DE3227151C2 - Einrichtung zur empfangsseitigen Phasensynchronisation des Abtasttaktes auf die Phasenlage der Zeichen eines empfangenen Zeitmultiplex-Zeichenstroms - Google Patents

Abstract

Zur Synchronisation der Phasenlage des Abtasttaktes für einen empfangenen Zeichenstrom in einem Empfänger einer digitalen Nachrichtenübertragungsstrecke, wobei der Zeichenstrom ein periodisch wiederkehrendes Rahmenkennungswort enthält, wird eine Einrichtung angegeben, die durch Kreuzkorrelation des empfangenen, mit dem vorhandenen Abtasttakt abgetasteten, Zeichenstroms mit dem empfangsseitig gespeicherten Rahmenkennungswort den Rah men takt ermittelt, indem sie die in Abständen der Rahmenperiode wiederkehrenden Maxima der Kreuzkorrelationsfunktion bestimmt. Die Kreuzkorrelationsfunktion (K(i)) wird nun erfindungsgemäß auch zur Nachstellung der Phase des Abtasttaktes ausgenutzt, indem von Werten der Korrelationsfunktion aus der Umgebung des periodisch wiederkehrenden Maximums die Nachstellinformation ( ΔP) für die Phasennachstellschaltung (7, 8, 9) abgeleitet wird. Dazu wird die Differenz ( ΔKi ↓0) aus den dem Maximum (K(i ↓0)) benachbarten Werten (K(i ↓0-1), K(i ↓0+1)) gebildet (4), die darauf in einem Glättungsakkumulator (6) geglättet und quantisiert wird. Die neue Synchronisationseinrichtung bildet somit eine digitale Phasenregelschleife zur Rahmen- und Zeichensynchronisation, die insbesondere zur Verarbeitung von stark verzerrt empfangenen Zeichen geeignet ist.

Description

derfolgende Werte KQ) der Kreuzkorrelationsfunktion gebildet werden. Mathematisch lassen sich diese Werte ausdrücken als:

AT(Z) =

(D

wobei W(Yl-V) jeweils ein Bit des 12-Bit-Rahmenkennungsworts bedeutet Abgesehen von Verzerrungen müßte die Kreuzkorrelaüonsfunktion KQ) immer dann einen maximalen Wert annehmen, wenn die mit dem Rahmenkennungswort zu synchronisierenden Abtastwerte XQ~v) die Abtastiverte des im Zeichenstrom in Abständen einer Rahmenperiode enthaltenen Rahmenkennungswortes sind. Eine Rahmenerkennungsschaltung sucht nun aus der gesamten Folge KQ) der Werte der Kreuzkorrelationsfunktion die in Abständen einer Rahmenperiode wiederkehrenden relativen Maxima auf. Im Beispiel nach Fig. la sind dies die Werte mit dem Index i₀ bzw. dem Index Qo+ 108). Die Indizes unterscheiden sich deshalb um 108 Perioden des Abtssttaktes, weil ein Rahmen beim Vorstehend beschriebenen Beispiel aus 108 Zeichen bestehen soll. Die wiederkehrenden relativen Maxima teilen also dem Empfänger den Rahmentakt des empfangenen Zeitmultiplexsignals mit Würde man beim Abtasten die Abtastperiode gegen Null gehen lassen, so ergäbe sich der in F i g. 1 durchgehend gezeichnete vereinfachte Verlauf der Korrelationsfunktion, der zeigt, daß die bei der Abtastung mit der Abtastperiode T entstehenden Werte KQ) von der Phase des Abtasttaktes abhängig sind. So lassen sich bei der Phasenlage des Abtasttaktes, die in Fig. la gezeigt ist, die maximal möglichen Werte der Kreuzkorrelationsfunktion überhaupt nicht erfassen. Verschiebt man jedoch die Phasenlage des empfangsseitigen Abtasttaktes auf die in H1 g. 1 b gezeigte Lage, so sind die erkannten wiederkehrenden relativen Maxima KQO) auch tatsächlich die echten Maxima der Kreuzkorrelationsfunktior

Die Kreuzkorrelationsfunktion hat nun bei geeigneter Wahl des Rahmenkennungsworts die Eigenschaft, daß sie die Impulsantwort der Obertragungsstrecke näherungsweise reproduziert, d. h. die Maxima der Kreuzkorrelationsfunktion liegen auch bei den Maxima der Impulsantwort, so daß die Taktphasc- weiche die maximalen Werte der Kreuzkorrelationsfunktion ergibt, auch die maximalen Werte der Impulsantwort ergibt und daher die gewünschte Taktphase zur Abtastung der empfangenen Zeichen ist.

Zur Nachstellung der Phasenlage des Abtasttaktes werden nur gemäß der Erfindung Werte der Korrelationsfunktion verwendet, die in der Umgebung des wiederkehrenden Maximums KQo) liegen. Beispielsweise kann dazu jeweils eier dem wiederkehrenden Maximalwert vorausgehende Wert KQ₀-1) und der dem wiederkehrenden Maximalwert nachfolgende Wert KQo+\) verwendet werden. Wie die Fig. la zeigt, ist die Differenz AKQo) dieser Werte von Null verschieden, wenn der Wert KQo) nichi der tatsächliche Maximalwert ist. eo Daher kann diese Differenz AKQo) ^,Regelgröße zur Nachregeiung: derrTaktphase verwendet werden. Wie die Fig. Ib zeigt, verschwindet die Differenz AKQo) dann, wenn KQO) der maximal mögliche Wert der Korrelationsfunktion beim gerade Vorliegenden Abtastwert XQo) ist. Die Fig. Ib gibt also die Phasenlage des Abtasttaktes im eingeregdien phasensynchronen Zustand wieder.

Zu F i g. 1 sei darauf hingewiesen, daß der Verlauf der Korrelationsfunktion gegenüber dem tatsächlich zu erwartender, Verlauf stark idealisiert ist In Wirklichkeit sind die wiederkehrenden relativen Maxima wegen der starken Verzerrungen des empfangenen Zeichenstroms weitaus schlechter zu erkennen, und den aufeinanderfolgend festgestellten Differenzwerten AK ist eine Zufallsfolge überlagert, so daß die Differenzen AK erst nach einer Glättung als zuverlässige Regelgröße verwendet werden können.

Anhand der F i g. 2 wird nun ein Blockschaltbild der neuen Synchronisationseinrichtung beschrieben.

Wie bereits erwähnt, gelangen die Abtasrwerte XQ) der empfangenen Zeichen jeweils als 8-Bit-Wörter auf den Eingang eines digitalen Korrelators 1, der mit dem empfangsseitig gespeicherten Rahmenkennungswort fortlaufend die oben angegebenen Werte KQ) im Abtasttakt bildet Dazu wird der digitale Korrelator wie gezeigt mit dem gerade vorliegenden Zeichen-Abtasttakt betrieben. Die Werte KQ) der Kreuzkorrelationsfunktion, die ebenfalls 8-Bit-Wörter i j\d, gelangen nun auf eine Rahmenerkennungsschaltung 2, die mit einfachen logischen Schaltmitteln die Lage der wiederkehrenden relativen Maxima der Kreuzkorrelationsfunktion und damit den Rahmentakt des empfangenen Zeitmuu^:pkxsignals ermittelt Zu dieser Ermittlung verwendet die Rahmenerkennungsschaltung 2 den Zählerstand / eines Modulo-108-Zählers 3, an dessen Zähleingang der Zeichen-Abtasttakt liegt, der Index / wird deshalb Modulo 108 gezählt, weil es bekannt ist, daß sich das Rahmenerkennungswort jeweils nach 108 Zeichen wiederholt Mit jedem Ausgangssignal der Rahmenerkennungsschaltung 2, das ein erkanntes wiederkehrendes Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion bedeutet, wird der Zähler 3 über seinen Rücksetzeingang R auf einen festen Zählerstand /b, der beispielsweise gleich Nuii ist, zurückgesetzt. Dieser Rahmemakt bestimmt nun, welche Werte der Kreuzkorrelationsfunktion aus dem gesamten Wertevorrat KQ) ausgewählt und zur Bildung der Regelgröße verwendet werden. Wie anhand der Fig. 1 erläutert, sind dies die Werte KQO+I) und KQo-1) welche in der Umgebung des als wiederkehrendes Maximum erkannten Wertes KQo) liegen. Da der Zähler 3 wie angegeben zum Zeitpunkt /o auf Null gestellt wird, ist der Wert KQO+ 1) dann verfügbar wenn der Zähler 3 den Zählerstand 1 hat. Sämtliche Werte KQ) gelangen aufeinanderfolgend vom Ausgang des digitalen Korrelators 1 auf eine Subtraktionsschaltung 4, die beim Zählerstand 1 des Zählers 3 und bei keinem anderen Zählerstand in Betrieb gesetzt wird, dadurch daß beim Zählerstand 1 vom entsprechenden Zählerausgang ein Steuersigna! auf einen Steuereingang S de-Subtraktionsschaltung 4 gegeben wird. Am anderen Sigi.aleingang der Subtraktionsschaltung 4 erscheinen Ausgangswerte KQ) des digitalen Korrelators mit einer Verzögerung um zwei Perioden Γ des Abtasuaktes, die in einem Verzögerungsglied 5 stattfindet. Während also das positive Steuersignal am Eingang 5 liegt, bildet die Subtraktionsschaifng 4 die Differenz AKQO) aus den Werten /QVn +1) und KQ₀-1) der Kreuzkorrelationsfunktion. Alle anderen Werte der Kreuzkorrelations· funktion werden nicht' verwendet..Wie erwähnt, bedürfen diefaufeinanderfolgend gebildeten Werte KQO) der Glättung, die in einem der Subtraktionsschaltung nachgeschalteten Glättu^igsakkümulator 6 stattfindet. Der Glättungsakkumuiator 6, der anhand von Fig.3 noch näher erläutert wird, erhält somit jeweils im Rahmentakt einen Eingangswert AKQo) und gibt an seinem Aus-

gang in Abständen, die ebenfalls gleich einer Rahmenperiode sind, eine Nachstellinformation APab, die direkt zur Phasennachstellung der Phase des Zeichen-Abtasttaktes um eine entsprechende Anzahl von Schritten verwendet werden kann. Die Nachstellinformation AP ist vorzugsweise eine ganze Zahl, die auch gleich Null sein kann. Diese Nachsteliinformation AP, für die einschließe lieh ihres Vorzeichens 5 Bit ausreichen, ist in der Lage, eine Torschaltung 7 zur Auswahl der geeigneten Taktphase anzusteuern, ιό

An einer Reihe von parallelen Eingängen empfängt die Torschaltung 7 den Abtasttakt von einem Referenzoszillator 8 mit der Taktperiode T und jeweils einer anderen Taktphase, wobei die Taktphasen der an den einzelnen Eingängen der Torschaltung aufeinanderfolgend um jeweils einen gleichen Phasenschritt gegeneinander verschoben sind. Wenn man beispielsweise die Phase des Abtasttaktes in 128 Schritten verstellbar machen will, so gibt man den Referenztakt vom Ausgang des Referenzoszillators 8 auf eine Kette von 128 Verzögerungsgliedern 9. deren jedes die Phase des Taktes um

-JTg- gegenüber dem in der Kette vorangehenden verzögert. Die vor- und nach den Verzögerungsgliedern 9 verfügbaren Takte bilden nun die parallelen Eingangstakte der Torschaltung 7, von denen, gesteuert durch die Nachstellinformation AP, jeweils nur einer als der Zeichen-Abtasttakt mit der nachgestellten Phase ausgewählt wird. Die Phasennachstellung in der Torschaltung 7 geschieht derart, daß die Phase um soviel Schritte vor- oder zurückverschoben wird, wie dies die Nachstellinformation ΔΡ einschließlich ihres Vorzeichens angibt. Ist JPbeispeislweise gleich + 3, so wird in der Torschaltung der gerade durchgeschaitete Takt gesperrt und statt dessen der um drei Phasenschritte mehr verzögerte Takt durchgeschaltet. Ist andererseits die Nachstellinformation AP —■ —2, so wird in der Torschaltung 7 von dem gerade durchgeschalteten Takt auf den um zwei Phasenschritte weniger verzögerten Takt umgeschaltet, der dann als nachgestellter Zeichen-Abtasttakt in der gesamten Einrichtung verwendet wird. Dieser Zeichen-Abtasttakt gelangt von der Torschaltung 7 auf den digitalen Korrelator 1 und den Zähler 3 sowie auf andere Empfangseinrichtungen, die im Takt der empfangenen Zeichen betrieben werden müssen, beispielsweise auf die nicht gezeigte Abtast- und Halteschaltung. Somit stellt die beschriebene neue Synchronisationseinrichtung eine digitale Phasenregelschleife dar, die dadurch sich von allen bekannten digitalen Phasenregelschleifen unterscheidet, daß sie sowohl die Rahmensynchronisation als die Zeichentaktsynchronisation durchführt

Anschließend sei noch der Glättungsakkumulator 6 nach Fig.2 anhand der Fig.3 erläutert. Die am Eingang erscheinenden Differenzwerte AK(k) werden in einem Multiplizierer 11 mit einem Faktor a multipliziert, der kleiner als i ist. Die multiplizierten Werte a - AK(Jq) gelangen auf einen Addierer 12, dessen Ausgangswerte F(i) in einem Verzögerungsglied 13 um 108 Perioden T des Abtasttaktes, d. h. um eine Rahmenperiode verzögert werden. Vom Ausgang des Verzögeningsgliedes 13 werden die Funktionswerte F auf einen anderen Eingang des Addierers 12 zurückgekoppelt und werden dort nach An eines normalen Akkumulators zu den Eingangswerten a - AKfio) addiert, um den neuen Wert F zu ergeben. Der Akkumulator ist dadurch gegenüber der normalen Art etwas geändert, daß die rückgeführten Werte Fin einem Multiplizierer 14 mit einem Faktor I —2-" f/7-ganzzahIig) multipliziert werden, π wird dabei so gewählt, daß dieser Faktor nahe bei 1 liegt. Die Werte Fgelangen in Abständen einer Rahmenperiode vom Ausgang des Verzögerungsgliedes 13 auf einen Quantisierer 15, der sie durch betragsmäßige Abrundung in ganze Zahlen F₁, umsetzt. (Eingangswerte F, die betragsmäßig kleiner als eins sind, werden dabei auf Null abgerundet). Somit erscheinen am Ausgang des Quantisicrers 15 jeweils in Abständen einer Rahmenperiode.ganze Zahlen F_q, die positiv, negativ und Null sein können. iDiese Ausgangswerte F, werden schließlich als die oben erläuterten Nachstellinformationen AP verwendet. Außerdem werden sie über einen Multiplizierer 16 auf einen weiteren Eingang des Addierers 12 zurückgeführt, wobei sie in dem Multiplizier 16 mit einem Faktor b, der kleiner als 1 ist, multipliziert werden. Der Addiereingang ist ein invertierender Eingang, so daß der zurückgeführte Wert b ■ AP immer dann vom Eingangswert a · AK(i'o) subtrahiert wird, wenn eine Phasennachstellung stattgefunden hat. (Bei AP=O findet keine Phasennachstellung statt.) Somit wird eine erfolgte Phasennachstellung bei der Ermittlung der darauffolgenden Nachstellinformation AP berücksichtigt. Die beschriebene Akkumulation bewirkt zusammen mit der Quantisierung die gewünschte Glättung der Differenz AK, und leitet von einer Folge AK, die von einer Zufallsfolge überlagert ist, eine zuverlässige Regelgröße APab.

Da d>e Phasennachstellung, wie oben beschrieben, jeweils nur während der Dauer des Rahmenkennungsworts stattfinden, ist das mit der Phasennachstellung verbundene unerwünschte Phasenrauschen auf die Intervalle des Rahinenkennungswortes beschränkt und kann daher keine Übertragungsfehler verursachen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur empfangsseitigen Rahmensynchronisation und zur empfangsseitigen Phasensynchronisation des Abtasttaktes auf die Phasenlage des Zeichentaktes eines empfangenen Zeichenstroms, der in periodischen Zeitabständen ein Rahmenkennungswort enthält, mit einem digitalen Korrelator zur Bildung einer Kreuzkorrelationsfunktion aus dem empfangenen mit dem Abtasttakt abgetasteten Zeichenstrom und dem empfangsseitig gespeicherten Rahmenkennungswort und mit einer Rahmenerkennungsschaltung zur Ermittlung des Rahmentaktes durch Bestimmung der im Abstand der Rahmenperiode wiederkehrenden Maxima der Kreuzkorrelationsfunktion, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasensynchronisationsschaltung (4, 6, 7, 8 9) vorhanden ist die aufgrund von Werten /STrfh+l) und K(in—1)). welche die Kreuzkorreiationsfunktion jeweils in der Umgebung des erkannten wiederkehrenden Maximums (K(i'o)) hat, eine Steuerinformation (AP) zur Nachstellung der Phase des Abtasttaktes ableitet und diese Phase damit nachstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Phasensynchronisationsschaltung die Differenz (AK(i₀)) zwischen dem Wert (K(i₀—1)), der dem erkannten wiederkehrenden Maximum (K(I₀)) vorausgeht, und dem Wert (K(i_o + \)), der auf das erkannte wiederkehrende Maximum folgt, bildet und aus diesen Differt,nzweru;n [AK), die in Abständen einer Rahmenperiode aufeinanderfolgen, die Steuerinformation [AP) zur N- :hstellung der Phase des Abtasttaktes ableitet.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung der Steuerinformation (AP) ein Glättungsakkumulator (6) vorhanden ist, der die aufeinanderfolgenden Differenzwerte (AK) akkumuliert (12,13,14) und den akkumulierten Wert (F) quantisiert, derart, daß in Abständen einer Rahmenperiode die durch den akkumulierten Wert (F) überschrittene ganze Zahl (Fq) als Steuerinformation (AP) verwendet wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Glättungsakkumulator (Fig. 3) die am Eingang erscheinenden Differenzwerte (AK) vor ihrer Akkumulation mit einem Faktor (a), der kleiner als eins ist, multipliziert werden, daß die jeweils zurückgeführten akkumulierten Werte (F) mit einem Faktor (1—2~") multipliziert werden, und daß die bei der Quantisierung (15) ermittelten ganzen Zahlen, einschließlich der Zahl Null, die im Rahmentakt aufeinanderfolgen, mit einem Faktor (b), der kleiner als eins ist, multipliziert und vom jeweils eine Rahmentaktperiode später anstehenden multiplizierten Differenzwert (a ■ ^/^subtrahiert werden.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine von der Steuerinformation (AP) gesteuerte Phasennachstellschaltung (7, 9) aufweist, welche die-Phasenlage entsprechend "dem •Vorzeichen der Steuerinformation um eine deren ganzzahligen Wert entsprechende Zahl von Phasenschritten vor- oder zurückstellt.

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach dem Obergriif des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Einrichtung ist bekannt aus IEEE-Transactions, Band COM-16 4. August 1968, S. 597 bis 605. Der Rahmentakt wird dort aufgrund des Rahmenkennungswortes (Unique Word) durch digitale Korrelation ermittelt, wogegen der Bittakt aufgrund eines zusätzlichen, dem Rahmenkennungswort vorangestellten Bitmusters auf irgend eine nicht beschriebene Weise ermittelt wird.

Aus der DE-OS 27 29 312 ist eine Synchronisationseinrichtung eines Empfängers eines mit Phasentastmodulation arbeitenden digitalen Signalübertragungssystems bekannt, bei dem das phasentastmodulierte Empfangssignal mit einem Abtasttakt abgetastet wird, dessen Frequenz ein Vielfaches der Signalfolgefrequenz, d.h. der Frequenz sogenannter Signalzeitpunkte, beträgt Diese Einrichtung leitet aufgrund von Abtastwerten, welche ein periodisch auftretender Parameter des Empfangssignals in der Umgebung von zuvor roh bestimmten Signalzeitpunkten hat, eine Steuerinformation zur Nachstellung der Phase des Abtasttaktes ab und stellt diese Phase damit nach. Eine digitale Korrelation des unmodulierten empfangenen Zeichenstroms mit einem Rahmenkennungswort und eine Rahmensynchronisation wie bei der an erster Stelle genannten Einrichtung findet hierbei nicht statt

Die an erster Stelle genannte bekannte Einrichtung dient für Satelliten-Nachrichtenübertragungssysteme mit Zeitmultiplex-Vielfachzugriff. Aber auch bei leitungsgebundenen Zeitmultiplex-Übertragiingssystemen, beispielsweise bei Zweidraht-Vollduplex-Übertragungssystemen über die Fernsprech-Teilnehmeranschlußleitung. stellt sich empfangsseitig das Problem, den Rahmentakt sowie die Phase des Abtasttaktes auf die empfangenen digitalen Zeichen zu synchronisieren. Dies ist besonders schwierig, wenn die empfangenen digitalen Zeichen stark verzerrt si^p.d und erst nach Ermittlung der geeigneten Taktphase des Abtasttaktes entzerrt werden können.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der an erster Stelle genannten Art anzugeben, die auch für einen Empfangs-Zeichenstrom mit starker Verzerrung geeignet ist.

Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegeben gelöst Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Grundprinzip der Erfindung anhand einer vereinfachten Folge von Werten der Kreuzkorrelationsfunktion

a) im nicht phasensynchronen Zustand des Abtasttaktes

b) im phasensynchronen Zustand des Abtasttaktes,
F i g. 2 eine Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung, und

F i g. 3 eine Ausführungsform des in F i g. 2 gezeigten Glättungsakkumulators.

Die neue Synchronisationseinrichtung empfängt an

/_r ihrem Eingang die:Abtästwerte des empfangenen, beispielsweise aus ternären Zeichen bestehenden, Zeichenstroms, wobei jedes der ternären Zeichen einmal abgetastet wird. Die im Abtasttakt aufeinanderfolgenden Abtastwerte X(i) werden nun in einem digitalen Korrelator mit einem empfangsseitig gespeicherten Rahmenkennungswort, das beispielsweise aus 12 binären Zeichen besteht korreliert so daß im Abtasttakt aufeinan-