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Dokumentenidentifikation DE69834631T2 03.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000970575
Titel NETZWERK ZUR SYMBOLTAKTRÜCKGEWINNUNG FÜR EIN TRÄGENLOSES AMPLITUDEN-PHASEN (CAP) SIGNAL
Anmelder Thomson Consumer Electronics, Inc., Indianapolis, Ind., US
Erfinder KNUTSON, Gothard, Paul, Indianapolis, IN 46219, US
Vertreter Roßmanith, M., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 30457 Hannover
DE-Aktenzeichen 69834631
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 05.03.1998
EP-Aktenzeichen 989101803
WO-Anmeldetag 05.03.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/04307
WO-Veröffentlichungsnummer 1998044690
WO-Veröffentlichungsdatum 08.10.1998
EP-Offenlegungsdatum 12.01.2000
EP date of grant 24.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse H04L 25/49(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Netzwerk zur Symbol-Taktrückgewinnung (STR-Symbol Recovery Network für ein trägerloses Amplituden-Phasen (CAP)Signal in einem digitalen Signalverarbeitungssystem. Besonders betrifft die Erfindung einen Fehler-Abschätzer in einem STR-Netzwerk zur Nutzung mit trägerlosen Amplituden-Phasen-Signalen (CAP-Carrierless Amplitude Phase).

Beschreibung verwandter Technik

Trägerlose Amplituden-Phase ist das für FTTC(Fiber to the Curb)Glasfaser-Kabelverteilersysteme gewählte Modulationsverfahren. Für eine nützliche Erörterung siehe (Literaturstellen): DAVIC 1.0 specification part 08, Lower Layer Protocols and Physical Interfaces, 1995 (Rev.5.0) und Werner, J. J, Tutorial on Carrierless AM/PM, June, 23,1992, UTP Development Forum, ANSI X 3T9.5 TP/PMD Working Group.

CAP ist für Einzelkanal-Systeme ohne Kanalfrequenzaufteilung gedacht. Das System erzeugt direkt ein an den Durchgangsbereich angepasstes Signal(passband signal) durch Filtern von I- und Q-Symbol-Komponenten mit orthogonal frequenzverschobenen Impulsformerfiltern, wie sie in 1 dargestellt werden. Dieses Passband liegt etwas oberhalb der Nullfrequenz (DC = Gleichstrom), um herkömmlichen alten Telefondiensten (POTS = Plain Old Telephon Services) gemeinsam auf derselben verdrillten Kabelverbindung wie CAP zu zulassen und Bänder zu vermeiden, die von Störimpulserzeugern stark betroffen sind. Die Signal-Frequenzen der herkömmlichen Telefondienste belegen das Band zwischen Nullfrequenz und dem Frequenzspektrum der CAP-Signale. Der CAP-Empfänger benutzt Pulsformfilter mit ähnlichem Frequenzgang, wie die am Sender, und das Filterausgangssignal wird direkt abgetastet und als unmittelbarer (hard) oder möglicher (soft) Entscheidungswert zur Datenwiederherstellung benutzt. 2 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines Teils eines CAP-Empfängers.

Es gibt mehrere bekannte Methoden in der früheren Technik zur Erkennung von Taktfehlern in einem Symbol-Taktrückgewinnungssystem (STR). Eine der nützlichsten Methoden wird in einer Schrift mit dem Titel: „A BPSK/QPSK Timing-Error Detector for Sampled Receivers" von Floyd M. Gardner, IEEE Transactions on Communications, Volume-34, No. 5, May, 1986. Darin wird ein relativ einfacher Algorithmus, oder eine Methode, zur Erkennung des Taktfehlers eines synchronen, bandbegrenzten BPSK- oder QPSK-Datenstroms beschrieben. Die Methode erfordert zur Verarbeitung nur zwei Abtastwerte pro Symbol. Eins der zwei Abtastwerte wird auch zur Symbolerkennung benutzt. Während die Methode in anderen Anwendungen bekannt ist, ist sie in der Anwendung von CAP-Signalen unbekannt.

Methoden, die zu Symbol-(Takt)-Raten in einem Kommunikations-Netzwerk passen, sind ebenfalls bekannt. Siehe z.B. Europäische Patent Beschreibung EP 0 572 168 B1.

Zusammenfassung der Erfindung

In Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, umfasst ein Symboltakt-Rückgewinnungssystem für ein CAP-Signal einen Multiplizierer, der auf die empfangenen CAP-Signale und auf ein Referenzsignal an der Mittenfrequenz des CAP-Signalbandes reagiert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers wird an einen Fehler-Schätzer geliefert, der ein Taktfehlersignal ausgibt. Das Taktfehlersignal wird benutzt, um die Arbeitsweise eines Netzwerkes mit eingeschlossener Symbolabtastschaltung zusteuern. Der Schätzer, z.B. ein Schätzer nach Gardner, ist im Wesentlichen unempfindlich gegen Trägerfrequenzversatz.

Kurzbeschreibung der Bilder

1 zeigt einen CAP-Sender nach dem Stand der Technik

2 zeigt einen CAP-Empfänger nach dem Stand der Technik

3 zeigt die bevorzugte Lösung eines STR Fehlerschätzers, wie er bei CAP-Signalen verwendet wird.

4a zeigt den ungefilterten Symbol-Datenstrom

4b zeigt eine QAM Impulsfiltercharakteristik

4c zeigt ein QAM vollständiges Basisbandspektrum

4d zeigt das QAM ZF/RF Spektrum

4e zeigt das QAM in das Basisband demoduliert

4f zeigt die CAP I- und Q-Impulsformfilter-Charakteristiken

4g zeigt das CAP-Spektrum

4h zeigt das demodulierte CAP-Signal

4i zeigt die CAP-Signalfrequenz verschoben zum vollständigen Basisband.

5 zeigt den STR Fehlerschätzer, wie in 3 dargestellt, im Umfeld eines Netzwerkes zur Symboltakt-Rückgewinnung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In der folgenden Beschreibung werden gleiche Zahlen in den verschiedenen Bildern (FIGs) benutzt, um gleiche Teile zu erkennen.

Die bevorzugte Ausführung 10 des STR Fehlerschätzers zur Benutzung mit einem CAP-Signal zeigt 3. Ein konventioneller STR Fehler-Schätzer nach dem Stande der Technik 12, der auf Gardner's Methode beruht, liefert die STR Fehlerausgabe. Ein Fehlerschätzer nach Gardner ist im Wesentlichen unempfindlich gegen einen Versatz der Trägerfrequenz. Schätzer 12 umfasst eine Anordnung von Addierer, Multiplizierer und Verzögerungs-Elementen (Z–1), wie dargestellt. Da der STR Fehler-Schätzer bekannt ist, wird er nicht im Detail beschrieben. Die Eingabe in Fehlerschätzer 12 wird durch eine komplexe Multiplizierer-Schaltung 14 geliefert, die vier Multiplizierer-Subschaltkreise 16a16d und zwei Additionsschaltkreise 18a und 18b einschließt. Zwei Quadratur-Signale Ir und Qr aus den davor liegenden Quadratur-Impulsformer- und Bandpassfiltern (z.B. die Filter Pi und Pq in 2) liefern ein auf die Schaltkreise 16a16d bezogenes Eingabenpaar in der Weise, dass Signal Ir an Multiplizierer 16a und 16c eine Eingabe liefert, und dass Signal Qr an Multiplizierer 16b und 16d eine Eingabe liefert. Der numerisch gesteuerte Oszillator (NCO = numerical controlled oscillator) 16 arbeitet auf einer der CAP-Mittenfrequenz entsprechenden festen Frequenz Fc, um Kosinus-Sinusausgangssignale der Mittenfrequenz herzustellen. Das Kosinussignal wird als eine zweite Eingabe den Multiplizierern 16a und 16d zugeführt, während das Minus-Sinussignal als zweite Eingabe den Multiplizierern 16b und 16c zugeführt wird. Die Mittenfrequenz, ein bekanntes Merkmal des CAP-Signals, wird durch Register 19 erzeugt. Dessen Ausgabe wird Addierer 20 zugeführt, der Ausgang von diesem zu Verzögerungselement 22. Verzögerungselement 22 hat ein Ausgangssignal, das in einer Schleife zum Addierer 20 zurückgeführt wird. Das Ausgangssignal des Verzögerungselements 22 wird ebenso als Eingabesignal einer Sinus-Kosinus-Nachschlagetabelle zugeführt (LUT = Lookup Table) 24, die die Quadratur-Sinus- Kosinusausgaben als Eingaben dem komplexen Multiplizierer 14 erzeugt. Unter Hinzufügen von NCO 16 und komplexem Multiplizierer 14 zusammen mit einem Schätzer nach Gardner, der unempfindlich gegen einen Trägerfrequenzversatz ist, können bekannte QAM Symbol-Takt-Rückgewinnungsmethoden genutzt werden. Das CAP-Signal wird durch die Aktivität des Multiplizierers 14 als Reaktion auf das komplexe exponentielle (Kosinus+Sinus–) Signal von NCO 16 an der Mittenfrequenz des CAP-Signals in das Basisband verschoben.

Durch die Elemente 14 und 16 beinhaltet die bevorzugte Ausführungform 10 Voraussetzungen zur Verschiebung des Spektrums eines CAP-Signals in das Basisband zum Zweck der Symbol-Taktrückgewinnung. Während die Symbolinformation des spektral verschobenen CRP-Signals um die CAP-Mittenfrequenz Fc herum bewegt, ist der spektrale Inhalt der Basisband QAM ähnlich. 4a4i verdeutlichen die Verwandtschaft des Spektrums von QAM- und CAP-Signalen. Die CAP-Filter (z.B. Filter Pi und Pq in 2) weisen einen Filterfrequenzgang, wie in 4f gezeigt, auf, um aus dem breiten Basisband des Symbol-Daten-Impuls-Flusses, wie in 4a gezeigt, ein gefiltertes Signal, wie in 4g gezeigt, zu erzeugen. Fs bedeutet die Symbolfrequenz. Nachfolgend wird, wie in 4h gezeigt, das CAP-Signal demoduliert, wenn es durch das frequenzverschobene fußpunkterhöhte Kosinusfilter (z.B. das Gleichphasen- und das Quadraturfilter in 2) gefiltert ist, und die Daten durch Abtasten im korrekten Zeitpunkt wiederhergestellt sind. Ein Netzwerk zur Trägerwiederherstellung ist nicht erforderlich. Es wird nur ein Netzwerk zur Taktrückgewinnung benötigt. Wenn das empfangenes CAP-Spektrum, wie in 4i gezeigt, in das Basisband verschoben wird, stimmt es mit dem in 4e gezeigten, demodulierten QAM-Signal, für das Methoden zur Taktrückgewinnung bekannt sind, überein. Die STR-Fehlerschätzer-Methode nach Gardner erzeugt einen STR-Fehler-Ausgabewert, der im Mittel proportional zu dem Symbol-Takt-Phasen-Fehler ist, wenn er durch zufällige Datenanordnung ausgelöst wird. Ein nach dem Zufallsprinzip erzeugter Datenstrom ist für das Funktionieren erforderlich, erzeugt entweder durch Verwürfelung (Scrambling) oder durch Einsatz von mit hoher Entropie kodierter Daten, oder beidem. Das gilt auch für einen QAM-STR-Fehlerschätzer. Das Filter in der STR-Schleife (110 in 5) mittelt den STR-Fehler-Schätzer.

5 verdeutlicht den Takt-Fehlerschätzer 10 im Zusammenhang eines Takt-Steuernetzwerkes 100. Symbol-Takt-Steuernetzwerk 100 ist mit einem Gleichphasenfilter Pi 102, einem Quadraturfilter Pq 104, einem Symbolabtastschaltkreis 106 und einer Symbol-Daten-Zuordnungstabelle 108 verknüpft, die der ähnelt, die in Bezug auf den CAP-Empfänger nach dem Stande der Technik in 2 dargestellt ist. Der Ir-Ausgang des Gleichphasenfilters 102 liefert dem Fehler-Schätzer 10 eine Eingabe. Der Qr-Ausgang des Quadraturfilters Pq 104 liefert dem Fehlerschätzer 10 eine zweite Eingabe. Der Fehlerschätzer 10 ähnelt dem Fehlerschätzer, der in Verbindung mit 3 beschrieben wird. Durch Verschieben des CAP-Signals in das Basisband (4i) mit Hilfe des Netzwerkes 14 und 16 (3) entsteht ein Spektrum, das dem Spektrum eines demodulierten QAM-Signals, wie in 4e gezeigt, entspricht, für das Takt-Rückgewinnungsverfahren bekannt sind.

Das STR-Fehlersignal aus Schaltungseinheit 10 wird an einen Eingang des Schleifenfilters 110 geliefert, dessen Ausgang eine Eingabe dem Takt-Oszillator 112 liefert, die die Ausgabe der Symbol-Takt-Information 114 erzeugt. Diese Information ist im Wesentlichen ein Abtasttakt zur Steuerung des Symbol-Abtast-Vorgangs des Schaltkreises 106. Durch Verwendung eines Tiefpassfilters in der STR-Schleife wird eine Mittelwertbildung der STR-Fehlerschätzung erreicht. Filter 110 ist ein bekanntes Filter zweiter Ordnung, proportional und integral.

Das Ausgangssignal aus Filter 110 wird an einen A/D-Wandler(nicht dargestellt)geliefert, bevor es von dem Oszillator 112 empfangen wird. Takt-Oszillator 112 kann entweder ein spannungsgesteuerter Oszillator, der den Signal-Arbeitstakt erzeugt, oder ein numerisch gesteuerter Oszillator in einem auf Interpolierer-Basis beruhendem Takt-Rückgewinnungssystem sein. Ein geeigneter Signaltaktgeber wird in einem am 24. August 1999 veröffentlichten US-Patent Nr. 5 943 369 von Paul G. Knutson u.a. beschrieben. Symboltaktinformation 114 wird einem Steuereingang des Abtastschaltkreises 106 zugeführt, der Symboldaten bei kleinsten Veränderungen (ey-openings) des empfangenen Signalmusters erfasst. Abtaster 106 kann einen A/D-Wandler beinhalten, wenn 102 und 104 analoge Filter sind, oder kann einen Interpolator beinhalten, wenn 102 und 104 digitale Filter sind.

Schätzer 12 kann ein anderer Typ als einer nach Gardner sein, solange er im Wesentlichen gegen einen Trägerfrequenz-Versatz unempfindlich ist, oder wenn das Netzwerk auf eine Trägerfrequenz Fc fest eingestellt wird. Abtaster 106 könnte auch vor Filter 102 und 104 in 5 gelegt werden, in diesem Falle würde Abtaster 106 als A/D-Wandler oder Interpolator vor den Filtern dienen. In dieser Position würde Abtaster 106 eine vierfach höhere Abtastrate aufweisen gegenüber seiner hinter den Filtern 102 und 104 gelegenen Position, wie dargestellt.


Anspruch[de]
Ein Symbol-Taktrückgwinnungssystem für trägerlose Amplituden-Phase-Signale (CAP), das umfasst:

einen Referenz-Signal-Generator (16), der auf ein Signal in der Mittenfrequenz genannten CAP-Signals reagiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine Verschiebung dieses CAP-Signals in Richtung Basis-Band bewirkt;

ein komplexer Multiplizierer (14), der einen ersten Eingang hat, um dieses CAP-Signal zu empfangen, einen zweiten Eingang zum Empfangen des genannten Ausgangssignals von dem Referenz-Signal-Generator, und einen Ausgang; und

einen Fehler-Abschätzer (12), der auf das Ausgangssignal aus dem Multiplikator reagiert, um ein einem Symbol-Taktfehler entsprechendes Signal zu erzeugen.
Ein System nach Anspruch 1, das ferner

ein Steuer-Netzwerk (110, 112) aufweist, das auf das dem Taktfehler entsprechende Signal reagiert, um ein Taktfehler-Steuersignal zu erzeugen; und

ein Symbol-Abtastnetzwerk (106), das auf das Takt-Steuersignal reagiert; wobei

der Fehler-Abschätzer (12) im Wesentlichen unempfindlich gegenüber einem Frequenzversatz der Trägerfrequenz ist.
Ein System nach Anspruch 1, wobei der Fehler-Abschätzer ein Fehler-Abschätzer nach Gardner ist. Ein System nach Anspruch 1, wobei

der Fehler-Abschätzer ein Fehler-Abschätzer nach Gardner ist;

der Referenz-Signal-Generator komplexe Ausgangssignale erzeugt, die Sinus- und Cosinusfunktionen entsprechen; und

der Multiplizierer ein komplexer Multiplizierer mit

einem Paar von Eingängen ist, um jeweils gegenseitig, quadraturphasige CAP-Signale zu empfangen, mit einem Paar von Eingängen um die Sinus- bzw. die Cosinusfunktion-Signale zu empfangen, und mit einem Paar von Ausgängen, die mit den entsprechenden Eingängen des Fehler-Abschätzers verbunden sind.
Ein System nach Anspruch 3, wobei der Referenz-Signal-Generator ein numerisch gesteuerter Oszillator ist. Ein System (100) nach Anspruch 1 zur Verarbeitung eines trägerlosen Amplituden-Phase (CAP) Signals, das ein gleichphasiges Filter (102) einschließt, das einen CAP-Eingang und einen Ir-Ausgang hat, ein Quadraturfilter (104), das einen CAP-Eingang und einen Qr-Ausgang hat, eine Abtastvorrichtung (106), die auf Signale Ir und Qr reagiert und Ausgangssignale Irs und Qrs liefert, und eine Vorrichtung mit Symbol-Daten-Zuordnungstabelle (108), die auf Signale Irs und Qrs reagiert und eine Datenausgabe liefert, die die Verbesserung umfasst:

Ein Symboltaktfehler-Schätzer (10), der Eingänge Ir und Qr hat und eine Symbol-Taktrückgewinnungs-(STR-SymbolTimingRecovery)Signalausgabe liefert, die umfasst:

Einen Frequenz-Schieber, der auf die Signale Ir und Qr reagiert, damit eine gleichphasige Ausgabe und eine Quadratur-Ausgabe im Basisband erzeugt wird; und

wobei der Fehler-Schätzer Eingaben Ir und Qr hat und eine Symbol-Takt-Rückgewinnungs-(STR)Signalausgabe liefert;

ein Filter (110) zur Filterung des STR-Signals, um ein gefiltertes Ausgabesignal zu liefern; und

ein Oszillator(112) als eine Eingabe das gefilterte Ausgabesignal hat und um als eine Ausgabe ein Symbol-Takt-Informationssignal erzeugt.
Das System nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet dass:

Der komplexe Multiplizierer als eine Eingabe die Signale Ir und Qr hat und zur Bereitstellung von zwei komplexen Multipliziererausgängen;

der Fehler-Schätzer als zwei Eingaben die zwei Ausgaben der komplexen Multipliziererschaltung und, um ein STR-Fehlersignal zu liefern, eine Ausgabe hat; und

der Oszillator, der als eine Eingabe eine Mittenfrequenz hat, und Sinus und Kosinus als Ausgabe,

wobei Kosinus und Sinus zwei zusätzliche Eingänge zu dem komplexen Multiplizierer umfassen.
Das System nach Anspruch 7, wobei der Oszillator umfasst:

Einen Mischer (20), der als eine Eingabe die Mittenfrequenz hat;

Eine Verzögerungsschaltung, die als eine Eingabe die Ausgabe des Mischers hat, die Verzögerungsschaltung auch eine Ausgabe hat, die mit dem Mischer verbunden ist und ein zweites Eingabesignal für den Mischer bildet; und

Eine Sinus/Kosinus Tabelle (24), die als eine Eingabe das Ausgangssignal von der Verzögerungsschaltung hat, wobei

die Sinus/Kosinus Tabelle die Kosinus- und Sinussignale für den komplexen Multiplizierer erzeugt.
Das System nach Anspruch 6, wobei der STR-Fehler-Schätzer aus einem Gardner-Fehler-Schätzer besteht. Ein System nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch:

den komplexen Multiplizierer, der als Eingaben Quadratur-Signale Ir und Qr hat, um zwei Ausgabe-Signale des komplexen Multiplizierers zu liefern.

den Fehler-Schätzer, der ein Fehlerschätzer nach Gardner ist, und der auf die Quadratursignale reagiert, um ein Symbold-Taktrückgewinnungssignal als eine Ausgabe zu erzeugen; und der ferner umfasst:

einen Oszillator (112), der auf ein Signal an der Mittenfrequenz des CAP-Signals reagiert, um ein komplexes sinusförmiges Ausgangssignal zur Verwendung an einem Eingang des komplexen Multiplizierers zu liefern.






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