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Taktrückgewinnung
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Die Taktrückgewinnung (auch Symboltakt-Synchronisation) in der digitalen Übertragungstechnik hat zum Ziel, aus einem empfangenen Digitalsignal den Sendetakt des Senders zu bestimmen und damit das zeitgenaue Abtasten des Empfangsignals zu ermöglichen, oder auch das in der Gegenrichtung zurückgesendete Digitalsignal zeitlich richtig auszurichten (synchronisieren). Die Taktrückgewinnung ist auf Empfängerseite notwendig, um die periodischen Abtastzeitpunkte des empfangenen Datenstromes zu ermitteln. Ohne dieser zeitlich genauen Ausrichtung kann das digitale Empfangsignal nicht richtig ausgewertet werden, entsprechend massive Bitfehler wären die Folge. Bietet ein Übertragungsverfahren die Taktrückgewinnung, so kann auf die aufwendige parallele Taktübertragung mittels eigenen Übertragungskanal zwecks Synchronisation verzichtet werden.
Um aus dem Empfangsignal den Sendetakt gewinnen zu können, muss das Empfangssignal hinreichend viele Signalflanken aufweisen. Das bedeutet, dass lange Folgen von '1' oder '0' ohne Flanken in der Übertragung zu vermeiden sind. Dies kann durch eine entsprechende Kanalkodierung und den Einsatz entsprechender Leitungscodes wie den Biphase-Mark-Code oder den 4B5B-Code erreicht werden. Weiterhin können auf Sendeseite statistische Verfahren wie Scrambler eingesetzt werden, welche das Sendesignal pseudozufällig umgestalten und damit im Mittel hinreichend viele Signalflanken für die Taktrückgewinnung zur Verfügung stellen.
Verfahren
Grundsätzlich kommen zur Taktrückgewinnung zwei verschiedene Verfahren zum Einsatz
- Nichtlineare Verzerrung des Eingangssignals,
- Entscheidungsrückgekoppelte Verfahren mit adaptiven Filtern,
welche in folgenden Abschnitten kurz dargestellt werden.
Taktrückgewinnung durch nichtlineare Verzerrung
Bei diesem Verfahren werden durch eine nichtlineare Verzerrung des Eingangsignals die Signalflanken gewonnen, welche dann mit einem Bandpass oder PLL und anschließender Schwellwertentscheidung den Symboltakt ergeben. Prinzipiell können dabei verschiedene nichtlineare Funktionen eingesetzt werden, wie beispielsweise Quadrierung oder Differenzierung mit anschließender Betragsbildung (Gleichrichtung) des Eingangssignals.
In der Praxis hat allerdings fast nur die Differenzierung mit Betragsbildung in Kombination mit einer PLL wesentliche Bedeutung. Das heißt, die zeitlichen Änderungen des Empfangssignals werden gleichgerichtet und als Referenzfrequenz für eine im Fangbereich grob abgestimmte PLL verwendet. Im eingeschwungenen Zustand der PLL ist dann der so gewonnene Takt frequenzgleich und phasenstarr zum Sendetakt.
Der Nachteil dieser Methode ist, dass die exakte Phasenlage damit nicht wiedergewonnen werden kann. In praktischen Systemen wird der genaue Abtastzeitpunkt der Empfangsdaten dann meist durch eine fix im Empfänger eingestellten Phasenoffset (Zeitversatz) vorgenommen. Dieser Zeitversatz stellt den genauen Abtastzeitpunkt innerhalb des Zeitdauer eines Symbols dar. Dieser Zeitversatz muss daher bei Mutlifrequenzsystemen von der jeweiligen Frequenz über beispielsweise Tabellen abgeleitet werden.
Taktrückgewinnung durch Entscheidungsrückkopplung
Bei diesem Verfahren zur Taktrückgewinnung wird von der so genannten ersten Nyquist-Bedingung Gebrauch gemacht. Diese Bedingung besagt, dass das zeitliche Symbolübersprechen, auch Intersymbol-Interferenz genannt, verschwindet. Voraussetzung dafür ist bei praktisch allen Übertragungskanälen und deren Verzerrungen der Einsatz von adaptiven Kanalentzerrern zur Kompensation.
Ist der Übertragungskanal entsprechend entzerrt und erfüllt die Intersymbolfreiheit, kann durch Synchronisieren auf den Nulldurchgang des Empfangssignal vor und nach den einzelnen Sendeimpulsen der Sendetakt exakt wiedergewonnen werden. Diese Information wird zeitlich gemittelt und dient als Steuersignal für einen regelbaren Oszillator.
Der Vorteil dieses Verfahren ist, dass es nicht nur die Abtastfrequenz exakt wiedergewinnt, sondern auch die Abtastphase. Nachteilig ist der Aufwand, welcher mit adaptiven Filtern verbunden ist. Vor allem die dabei notwendige Trainingsequenz am Anfang einer Übertragung muss im Rahmen des Übertragungsprotokolls vorgesehen sein.
Siehe auch
Literatur
Kammeyer, Nachrichtenübertragung, Teubner Studienverlag 1996, ISBN 3-519-16142-7
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