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Sachgebiet
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf das Sachgebiet der Telekommunikation
und insbesondere auf den Transport von Nutzlastsignalen über ein
digitales Übertragungssystem.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen plesiochronen
Demultiplexer und ein zugehöriges
Verfahren zum Demultiplexen eines plesiochronen Nutzlastsignals
aus einem Multiplex-Übertragungssignal.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
heute üblichen Übertragungssysteme basieren
grundsätzlich
auf der Zeitbereichs-Multiplextechnik. Dabei wird aus mehreren Zubringersignalen
(Tributary Signals) durch Verschachtelung (Interleaving) ein Multiplex-Übertragungssignal gebildet, das
anschließend über das Übertragungssystem übertragen
wird. Allerdings leiten die Zubringersignale ihr Timing nicht unbedingt
aus derselben Referenztaktsignalquelle ab und können sich zudem mit unterschiedlichen
Laufzeiten ausbreiten. Damit sie verschachtelt werden können, müssen ihre
Bitraten also auf eine gemeinsame Rate gebracht werden. Dieser Vorgang
wird als Synchronisation bezeichnet. Für die Synchronisation sind
unterschiedliche Techniken bekannt, von denen die wichtigste die
Bit- oder Byte-Ausrichtung ist. Dabei werden, falls nötig, zusätzliche
Stopfbits oder -bytes in die Zubringersignale eingefügt (Stuffing)
oder aus ihnen entfernt (Destuffing), um ihre jeweiligen Datenraten
aufeinander abzugleichen.
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Ein
wichtiges Übertragungssystem
ist als SDH (Synchrone Digitale Hierarchie) bekannt und basiert
auf einem Frame-Format
und einer Multiplex-Hierarchie, die in ITU-T G.707 (2000) definiert sind.
Der elementare Transport-Frame in der SDH wird als STM-N bezeichnet
(Synchrones Transportmodul, N = 1, 4, 16, 64, 256), in welchem die
Zubringersignale befördert
werden. Zur Bildung des Frames werden die Zubringersignale zunächst durch Einbetten
von positiven, Null- oder negativen Stopfbits in einen sogenannten
Container (C-N, N = 4, 3, 2, 12 oder 11) eingeordnet. Auf diese
Weise werden sie auf eine gemeinsame Datenrate gebracht. Zusammen
mit einigen Pfad-Overheaddaten
werden sie als virtuelle Container VC-N bezeichnet. Die virtuellen
Container niedrigerer Ordnung (VC-3, 2, 12, 11) werden in einen virtuellen
Container höherer
Ordnung (VC-4) gemultiplext, der anschließend in einen STM-1-Frame eingeordnet
wird.
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Allerdings
können
virtuelle Container, die von unterschiedlichen Punkten in einem
Netz eintreffen, noch immer geringfügig unterschiedliche Datenraten
und Phasenlagen aufweisen. Um diese Phasen- und Frequenzdifferenzen
auszugleichen, adressieren Zeiger die virtuellen Container innerhalb
ihrer Struktur höherer
Ordnung. Insbesondere adressiert ein Zeiger erster Ordnung, der
als AU-Zeiger (mit AU für
engl. "Administrative
Unit") bezeichnet
wird, den VC-4 innerhalb des STM-1, während TU-Zeiger (mit TU für engl. "Tributary Unit") die VCs innerhalb
des VC-4 adressieren. Jeder Zeiger gibt als Bytezahl den Phasenversatz
zwischen der ersten möglichen
Byteposition und dem tatsächlichen
Beginn des VCs an. Zum Ausgleichen von Frequenzdifferenzen können Stopfbytes
(entweder drei für
den VC-4 oder eines für VCs
niedrigerer Ordnung) eingefügt
werden, wodurch der Zeiger entsprechend um +1 beziehungsweise –1 angeglichen
wird. Dieser Vorgang wird als Zeiger-Ausrichtungsereignis bezeichnet
und bewirkt im Prinzip dasselbe wie die Ausrichtung über positive,
Null- oder negative Stopfbytes. Die Ausrichtung kann auf jeder beliebigen
VC-Ebene erfolgen.
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Ein
anderes Übertragungssystem,
das in letzter Zeit entwickelt wurde, wird als OTN (Optisches Transportnetzwerk)
bezeichnet und basiert auf einem Frame-Format und einer Multiplex-Hierarchie,
die in ITU-T G.709 (2001) definiert sind. Das Multiplexen von Zubringersignalen
basiert ebenfalls auf einer Bit- und Byte-Ausrichtung.
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Allerdings
müssen
am entfernten Ende einer Übertragungsleitung
oder eines Übertragungspfades das
Zubringersignal aus der Transportrahmenstruktur extrahiert und die
ursprüngliche
Datenrate zurückgewonnen
werden. Die Rückgewinnung
der ursprünglichen
Datenrate ist (im Gegensatz zu asynchronen oder paketorientierten Übertragungssystemen)
ein zentrales Problem in allen synchronen oder plesiochronen Übertragungssystemen,
da diese Arten von Übertragungssystemen
die Forderung erfüllen
müssen,
daß die
Datenrate eines Zubringersignals nicht beeinträchtigt werden darf.
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Extraktion
und Rückgewinnung
des Zubringersignals mit seiner ursprünglichen Datenrate erfolgen
grundsätzlich
durch Entfernen aller Stopfbits oder -bytes, Schreiben des Signals
in einen Pufferspeicher und Auslesen des Zubringersignals aus dem
Pufferspeicher mit der Taktrate eines Lokaloszillators. Um einen Über- oder
Unterlauf des Puffers zu vermeiden, wird die Frequenz des Lokaloszillators
so geregelt, daß sie
höher ist,
wenn das Puffer zu voll ist, und umgekehrt niedriger ist, wenn das
Puffer zu leer ist. Die Komponente, die diese Extraktion und Rückgewinnung
ausführt,
bezeichnet man als Desynchronisierer (Desynchronizer) und den zugehörigen Vorgang
als Desynchronisation.
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Ein
elementarer Desynchronisierer, der nach diesem Prinzip arbeitet,
ist bekannt aus der Veröffentlichung
von R. Urbansky, "Simulation
Results and Field Trial Experience of Justification Jitter", 6th World Telecommunication
Forum, Teil 2, Technisches Symposium "Integration, Interoperation and Interconnection:
The Way to Global Services",
vom 10. bis zum 15. Oktober 1991 in Genf (Schweiz), International
Telecommunication Union, 1991, S. 45–49, Band 3 von 3, auf die
im folgenden Bezug genommen wird.
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Allerdings
bewirken Ausrichtungsereignisse, die in den Multiplexsignalen enthalten
sind, daß der Lokaloszillator
seine Frequenz verringert oder erhöht, was im zurückgewonnenen
Zubringersignal hoch- und niederfrequente Phasenschwankungen verursachen
kann, die als Jitter beziehungsweise Wander bezeichnet werden. Eine
andere konkrete Quelle für
niederfrequente Jitter- und Wander-Effekte ist die Oszillatorfrequenzregelung
als solche, die darauf basiert, den Füllstand des Pufferspeichers
zu messen oder auch die Timingphasen für die Lese- und Schreibvorgänge zu vergleichen.
Da die Datenbytes des Zubringersignals nicht gleichmäßig über das
Multiplexsignal verteilt sind, treten im Taktsignal des Zubringer-Datenstromes
Lücken
auf, die auf Overhead- oder FEC-Bytes
(mit FEC für "Forward Error Correction") zurückzuführen sind,
deren Übernahme
in den Pufferspeicher jeweils blockiert wird. Diese Lücken wirken
sich nachteilig auf den Vergleich zwischen der Lese- und Schreib-Timingrate
des Pufferspeichers aus und rufen folglich niederfrequente Jitter-
und Wander-Effekte
hervor. Jitter und Wander aber stellen eine Beeinträchtigung
des ursprünglichen
Zubringersignals dar und müssen
deshalb vermieden oder auf ein akzeptables Minimum reduziert werden.
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Es
gibt eine Reihe von Vorschlägen
zur Implementierung eines Desynchronisierers, der die im zurückgewonnenen
Zubringersignal erzeugten Jitter- und Wander-Effekte reduziert.
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In
US 6,188,685 wird ein Verfahren
beschrieben, bei dem zunächst
das Multiplexsignal so restrukturiert wird, daß sich der Overhead-Anteil
gleichmäßig über den
Frame verteilt, und anschließend
die Zubringersignale extrahiert und desynchronisiert werden. Auf
diese Weise werden größere Lücken im Nutzlasttakt
des Multiplexsignals vermieden, was den Phasenvergleich, der die
Basis für
die Frequenzregelung des Lokaloszillators bildet, genauer macht.
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In
US 5,781,597 wird ein Desynchronisierer beschrieben,
der Frame-Bytes und nicht nur Nutzlastbytes zählt und vergleicht. Ausrichtungsereignisse,
die im Multiplexsignal stattfinden, werden durch einen zusätzlichen
Korrekturparameter berücksichtigt,
der als Leak-Faktor bezeichnet wird. Hierdurch werden die Lücken im
Nutzlast-Schreibtaktsignal vermieden, die den Oszillator-Regelungsvorgang
beeinträchtigen.
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In
WO 93/12600 wird ein Desynchronisierer der oben dargestellten Art
beschrieben, bei dem der lokale Taktoszillator synchron mit der
Multiframe-Rate des virtuellen Containers abgestimmt wird, der das zurückzugewinnende
Zubringersignal enthält.
In
US 5,131,013 wird
ein ähnliches
Konzept beschrieben, bei dem der lokale Taktoszillator synchron
mit dem Frame-Takt des virtuellen Containers abgestimmt wird, der
das zu extrahierende Zubringersignal enthält.
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Gleichwohl
sind die bekannten Techniken zur Desynchronisation entweder nicht
zufriedenstellend oder zu komplex. Daher besteht ein Ziel der vorliegenden
Erfindung darin, einen anderen Desynchronisierer und ein zugehöriges Desynchronisationsverfahren
zur Verfügung
zu stellen, das bei geringem technischem Aufwand nur wenig Jitter-
und Wander-Effekte
verursacht.
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Zusammenfassende
Beschreibung der Erfindung
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Dieses
Ziel und weitere Ziele, die im folgenden aufgeführt sind, werden mit einem
Verfahren zum Extrahieren und Desynchronisieren eines Zubringersignals
aus einem Multiplexsignal erreicht, bei welchem die Bits oder Bytes
des Zubringersignals aus dem Multiplexsignal in einen Pufferspeicher
geschrieben und mit der Timingrate eines Lokaloszillators wieder
ausgelesen werden. Die Frequenz des Oszillators wird so geregelt,
daß ein Über- oder
Unterlauf des Pufferspeichers verhindert wird, indem die Zahl der
aus dem Puffer gelesenen oder in den Puffer geschriebenen Bits und
Bytes synchron mit dem Frame des Multiplexsignals verglichen wird.
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Der
erfindungsgemäße Desynchronisierer verfügt über einen
Pufferspeicher zum Zwischenspeichern von Zubringerdatenbits, die
aus dem Multiplexsignal extrahiert wurden, ferner über einen
einstellbaren Oszillator zum Erzeugen eines Lese-Taktsignals, mit dem die Zubringerdatenbits
oder -bytes aus dem Speicher ausgelesen werden, und einen Komparator, der
die Lese- und Schreib-Timingraten des Pufferspeichers synchron mit
der Lesedatenrate des Multiplexsignals vergleicht und so ein Steuersignal
zum Regeln des Oszillators erzeugt.
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Die
Erfindung bietet den Vorteil, daß das Jitterverhalten des Desynchronisierers
von der Multiplexstruktur des Multiplexsignals unabhängig und
somit gleichermaßen
auf SDH- und OTN-Signale,
aber auch auf andere Arten von synchronen oder plesiochronen Multiplexsignalen
anwendbar ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im
folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben,
in welcher die einzige Abbildung ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Desynchronisierers
zeigt.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Ein
Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist in 1 dargestellt. Es zeigt einen
Demultiplexer 1, der mit einem Destuffing-Modul 3 verbunden
ist. Das Destuffing-Modul 3 ist mit einem Pufferspeicher 2 verbunden.
Ein Lokaloszillator 7 erzeugt ein Lese-Taktsignal 14 für den Pufferspeicher 2.
Ein erster und ein zweiter Zähler 4 und 5 sind
mit dem Lese-Taktsignal 14 beziehungsweise einem Schreib-Taktsignal 13 verbunden,
während
die Ausgänge
der Zähler 4 und 5 mit
einem Komparator 6 verbunden sind. Der Komparator 6 ist über ein
Tiefpaßfilter 8 mit
einer Steuerleitung des Oszillators 7 verbunden.
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Der
Demultiplexer 1 empfängt
ein Multiplexsignal 9, ein Taktsignal 10 und ein
Rahmen-Taktsignal 11, wobei die letzteren beiden aus dem
Multiplexsignal 9 abgeleitet sind. Der Demultiplexer 1 erzeugt ein
extrahiertes Zubringersignal 16 und ein mit Lücken behaftetes
erstes Taktsignal 12, die auf das Destuffing-Modul 3 gegeben
werden. Das mit Lücken behaftete
erste Taktsignal 12 weist immer dann Taktimpulse auf, wenn
Datenbits des Zubringersignals 16 und an anderen Stellen
Lücken
vorhanden sind. Die Lücken
entsprechen Datenbits anderer Zubringersignale sowie Overhead- oder
FEC-Bits im Multiplexsignal 9.
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Das
Destuffing-Modul 3 entfernt alle gegebenenfalls vorhandenen
Ausrichtungsbits oder -bytes aus dem Zubringersignal 16 und
erzeugt ein mit Lücken
behaftetes zweites Taktsignal 13, das für die entfernten Ausrichtungsbits
zusätzliche
Lücken
aufweist. Das extrahierte und ausgeräumte Zubringersignal 17 wird
anschließend
in den Pufferspeicher 2 geschrieben, wobei das mit Lücken behaftete
zweite Taktsignal 13 als Schreib-Taktsignal verwendet wird. Danach
werden die Zubringerdatenbits mit Hilfe des Taktsignals 14 vom
Lokaloszillator 2, das als Lese-Taktsignal dient, aus dem
Pufferspeicher ausgelesen. Auf diese Weise entsteht das zurückgewonnene Zubringersignal 20,
das vom Desynchronisierer 20 ausgegeben wird.
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Ein
erster Zähler 4 zählt das
Schreib-Taktsignal 13, während ein zweiter Zähler 5 das
Lese-Taktsignal 14 zählt.
Die Zählwerte
werden dem Komparator 6 zugeführt, der das Steuersignal 15 erzeugt.
Das Steuersignal 15 wird anschließend mit dem Filter 8 tiefpaßgefiltert,
um hochfrequente Jitter-Komponenten
zu eliminieren, und gelangt danach zum Lokaloszillator 7,
wo es zum Einstellen der Frequenz von dessen Lese-Taktsignal 14 dient.
Das Lese-Taktsignal 14 wird außerdem vom Desynchronisierer
als Taktsignal ausgegeben, welches das zurückgewonnene Zubringersignal 20 begleitet.
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Erfindungsgemäß wird das
Frame-Taktsignal 4 außerdem
dem Komparator 6 zugeführt
und als Freigabesignal für
den Vergleichsvorgang verwendet. Der Vergleich findet also nur an
einem einzigen Punkt innerhalb jedes einzelnen Frames (beispielsweise
an dessen Anfang) des Multiplexsignals 9 und somit synchron
mit dem Frame-Takt 4 statt. Anders ausgedrückt, löst das Frame-Taktsignal 11 einen
Vergleichsvorgang des Komparators 6 aus. Dadurch wird verhindert,
daß systematische
Schwankungen des Pufferfüllstands
aufgrund von Lücken
im Schreib-Taktsignal den Vergleichsvorgang beeinträchtigen,
was sich andernfalls in Form von niederfrequentem Jitter oder Wander
im zurückgewonnenen
Zubringersignal äußern könnte. Das
Lese-Taktsignal ist somit ein geglättetes Taktsignal mit der mittleren
Datenrate des mit Lücken
behafteten Schreib-Taktsignals.
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Neben
dieser nun im Detail beschriebenen Ausführungsform der Erfindung sind
auch mehrere Modifikationen der Erfindung möglich. Beispiele hierfür sind die
folgenden Modifikationen:
Der Vergleich der Lese- und Schreib-Datenraten 14 und 13 läßt sich
auch durch Ermitteln des Pufferspeicher-Füllstands bewerkstelligen. Außerdem kann
ein Steuersignal 15 immer dann erzeugt werden, wenn das
Vergleichsergebnis einen oberen oder unteren Schwellenwert über- beziehungsweise
unterschreitet. Das Destuffing-Modul 3 kann Bestandteil
des Demultiplexers 1 sein. Anstatt die Lese- und Schreib-Timingraten
synchron mit der Frame-Rate zu vergleichen, kann die Einstellung
des Oszillators auch synchron mit der Frame-Rate erfolgen, was eine äquivalente
Vorgehensweise wäre,
da sie dasselbe Ergebnis liefert. Die Zähler 4 und 5 können auch
als Lese- beziehungsweise
Schreibadreßzähler arbeiten
oder Bestandteil des Komparators 6 sein. Der Oszillator 7 kann
eine beliebige Art von Taktsignalgenerator sein, beispielsweise
ein spannungsgesteuerter oder digital gesteuerter Taktsignalgenerator
mit einer oder ohne eine Steuerung über eine interne Phasenregelschleife
(Phase-Locked Loop, PLL) und einen variablen Teiler sein, der von
einem externen Referenz-Taktsignal
angesteuert wird, das so beschaffen ist, daß daraus ein Lese-Schreibsignal
abgeleitet werden kann, indem das externe Referenz-Taktsignal entweder
durch N – 1,
durch N oder durch N + 1 geteilt wird. Der Lese- und Schreibvorgang
kann sowohl bit- als auch bytebasiert ablaufen, aber auch auf Dateneinheiten
beliebiger sonstiger Größe wie zum
Beispiel Halbbytes basieren, die auch als "Nibbles" bezeichnet werden. Umgekehrt können die
Lese- und Schreib-Taktsignale entweder Bit- oder Byte-Taktsignale
sein, aber auch Taktsignale, die auf Dateneinheiten beliebiger sonstiger
Größe basieren.
Der Vergleich kann zu jedem Zeitpunkt relativ zum Frame-Taktsignal
stattfinden, sofern dieser Zeitpunkt im wesentlichen unveränderlich
gegenüber
dem Schreib-Taktsignal ist und somit Synchronismus vorliegt. Der
Vergleich kann einmal oder mehrmals pro Frame stattfinden, solange
gewährleistet
ist, daß zwischen
dem Vergleich und dem Frame-Taktsignal weiterhin Synchronismus herrscht.
Das Tiefpaßfilter 8 ist optional.
Das extrahierte Zubringersignal 17 kann auch das gesamte
Multiplexsignal sein, da das mit Lücken behaftete Taktsignal 13 ohnehin
verhindert, daß andere
als die interessierenden Bytes des Zubringersignals in den Pufferspeicher
gelangen. Diese und andere Modifikationen werden für den Fachmann,
der die obige Beschreibung gelesen und verstanden hat, ersichtlich
sein.