-
Adativer Entzerrer für breitbandige Signale
-
Die Erfindung betrifft einen adaptiven Entzerrer für breitbandige
Signale, bestehend aus einem Transversalfilter, das Verzogerungsglieder, gesteuerte
Einstellglieder und einen ersten Summierer enthält, an dessen Ausgang der erste
Eingang eines Differenzverstärkers angeschlossen ist, dessen zweiter Eingang mit
dem Ausgang einer Schaltung zur Erzeugung eines Idealsignales verbunden ist, an
deren Ausgang innerhalb vorgegebener Zeitintervalle die Abtastwerte eines idealen
Vergleichssignales auftreten.
-
Solche Entzerrerstrukturen für die automatische und adaptive Entzerrung
linear verzerrter Signale sind beispielsweise dem Aufsatz "Einige Verfahren zur
adaptiven Einstellung von Entzerrern" aus "NTZ" 1971, Heft 1, Seiten 18 bis 24,
zu entnehmen.
-
Für derartige, beispielsweise in der Figur 5 auf Seite 21 des obengenannten
Aufsatzes angegebene, mit Transversalfiltern aufgebaute Entzerrerstrukturen existieren
unterschiedliche Einstellkriterien, von denen beispielsweise der Minimierung des
Fehlers über einen Zeitbereich, der größer ist als der Zugriffsbereich der im Transversalfilter
enthaltenen Verzögerungsleitung und hierbei insbesondere der Minimierung des mittleren
quadratischen Fehlers eine besondere Bedeutung zukommt.
-
Nachteilig ist die bei solchen Entzerrerstrukturen notwendige fortlaufende
Multiplikation und Integration der Abtastwerte für die Bildung der Korrelation,
insbesondere wenn zur Durchführung der einzelnen Multiplikation nur ein vergleichsweise
kurzer Zeitraum zur Verfügung steht.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die automatische Beseitigung
linearer Verzerrungen in Breitbandsystemea, Insbesondere soll ein schneller Entzerrer
für die Beseit4yng der Verzerrungen beispielsweise bei PCM-Ubertragung oder bei
der Ubertragung von Fernsehsignalen angegeben werden, der die Auswertung eines in
regelmäßigen Abständen übertragenden Rahmenimpulses bzw. eines in den Sicken eines
Informationssignales Ubertragenden Prufsignales ermöglicht.
-
Ausgehend von einem adaptiven Entzerrer für breitbandige Signale bestehend
aus einem Transversalfilter, das Verzögerungsglieder, gesteuerte Einstellglieder
und einen ersten Summierer enthält, an dessen Ausgang der erste Eingang eines Differenzverstärkers
angeschlossen ist, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang einer Schaltung zur Erzeugung
eines Idealsignales verbunden ist, an deren Ausgang innerhalb vorgegebener Zeitintervalle
die Abtastwerte eines idealen Vergleichssignales auftreten, wird diese Aufgabe gemäß
der Erfindung dadurch gelöst, daß der Eingang der Anordnung mit einem ersten, eine
Anzahl N Ausgang ge enthaltenden Schieberegister verbunden ist, daß der Ausgang
des Differenzverstärkers mit einem weiteren, eine Anzahl von wenigstens ZN-1 Ausgängen
enthaltenden Schieberegister verbunden ist, daß die Ausgänge des ersten Schieberegisters
und die hinsichtlich der Schieberichtung letzten N Ausgänge des weiteren Schieberegisters
Jeweils mit den beiden Eingängen einer Anzahl N Multiplizierer verbunden sind, deren
Ausgänge an die N Eingänge eines weiteren Summierers geschaltet sind, dessen Ausgang
über einen steuerbaren Umschalter mit den N Steuereingängen der Einstellglieder
des Transversalfilters derart verbunden ist, daß eine adaptive Einstellung des Transversalfilters
gegeben ist.
-
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Entzerrung ist darin begründet,
daß die zur Bildung der Korrelation erforderlichen Multiplikationen der Abtastwerte
langsam erfolgen können.
-
Da die erforderlichen Größen abgespeichert vorliegen und dadurch gleichzeitig
zur Verfügung stehen, ist eine gleichzeitige Durchfuhrung der Multiplikation möglich.
Vorteilhaft ist in diesem Zusanenhang, daß die Durchführung der eriorderlichen Korrelation
zeitlich auf die zwischen zwei Prifimpulsen vorliegende Uloke verteilt und damit
simultan zur eigentlichen Signalübertragung vorgenommen werden kann.
-
Nachstehend wird die erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch
näher erlautert.
-
Es zeigt in der Zeichnung: Fig. 1 eine bekannte, ein Transversalfilter
enthaltende Entzerrerschaltung Fig. 2 einen adaptiven Entzerrer gemäß der Erfindung
Fig. 3 eine Matrixdarstellung des Rechenvorganges der Anordnung nach Fig. 2.
-
In Fig. 1 ist die Struktur eines adaptiven Entzerrers angegeben, der
ein Transversalfilter enthält. Das Transversalfilter enthält eine Verzögerungsleitung
VL mit einzelnen der Verzögerungszeit T entsprechenden, nicht eigens dargestellten
Verzögerungsgliedern, welche Jeweils mit einem Abgrifi versehen sind.
-
Jeder Abgriff ist wiederum mit einem Bewertungsglied CJ beispielsweise
einem gesteuerten Einstellglied, verbunden, deren Ausgänge wiederum mit Eingängen
eines ersten Summierers SU1 verbunden sind.
-
Das Transversalfilter hat die wesentliche Eigenschaft, daß es die
Realisierung einer in weiten Grenzen beliebigen Impulsantwort bzw. Übertragungsfunktion
ermöglicht. Bs liefert als Ausgangsgröße
Hierbei bedeuten: Xk+M das am Eingang E des Transversalfilters auftretende abgetastete
Signal die Bewertungsfaktoren zur Gewichtung der Signale 7k das abgetastete Ausgangssignal.
-
Der Ausgang des ersten Summierers SU1 ist mit dem ersten Eingang eines
Differenzverstärkers D verbunden, an dessen zweitem Eingang ein ideales Vergleichssignal
anliegt. Am Ausgang des Differenzverstärkers D tritt dann das Fehlersignal ek auf,
das als Kriterium tür die Einstellung der gesteuerten Einstellglieder Verwendung
findet.
-
Die Forderung nach einer möglichst einfachen automatischen Entzerrereinstellung
läßt sich immer dann besonders einfach erfüllen, wenn sich das Ausgangsssignal y(t)
des Entzerrers als eine Summe gewichteter Teilsignale x(t) darstellen läßt. Dies
ist bei der vorliegenden Transversalfilterstruktur gegeben. Im folgenden sei stets
vorausgesetzt, daß die empfangenen Signale frequenzbandbegrenzt sind. Es genügt
daher, das Signal zu diskreten Zeitpunkten abzutasten und diese Abtastwerte weiter
zu verarbeiten. Zur Erzielung einer automatischen Entzerrereinstellung ist es notwendig,
auf der Empfangsseite Schätzwerte für die Abtastwerte des richtigen, gesendeten
Idealsignales a(t) abzuleiten.
-
Das Signal yk habe somit die in der Gleichung (1) dargestellte Form.
-
Zur Minimierung des Fehlers über einen Zeitbereich, der größer ist
als der Zugriffsbereich der im Transversalentzerrer enthaltenen Verzögerungsleitung,
kann als Kriterium die Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers ek2 verwendet
werden. Es ergibt sich hierfür der folgende Ausdruck
Damit dieser Ausdruck verschwindet, muß gelten:
wobei die cn die variablen Parameter (Werte der Einstellglieder) des Transversalfilters
darstellen. Für das TranssersalfNter mit den Eingangssignalen xk am Mittelabgriff
und den Ausgangssignalen pk gilt entsprechend Gleichung (1).
-
Mit ek yk - ak , (4) ak = idealer, richtiger Wert (z.B. Abtastwert
der gewünschten, entzerrten Impulsantwort, auf der Empfangsseite gespeichert)
Es ist also eine Kreuzkorrelation zur Bestimmung dieser Ableitung
erforderlich. Ein Nachteil für die Realsierung ist die Schwierigkeit der Instrumentierung
von schnellen Korrelatoren.
-
Die Xk-n stehen an den Abgriffen der Verzögerungsleitung zur Verfügung,
ek wird gemäß Gleichung (5) gebildet.
-
Zur Verringerung von E wird nun
gebildet. Es erfolgt also eine iterative Einstellung in Richtung des Gradienten.
Alle Einstellglieder werden gleichzeitig und parallel schrittweise verändert.
-
Prinzipiell braucht nicht e minimiert zu werden, sondern es kann der
Mittelwert einer anderen geeigneten Funktion des Fehlers betrachtet werden. (Andere
Wahl der Funktion führt wegen des durch die endliche Länge des Transversalentzerrer
bedingten Abbruchfehlers allerdings in der Regel auch zu einer anderen Endeinstellung
des Entzerreri. Gut geeignet erweist sich zum Beispiel
Eine Variante des Verfahrens nach Gleichung 10 ist bereits bekannt
aus dem Auisatz wAutomatic equalization for digital Communikation! von R.W. Lucky,
veröffentlicht auf den Seiten 547 bis 588 der Druckschrift Bell System Technical
Journal, 44 vom April 1965. Hier wird ein erster Testimpuls gesendet und auf der
Empfangsseite werden die Vorzeichen der Fehler bestimmt und in einem Schieberegister
abgespeichert. Damit wird das Vorzeichen des Signals an Jedem Abgriff des Transversalentzerrers
durch Einschalten oder Nichteinschalten eines Inverters bewertet. Alle derart bewerteten
Abgriffe werden an einem Summierer zusammengefaßt. Wird Jetzt ein zweiter Testimpuls
übertragen, so erscheinen am Ausgang dieses Summierers nacheinander die Signale
für y = -M...+M. Diese Werte können dazu dienen, die variablen Einstellglieder des
Transversalfilters zu verändern. Die Einstellglieder sollen ein Bewertungselement,
beispielsweise ein Potentiometer mit zuschaltbarem Inverter, sowie einen Speicher
zur Zwischenspeicherung der Jeweiligen Stellgr5Be, beispielsweise eine Steuerspannung,
welche die Größe des Bewertungsfaktors bestimmt, enthalten. Die gespeicherte Stellgröße
wird in der richtigen Richtung schrittweise verändert, bis die optimale Einstellung
erreicht ist. Die Ergebnisse der Korrelation müssen zur Weiterverarbeitung zwischengespeichert
werden, und ein Meßzyklus erfordert zwei Testimpulse.
-
In Fig. 2 ist die Schaltung eines adaptiven Entzerrers :nach der Erfindung
schematisch angegeben. Das Transversalfilter besteht in Übereinstimmung mit der
Anordnung nach Fig. 1 aus einer mit dem Eingang E der Anordnung eingangsseitig verbundenen
Verzögerungsleitung VL mit einzelnen Verzdgerungsgliedern, deren Ausgänge über gesteuerte
EinstellgliederCnit den variablen Parametern cJ mit den Eingängen eines ersten Summierers
SU1 verbunden
sind. Der Ausgang des ersten Summierers ist gleichzeitig
mit dem Ausgang A der Anordnung und mit dem ersten Eingang eines Differenzverstärkers
D verbunden, an dessen anderem Eingang der Ausgang einer in der Figur nicht näher
dargestellten SchBäung zur Erzeugung der Abtastwerte ak eines Idealsignals a(t)
angeschlossen ist. Das Idealsignal ist ein in bestimmten Zeitabständen sendeseitig
in das zu übertragende Signal eingefügtes Testsignal, welches empfangsseitig bekannt
ist und daher z.B. in Form von Abtastwerten gespeichert vorliegt. Diese Abtastwerte
können mit Hilfe einer geeigneten Synchronisierschaltung zeitrichtig zum empfangenen,
verzerrten Testsignal abgerufen und im Differenzverstärker D von diesem subtrahiert
werden. Am Ausgang des Differenzverstärkers D tritt dann das Fehlersignal ek auf.
-
Der Eingang s der Anordnung ist mit einem ersten Schieberegister 51
verbunden, das eine Anzahl N Verzögerungsglieder und dementsprechend eine Anzahl
N Ausgänge aufweist. Der Ausgang des Differenzverstärkers D ist mit einem weiteren,
wenigstens eine Anzahl von 2N-1 Ausgängen aufweisenden Schieberegister S2 verbunden.
Die Ausgänge des zur Abspeicherung der x-Werte verwendeten ersten Schieberegisters
S1 sind über Zwischenspeicher Z1 mit den ersten Eingängen einer Anzahl N Multiplizierer
M1 bis MN verbunden, deren Ausgänge wiederum mit den Eingängen eines zweiten Summierers5U2
verbunden sind. Die zweiten Eingänge der Multiplizierer N sind über Zwischenspeicher
Z2 mit den hinsichtlich der Schieberichtung letzten N Ausgängen des zweiten Schieberegisters
S2 verbunden. Beide Schieberegister und die Zwischenspeicher sind über eine in der
Figur schematisch dargestellte Taktzentrale TZ und Taktleitungen TL1...TL4 gemeinsam
getaktet. Der Ausgang des zweiten SummierersSU2 ist über einen steuerbaren Umschalter
U mit den in der Figur aus Übersichtlichkeitsgrfinden nicht dargestellten Steuereingängen
der Einstellglieder des Transversalfilters derart verbunden, daß eine adaptive Einstellung
des Transversalfilters gewährleistet ist.
-
Die Abtastwerte x 2...x2 der verzerrten Testimpulsantwort werden mit
Hilfe einer Tastpulsfolge auf der Leitung TL1 in den X-Speicher S1 eingeschrieben.
Ebenso werden die Ausgangssignale ek mit Hilfe einer anderen Tastpulsfolge von der
Taktzentrale, welche über die Taktleitung TL4 angeliefert wird, in den E-Speicher
S2 eingeschrieben, Da ein Entzerrer mit N Abgriffen als Antwort auf eine einlaufende
Impulsantwort mit N Abtastwerten ungleich Null 2N Abtastwerte der Ausgangsimpulsantwort
liefert, wird auch die Folge ek 2N Abtastwerte b umfassen.
-
52 muß daher die doppelte Länge wie S1 aufweisen.
-
Wenn die Abtastwerte ek und xk in den Registern 51 und S2 stehen,
werden sie mit Hilfe eines über die Leitung TL2 angelieferten Kommandoimpulses in
die aus Abtast-Haltekreisen bestehenden Zwischenspeicher Z1 und Z2 übernommen und
zur weiteren Vorbereitung abgespeichert.
-
Mit Hilfe von Schiebeimpulsen auf der Taktleitung TL3 kann das Signal
im Zwischenspeicher Z2 langsam weiter nach links durch geschoben werden.
-
Eine alternative, hier nicht dargestellte Lösung besteht darin, die
xk und eWerte fortlaufend in die X- und E-Speicher S1 und S2 einzulesen und in den
richtigen Zeitaugenblicken durch Kommandoimpulse ein Auslesen in die Zwischenspeicher
Z1 und Z2 zu veranlassen. Dann ist es vorteilhaft, die Zwischenspeicher als Hintereinanderschaltung
zweier unterschiedlicher Abtast-Haltekreise auszuführen, von denen der erste eine
kurze Halte-und Ladezeitkonstante und der zweite demgegenüber relativ lange Halte-
und Ladezeitkonstanten aufweist. Ein Abtast-Haltekreis ist in der Lage, einen abgetasteten
Amplitudenwert über eine vorgegebene Zeit hinweg zu speichern. Derartige Schaltungen
sind z.B. in Verbindung mit D/b-Wandlern bekannt, beispielsweise auch aus der DT-AS
1 931 242.
-
Während das Abspeichern der digitalen Signale kein besonderes Problem
darstellt, bereitet das Abspeichern der analogen Werte deshalb Schwierigkeiten,
da das abgespeicherte Signal für die weitere Verarbeitung möglichst konstant sein
soll. Dies erfordert eine große Haltezeitkonstante. Die Ladezeitkonstante soll deshalb
möglichst kurz sein, weil sich das Signal in der Verzögerungsleitung des Transversalfilters
nach einem kurzen Zeitraum bereits wieder ändert. thi diesen Anforderungen gerecht
zu werden, kann die Speicherung in zwei Schritten vorgenommen werden, derart, daß
Jeweils zwei unterschiedliche Abtast-Haltekreise hintereinander geschaltet werden,
von denen der erste im Hinblick auf die genauer Abtastung eine kurze Ladezeitkonstante
aufweist. Die Haltezeitkonstante muß lediglich ausreichen, um den zweiten Abtast-Haltekreis
während seiner Arbeitaphase ein sich nur geringfügig änderndes Signal anzubieten.
-
Die Haltezeitkonstante des zweiten Abtast-Haltekreises kann dann hinreichend
lang sein.
-
Besonders vorteilhaft ist es, das Schieberegister S2 als digitales
Schieberegister auszuführen und nur die Vorzeichen der Fehlerwerte e k zu verarbeiten,
wie dies in Gleichung (10) zum Ausdruck gebracht wurde. Der Zwischenspeicher Z2
kann dann entfallen, da ein digitales Schieberegister eine einmal eingeschriebene
Information beliebig= lange speichern kann. An den Ausgängen des Schieberegisters
S2 erscheinen dann die Signale sign eq...sign e4.
-
Es sei darauf hingewiesen, daß die Einfügung von Zwischenspeichern
nur aus den bereits erwähnten Realisierungsgründen vorgesehen wurde. Werden für
S1 und S2 Speicher verwendet, die einerseits ein schnelles Abspeichern und andererseits
eine lange Speicherzeit gestatten, beispielsweise bei Ausführung als reine Digitalspeicher
mit vorhergehender A/b-Wandlung der Eingangssignale, können die Zwischenspeicher
Z1 und Z2 entfallen.
Nach erfolgter Abspeicherung werden die Abtastwerte
verarbeitet. Im folgenden soll ein Beispiel fürffünf Abgriffe und eine Eingangsimpulsantwort
mit fünf Abtastwerten xk # 0 anhand der Fig. 2 betrachtet werden. Es ergibt sich
hier eine Ausgangsimpulsantwort mit neun Werten yk f O. Damit treten neun Abtastwerte
ek auf. Der eriorderliche Rechengang läßt sich am einfachsten anhand einer Matrixdarstellung
gemäß Fig. 3 zeigen.
-
Im ersten Schritt wird die Große
gebildet. Diese wird als Korrekturwert für c~2 über den Umschalter U dem entsprechenden
Einstellglied zugeführt. Anschließend wird mit Hilfe eines Taktimpulses auf der
Leitung TL3 die Information im Zwischenspeicher Z2 um eine Zelle nach links geschoben.
Bs kann dann die Größe
am Ausgang des Summierers SU2 gebildet und über den Umschalter U dem Einstellglied
c~1 zugeführt werden. Anschließend wird wiederum der Zwischenspeicher Z2 weitergeschaltet,und
es wird die Größe
gebildet, um c0 zu steuern.
-
Dieser Vorgang wird fortgesetzt bis alle Einstellglieder verändert
sind.
-
Nach dem Empfang des nächsten Testsignals wird der geschilderte Vorgang
wiederholt.
-
Damit ergibt sich eine fortlaufende automatische Nachstellung des
Entzerrers im Sinne der Erzielung kleinsten, mittleren quadratischen Filters im
empfangenen Testsignal. Das Testsignal ist rsprasen5ativ für den zu entzerrenden
übrigen Signalinhalt zu wählen.
-
FUr die Berechnung der Korrekturwerte für die Einstellglieder steht
Jeweils der gesamte Zeitraum zwischen zwei Testsignalen zur Verfügung.
-
4 Patentansprüche 3 Figuren
Leerseite