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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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”.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
mehrwertiges FSK Frequenzmodulationssystem entsprechend der Erfindung
ist in den unabhängigen
Ansprüchen
charakterisiert, während
die Unteransprüche
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung enthalten.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein Blockdiagramm ist, welches einen Sender/Empfänger darstellt,
der ein mehrwerti ges Modulationssystem entsprechend der vorliegenden Erfindung
benutzt;
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2 eine
Tabelle ist, welche die Gewichtung von Zeichen für unterschiedliche Codierung
auflistet;
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3 ein
erklärendes
Diagramm ist, welches die aktuellen Daten darstellt, die basierend
auf den früheren
Daten abgebildet werden;
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4 ein
Wellenformdiagramm ist, das teilweise eine modulierte Wellenform
darstellt, welche durch Abbildung verschoben ist; und
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5 ein Blockdiagramm ist, welches einen herkömmlichen
Sender/Empfänger
für Zwei-Wert-zu-Vier-Wert-Konversion
darstellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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4 zeigt
einen Zeichengewichtsübergang (Modulationswellenform),
der mit dem Symbolwert übereinstimmt,
wenn der Symbolwert von –7
ein Startwert ist.
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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.
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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.
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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.
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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.