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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sende-Empfangs-
Synchronisationsvorrichtung einer Station eines
Kommunikationsnetzes, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Wenn in einem Kommunikationsnetz verschiedene Stationen
miteinander verbunden sind, führen sie ihre lokale
Kommunikationstätigkeit nach einem eigenen lokalen
Zeitgeber durch.
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Diese lokalen Zeitgeber liefern Zeitmarken, um den
Kurvenverlauf der Kommunikation beim Empfang auszuwerten
und beim Senden zu erzeugen.
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Auf diese Weise erzeugt eine Sendestation beim Senden
Daten im Takt ihres eigenen lokalen Zeitgebers in Form
eines kodierten Signals.
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Um die Auswertung des Datenverlaufs zu erleichtern, kann
die Signalkodierung für jedes Bit die Zeitgeberinformation
enthalten, und es kann dann zum Beispiel die Kodierung
nach der Impulsbreite oder die Zweiphasen-Kodierung und
ihre Varianten benutzt werden.
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Andere Techniken liefern selbst keine Zeitmarken für jedes
Bit. Insbesondere die NRZ-Kodierung (keine Rückkehr auf
Null) gibt die Daten direkt wieder. Lediglich durch den
Übergang der Daten kann der Übergang des Zeitgebers der
Sendestation erkannt werden.
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Das Dokument US-A-4.696.016 beschreibt zum Beispiel einen
Schaltkreis zur Wiederherstellung eines Zeitgebersignals
für die Daten mit Rückkehr auf Null.
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Es stellen sich jedoch verschiedene Probleme.
Je nach dem in jeder Station lokal eingesetzten Oszillator
haben die Daten für die Erzeugung und die Analyse des
Datenverlaufs nicht die gleiche Frequenz wie der lokale
Zeitgeber.
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Da außerdem mehrere Sender in einem Netz gleichzeitig
senden können, müssen die eventuellen Kollisionsprobleme
gelöst werden. Jede Station ist daher gehalten, das von
ihr gesendete Bit laufend mit dem im Netz vorhandenen Bit
zu vergleichen.
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Aus physischen Gründen, die mit den Leitungen zur
Informationsübertragung, mit der Anzahl der daran
angeschlossenen Sendestationen, mit den Merkmalen der
Sende-Empfangs-Schaltkreise dieser Leitungen, usw.
zusammenhängen, treten je nach der Art der gesendeten
Flanken, nämlich der ansteigenden oder abfallenden, bei
dieser Übertragung verschiedene Verzögerungen auf. Es ist
bekannt, daß diese Verzögerungen bei der Analyse der
Signale Probleme verursachen.
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Ziel der Erfindung ist es daher, diese Probleme zu lösen,
und es wird eine Synchronisationsvorrichtung einer Station
eines Kommunikationsnetzes vorgeschlagen, die einfach und
zuverlässig ist, eine korrekte Bearbeitung der Daten
erlaubt und dabei die physischen Gegebenheiten des Netzes
einbezieht.
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Deshalb ist der Zweck der Erfindung eine
Sende-Empfangssynchronisationsvorrichtung einer Station eines
Kommunikationsnetzes, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und zwar
in der Art, daß sie Mittel zur Erzeugung von Testsignalen
für die im Netz vorhandenen Informationen enthält, dadurch
gekennzeichnet, daß in den Mitteln zur Erzeugung
Lademedien für mindestens einen Synchronisationswert enthalten
sind, der zumindest einer Ausbreitungszeit der
Informationen im Netz entsPricht, um die Station je nach den
Übertragungsmerkmalen des Netzes zu synchronisieren, und
zwar durch eine Verschiebung der Erzeugungsmittel, wobei
dieser Synchronisationswert der Ausbreitungszeit einer
ansteigenden oder abfallenden Flanke oder einer
Durchschnittszeit für die Ausbreitung ansteigender und
abfallender Flanken der Informationen im Netz entspricht.
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Entsprechend einer Realisierungsart enthalten die
Lademedien Mittel zur Auswahl des einen oder des anderen der
beiden Synchronisationswerte, je nach der Art der im Netz
vorhandenen Informationsflanke, wobei ein
Synchronisationswert der Ausbreitungszeit einer ansteigenden
Informationsflanke im Netz und der andere der Ausbreitungszeit
einer abfallenden Flanke entspricht.
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In einer anderen Realisierungsart entspricht der
Synchronisationswert einer durchschnittlichen Ausbreitungszeit
der ansteigenden und abfallenden Flanken im Netz.
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Anhand der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung
leichter veständlich, wobei diese Beschreibung lediglich
als Beispiel dient und sich auf die beiliegenden Diagramme
bezieht, die folgendes darstellen:
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Abbildung 1 zeigt eine gewisse Anzahl von Signalen und
veranschaulicht die Funktionsweise einer Station eines
Kommunikationsnetzes beim Senden.
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Abbildung 2 und 3 zeigt die bei der
Informationsübertragung auftretenden Verzögerungen.
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Abbildung 4 und 5 zeigt die Mittel zur Erzeugung von
Testsignalen nach dem bekannten Stand der Technik.
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Abbildung 6 zeigt verschiedene Signale und veranschaulicht
die Funktionsweise der in den Abbildungen 4 und 5
beschriebenen Schaltungen.
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Abbildung 7 zeigt verschiedene Signale und veranschaulicht
die Funktionsweise einer zweiten Realisierungsart der
Mittel zur Erzeugung der Testsignale nach dem bekannten
Stand der Technik.
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Abbildung 8 stellt eine Synchronisationsvorrichtung
entsprechend der Erfindung dar.
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Abbildung 9 zeigt verschiedene Signale und veranschaulicht
die Funktionsweise der in Abbildung 8 dargestellten
Vorrichtung, die Gegenstand der Erfindung ist.
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Abbildung 10 zeigt eine zweite Realisierungsart der
Vorrichtung entsprechend der Erfindung, und
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Abbildung 11 zeigt einen Schaltkreis zur Optimierung des
lokalen Zeitgebers einer Station, der zum Aufbau der
Vorrichtung gemäß Erfindung gehört.
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In Abbildung 1 sieht man, wie verschiedene in einem
Kommunikationsnetz miteinander verbundene Stationen lokal
ihre Kommunikationsaufgaben nach ihrem eigenen lokalen
Zeitgeber durchführen. Diese Zeitgeber liefern Zeitmarken,
um den Kurvenverlauf der Kommunikation beim Empfang
auszuwerten und beim Senden zu erzeugen
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Zum Beispiel erzeugt eine Sendestation beim Senden die
Daten 1 im Takt ihres lokalen Zeitgebers 2 in Form eines
kodierten Signals. Um die Auswertung dieses Kurvenverlaufs
zu erleichtern, kann die Signalkodierung in jedem Bit die
Zeitgeberinformation enthalten, indem zum Beispiel eine
Kodierung nach der Impulsbreite 3, eine
Zweiphasenkodierung 4 und ihre Varianten benutzt werden.
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Es gibt aber noch andere Techniken, die nicht bei jedem
Bit eine Zeitmarke liefern. Das ist insbesondere bei der
NRZ-Kodierung der Fall (keine Rückkehr auf Null), die in
dieser Abbildung 1 durch das Signal 5 dargestellt wird.
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Lediglich durch den Datenübergang ist es dann möglich, die
Zeitgeberübergänge der Sendestation zu erkennen.
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Je nach der vor allem in jeder Station eingesetzten
Oszillatortype, Quartzoszillator, Keramikresonator oder
R-C-Schwingungskreis, haben die letzteren zur Erzeugung
und Analyse des Kurvenverlaufs der Daten nicht die gleiche
Frequenz wie der lokale Zeitgeber.
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Man kann jedoch von der Annahme ausgehen, daß ein
Zeitgeber, selbst wenn er etwas ungenau ist, während des
Kurvenverlaufs der Daten stabil bleibt.
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Da außerdem mehrere Stationen gleichzeitig auf den Netzen
senden können, ist es notwendig, den eventuellen
Kollisionsproblemen vorzubeugen.
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Jede Station ist deshalb gehalten, die von ihr gesendeten
Bits ständig mit dem im Netz vorhandenen Bit zu
vergleichen. Aus physischen Gründen, die mit den
Kommunikationsleitungen, der Anzahl der daran angeschlossenen
Stationen sowie den Merkmalen der
Sende-Empfängerschaltkreise der Leitungen, etc. zusammenhängen, treten je nach
den gesendeten Flanken, nämlich ansteigende oder
abfallende, zwischen dem Senden und dem Empfang der Daten
verschiedene Verzögerungen auf, was in Abbildung 2 zu
sehen ist.
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Abbildung 3 zeigt die Vergrößerung eines Teils der in
Abbildung 2 dargestellten Signale, und es ist leicht zu
sehen, daß zwischen den gesendeten Daten 6 und den
empfangenen Daten 7 eine Verzögerung R auftritt. Die
gesendeten Signale und die zwischen den Signalen 6 und 7
dargestellten Daten sind das in den Übertragungsleitungen
tatsächlich vorhandene Signal und sein Komplement.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird eine Kodierung der
NRZ-Art verwendet. Selbstverständlich können auch andere
Kodierungen ebenso gut verwendet werden.
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Bei dieser NRZ-Kodierung muß jede Station das im Netz
vorhandene Bit testen, zum Beispiel während drei Viertel
seiner Dauer, wobei dieser Wert bei anderen Kodierungen
verschieden sein kann.
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Beim Testen muß die Sendestation die Übertragungszeit der
Bits berücksichtigen.
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Die Kalibrierung des gesendeten Bits wird mit Hilfe eines
Zählers, der durch einen lokalen Zeitgeber der Station um
Inkremente erhöht ist, durchgeführt und das Testen des
empfangenen Bits erfolgt auf die gleiche Weise. In der
Praxis werden diese beiden Aufgaben im allgemeinen von
einem Zähler durchgeführt.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird die typische Dauer
eines Bit mit 16 Zeiteinheiten angenommen.
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In Abbildung 4 und 5 werden die Mittel zur Erzeugung der
Synchronisationssignale einer Station nach dem bekannten
Stand der Technik dargestellt.
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In Abbildung 4 wird, wenn eine Station beim Senden ist,
ein Zähler 8 des Modulo 16 Typs durch einen lokalen
Zeitgeber 9 einer Station erhöht. Ein Decoder 10, der mit
den Ausgängen 11 dieses Zählers 8 verbunden ist, dekodiert
diese Ausgänge, um ein Reinitialisierungssignal 12 für den
Zähler und einen Impuls 13 für das Testen des im Netz
vorhandenen Bits zu erzeugen, - im beschriebenen Beispiel
beispielsweise während drei Viertel seiner Dauer - um
festzustellen, ob es eine eventuelle Kollision mit einem
von einer anderen Station gleichzeitig gesendeten Bit
geben kann, die ebenfalls an dieses Netz angeschlossen
ist.
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Abbildung 5: Wenn eine Station auf Empfang ist, empfängt
ein Schieberegister 14 ein im Netz vorhandenes Datensignal
15 und verschiebt dieses Signal im Takt des lokalen
Zeitgebers 16 der Station auf seine Ausgänge 17 und 18.
Der Ausgang 17 des Schieberegisters 14 ist mit einem
Eingang des UND-Gates 19 verbunden, während der Ausgang 18
mit einem Eingang des UND-Gates 20 verbunden ist.
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Ausgang 17 des Schieberegisters 14 ist über einen Inverter
21 ebenfalls mit dem anderen Eingang des UND-Gates 20
verbunden, während der Ausgang 18 des Schieberegisters 14
ebenfalls über einen Inverter 22 mit dem anderen Eingang
des UND-Gates 19 verbunden ist.
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Die Ausgänge der UND-Gates 19 und 20 sind mit einem
Eingang des ODER-Gates 23 verbunden, um ein Signal 24 für
die Reinitialisierung eines Zählers 25 zu erzeugen, und
zwar synchron mit den ansteigenden und abfallenden Flanken
des Datensignals 15 in einer dem lokalen Zeitgeber 16
nahen Zeitdauer, der ebenfalls mit diesem Zähler 25
verbunden ist.
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Die Ausgänge 26 dieses Zählers sind derart an einen
Decoder 27 angeschlossen, daß dieser am Ausgang, das heißt
bei 28, eine Testspitze des im Netz vorhandenen Bits
erzeugt.
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Abbildung 6 zeigt die verschiedenen Signale, die die
Funktionsweise der in Abbildung 4 und 5 dargestellten
Schaltelemente veranschaulichen. In dieser Abbildung kann
man eine hohe Ungenauigkeit des Testpunktes der im Netz
vorhandenen Daten erkennen, und zwar einerseits für die
Sendestation, die dann das Kollisionsproblem nicht unter
besten Bedignungen analysiert, und andererseits für die
Empfangsstationen, die die im Netz vorhandenen Daten
niemals im gleichen Augenblick testen, was zu
unbegründeten Übertragungsfehlern führen kann.
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Ferner stimmen die Testpunkte der Sendestation nicht mit
denen der Empfangsstationen überein.
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Abbildung 7 zeigt Signale, die die Funktionsweise einer
zweiten Realisierungsart der Signalerzeugung nach dem
bekannten Stand der Technik veranschaulichen. Das Prinzip
der Funktionsweise für die Sendung eines Bits ist mit dem
in Abbildung 4 und 6 beschriebenen identisch, bis auf die
Resynchronisation des Zählers durch das
Reinitialisierungssignal bei jedem Übergang der im Netz vorhandenen
Daten.
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Die Funktionsweise des Empfangs ist mit der für die
Sendung verwendeten in jeder Hinsicht identisch.
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In diesem Fall stellt man für die Sendestation beim
Testpunkt der im Netz vorhandenen Daten eine geringere
Ungenauigkeit als im vorhergehenden Realisierungsbeispiel
fest
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Sämtliche Tests im Bus folgen der selben Regel, unabhängig
davon, ob die Station auf Sendung oder auf Empfang ist.
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Im Gegensatz dazu ist die Bitrate im Netz nicht mehr
konstant, was bei dem in Abbildung 4, 5 und 6
beschriebenen Realisierungsbeispiel der Fall ist, weil die
Sendestation bei der Erzeugung der Bits die
Ausbreitungsverzögerungen nicht berücksichtigt.
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Die in Abbildung 8 dargestellte Vorrichtung gemäß
Erfindung erlaubt zur Erzeugung und Analyse des
Kurvenverlaufs die Resynchronisation der Stationen je nach den
im Netz vorhandenen Daten unter Berücksichtigung der
Streuung der Zeitgeberfrequenzen und der
Ausbreitungszeiten der Daten im Netz.
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Ein Schieberegister 30 empfängt ein im Netz vorhandenes
Datensignal 31 und verschiebt es im Takt des lokalen
Zeitgebers 32 der Station zu den Ausgängen 33 und 34.
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Ausgang 33 dieses Schieberegisters 30 ist über einen
Inverter 37 mit einem Eingang des UND-Gates 35 und mit
einem Eingang des UND-Gates 36 verbunden. Ausgang 34 des
Schieberegisters 30 ist über einen Inverter 38 mit einem
anderen Eingang des UND-Gates 36 und mit einem anderen
Eingang des UND-Gates 35 verbunden. Ein Decoder 39, dessen
Funktionsweise noch genauer beschrieben wird, hat
ebenfalls zwei Ausgänge 40 und 41, die jeweils mit einem
dritten Eingang der UND-Gates 35 und 36 verbunden sind.
Der Eingang dieses Decoders 39 empfängt ein Treibsignal,
das wie man später sehen wird, zum Beispiel vom Hersteller
des Kraftfahrzeugs festgelegt wird.
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Die Ausgänge der UND-Gates 35 und 36 sind mit den
Eingängen eines ODER-Gates 42 sowie mit den Eingängen der
Auswahlmedien 43 verbunden, deren Funktionsweise noch
genauer beschrieben wird, und empfangen auf den Eingängen
die Signale 44 und 45, die die Synchronisationswerte
darstellen, die den Ausbreitungszeiten der ansteigenden
und abfallenden Informationsflanken im Netz entsprechen.
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Ausgang 46 dieser Auswahlmedien ist mit einem Eingang
eines Zählers 47 verbunden, der ebenfall über Eingänge das
Ausgangssignal von Gate 42 und das Signal des lokalen
Zeitgebers 32 empfängt.
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Die von den Gates 35 und 36 ausgehenden Signale, die mit
den Auswahlmedien 43 verbunden sind, werden für die
Auswahl von einem der beiden Werte 44 oder 45 benutzt, der
dann zum Reinitialisierungswert des Zählers 47 des Modulo
16 Typs wird.
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Wie bereits erwähnt entsprechen diese Werte 44 und 45 den
Durchschnittswerten der Ausbreitungszeiten der
ansteigenden und abfallenden Flanken des Datensignals im Netz,
wobei diese Werte zum Beispiel durch Versuche ermittelt
und in den Speichermedien der Station gespeichert werden.
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Das Ausgangssignal des Gate 42 aktiviert seinerseits den
Ladeeingang des Zählers 47 synchron zu den Flanken des
Datensignals 31, wobei die Ausgänge 48 dieses Zählers 47
mit den Dekodierungsmedien 49 verbunden sind, die diese
Ausgänge mit dem Ziel dekodieren, eine Testspitze 50 des
im Netz vorhandenen Bits zu erzeugen.
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Ausgang 46 des Auswahlmediums 43 liefert einen Ladewert,
der den Startpunkt des Zählers 47 verschiebt und somit
erlaubt, die Ausbreitungszeiten der Flanken im Netz zu
berücksichtigen.
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Man begreift, daß damit der Zähler 47 durch das im Netz
vorhandene Datensignal resynchronisiert wird und dabei die
mit den übertragenen Flanken zusammenhängenden
durchschnittlichen Ausbreitungszeiten berücksichtigt werden,
wobei die Werte 44 und 45 wie vorher erklärt festgelegt
werden.
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Die vorbeschriebenen verschiedenen Signale sind in
Abbildung 9 dargestellt, aus der hervorgeht, daß das
Testen im gleichen Augenblick erfolgt.
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Je nach Anwendungsart kann es notwendig sein, für die
Resynchronisation zu einem bestimmten Zeitpunkt der
Ausführung nur eine bestimmte Flankenart zu benutzen.
Diese Auswahl der nutzbaren Flanken erfolgt mit Hilfe der
Signale 40 und 41, die von dem in Abbildung 8
beschriebenen Decoder 39 ausgegebenen werden, wobei dieser Decoder
39 selbst ein Stellsignal 51 empfängt, das zum Beispiel
aus den restlichen Schaltkreisen der Station des Fahrzeugs
stammt und diese Auswahl als Vorauswahl vom
Fahrzeughersteller getroffen wird.
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Ebenfalls ist festzustellen, daß die Wahl von zwei
Eingabewerten des Zählers 47 mit Hilfe der Auswahlmedien
43, wie in dieser Abbildung gezeigt, durch die Eingabe
eines Mittelwertes 52 (Abb. 10) ersetzt werden kann, der
für beide zu bearbeitende Flanken gleich ist.
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Die Ausgangsimpulse der Gates 35 und 36 werden mit Hilfe
des ODER-Gates 42 zusammengeführt, um im Zähler 19 ein
Eingabesignal des Mittelwertes 52 zu bilden.
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Da dieser Wert 52 für beide Flanken gleich ist, müssen die
geeigneten Ausgänge des Schieberegisters 30 zur Erzeugung
der Ausgangsimpulse der Gates 35 und 36 gewählt werden,
damit eine ähnliche Verarbeitung des Datensignals 31 wie
vorher beschrieben erfolgen kann.
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Wenn die Ausbreitungszeit einer Flanke kleiner als die
damit zusammenhängende durschnittliche Verzögerung oder
eventuell Null ist, werden die internen Zähler der
Stationen noch vor Beendigung des laufenden Zyklus
resynchronisiert und müssen den höchsten Zählwert
erreichen.
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Sofern die geringste Verzögerung tatsächlich
vernachlässigt werden kann, ist dieses Phänomen auf die
Toleranzen des lokalen Zeitgebers zurückzuführen.
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Um diesem Problem vorzubeugen, ist die verwendete Lösung
eine systematische Verzögerung der empfangenen Daten noch
bevor sie verarbeitet werden. Damit kann man die Probleme
der Toleranz der Zeitgeber und der den Ausbreitungszeiten
des Datensignals nicht angepassten Werten umgehen. Diese
Verschiebung wird einfach durch die geeignete Wahl der
Ausgänge des Schieberegisters 30 zur Erzeugung der den
Flanken des Datensignals entsprechenden Impulse erreicht.
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Der Nachteil aller beschriebenen Prinzipien ist, daß eine
Datenbearbeitung für die Dauer von im Schnitt zwei
Perioden des Zeitgebers nach ihrem Auftreten völlig fehlt.
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Dieser Nachteil kann durch den Einsatz des in Abbildung 11
dargestellten Schaltkreises verringert werden, in dem eine
Kippschaltung D 53 auf ihren Eingängen einerseits das
empfangene Datensignal und andererseits das Signal des
lokalen Zeitgebers empfängt, wobei dieses Signal des
lokalen Zeitgebers und der Ausgang der Kippschaltung 53
mit den Eingängen eines EXKLUSIV-ODER-Gate 54 verbunden
ist, dessen Ausgang einen optimierten lokalen Zeitgeber
darstellt.
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Die Resynchronisation des Zählers durch Eingabe des
Mittelwertes, der mit den Ausbreitungszeiten der Flanken
des in der Leitung vorhandenen Signals zusammenhängt,
erlaubt dann eine geeignete Bearbeitung der Daten, wobei
die physischen Gegebenheiten des Netzes einbezogen werden.
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Durch Festlegung der Verzögerung auf einen vorbestimmten
Mittelwert kann sich eine Station auf Sendung ohne
weiteres selbst synchronisieren, ohne daß die Bitrate
im Netz verlangsamt wird.
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Diese Resynchronisation hat ebenfalls eine hohe Toleranz
des Zeitgebers und der Schnittstellensysteme mit dem Bus,
dessen Leistungsfähigkeit nicht sehr hoch ist, weil das
Resynchronisationssignal zwischen den Sendepunkten und dem
Testpunkt liegen kann, der hier auf drei Viertel der Dauer
des Bit festgelegt wurde, wobei diese Verzögerung durch
das Laden des Zählers ausgeglichen wird.
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Diese Resynchronisation ist schließlich völlig unabhängig
davon, ob sich die Station auf Sendung oder auf Empfang
bef indet, so daß alle Tests auf dem Bus nach der gleichen
Regel erfolgen.