DE10318643B4 - Mehrwertiges FSK Frequenzmodulationssystem - Google Patents

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Abstract

Mehrwertiges FSK-Frequenz-Modulationssystem umfassend:
Mittel zum Einstellen eines unterschiedlichen Schiebebetrags für jeden Symboldatenwert;
Mittel zum Mappen einer Sequenz der Symboldatenwerte auf der Amplitudenebene durch Bestimmen eines Zeichengewichts eines nächsten Symboldatenwertes auf der Basis des unterschiedlichen Schiebebetrags für jeden Symboldatenwert und eines Zeichengewichts eines vorhergehenden Symboldatenwertes, um mehrwertige, differenzielle Mapp-Daten zu erhalten; und
Mittel zum Ausbilden eines Modulationssignals durch Modulieren der Frequenz der Abbildungsdaten, wobei die Abbildung in einer solchen Weise durchgeführt wird, dass die Zeichengewichtsniveaus, die den nächsten differentiellen Abbildungsdaten zugeordnet sind, sich absolut von den Zeichengewichtsniveaus unterscheiden, die den vorhergehenden differentiellen Mapp-Daten auf der Amplitudenebene zugeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein mehrwertiges FSK Frequenzmodulationssystem für ein Fernsteuergerät zur Steuerung eines Objektes, das sich an einem entfernten Ort befindet, auf der Grundlage von Steuerdaten, welche durch Radiowellen übertragen werden. FSK (Frequecy Shift Keying) bedeutet dabei eine Frequenzumtastung.
  • Fernsteuergeräte zur Beeinflussung eines sich bewegenden Gegenstandes oder Instrumentes von einem entfernten Ort über Steuerinformation, welche von Radiowellen übertragen wird, sind allgemein bekannt. Modellautos und Modellschiffe sind ein Beispiel für die sich bewegenden Objekte, welche durch die Radiowellen gesteuert werden sollen.
  • Da solch eine Vorrichtung im Allgemeinen schmalbandige Modulationssignale benutzt, welche vom Rundfunkgesetz erlaubt sind, wird von binären (oder zweiwertigen) Impulsdaten Gebrauch gemacht. Jedoch verbreitert sich die Bandbreite der Trägerfrequenz, wenn die Datenübertragungsrate erhöht wird, um das Ansprechverhalten des gesteuerten Gerätes zu verbessern. In der Konsequenz erzeugt dies ein Problem, dass zwischen den Steuersignalen in Nachbarkanälen eine Intersymbolinterferenz auftritt.
  • Um solch ein Problem zu lösen, kann darüber nachgedacht werden, dass die Steuerdaten in einen mehrwertigen Wert konvertiert werden, zum Beispiel könnten zwei Bits in ein Symbol konvertiert werden, um die konvertierten Daten zu übertragen, so dass die Übertragungsrate erhöht werden kann, ohne dass die Übertragungszeit eines Symbols in einem herkömmlichen System verändert wird.
  • Die 5(a) und (b) zeigen schematisch ein Gerät, um zweiwertige Daten als vierwertige Daten in Übereinstimmung mit dem herkömmlichen System über eine Entfernung zu übertragen.
  • In 5 zeigt die Nummer 11 eine 2-zu-4-Wert-Übertragungsschaltung, welche digitale Eingabedaten eines binären Formats (0, 1) zur Steuerung empfängt. Die Frequenz eines Frequenzmodulators 12 moduliert eine Trägerfrequenz mit den durch die 2-zu-4-Wert-Übertragungsschaltung konvertierten Ausgabedaten. Ein Hochfrequenzleistungsverstärker 13 verstärkt ein moduliertes Trägersignal und gibt es dann an eine Sendeantenne 14.
  • Eine Empfangsantenne 21 empfängt die vom Sender 13 ausgesandten Radiowellen. Ein Hochfrequenzverstärker 22 verstärkt die von der Antenne 21 empfangenen Radiowellen auf ein Signal eines konstanten Wertes. Der Frequenzdetektor 23, der von einem Diskriminator gebildet wird, empfängt das Verstärkersignal und gibt es dann als einen vorgegebenen Spannungswert aus (z. B. eine vierwertige Spannung).
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden vierwertige Gleichspannungskomponenten detektiert. Jedoch konvertiert die nächste 4-zu-2-Wert-Übertragungsschaltung 24 die vierwertigen Werte in ein vorgegebenes Codesignal.
  • In 5(c) ist das Codesignal in der vierwertigen Frequenz-/Amplitudenebene dargestellt. Zum Beispiel entspricht die Frequenz f0 einem 2-Bit-Codesignal von ”00”. Die Frequenz f1 entspricht einem 2-Bit-Codesignal von ”01”. Die Frequenz f2 entspricht einem 2-Bit-Codesignal von ”11”. Die Frequenz f3 entspricht einem 2-Bit-Digitalsignal von ”10”.
  • Im Fall des vierwertigen FSK Frequenzmodulationssystems erzeugt der Frequenzdetektor oft Ausgangssignale desselben Amplitudenwertes für eine lange Zeitperiode ohne Rücksicht auf die 2-zu-4-Übertragungsschaltung, wenn dieselben Symbole der Übertragungsdaten nacheinander erzeugt werden. Folglich wird es schwierig, die Intersymboldecodierung eines digitalen Signales (oder einen Zeichenpunkt zu detektieren) durchzuführen. Folglich sind die detektierten Daten fehlerhaft.
  • Um solch ein Problem zu vermeiden, werden Modulationssysteme vorgeschlagen, welche ein Einleitungssignal während einer vorgegebenen Zeitperiode einfügen, während dieselben Zeichen während dem Codieren nicht kontinuierlich ausgegeben werden, oder das nächste Zeichen im Vergleich zum vorgehenden Zeichen invertieren, wenn dieselben Daten folgen. Der Nachteil an diesen Systemen ist jedoch, dass die Informationsübertragungseffizienz ausgesprochen niedrig ist, weil den ursprünglichen Daten zusätzliche Daten hinzugefügt werden.
  • Aus der WO 99/63 722 ist ein Verfahren zur Demodulierung von geglätteten frequenzmodulierten (TFM) Signalen bekannt. Dabei wird ein Verfahren zum Demodulieren von TFM Signalen unter einem Gleichstrom-Offset realisiert. Dieses Verfahren ist in der Lage, trotz des Gleichstrom-Offsets und anderen Arten von Niedrigfrequenzrauschen im Basisbandsignal übertragene Symbole zu detektieren. Bei dem Verfahren zur Demodulierung werden Signalabtastungsvektoren auf einem empfangenen Signal gebildet, Differenzvektoren werden auf der Basis dieser Signalabtastungsvektoren berechnet und empfangene Datensymbole werden auf der Basis der Länge dieser Differenzvektoren festgestellt.
  • Die DE 37 83 592 T2 offenbart ein Verfahren zur Modulation und Demodulation von Binärsignalen auf vier Frequenzzuständen und bei einem einstellbaren Schutzgrad, bei welchem vor der Modulation die Binärsignale in kritische und in nichtkritische Signale getrennt werden. Dabei werden die nichtkritischen Binärsignale in Paaren von Binärelementen gruppiert, jedem Paar von Binärelementen nichtkritischer Signale wird eine Frequenz zugeordnet, die einem ihrer vier möglichen Kombinationszustände entspricht, und jedem Binärelement der kritischen Signale wird ein Binärelement von bestimmtem Wert (1 oder 0) hinzugefügt, der so festgelegt ist, dass die Kombination zwei Zuständen entspricht, die in der Ebene der Frequenzen zwei Frequenzen entsprechen, die möglichst weit von einander entfernt sind.
  • Aus HUBER, J.: Trellis-Codierung, 1992, Berlin, Springer Verlag, ISBN 3-540-55792-X, Seiten 65–68 ist die Trellis-Codierung bekannt, bei der die Zuordnung von Code-Symbolsequenzen zu Quellen-Symbolsequenzen in rekursiver Weise erfolgt. Aus dem Strom von Quellensymbolen werden Quellensymbolblöcke gebildet und dem Trellis-Codierer zugeführt. Im Codiervorgang wird dem Quellensymbolblock ein Block aus Codesymbolen zugeordnet, wobei diese Zuordnung zeitvariant ist, wobei die aktuelle Abbildungsvorschrift von vorangegangenen Quellensymbolblöcken beeinflusst wird. Diese Abhängigkeit wird durch den Zustand beschrieben, in dem sich der Trellis-Code beim Codieren befindet. Die Anzahl von unterschiedlichen Codezuständen wird als endlich vorausgesetzt. Die Zustände werden durch Zustandsnummern gekennzeichnet. Bei der Trellis-Codierung findet somit eine rekursive Form einer Verkettung der Blöcke aufgrund der wechselnden Code-Zustände statt. Wenn die Code-Symbolblöcke zu Code-Ausgangssymbolen zusammengefasst werden, wird durch eine Parallel-seriell-Wandlung am Ausgang des Trellis-Coders schließlich ein kontinuierlicher Strom von Codesymbolen erzeugt, der durch einen mittleren Informationsgehalt oder die Rate des Trellis-Coders charakterisiert wird. Der relative Informationsgehalt je Codesymbol bedeutet, dass eine Redundanz bei der Trellis-Codierung vorhanden ist. Bei der Zuordnung von Codesymbolen zu Informationssymbolen kann nämlich nicht festgestellt werden, welche Codesymbole Information und welche Redundanz verkörpern. Daher kann das Redundanzproblem auf dieser Grundlage nicht gelöst werden.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes mehrwertiges FSK Frequenzmodulationssystem zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, die Trägerfrequenzen zu modulieren und mehrwertige Daten zu übertragen und zu empfangen.
  • Ein mehrwertiges FSK Frequenzmodulationssystem entsprechend der Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen charakterisiert, während die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung enthalten.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 ein Blockdiagramm ist, welches einen Sender/Empfänger darstellt, der ein mehrwerti ges Modulationssystem entsprechend der vorliegenden Erfindung benutzt;
  • 2 eine Tabelle ist, welche die Gewichtung von Zeichen für unterschiedliche Codierung auflistet;
  • 3 ein erklärendes Diagramm ist, welches die aktuellen Daten darstellt, die basierend auf den früheren Daten abgebildet werden;
  • 4 ein Wellenformdiagramm ist, das teilweise eine modulierte Wellenform darstellt, welche durch Abbildung verschoben ist; und
  • 5 ein Blockdiagramm ist, welches einen herkömmlichen Sender/Empfänger für Zwei-Wert-zu-Vier-Wert-Konversion darstellt.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, welches ein Ausführungsbeispiel entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt. In Bezug auf 1 stellt 11 einen Differenzcodierer (Decoder) dar, in den die Übertragungsdaten eingegeben werden. Der Differenzcodierer 21 wird aus einer Tabelle gebildet, aufgrund der die nächsten Übertragungsdaten abgebildet werden, auf der Basis der früheren Übertragungsdaten, so wie dies später beschrieben wird.
  • Ein Frequenzmodulator 22 moduliert die Frequenz von Modulationssignalen, die von dem Differenzcodierer 21 erzeugt werden. Ein Hochfrequenzleistungsverstärker 23 verstärkt die Leistung einer modulierten Trägerfrequenz. Die Nummer 24 stellt eine Sendeantenne dar.
  • Eine Empfangsantenne 25 empfangt die Information, welche von der Sendeseite ausgesandt wird. Nummer 26 stellt einen Hochfrequenzverstärker dar. Nummer 27 stellt einen Frequenzdetektor dar, der von einem Diskriminator gebildet wird.
  • Ein Differenzcodierer (Decoder) 28 auf der Sendeseite konvertiert die durch die Abbildung decodierten Daten in die Originalreihenfolge. Folglich kann die Steuerinformation für ein zu steuerndes Objekt von den Daten des Differenzdecoders 28 erhalten werden.
  • 2 ist eine Tabelle, welche die Gewichtsverschiebungsbeträge auflistet, welche den Betrag der Umtastung oder Verschiebung von Daten zeigen, die als nächstes zu einem Zeitpunkt mit vierwertigen Daten Y1, Y2 ausgegeben werden, während die vierwertigen Daten Y1, Y2 in den Sender eingegeben werden.
  • In 2 sind Y1, Y2 Daten, die ein Symbol darstellen, welches aus zwei Bits gebildet wird und welches das Intervall angibt, während dem die Umsetzungsbeträge davon abgebildet oder gemappt werden (oder das Zeichen gewichtet wird).
  • 3 ist eine Gewichtsübergangstabelle, die auflistet, wie sich das Zeichengewicht der Daten verändert. In 3 markiert eine schwarze rechtwinklige Marke die Zeichenposition eines früheren Symbols. Die linke Spalte zeigt ein Zeichengewicht im Sinne eines Ge wichtschiebebetrages und die horizontale Achse stellt einen Datenübergang dar. Wie aus 3 ersichtlich ist, wird das Gewicht eines vierwertigen Frequenzmodulationssignales durch die differentielle Codierung eines Zwei-Bit-Signales auf eine 8-Niveau-Amplitudenebene für jedes Symbol abgebildet. Die Tabelle zeigt, dass die 8-wertigen Zeichengewichte jeweils durch (–7), (–5), (–3), (–1), (+1), (+3), (+5) und (+7) dargestellt werden. In diesem Fall sind die differenziellen Amplitudenwerte +2, –2, +6 und –6 jeweils den Zwei-Bit-Daten (00), (10), (01) und (11) zugeordnet.
  • Nun wird der in 3 dargestellte Übergang beschrieben. Beim Übergang 4 hat eine frühere Datengewichtsposition den Wert (–1). Wenn die bei einer positiven Umtastung oder Verschiebung eingegebenen Daten den Wert (00) haben, dann beträgt der Umtastungsbetrag +2, so wie dies in 2 dargestellt ist. Folglich erhalten die Daten einen Wert mit einem Zeichengewicht von +1, der auf (–1) + (+2) basiert. Beim Übergang 4 hat das Zeichengewicht einen Wert von –3 (= (–1) + (–2)), wegen einem Umtastungsbetrag von –2, so wie dies in 2 dargestellt ist, wenn ein als nächstes einzugebendes 2-Bit-Symbol den Wert (10) hat.
  • Auf ähnliche Art und Weise hat der Schiebebetrag den Wert +6, wenn beim Übergang 4 die als nächstes einzugebenden Daten den Wert (01) haben. Folglich erhält das Zeichengewicht den Wert +5. Wenn die Daten den Wert (11) haben, dann hat der Schiebebetrag den Wert –6 und der Zeichengewichtswert hat einen Wert von –7. Wenn der Zeichengewichtswert einen kleineren Wert als –7 erhält, dann verändert sich der Umtastungsbetrag auf +7. Der Gewichtsabstand zwischen +7 und –7 ist auf ±2 eingestellt.
  • Das Zeichengewicht verschiebt sich um 1/8 bei jedem Symbol. Jedes Symbol hat ein unterschiedliches Zeichengewicht, so dass die Lauflänge von 1 garantiert wird. Die Gewichtsdistanz eines jeden Symboles ist 4, was zum gleichen Abstand wie dem in dem herkömmlichen vierwertigen Frequenzmodulationssystem korrespondiert. Dies zeigt dieselben Fehlerratencharakteristika.
  • Ein unterschiedliches Bit in der Nachbarschaft eines Symboles hat nur den Wert 1 und wird in einen Gray-Code konvertiert. Dies kann den Zahlenwert davor bewahren, dass er aufgrund eines 1-Bit-Fehlers eine große Abweichung aufweist.
  • Wie aus der Zeichentabelle klar ist, verschiebt sich das Zeichengewicht um 1/8, wenn die Symbole (00) und (10) kontinuierlich auftreten. Das Modulationsschema entsprechend der vorliegenden Erfindung kann ausgehend von diesem Verhalten als ein vierwertiges 1/8-Umtastungs-Frequenzmodulationssystem bezeichnet werden.
  • Beim Decodieren wird die Frequenzdetektion in einer ähnlichen Art und Weise durch geführt, wie bei einem herkömmlichen vierwertigen FSK Frequenzmodulationssystem, so dass das Symbol in den Basisbandbereich zurückkehrt. Folglich können 2-Bit-Daten auf der Basis eines differenziellen Amplitudenbetrags zwischen empfangenen Daten und früheren Daten bewertet werden.
  • 4 zeigt einen Zeichengewichtsübergang (Modulationswellenform), der mit dem Symbolwert übereinstimmt, wenn der Symbolwert von –7 ein Startwert ist.
  • Eine vierwertige Symbolsequenz, welche in diesem Ausführungsbeispiel benutzt wird, ist 00111100010101011000011000101110. Wie aus diesem modulierten Wellensystem verstanden werden kann, gibt es keine kontinuierliche Frequenzebene bei jedem Symbol.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung verändert sich die Signalamplitude eines Symbolpunktes bei jedem Symbol, wenn ein mehrwertiges Signal aus einem zweiwertigen Signal gebildet wird. Aus diesem Grund kann die Symbolsynchronisation leicht erhalten werden, wenn die durch den Differenzdecoder erhaltenen Daten auf der Empfangsseite empfangen werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist insofern vorteilhaft, dass die Zeichenübertragungseffizienz sich nicht verschlechtert, weil es vermieden werden kann, dass Daten derselben Amplitude ohne Hinzufügung von redundanten Daten übertragen werden.
  • Darüber hinaus hat in der vorliegenden Erfindung die Frequenzamplitudenebene acht Werte, wobei aber der Intersymbolabstand zwischen jedem Symbol derselbe ist, wie bei dem vierwertigen Frequenzmodulationssystem. Folglich gibt es keine Verschlechterung des Phänomens, welches die Fehlerrate verursacht, weil dieselbe Fehlerratencharakteristik wie beim vierwertigen FSK Frequenzmodulationssystem vorliegt.

Claims (4)

  1. Mehrwertiges FSK-Frequenz-Modulationssystem umfassend: Mittel zum Einstellen eines unterschiedlichen Schiebebetrags für jeden Symboldatenwert; Mittel zum Mappen einer Sequenz der Symboldatenwerte auf der Amplitudenebene durch Bestimmen eines Zeichengewichts eines nächsten Symboldatenwertes auf der Basis des unterschiedlichen Schiebebetrags für jeden Symboldatenwert und eines Zeichengewichts eines vorhergehenden Symboldatenwertes, um mehrwertige, differenzielle Mapp-Daten zu erhalten; und Mittel zum Ausbilden eines Modulationssignals durch Modulieren der Frequenz der Abbildungsdaten, wobei die Abbildung in einer solchen Weise durchgeführt wird, dass die Zeichengewichtsniveaus, die den nächsten differentiellen Abbildungsdaten zugeordnet sind, sich absolut von den Zeichengewichtsniveaus unterscheiden, die den vorhergehenden differentiellen Mapp-Daten auf der Amplitudenebene zugeordnet sind.
  2. Mehrwertiges FSK-Frequenz-Modulationssystem nach Anspruch 1 umfassend: Mittel zum Einstellen eines unterschiedlichen Schieberbetrags für je vier 3-Bit-Symboldatenwerte; Mittel zum Mappen einer Sequenz der 2-Bit-Symboldaten auf der Amplitudenebene durch Bestimmen eines Zeichengewichts eines nächsten Symboldatenwertes auf der Basis des unterschiedlichen Schiebebetrags für je vier 2-Bit-Symboldatenwerte und eines Zeichengewichts eines vorhergehenden Symboldatenwertes, um vierwertige, differentielle Mapp-Daten zu erhalten; und Mittel zum Ausbilden eines Modulationssignals durch Modulieren der Frequenz der Abbildungsdaten, wobei die Abbildung in einer solchen Weise durchgeführt wird, dass je vierwertige, differentielle Abbildungsdaten jeweils acht Zeichengewichtsniveaus auf der Amplitudenebene zugeordnet werden, so dass vier der acht Zeichengewichtsniveaus, die den nächsten vierwertigen, differentiellen Abbildungsdaten zugeordnet werden, sich absolut von den vier Zeichengewichtsniveaus unterscheiden, die den vorhergehenden, vierwertigen, differentiellen Mapp-Daten zugeordnet sind.
  3. Mehrwertiges FSK-Frequenz-Modulationssystem nach Anspruch 1, worin das Modulationssignal PCM-Codedaten zur Fernsteuerung umfasst.
  4. Frequenz-Modulationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgebildeten Daten aus einem Gray-Code gebildet werden.
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