EP1256219A1 - Verfahren zur anpassung eines entscheidungspegels bei der umwandlung eines analogen signals in ein digitales signal und digitaler empfänger - Google Patents

Verfahren zur anpassung eines entscheidungspegels bei der umwandlung eines analogen signals in ein digitales signal und digitaler empfänger

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EP1256219A1
EP1256219A1 EP01909633A EP01909633A EP1256219A1 EP 1256219 A1 EP1256219 A1 EP 1256219A1 EP 01909633 A EP01909633 A EP 01909633A EP 01909633 A EP01909633 A EP 01909633A EP 1256219 A1 EP1256219 A1 EP 1256219A1
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EP
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levels
decision
difference
analog signal
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EP01909633A
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Torsten Klemm
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Braun GmbH
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H—ELECTRICITY
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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
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    • H04L25/06—DC level restoring means; Bias distortion correction ; Decision circuits providing symbol by symbol detection
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    • H04L25/062—Setting decision thresholds using feedforward techniques only
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    • H04L25/061—DC level restoring means; Bias distortion correction ; Decision circuits providing symbol by symbol detection providing hard decisions only; arrangements for tracking or suppressing unwanted low frequency components, e.g. removal of DC offset
    • H04L25/066—Multilevel decisions, not including self-organising maps

Definitions

  • the invention relates to a method for adapting decision levels when converting an analog signal into a digital signal, and a digital receiver, which are particularly suitable for an optical or inductive data transmission system in which an analog data signal is transmitted, which assume at least two different logical states that differ in their levels.
  • a digital detector for a four-level pulse amplitude modulated (4PAM) signal is known, which to distinguish the four levels has a logic circuit with three decision levels, which it does on the one hand to the output level of a receiving circuit upstream of it and on the other hand continuously adapting fluctuating transmission conditions.
  • the algorithm used for this is not disclosed.
  • the 4PAM signal is digitized by an A / D converter, the levels of the 4PAM signal must be within the conversion range of the A / D converter so that no overflow occurs.
  • the method according to the invention is characterized in that it works without preset values for the logic levels.
  • certain level differences between the individual levels are specified as the starting condition, and also a first logical state, which the data signal represents at the start of the data transmission.
  • a second logic state is recognized by the fact that the level of the analog signal changes by more than the level difference.
  • a decision level that lies between these levels is calculated from the levels of the two logical states. After the levels of the first and second logic states and the decision levels are determined, these levels are continuously adapted to the fluctuating transmission conditions.
  • the analog data signal is sampled several times within a bit time in the digital receiver, and a logic level is formed from the mean value of the sample values obtained during a bit time.
  • the second logical state is recognized by the fact that two successive mean values of sample values differ by more than the level difference.
  • the decision level is then calculated from the levels of the first and second logic states determined by averaging.
  • the levels are then continuously adjusted on the basis of the mean values determined continuously from the sampled values.
  • a digital receiver operating according to the method according to the invention does not need to be set to the level of the respective transmission link since it adapts automatically.
  • it has an A / D converter that continuously samples and digitizes the analog data signal, as well as an arithmetic unit for calculating decision levels and several registers for storing digitized samples and decision levels or level differences.
  • the method according to the invention is first described for the case in which only two logic levels, namely HIGH and LOW, have to be recognized and differentiated in the analog data signal, and therefore there is only one decision level which has to be adapted during the data transmission. It is assumed that no level outside the A / D range occurs during data transmission.
  • the level difference between the LOW and HIGH level specified as the starting condition is referred to below as dU, and the logic state of the data signal should be HIGH at the start of the data transmission, to which the HIGH level U H
  • the first sample value U is called U H
  • GH stored, and a decision level E U HIGH - dU calculated and stored.
  • the second sample value U is compared with the stored decision level E. If the second sample value U is greater than or equal to the stored decision level E, then the second sample value U is called U H
  • GH stored and there is a new decision level E U H
  • next sample value U is compared with the decision level E last stored and, if it is greater than or equal to the decision level E last saved, as U H
  • a new decision level E 1 2 (U H ⁇ GH + U LO w) is calculated and saved.
  • the method according to the invention is also suitable for adapting decision levels when converting an analog signal with more than two levels into a digital signal. If the data transmission takes place, for example, with a three-level analog signal, one will advantageously select the average logic level as the starting condition, and define two level differences dU 'and dU "with which, based on the average logic level, two decision levels E' and E" are calculated, which are calculated between the middle and the upper or lower logic level.
  • the difference between the HIGH level and the LOW level can be calculated and displayed as a criterion for the transmission quality.
  • a large difference in amount indicates a high level of transmission security and vice versa.
  • a decision level that changes over time with respect to a reference level indicates increasing contamination of the optical transmission and / or reception element, which can also be displayed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung von Entscheidungspegeln bei der Umwandlung eines mehrpegeligen analogen Signals in ein Digitalsignal und einen digitalen Empfänger. Als Startbedingung sind eine bestimmte Pegeldifferenz zwischen zwei Pegeln und auch ein erster logischer Zustand vorgegeben, den das analoge Signal zu Beginn der Datenübertragung einnimmt. Ein zweiter logischer Zustand wird daran erkannt, dass sich der Pegel des analogen Signals um mehr als die Pegeldifferenz ändert. Es wird dann fortlaufend ein Entscheidungspegel berechnet, der zwischen den Pegeln des ersten und zweiten logischen Zustands liegt.

Description

Verfahren zur Anpassung eines Entscheidungspeqels bei der Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal und digitaler Empfänger
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung von Entscheidungspegeln bei der Umwandlung eines analogen Signals in ein Digitalsignal, und einen digitalen Empfänger, die insbesondere für ein optisches oder induktives Datenübertragungssystems geeignet sind, bei dem ein analoges Datensignal übertragen wird, das mindestens zwei verschiedene logische Zustände annehmen kann, die sich in ihren Pegeln unterscheiden.
Aus der EP 0 540 359 A2 ist ein digitaler Detektor für ein vierpegeliges pulsamplitudenmo- duliertes (4PAM) Signal bekannt, der zur Unterscheidung der vier Pegel eine Logikschaltung mit drei Entscheidungspegeln aufweist, die er einerseits an den Ausgangspegel einer ihm vorgeschalteten Empfangsschaltung und andererseits fortlaufend an schwankende Übertragungsbedingungen anpaßt. Der dazu verwendete Algorithmus ist nicht offenbart. Das 4PAM- Signal wird durch einen A/D-Wandler digitalisiert, wobei die Pegel des 4PAM-Signals innerhalb des Konvertierungsbereichs des A/D-Wandlers liegen müssen, damit kein Überlauf auftritt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfaches Verfahren anzugeben, mit dem Entscheidungspegel für die Umwandlung eines analogen Datensignals in ein Digitalsignal während der Datenübertragung an schwankende Signalpegel angepaßt werden können, sowie einen digitalen Empfänger zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß es ohne voreingestellte Werte für die logischen Pegel arbeitet. Allerdings sind als Startbedingung bestimmte Pegeldifferenzen zwischen den einzelnen Pegeln vorgegeben, und auch ein erster logischer Zustand, den das Datensignal zu Beginn der Datenübertragung darstellt. Ein zweiter logischer Zustand wird daran erkannt, daß sich der Pegel des analogen Signals um mehr als die Pegeldifferenz ändert. Aus den Pegeln der beiden logischen Zustände wird ein Entscheidungspegel berechnet, der zwischen diesen Pegeln liegt. Nachdem die Pegel des ersten und zweiten logischen Zustands und der Entscheidungspegel bestimmt sind, werden diese Pegel fortlaufend an die schwankenden Übertragungsbedingungen angepaßt. Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im digitalen Empfänger das analoge Datensignal mehrmals innerhalb einer Bitzeit abgetastet und ein logischer Pegel aus dem Mittelwert der während einer Bitzeit gewonnenen Abtastwerte gebildet. Zu Beginn der Datenübertragung wird der zweite logische Zustand daran erkannt, daß sich zwei aufeinanderfolgende Mittelwerte von Abtastwerten um mehr als die Pegeldifferenz unterscheiden. Der Entscheidungspegel wird dann aus den Pegeln des ersten und zweiten logischen Zustande berechnet, die durch Mittelwertbildung bestimmt sind. Danach erfolgt die fortlaufende Anpassung der Pegel anhand der fortlaufend aus den Abtastwerten bestimmten Mittelwerte.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitender digitaler Empfänger braucht nicht auf den Pegel der jeweiligen Übertragungsstrecke eingestellt zu werden, da er sich selbsttätig anpaßt. Er weist beispielsweise einen A/D-Wandler auf, der das analoge Datensignal fortlaufend abtastet und digitalisiert, sowie ein Rechenwerk zur Berechnung von Entscheidungspegeln und mehrere Register zur Speicherung von digitalisierten Abtastwerten und Entscheidungspegeln bzw. Pegeldifferenzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zunächst für den Fall beschrieben, bei dem im analogen Datensignal nur zwei logische Pegel, nämlich HIGH und LOW, erkannt und unterschieden werden müssen, und daher auch nur ein Entscheidungspegel vorhanden ist, der während der Datenübertragung angepaßt werden muß. Es wird davon ausgegangen, daß während der Datenübertragung kein Pegel außerhalb des A/D-Bereichs auftritt. Die als Startbedingung vorgegebene Pegeldifferenz zwischen dem LOW- und HIGH-Pegel wird nachfolgend mit dU bezeichnet, und der logische Zustand des Datensignals soll zu Beginn der Datenübertragung HIGH sein, dem der HIGH-Pegel UH|GH entspricht.
In einem ersten Schritt wird der erste Abtastwert U als UH|GH gespeichert, und ein Entscheidungspegel E = UHIGH - dU berechnet und gespeichert.
Dann wird in einem zweiten Schritt der zweite Abtastwert U mit dem gespeicherten Entscheidungspegel E verglichen. Ist der zweite Abtastwert U größer oder gleich dem gespeicherten Entscheidungspegel E, dann wird der zweite Abtastwert U als UH|GH gespeichert und es wird ein neuer Entscheidungspegel E = UH|GH - dU berechnet und gespeichert. Sind auch die folgenden Abtastwerte U größer oder gleich dem jeweils zuletzt gespeicherten Entscheidungspegel E, werden die Abtastwerte als UH|GH gespeichert und jeweils der entsprechende neue Entscheidungspegel E = UHIGH - U berechnet und gespeichert. Ist jedoch entweder der zweite oder einer der folgenden Abtastwerte U kleiner als der gespeicherte Entscheidungspegel E, dann wird der neue Abtastwert U als UL0W gespeichert, und es wird ein neuer Entscheidungspegel E = (UH|GH + UL0W) berechnet und gespeichert. In allen folgenden Schritten wird der nächste Abtastwert U mit dem zuletzt gespeicherten Entscheidungspegel E verglichen und, wenn er größer oder gleich dem zuletzt gespeicherten Entscheidungspegel E ist, als UH|GH gespeichert, ansonsten aber als UL0 gespeichert. In beiden Fällen wird ein neuer Entscheidungspegel E = 12(UHιGH + ULOw) berechnet und gespeichert.
Der oben beschriebene Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der einzigen Figur dargestellt, wobei unter dem ersten Wert U bzw. nächsten Wert U entweder Abtastwerte oder Mittelwerte von Abtastwerten zu verstehen sind.
Wenn als Startbedingung der logische Zustand des Datensignals zu Beginn der Datenübertragung nicht wie beschrieben HIGH sondern LOW sein soll, dem dann der LOW-Pegel ULOW entspricht, wird im ersten Schritt der erste Abtastwert U als UL0W gespeichert, und der Entscheidungspegel E = UL0W + du berechnet und gespeichert. Die folgenden Schritte ändern sich in naheliegender Weise entsprechend.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch zur Anpassung von Entscheidungspegeln bei der Umwandlung eines analogen Signals mit mehr als zwei Pegeln in ein Digitalsignal geeignet. Erfolgt die Datenübertragung beispielsweise mit einem dreipegeligen Analogsignal, wird man als Startbedingung vorteilhafterweise den mittleren logischen Pegel wählen, und zwei Pegeldifferenzen dU' und dU" festlegen, mit denen ausgehend vom mittleren logischen Pegel zwei Entscheidungspegel E' und E" berechnet werden, die zwischen dem mittleren und dem oberen bzw. unteren logischen Pegel liegen.
Als Kriterium für die Übertragungsqualität kann die Differenz zwischen dem HIGH-Pegel und dem LOW-Pegel berechnet und angezeigt werden. Eine betragsmäßig große Differenz weist auf eine hohe Übertragungssicherheit hin und umgekehrt. Ferner weist bei einer optischen Übertragungsstrecke ein sich im Laufe der Zeit gegenüber einem Referenzpegel verändernder Entscheidungspegel auf eine zunehmende Verschmutzung des optischen Sende- und/oder Empfangselements hin, die ebenfalls angezeigt werden kann.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Anpassung eines Entscheidungspegels bei der Umwandlung eines mehrpegeligen analogen Signals in ein Digitalsignal, bei dem als Startbedingung eine bestimmte Pegeldifferenz zwischen zwei Pegeln und auch ein erster logischer Zustand vorgegeben sind, den das analoge Signal zu Beginn der Datenübertragung einnimmt, wobei ein zweiter logischer Zustand daran erkannt wird, daß sich der Pegel des analogen Signals um mehr als die Pegeldifferenz ändert, und bei dem dann ein Entscheidungspegel berechnet wird, der zwischen den Pegeln des ersten und zweiten logischen Zustands liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Datensignal mehrmals innerhalb einer Bitzeit abgetastet und die Pegel der logischen Zustände aus den Mittelwerten der während einer Bitzeit gewonnenen Abtastwerten berechnet werden, und daß der zweite logische Zustand daran erkannt wird, daß sich zwei aufeinanderfolgende Mittelwerte von Abtastwerten um mehr als die Pegeldifferenz unterscheiden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß fortlaufend die Pegel des ersten und zweiten logischen Zustands bestimmt werden und daraus fortlaufend ein Entscheidungspegel berechnet wird, der zwischen den Pegeln des ersten und zweiten logischen Zustands liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem HIGH-Pegel und dem LOW-Pegel als Kriterium für die Übertragungsqualität berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem Entscheidungspegel und einem Referenzpegel als Kriterium für eine Verschmutzung eines optischen Sende- und/oder Empfangselements einer optischen Übertragungsstrecke berechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsqualität und/oder Verschmutzung angezeigt wird.
7. Digitaler Empfänger zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen A/D-Wandler zur Abtastung und Digitalisierung eines analogen Signals sowie mehrere Register zur Speicherung von digitalisierten Abtastwerten aufweist.
8. Digitaler Empfänger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner ein Rechenwerk zur Berechnung von Entscheidungspegeln und von Mittelwerten von Abtastwerten aufweist.
9. Digitaler Empfänger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk ferner als Kriterium für die Übertragungsqualität die Differenz zwischen dem HIGH-Pegel und dem LOW-Pegel berechnet.
10. Digitaler Empfänger nach Anspruch 9 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk außerdem als Kriterium für die Verschmutzung eines optischen Sende- und/oder Empfangselements die Differenz zwischen dem Entscheidungspegel und einem Referenzpegel berechnet.
11. Digitaler Empfänger nach Anspruch 10 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Anzeigeeinrichtung für die Übertragungsqualität und/oder die Verschmutzung aufweist.
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