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Die
vorliegende Erfindung betrifft Schaltungen zum Entfernen von Jitterverhalten,
Taktmittelwerten und Taktsignal-Korrektorvorrichtungen.
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Zurzeit
wird Jitterverhalten durch Prävention anstatt
durch Behebung kontrolliert bzw. geregelt. Durch den Einsatz einer
geeigneten Designtechnik können
die Effekte von Faktoren wie Stromspitzen, Temperatur, EM-Interferenz,
etc. minimiert werden. Es gibt jedoch viele Situationen, in denen
trotz dieser Maßnahmen
Jitterverhalten durch Übertragung,
mechanische Vorrichtungen und dergleichen in das System eingeführt werden
kann. Taktwiederherstellungssysteme, die durch Übertragung verzerrte Taktsignale
wiederherstellen, weisen für
gewöhnlich
ein hochwertiges Kristall auf, das als Referenz und als eine Quelle
verwendet wird, wenn ein Taktimpuls fehlt.
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Das
U.S. Patent US-A-3.599.103 offenbart ein Übertragungssystem, das eine
Signalphasenverschiebung für
die Codierung von Daten verwendet. Das Dokument betrifft die Synchronisation
eines lokalen Oszillators durch die Ermittlung eines Impulses von
einem monostabilen Multivibrator sowie das Speisen der Ausgabe des
Oszillators an dessen Eingang, so dass ein blockierter Phasenoszillator
erzeugt wird. Im Allgemeinen betrifft das Dokument die Wiederherstellung
von Taktsteuersignalen, um eine korrekte Phase des Takts in Bezug
auf die empfangenen Signale sicherzustellen. Das Thema der Beseitigung
von Jitter an sich wird nicht adressiert.
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EP-A-0
476 968 offenbart die Taktsignalwiederherstellung eines Datendecodierers.
Ein Taktsignal wird aus einem seriellen Übertragungssignal wiederhergestellt,
dass eine Mischung von Daten- und Taktsignalen darstellt. Es reduziert
kein Jitterverhalten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Taktsignalsäuberungsschaltung
bereitzustellen, welche Jitter aus einem Taktsignal entfernt.
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Die
Vorrichtung basiert auf einer Basiseinheit, die sich in der Vorrichtung
wiederholt. Das Verhalten der Basiseinheit bestimmt deren Fähigkeiten in
Bezug auf die Jitter-Beseitigung.
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Vorgesehen
ist gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung eine elektronische Schaltung zur
Verarbeitung eines von einem Quelle mit fester Oszillation erzeugten
Taktsignals. Das Taktsignal weist potenzielles Jitter, temporäre Frequenzänderungen
und fehlende Taktimpulse auf. Die Schaltung ist gekennzeichnet durch:
eine Mehrzahl von Basiseinheiten, die in Reihe bereitgestellt sind
und ein Detektions- und Substitutionsmodul für einen fehlenden Taktimpuls.
Jede Basiseinheit weist einen Eingang der Einheit für den Empfang
des Taktsignals auf, einen Ausgang der Einheit zur Ausgabe des Taktsignals,
eine Schaltkreisanordnung der Einheit mit einer Mehrzahl von Verzögerungselementen,
die seriell zwischen den Eingang der Einheit und den Ausgang der
Einheit geschaltet sind, um Jitter und temporäre Frequenzänderungen des Taktsignals zu
reduzieren, und einen geänderten
Taktsignalausgang zur Ausgabe eines durch die Schaltkreisanordnung
der Einheit erzeugten geänderten
Taktsignals. Die Detektions- und Substitutionsmodul für einen
fehlenden Taktimpuls weist einen Moduleingang für den Empfang des geänderten
Taktsignals von dem Ausgang der Einheit jeder Basiseinheit auf,
eine Modulschaltkreisanordnung mit einer Mehrzahl von Detektionsschaltungen
zum Detektieren eines fehlenden Impulses in dem von jeder Basiseinheit
empfangenen geänderten
Taktsignal, und mit einer Leitwegschaltung zum Leiten des von einer
der Basiseinheiten empfangenen geänderten Taktsignals, wobei
die eine der Basiseinheiten keinen fehlenden Taktimpuls aufweist, und
mit einem Modulausgang zur Ausgabe des durch die Modulschaltkreisanordnung
geleiteten geänderten
Taktsignals.
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In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann
die vorliegende Erfindung als passiv betrachtet werden, wobei jedoch
auch mit dem Oszillator verbundene Rückkopplungsschleifen integriert
werden können,
um Umgebungsbedingungen zu kompensieren, zu denen Altern zählt. Die
Basiseinheit umfasst eine Reihe von Verzögerungselementen, die in Reihe geschaltet
sind.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
der Ausgang jedes Verzögerungselements
mit dem Eingang eines AND-Gatter mit mehreren Eingängen verbunden.
Der Ausgang der Basiseinheit weist ein schmaleres Spektrum auf als
das ursprüngliche
Spektrum. Diese Aussage muss dahingehend qualifiziert werden, dass
das tatsächliche
Signal mit einem ungeraden Arbeitszyklus austritt. Durch die Zufuhr
des Ausgangs der Basiseinheiten an ein Flip-flop wird ein Taktsignal
mit der Hälfte
der ursprünglichen
Frequenz mit einem Arbeitszyklus von 50% erzeugt, da die Zeiten
zwischen den Übergängen von
positiv zu negativ konstant sind. Nach dem Leiten durch einen Frequenzverdoppler
ist das resultierende Spektrum dieses Signals schmaler als ursprünglich.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist ein vorderes Ende (englisch „Front
End") eine Schaltung
auf, welche fehlende Impulse kompensiert. In geeigneter Weise kann
jede Anzahl von Basiseinheiten in Reihe verbunden werden. Jeder
der Ausgänge
wird in ein entsprechendes Flip-flop und ein entsprechendes AND-Gatter
gespeist. Es gibt ein AND-Gatter weniger, die verbunden sind, so
dass die Ausgabe nur einer Basiseinheit durch ein EXOR-Gatter geführt wird. Der
Ausgang von dort wird an verschiedene Basiseinheiten unterschiedlicher
Größen bereitgestellt,
die alle in Reihe verbunden sind.
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Der
Ausgang bzw. die Ausgabe von dort wird einem Flip-flop zugeführt, welches
den ungeraden Arbeitszyklus berichtigt, jedoch ein Signal erzeugt, dessen
Frequenz der Hälfte
der Eingabe entspricht. Entweder kann dieses Signal verwendet werden, oder
das Signal kann einem Frequenzverdoppler zugeführt werden, um ein Taktsignal
auf der ursprünglichen
Frequenz zu erzeugen.
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Zu
den weiteren Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung zählt
die der vorstehenden Beschreibung entsprechende elektronische Schaltung
in Verbindung mit einem Arbeitszyklus- Wiederherstellungsmodul oder
einem Modul, das ein taktflankengesteuertes Flip-flop aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die elektronische Schaltung
gemäß der vorstehenden
Beschreibung, welche einen Frequenzverdoppler umfasst, der mit dem
Ausgang des taktflankengesteuerten Flip-flops gekoppelt ist.
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Vorgesehen
ist gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung eines
durch eine Quelle mit fester Oszillation erzeugten Taktsignals,
wobei das Taktsignal potenzielles Jitter, temporäre Frequenzänderungen und fehlende Taktimpulse
aufweist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: das Reduzieren
von Jitter und temporären Frequenzänderungen
des Taktsignals, so dass eine Mehrzahl von geänderten Taktsignalen vorgesehen
wird; das Detektieren eines fehlenden Impulses in einem Signal der
Mehrzahl von geänderten
Taktsignalen, wobei ein Impuls gewonnen wird, der dem fehlenden
Impuls eines anderen Signals der Mehrzahl von geänderten Taktsignalen entspricht; das
Kompensieren des fehlenden Impulses durch den aus dem anderen Signal
der Mehrzahl von geänderten
Taktsignalen gewonnenen Impuls; und das Ausgeben eines einzelnen
Taktsignals ohne einen fehlenden Impuls.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Reduzieren
von Jitter und von temporären
Frequenzänderungen
einer Quelle mit fester Oszillation, wobei das Verfahren die folgenden Schritte
umfasst: das sukzessive Verzögern
des Taktsignals, um eine Mehrzahl von verzögerten Taktsignalen vorzusehen;
und das gemeinsame Verknüpfen
der Mehrzahl von verzögerten
Signalen, um ein sauberes Signal herzuleiten.
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Ferner
betrifft die vorliegende Erfindung das Verfahren, das ferner das
skuzessive Verzögern
des gesäuberten
bzw. bereinigten Signals umfasst, um eine Mehrzahl verzögerter,
sauberer Signale bereitzustellen; das Detektieren eines fehlenden
Impulses in einem Signal der Mehrzahl verzögerter, sauberer Signale; und
das entsprechende Substituieren eines anderen Impulses und eines
der Mehrzahl verzögerter,
sauberer Taktsignale; und das Ausgeben eines einzelnen sauberen
Signals ohne fehlenden Impuls.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner das vorstehend beschriebene
Verfahren, welches das Herleiten eines dritten Taktsignals mit einem
Arbeitszyklus von 50% und einer Frequenz, die der Hälfte der
Frequenz eines einzelnen sauberen bzw. bereinigten Zyklus entspricht,
umfasst. Die vorliegende Erfindung umfasst ferner das vorstehend
genannte Verfahren, wobei das dritte Signal verdoppelt wird, um
ein viertes Signal zu erzeugen, das eine Frequenz aufweist, welche
der des einzelnen sauberen Signals entspricht.
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung in Bezug
auf die Zeichnungen besser verständlich.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 schematisch
eine Basiseinheit gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Blockdarstellung der Basiseinheit aus 1;
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3 ein
vorderes Ende gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung für
den mittleren Abschnitt, der auf das vordere Ende folgt; und
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5 ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung für
das hintere Ende.
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Die
vorliegende Erfindung versucht Jitter zu eliminieren und den gelegentlichen
fehlenden Impuls aus Taktsignalen zu kompensieren. Das wichtigste Element
eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung ist eine Basiseinheit gemäß der Abbildung
aus 1. Es ist dahingehend passiv, dass keine Rückkopplungsschleifen
eingesetzt werden. Dies bedeutet nicht, dass dies unmöglich ist;
wie zum Beispiel wenn keine Ausgabe vorhanden ist, so impliziert dies,
dass die Frequenz des Taktsignals außerhalb des Bereichs der Schaltung
liegt, und eine Rückkopplungsschleife
kann eingesetzt werden, um den Kristall- bzw. Quarzoszillator oder die Taktquelle
zu steuern, um die Eingangsfrequenz wieder in ihren Bereich zu bringen.
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Hiermit
wird festgestellt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die
Funktionsfähigkeit
innerhalb der Grenzen der Elektrizität beschränkt ist, vielmehr funktionieren
die beschriebenen Topologien theoretisch auch dann gut, wenn es
sich bei dem Medium um Licht oder Schall sowie um Elektronen handelt.
Die praktischen Vorteile der Implementierung des Designs sind Teil
des Umfangs der zweckmäßigen Designumsetzung.
Zum Beispiel können
Verzögerungsleitungen
mit beträchtlicher
Länge eingesetzt werden.
In diesem Fall müssen
stabile Spannungs- und Stromquellen eingesetzt werden, um Jitter
zu reduzieren, das durch das gleichzeitige Umschalten all dieser
Gatter bewirkt wird. Tatsächlich
können
aus komplementären
Paaren Verzögerungselemente
gebildet werden, um Stromspitzen zu vermeiden.
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In
Bezug auf die Abbildung aus 1 zeigt diese
schematisch eine Basiseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Diese Basiseinheit 14 besteht
aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Verzögerungselementen 1–8,
deren Ausgabe jeweils in ein NAND/AND-Gatter 9 mit mehreren
Eingängen
gespeist wird. Die Anzahl der Verzögerungselemente ist willkürlich, wobei
jedoch gilt, dass desto größer die
Anzahl desto schmaler ist der Frequenzbereich, aus dem die Einheit
eine Eingabe entgegennehmen kann. Bei einem nicht perfekten Signal
als eine Eingabe gibt die Basiseinheit im Allgemeinen ein Signal
aus, dessen Arbeitszyklus ungerade ist. Dies wird später korrigiert.
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Der
Eingang 10 empfängt
ein Signal direkt von einem Kristalloszillator, einer anderen Taktquelle oder
dem Ausgang eines anderen Basiselements. Das Signal breitet sich
durch die Verzögerungselemente 1–8 aus,
wobei der Ausgang an jedem Element den Ausgang des NAND/AND-Gatters 9 regelt, welcher
einen Teil der Basiseinheit bildet. Der Ausgang 11 gibt
das Signal aus, wie es in den Eingang 10 eintritt. Der
Ausgang (verändert) 12 gibt
den Ausgang der Basiseinheit wider und der Ausgang (verändert) 13 gibt
den Umkehrwert von 12 wider.
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Ein
positiver Wert des Ausgangs (verändert) 12 ist
nur möglich,
wenn alle an den Eingängen
des NAND/AND-Gatters 9 mit mehreren Eingängen präsentierten
Werte positiv sind.
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Die
Verzögerung
jedes Elements 1–8 muss identisch
sein und bestimmt die „ideale" Frequenz der Basiseinheit 14.
Bei einer Verzögerung
von x Sekunden entspricht die „ideale" oder zentrale Frequenz
2π ÷ x Hz.
Anders ausgedrückt,
muss die durch jedes Element eingeführte Verzögerung gleich der Periode der
Eingangsfrequenz sein.
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Die
Schaltung in dem zeitlichen Bereich zu analysieren ist schwer, wobei
es lehrreich ist, das Verhältnis
in dem Frequenzbereich zu sehen, indem der Effekt an bestimmten
Signalarten studiert wird, die der Schaltung zugeführt werden.
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Wenn
der Basiseinheit
14 ein Jitter-freies, stabiles Taktsignal
präsentiert
wird, dessen Frequenz von der idealen Frequenz abweicht, so besitzt
die Basiseinheit keine Auswirkung auf das Signal. Der Bereich der
Taktsignalperioden, die unbeeinflusst hindurchtreten können, ist
wie folgt gegeben:
wobei n
t der
Anzahl der Verzögerungselemente
1–
8 in
der Basiseinheit
14 entspricht, und wobei x der durch jedes
Verzögerungselement
1–
8 eingeführten Verzögerung entspricht.
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Wenn
der Basiseinheit 14 ein Signal präsentiert wird, das einen Frequenzbereich
(eingeführt durch
Jitter oder andere Faktoren) aufweist, so gestaltet sie den Bereich
deutlich schmaler. Ein interessantes Merkmal ist es, dass unabhängig davon,
ob die Signalfrequenzen um die „ideale" Frequenz zentriert sind, die Basiseinheit 14 den
Frequenzbereich schmaler gestaltet und die spitze des Spektrums
in Richtung der idealen Frequenz bewegt. Je näher die zentrale Frequenz des
ursprünglichen
Signals jedoch zu der der Basiseinheit 14, desto schmaler
ist das Ausgangsspektrum.
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In
der Abbildung aus 2 ist eine Blockdarstellung
der Basiseinheit aus 1 veranschaulicht.
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In
Bezug auf die Abbildung aus 3 ist ein vorderes
Ende gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung dargestellt. Das vordere Ende des Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung betrifft die Anerkennung des Fehlens
von Taktimpulsen sowie die Kompensation dieses Zustands. Wenn ein
Taktimpuls fehlt, so wird die Logik so angeordnet, dass die Ausgabe
der Basiseinheit 15–19,
welche das Fehlen aufweist, blockiert wird (z.B. 19), und
wobei das Signal von der vorhergehenden Basiseinheit (z.B. 18) übernimmt
und durch die folgenden Abschnitte geleitet wird.
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Die
Flip-flops 20–23 stellen
sicher, dass nur der Ausgang bzw. die Ausgabe von einer Basiseinheit 15–19 das
EXOR-Gatter 37 erreicht. Die Verzögerungselemente 44, 25, 27, 29, 31 sehen
eine Verzögerung
vor, welche der der Flip-flops entspricht, wobei auch die Signalpfade
zu dem AND-Gatter die gleiche Ausbreitungsverzögerung aufweisen. Die Verzögerungselemente 24, 26, 28, 40 an
dem Freigabe-/Sperreingang der Flip-flops 20, 21, 22, 23 werden so
geregelt bzw. angepasst, dass das Flip-flop einen fehlenden Takt
identifizieren kann sowie einen tatsächlichen Taktimpuls. Dies setzt
auch die Vorrichtung zurück.
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In
Bezug auf die Abbildung aus 4 ist ein mittlerer
Abschnitt gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt. Auf das vordere Ende aus 3 folgend
verläuft
das Signal danach zu einem Abschnitt, der vier Basiseinheiten 38–41 aufweist,
die jeweils eine zunehmende Anzahl von Verzögerungselementen aufweisen.
Die tatsächliche
Topologie dieses Abschnitts kann beliebig gestaltet werden, sofern
sie funktionsfähig
ist; wobei durch Versuche die besten Möglichkeiten zur Verbindung
der Grundelemente 38–41 jeder
Größe und Anzahl
für die
jeweilige Anwendung ermittelt werden können. Durch den Einsatz einer
größeren Anzahl von
Verzögerungselementen
weist das resultierende Signal ein deutlich schmaleres Frequenzspektrum auf.
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In
Bezug auf die Abbildung aus 5 ist das hintere
Ende gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Nach dem mittleren Abschnitt
wird das Signal in der Folge dem Flip-flop 42 präsentiert
und optional einem Frequenzverdoppler 43. Bis zu dem Zeitpunkt,
wenn das Signal diese Stufe erreicht, weist es allgemein einen sehr
kurzen positiven Zyklus und einen sehr langen negativen Halbzyklus
auf. Die Zeiten zwischen den Übergängen von
negativ zu positiv sind konstant. Geringfügige Abweichungen können periodisch
auftreten, wobei sie dadurch bewirkt werden, dass das Signal mit
den Verzögerungselementen 1–8 die
Phase verlässt.
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Somit
wird unter Verwendung eines positiven taktflankengesteuerten Flip-flops 42 ein
Signal mit einem Arbeitszyklus von 50% zu Lasten der Halbierung der
Frequenz des Signals erzeugt. Wenn dies gewünscht wird, kann ein Frequenzverdoppler 43 eingesetzt
werden, um erneut ein Taktsignal mit der ursprünglichen Frequenz zu erzeugen.
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In
Bezug auf das vorstehend beschriebene besondere Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen, Abänderungen und Adaptionen möglich, ohne
dabei von dem in den Ansprüchen
definierten Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
