DE3937055A1 - Takt-phasendetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung des Symboltaktes in einem QAM-Übertragungssystem mit m² Modulationszuständen gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 bzw. eine Schaltungsanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß Oberbegriff Patentanspruch 4.

Bei der Quadratur-Amplitudenmodulation, kurz QAM genannt, werden eine bestimmte Anzahl von Modulationszuständen vereinbart, denen jeweils ein bestimmter Wert für die Amplitude bzw. die Phase eines Trägersignals zugeordnet werden. In der Regel ist das Modulationsschema quadratisch, das heißt die Wurzel aus der Anzahl der möglichen Modulationszustände ist eine ganze Zahl, die mit m bezeichnet wird. Die Übertragungseinrichtungen enthalten auf ihrer Empfangsseite einen geregelten Lokaloszillator, mit dem das empfangene QAM-Signal in seine beiden Komponenten, das Inphase- und das Quadraturphase-Signal aufgespalten wird. Diese beiden Komponenten, welche sich bei Betrachtung auf dem Oszilloskop als m-stufiges sogenanntes Augensignal darstellen, werden mit einer Anzahl von m-1 Bezugspotentialen in einer Entscheiderstufe vergleichen und dadurch wertmäßig regeneriert.

Da der Übergang zwischen den Modulationszuständen wegen der endlichen Übertragungsbandbreite stetig sein muß, werden die Zustände nur für einen kleinen Teil der Übertragungszeit, nämlich für den mittleren Teil des Auges, hinreichend genau angenommen. Daher ist es unerläßlich, auch eine exakte zeitliche Regenerierung der Quadratursignale vorzunehmen, damit anschließend gemäß der gewählten Kodierungsvorschrift wieder das binäre Datensignal bestimmt werden kann. Diese zeitliche Regenerierung erreicht man durch eine Abtastung mit dem Symboltakt, der im Sender für die Weiterschaltung zwischen den Modulationszuständen maßgebend ist. Da der Symboltakt aber nicht direkt übertragen wird, sondern lediglich bei Modulationszustandswechsel als Information im Empfangssignal vorliegt, muß er im Empfänger mit Hilfe eines Phasenregelkreises aus den Komponenten des Quadratursignals abgeleitet werden.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, für einen solchen Phasenregelkreis ein Verfahren bzw. einen Phasendetektor anzugeben, die den abzuleitenden Symboltakt in seiner Phase möglichst genau auf die in den beiden Quadratursignalen auftretenden Augenöffnungen abzustimmen vermögen.

Diese Aufgabe wurde gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrens nach Anspruch 1 bzw. der Schaltungsanordnung nach Anspruch 4.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Unteransprüche.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß gegenüber vorbekannten Verfahren bzw. Anordnungen die beim Empfangen eines linear verzerrten Signals erforderliche Phasengenauigkeit besser eingehalten werden kann. Dies wird erreicht, indem die Flanken des Augensignals nur in der Nähe des Abtastzeitpunktes ausgewertet werden. D. h. es wird ein Fenster gebildet, dessen Breite ungefähr der doppelten Augenöffnung entspricht, und nur die Modulationszustandswechsel, die in dieses Fenster fallen, ausgewertet. Dadurch ergibt sich eine Phasendetektorkennlinie mit einem kurzen Sägezahn etwa von der Breite des Fensters, während in dem relativ langen Zeitbereich zwischen den Fenstern die Kennlinie auf Null bleibt. Diese neuartige Phasendetektorkennlinie ist in Fig. 4 aufgetragen, während die Fig. 2 die üblicherweise benutzte Phasendetektorkennlinie zeigt, welche einen Sägezahn über die ganze Breite von Auge zu Auge aufweist.

Eine ähnliche Wirkung wird erzielt, wenn anstelle des Fensters und der Auswertung nur der in dieses Fenster fallenden Wechsel zwischen Modulationszuständen sämtliche Wechsel zwischen den Modulationszuständen zwischen zwei Augenöffnungen ausgewertet werden, aber mit unterschiedlicher Gewichtung derart, daß alle Übergänge die weit ab vom Auge liegen, weniger stark bewertet werden und daß die Übergänge je näher sie zum Auge liegen um so stärker bewertet werden. Damit ist leicht einsehbar, daß der Umschaltzeitpunkt wesentlich genauer bestimmt werden kann, abgesehen davon, daß die Mittelung eines Zeitabschnittes um so genauer ist, je kleiner dieser Zeitabschnitt bemessen wird, während vorbekannte Verfahren die Mittelung eines Zeitabschnitts von der ganzen Länge zwischen zwei Augenöffnungen berechneten und dann die Mitte zwischen diesen beiden Übergangsmitten als Umschlagzeitpunkt errechneten. Zum folgenden sei die Erfindung näher beschrieben anhand der Figuren. Die Fig. 1 zeigt einen Phasendetektor der üblichen Anordnung und mit einer Kennlinie nach Fig. 2. In Fig. 3 schließlich ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wiedergegeben, sie zeigt eine Phasendetektorkennlinie gemäß Fig. 4.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele für Detailbausteine der erfindungsgemäßen Phasendetektoranordnung.

Die Fig. 1 zeigt eine übliche Schaltungsanordnung eines Phasendetektors, bei dem das Eingangsaugensignal 28 mittels eines Komparators 29 mit einem Bezugspotential verglichen wird, welches dem Gleichspannungsmittelwert des Augensignales entspricht. Am Ausgang des Komparators 29 ergibt sich somit das sogenannte digitalisierte Wechselsignal 6, das in einer nachgeschalteten Pufferstufe 30 zusätzlich in invertierte Form 31 gebracht wird. Die Funktion des Phasendetektors ergibt sich durch Vergleich des abgetasteten Wechselsignals 32a, 32b mit dem nichtabgetasteten 30a, 31. Die Abtastung erfolgt mit dem Symboltakt 1, dem Ausgangssignals des lokalen Steuergenerators 36, und zwar im Flipflop 32. Der Vergleich schließt also jeweils auch die inversen Pegel mit ein. Findet zwischen zwei Abtastungen eine Änderung des Wechselsignals 6 statt, so nimmt der Ausgangspegel sowohl eines der beiden den Vergleich durchführenden ODER-Gatter 33 als auch des nachfolgenden UND- Gatters 34, das den Ausgang des ODER-Gatters 33 und 33a verknüpft, den Wert Null an. Mit Beginn der nächsten Abtastung im Flipflop 32 werden diese Pegel wieder zu Eins.

Die Ausgangsspannung 35 des UND-Glieders 34 wird zeitlich gemittelt beispielsweise über RC-Glieder, und sie ist dann umso kleiner, je früher die Flanken des Wechselsignals 6 im Mittel auf die vorangehende Abtastflanke des Symboltaktes 1 folgen.

Die Fig. 2 zeigt die zugehörige Phasendetektorkennlinie 37, welche den üblichen sägezahnförmigen Verlauf über die ganze Breite zwischen zwei Augenöffnungen besitzt, zusammen mit dem Symboltakt 1 und einem Augensignal 28 für m=4.

Die Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Der aus dem lokalen Taktgenerator G 36 erzeugte Symboltakt 1 triggert periodisch eine monostabile Kippstufe 2, die im Ausführungsbeispiel ihrerseits aus der Steuerstufe 3 und der nachgeschalteten Laufzeitkette 4 besteht.

Die Steuerstufe 3 spreche beispielsweise auf positive Flanken an ihrem Takteingang an und werde durch einen logischen Pegel 1 an ihrem Rückstellungseingang R zurückgesetzt; die Steuerstufe kann beispielsweise durch ein D-Flipflop gebildet werden. Die Laufzeitkette 4 bestehe beispielsweise aus der Reihenschaltung einer Anzahl n nichtinvertierender Gatter, wobei die Ausgänge der n Gatter als Signal 44 herausgeführt sind. Wird die Steuerstufe 3 durch eine passende Flanke des Oszillatorsignals 1 getriggert, so nehmen die einzelnen Glieder der Laufzeitkette nacheinander den Pegel binär 1 an. Wenn auch das hintere Gatter diesen Pegel erreicht hat, so wird die Steuerstufe augenblicklich zurückgesetzt, mit der Folge, daß nunmehr die einzelnen Glieder der Laufzeitkette nacheinander wieder den Pegel binär Null annehmen, siehe auch Fig. 3a. Dieser Zustand ist stabil bis zum Eintreffen der nächsten positiven Flanke des Symboltaktes. Weiterhin sind Vergleichseinrichtungen 7 und 27 sowie Entscheiderstufen 10 und 11 vorgesehen. Ein Schalter 45 führt den Entscheiderstufen 10, 11 entweder in Stellung a den Symboltakt 1 zu oder in Stellung b das Ausgangssignal 5 der monostabilen Kippstufe 2. Die Stellung a des Schalters 45 wird benutzt in Verbindung mit Vergleichseinrichtungen 7, 27 nach Fig. 5 und die Stellung b für Vergleichseinrichtungen 7, 27 nach Fig. 6. Der Ausgang der Entscheiderstufen bestimmt die Verteilung der erzeugten Impulse 8 bzw. 9 an den Ausgang voreilend 14 bzw. Ausgang nacheilend 15 des Phasendetektors, wozu je eine Gatterschaltung 38 und 39 benutzt wird. Die Bezeichnung voreilend bzw. nacheilend bezieht sich dabei auf die positive Symboltaktflanke bzw. auf die positive Flanke des abgeleiteten Rechteck-Impulses (5).

Das zur Ansteuerung der Vergleichseinrichtung 7 bzw. 27 benötigte Wechselsignal 6 läßt sich im allgemeinen Fall wie folgt ableiten. Jedes der beiden Quadratursignale (Augensignale) wird durch Vergleich mit m-1 Bezugspotentialen in jeweils m-1 wertdiskrete Teilsignale umgesetzt, welche durch die Lage ihrer Signalflanken die Information enthalten, welche zum Nachführen des Symboltaktes 1 benutzt werden kann. Aus diesen insgesamt zwei mal m-1 Teilsignalen werden nun eins oder mehrere von einem oder beiden Quadraturzweigen ausgewählt und durch modulo 2 Addition verknüpft.

In vielen Fällen ist es dabei oft schon ausreichend, nur eines dieser Teilsignale zu verwenden, wobei dann auch keine modulo 2 Addition erforderlich ist. Da die das QAM-System kennzeichnende Zahl m in der Regel gerade ist, wählt man häufig dasjenige Teilsignal von einem der beiden Zweige aus, welches durch Vergleich mit der mittleren Bezugsamplitude gewonnen wurde, d. h., die Ableitung des Wechselsignals kann hier ebenso erfolgen wie bei der vorbekannten Lösung nach Fig. 1.

Eine Hinzunahme weiterer Teilsignale bringt allerdings den Vorteil einer höheren Steilheit der Phasendetektor-Kennlinie gemäß Fig. 4.

Die Fig. 3a bzw. 3b zeigen wesentliche Signale der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 3 in Verbindung mit Vergleichseinrichtungen nach Fig. 5 bzw. 6. Die dargestellte Zeit τ entspricht der Laufzeit der Laufzeitkette 4. Der Fall A bedeutet jeweils die zeitliche Grenze für die Entscheider 10, 11 zwischen voreilend V und nacheilend N, wobei gleichzeitig der Betrag der Spannung am Ausgang 14, 15 des Phasendetektors maximal wird.

Der Fall B bedeutet jeweils ein Voreilen und der Fall C jeweils ein Nacheilen des Signals 42 in Bezug auf die ansteigende Flanke des Signals 1 bzw. Signals 5.

Die Fig. 4 zeigt die Kennlinie 40 des Phasendetektors gemäß Schaltungsanordnung nach Fig. 3; die Ausgangsspannung weist für einen längeren Bereich zwischen den Augenöffnungen den Wert Null auf und steigt dann in der Nähe der Augenöffnungen steil an.

In Fig. 5 ist die Ausführung einer Vergleichseinrichtung 7 bzw. 27 gezeichnet. Die Vergleichseinrichtung enthält unter anderem eine monostabile Kippstufe 16, welche in ihrem Aufbau und in ihren Eigenschaften der Kippstufe 2 gemäß Fig. 3 gleich ist. Ihre Ausgangsimpulse werden mit dem in der Kippstufe 2 erzeugten Impuls 5 verglichen mittels einer UND- Verknüpfung 41. Am Ausgang dieses Gatters steht daher solange ein Pegel binär 1 an, wie sich seine beiden Eingangsimpulse zeitlich überlappen. Die Länge der in einer Vergleichseinrichtung erzeugten Impulse 8 und 9 hängt somit von der zeitlichen Übereinstimmung der Flanken des Wechselsignals mit den positiven Flanken des Symboltaktes 1 ab; ihre Amplitude ist konstant entsprechend dem Pegel der verwendeten Logikfamilie. Die Aufschaltung eines Sperrensignals 43 auf den Rücksetzeingang der Steuerstufe 17 verhindert ihre Beeinflussung für den Fall, daß die Flanken des Wechselsignals zu weit entfernt von der positiven Flanke des erzeugten Symboltaktes 1 liegen. Verzichtet man auf die Verwendung eines Sperrensignals, so ist es in den Fig. 5 und 6 durch einen Null-Pegel zu ersetzten.

Die Fig. 6 zeigt die Ausführung einer Vergleichseinrichtung 7; diese Ausführung ist zwar technisch aufwendiger als eine solche nach Fig. 5, bietet aber den Vorteil, durch passende Beschaltung des Digital-Analog-Umsetzers 24 bei Bedarf den Verlauf der Kennlinie nach Fig. 4 beeinflussen zu können.

Darüberhinaus ist die erzielbare Steilheit der Phasendetektorkennlinie größer. Der Digital-Analog-Umsetzer besteht im einfachsten Fall aus einer Anordnung gleich großer Widerstände, wie dargestellt. Das parallele Schieberegister 22 wird von einem Ausgang 42 der Pufferstufe 30 getaktet. Seine Dateneingänge liegen an n Abgriffen 44 der Laufzeitkette 4 an.

Bei jeder Datenübernahme wird in ihm daher der augenblickliche Zustand der Laufzeitkette abgespeichert, so daß anschließend die n parallelen Zellen des Schieberegisters umso mehr Einsen enthalten, je mehr die jeweilige Flanke des Wechselsignals 6 mit der positiven Flanke des Signals 5 zusammentraf. Die ebenfalls mögliche Aufschaltung eines Sperrensignals 43 auf den Takteingang des Schieberegisters 22 verhindert auch hier seine Beeinflussung für den Fall, daß die Flanken des Wechselsignals 6 zu weit entfernt von der positiven Flanke des erzeugten Symboltaktes 1 liegen.

Die Länge der in einer Vergleichseinrichtung erzeugten Impulse 8 und 9 hängt von der statistischen Abfolge der Flanken des Wechselsignals 6 ab, ihre Amplitude wird dagegen von der zeitlichen Übereinstimmung mit den positiven Flanken des Signals 5 bestimmt. Weil bei Verwendung einer Vergleichseinrichtung nach Fig. 6 die Signale 8 und 9 analog sind, so müssen dann in der Fig. 3 die UND-Gatter der Schaltungen 38 und 39 ersetzt werden durch geeignete analoge Torschaltungen z. B. Multiplizierer.

Claims (9)

1. Verfahren zur Rückgewinnung des Symboltaktes in einem QAM-Ubertragungssystem mit m² Modulationszuständen, wobei die aus den Augensignalen durch Vergleich mit m-1 Bezugspotentialen gewonnenen regenerierten Quadratursignale bezüglich ihrer zeitlichen Lage zu den Signalflanken eines in seiner Frequenz steuerbaren Symboltaktoszillators ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Augenmitte gesucht wird, indem eine erste Anzahl Übergänge, welche die linke Augenbegrenzung bilden bzw. in deren Nähe liegen, und eine zweite Anzahl von Übergängen, welche die rechte Begrenzung des Auges bilden bzw. in deren Nähe liegen, festgestellt werden, daß über die gesamte Anzahl dieser Übergänge zeitlich gemittelt wird und daß auf die so festgestellte zeitliche Mitte als neuer Abtastzeitpunkt eingeregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleines Fenster mit der Breite von weniger als der halben Taktperiodendauer um das Auge gelegt wird und daß alle Übergänge zwischen den m² Modulationszuständen, die in dieses Fenster fallen, erfaßt werden und die Gesamtanzahl der Übergänge bilden, die zeitlich gemittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Übergänge, die weitab vom Auge liegen, weniger stark bewertet werden und daß die Übergänge, je näher sie an der Augenöffnung liegen, umso stärker bewertet werden.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positiven Flanken des Symboltaktes (1) ein monostabiles Kippglied (2) zur Erzeugung eines einzelnen rechteckförmigen Impulses (5) mit der Dauer von weniger als der halben Periode des Symboltaktes triggert,
daß die positiven und negativen Flanken eines aus dem regenerierten Quadratursignal abgeleiteten Wechselsignals (6) bezüglich ihrer zeitlichen Lage mit dem rechteckformigen Impuls (5) in einer Vergleichseinrichtung (7) bzw. (27) verglichen werden,
daß durch diesen Vergleich ein Spannungsimpuls (8) bzw. (9) erzeugt wird, dessen Fläche umso größer ist, je zeitlich enger die Flanken des Wechselsignals (6) mit den positiven Flanken des Symboltaktes (1) bzw. des von ihm abgeleiteten rechteckförmigen Impulses (5) zusammentreffen,
daß Entscheiderstufen (10) bzw. (11) vorhanden sind, welche entscheiden, ob die positiven bzw. negativen Flanken des Wechselsignals (6) vor oder nach der positiven Flanke des Symboltaktes (1) bzw. des von ihm abgeleiteten rechteckförmigen Impulses (5) auftreten, und
daß abhängig vom jeweiligen Ergebnis dieser Entscheidung der zugehörige Spannungsimpuls (8) bzw. (9) auf einen Steuereingang (14), der den steuerbaren Oszillator in voreilender Richtung beeinflußt, oder auf einen Steuereingang (15), der den steuerbaren Oszillator in nacheilender Richtung beeinflußt, aufgeschaltet wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kippglied (2) aus einer Steuerstufe (3) und einer Laufzeitkette (4) besteht.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtungen (7) bzw. (27) je ein monostabiles Kippglied (16) bzw. (19) enthält, die von den positiven Flanken bzw. negativen Flanken des Wechselsignals (6) getriggert werden zur Erzeugung eines einzelnen rechteckförmigen Impulses von der Dauer von weniger als der halben Periode des Symboltaktes und
daß eine logische UND-Verknüpfung (41) vorgesehen ist, durch die die zeitliche Lage der einzelnen rechteckförmigen Impulse zu der zeitlichen Lage des von der positiven Flanke des frequenzsteuerbaren Oszillators ausgelösten einzelnen rechteckförmigen Impulses festgestellt wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden monostabilen Kippglieder (16), (19) aus einer Steuerstufe (17) und einer Laufzeitkette (lS) bestehen.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitkette (4) des monostabilen Kippgliedes (2) Anzapfungen aufweist, daß die Vergleichseinrichtungen (7), (27) parallele Schieberegister (22), (23) enthalten, die bei der positiven bzw. negativen Flanke des Wechselsignals (6) die an den Anzapfungen der Laufzeitkette (4) anstehenden binären Signale übernehmen, und daß die Ausgänge dieser Schieberegister jeweils mit dem Eingang eines Digital-Analogumsetzers (24) bzw. (25) verbunden sind.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine weitere logische Verknüpfung der am Anfang und am Ende der Laufzeitkette (4) anliegenden Signale ein Sperrensignal (43) ableitbar ist, mit dem die Abgabe eines Impulses (S), (9) am Ausgang der Vergleichseinrichtung (7), (27) unterbindbar ist.