105', 106', 107', 108' und 109') schneidet und der auch ein konstantes Sptizenausgangssignainiveau aufrechterhält, garantiert mindestens eine (20, 80)-»Augenöffnung« für alle interessanten Kabelstärken und -längen. Die Kurve 150 in F i g. 4 ist ein Beispiel für eine derartige inverse Beziehung, wobei

1/Jt = K₁ g + K₂. (1)

Die Kurve 151 in F i g. 4 ist zur Kurve 150 dual, und sie ist ebenfalls ein gutes Beispiel einer gültigen &-g--Beziehung, mit

k = K,g + K₄. (2)

Ki. K₂. K3 und K₄ sind geeignet gewählte Entzerrerkonstanten.

F i g. 5 zeigt ein bekanntes aktives Filter, das in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden kann. Es hat eine biquadratische Übertragungsfunktion der Form:

E_a

_ ms² + O₁S + a₂

wobei s die komplexe Frequenzvariable darstellt und m, a\, a₂, d\ und d₂ gewählte Konstanten sind. Eine sorgfältige Abhandlung über diese Schaltung, die allgemein als »Biquadrat« bekannt ist, ist in dem Aufsatz von Lee C. Thomas zu finden, mit dem Titel »The Biquad: Teil 1 — Some Practical Desing Considerations«, IEEE Transactions on Circuit Theory, Band CT-18, Nr. 3, Mai 1971, S. 350; »The Biquad: TeU 2 - A Multipurpose Filtering System«, IEEE Transactions on Circuit Theory, Band CT-18, Nr. 3, Mai 1971, S. 358.

Die Analyse des in Fig.5 dargestellten Biquadrats führt zu der folgenden Übertragungskennlinie:

Jk

+ β R₅)

Wenn R₁ unendlich gemacht wird (in Fig.5 nicht dargestellt), dann reduziert sich die Gleichung (4) zu

Eaus ₌ RgR₁R₃(SC₂R₂R^ + ßR₅)

£_Ejn ~ R₁₁R₅RJs²C₁C₂R₁R₂R₃ + SC₂R₂R₃+"^)'

(5)

Die Gleichung (5) enthält einen Verstärkungsterm, eine einfache reale Nullstelle bei

(6)

D₂R₂R^
und ein Paar komplexer Pole bei den Wurzeln

S²C₁C₂R₂R₃ + SC₂R₂R₃ + /IR₁ (7)

kann dann folgendermaßen umgeschrieben werden:

L^{1 +} 7J L QC₂R₂A₃ J

-Ein

ft

C₁R₁ C₁C₂R₂R₃

die Gleichstromverstärkung und

^g C₂R₂R₆

(9)

Die Gleichung (8) zeigt sehr deutlich, daß das modifizierte Biquadrat, mit dem fehlenden Rj exakt die Übertragungsfunktion liefert, die für den Entzerrer erforderlich ist; nämlich: Verstärkung, eine einfache reale Nullstelle und Paar komplexer Pole (Polstellen). Darüber hinaus zeigen die Gleichungen (8), (9) und (10), daß Ra oder Rg geändert werden, wobei nur der Verstärkungsparameter Jt beeinfluBt wird, und daß Ra geändert werden kann, wobei nur der Parameter der einfachen realen Nullstelle g beeinflußt wird. Daher wird gemäß den Prinzipien dieser Erfindung die biquadratische Schaltung dazu verwendet, den Entzerrer mit dem fehlenden R7 zu verbessern, wobei A₄ aus Widerständen A₄' und A₄" gebildet wird. Darüber hinaus wird A₄' proportional zu Rs gemacht, und zwar mit einer Proportionalitätskonstanten M:

R₅ =

(H)

Aus der Gleichung (9) kann daher gezeigt werden, daß

Aus den Gleichungen (10) und (11) ist zu ersehen

S =

60 so daß C₂R₂R₆ C₂R₂Rl

oder J_ Γ C₂R₂Rj Ί
k L M^K₃R₈ J

(10) -i- = K_lg + K₂

(13)

(14) (15)

die Frequenz der einfachen realen Nullstelle ist

ist welch letzteres die wünschenswerte Beziehung;

zwischen der Verstärkung kund der Nullstelle g ist, was auch schon in Gleichung (1) ausgedrückt wurde. Um darüber hinaus voll die Forderungen der automatischen Kabelentzerrung zu erfüllen, die ein konstantes Spitzensignalniveau am Ausgang des Entzerrers erfordert, wird Rt,' direkt von dem Signalniveau am Ausgang des Biquadrates gesteuert, wodurch eine geeignete Verstärkungsrückkopplung hergestellt wird.

Fig.6 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel des Kabelentzerrers nach der Erfindung, wobei die Verstärkung k zu der Nullstelle g die Beziehung nach Gleichung (15) besitzt. Der in F i g. 6 dargestellte Entzerrer enthält eine biquadratische Schaltung mit eingebauten steuerbaren variablen Widerständen 11 und 12 und einem Spitzensignaldetektor 10, der auf das Ausgangssignal des Entzerrers anspricht und der ein Signal erzeugt, das repräsentativ für das Spitzenausgangssignal ist, und er vergleicht dasselbe mit einer Referenzspannung V_rer- Ferner erzeugt er ein Steuersignal V_c Das Steuersignal wird zu den variablen Widerständen 11 und 12 übertragen, um die Verstärkung k und die Übertragungsnullstelle g in der Weise zu beeinflussen, daß die Gleichung (15) erfüllt ist. F i g. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Detektors 10, in dem ein invertierender Verstärker 210, Dioden 211 und 212 Signalspitzen zu dem Haltekondensator 213 und dem Dämpfungswiderstand 214 übertragen. Daher ist der Signalpegel über dem Kondensator 213 proportional zu den Signalniveauspitzen am Ausgang des Entzerrers.

Dieses Signal über dem Kondensator 213 wird von dem Operationsverstärker 21 gepuffert, d. h. zwischengespeichert, mit dem gewünschten Spitzensignalpegel Vre/verglichen und von dem Operationsverstärker 24 in Kombination mit den Widerständen 22, 23 und dem Kondensator 25 integriert Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 24 auf der Leitung 20 ist das Steuersignal V_c das den Wert der Verstärkung k und der Nullstelle g über die steuerbaren Widerstände 11 und 12 jeweils steuert.

Die variablen Widerstände 11 und 12 können auf verschiedene Weise aufgebaut sein, solange die folgenden Bedingungen erfüllt werden:
. (1) Rj, muß im wesentlichen ansteigen mit ansteigender Steuerspannung Vc, um die geeignete negative Rückkopplung sicherzustellen. Die Widerstandsvariation muß nicht bezüglich der Steuerspannung Vclinear sein. (2) Ra und Rs müssen nach einem ersten Grad der Annäherung gemäß den obigen Gleichungen aufeinander abgestimmt sein, und die biquadratischen Widerstände und Kondensatoren"- müssen natürlich so ausgewählt werden, daß die sich hieraus ergebende ^-Beziehung innerhalb des Bereichs 20Γ in Fig.4 liegt. Die Proportionalitätskonstante M kann gleich 1 sein.

Daher können die gesteuerten variablen Widerstände Ra' und A₅, die in F i g. 6 die Elemente 6 und 12 bilden, identisch sein. Eine Ausführung eines solchen variablen Widerstandes ist in F i g. 8 dargestellt, wo ein Feldeffekttransistor 310 als ein spannungsgesteuerter variabler Widerstand dient. Die Widerstände 311 und 312 dienen zur Linearisierung des Widerstandes des Feldeffekttransistors bezüglich der Steuerspannung V_c auf der Leitung 20, während der Kondensator 313 zur Isolation der Steuerspannung vom Datensignalpfad 13 dient. Eine ausführliche Erläuterung dieser Schaltung und ihrer Vorteile wurde von H. P. von O w in den »Proceedings of the IEEE«, Bd. 10, Oktober 1968, S. 1718, gegeben.

Ein gleich guter automatischer Entzerrer kann dadurch erhalten werden, daß die duale Beziehung, die in der Gleichung (2) gegeben ist, verwendet wird. Dieses kann beispielsweise durch eine entsprechende Änderung von R₅ und A₈ in F i g. 6 geschehen. Das heißt, an Stelle von R₄, Rs können die beiden Widerstände Rt und Ra" verwendet werden, wobei Rs' proportional zu Rs (Rs = MRg') auf eine Weise gemacht wird, die in den Gleichungen (11), (12), (13) und (14) angegeben ist, wodurch ebenfalls die in Gleichung (2) definierte ^-Beziehung erhalten wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Entzerrer für digitale Übertragung, der automatisch ein konstantes Ausgangssignal liefert, mit einem Verstärker, der mindestens zwei Widerstände aufweist und einen Übertragungsfrequenzgang mit einstellbarer Verstärkung und einstellbarer Ubertragungsnullstelle im Frequenzbereich besitzt und in Abhängigkeit von einem digitalen Eingangssignal ein digitales Ausgangssignal liefert weiter mit einem Detektor, der aus dem Spitzenausgangssignal des Verstärkers ein Steuersignal erzeugt, wobei die Verstärkungs- und Übertragungsnullstellen-Kennlinie von dem Steuersignal beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Widerstände (11, 12 oder 12, A₈; F i g. 6) des Verstärkers (1) durch das Steuersignal (Vc) veränderbar sind, wobei die eine Widerstandsänderung die Übertragungsnullstelle und die andere Widerstandsänderung die Verstärkung des Verstärkers beeinflußt, und

daß die Widerstände so verändert werden, daß das Spitzenausgangssignal (E_AUs) für gegebene Kabellängen und -stärken konstant ist.

2. Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung (k)aes Entzerrers eine Funktion von K₃g+K^ ist, wobei K₃ und K₄ gegebene Konstanten und g die Frequenzlage der Übertragungsnullstelle ist.

3. Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kehrwert der Verstärkung (k) des Entzerrers eine Funktion von K\g+ K2 ist, wobei K\ und K₂ gegebene Konstanten und g die Frequenzlage der Übertragungsnullstelle ist.