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Einrichtung zur emvpfangsseitigen Phasensynchronisation des
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Abtasttaktes auf die Phasenlage der Zeichen eines empfangenen Zeitmultiplex-Zeichenstroms.
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Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Eine derartige Einrichtung ist bekannt aus IEEE-Transactions, Band
COM-16 4. August 1968, S. 597 bis 605. Der Rahmentakt wird dort aufgrund des Rahmenkennungswortes
(Unique Word) durch digitale Korrelation ermittelt, wogegen der Bittakt aufgrund
eines zusätzlichen, dem Rahmenkennungswort vorangestellten Bitmusters auf irgend
eine nicht beschriebene Weise ermittelt wird. Die bekannte Einrichtung dient für
Satelliten-Nachrichtenübertragungssysteme mit Zeitmultiplex-Vielfachzugriff. Aber
auch bei leitungsgebundenen Zeitmultiplex-Übertragungssystemen, beispielsweise bei
Zweidraht-Vollduplex-übertragungssystemen über die Fernsprech-Teilnehmeranschlußleitung
stellt sich empfangsseitig das Problem, den Rahmentakt, sowie die Phase Abtasttaktes
auf die empfangenen digitalen Zeichen zu synchronisieren.
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Dies ist besonders schwierig, wenn die empfangenen digitalen Zeichen
stark verzerrt sind und erst nach Ermittlung der geeigneten Taktphase des Abtasttaktes
entzerrt werden können.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der genannten
Art anzugeben, die auch für einen Empfangs-Zeichenstrom mit starker Verzerrung geeignet
ist.
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Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegeben gelöst.
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Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Grundprinzip der Erfindung anhand einer vereinfachten
Folge von Werten der Kreuzkorrelationsfunktion a) im nicht phasensynchronen Zustand
des Abtasttaktes b) im phasensynchronen Zustand des Abtasttaktes, Fig. 2 ein Blockschaltbild
der erfindungsgemäßen Einrichtungtund Fig. 3 eine Ausführungsform des in Fig. 2
gezeigten Glättungsakkumulators.
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Die neue Synchronisationseinrichtung empfängt an ihrem Eingang die
Abtastwerte des empfangenen, beispielsweise aus ternären Zeichen bestehenden, Zeichenstroms,
wobei jedes der ternären Zeichen einmal abgetastet wird. Die im Abtasttakt aufeinanderfolgenden
Abtastwerte X(i) werden nun in einem digitalen Korrelator mit einem empfangsseitig
gespeicherten Rahmen kennung swo rt, das beispielsweise aus 12 binären Zeichen besteht,
korreliert, so daß im Abtasttakt aufeinanderfolgende Werte K(i) der Kreuzkorrelationsfunktion
gebildet werden. Mathematisch lassen sich diese Werte ausdrücken als:
wobei W(12- M) jeweils ein Bit des 12-Eit-Rahmenkennungsworts bedeutet. Abgesehen
von Verzerrungen müßte die Kreuzkorrelationsfunktion K(i) immer dann einen maximalen
Wert annehmen, wenn die mit dem Rahmenkennungswort zu synchronisierenden
Abtastwerte
X(i - L' ) die Abtastwerte des im Zeichenstrom in Abständen einer Rahmenperiode
enthaltenen Rahmenkennungswortes sind. Eine Rahmenerkennungsschaltung sucht nun
aus der gesamten Folge K(i) der Werte der Kreuzkorrelationfunktion die in Abständen
einer Rahmenperiode wiederkehrenden relativen Maxima auf,Im Beispiel nach Fig. la
sind dies die Werte mit dem Index iO 0 bzw. dem Index (i0+ 108). Die Indizes unterscheiden
sich deshalb um 108 Perioden des Abtasttaktes, weil ein Rahmen beim vorstehend beschriebenen
Beispiel aus 108 Zeichen bestehen soll. Die wiederkehrenden relativen Maxima teilen
also dem Empfänger den Rahmentakt des empfangenen Zeitmultiplexsignals mit. Würde
man beim Abtasten die Abtastperiode gegen Null gehen lassen, so ergäbe sich der
in Fig. 1 durchgehend gezeichnete vereinfachte Verlauf der Korrelationsfunktion,
der zeigt, daß die bei der Abtastung mit der Abtastperiode T entstehenden Werte
K(i) von der Phase des Abtasttaktes abhängig sind. So lassen sich bei der Phasenlage
des Abtasttaktes, die in Fig. la gezeigt ist, die maximal möglichen Werte der Kreuzkorrelationsfunktion
uberhaupt nicht erfassen. Verschiebt man jedoch die Phasenlage des empfangsseitigen
Abtasttaktes auf die in Fig. Ab gezeigte Lage, so sind die erkannten wiederkehrenden
relativen Maxima K(i 0> auch tatsächlich die echten Maxima der Kreuzkorrelationsfunktion.
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Die Kreuzkorrelationsfunktion hat nun bei geeigneter Wahl des Rahmenkennungsworts
die Eigenschaft, daß sie die Impulsantwort der übertragungsstrecke näherungsweise
reproduziert, d. h. die Maxima der Kreuzkorrelationsfunktion liegen auch bei den
Maxima der Impulsantwort, so daß die
Taktphase, welche die maximalen
Werte der Kreuzkorrelationsfunktion ergibt, auch die maximalen Werte der Impulsantwort
ergibt und daher die gewünschte Taktphase zur Abtastung der empfangenen Zeichen
ist.
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Zur Nachstellung der Phasenlage des Abtasttaktes werden nun gemäß
der Erfindung Werte der Korrelationsfunktion verwendet, die in der Umgebung des
wiederkehrenden Maximums K(io) liegen. Beispielsweise kann dazu jeweils der den
wiederkehrenden Maximalwert vorausgehende Wert K(i0-1) und der dem wiederkehrenden
Maximalwert nachfolgende Wert K(i0 + 1) verwendet werden. Wie die Fig. 1a zeigt,
ist die Differenz #K(i0) dieser Werte von Null verschieden, wenn der Wert K (i0)
nicht der tatsächliche Maximalwert ist. Daher kann diese Differenz #K(i 0) als Regelgröße
zur Nachregelung der Taktphase verwendet werden. Wie die Fig. Ib zeigt, verschwindet
die Differenz t K(io) dann, wenn K(i0) 0 der maximal mögliche Wert der Korrelationsfunktion
beim gerade vorliegenden Abtastwert X(i 0> ist. Die Fig. Ib gibt also die Phasenlage
des Abtasttaktes im eingeregelten phasen synchronen Zustand wieder.
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Zu Fig. 1 sei darauf hingewiesen, daß der Verlauf der Korrelationsfunktion
gegenüber dem tatsächlich zu erwartenden Verlauf stark idealisiert ist. In Wirklichkeit
sind die wiederkehrenden relativen Maxima wegen der starken Verzerrungen des empfangenen
Zeichenstroms weitaus schlechter zu erkennenound den aufeinanderfolgend festgestellten
Differenzwerten d K ist eine Zufallsfolge überlagert, so daß die Differenzen #K
erst nach einer Glättung als zuverlässige Regelgröße verwendet werden können.
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Anhand der Fig. 2 wird nun ein Blockschaltbild der neuen Synchronisationssinrichtung
beschrieben.
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Wie bereits erwähnt, gelangen die Abtastwerte X(i) der empfangenen
Zeichen jeweils als 8-Bit-Wörter auf den Eingang eines digitalen Korrelators 1,
der mit dem empfangsseitig gespeicherten Rahmenkennungswort fortlaufend die oben
angegebenen Werte K(i) im Abtasttakt bildet.Dazu wird der digitale Korrelator wie
gezeigt mit dem gerade vorliegenden Zeichen-Abtasttakt betrieben. Die Werte K(i)
der Kreuzkorrelationsfunktion, die ebenfalls 8-Bit-Wörtersindsgelangen nun auf eine
Rahmenerkennungsschaltung 2, die mit einfachen logischen Schaltmitteln die Lage
der wiederkehrenden relativen Maxima der Kreuzkorrelationsfunktion und damit den
Rahmentakt des empfangenen Zeitmultiplexsignals ermittelt. Zu dieser Ermittlung
verwendet die Rahmenerkennungsschaltung 2 den Zählerstand i eines Modulo 108-Zählers
3, an dessen Zähleingang der Zeichen-Abtasttakt liegt Der Index i wird deshalb Modulo
108 gezählt, weil es bekannt ist, daß sich das Rahmenkennungswort jeweils nach 108
Zeichen wiederholt. Mit jedem Ausgangssignal der Rahmenerkennungsschaltung 2, das
ein erkanntes wiederkehrendes Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion bedeutet,wird
der ZähLer 3 über seinen Rücksetzeingang R auf einen festen Zählerstand i0, der
beispielsweise gleich Null ist zurückgesetzt. Dieser Rahmentakt bestimmt nun, welche
Werte der Kreuzkorrelationsfunktion aus dem gesamten Wertevorrat K(i) ausgewählt
und zur Bildung der Regelgröße verwendet werden. Wie anhand der Fig. 1 er-Läutern
pind dies die Werte K(io+1) und K(io-1) welche in der Umgebung des als wiederkehrendes
Maximum erkannten Wertes K(io) Liegen. Da der Zähler 3 wie angegeben zum Zeitpunkt
0
auf Null gestellt wird, ist der Wert K(io+7) dann verfügbar, wenn der Zähler 3 den
Zählerstand 1 hat. Sämtliche Werte K(i) gelangen aufeinanderfolgend vom Ausgang
des digitalen Korrelators 1 auf eine Subtraktionsschaltung 4 die beim Zählerstand
1 des Zählers 3 und bei keinem anderen Zählerstand in Betrieb gesetzt wird, dadurch
daß beim Zählerstand 1 vom entsprechenden Zählerausgang ein Steuersignal auf eine
Steuereingang S der Subtraktionsschaltung 4 gegeben wird. Am anderen Signaleingang
der Subtraktionsschaltung 4 erscheinen Ausgangswerte K(i) des digitalen Korrelators
mit einer Verzögerung um zwei Perioden T des Abtasttaktes, die in einem Verzögerungsglied
5 stattfindet.
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Während also das positive Steuersignal am Eingang S liegt, bildet
die Subtraktionsschaltung 4 die Differenz dK(i r 0 aus den Werten K(i 0+1) und K(io-1)
der Kreuzkorrelationsfunktion. Alle anderen Werte der Kreuzkorrelationsfunktion
werden nicht verwendet. Wie erwähnt, bedürfen die aufeinanderfolgend gebildeten
Werte K(i0) der Glättung, die in einem der Subtraktionsschaltung nachgeschalteten
Glättung akkumulator 6 stattfindet. Der Glättungsakkumulator 6, der anhand von Fig.
3 noch näher erläutert wird1 erhält somit jeweils im Rahmentakt einen Eingangswert
AK(io) und gibt an seinem Ausgang in Abständen, die ebenfalls gLeich einer Rahmenperiode
sind, eine Nachstellinformation tP ab, die direkt zur Phasennachstellung der Phase
des Zeichen-Abtasttaktes um eine entsprechende Anzahl von Schritten verwendet werden
kann. Die Nachstellinformation bP ist vorzugsweise eine ganze Zahl, die auch gleich
Null seir kann. Diese Nachstellinformation AP, für die einschließlich ihres Vorzeichens
5 Bitsausreichen, ist in-der Lage, eine Torschaltung 7 zur Auswahl der geeigneten
Taktphase anzusteuern.
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An einer Reihe von parallelen Eingängen empfängt
die
Torschaltung 7 den Abtasttakt von einem Referenzoszillator 8 mit'der Taktper i ode
T und jeweils einer anderen Taktphase, wobei die Taktphasen der an den einzelnen
Eingängen der Torschaltung aufeinanderfolgend um jeweils einen gleichen Phasenschritt
gegeneinander verschoben sind.
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Wenn man beispielsweise die Phase des Abtasttaktes in 128 Schritten
verstellbar machen will, so gibt man den Referenztakt vom Ausgang des Referenzoszillators
8 auf eine Kette von 128 Verzögerungsgliedern 9, deren jedes die Phase des Taktes
um -128 gegenüber dem in der Kette vorangehenden verzögert. Die vor- und nach den
Verzögerungsgliedern 9 verfugbaren Takte bilden nun die parallelen Eingangstakte
der Torschaltung 7, von denenzgesteuert durch die Nachstellinformation ßPtjeweils
nur einer als der Zeichen-Abtasttakt mit der nachgestellten Phase ausgewählt wird.
Die Phasennachstellung in der Torschaltung 7 geschieht derart, daß die Phase um
soviel Schritte vor- oder zurückverschoben wird, wie dies die Nachstellinformation
dP einschließlich ihres yorzeichens angibt. Ist t P beispielsweise gleich +3, so
wird in der Torschaltung der gerade durchgeschaltete Takt gesperrt und statt dessen
der um drei Phasenschritte mehr verzögerte Takt durchgeschaltet. Ist andererseits
die Nachstellinformation tP = -2, so wird in der Torschaltung 7 von dem gerade durchgeschalteten
Takt auf den um zwei Phasenschritte weniger verzögerten Takt umgeschaltet, der dann
als nachgestellter Zeichen-Abtasttakt in der gesamten Einrichtung verwendet wird.
Dieser Zeichen-Abtasttakt gelangt von der Torschaltung 7 auf den digitalen Korrelator
1 und den Zähler 3 sowie auf andere Empfangseinrichtungen, die im Takt der empfangenen
Zeichen betrieben werden müssen, beispielsweise auf die nicht gezeigte
Abtast-
und Halteschaltung. Somit stellt die beschriebene neue Synchronisationseinrichtung
eine digitale Phasenregelschleife dar, die dadurch sich von allen bekannten digitalen
Phasenregelschleifen unterscheidet, daß sie sowohl die Rahmensynchronisation als
die Zeichentaktsynchronisation durchführt.
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Abschließend sei noch der Glättungsakkumulator 6 nach Fig. 2 anhand
der Fig. 3 erläutert. Die am Eingang erscheinenden Differenzwerte OK(i0) werden
in einem Multiplizierer 71 mit einem Faktor a multipliziert, der kleiner als 1 ist.
Die multiplizierten Werte a - 4 4K(i0) gelangen auf einen Addierer 12, dessen Ausgangswerte
F(i) in einem Verzögerungsglied 13 um 108 Perioden T des Abtasttaktes, d. h. um
eine Rahmenperiode verzögert werden. Vom Ausgang des Verzögerungsgliedes 13 werden
die Funktionswerte F auf einen anderen Eingang des Addierers 12 zurückgekoppelt
und werden dort nach Art eines normalen Akkumulators zu den Eingangswerten a .aK(i0)
addiert, um den neuen Wert F zu ergeben. Der Akkumulator ist dadurch gegenüber der
normalen Art etwas geändert, daß die rückgeführten Werte F in einem Multiplizierer
14 mit einem Faktor 1 - 2-n (n-ganzzahlig> multipliziert werden. n wird dabei
so gewählt, daß dieser Faktor nahe bei 1 liegt. Die Werte F gelangen in Abständen
einer Rahmenperiode vom Ausgang des Verzögerungsgliedes 13 auf einen Quantisierer
15, der sie durch betragsmäßige Abrundung in ganze Zahlen F umsetzt.
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q (Eingangswerte Fjdie betragsmäßig kleiner als eins sind, werden
dabei auf Null abgerundet). Somit erscheinen am Ausgang des Quantisierers 15 jeweils
in Abständen einer Rahmenperiode ganze Zahlen Fq, die positiv, negativ und Null
sein können. Diese Ausgangswerte F werden schließlich als die q oben erläuterten
Nachstellinformationen tP verwendet. Außerdem werden sie über einen Multiplizierer
16 auf einen weiteren Eingang des Addierers 12 zurückgeführt, wobei sie in dem Multiplizierep6
mit einem Faktor b, der kleiner als 1 ist
multipliziert werden.
Der Addierereingang ist ein invertierender Eingang, so daß der zurückgeführte Wert
b - ß P immer dann vom Eingangswert a - 8 K(i ) subtrahiert wird, wenn eine Phasennachstellung
stattgefunden hat. (BeiA P=O findet keine Phasennachstellung statt). Somit wird
eine erfolgte Phasennachstellung bei der Ermittlung der darauffolgenden Nachstellinformation
A P berücksichtigt. Die beschriebene Akkumulation bewirkt zusammen mit der Quantisierung
die gewünschte Glättung der Differenzen a K, und leitet von einer Folge A K, die
von einer Zufallsfolge überlagert ist, eine zuverlässige Regelgröße a P ab.
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Da die Phasennachstellungen, wie oben beschrieben, jeweils nur während
der Dauer des Rahmenkennungsworts stattfinden, ist das mit der Phasennachttellung
verbundene unerwünschte Phasenrauschen auf die IntervalLe des Rahmenkennungswortes
beschränkt und kann daher keine Ubertragungsfehler verursachen.