NO302330B1 - Fremgangsmåte og anordning for taktgjenvinning ved mottagelse av digitale basis båndsignaler - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår digital transmisjon og nærmere bestemt en fremgangsmåte og anordning for taktgjenvinning ved mottakelse av digitale basis båndsignaler, som angitt i henholdsvis innledningen til krav 1 og krav 4.

Et av hovedproblemene som skal bli løst i forbindelse med datamottakende og sendende anordninger, slik som for eksempel modem, er riktig rekonstruksjon av taktmottakersignalene uansett hvilken sendekanal anvendes (koaksial kabel, optisk fiber, radiolink etc).

Spesielt er det ønskelig å rekonstruere og bruke mottakelses-taktsignalet nedstrøms for demodulatoren under antagelse av at på transmisjonskanalen er det kun datasignal og ikke noe taktsignal.

Det rekonstruerte taktsignalet ved mottakelsen tjener til å sample ved regelmessige tidsintervaller og følgelig lese riktig mottatt datasignal.

For noen typer modulasjon, for eksempel flernivå QAM modulasjon (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM) og alltid hvor der er kraftig intersymbol interferens på grunn av spredningsfenomen på sendekanalen, for eksempel selektiv fading, blir for korrekt tolkning av det mottatte signal anbringelsen av samplingsøyeblikket innenfor tilknyttet intervall kritisk.

Forskjellig taktgjenvinningsanordninger er kjent ved mottakelse av digitale basis båndsignaler, men bruk av disse kjente anordningene blir problematisk når det er nødvendig å bestemme med stor nøyaktighet og stabilitet øyeblikket for samplingen av det mottatte signalet på grunn av følgende hovedulemper: - driving av optimal samplingsøyeblikk på grunn av termiske eller eldringsgrunner, er spesielt ved anordninger som krever innstilling av taktsignalfasen, flyktighet ved styresignalet til taktsignalfasen påtruffet i alle anordninger som styrer fasen automatisk med visse algoritmer på grunn av at styresignalet ofte har en iboende støy som danner en uakseptabel ustabilitet på samplingsøyeblikket,

utilstrekkelig nøyaktighet ved styresignalet på grunn av det faktum at tidspunktet for samplingsøyeblikket er optimalt ved kun termisk støy på sendekanalen eller ikke tilstedeværelsen av selektiv fading.

Et tidligere taktgjenvinningssystem av kjent type er for eksempel beskrevet i artikkelen av L.E. Franks, G.B. Bubrousky med tittelen "Statistical properties of timing jitter in a PAM timing recovery scheme", IEEE Transactions on Communications bind. COM-22, s. 913-920, juli 1974.

Dette kjente systemet utleder en klokke-frekvenslinje fra spektrumet til det mottatte datasignalet enten i mellom-frekvensbåndet eller i basisbåndet ved en ikke-lineær operasjon og påfølgende filtrering av linjen med en smal-båndfiltrering. Dette systemet er også brukt mye i dag ved praktisk utførelsesform av QAM demodulatorer og ofte foretrukket fremfor nyere systemer på grunn av sin enkelthet, operasjonssikkerhet, som ikke er avhengig av rekonstruksjons-sløyfen til bærerbølgen eller utjevningsstyresløyfen i basisbåndet og som har en god oppførsel ved tilstedeværelsen av selektiv fading.

Uheldigvis er ikke dette systemet heller fritt for ulemper og den mest alvorlige er drivingen enten termisk eller på grunn av elding av det optimale samplingsøyeblikket.

De nyere kjente samplingssystemene fremviser tvilsom oppførsel ved tilstedeværelsen av selektiv fading. Dette er på grunn av hovedsaklig forstyrrelsen i følsomheten til den såkalte S-kurven (definert nedenfor og hvilken oppførsel indikerer verdien av taktgjenvinningsalgoritmen) med økning av egenstøyen og usikkerheten i konvergensen til algoritmen som styrer taktsignalfasen. Det kan også bli påtrukket null-gjennomganger til S-kurven i uønskede taktposisjoner, spesielt ved pejorative verdier for middelkvadratfeil. Vanligvis bruker disse systemene en enkelt signalsampel pr. symboltidspunkt og tillater ikke utledning av tilstrekkelig informasjon for rekonstruksjon av taktsignalet.

En første taktgjenvinningsanordning av samplingstypen, som bruker mer enn en signalsampel pr. symboltid er beskrevet i US-A-4 333 060. Den beskrevne anordningen er en faselåst sløyfe for gjenvinning av databittakt, hvilke mottatte databiter blir samplet ved to ganger databitfrekvensen. Samplene ble tatt ved gjennomsnittet av hver databit og gjennomsnittet for hver overgang mellom databitene. Forskjellen som finnes mellom en overgangsbitsampel og gjennomsnittet av to middelbitsampler tilliggende overgangsbit-sampelen er et feilsignal, som valgvis normalisert og samplet ved databitfrekvensen, styrer VCO.

Denne kjente taktgjenvinningsanordningen unngår ulempene ved tidligere kjente gjenvinningsanordninger ved hvilken feilspenning, for å styre en VCO, tilveiebringes ved hjelp av en differensiator som detekterer overgangene fra en bit til neste. Når amplituden til mottatte pulser (PAM) er uavhengig av hverandre som i en PCM-ramme, gjør den ubestemte arten overgangen mellom tilliggende pulser det vanskelig å bruke overgangene for å gjenvinne databittakting.

Med hensyn til oppførselen til faselåste sløyfer ved tilstedeværelse av selektiv fading er det ikke nevnt noe i US-publikasjonen og følgelig heller ikke noen bestemte kretskomponenter er bestemt for å unngå denne ulempen.

Det har vært foreslått en taktgjenvinnlngsanordning av samplingstypen som anvender to signalsampler pr. symboltid og som er beskrevet i en artikkel av F.M. Gardner "A BPSK/QPSK timing error detector for sampled receivers", i tidsskriftet IEEE Transactions on Communications bind. COM-34, s. 423-429, mai 1986. Algoritmen fremstilt med denne anordningen gjør taktgjenvinningen uavhengig av bærerbølgefasen og følgelig av dens rekonstruksjonssløyfe, men har fremdeles den ulempen at følsomheten til S-kurven ved samplingsøyeblikket ikke er svært høy. Spesielt under tilfeller med selektiv fading sammenfaller ikke null-gjennomgangspunktene til S-kurven med minimumspunktene til middelkvadratfeilen, som gir høyere feil sannsynlighet.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å overvinne ovenfor nevnte ulemper og å tilveiebringe en fremgangsmåte og en taktgjenvinningsanordning av samplingstypen, som bruker to signalsampler pr. symboltid for gjentakelse av digitale basis båndsignaler. Anordningen tilveiebringer et styresignal (for en lokal oscillator som genererer et taktsignal) gitt hovedsaklig av produktet til et feilsignal bestemt ved det generiske taktøyeblikket og forskjellen mellom verdiene til de rekonstruerte symbolene tatt ved et halvsymbolintervall hhv. forutgående og etter samplingsøyblikket. Styresignalet tilveiebrakt på denne måten tillater generering av et taktsignal, hvilke posisjoner med ekstrem nøyaktighet og stabilitet tilsvarer samplingsøyeblikkene til det mottatte signalet ved minimumspunktene til middelkvadratfeilkurven selv under selektive fadingstilstander.

Ovenfor nevnte formål tilveiebringes ved hjelp av en fremgangsmåte for taktgjenvinning som beskrevet i karakteri-stikken til krav 1.

En anordning for å utføre fremgangsmåten er angitt i krav 4.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen av fremgangsmåten og anordningen for utførelse av fremgangsmåten fremgår av de øvrige uselvstendige kravene.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere ved hjelp av et eksempel av en utførelsesform og med henvisning til tegningene, hvor: fig. 1 viser kretsdiagram for anordningen ifølge fore liggende oppfinnelse, og

fig. 2 og 3 viser typiske forløp i forhold til tid av S-kurven og middelkvadratkurven.

Fig. 1 viser en mulig krets for realisering av anordningen som er en del av foreliggende oppfinnelse. Før det gis en detaljert beskrivelse av kretsen, skal det gis en funksjonell beskrivelse av operasjonssekvensene. Det skal henvises til fig. 1 med hensyn til symbolene som er angitt på fig. 1 for å indikere de forskjellige elektriske signalene.

Tidsgjenvinningskretsen ifølge oppfinnelsen behandler et demodulert signal ved mottakelse av x(t) egnet omformet til en sekvens med symboler med xn(t) hvor n er symbol^ndeksen og t varierer med grunnsymbolintervallet T.

Behandlingen fører til tilveiebringelsen av et signal Un(t) for å styre en tilbakekoblingsanordning innbefattende en spenningsstyrt lokaloscillator (VCO). VCO genererer et taktsignal CK anvendt for å sample det demodulerte signalet xn(t) og ta et rekonstruert signal ved mottakelsen yn(t). Siden der er to demodulerte signalsampler tatt for symboltiden T vil taktsignalet CK ha en nominell frekvens som er det dobbelte av den til symbolet. Det demodulerte signalet xn(t) og signalet rekonstruert ved mottakelsen yn(t) er dessuten sammensatt av sampelsekvensene xn(to) og yn(to) henholdsvis, hvor to er fellessamplingsøyeblikket. Fra sekvensen med samplene yn(to) vil det tilveiebringes en sekvens med signaler rekonstruert ved mottakelsen.

Det er kjent at det demodulerte signalet x(t) forståes som kompleks og bestående av en reel del som representerer signalet i fasen og en imaginær del som representerer signalet i kvadratur.

dn indikerer sekvensen for sendte symboler, likeledes komplekse og antatte stasjonære med null middelverdi og uavhengige symboler.

For at styresignalet Un(t) skal kunne låse lokaloscillatoren VCO til sendingen av taktsignalet, er det nødvendig at funksjonen Un(to) har en enkel null-gjennomgang med en gitt stigning, for eksempel positiv, idet symbolintervallet T som innbefatter to og at kryssingsøyeblikket korresponderer med en minimumsverdi for middelkvadratfeil.

Funksjonen Un(to) er i og for seg kjent og vil heretter bli kalt S-kurven som representerer middelverdien for Un(to). Verdien for to for hvilke S-kurven er null representerer samplingsøyeblikket.

Uttrykket for det mottatte signalet med henvisning til samplingen av felles øyeblikk for sampling to vil være: hvor h(t), med t = to-kT, er pulsreaksjonen til hele sendekanalen gitt av et uttrykk av typen:

dvs. gitt av omhyll ingsproduktet til en funksjon (g)t som tilfredsstiller første Nyquist kriteriet og en annen

tidsfunksjon som representerer sendekanalen påvirket av selektiv fading.

Dette samsvarer med modellen beskrevet av W.D. Rummler i artikkelen "A new selective fading model: application to propagation data", B.S.T.J., bind 58, s. 1037-1071, mai-juni 1979. Ved denne modellen kalt "two rays model" blir selektiv fading beskrevet ved amplituden til den reflekterte strålen p ved dens forsinkelse t og ved smalbåndfrekvensen fn. 5(t) indikerer Diracs deltafunksjon.

I uttrykket (2) er dessuten virkningen av tillagt termisk støy i det mottatte signalet ignorert på grunn av at denne støyen ikke influerer på bestemmelsen av S-kurven, og følgelig heller ikke på kretsens ytelse.

For delvis nøytralisering av effektene av selektiv fading blir en ligningsoperasjon i basisbåndet, i og for seg kjent, aktivert på de mottatte samplene xn(to) ved hjelp av et adaptivt transversalfilter (EQ) som har 2L+1 uttak med tilpassbare koeffisienter Ci (-L < i < L).

Styresignalet Un(to) blir tatt fra sekvensen av rekonstruerte sampler yn(to) allerede utjevnet i basisbåndet. Fra de rekonstruerte samplene yn(to) blir så tatt symbolutgangssig-nalet til mottakeren.

Pulsreaksjonen til sendekanalen må så tas med i beregningen ved denne utligningen tilveiebragt ved en ekvivalentpuls-reaksjon på heq(to) gitt av:

Ved det felles samplingsøyeblikket to vil følgende fremstå:

Vi skal nå definere et feilsignal En(to):

hvor yner bestemmelsen av samplen yn(to) beregnet ved hjelp av en avgjørelseskrets av kjent type i mottakeren. Bestemmelsen er konstant over hele symbolintervallet T innbefattende to og avhenger ikke to.

Middelkvadratfeilen MSE tilknyttet feilsignalet ved øyeblikket to vil være:

Dersom det er ønskelig å følge kriteriet for minimalisering av middelkvadratfeilen i samplingsøyeblikket, for å bestemme optimal samplingsøyeblikk, har det i samsvar med foreliggende oppfinnelse blitt bestemt at styresignalet Un(to) er gitt av følgende uttrykk i kompleks notasjon:

hvor symbolet R indikerer den reelle delen til uttrykket i parenteset, mens symbolet<*>indikerer komplekskonjugert verdi for<y>n. ;Det skal bemerkes at ved formelen (7) er uttrykket i ;N ;firkantparentesen et tilnærmet differensial av yni forhold ;♦ ;til to, dvs. Ayn(to) og følgelig (7) er en tilnærming av uttrykket tilveiebragt ved minimalisering, dvs. derivering, av MSE i forhold til to. ;Ved en ligning (5) skal yn betraktes som konstant sammenlig-net med to og det tilveiebringes da følgende: ;Det ble nevnt ovenfor at verdien for to for hvilke S-kurven er null representerer samplingsøyeblikket og at nevnte øyeblikk to også må være den for hvilket det er et minimum i oppførselen til funksjonen MSE, dvs. det må være øyeblikket i hvilket det er minimal feil sannsynlighet ved rekonstruksjonen av sendte symboler. ;Man skal derfor verifisere oppførselen i tid for S-kurven og for MSE. ;Uttrykket for S-kurven er utledet fra middelverdien til ligningen (7) i forhold til n, dvs. ;hvor d<2>er middelkvadratverdien for symbolet dn. ;Koeffisientene Cj^(to) til transversalfilteret må bli beregnet på nytt for hver to. Dersom utjevneren derfor bruker minimaliseringskriteriet for middelkvadratfeilen (MMSE) vil koeffisientene kunne bli gitt ved følgende matriseuttrykk: ;dvs. koeffisientvektoren C er gitt av produktet av en invers korrelasjonsmatrise (A)-<*>, hvor felleselementet a-[j(to) til matrisen er: og kanalvektoren h er gitt av:

hvor de forskjellige komponentene for h er kompleks kon-jugerte verdier for funksjonen (2) i suksessive samplings-øyeblikk.

Eksperimentelle tester og datamaskinsimuleringer har blitt utført under kanalbetingelser forstyrret av tilstedeværelsen av selektiv fading, med BER=10~<3>for et 16-QAM modulasjons-system med bit-hastighet lik 70 Mb/s med å se tendensen til S-kurven og til MSE som en funksjon av to for to forskjellige verdier av smalbåndfrekvens fn, vist henholdsvis på fig. 2 og 3. På fig. 2 er tendensen for fn = 0,2 fs, mens på fig. 3 er den for fn = 0,4 fs hvor fs er symbolfrekvensen.

Fig. 2 og 3 viser på horisontalaksen en tidsskala normalisert i forhold til symbolintervallet T og sentrert i forhold til to = 0, mens på vertikalaksen er vist en målestokk som er logaritmisk i dB for tendensen til MSE vist med en heltrukket linje og lineær for tendensen for S-kurven som er vist med en stiplet linje.

Det fremgår av begge figurene at seksjonen til S-kurven med en positiv stigning krysser null i samme øyeblikk som minimumet for MSE verdiene forekommer, noe som nettopp var ønsket å tilveiebringe.

Det skal nå henvises til kretsdiagrammet på fig. 1 hvor det representerer en av de to delene med hvilket det er ment å danne taktgjenvinningsanordningen som er formålet ved foreliggende oppfinnelse. Det ble nevnt ovenfor at det demodulerte signalet x(t) er kompleks. For å tilveiebringe taktgjenvinningen er dens to reelle og imaginære komponenter underlagt samme type bearbeidelse. På fig. 1 er det vist et behandlingskretsdiagram for kun en av de to komponentene til x(t). Med unntak av blokkene indikert med Re, FF3.DA, PB, DV og VCO, som er enkle, skal de andre forstås som duplikat for hver av de to komponentene x(t).

På fig. 1 AD vises en normal analog-digital omformer som mottar en av de to komponentene til det demodulerte signal x(t) og synkronisert med taktsignalet CK, og tilfører ved utgangen en sekvens med sampler for det mottatte signalet som består av to sampler pr. symbol tidspunkt T. Hver sampel blir kvantifisert med m bit, dvs. m = 8.

For midlertidig kongruens med de andre signaler på fig. 1 ved utgangen til AD blir samplen antatt å være tatt ved øyeblikket to+T/2 og er så antydet på figuren ved xn(to+T/2).

EQ indikerer et adaptivt transversalfilter av kjent type med 2L+1 uttak og som utgjør basisbåndet utjevningsfunksjonen til sekvensen med sampler xn(to+T/2) i samsvar med ligningen (3), (4) og (10). Da konstruksjonen av EQ filteret er hovedsaklig kjent, skulle fagmannen på området kunne lage det på basis av det ovenfor angitte, for eksempel ved å la L = 5.

EO er synkronisert ved hjelp av taktsignalet CK og tilfører ved utgangen sekvensen med rekonstruerte sampler allerede utlignet og representert med m biter. For midlertidig kongruens blir samplen yn(to+T/2) betraktet som tatt ved øyeblikket to+T/2.

FF1 og FF2 indikerer to blokker forbundet i kaskade, hver innbefattende m flipp-flopper og anvendt som forsinkel-seselementer for sekvensen med rekonstruerte sampler yn(to+T/2) mottatt fra EQ. Hver av de to blokkene forsinkes med en tid lik T/2 mottatte sampler, som blir synkronisert av signalet CK som har en frekvens lik det dobbelte av symbolfrekvensen.

FF1 mottar samplene yn(to+T/2) og tilfører samplene i yn(to). Utgangen til FF1 er også en av de to utgangene fra hvilke et er tatt symboler rekonstruert ved mottakelsen, idet samplingsøyeblikket to blir tatt som en referanse.

FF2 mottar samplene Yn(to) og tilfører ved utgangen samplene<y>n(to-T/2).

ST indikerer en normal subtraherer med m biter som subtraherer utgangssignalet til FF2 fra inngangssignalet til FF1, tilfører ved utgangen et signal DIF som representerer uttrykket i firkantparentesen i formel (7).

ER indikerer en blokk som beregner feilsignalet En(to) definert i ovenfor i (5). ER er således realisert ved hjelp av en m bit subtraherer, som subtraherer fra utgangssignalet til FF1 bedømmelsessignalet yn.

Dette siste signalet tilføres av en avgjørelseskrets ikke vist på figuren siden den er av kjent type og allerede tilstede i mottakeren.

Utgangssignalene DIF til ST og En(to) til ER er forbundet med inngangene til en normal multiplikator ML med m bit innganger. Utgangen Ml kan også være begrenset til de første m-biter til resultatet.

RE indikerer en blokk som beregner den reelle delen R til uttrykket (7) på basis av signalene mottatt fra utgangen Ml til blokken ML vist på figuren og fra utgangen M2 til den ekvivalente blokken til delen av den ikke viste kretsen, i forhold til den andre signalkomponenten.

RE er utført ved hjelp av en normal m bit adderer. Ved dens utgang er der et styresignal Un(to) med en periode lik t/2. RE utgangen tilføres inngangen til en blokk FF3 som har funksjonen av å bringe styresignalet Un(to) til en fremstill-ing med en enkelt sampel for symboltiden T. FF3 består av en gruppe m flipp-flopp synkronisert ved hjelp av et signal CK2 som har perioden T tatt fra taktsignalet CK via en deler ved hjelp av en tokrets DV.

Styresignalet ved utgangen til FF3 blir så omformet til en analog form ved hjelp av en digital-analog omformer DA og påfølgende filtrert av et filtrerende nettverk PB av lav-pass typen og tilført en normal lokal spenningsstyrt oscillator

VCO.

Som allerede nevnt oscillerer VCO ved en nominell frekvens lik det dobbelte av den til symbolfrekvensen og tilføres ved utgangen til taktsignalet CK.

Utallige variasjoner av utførelsen som er beskrevet som et eksempel på fig. 1 er mulig uten at det går utenfor rammen av oppf innelsen.

For eksempel er det mulig å utføre operasjonen på basisbånd utjevnet ved hjelp av blokken EQ uten å degradere i vesentlig grad den totale ytelsen i kretsen.

Det er også mulig å redusere antallet signifikante biter til resultatet av summen utført på blokken RE og til og med kun betrakte fortegnbiten og fremdeles oppnå det ønskede resultatet med riktig gjenvinning.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte ved taktgjenvinning ved mottakelse av digitale basisbåndsignaler samplet av et taktsignal for å tilveiebringe to rekonstruerte signalsampler pr. symbol intervall T, idet taktsignalet har en nominell periode lik halvparten av symbolintervallet og er fasestyrt av et styresignal,karakterisert vedat styresignalet [Un(to)] tilveiebringes hovedsaklig av produktet av et rekonstruksjonsfeilsignal [En(to)], som bedømmes ved felles samplings-øyeblikk (to), og forskjellen mellom de rekonstruerte samplene, som tas henholdsvis ved et halvt symbolintervall forutgående [yn(to+T/2)] og etterfulgt av [yn(to-T/2)] samplingsøyeblikket, og at rekonstruksjonsfeil-signalet [En(to)] frembringes ved hjelp av forskjellen mellom den rekonstruerte sampelen [yn(to)], tatt ved samplingsøyeblikket (to) og et bedømmelssignal (yn)"til den rekonstruerte sampelen [yn(to)], idet bedømmelsessignalet er konstant i symbolintervallet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat på de rekonstruerte samplene utføres først en transversal tilpasningsfiltrerings-operasjon i basisbåndet med tilpassbare filterkoeffisienter.

3. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene ovenfor,karakterisert vedat styresignalet [Un(to)] synkroniseres med en periode lik symbolintervallet.

4. Taktgjenvinningsanordning ved mottakelse av komplekse digitale signaler i basisbånd samplet ved hjelp av et taktsignal for å tilveiebringe to sampler av et rekonstruert komplekssignal pr. symbolintervall T, idet taktsignalet har en nominell periode lik en halvdel av symbolintervallet og tilveiebringes fra en lokal oscillator styrt av et styresignal, idet anordningen omfatter to analog-digitale omformere (AD) med m biter som sampler komponentene til det digitale komplekse signalet på basis av taktsignalet og tar to sekvenser av mottatte signalsampler [xn(to)],karakterisert vedat den også innbefatter to kretsgrener for hver av komponentene, idet hver gren innbefatter: et adaptivt transversalfilter (EQ) med 2L+1 uttak og tilpasningskoeffisienter som synkronisert med taktsignalet (CK) filtrerer sekvensen til mottatte signal samplene [xn(to)] og tilveiebringer en sekvens med rekonstruerte sampler [yn( to )] , - en første blokk med m flipp-flopper (FF1) som synkronisert med taktsignalet (CK) forsinker med en tid lik et halvt symbolintervall (T/2) de rekonstruerte samplene som den mottar fra transversalfiltere (EQ), en andre blokk med en flipp-flopper (FF2) som, synkroni sert med taktsignalet (CK), forsinker med en tid lik en halvdel av symbolintervallet (T/2), de rekonstruerte samplene den mottar fra første blokken (FF1), en første m-bit subtraherer (ST) som subtraherer utgangen av den andre blokken (FF2) fra utgangen av det transver-sale tilpasningsfilteret (EQ), en. andre m-bit subtraherer (ER) som subtraherer fra de rekonstruerte samplene, tilstede ved utgangen til den første blokken (FF1), et bedømmelsessignal (yn) av de rekonstruerte samplene, som tilveiebringer et rekonstruksjonsfeilsignal [En(to)], en multiplikator (ML) som multipliserer utgangs signalene av den første subtraherer (ST) og den andre subtraherer (ER), og at den innbefatter en adderer (RE) ved utgangen av multiplikatorene (ML) til de to grenene, idet addereren tilveiebringer styresignalet [Un(to)].

5 . Anordning ifølge krav 4, karakterisert vedat utgangen til addereren (RE) tilføres en tredje blokk med m flipp-flopper (FF3) synkronisert av et signal (CK2) tatt ved hjelp av en deler (DV) som deler med to taktsignaler (CK).