FR2523388A1

FR2523388A1 - Dispositif a seuil adaptatif

Info

Publication number: FR2523388A1
Application number: FR8303836A
Authority: FR
Inventors: Gerald Lee Frazer
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-03-15
Filing date: 1983-03-09
Publication date: 1983-09-16
Also published as: GB8306448D0; IE54114B1; JPS58168361A; GB2118404A; NL190567B; DE3308903C2; FR2523388B1; GB2118404B; NL190567C; CA1194561A; DE3308903A1; JP2510827B2; US4449102A; IE830551L; NL8300924A; JPH06164652A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA TRANSMISSION DE SIGNAUX NUMERIQUES. UN DISPOSITIF A SEUIL ADAPTATIF COMPREND NOTAMMENT UN COMPARATEUR 102 ET UNE BASCULE 105 QUI DETECTENT L'AMPLITUDE DU SIGNAL NUMERIQUE PAR RAPPORT A UN SEUIL A DES INSTANTS DISCRETS QUI COINCIDENT AVEC L'OEIL DU SIGNAL, ET UN DIVISEUR 108, UN DETECTEUR DE PHASE ET DE FREQUENCE 110 ET UN FILTRE DE BOUCLE 114 QUI REAGISSENT A L'AMPLITUDE DETECTEE EN GENERANT UN SIGNAL DE CORRECTION QUI DEPLACE LE SEUIL VERS UN NIVEAU PREDETERMINE TRAVERSANT UNIQUEMENT UNE REGION DE BROUILLAGE INTERSYMBOLE DU SIGNAL RECU. APPLICATION AUX RECEPTEURS DE SYSTEMES DE TRANSMISSION DE DONNEES.

Description

La présente invention concerne un dispositif à seuil adaptatif et elle

porte plus particulièrement sur un tel dispositif destiné à être utilisé dans des systèmes de

transmission numériques.

Dans les systèmes de transmission numériques, les signaux numériques génèrent ce qu'on appelle des "yeux de signal", de dimensions et de positions changeantes, qui sont séparés par une région de brouillage intersy"bole Ces yeux de signal sont définis par l'ensemble de toutes les formes de signal sur l'intervalle de baud Pour N niveaux de signal,

en désignant par N un entier, n-1 yeux de signal empilés ver-

ticalement sont formés dans le domaine tension-temps Dans un

système de transmission numérique parfait, toutes les transi-

tions de signal convergent à un instant d'échantillonnage optimal vers des points situés entre les yeux de signal Ces

points seront appelés ci-après des "points de convergence".

Dans des systèmes de transmission numériques réels, les dis-

torsions du signal varient et sont imprévisibles Il en résul-

te que les transitions de signal ne convergent pas vers des

points situés entre les yeux de signal.

L'utilisation de systèmes de transmission numériques exige qu'on soit capable de régénérer le signal transmis

après sa propagation dans un milieu dispersif bruyant On uti-

lise dans le processus de régénération des circuits à seuil, qui détectent l'amplitude du signal numérique par rapport à un

seuil Le circuit à seuil est de préférence adaptatif, c'est-

à-dire qu'il maintient automatiquement le seuil à une position

constante par rapport aux yeux de signal.

Dans une application relative à un circuit à seuil adaptatif, un comparateur faisant partie du circuit à seuil détecte le signal numérique par rapport à un seuil passant à travers les yeux de signal Le signal de sortie du comparateur est également appliqué à un circuit de réaction qui maintient automatiquement le seuil à une position prédéterminée dans les

yeux de signal, pour donner les erreurs de régénération mini-

males Cette position prédéterminée est de façon caractéris-

tique au centre-d'un oeil de signal Les circuits à seuil

existants du type décrit souffrent de plusieurs limitations.

Premièrement, les circuits de réaction utilisés nécessitent des signaux de référence analogiques précis Secondement, le choix du signal de référence analogique est affecté par le degré de filtrage de Nyquist qu'on utilise pour définir la

forme de l'impulsion de signal numérique.

Dans une autre application de régénération de signal, on utilise des circuits à seuil pour produire un signal d'erreur qui attaque des égaliseurs transversaux adaptatifs Ce signal d'erreur est défini comme étant la polarité de la différence entre un signal numérique réel et

un signal numérique idéal, à l'instant d'échantillonnage.

Les circuits-utilisés dans cette seconde application souffrent des limitations envisagées précédemment et, de plus, ils ne

sont pas adaptatifs.

L'invention porte sur un dispositif destiné à etre utilisé dans un système de transmission numérique, dans lequel un signal numérique appliqué forme au moins un oeil de

signal récurrent entouré par une région de brouillage inter-

symbole dans le domaine tension-temps, et ce dispositif com-

prend des moyens pour détecter l'amplitude du signal numéri-

que par rapport à un seuil à des instants discrets qui coin-

cident avec l'oeil de signal, et des moyens qui réagissent à l'amplitude détectée en générant un signal de correction qui

déplace le seuil vers un niveau prédéterminé passant unique-

ment à travers la région de brouillage intersymbole.

Conformément à un mode de réalisation de l'inven-

tion, un dispositif à seuil adaptatif compare l'amplitude

d'un signal numérique avec un seuil, à des instants d'4 chan-

tillonnage qui coïncident avec les yeux de signal Ces instants d'échantillonnage coïncident de préférence avec les

instants d'ouverture maximale des yeux de signal Cette com-

paraison donne un signal de sortie à deux niveaux On utilise également le signal de sortie pour générer un signal de correction qui déplace le seuil vers un niveau prédéterminé

passant uniquement à travers la région de brouillage inter-

symbole qui entoure les yeux de signal Ce niveau prédéter-

miné passe de façon caractéristique par un point qui corres- pond à un point de convergence dans un diagramme de l'oeil

idéal Par conséquent, on peut utiliser l'invention pour pro-

duire un signal idéal pour attaquer des égaliseurs transver-

saux adaptatifs, ainsi que pour distinguer entre les niveaux

de signal numérique à des instants d'échantillonnage détermi-

nés. Une caractéristique de l'invention consiste en ce que la génération d'un signal de correction ne nécessite pas

des signaux de référence analogiques précis.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se

référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique conforme à l'invention; La figure 2 est une représentation d'un signal numérique quaternaire de type caractéristique; La figure 3 est une représentation du diagramme de l'oeil idéal formé par le signal quaternaire de la figure 2; et La figure 4 est une représentation d'un diagramme

de l'oeil réel formé par le signal quaternaire de la figure 2.

La figure 1 montre un exemple de circuit à seuil adaptatif conforme à l'invention Le conducteur d'entrée 101 du comparateur 102 reçoit un signal numérique, tel qu'un signal quaternaire Le comparateur 102 détecte l'amplitude du signal numérique par rapport à une amplitude de seuil sur le

conducteur 103 et il génère un signal de sortie sur le conduc-

teur 104 L'amplitude du signal de sortie sur le conducteur 104 est à un premier état, par exemple l'état logique " 1 " ou "haut", si l'amplitude du signal numérique est supérieure a r l'amplitude de seuil, ou bien elle est à un second état, par exemple un état logique '0 " ou "bas", si l'amplitude du signal numérique est inférieure à l'amplitude de seuil Le conducteur de sortie 104 est connecté à l'entrée D de la bascule 105 L'entrée d'horloge ou C de la bascule 105 reçoit un signal d'horloge par le conducteur 106 Ce signal d'horloge a une fréquence égale à la cadence de transmission de symbole du signal quaternaire et il est généré de façon caractéristique par récupération de l'horloge de ligne à

partir du signal présent sur le conducteur 101 Par consé-

quent, il apparaft sur le conducteur 107 de la bascule 105 un signal de sortie qui est une version reproduite du signal

de sortie du comparateur à une transition d'impulsion d'hor-

loge De telles transitions coïncident avec les yeux de signal et elles colncident de préférence avec l'instant d'ouverture maximale de l'oeil L'alignement des transitions

des impulsions d'horloge de ligne avec les instants d'ouver-

ture maximale de l'oeil peut être obtenu aisément, par exem-

ple par l'utilisation de circuits de récupération de rythme

bien connus.

Comme on l'envisagera, les circuits restants de la figure 1 produisent un signal de correction qui déplace l'amplitude de seuil vers un niveau prédéterminé qui ne passe

que dans la région de brouillage intersymbole dans le diagram-

me de l'oeil qui est généré par le signal numérique reçu Il faut évidemment noter que l'invention n'est pas limitée à des signaux quaternaires mais peut etre utilisée dans des systèmes

numériques ayant au moins deux niveaux de signal arbitraires.

On va maintenant-considérer les figures 2, 3 et 4.

Un exemple de signal quaternaire, représenté sur la figure 2, consiste en quatre niveaux de signal qui sont représentés de

façon nominale par + 1 et + 3 volts aux instants d'échantillon-

nage optimaux Dans des systèmes de transmission existants, ces niveaux de signal ne sont pas constants mais varient autour des valeurs de tension nominales, à cause de divers facteurs, comme des fluctuations dans l'atténuation de la voie de transmission et/ou des variations parasites dans le

gain de composants dans la voie de signal.

En l'absence de fluctuations de signal, un signal quaternaire forme dans le domaine tension-temps le diagramme

de l'oeil idéal de la figure 3 Les yeux de signal sont défi-

nis par l'ensemble de toutes les transitions de signal possi-

bles sur l'intervalle de baud On peut observer un diagramme de l'oeil en affichant une partie du signal quaternaire sur

l'écran d'un oscilloscope à tube cathodique à longue persis-

tance et en superposant sur celui-ci les signaux quaternai-

res successifs On voit donc que les yeux de signal n'exis-

tent pas à un instant donné, mais sur une période suffisam-

ment longue pour que toutes les combinaisons de code numéri-

que possibles apparaissent.

En considérant la figure 3, on voit une succession de trois yeux de signal 301, 302, 303, empilés verticalement,

qui sont générés par le signal quaternaire de la figure 2.

Les références 308 désignent les instants d'échantillonnage

optimaux qui sont les instants d'ouverture maximale de l'oeil.

En général, pour un signal numérique ayant N niveaux de signal, en désignant par N un entiers il se forme n-1 yeux de signal

empilés verticalement Du fait qu'il n'y a pas de fluctua-

tions de signal parasites, toutes les transitions de signal convergent à des points situés en haut et en bas de chaque oeil de signal Ces points,, appelés points de convergence, sont désignés par les références 304, 305, 3069 307 pour le signal quaternaire considéré à titre d'exemple et ils ont des amplitudes de tension respectives égales à + 3, + 1, -1 et -3

volts De tels points de convergence sont des seuils souhaita-

bles On sait par exemple qu'une comparaison de l'amplitude d'un signal numérique entrant, dans le récepteur d'un système de télécommunications, vis-à-vis d'une amplitude de seuil alignée avec un point de convergence, procure un signal idéal

pour attaquer des égaliseurs transversaux adaptatifs Cepen-

dant, le problème consiste en ce que le diagramme de l'oeil de la figure 3 n'existe pas dans des systèmes de transmission numériques réels, à cause du brouillage intersymbole et

d'autres facteurs.

On va maintenant considérer la figure 4 qui montre un diagramme de l'oeil caractéristique formé par un signal quaternaire ayant des niveaux de signal de -3 et + 1 volts, chacun d'eux étant dégradé d'une certaine quantité allant

jusqu'à -d Bien que trois yeux de signal empilés verticale-

ment, 401, 402 et 403, soient formés, toutes les transitions de signal ne convergent pas à des points présélectionnés En fait, les yeux de signal formés ne sont pas statiques mais

on't des dimensions changeantes et des positions changeantes.

De tels changements se produisent lentement au cours du temps.

Par conséquent, l'empilement vertical d'yeux de signal 420 n'est pas aligné avec l'empilement suivant 421 qui, à son tour, n'est pas aligné avec l'empilement suivant 422 De plus, une région de brouillage intersymbole entoure complètement chaque oeil de signal Bien que les points de convergence 304, 305, 306 et 307 n'existent pas sur la figure 4, leurs emplacements correspondants sur la figure 4 tombent à l'intérieur de la

région de brouillage intersymbole Ces emplacements correspon-

dants, qu'on appelle des points de référence 404, 405, 406 et 407, sont décalés par rapport à chaque frontière d'oeil de

signal d'une quantité 408 qui est égale à la moitié de la dis-

tance de séparation 409 entre les yeux de signal 401 et 402 ou 402 et 403 Les points de référence 404, 405, 406 et 407 sont également alignés avec les instants d'ouverture maximale de l'oeil, 430 Il faut évidemment noter que du fait que les yeux de signal 401, 402 et 403 varient en taille et en position en fonction du temps, la distance de séparation 409, et donc la position des points de référence 404, 405, 406 et 407, varient

également en fonction du temps.

En retournant à la figure 1, on note que le circuit de réaction 120 génère sur le conducteur 109 un signal de référence dont la fréquence dépend de la fréquence attendue de façon statistique pour les " 1 " logiques sur le conducteur 107, lorsque l'amplitude de seuil sur le conducteur d'entrée 103 du comparateur 102 est alignée avec l'un des points de référence 404, 405, 406 ou 407. On considérera le cas dans lequel une amplitude de seuil est alignée avec le point 404 La fréquence attendue de façon statistique pour les " 1 " logiques sur le conducteur

107, soit E(f), peut Otre déterminée en appliquant des tech-

niques statistiques bien connues aux caractéristiques statis-

tiques du signal numérique réel Dans le mode de réalisation considéré, on détermine E(f) en faisant l'hypothèse d'une probabilité uniforme de niveaux de signal Par conséquent, à un instant d'échantillonnage, c'est-àdire sur le front avant

ou arrière d'une impulsion d'horloge présente sur le conduc-

teur 106, il y a une probabilité 1/4 que le signal quaternaire soit au plus haut niveau de signal de + 3 volts Chaque fois que le signal numérique est à ce niveau, la valeur finie de brouillage intersymbole qui est présente fait que le signal quaternaire est au-dessus du point de référence 404 pendant la moitié du temps et au-dessous du point de référence 404 pendant la moitié du temps Le résultat final consiste en ce

que, en moyenne, des " 1 " logiques apparaissent sur le conduc-

teur 107 pendant une fraction du temps égale à ( 1/4) x ( 1/2), soit pendant un huitième du temps Si le seuil est trop bas, il y aura une plus grande présence de " 1 " logiques sur le con ducteur 107, et si la tension de seuil est trop élevée, il y

aura une plus faible présence de " 1 " logiques.

En utilisant cette technique, la fréquence attendue, pour des amplitudes de signal numérique supérieures à un seuil

passant uniquement à travers la région de brouillage inter-

symbole, à des instants qui coincident avec les yeux de signal, est donnée par la relation: E(f) = x + D = qx + p; ( 1) n qn qn dans laquelle: x est le nombre de niveaux de signal au-dessus du point de référence particulier dans la région de brouillage intersymbole; N est le nombre total de niveaux de signal; et

ú est une constante de proportionnalité qui est une frac-

q tion pour laquelle on a O p/q c 1 Pour un seuil aligné avec les points de référence 404, 405, 406 et 407, P est q

égal à 1/2.

L'équation ( 1) définit la fréquence attendue de façon statistique pour les " 1 " logiques sur le conducteur 107 En général, on utilise la valeur de E(f) déterminée à partir de l'équation ( 1) pour générer un signal de référence

en divisant l'horloge par qn Ce signal de référence est com-

paré au signal présent sur la sortie Q de la bascule 105,

divisé par qx+p.

Le processus de division par qx+p du signal de la sortie Q est défini comme étant la génération d'un signal ayant un cycle complet à la sortie du diviseur par qx+p, pour chacun des qx+p cycles d'horloge qui coïncident avec les N 1 " logiques à la sortie de la bascule 105 Un signal de correction est alors généré à partir de cette comparaison

pour maintenir le seuil du comparateur à la position désirée.

Cette technique évite avantageusement le besoin antérieur de tensions de référence analogiques précises On notera que pour E(f) = 1/8, on pourrait générer un signal de

référence ayant une tension continue moyenne fixée au huitiè-

me de la différence entre le niveau logique " O " et le niveau

logique " 1 ", au-dessous du niveau logique " 1 " Cette techni-

que fonctionnerait, mais le fait de générer une tension de référence égale au huitième de l'écart entre le "O" logique et le " 1 " logique présente plusieurs problèmes Tout d'abord, les niveaux logiques " O " et " 1 " ne sont pas maintenus de

façon précise Secondement, la division d'une tension analo-

gique est sujette à erreurs Enfin, des décalages dans les composants de la boucle de réaction se manifestent par des

décalages dans le signal de correction résultant.

On va maintenant retourner à la figure 1 Pour un seuil passant par le point 404, on a S P = 2 ' qn= 8 et q -2 ' qx+p=l Le signal de référence est généré sur le conducteur 109, en sortie du circuit diviseur par huit 108 Le signal d'entrée du circuit diviseur par huit 108 est le signal d'horloge présent sur le conducteur 106 Du fait que qx+p=l, il n'est pas nécessaire qu'un circuit fonctionnant en diviseur par qx+p soit branché à la sortie de la bascule et ce circuit n'est pas représenté sur la figure 1 Des

circuits diviseurs par n, 111 et 112, (n étant un nombre éle-

vé, par exemple 16), sont intercalés de préférence dans les lignes d'entrée du détecteur 110 L'utilisation de circuits

diviseurs par N 111 et 112 réduit la probabilité que la dif-

férence de fréquence ou de phase comparée dépasse la plage de fonctionnement du détecteur 110 Le processus consistant à diviser par N le signal de la sortie Q de la bascule 105 est défini comme étant la génération d'un signal ayant un cycle complet en sortie du circuit diviseur par n, 112, pour chacun des N cycles d'horloge qui coincident avec des " 1 " logiques à

la sortie de la bascule 105.

Le détecteur 110 détecte la différence de fréquence et génère sur le conducteur 113 un signal ayant une composante continue qui varie avec la différence de fréquence entre les

signaux présents sur les conducteurs 115 et 116 La possibili-

té de détection de différence de fréquence est nécessaire de façon à déplacer le seuil pour l'amener dans la région de brouillage intersymbole Ceci est analogue au processus

d'acquisition d'une boucle à verrouillage de phase Le proces-

su S de détection de phase génère également sur le conducteur 113 un signal ayant une composante continue qui varie avec la

différence de phase entre les signaux présents sur les conduc-

teurs 115 et 116 La composante continue produite par la dif-

férence de phase maintient la position du seuil une fois que

le processus d'acquisition est terminé ou que le "verrouil-

lage" a été réalisé Ceci est analogue à la poursuite dans une boucle à verrouillage de phase La possibilité décrite ci-dessus du détecteur 110 peut être obtenue en utilisant un dispositif du commerce tel que le détecteur de phase-fréquen- ce MC 12040 fabriqué par MOTOROLA Semiconductor Products, Inc. La composante de signal continu présente sur le conducteur 113 est appliquée au conducteur 103, après passage dans le filtre de boucle 114 Le filtre de boucle 114 est de préférence un filtre actif à gain élevé qui donne au circuit

de la figure 1 une configuration de boucle du second ordre.

Le filtre 113 peut être actif ou passif et, si on le désire,

il peut consister en un intégrateur Les performances du cir-

cuit global sont gouvernées par les équations bien connues qui

gouvernent également les boucles à verrouillage de phase.

La description précédente a porté essentiellement

sur le fonctionnement du circuit à seuil adaptatif au niveau du point de référence 404 On peut aisément modifier le schéma de la figure 1 pour 1 e fonctionnement au niveau des points de référence 405, 406 et 407 En appliquant l'équation ( 1), on trouve que les valeurs de E(f) sur le conducteur 107 sont

respectivement 3/8, 5/8 et 7/8 Par conséquent, le fonction-

nement au niveau des points de référence 405, 406 et 407 nécessite respectivement l'adjonction d'un circuit diviseur par 3, diviseur par 5 ou diviseur par 7, intercalé entre la

sortie Q de la bascule 105 et le conducteur 116 Il faut évi-

demment noter que le circuit diviseur par 8 108 doit également 8 tre modifié pour le fonctionnement du circuit au niveau de n'importe quel point dans la région de brouillage intersymbole, entre les yeux de signal empilés qui sont formés par un signal numérique ayant un nombre de niveaux arbitraire Dans le cas le

plus général, un diviseur par qx+p est nécessaire entre la sor-

tie Q de la bascule 105 et le conducteur 116, et un circuit diviseur par qn est utilisé à la place du circuit diviseur par

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8 108 L'utilisation de ces circuits de division définis de façon générale fait en sorte que les deux signaux appliqués au détecteur 110 aient la même fréquence lorsque le seuil

est au niveau désiré.

En outre, le principe de fonctionnement de l'inven- tion décrite est inchangé si, au lieu de travailler sur la fréquence d'apparition attendue des " 1 logiques à la sortie

Q de la bascule 105, le fonctionnement est basé sur la fré-

quence d'apparition attendue des t'O" sur la sortie Q de la

bascule 105 Dans ce cas, la description précédente demeure

exacte si toutes les références à la fréquence d'apparition attendue des " 1 " logiques sont remplacées par des références à la fréquence d'apparition attendue des " O " logiques, et si la variable x est redéfinie comme étant le nombre de niveaux

au-dessous du niveau de référence désiré.

Il faut également noter qu'on peut également utili-

ser l'invention pour établir un seuil passant à travers les yeux de signal Dans de telles applications, un diviseur de tension est simplement branché aux conducteurs 103 dans des circuits à seuil fonctionnant dans les régions de brouillage intersymbole situées au-dessus et au-dessous de l'oeil de

signal à travers lequel on désire faire passer le seuil.

Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent 9 tre apportées au dispositif décrit et représenté,

sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1 Dispositif destiné à l'utilisation dans un système de transmission numérique dans lequel un signal numérique appliqué forme au moins un ueil de signal récurrent entouré par une région de brouillage intersymbole dans le domaine tension-temps, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 102, 105) destinés à détecter l'amplitude du signal numérique par rapport à un seuil, à des instants discrets qui coincident avec l'oeil de signal; et des moyens ( 108, 110, 114) qui réagissent à l'amplitude détectée en générant un

signal de correction qui déplace le seuil vers un niveau pré-

déterminé traversant uniquement la région de brouillage intersymbole. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le niveau prédéterminé traverse un emplacement

( 404, 405, 406 ou 407) dans la région de brouillage intersym-

bole qui correspond à un point de convergence.

3 Dispositif selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 ou 2, caractérisé en ce que les instants discrets coïncident avec des instants d'ouverture maximale de l'oeil

de signal.

4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection ( 102, 105) génèrent un signal de sortie ayant un premier état (par exemple un état logique " 1 ") ou un second état (par exemple un état logique "O") aux instants discrets* Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de génération de signal de correction ( 108, 110, 114) divisent le nombre de premiers états par - 30 qx+p et divisent les instants discrets par qn, en désignant

par x le nombre de niveaux de signal au-dessus du niveau pré-

déterminé, par N le nombre total de niveaux de signal numéri-

que et par p/q une fraction qui satisfait la relation

<p/q C 1.

6 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de génération de signal de correction ( 108, 110, 114) divisent le nombre de seconds états par qx+p et divisent les instants discrets par qn, en désignant par x le nombre de niveaux de signal au-dessous du niveau prédéter- miné, par N le nombre total de niveaux de signal numérique et

par p/q une fraction qui satisfait la relation O< p/q Zl.

7 Dispositif selon l'une quelconque des revendica-

tions 5 ou 6, caractérisé en ce que p/q est égal 1/2.

8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les instants discrets coïncident avec les instants

d'ouverture maximale de l'oeil de signal.