DE3942431A1 - Frequenz- und phasendetektorschaltkreis fuer nach dem nrz-verfahren arbeitende bit-synchrone systeme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenz- und Phasendetektor­ schaltkreis für nach dem NRZ-Verfahren arbeitende Systeme, wo­ bei der Detektorschaltkreis NRZ-Daten und Ausgangssignale eines spannungsgesteuerten Oszillators (im folgenden VCO genannt) zur Wiedererzeugung eines Bit-synchronen Taktes aus den NRZ-Daten empfängt.

Das NRZ-Verfahren (NRZ = Non Return to Zero) wird beispielswei­ se bei der Datenübertragung in Netzen verwendet.

Aus dem Stand der Technik ist ein System bekannt, das zum Wie­ dersynchronisieren der Phase eines erzeugten Taktes geeignet ist, nachdem die eingangsseitigen NRZ-Daten einer nicht­ linearen Behandlung und Filterung unterzogen wurden, um aus dem Frequenzspektrum der eingangsseitigen Daten die Taktkomponente abzuleiten, die den eingangsseitigen NRZ-Daten unterlegt ist.

In neuerer Zeit wurde von Charles R. Hogge ein verbesserter Frequenz- und Phasendetektorschaltkreis innerhalb eines eine PLL (Phase Looked Loop)-Schaltung verwendenden Bit-Synchronisa­ tionssystems vorgeschlagen, welcher eine Taktsignaländerung in der Mitte eines sogenannten eye patterns der NRZ-Daten oder eines von den NRZ-Daten abgeleiteten Signals erzeugen kann. Je­ doch ist bei diesem Schaltkreis stets eine Phasendifferenz zwi­ schen den beiden Ausgangswechselsignalen des Frequenz- und Pha­ sendetektorschaltkreises vorhanden, wenn der Schaltkreis keine Verzögerungseinheit zur Verzögerung des Taktes um ein Zeitin­ tervall einer halben Periode des NRZ-Daten-Taktes enthält, so daß der VCO-Takt eine Jitter-Komponente oder eine leichte Un­ sicherheit in der Phasenlage aufweisen kann.

Bei der Verwendung einer Verzögerungseinheit in dem Schaltkreis können die obere Grenzfrequenz und die untere Grenzfrequenz in einem festgelegten Frequenzbereich unsymmetrisch werden, da es aufgrund der technischen Grenzen der Verzögerungseinheit schwierig ist, den Takt exakt um eine halbe Periode zu verzö­ gern. Der sich daraus ergebende Nachteil ist der, daß der Fang­ bereich des PLL-Schaltkreises wesentlich enger wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei den vorbeschriebenen Proble­ men Abhilfe zu schaffen, die sogenannte Jitter-Komponente zu vermindern, einen Frequenz- und Phasendetektorschaltkreis zu schaffen, der für hohe und niedrige Datenübertragungsgeschwin­ digkeiten verwendet werden kann, der mit Hilfe von standard­ mäßigen, logischen Elementen aufbaubar ist und der eine Integra­ tion unter Verwendung einfacher, logischer Elemente zuläßt.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Frequenz- und Phasendetektorschaltung für nach dem NRZ-Verfah­ ren arbeitende Bit-synchrone Systeme folgende Komponenten um­ faßt:
Eine Taktgenerator-Einrichtung zur Erzeugung eines phasenglei­ chen und eines phaseninversen Taktes, basierend auf dem Takt eines spannungsgeregelten Oszillators (VCO);
eine Einrichtung zum Synchronisieren oder zur Erzeugung eines Phasengleichlaufs zwischen den eingangsseitigen NRZ-Daten und den phasengleichen sowie den phaseninversen Taktsignalen des Taktgenerators;
einen ersten Schaltkreis zur Bildung der Phasendifferenz zwi­ schen den mit dem phasengleichen Takt synchronisierten NRZ-Da­ ten und den eingangsseitigen NRZ-Daten; und
einen zweiten Schaltkreis zur Bildung der Phasendifferenz zwi­ schen dem mit dem phaseninversen Takt des Taktgenerators syn­ chronisierten NRZ-Daten und den mit dem phasengleichen Takt des Taktgenerators synchronisierten NRZ-Daten,
wobei das Ausgangssignal des ersten Schaltkreises und das Aus­ gangssignal des zweiten Schaltkreises verglichen und die Fre­ quenz und Phase bestimmt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung weisen die Merkma­ le des Unteranspruchs 2 auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Frequenz­ und Phasendetektorschaltkreises für nach dem NRZ- Verfahren arbeitende Bit-synchrone Systeme; und

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Betriebsweise des erfindungsgemäßen Frequenz- und Phasendetektor­ schaltkreises.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm des Frequenz- und Phasendetek­ torschaltkreises für nach dem NRZ-Verfahren arbeitende Bit-syn­ chrone Systeme zur Erläuterung von dessen Betriebsweisen in Einzelheiten.

Die eingangsseitig eingespeisten NRZ-Daten werden auf ein Ex­ klusiv-ODER-Gatter U 4 a über einen Übertragungs-Verzögerungs-Kom­ pensationsschaltkreis 4, auf einen Dateneingang D des D-Flip­ flops U 2 und auf einen Dateneingang D eines D-Flipflops U 3 ge­ geben.

Der VCO-Takt wird in einen phasengleichen und einen phasenin­ versen Takt durch den Taktgenerator-Schaltkreis U 1 gesplittet. Der phasengleiche Takt zum VCO-Takt-Signal wird auf den Takt­ eingang CP des D-Flipflops U 2 gegeben und der zum VCO-Takt pha­ seninverse Takt wird auf den Takteingang CP des D-Flipflops U 3 gegeben. Die NRZ-Daten werden durch die Flipflops U 2 und U 3 mit jedem Signalwechsel des VCO-Taktes synchronisiert oder auf Pha­ sengleichlauf gebracht.

Deshalb werden an den Ausgängen Q des Flipflops U 2 und dem Aus­ gang Q des Flipflops U 3 um eine halbe Taktperiode des VCO- Taktes voreilende bzw. nacheilende synchronisierte Daten erhal­ ten.

Wenn die Ausgänge Q der Flipflops U 2 und U 3 miteinander Exklu­ siv-ODERiert werden, wird dementsprechend ein Zeitintervall- Puls (Referenz-Puls) mit einer halb so großen Periode, wie die des VCO-Taktes, am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters U 4 b erhal­ ten, und zwar jedesmal, wenn ein Signalwechsel oder eine Signaländerung bei den NRZ-Daten erfolgt.

Das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Gatters U 4 a ist davon ab­ hängig, wann eine Signaländerung des VCO-Taktes während eines Bit-Intervalls des sogenannten eye patterns der eingangsseiti­ gen NRZ-Daten (oder eines von den NRZ-Daten abgeleiteten Signals) erfolgt.

Aufgrund der Schwankungen in der Frequenz und der Phase des VCO-Taktes bezüglich der eingangs empfangenen NRZ-Daten, was aus diesem Grunde zu einer veränderlichen Pulsbreite am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters U 4 a führen kann, ist es möglich, die Frequenz und die Phase des den NRZ-Daten unterliegenden Taktes in dem NRZ-Synchronsystem mit der Frequenz und der Phase des VCO-Taktes zu vergleichen.

Insbesondere erreicht der Frequenz- und Phasendetektorschalt­ kreis eine Verminderung der Jitter-Komponente in dem VCO-Takt­ signal bzw. die Verminderung der Bedeutung der Jitter-Kompo­ nente, da der Schaltkreis die NRZ-Daten sowohl mit einem pha­ sengleichen als auch einem phaseninversen Takt bezüglich des VCO-Taktsignals synchronisiert, anstatt die NRZ-Daten mit einem phasengleichen Takt bezüglich des VCO-Taktsignals zu synchroni­ sieren und dann die synchronisierten NRZ-Daten erneut mit dem phaseninversen Takt des VCO-Taktes zu synchronisieren.

Das Ausgangswechselsignal des Frequenz- und Phasendetektor­ schaltkreises für nach dem NRZ-Verfahren arbeitende Bit-syn­ chrone Systeme in Abhängigkeit des Taktes VCO wird im folgenden unter Bezugnahme auf das Zeitdiagramm des Frequenz- und Phasen­ detektorschaltkreises in Fig. 2 beschrieben.

Im ersten Fall (1), bei dem die Frequenz oder die Phase des VCO-Taktsignals der Frequenz oder Phase des den NRZ-Daten un­ terlegten Taktes voreilt, wird eine ansteigende Signaländerung des phasengleichen Taktes bezüglich des VCO-Taktsignals vor der eigentlichen Mitte des sogenannten eye patterns der eingangs­ seitig empfangenen NRZ-Daten erfolgen, und wenn die synchroni­ sierten NRZ-Daten und die eingangsseitig empfangenen NRZ-Daten Exklusiv-ODERiert werden, erhält man im Ergebnis das Signal Vl. Da die Pulsbreite von V 1 kleiner ist als die des Referenzpulses R 1, ist es möglich, die Differenz in Frequenz und Phase zu be­ stimmen.

Der zweite Fall (2), bei dem die Frequenz oder Phase des VCO- Taktes der Frequenz oder Phase des den NRZ-Daten unterlegten Taktsignales nacheilt, wird der Signalanstieg des phasenglei­ chen Taktes bezüglich des VCO-Taktsignals später erfolgen als es der Mitte des sogenannten eye patterns der eingangsseitig empfangenen NRZ-Daten entspricht, und wenn die synchronisierten NRZ-Daten und die eingangsseitig empfangenen NRZ-Daten Exklu­ siv-ODERiert werden, wird als Ergebnis das Signal V 2 erhalten. Da die Pulsbreite des Signals V 2 breiter ist als die des Refe­ renzpulses R 2 und da keine Phasendifferenz zwischen den beiden Wechselsignalen V 2 und R 2 vorkommt (im Gegensatz zum Fall (1)), wird der Jitter des VCO-Signals in einem größeren Umfang ver­ mindert als im Fall (1).

Im dritten Fall (3), bei dem die Frequenz oder die Phase des VCO-Taktsignals und die Frequenz oder Phase des Taktsignals, das den NRZ-Daten unterlegt ist, gleich ist, wird als Ausgangs­ signal des Exklusiv-ODER-Gatters U 4 a in Fig. 1 das Signal V 32 erhalten, bei dem die Frequenz oder Phase des VCO-Taktsignals bezüglich der Frequenz oder Phase des Taktsignals, das den NRZ-Daten unterlegt ist, etwas nacheilt. Im gegensätzlichen Fall, wo die Frequenz oder Phase des VCO-Taktsignals dem den NRZ-Daten unterlegten Taktsignal etwas voreilt, wird ein Aus­ gangssignal des Exklusiv-ODER-Gatters U 4 a gemäß Signal V 31 er­ halten. Da die Wechselsignale V 31 und R 3 in Pulsbreite und -phase identisch sind, wird die Differenzfrequenz der Wechsel­ signale und Ausgänge V und R der beiden Phasendetektor­ schaltkreise 0, obwohl die Differenz nicht zeitintegriert wird.

Dementsprechend kommt keine Jitter-Komponente in dem VCO-Signal vor.

Falls die Frequenz des VCO-Taktsignals deshalb relativ zur Fre­ quenz des den eingangsseitig empfangenen NRZ-Daten unterliegen­ den Taktsignals nacheilt (tatsächlich kann es wegen technischer Probleme unmöglich sein, daß die Frequenz des VCO-Taktes die­ selbe ist wie die des den NRZ-Daten unterlegten Taktsignales), kann deshalb die Jitter-Komponente des VCO-Taktsignales auf­ grund des Frequenz- und Phasendetektorschaltkreises zumindest in ihrer Bedeutung vermindert werden.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Bestimmung der Frequenz und der Phase der NRZ-Daten unter Verwendung von ein­ fachen, logischen Schaltelementen, wie zuvor beschrieben, und ersetzt die bisher üblichen Frequenz- und Phasendetektorschalt­ kreise und erzielt damit die folgenden spezifischen Vorteile:

Zunächst läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Schaltkreis eine beachtliche Verminderung der Jitter-Komponente in dem VCO-Takt­ signal erreichen, verglichen mit dem Fall, bei dem herkömmliche Frequenz- und Phasendetektorschaltkreise in nach dem NRZ-Ver­ fahren arbeitenden Bit-synchronen Systemen verwendet werden.

Desweiteren läßt sich der erfindungsgemäße Schaltkreis sowohl bei niederen Übertragungsgeschwindigkeiten als auch bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten verwenden, da er aus allgemein verwendbaren oder standardmäßigen logischen Bausteinen aufge­ baut ist.

Zum dritten ist es möglich, den Schaltkreis als integrierten Schaltkreis herzustellen, da er aus einfachen logischen Elemen­ ten aufgebaut ist.

Claims (2)

1. Frequenz- und Phasendetektorschaltkreis für ein nach dem NRZ-Verfahren arbeitendes Bit-synchrones System, wobei der Schaltkreis folgende Komponenten umfaßt:

• - einen Taktgenerator zur Erzeugung eines phasengleichen und eines phaseninversen Taktes, abgeleitet von einem Taktsignal eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO);
• - eine Synchronisiereinrichtung um eingangsseitig empfange­ ne NRZ-Daten mit den phasengleichen und phaseninversen Takten des Taktgenerators zu synchronisieren;
• - einen ersten Schaltkreis zur Bildung der Phasendifferenz zwischen den mit dem phasengleichen Takt synchronisierten NRZ-Daten und den eingangsseitig empfangenen NRZ-Daten; und
• - einen zweiten Schaltkreis zur Bildung der Phasendifferenz zwischen den mit dem phaseninversen Takt des Phasengene­ rators synchronisierten NRZ-Daten und den mit dem phasen­ gleichen Takt des Taktgenerators synchronisierten NRZ-Da­ ten, wobei die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Schaltkreises zur Bildung einer Phasendifferenz miteinan­ der verglichen und die Frequenz und die Phase dann be­ stimmt werden.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisiereinrichtung ein erstes und ein zweites D-Flipflop umfaßt, daß der phasengleiche Takt des Taktgene­ rators auf einen Takteingang CP des ersten D-Flipflops und die eingangsseitig empfangenen NRZ-Daten auf den D-Eingang des ersten D-Flipflops gegeben werden, daß der phaseninver­ se Takt des Taktgenerators auf den Takteingang CP des zwei­ ten D-Flipflops und die eingangsseitig empfangenen NRZ-Dat­ en auf den D-Eingang des zweiten D-Flipflops gegeben wer­ den, daß die erste und die zweite Phasendifferenz einen ersten bzw. einen zweiten Exklusiv-ODER-Logik-Schaltkreis umfassen, wobei das Ausgangssignal Q des ersten D-Flipflops und die eingangsseitig empfangenen NRZ-Daten auf den ersten Exklusiv-ODER-Logik-Schaltkreis gegeben werden und wobei das Ausgangssignal des ersten D-Flipflops und ein Ausgangs­ signal des zweiten D-Flipflops auf den zweiten Exklusiv- ODER-Logik-Schaltkreis gegeben werden.