DE3023107C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis zur Rückgewinnung
des Taktsignals aus aufeinanderfolgenden Signalbündeln gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Schaltkreise wer
den z. B. in digitalen Datenkommunikationssystemen, insbeson
dere in Zeitmultiplex-Systemen mit Mehrfach-Zugriff (TDMA)
bei der Satellitenkommunikation oder in Nachrichten-Um
schaltsystemen bei der kabelgebundenen Datenkommunikation
eingesetzt.
In TDMA-Systemen bei der Satellitenkommunikation übertragen
mehrere Erdstationen abwechselnd in verschiedenen zugeteil
ten Zeitabschnitten intermittierende Signale oder Impuls
bündel (Bursts) auf einer gemeinsamen Trägerfrequenz
und benutzen gemeinsam eine einzige in einem Satelliten be
findliche Relais-Station auf Zeitmultiplex-Basis. Anderer
seits werden in Nachrichten-Umschaltsystemen bei der kabel
gebundenen Datenkommunikation Nachrichten von mehreren ein
laufenden Übertragungsleitungen zunächst, z. B. in einem
Pufferspeicher, gespeichert und später auf auslaufenden Über
tragungsleitungen weitergeleitet, die gepulst oder im Stoßbetrieb
auf Zeitmultiplex-Basis verbunden sind. Diese im Zeitmultiplex-
Verfahren arbeitenden, kabellosen oder kabelgebundenen Systeme
ermöglichen hohe Übertragungsleistungen und tragen darüber
hinaus zu einem flexiblen Systembetrieb bei.
Wenn jedoch bei deratigen Systemen die Taktsignale zwischen
Impulsbündeln zwischen Erdstationen oder zwischen Nachrichten
nicht synchronisiert sind, muß zur Decodierung empfangener Si
gnale auf der Empfängerseite für jedes empfangene Impulsbündel
(Burst) ein Taktsignal erzeugt bzw. zurückgewonnen werden, das
mit dem Taktsignal auf der Senderseite synchronisiert ist.
Ein Schaltkreis zur Rückgewinnung des Taktsignals weist zu
diesem Zweck im allgemeinen ein Bandfilter auf, dessen mittlere
Frequenz der Taktsignalfrequenz der Senderseite entspricht,
um den Störabstand (S/N-Verhältnis) der wiedergewonnenen Takt
signale zu verbessern. Stabile Taktsignale können durch eine
hinreichende Beschränkung der Bandbreite des Bandfilters er
halten werden. Dies würde jedoch zu einer Verlängerung der
Amplituden-Ansprechzeit des Bandfilters im Stoßbetrieb und damit
zu einer Verschlechterung des Übertragungswirkungsgrades füh
ren. Umgekehrt würde eine Vergrößerung der Bandbreite zur Er
höhung des Übertragungswirkungsgrades die Stabilität der zu
rückgewonnenen Taktsignale ungünstig beeinflussen. Dieser
Widerspruch zwischen der Stabilität der Taktsignale einer
seits und einem hohen Übertragungswirkungsgrad andererseits
gewinnt mit zunehmender Taktimpulsrate an Bedeutung.
Aus der US-A-29 42 196 ist ein Schaltkreis zur Rückgewinnung
eines Taktsignals aus aufeinanderfolgenden Signalbündeln be
kannt. Bei dieser bekannten Schaltung werden die ankommenden
Signalbündel zum einen an einen Regenerator und zum anderen
an einen Detektor geliefert. Die von dem Detektor erkannte
Hüllkurve des empfangenen Signales wird an den Eingang eines
Schmalbandfilters und eines Breitbandfilters angelegt. Den
beiden Filtern ist jeweils ein Schaltkreis mit variabler
Verstärkung nachgeschaltet. Diese beiden Schaltkreise werden
so angesteuert, daß, unabhängig von einem Steuersignal,
zunächst das Ausgangssignal des Breitbandfilters und dann
das des Schmalbandfilters an den zuvor genannten Regenerator
geliefert wird. Das Steuersignal wird dabei von dem Aus
gangssignal des Schmalbandfilters abgeleitet. Der Regenera
tor wird also beim Eintreffen einer Signalimpulsfolge
zunächst mit dem Ausgangssignal des Breitbandfilters belie
fert und erst nach einer Zeit, die größer ist als die An
stiegszeit des Schmalbandfilters, mit dem Ausgangssignal des
Schmalbandfilters beliefert. Der Wechsel vom Ausgangssignal
des breitbandigen Filters zum Ausgangssignal des schmalban
digen Filters erfolgt dabei allmählich, d. h. in Form eines
Übergangs.
A. T. Anderson et al. beschreiben in ihrem Aufsatz "Dual-
Bandwidth Loop Speeds Phase Lock", Electronics, January 9,
1975, S. 116 bis 117, eine PLL-Schaltung mit zwei Filtern
unterschiedlicher Bandbreite. Dabei wird das Eingangssignal
an einen Phasendetektor gegeben, dessen Ausgangssignal an
das Breitbandfilter und das Schmalbandfilter geliefert wird.
Eines der beiden Ausgangssignale der Filter wird zur
Steuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators verwendet.
Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators wird
zum Phasenvergleich mit dem Eingangssignal an den Phasende
tektor angelegt. Diese bekannte Schaltung funktioniert in
der Weise, daß das Ausgangssignal des Breitbandfilters so
lange zur Steuerung des spannungsgesteuerten Oszillators
verwendet wird, bis ein Einrasten der PLL-Schaltung erfolgt.
Danach wird der spannungsgesteuerte Oszillator mit dem Aus
gangssignal des schmalbandigen Filters angesteuert. Anderson
et al. schlagen vor, den Wechsel von dem einen Ausgangs
signal auf das andere Ausgangssignal nicht durch eine harte
Umschaltung, sondern durch einen allmählichen Übergang von
der Ausgangsspannung des Breitbandfilters auf die des
Schmalbandfilters durchzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaltkreis
zur Rückgewinnung von Taktsignalen aus aufeinanderfolgenden
Signalbündeln bereitzustellen, mit dem eine rasche Takt
signal-Synchronisation möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1
gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden
Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das den wesentlichen Teil der
Demoduliervorrichtung auf der Empfängerseite eines
TDMA-Systems oder Nachrichten-Umschaltsystems zeigt.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das einen in der Demodulier
vorrichtung von Fig. 1 enthaltenen, üblichen Schalt
kreis zur Rückgewinnung des Taktsignals darstellt.
Fig. 3a und 3b sind Diagramme der Wellenform zur Erleichterung der
Erläuterung von Fig. 2.
Fig. 4a zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Impuls
bündels.
Fig. 4b und 4c zeigen die Amplituden-Ansprechzeit eines breitbandi
gen bzw. eines schmalbandigen Bandfilters.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das eine erfindungsgemäße Aus
führungsform eines Schaltkreises zur Rückgewinnung
des Taktsignals zeigt; und
Fig. 6 ist ein Diagramm der Wellenform zur Erleichterung
der Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 5
dargestellten Schaltkreises.
In Fig. 1 wird eine empfangene modulierte Welle S i in einem
Teilungs-Schaltkreis (Splitter) 1 aufgespalten und einem De
modulator 2, einem Schaltkreis 3 zur Rückgewinnung des Trä
gersignals und einem Schaltkreis 4 zur Rückgewinnung des
Taktsignals zugeführt. Der Demodulator 2 erhält das empfan
gene modulierte Signal S i synchron mit dem zurückgewonnenen
Trägersignal S c aus dem Schaltkreis 3 zugeführt und liefert
ein Modulationsfrequenzband-Signal S B als Ausgangssignal.
Ein Datenrückgewinnungs-Schaltkreis 5 erkennt das Modulations
frequenzband-Signal S B im Einklang mit dem Zeittakt eines
zurückgewonnenen Taktsignals S o aus dem Schaltkreis 4 und er
zeugt dadurch die Daten S D . Ein Demodulator entsprechend Fig. 1
wird von S. Yokoyama mit Bezug auf eine vierphasige,
PSK-modulierte Welle beschrieben (S. Yokoyana et al., "The
Design of a PSK MODEM for the Telesat TDMA System", ICC 75,
16.-18. Juni, San Francisco).
Das Eingangssignal S i des in Fig. 2 dargestellten Schalt
kreises zur Rückgewinnung des Taktsignals wird als vierphasen
modulierte Welle angenommen. Das Eingangssignal S i wird vom
Splitter 11 in zwei gleiche Signale aufgeteilt, von denen das
eine direkt und das andere nach Verzögerung um einen halben
Zeitabschnitt durch den Verzögerungs-Schaltkreis 12 dem Pha
senvergleicher 13 zugeführt wird. Das Ausgangssignal A des
Phasenvergleichers 13 enthält ein kontinuierliches Frequenz
spektrum und eine scharfe Frequenzlinie als Taktsignal-Kom
ponente.
Ein Bandfilter 14 begrenzt die Bandbreite dieses Ausgangs
signals A des Phasenvergleichers 13 zur Verringerung seiner
Rausch-Komponente und extrahiert seine Taktsignal-Komponente C.
Die extrahierte Taktsignal-Komponente C wird nach einer
Amplitudenbegrenzung in einem Amplitudenbegrenzer 15 als
zurückgewonnenes Taktsignal S o weitergeleitet.
Fig. 3a zeigt ein Beispiel für eine Phasenbeziehung zwischen
den Zeitabschnitten des phasenmodulierten Eingangssignals
S i . Das Eingangssignal S i wird im allgemeinen auf dem Über
tragungsweg erheblich in seiner Bandbreite beschränkt. Wenn
eine Phasenverschiebung um 180° zwischen benachbarten Zeitab
schnitten erfolgt, so wird die Phasenverschiebung sofort
vollzogen; bei einer Phasenverschiebung um ±90° variiert
jedoch die Phase des Signals nur langsam. Infolgedessen
spricht der Ausgang des Phasenvergleichers 13, wie in Fig. 3b
gezeigt, auf das die in Fig. 3a dargestellte Phasenbeziehung
aufweisende, modulierte Eingangssignal S i an. Deshalb kann
die Taktsignal-Komponente nur in Phasenverschiebungen um
180°, aber selten in Phasenverschiebungen um 0° oder ±90°
extrahiert werden. Das S/N-Verhältnis der vom Phasenverglei
cher 13 extrahierten Traktsignal-Komponente hängt daher stark
von den übertragenen Daten ab. Unter der Annahme zufälliger
Daten beträgt im Falle einer vierphasenmodulierten Welle die
Wahrscheinlichkeit der Extraktion der Taktsignal-Komponente
ungefähr 1/4.
Im allgemeinen wird in der Struktur eines Impulsbündels, z. B.
für ein TDMA-System, ein Taktsignal-Synchronisationsmuster B C
in den vorderen Abschnitt eines Bursts gesetzt, gefolgt von
einem Datenabschnitt B D , wie in Fig. 4a dargestellt, wobei
B b der vorhergehende Burst ist. Als Taktsignal-Synchronisa
tionsmuster B C wird das optimale Muster zur Rückgewinnung des
Taktsignals gewählt, wobei bei der Vierphasenmodulation ge
wöhnlich ein Muster mit einer Phasenverschiebung um 180° ver
wendet wird.
In den Fig. 4b und 4c ist das Ansprechen der Amplitude des
Ausgangssignals C des Bandfilters 14 (Fig. 2) auf dieses
Impulsbündel dargestellt, wobei Fig. 4b das Ansprechen der
Amplitude für ein Breitbandfilter und Fig. 4c für ein Schmal
bandfilter zeigt.
Zur Erreichung eines hohen Transmissionswirkungsgrades ist die
Verkürzung des Synchronisationsmusters B C und die Unterdrüc
kung der Phasenschwankung des zur Demodulierung der Daten B D
verwendeten, zurückgewonnen Taktsignale wünschenswert. Zur
raschen Herstellung der Taktsignal-Synchronisation in jedem
Burst sollte die Synchronisationszeit, d. h. die Zeit bis zur
Erlangung des Taktsignals, durch Erweiterung der Bandbreite
des Bandfilters 14 verkürzt werden, wie in Fig. 4b dargestellt.
Eine größere Bandbreite würde jedoch eine Zunahme der Rausch-
Komponente, eine Phasenschwankung des zurückgewonnenen Takt
signals und damit eine Verschlechterung des S/N-Verhältnisses
im Datenabschnitt B D ergeben. Andererseits wird die Synchro
nisationszeit verlängert, wenn die Bandbreite zur Verbesse
rung des S/N-Verhältnisses schmaler gemacht wird, und deshalb
verbleibt die Taktsignal-Phasenkomponente des vorhergehenden
Bursts B b im vorderen Abschnitt des diesem Burst B b folgen
den Bursts und beeinflußt damit die Taktsignal-Synchronisa
tion, wie in Fig. 4c gezeigt, ungünstig.
Somit beeinflußt die Wahl der Bandbreite des Bandfilters 14
direkt die Durchführung der Taktsignal-Synchronisation, und
bekannte Schaltkreise zur Rückgewinnung des Taktsignals weisen
den Nachteil auf, nicht gleichzeitig die Anforderungen der
raschen Taktsignal-Synchronisation und der Unterdrückung von
Rauschen und Phasenschwankungen erfüllen zu können. Dieser
Nachteil behindert, wie vorstehend erwähnt, die Kommunikation
im Stoßbetrieb mit hoher Taktfrequenz erheblich.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Schaltkrei
ses zur Rückgewinnung des Taktsignals. Ein eine Taktsignal-
Komponente enthaltendes Eingangssignal S i wird von einem
Splitter 21 gleichmäßig aufgeteilt, und ein Signalsegment S i 1
wird einem Breitbandfilter 22 zur Extraktion der Taktsignal-
Komponente zugeführt. Die extrahierte Taktsignal-Komponente
D wird einem Amplitudenbegrenzer 24 zugeführt und liefert ein
zurückgewonnenes Taktsignal S o 1, das dann einem Umschaltkreis
27 zugeführt wird. In der Zwischenzeit wird das andere Signal
segment S i 2 einem Schmalbandfilter 23 zur Extraktion seiner
Taktsignal-Komponente zugeführt. Die extrahierte Taktsignal-
Komponente E wird einem Amplitudenbegrenzer 25 zugeführt und
liefert ein zurückgewonnenes Taktsignal S o 2, das dann in den
Umschaltkreis 27 eingespeist wird. Ein Detektor (Steuersignal
generator) 26 erfaßt die Ausgangsamplitude des Breitbandfil
ters 22 und liefert ein Steuersignal für den Umschaltkreis 27.
In Abhängigkeit von diesem Steuersignal schaltet der Umschalt
kreis 27 eines der beiden zurückgewonnenen Taktsignals S o 1
oder S o 2 durch und liefert ein Ausgangssignal S o als zurückge
wonnenes Taktsignal.
Fig. 6 zeigt das Ansprechverhalten der beiden Bandfilter 22
und 23 am Ausgang (Einhüllende der Ausgangssignale), wobei sich
die durchgezogene Linie D auf das Bandfilter 22 und die ge
strichelte Linie E auf das Bandfilter 23 bezieht.
Das Breitbandfilter 22 wird für die schnelle Taktsignal-Rück
gewinnung verwendet, um die Taktsignal-Synchronisation des
Bursts im Taktsignal-Synchronisationsabschnitt B C vollstän
dig durchzuführen (siehe Fig. 4a). Deshalb wird die Bandbreite des
Breitbandfilters 22 so groß gewählt, daß die Ansprechge
schwindigkeit des Ausgangs diese Aufgabe erfüllt. Anderer
seits wird das Schmalbandfilter 23 zur Taktsignal-Gewinnung
mit geringerer Phasenschwankung im Datenabschnitt B D verwen
det. Bei der Wahl der Bandbreite des Schmalbandfilters 23
wird deshalb die Priorität stärker auf eine Verbesserung des
S/N-Verhältnisses als auf eine Erhöhung der Ansprechgeschwin
digkeit des Ausgangs gelegt.
Die Bandbreite des Schmalbandfilters 23 wird so gewählt, daß
die Ausgangsamplitude beispielsweise etwa der halben Ausgangs
amplitude des Breitbandfilters 22 an der abfallenden Flan
ke des Taktsignal-Synchronisationsabschnitts B C entspricht.
Bei dieser Wahl der Bandbreite fällt die Ausgangsamplitu
de des Bandbreitfilters 22 im Datenabschnitt B D rasch ab,
und von einem gewissen Zeitpunkt (t 3 in Fig. 5) an über
trifft das S/N-Verhältnis (der Störabstand) des Taktsignal
komponenten-Ausgangs des Schmalbandfilters 23 dasjenige des
Breitbandfilters 22, und zwar letztlich wegen des Bandbrei
tenverhältnisses. Als Folge davon weist das zurückgewonnene
Taktsignal S o 2 weniger Phasenschwankungen als das zurückge
wonnene Taktsignal S o 1 auf.
Der Detektor 26 erfaßt die Ausgangsamplitude des Breitband
filters 22 und liefert ein Steuersignal an den Umschaltkreis
27. Letzterer kann damit im Taktsignal-Synchronisationsab
schnitt B C das vom Breitbandfilter 22 zurückgewonnene Takt
signal S o 1 und vom Zeitpunkt t 3 an, bei dem das Verhältnis
des Ausgangs-Störabstands zwischen den beiden Bandfiltern 22
und 23 sich umkehrt, das vom Schmalbandfilter 23 zurückge
wonnene Taktsignal S o 2 als Ausgangssignal S o liefern. Das
Steuersignal wird durch das nachfolgende Verfahren erhalten:
Ein Tiefpaß-Filter 261 filtert das Ausgangssignal des Breit
bandfilters 22; dieses gefilterte Signal entspricht im Takt
signal-Synchronisationsabschnitt B C der durchgezogenen Linie
D in Fig. 6; die Ausgangsspannung des Filters 261 wird in
einem Differenzverstärker 262 mit einer Referenzspannung V f
verglichen, die etwas größer als die Spannungsamplitude ist,
bei der das Verhältnis des Ausgangs-Störabstands zwischen den
beiden Bandfiltern 22 und 23 sich umkehrt; entsprechend dem
Ausgang des Differenzverstärkers 262 liefert ein Gatter 263
ein "1"-Logiksignal oder ein invertierendes "0"-Logiksignal.
Ein Umschaltkreis 27 enthält UND-Gatter 271 und 272, die auf
das "1"- oder "0"-Logiksignal des Detektors 26 ansprechen.
Wenn der Differenzverstärker 262 bzw. das Gatter 263 das
"1"-Logiksignal liefert, öffnet das Gatter 271, und das
Gatter 272 wird geschlossen. Umgekehrt öffnet das Gatter
272, und das Gatter 271 wird geschlossen, wenn das Gatter
263 das "0"-Logiksignal liefert. Deshalb wird vor dem Ein
treffen eines Bursts und/oder vor dem Zeitpunkt t 1 und nach
der Synchronisation und/oder nach dem Zeitpunkt t 2 das vom
Schmalbandfilter 23 gelieferte, stabile zurückgewonnene Takt
signal S o 2 durch den Umschaltkreis 27 als zurückgewonnenes
Taktsignal S o abgegeben. Andererseits wird während der
Dauer der Taktsignal-Synchronisation und/oder zwischen den
beiden Zeitpunkten t 1 und t 2 das zurückgewonnene Taktsignal
S o 1 vom Breitbandfilter 22, dessen Synchronisationszeit
kürzer ist, durch den Umschaltkreis 27 abgegeben. Da die
Taktsignal-Rückgewinnung im Taktsignal-Synchronisationsab
schnitt durch ein Breitbandfilter 22 und im Datenabschnitt
durch ein Schmalbandfilter 23 erfolgt, können somit erfin
dungsgemäß sowohl eine rasche Taktsignal-Synchronisation
als auch zurückgewonnene Taktsignale mit geringem Rauschen,
z. B. durch Phasenschwankungen, während der Datenwiedergabe
erreicht werden.
Claims (3)
1. Schaltkreis zur Rückgewinnung eines Taktsignals aus aufeinan
derfolgenden Signalbündeln mit
- a) einem Splitter (21) zum Teilen eines eine Taktsignalkompo nente enthaltenden Eingangssignales (Si) in erste und zweite Signale (Si 1 bzw. Si 2),
- b) einem das erste Signal (Si 1) empfangenen Breitbandfilter (22), dessen Bandbreite die Extraktion der Taktsignalkompo nente ermöglicht,
- c) einem das zweite Signal (Si 2) empfangenden Schmalbandfilter (23) mit einer geringeren Bandbreite als der des Breitband filters (22), welche aber auch die Extraktion der Taktsi gnalkomponente ermöglicht,
- d) einem Steuersignalgenerator (26), dessen Eingangssignal über ein Tiefpaßfilter (261) läuft und der einen Umschaltkreis (27) ansteuert,
- e) dem Umschaltkreis (27), der eines der Ausgangssignale (So 1 bzw. So 2) des Breitband- bzw. des Schmalbandfilters (22 bzw. 23) auswählt und dieses als extrahiertes Taktsignal (So) abgibt,
dadurch gekennzeichnet,
- f) daß das Ausgangssignal (D) des Breitbandfilters (22) als Ein gangssignal des Steuersignalgenerators (26) dient,
- g) daß der Steuersignalgenerator (26) eine Einrichtung (262) zum Vergleichen der Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters (261) mit einer vorgegebenen Referenz-Spannung (V f ) aufweist und daß
- h)der Steuersignalgenerator (26) den Umschaltkreis (27) digi tal ansteuert.
2. Schaltkreis nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- a) daß erste und zweite Amplitudenbegrenzer (24, 25) zum Be grenzen der Ausgangssignale (D, E) der Breitband- bzw. Schmalbandfilter (22, 23) vorgesehen sind,
- b) daß der Steuersignalgenerator (26) über ein erstes Gatter (263) zur Erzeugung eines "1"- oder "0"-Logiksignales in Ab hängigkeit vom Ausgangssignal des Spannungsvergleichers (262) den Umschaltkreis (27) ansteuert und
- c) daß der Umschaltkreis (27) ein zweites und drittes Gatter (271 bzw. 272), die mit den Ausgängen des ersten bzw. zwei ten Amplitudenbegrenzers (24, 25) und jeweils mit dem Aus gang des ersten Gatters (263) verbunden sind, und eine Vor richtung zum Kombinieren der Ausgangssignale des zweiten und des dritten Gatters (271, 272) aufweist.
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