DE2724561C2

DE2724561C2 - Adaptiver Entzerrer für breitbandige Signale

Info

Publication number: DE2724561C2
Application number: DE19772724561
Authority: DE
Inventors: Karl Heinz Dipl.-Ing. 8000 München Möhrmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-05-31
Filing date: 1977-05-31
Publication date: 1983-09-29
Also published as: DE2724561A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen 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 Idealsignals verbunden ist, an deren Ausgang innerhalb vorgegebener Zeitintervalle die Abtastwerte eines idealen Vergleichssignals auftreten, bei dem weiterhin der Eingang der Anordnung mit einem ersten, eine Anzahl N Ausgänge enthaltenden Schieberegister verbunden ist und der Ausgang des Differenzverstärkers mit einem weiteren, eine Anzahl von wenigstens 2N— 1 Ausgängen enthaltenden Schieberegister verbunden ist und bei dem ein weiterer Summierer vorgesehen ist, dessen Ausgang über einen steuerbaren Umschalter mit den Steuereingängen des Einstellgliedes derart verbunden ist, daß eine adaptive Einstellung des Transversalfilters gegeben ist

Solche Entzerrer sind dem Grundkonzept nach aus der Zeitschrift NTZ, Heft 8 (1974), Seiten 308 bis 312 bekannt Diese Entzerrer brauchen jedoch Analog-Digital-Wandler für das dort mit x_k_j bezeichnete Signal. Auch sind die Eingangssignale in einem Zwe,';r-Exponenten-Code quantisiert, wodurch das Konvergenzverhalten beeinträchtigt werden kann. Dieses Konvergenzverhalten wird aber bei der Erfindung, wie dies später anhand der Gleichungen 9 und 10 noch beschrieben wird, exakt bewerkstelligt

Solche Entzerrerstrukturen für die automatische und adaptive Entzerrung linear verzerrter Signale sind beispielsweise nach 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 Multiplikationen nur ein vergleichsweise kurzer Zeitraum zur Verfugung steht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die automatische Beseitigung linearer Verzerrungen in Breitbandsystemen. Insbesondere soll ein schneller Entzerrer für die Beseitigung der Verzerrungen beispielsweise bei PCM-Übertragung oder bei der Übertragung von Fernsehsignalen angegeben werden, der die Auswertung eines in regelmäßigen Abständen übertragenen Rahmenimpuises bzw. eines in den Lücken eines Informationssignales übertragenen Prüfsignales ermöglicht.

Ausgehend von einem adaptiven Entzerrer der einleitend genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, 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 des weiteren Summierers geschaltet sind.

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 Durchführung der Multiplikation möglich. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, daß die Durchführung der erforderlichen Korrelation zeitlich auf die zwischen zwei Prüfimpulsen vorliegende Lücke verteilt und damit simultan zur eigentlichen Signalübertragung vorgenommen werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Es zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 eine bekannte, ein Transversalfilter enthaltende Entzerrerschaltung,

Fig.2 einen adaptiven Entzerrer gemäß der Erfin-

dung,

F i g. 3 eine Matrixdarstellung des Rechenvorganges der Anordnung nach F i g. 2.

In Fig. i 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 Abgriff versehen sind, jeder Abgriff ist wiederum mit einem Bewertungsglied Q, beispielsweise einem gesteuerten Einstellglied, verbunden, dessen Ausgang wiederum mit einem der Eingänge eines ersten Summierers SU1 verbunden sind.

Das Transversalfilter hei die wesentliche Eigenschaft, daß es die Realisierung einer in weiten Grenzen beliebigen Impulsantwort bzw. Übertragungsfunktion ermöglicht Es liefert als Ausgangsgröße

Λ= Σ ^cJ'^xk-j

(D wobei die c„ die variablen Parameter (Werte der Einstellglieder) des Transversalfillers darstellen. Für das Transversalfilter mit den Eingangssignalen x_k am Mittelabgriff und den Ausgangssignalen y_k gilt entsprechend Gleichung (1).
Mit

e_k=y_k~a_k, (4)

ίο a_k = idealer, richtiger Wert (z. B. Abtastwert der gewünschten entzerrten Impulsantwoirt, auf der Empfangsseite gespeichert)

wird

M j = -.M

und

-r- = lim —
ο c„ _K^„ K

e_k-x_k._n.

Hierbei bedeutet:

das am Eingang E des Transversalfilters auftretende abgetastete Signal

die Bewertungsfaktoren zur Gewichtung der Signale

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 Differenzverstärker D tritt dann das Fehlersignal e_k auf, das als Kriterium für 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 Ausgangssignal 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 richtige? 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 Transversalentzerrsr enthaltenen Verzögerungsleitung, kann als Kriterium die Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers e_k ² verwendet werden. Es ergibt sich hierfür der folgende Ausdruck Es ist also eine Kreuzkorrelation zur Bestimmung dieser Ableitung erforderlich. Ein Nachteil für die Realisierung ist die Schwierigkeit der Instrumentierung von schwellen Korrektoren.

Die x_k_„ stehen an den Abgriffen der Verzögerungsleitung zur Verfugung, e_k wird gemäß Gleichung (5) gebildet.
Zur Verringerung von E wird nun

- Λ

bzw.

_c(m+l) _

T cJ

gebildet Es erfolgt also eine iterative Einstellung in Richtung des Gradienten. Alle Einstellglieaer werden gleichzeitig und parallel schrittweise verändert.

Prinzipiell braucht nicht e² 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 Entzerrers.) Gut geeignet erweist sich zum Beispiel

mit

S E* _ .. 1

_k-_n ■ sign«·*.

(9)

(10)

E = Hm — Σ β- (2)

Damit dieser Ausdruck verschwindet, muß gelten:

Eine Variante des Verfahrens nach Gleichung 10 ist bereits bekannt aus dem Aufsatz »Automatic equalization for digital Communication« von R. W. Lucky, veröffentlicht auf den Seiten 547 bis 58rf der Druckschrift »Bell System Technical Journal«, 44 vom April 1965. Hier wird ein erster Testimpuls gesendet und auf der Empfangsse^:te 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

Σ.ϊΑ-ί · signe,

füry= -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 Stellgröße, beispielsweise eine Steuerspannung, welche die Größe des BewertungsfaK-tors 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 F i g. 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 Verzögerungsgliedern, deren Ausgänge über gesteuerte Einstellglieder C mit den variablen Parametern c, 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 Schaltung zur Erzeugung der Abtastwerte a, eines Idealsignals a(t) angeschlossen ist. Das lsigna! Bi ein i

idealsigna

! Bi ein in bestimmten Zc;iabsiärsde" sende seitig 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 et auf.

Der Eingang E der Anordnung ist mit einem ersten Schieberegister 51 verbunden, das eine Anzahl yv Verzögerur.gsglieder und dementsprechend eine Anzahl N Ausgänge aufweist. Der Ausgang des Differenzverstärkers D ist mit einem weiteren, wenigstens eine Anzahl von 2/V— 1 Ausgängen aufweisenden Schieberegisters 52 verbunden. Die Ausgänge des zur Abspeicherung der x-Werte verwendeten ersten Schieberegisters Si sind über Zwischenspeicher ZX mit den ersten Eingängen einer Anzahl N Multiplizierer M_x bis My verbunden, deren Ausgänge wiederum mit den Eingängen eines, zweiten Summierers SLJ 2 verbunden sind. Die zweiten Eingänge der Multiplizierer M sind über Zwischenspeicher Z 2 mit den hinsichtlich der Schieberichtung letzten N Ausgängen des zweiten Schieberegisters 52 verbunden. Beide Schieberegister und die Zwischenspeicher sind über eine in der Figur schematisch dargestellte Taktzentrale TZ und Taktleitungen TL i... TL4 gemeinsam getaktet. Der Ausgang des zweiten Summierers SU 2 ist über einen steuerbaren Umschalter U mit den in der Figur aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellten Steuereingängen der Einstellglieder des Transversalfilters derart verbunden, daß eine adaptive Einstellung des Transversalfilters gewährleistet ist.

Die Abtastwerte X-i... X2 der verzerrten Testimpulsantwort werden mit Hilfe einer Tastpulsfolge auf der Leitung TL 1 in den X-Speicher 51 eingeschrieben. Ebenso werden die Ausgangssignale e* mit Hilfe einer anderen Tastpulsfolge von der Taktzentrale, welche über die Taktleitung TL 4 angeliefert wird, in den

to £"-Speicher 52 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 et 2Λ/ Abtastwerte Φ0 umfassen. 52 muß daher die doppelte Länge wie 5 1 aufweisen.

Wenn die Abtastwerte e* und χι, in den Registern 5 1 und 52 stehen, werden sie mit Hilfe eines über die Leitung TL 2 angelieferten Kommandoimpulse in die aus Äbtast-Haitekreisen bestehender! Zwischenspeicher

>o Zi und Z2 übernommen und zur weiteren Verarbeitung abgespeichert.

Mit Hilfe von Schiebeimpulsen auf der Taktleitung TL 3 kann das Signal im Zwischenspeicher Z 2 langsam weiter nach links durchgeschoben werden.

Eine alternative, hier nicht dargestellte Lösung besteht darin, die **- und e*-Werte fortlaufend in die X- und ^-Speicher 51 und 52 einzulesen und in den richtige.! Zeitaugenblicken durch Kommandoimpulse ein Auslesen in die Zwischenspeicher Zi und Z 2 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 A/D-Wandlern bekannt, beispielsweise auch aus der DE-AS 19 31 242.

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 Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, kann die Speicherung in zwei Schritten vorgenommen werden, derart, daß jeweils zwei unterschiedliche Abtast-HaiteKreise hintereinander geschaltet werden, von denen der erste im Hinblick auf die genaue Abtastung eine kurze Ladezeitkonstante aufweist Die Haltezeitkonstante muß lediglich ausreichen, um dem zweiten Abtast-Haltekreis während seiner Arbeitsphase ein sich nur geringfügig änderndes Signal anzubieten. Die Haltezeitkonstante des zweiten Abtast-Haltekreises kann dann hinreichend lang sein.

Besonders vorteilhaft ist es, das Schieberegister 52 als digitales Schieberegister auszuführen und nur die Vorzeichen der Fehlerwerte e* 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 52 erscheinen dann die Signale sign e_+... sign e*.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Einfügung von Zwischenspeichern nur aus den bereits erwähnten Realisierungsgründen vorgesehen wurde. Werden für 51 und 52 Speicher verwendet, die einerseits ein schnelles Abspeichern und andererseits eine lange Speicherzeit gestatten, beispielsweise bei Ausführung als reine Digitalspeicher mit vorhergehender A/D-'fVandlung der Eingangssignale, können die Zwischenspeicher Z1 und Z 2 entfallen.

Nach erfolgter Abspeicherung werden die Abtastwerte verarbeitet. Im folgenden soll ein Beispiel für fünf Abgriffe und eine Eingangsimpulsantwort mit fünf Abtastwerten ***<) anhand der Fig. 2 betrachtet werden. Es ergibt sich hier eine Ausgangsimpulsantwort mit neun Werteny*#0. Damit treten neun Abtastwerte e* auf. Der erforderliche Rechengang läßt sich am einfachsten anhand einer Matrixdarstellung gemäß Fig. 3 zeigen.

im ersten Schritt wird die Große

20

Σ ^X"*l

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 7X3 die Information im Zwischenspeicher Zl um eine Zelle nach links ge-

schoben. Es kann dann die Größe

Zu x_n+\

am Ausgang des Summierers SUl gebildet und über den Schalter i/dem Einstellglied c_i zugeführt werden. Anschließend wird wiederum der Zwischenspeicher Zl weitergeschaltet, und es wird die Größe

»■2

Σ -ν,

η - -2

■ e„

gebildet, um Cq 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 repräsentativ für den zu entzerrenden übrigen Signalinhalt zu wählen.

Für die Berechnung der Korrekturwerte für die Einstellglieder steht jeweils der gesamte Zeitraum zwischen zwei Testsignalen zur Verfügung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Adaptiver 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 Ό Idealsignals verbunden ist, an deren Ausgang innerhalb vorgegebener Zeitintervalle die Abtastwerte eines idealen Vergleichssignals auftreten, bei dem weiterhin der Eingang der Anordnung mit einem ersten, eine Anzahl N Ausgänge enthaltenden Schieberegister verbunden ist und der Ausgang des Differenzverstärkers mit einem weiteren, eine Anzahl von wenigstens 2N— 1 Ausgängen enthaltenden Schieberegister verbunden ist und bei dem ein weiterer Summierer vorgesehen ist, dessen²⁰ Ausgang über einen steuerbaren Umschalter mit den Steuereingängen des Einstellglieds derart verbunden ist, daß eine adaptive Einstellung des Transversalfilters gegeben ist,dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge des ersten Schieberegisters (S 1) und die hinsichtlich der Schieberichtung letzten N Ausgänge des weiteren Schieberegisters (S 2) jeweils mit den beiden Eingängen einer Anzahl N Multiplizierer (M) verbunden sind, deren Ausgänge an die N Eingänge des weiteren Summierers (SU 2) geschaltet sind.

2. Adapliver Entzerrer natOi Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Oas weitere Schieberegister (S2) als digitales Schieberegister ausgeführt ist.

3. Adaptiver Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieberegister (S 1,52) als analoge und/oder digitale Schieberegister ausgeführt sind, und daß die Schieberegister (51, 52) mit nachgeschalteten Zwischenspeichern (Zl, Z 2) versehen sind.

4. Adaptiver Entzerrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Zwischenspeicher als Hintereinanderschaltung zweier unterschiedlicher Abtast-Haltekreise ausgeführt sind, von denen der erste kurze Haltezeit- und Ladezeitkonstanten «5 und der zweite lange Haltezeit- und Ladezeitkonstanten aufweist.