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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Übertragung binärer Daten, in
deren Verlauf die zur Übertragung bestimmte Datenfolge oder eine aus dieser gebildete
Signalfolge als spiegelbildliche Folge wiederholt wird und in deren Verlauf jedem
aus der zu übertragenden Folge gebildeten Doppelimpuls ein diskreter Wert eines
zusätzlichen Signalparameters zugeordnet wird, sowie eine sende- und eine empfangsseitige
Anordnung zur Durchführung dieser Verfahren.
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Bei der Übertragung von Nachrichten ist allgemein die Einschränkung
gegeben, daß die verwendete Trägerfrequenz wegen der beschränkten Bandbreite des
Übertragungskanals nicht beliebig erhöht werden kann. Damit ist auch die Frequenz
der auf einem solchen Kanal übertragbaren Daten, begrenzt. Es erscheint wünschenswert,
bei gegebener Bandbreite und maximaler Trägerfrequenz die Übertragung binärer Daten
mit erhöhter Bitfolgefrequenz zu ermöglichen.
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Zur Absicherung übertragener Binärdaten gegen Störungen und Verstümmelungen
sind bereits (durch die österreichische Patentschrift 117 999 und die schweizerische
Patentschrift 327 525) Verfahren bekanntgeworden, nach denen jedes Zeichen
oder jede Zeichengruppe spiegelbildlich oder auch in ursprünglicher Form wiederholt
durchgegeben wird. Diese Verfahren dienen jedoch, wie angegeben, ausschließlich
der Absicherung übertragener Nachrichten. Die Methode der spiegelbildlichen Wiederholung
zu übertragender Binärdaten bildet jedoch auch die Grundlage des der vorliegenden
Erfindung gemäßen Verfahrens. Zweck und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist jedoch
nicht ein Datensicherungsverfahren, sondern, wie bereits erwähnt, die fortschrittliche
Ermöglichung einer erhöhten Bitfolgefrequenz, die über die durch die Höhe der Trägerfrequenz
normalerweise ohne zusätzliche Vorkehrungen gegebene Grenze hinausgeht.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche
Signalparameter Spannungspegel gewählt werden, daß die zu übertragende binäre Bitfolge
a, b, c, d ... in eine quaternäre Folge A,
B
... (mit A = 2 a -f - b- und B = 2 c -E- d) umgewandelt
wird, daß die Pegel der Elemente A, B ... die Werte -P1, -P2, -[-P1,
+P2 annehmen und daß die Verschlüsselung nach -dem im Patentanspruch 1 gegebenen
Schema vorgenommen wird.
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Eine weitere Verbesserung dieses Verfahrens läßt sich dadurch erreichen,
daß die Pegelwerte in der Folge A; B, -A, -B :.. . übertragen werden.
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In den weiteren Unteransprüchen sind Lösungen für eine sende- und
empfangsseitige Anordnung zur Durchführung der angegebenen Verfahren beschrieben.
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Im folgenden wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen mit Hilfe
.der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen F i g. 1 a und 1 b übliche Arten der
Modulation, F i g. 2a eine Kodierung binärer Daten, F i g. 2b das Frequenzspektrum
der Grundfrequenz nach F i g. 2a, i F i g. 3 eine andere Kodierungsart, F i g. 4a
bis 4d eine Kodierung von aus zwei Bits bestehenden Datengruppen, F i g. 5 Signale,
die bei der Kombination der Bits mit ihren Inversen entstehen, i F i g. 6 Signale
gemäß F i g. 5 bei Zusammenfassung zweier binärer Elemente, F i g. 7 die Bildung
von quaternären Elementen aus gegebenen binären und Kombination mit dem Inversen,
F i g. 8 ein Anordnungsbeispiel eines Kodierers zur Durchführung des Verfahrens
nach F i g. 7, F i g. 9a ein Anordnungsbeispiel eines Dekodierers für ein Verfahren
gemäß F i g. 7, F i g. 9b die Signalfolge an verschiedenen Punkten der Schaltung
nach F i g. 9 a und F i g. 10 Frequenzdiagramme zur Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
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F i g. 1 b zeigt einen bekannten Modulator M, dem die Trägerfrequenz
vom Generator G zugeführt wird. E bedeutet das Nutzsignal und S das modulierte Signal,
das der Übertragungsleitung zugeführt wird. In F i g. 1 a ist unter a) die zu übertragende
Datengruppe dargestellt, unter b) ein entsprechendes frequenzmoduliertes Signal
und unter c) ein entsprechendes phasenmoduliertes Signal.
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F i g. 2a zeigt eine Umkodierung für die binäre Datengruppe a), worin
jedes Zeichen 0 bzw. 1 durch zwei Bits, nämlich 01 für 0 und 10 für 1 repräsentiert
wird. Die so gebildeten Signale entsprechen dem Diagramm 1 der F i g. 2 a. Diagramm
2 der gleichen Figur zeigt die entsprechende Grundfrequenz. Man erkennt, daß die
Signale für die Zeichen 0 und 1 um n gegeneinander phasenverschoben sind. F i g.
2b zeigt das Frequenzspektrum 0 eines zusammengesetzten Zeichens, bestehend aus
0 und 1, wobei T die Schwingungszeit dieses zusammengesetzten Zeichens bedeutet.
Man erkennt, daß keine bevorzugte Frequenzkomponente auftritt. Diagramm 3 der F
i g. 3 zeigt eine andere Kodierungsart der Nachricht a). Diagramm 4 zeigt die entsprechende
frequenzmodulierte Grundfrequenz.
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In F i g. 4 ist der Fall gezeigt, daß zwei binäre Zeichen
a und b als Gruppe kodiert werden sollen. Unter a, P" y und
8 sind in F i g. 4a die vier möglichen Kombinationen zwischen a und
b aufgezeigt. In F i g. 4 b ist eine Möglichkeit der Kodierung dieser in
F i g. 4a gezeigten Kombination dargestellt. F i g. 4 c schließlich zeigt die Grundfrequenz
dieser jeweils um ir/2 verschobenen Signale und F i g. 4d die sich ergebende Phasenverschiebung
bei einer Übertragung der Zeichen 0001 in dem vorgeschlagenen Kode.
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Im folgenden wird gezeigt, daß die Übertragung der neu gebildeten
Bitfolge Signale verursacht, die den in den F i g. 2a und 4a bis 4d gezeigten entsprechen.
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Wie die Tabelle 5 der F i g. 5 a zeigt, werden die beiden möglichen
Werte 0 bzw. 1 eines Zeichens a durch die Werte + V1 bzw. + VZ repräsentiert. Wird
für den Fall a = +V1 die Folge -a, +a über die Leitung übertragen
oder für den Wert a = +V2 die Folge +a, -a, so sind die sich ergebenden Signale
S1 und SZ identisch mit denen aus Diagramm 1 der F i g. 2a. Sie haben die gleiche
Phasenverschiebung um jr. Abhängig von dem Wert V wird die Folge
-a,
+a oder die Folge +a, -a übertragen. Es ist allerdings auch ein
einfacherer Fall denkbar, bei dem das Zeichen a die beiden entgegengesetzten Werte
-I- V bzw. - V für 1 bzw. 0 erhält. Wie in der Tabelle 6 der F i g. 5b dargestellt,
reicht es in allen Fällen aus; nacheinander die Werte a und -a zu
übertragen, wenn Signale S und S' erhalten werden sollen, die mit
denen der F i g. 2 a identisch sind. Es ist zweckmäßig, wenn nur ein Hilfswert V
für die Kodierung benutzt wird. Es sei bemerkt, daß die Schwingungsdauer T der Signale
S bzw. S' (ebenso die von S1 und S2) gleich 2 to ist; wenn to die Schwingungsdauer
des
Zeichens a bedeutet. Signale der Schwingungsdauer
T,
die derjenigen der ursprünglichen Zeichen entspricht, können durch Kombination
der ursprünglichen Zeichen mit Impulsen in einer exklusiven ODER-Schaltung erhalten
werden.
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In den soeben beschriebenen Fällen war vorausgesetzt, daß für jedes
Zeichen a die Werte 0 bzw. 1 durch zwei Spannungswerte - V bzw. -f- V repräsentiert
werden. Es soll nun ein anderer Fall betrachtet werden, bei dem zwei Zeichen
a und b, bei denen jeweils 0 dem Wert - V und 1 dem Wert -1- V entspricht,
als Gruppe übertragen werden. Beispielsweise erhält man bei einer aufeinanderfolgenden
Übertragung der Werte a, b, -a, -b die Diagramme a', ß', y' und 8' der F
i g. 6, die den verschiedenen möglichen Kombinationen von a und
b entsprechen.
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Tabelle 7 der F i g. 6 zeigt den soeben erwähnten Fall. Die entstehenden
Signale entsprechen denen der F i g. 4a bis 4.d. Die Schwingungsdauer T entspricht
der doppelten Schwingungsdauer von a und b.
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Die mathematische und experimentelle Untersuchung zeigt, daß diese
Art von Verschlüsselung sich gut für die Übertragung von Elementen eignet, die mehr
als zwei Spannungswerte annehmen können. Es entstehen dabei Signale wie nach einer
gemischten Modulation.
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Beispielweise seien vier binäre Elemente a, b, c, d
gegeben.
Für alle von ihnen sei der Wert 0 durch die Spannung - V und der Wert 1 durch die
Spannung -E- V repräsentiert. Eine paarweise Addition dieser Elemente liefere die
beiden Werte A = 2a + b und B = 2c --f- d. Diese Werte
sind in der Tabelle 1' der F i g. 7 aufgeführt. Die Tabelle I" enthält Werte für
A
(bzw. B) in Abhängigkeit von den möglichen Kombinationen zwischen
a und b bzw. c und d, nämlich beispielsweise: für
a = 0 und b = 0 den Wert A = -3 V und für a = 0 und
b = 1 den Wert A = -V.
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Die Aufgabe, die vier binären Elemente a, b, c und
d
zu übertragen, geht über in die Aufgabe der Übertragung zweier quaternärer
Elemente A und B. Diese beiden Elemente werden genauso übertragen
wie die Elemente a und b aus F i g. 6, d. h., es werden schrittweise
die Elemente A, B, -A und -B übertragen, wobei jedes Element
A bzw. B Werte von -V, -3 V, V und +3 V annehmen kann. Diese
Möglichkeiten sind in der Tabelle I"' der F i g. 7 unter dem Buchstaben L, aufgeführt.
Die Diagramme L, bis L7 der Tabelle I"' aus F i g. 7 zeigen Kombinationen der Werte
a, b, c und d und die entsprechenden Werte für A und
B sowie die auf der Leitung auftretenden Signale. Die punktierten Sinuskurven
in diesen Figuren zeigen, daß die Signale zwar denen der F i g. 6 gleichen und die
gleiche Phasenverschiebung um g/2 aufweisen, aber außerdem mit einer Art Amplitudenmodulation
versehen sind, deren Größe davon abhängt, wie stark die Beträge der Werte für
A und B voneinander differieren.
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Werden diese Signale auf die Leitung gegeben, haben sie das in F i
g. 2 b gezeigte Frequenzspektrum 0 des Grundsignals mit einer gemischten Phasen-
bzw. Amplitudenmodulation.
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F i g. 8 zeigt das Ausführungsbeispiel einer Kodiereinrichtung gemäß
der Erfindung. Die zu sendenden Größen a, b, c und d sind in T1, T2,
T3 und T4 gespeichert. Diese Speicher geben Spannungen -I- V in Abhängigkeit von
a, b, c und d ab. Ein Spannungsverdoppler und ein Summierer
11 bilden jeweils den Wert A aus a und b bzw. den Wert
B aus c und d. Inverter I, zweite Spannungsverdoppler und zweite Summierer
Z'2 bilden die Werte -A und -B. Torschaltungen Pi, P2, P3 und
P4 führen die Werte A, B,
-A und -B der Leitung R nacheinander
zu.
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Wenn die Signale nacheinander an dem in F i g. 9 a gezeigten Empfänger
über die Leitung Re erscheinen, werden sie dem Verzögerer D und dem parallelgeschalteten
Inverter I, zugeführt. Der Ausgang des Inverters I, und der Ausgang des Verzögerers
D
werden dem Summierer I" zugeführt. Der Ausgang Q des Summierers Z' gibt
eine Gruppe von Signalen ab, aus der zu bestimmten Zeiten F bestimmte Vielfache
der Grundelemente ausgewählt werden.
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In F i g. 9 b ist die Übermittlung der binären Elemente mittels quaternärer
Elemente A und B (mit A = 2a -f- b und B = 2c
-f- d) gezeigt. Das am Empfänger auftretende Signal ist eine Folge quaternärer
Elemente. Die Zeile J zeigt diese Folge, wie sie am Empfänger nacheinander in der
Reihenfolge von rechts nach links auftritt. Zeile K zeigt die Signale am Ausgang
des Inverters Ie, Zeile N zeigt die Signale am Ausgang des Verzögerers D,
der in diesem Fall eine Verzögerung um 2 TA verursacht. Zeile 0 zeigt die
Folge der Elemente am Ausgang des Summierers X', wie sie auf die Leitung Q gegeben
wird. Während eines Tests zu den Zeiten F werden die Elemente, die den Werten
2 A, 2 B, 2 C und 2 D entsprechen, ausgewählt und deren Spannungen
festgestellt. Es sei bemerkt, daß die Zeiten F nicht von vornherein systematisch
verteilt sind und sich nicht einfach periodisch wiederholen. Vielmehr sind diese
Testzeiten abhängig von dem jeweils verwendeten Kode.
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Die möglichen Spannungswerte für
A bzw.
B sind in dem
vorliegenden Beispiel -3 V, -1 V, -E-1 V und +3 V, die möglichen Spannungswerte
von
2 A und
2 B sind -6 V,
-2 V, -E-2 V und --E-6 h Werden
die obenerwähnten ausgewählten Elemente auf einen dem Stand der Technik entsprechenden
Decoder gegeben, der auf die bestimmten Spannungen anspricht, so erhält man die
Werte für
a, b, c und
d. In diesem Fall beispielsweise
| a = (sign A) V, |
| - (sign A) V für 1 A I < 2 V, |
| b--@- (sign A) V f ür 1 A 1 > 2 V. |
Durch Berechnungen und Experimente wurde gefunden, daß diese Art der Demodulation
sehr wirkungsvoll ist, da sie den Einfl.uß des Rauschens weitgehend eliminiert.
Die Redundanz entspricht nämlich der Redundanz einer Übertragung, bei der alle Elemente
doppelt gesendet werden, da eine Kombination der Elemente mit deren inversen auf
die Leitung gegeben wird.
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In F i g. 10 ist ein Beispiel für die Übertragung solcher erfindungsgemäß
kodierter Daten über eine Telefonleitung dargestellt.
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Kurve 9 stellt das Spektrum der zu übertragenden Daten dar, Kurve
10 zeigt das Spektrum der gleichen Daten nach der Kodierung gemäß der Erfindung.
Der Bereich 10' enthält bereits alle notwendigen Informationen.
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Zum Zweck der Übertragung wird nach einer vom Übertragungssystem abhängigen
Filterung die Kurve 11 übertragen. Eine eventuelle Frequenzumsetzung und der Zusatz
einer Pilotfrequenz ergeben die Kurve 12, die sich zur Übertragung nach dem Einseitenbandverfahren
mit Trägerzusatz eignet.
Die Kurve 13 stellt das Spektrum am Ausgang
der Übertragungsleitung dar, und zwar nach der Demodulation, während Kurve 14 das
Signal nach der Filterung zeigt. Nach der erfindungsgemäßen Demodulation und eventueller
Entschlüsselung bildet sich das durch die Kurve 15 angedeutete Spektrum aus.