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    • 专利摘要:

    公开号:WO1988007294A1
    申请号:PCT/DE1988/000019
    申请日:1988-01-16
    公开日:1988-09-22
    发明作者:Volker Hespelt；Thomas Alberty
    申请人:Ant Nachrichtentechnik Gmbh；
    IPC主号:H04L7-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren und Schaltungsanordnung zur Taktsynchronisation
    [0002] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren bzw. auf eine Schaltunganordnung zur Durchführung eines Synchronisierverfahrens gemäß Oberbegriff der A nsprüche 1 bzw. 10.
    [0003] Solche Verfahren sind bekannt, beispielsweise durch den A ufsatz von Gardner: "A BPSK/QPSK Timing-Error Detector for Sampied Receivers" in IEEE Com. -34, No. 5, Mai 1986, Seiten 423 - 429, /1/.
    [0004] Bei der digitalen Datenübertragung ist es wesentlich, daß der Empfänger aus den Empfangsdaten den exakten A btastzeitpunkt ableitet. Hierzu wird in einem Taktphasendetektor durch nichtlineare Operationen ein Ausgangssignal UTI erzeugt, dessen Grundschwingung der Taktfrequenz entspricht und aus dessen Nulldurchgängen der Abtastzeitpunkt abgeleitet werden kann. Die Figur 1 zeigt eine in der Literaturstelle /1 / angegebene Taktregelschleife, wie sie z.B. bei QPSK-Datenübertragung Verwendung findet. Das eingehende Empfangssignal s(t) wird demoduliert, indem ihm das Trägersignal einmal direkt und einmal um -π/2 phasenverschoben multiplikativ zugeführt wird. Mittels Tiefpässen TP werden die Produkte der doppelten Frequenz unterdrückt. Die Normalkomponente, Realteil x(t), und die Quadratur-Komponente, Imaginärteil y(t), des demodulierten Eingangssignals werden den A usgängen der Tiefpässe entnommen und einem nachfolgenden Taktphasendetektor TD zugeführt. Dessen A usgangssignal UTI wird über ein Schleifenfilter (SF) einer Taktphasenkorrektureinrichtung TPK zugeführt, welche eine Abtasteinrichtung A, die beispielsweise das nicht demodulierte oder das demodulierte Eingangssignal abtastet, ansteuert. Eine solche Abtastung ist notwendig, wenn die Signale im Empfänger zeitdiskret verarbeitet werden sollen. In Figur 1 wird beispielsweise die Abtastung vor der Demodulatϊon durchgeführt. Eine solche Abtastung könnte jedoch auch an beliebig anderer Stelle vorgenommen werden, beispielsweise nach der Demodulation oder nach der Tiefpaßfilterung. Es sei hier davon ausgegangen, daß das Ausgangssignal des Taktphasendetektors als abgetastetes Signal UTI(kT) vorliegt, wobei T das Symbol-Intervall oder die Schrittlänge ist, welche nach der Beziehung fNyq = 1 /2T von der Nyquistfrequenz fNyq abhängt. Die Abtastphase des im Empfänger vorhandenen Abtasters A wird über das Schleifenfilter SF und über die Taktphasen-Korrekturschaltung TPK so lange geändert, bis die Abtastwerte am Taktphasendetektorausgang im Mittel zu Null werden: ūTI(k . T) = 0, wobei k als ganze Zahl die Takte nummeriert.
    [0005] Die Figur 2 zeigt eine typische Kennlinie eines Taktphasendetektors. In Abszissenrichtung ist die A btastphase ε , d.h. die Abweichung Δt/T der tatsächlichen Abtastzeitpunkte von den richtigen Abtastzeitpunkten (im Kohärenzfall von Sender- und Empfangstakt ist ε = 0), und in Ordinatenrichtung sind die Mittelwerte von uTI aufgetragen. Für ε = 0 und ε= ±0,5 wird jeweilsūTI = 0. Der Mittelpunkt ε = 0 dieser sinusähnlichen Kurve ist stabil, während bei ε = ±0,5 die Synchronistation labil verlaufen kann, d.h. daß die Regelung im labilen Punkt sich mehr oder weniger lange aufhängen kann, wodurch die Synchronisationszeit deutlich verlängert wird.
    [0006] Der vorliegenden Erfindung lag die A ufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches in der Lage ist, ein oben geschildertes Hängenbleiben weitgehend zu unterdrücken und eine sehr viel schnellere Synchronisation zu ermöglichen.
    [0007] Die Lösung erfolgt mit den gekennzeichneten Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte A usgestaltungen ergeben sich durch die Unteransprüche. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Vorteile auf, daß es das weiter oben geschilderte Hängenbleiben weitgehend unterdrückt und somit eine sehr viel schnellere Synchronisation ermöglicht. Der zusätzliche A ufwand hierfür ist relativ gering.
    [0008] In der gleichdatierten Patentanm eldung BK 87/ 18 sind kombinierte Frequenz- und Taktphasendetektoren angegeben, bei denen der Taktphasendetektor zwei Ausgangssignale u TR und uTI erzeugt, welche als Realteil und Imaginärteil eines komplexen Taktphasendetektorausgangssignals uT = uT R + juTI interpretiert werden können. Trägt man den Mittelwert von uTR und uTI als Realteil und Imaginärteil in einer komplexen Ebene auf, so ergibt sich ein komplexer Zeiger der Länge mit dem Phasenwinkel tan vgl. Figur 3.


    [0009] Die Verwendung von tan uT I/uTR als Ansteuersignal für die nach
    folgende Taktphasenkorrekturschaltung führt zu einem verbesserten Akquisitionsverhalten. Den Zusammenhang zwischen ε und gibt die Figur 4 wieder.
    [0010] Anhand der Figur 5, welche eine erfindungsgemäße A nordnung darstellt, wird nun das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Mit Hilfe eines Taktphasendetektors TD, wie er in der Patentanmeldung BK 87/18, 121 beschrieben ist, werden Realteil uTR und Imaginärteil uT I der Taktschwingung erzeugt. Realteil und Imaginärteil sollen entweder bereits als Abtastwerte uTR ( k . T), uTI( k . T) vorliegen, oder sie werden mit der Abtastfrequenz fS = 1/T abgetastet, wobei die Abtastphase bzw. deren Abweichung ε = Δ t/T sei. Eine solche Abtastung der beiden A usgangssignale des Taktphasendetektors TD ist in Figur 5 dargestellt. Die Abtastwerte (Samples) der beiden Komponenten werden anschließend in Mittelwertbildnern M W über m Takte gemittelt. In Sonderfällen ist auch m = 1, d.h. keine Mittelung möglich. Nach der Mittelungszeit m . T werden die Mittelwerte einer A uswerteschaltung AS zugeführt, welche eine Verstell- oder Steuerinformation δ an die sich anschließende Taktphasenkorrekturschaltung TPK abgibt. Diese wiederum gibt den Abtasttakt mit einer um δ korrigierten Abtastphase ab.
    [0011] Die Funktion der Auswerteschaltung AS wird an Hand der Figuren 7 und 8 erläutert. Beide Figuren geben mehrere Möglichkeiten der Auswertung der beiden Mittelwertgrößen an.
    [0012] Eine erste Verfahrensmögiichkeit ist in den Figuren 7a und 7b erkennbar. Aus den beiden Mittelwerten ū TR und ūT I wird die Phase
    gebildet. Zwischen der Phase und δ gilt der lineare
    Zusammenhang gemäß Figur 7b. Die genaue Bestimmung der
    Phase ist etwas aufwendig. Sie vereinfacht sich, wenn in der ūTR, ūTI-
    Ebene Gebiete gebildet werden, die einfach abzufragen sind, und wenn diesen Gebieten feste Phasenwerte zugewiesen werden.
    [0013] Diese zweite Verfahrensweise ist in den Figuren 7c und d dargestellt. In Figur 7c wird den durch Schraffur und durch Ziffern in Kreisfeldern gekennzeichneten Gebieten jeweils ein Zeiger zugeordnet, welcher mit der gleichen Ziffer bezeichnet ist. Die Sternchen stellen jeweils die Zeigerspitzen dar. Jedem Gebiet wird also als μQ die Phase des entsprechenden Zeigers zugeordnet. Dies entspricht einer in Figur 7d angegebenen Quantisierung von Der lineare Zusammenhang zwischen δ und nach Figur 7a geht

    damit in eine Treppenkurve über nach Figur 7d, wobei gilt δ= 0,5 .μQ/π und wobei die Zuordnung der Gebiete zu den fixen Phasenwerten der Tabelle nach Anspruch 5 entnehmbar sind. Die Gebietsaufteilung nach Figur 7c ist lediglich ein Beispiel. Selbstverständlich können auch andere Gebietsaufteilungen realisiert werden, sie unterscheiden sich in der Höhe des Aufwandes für die Abfragelogik.
    [0014] Eine dritte Verfahrensweise gemäß der Figuren 7e und 7f ist sehr aufwandsarm. Hier wird für positive Phasen der quantisierte Wert μQ = μmin und für negative Phasen
    der quantisierte Wert μQ = -μmin festgelegt, wodurch δ= ±δmin = ±0,5 . μmi n /π wird. Bei diesem Verfahren wird also nur das Vorzeichen des Imaginärteils uTI ausgewertet und die Ansteuergröße δ nach der Beziehung δ= δmin . sign(uTI) realisiert. Bei dieser sehr einfachen Verfahrensweise tritt jedoch wieder das Problem des Hängenbleibens der Taktregelung auf und zwar bei einem Abtastfehler von ±50%. Das Problem kann jedoch m it der in Figur 8 dargestellten Auswertung verhindert werden. Die Quantisierungskennlinie nach Figur 8b enthält eine Hysterese in den Phasenbereichen
    bzw. während der Bereich
    genau dem entsprechenden Bereich der Quantisierungskennli
    nie nach Figur 7f entspricht. Die Verwendung einer Hysterese wird z.B. dadurch ermöglicht, daß eine Gebietsaufteilung der komplexen ūTR, ūT I-Ebene in drei Gebiete, nämlich in den 1. Quadranten, in den 4. Quadranten und in ein Gebiet, das den 2. und 3. Quadranten umfaßt, also für negative ū TR -Werte. Für den 1. Quadranten gilt eine Phasenwertzuw eisung von +μmin und für den 4. Quadranten eine solche von -μm in. Für den 2. und 3. Quadranten werden Phasenwerte von ±α. μmin zugewiesen, wobei α ≥ 1 ist. Die
    [0015] Zuweisung erfolgt allerdings so, daß wenn die Phase aus dem 1. Quadran
    ten heraus vergrößert wird, die Zuweisung weiterhin mit einem positiven
    [0016] Wert +μm in oder > + μmin erhalten bleibt und erst wenn die Phase aus dem
    [0017] 3. in den 4. Quadranten überwechselt, der dort gültige Phasenwert von -μmin zugewiesen wird. Umgekehrt wird, wenn die Phase sich verkleinert und
    beispielsweise aus dem 4. Quadranten in den 3. und 2. überwechselt, der im
    [0018] 4. Quadranten zugewiesene Phasenwert von -μmin beibehalten oder noch weiter verkleinert ( α> 1), und erst dann, wenn ein Wechsel stattfinden sollte zwischen dem 2. in den 1. Quadranten der neue dort herrschende Phasenwert
    [0019] + μm in wieder zuqewiesen. Die Gebietsaufteilung und die Phasenwertzuweisung ist aus Figur 8a erkennbar. Selbstverständlich kann auch eine andere Gebietsaufteilung realisiert werden. Die hier dargestellte Gebietszuweisung ist allerdings besonders aufwandsarm, sie fordert für den 2. und 3. Quadranten lediglich die A bfrage, ob der Realteil des Mittelwerts des Taktphasendetektor- Ausgangssignals negativ ist.
    [0020] Gemäß Figur 5 erfolgt die Abtastung von Real- und Imdginärteil des komplexen A usgangssignals des Taktphasendetektors TD im Abstand der Schrittlänge T, also mit der Taktrate fS = 1 /T.
    [0021] Die Figur 6 zeigt eine Anordnung, bei der die Mittelung analog, z.B. mittels Tiefpässen, ausgeführt wird. Die Abtastung erfolgt hier erst nach den Mittelwertsbildnern und zwar mit der reduzierten Abtastfrequenz fS/m. Die A nforderungen an die anschließende Analog-Digital -Wandlung wird dadurch ebenfalls reduziert. Im Gegensatz zu Figur 5 ist im Blockschaltbild gemäß Figur 6 zwischen dem Taktphasendetektor TD und den Mittelwertbildnern MW ein Demodulator-Baustein DEM eingefügt, wobei fT die Taktfrequenz ist. Zur Korrektur des Abtastzeitpunktes gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten, zum einen eine Rückkopplungsanordnung und zum anderen eine Anordnung zur Vorwärtskorrektur.
    [0022] Erstere ist in Figur 1 gezeigt. Die Rückkopplungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß der Taktphasendetektor durch die korrigierte Abtastphase selbst beeinflußt wird. Bei richtiger Abtastphase wird damit das Ausgangssignal des Taktphasendetektors im Mittel zu Null.
    [0023] Eine Anordnung zur Vorwärtskorrektur ist in Figur 9 gezeichnet. Hier wird das A usgangssignal des Taktphasendetektors TD nicht von der Korrektur der Abtastphase beeinflußt, vielmehr wird das Ausgangssignal der Taktphasen-Korrekturschaltung TPK lediglich zur Einstellung der Abtastphase A im Datensignalzweig verwendet.
    [0024] Die Anordnungen von Figuren 5 und 6 lassen viele Kombinationsmöglichkeiten von Mittelungsdauer m . T und Auswerteschaltung AS zu. Beide Anordnungen mit ihren Kombinationen lassen sich für die Taktregelung nach Figur 7 und auch für die Taktvorwärtssteuerung nach Figur 9 verwenden.
    [0025] Bei einer Rückkopplungsanordnung gemäß Figur 1 ist es günstig, m klein zu wählen, z.B. m = 1, und in der Auswerteschaltung AS nur eine grobe Quantisierung der Abtastphase durchzuführen entsprechend der Ansprüche 4, 5, 6 oder 7.
    [0026] Der Realisierungsaufwand wird dann entsprechend klein.
    [0027] Für die in Figur 9 wiedergegebene Vorwärtskorrektur des Taktes ist es allerdings notwendig, daß die Auswerteschaltung AS einen möglichst genauen linearen Schätzwert der Abtastphase liefert. Dies ist dann der Fall, wenn in der Schaltungsanordnung nach Figur 5 oder 6 die Mittlungszeit m . T groß ist, d.h. m groß, und in der Auswerteschaltung AS die Phase möglichst ge
    nau bestimmt wird, z.B. nach der Verfahrensweise gemäß Anspruch 3.
    权利要求:
    Claims Patentansprüche
    1. Verfahren zur Taktsynchronisation in einem Empfänger für digitale Datenübertragung mit einem Taktphasendetektor, welchem die durch Tiefpaßfilterung die Signalterme der doppelten Frequenz nicht mehr enthaltenden In-Phase-Komponente und Quadratur-Komponente des demodulierten Empfangssignals, das aus dem Produkt des Empfangssignals mit dem A usgangssignal des Trägeroszillators als Eingangssignal entstanden ist, eingegeben werden und wobei das A usgangssignal als Steuersignal uTI für den Täktgenerator dient, wobei in dem Taktphasendetektor das demodulierte Empfangssignal mittels zweier Bandpässe in zwei komplexe Signale umgewandelt wird, welche m ittels einer Verknüpfungsschaltung zu einem Steuersignal verknüpft wird, durch welches die Taktphasen-Korrekturschaltung des Taktgenerators angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer 2. Verknüpfungsschaltung die Bandpaß-Ausgangssignale zu einem zweiten Steuersignal uTR derart verknüpft werden, daß die beiden Steuersignale uTR und uTI als Realteil und Imaginärteil einer komplexen Steuergröße uτ = uTR + juTI interpretiert werden können, daß die beiden Steuersignale uTR und uTI einer Mittelung (MW) unterzogen werden und daß anschließend die so gemittelten Werte ūTR, ūTI mittels einer A uswerteschaltung (A S) ausgewertet werden zu einer Ansteuergröße δ, mittels der die Taktphasen-Korrekturschaltung (TPK) angesteuert wird (Figur 5).
    2. Verfahren nach A nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtastung m it der Abtastrate fS = 1/T mit der Schrittdauer T der Symbole vor oder nach der Demodulation oder nach dem Taktphasendetektorausgang erfolgt und daß die Mittelung der Steuersignale uTR und UTI über m Takte T, (m ≥ 1) erfolgt und daß nach der Mittelung die Abtastung m it der Abtastrate fS für m = 1 oder mit einer verringerten Abtastrate fS/m durchgeführt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung nach der Beziehung mit erfolgt (Figuren 7a, b).
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung derart erfolgt, daß untersucht wird, in welchem Phasenwinkelbereich der komplexe Zeiger ūT = ūTR + jūTI sich befindet, daß bestimmten Phasenwinkelbereichen feste Phasenwerte μQ zugewie sen werden und daß die Beziehung δ= 0,5 .μQ/π gilt (Figur 7c).
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuweisung nach folgender Tabelle erfolgt:
    6. Verfahren nach Anspruch 7 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung derart erfolgt, daß das Vorzeichen der Steuergröße uTI untersucht und der Ansteuergröße nach der Beziehun δ = δm in . sign(u TI) sin positiver oder negativer Minimai wert δmin = 0,5 . μmin /π zugewiesen wird (Figuren 7e, 7f).
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung zusätzlich ein Gebiet in der komplexen uTR-, u TI-Ebene definiert wird, in welchem eine Hysterese wirksam wird, derart, daß die Ansteuergröße δ über vorbestimmte Funktionen den aktuellen uTR-, uTI -Werten zuweisbar ist, wobei die A uswahl einer aus diesen
    Funktionen davon abhängt, aus welchem Gebiet außerhalb dieses definierten Gebiets der Eintritt in dieses erfolgt ist.
    8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung zusätzlich untersucht wird, ob uTR negativ ist, und daß, wenn dies der Fall ist, der Ansteuergröße δ für den Phasenbereich (2. und 3 Quadrant der komplexen uTR-, uT I-Ebene) ein Wert δ= ±α . δm in zugewiesen wird, wobei α ≥ 7 ist und wobei für den genannten Phasenbereich eine Hysterese wirksam wird derart, daß bei Phasenänderungen in mathematisch positivem Sinn der positive Minimalwert +δm in des 7. Quadranten erhalten bleibt ( α= 1 ) oder vergrößert wird ( α> 1) und daß bei Phasenänderungen in mathematisch negativem Sinn der negative Minimalwert -δm in des 4. Quadranten erhalten bleibt ( α= 1 ) oder verkleinert wird (α > 1) (Figuren 8a, 8b).
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuergröße δ einer Mittelung unterzogen wird, bevor sie der Taktphasen-Korrekturschaltung (TPK) zugeführt wird. 10. Verfahren nach Anspruch 2 und A nspruch 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß es angewandt wird in einer Rückkoppelschleifenanordnung (Figur 1 ).
    7. Verfahren nach den Ansprüchen 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß es angewandt wird in Vorwärtskorrektureinrichtungen (Figur 9).
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    引用文献:
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    法律状态:
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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