DE19503576C2 - Digitaler Empfänger und Empfangsverfahren für frequenzmodulierte Signale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Datenübertragung und insbesondere auf digitale Empfänger für frequenzmodulierte (FM) Signale, wie sie zum Beispiel mit einer Übertragungsrate von 1200 Baud bei Telefonsystemen verwendet werden.

Die Frequenzmodulation ist ein zur Datenmodulation verwendetes Verfahren, wel­ ches eine logische EINS (hoch) aufweist, der ein mit einer niedrigen Frequenz f_L moduliertes Trägersignal entspricht sowie eine logische NULL (tief), welcher ein mit einer höheren Frequenz f_H moduliertes Trägersignal entspricht. In Nordamerika ist das Signal mit der geringeren Frequenz für Telefonzwecke auf 1200 +/- 12 Hz standardisiert und das Signal mit der höheren Frequenz auf 2200 +/- 22 Hz.

Wenn die Signale über Telefonleitungen geführt werden, unterliegt das Signal höhe­ rer Frequenz einer anderen und meist höheren Dämpfung als das Signal geringerer Frequenz. Dies führt zu einem Ungleichgewicht zwischen den Signalamplituden von höheren und geringeren Frequenzen. Dieses Ungleichgewicht wird in der Fachsprache als "twist" bezeichnet und wird am Eingang des Frequenzmodulationsempfängers festgestellt. Es ist unerläßlich, daß ein Frequenzmodulationsempfänger auch Sig­ nale verarbeiten kann, welche einen twist von bis zu 6 dB aufweisen. Üblicher­ weise verwenden Frequenzmodulationsempfänger aufwendige Baudtaktwiedergewin­ nungsschaltungen und AGC Schaltungen (Automatic Gain Control = automatische Verstärkungskontrolle), um den unerwünschten twist-Effekten zu begegnen.

Im Buch "Data Transmission" von W. R. Bennett und J. R. Davey, New York u. a. 1965, McGraw-Hill, Seiten 29, 30, 36-39, 170-174 ist die empfangsseitige Auswertung digital frequenzmodulierter Signale mittels eines Nulldurchgangsdetektors beschrieben. Auch dieser Detektor weist jedoch die oben genannten Nachteile auf.

Es besteht daher die Aufgabe, einen digitalen Empfänger für frequenzmodulierte Signale so weiterzubilden, daß er bei einfacher Bauweise auch starke twist-Effekte verarbeiten kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausge­ staltungen sowie ein Verfahren zum Empfang frequenzmodulierter Signale sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Frequenzmodulationsempfänger und ein Verfahren zum Empfang frequenzmodulierter Signale von erheblicher Ein­ fachheit. Es wird keine Taktwiedergewinnung und keine AGC- Einheit benötigt, während die Bits eines frequenzmodulierten Signals empfangen und angezeigt wer­ den, gleichgültig ob sie twist aufweisen oder nicht. Bei der Erfindung wird das ein­ treffende frequenzmodulierte Signal abgetastet und über zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgangsdetektoren geleitet. Der erste Detektor bestimmt die Zeitintervalle zwischen Nulldurchgängen der Modulation des frequenzmodulierten Signals und da­ mit das Vorhandensein von logischen EINS- oder NULL-Werten, an Hand der Fre­ quenzen des frequenzmodulierten Signals. Der zweite Detektor bestimmt die Zeit­ intervalle von Gruppen von EINS- und NULL-Werten und damit die Anzahl der zusammengruppierten EINS- oder NULL-Werte, weil die Zeitintervalle mit der An­ zahl der in der Gruppe befindlichen EINS- oder NULL-Werte zusammenhängen. Hierdurch wird es einem, nicht zur vorliegenden Erfindung gehörenden Dekoder, welchem das Ausgangssignal zugeführt wird, ermöglicht, dieses Signal zu dekodie­ ren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht das größere Signal logischen EINS-Werten und das geringere Signal logischen NULL-Werten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben, welche zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Ausgangssignals eines Bandpaßfilters wie er in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Zeitintervalle von Abtastwerten eines an einem ersten Nulldurchgangsdetektor anliegenden Eingangssignals;

Fig. 4 eine graphische Darstellung eines Signals am Ausgang des ersten Nulldurch­ gangsdetektors; und

Fig. 5 eine Darstellung gemäß Fig. 4 nach der Korrektur.

Aus Fig. 1 geht hervor, daß ein frequenzmoduliertes Eingangssignal s(kT) von ei­ nem Bandpaßfilter 1 empfangen wird. Nach Umsetzung in diesem Bandpaßfilter erzeugt dieser ein Ausgangssignal bpf_s(kT), welches einem ersten Nulldurchgangs­ detektor 3 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Detektors 3 wird an den Ein­ gang eines zweiten Nulldurchgangsdetektors 5 angelegt. Das Ausgangssignal des Detektors 5 indiziert, wieviele EINS- und wieviele NULL-Werte in jeder Gruppe aufeinanderfolgender Bit-Gruppen enthalten sind. Die Erfindung kann innerhalb eines digitalen Signalprozessors implementiert werden, welcher in einer bevorzugten Ausführungsform Daten aus einem frequenzmodulierten Signal extrahieren und mit etwa 8 kHz dem Eingang des Filters 1 zuführen kann.

Lineare Eingangswerte des frequenzmodulierten Eingangssignals werden im Filter 1 einer Bandpaßfilterung unterzogen, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Höherabtastung zur Erhöhung der Abtastrate auf 24 kHz durchführt, was zu 20 Abtastwerten für jedes eingehende Bit führt, während die Frequenz auf (f_L - 100, f_H + 100) Hz limitiert wird. Ein billiges (nicht dargestelltes) CODEC kann zur Konvertierung des analogen Eingangssignals auf kompandierte 8 Bit-Werte verwen­ det werden, welche mit Hilfe von Hardware oder Software weiter zu Linearwerten expandiert werden können, welche ein Zeichenbit und zwölf Bits für die Signalgröße enthalten (z. B. für europäische Standards) oder ein Zeichenbits und dreizehn Bits für die Signalgröße (z. B. für Nordamerika).

Das Ausgangssignal des Bandpaßfilters entspricht etwa dem in Fig. 2 dargestell­ ten Signal. Ein Hochfrequenzintervall, welches einer Reihe von NULL-Werten ent­ spricht, ist als O_s dargestellt und ein Niederfrequenzintervall, welches einer Reihe von EINS-Werten entspricht, ist als 1_s darstellt. Es ist eine erhebliche Amplitu­ denabweichung zwischen den Signalen der beiden Frequenzen erkennbar, welche auf den twist-Effekt zurückzuführen ist. Das zur Erzeugung des Diagramms verwendete Signal hatte einen twist von 4 dB (das Verhältnis der Amplituden der beiden Signale verschiedener Frequenzen) und kein erkennbares Rauschen. An der X-Achse ist die Anzahl der gefilterten Abtastwerte dargestellt.

Das gefilterte Signal bpf_s(kT) tritt in den ersten Nulldurchgangsdetektor 3 ein. Der Detektor 3 erzeugt eine Zahlensequenz, welche einem numerischen Äquivalent des Zeitintervalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen entspricht.

Wenn beispielsweise bei der Zeit n_oT der gefilterte Abtastwert bpf_s(noT) = 0 ist und die nächsten darauffolgenden gefilterten Abtastwerte der Darstellung gemäß Fig. 3 entsprechen, wird im Augenblick n_oT der Nulldurchgangsdetektor 3 durch Initialisierung eines Zählers initialisiert. Zu darauffolgenden Zeitpunkten geschieht folgendes:

At (n_o + 1)T: der Zähler wird um L inkrementiert
At (n_o + 2)T: der Zähler wird um L inkrementiert
At (n_o + 3)T: der Zähler wird um L inkrementiert
At (n_o + 4)T: der Zähler wird inkrementiert um

L(|bpf_s((n_o+3)T)|/(|bpf_s((n_o+3)T)|+|bpf_s((n_o+4)T)|).

Daraufhin wird der Zählerwert gesichert und der Zähler auf den folgenden Wert initialisiert:

L(|bpf_s((n_o+4)T|/(|bpf_s((n_o+3)T|+|bpf_s((n_o+4)T)|)

Darin steht |x| für den Absolutbetrag der zwischen den Absolutbetragsstrichen ste­ henden Funktion und L für eine numerische Konstante.

Das Verfahren geht wie oben beschrieben weiter. Immer dann, wenn jedoch der Ab­ tastwert das gleiche Vorzeichen wie der vorangegangene Abtastwert aufweist (oder wenn einer der Abtastwerte Null ist), wird der Zähler um L inkrementiert. Wenn der Abtastwert ein von dem vorangehenden Abtastwert verschiedenes Vorzeichen hat, ist ein Nulldurchgang aufgetreten und der Zähler wird um einen Bruchteil von L inkrementiert, der berechnet wird, wie es oben für die Zeit (n_o + 4) gezeigt wurde. Dieser Nulldurchgangsprozeß ist möglich, weil das gefilterte Signal um eine Null-Linie oszilliert.

Eine Darstellung der Ausgangssignalwerte des Nulldurchgangszählers 3 ist in Fig. 4 gegeben, und zwar über der Häufigkeit der Nulldurchgänge. Die dargestellten Maximalwerte entsprechen Eingangssignalcodierungen von EINS-Werten und die Minimalwerte entsprechen Eingangssignalcodierungen von NULL-Werten.

Es sei angemerkt, daß die gesamte Darstellung sich im positiven Bereich befindet; die Breite jedes einzelnen peaks (entweder der Maximal- oder der Minimalwerte) wird durch die Anzahl der Bits vorgegeben, welche den Signalträger modulieren.

Das gesamte in Fig. 3 dargestellte Signal wird dann durch eine einfache Umsetzung korrigierend verschoben, und zwar auf einen Bereich, der im wesentlichen symme­ trisch zur Nulldurchgangslinie liegt. Diese Verschiebung kann dadurch erfolgen, daß der vom ersten Nulldurchgangsdetektor verwendete Zähler immer auf einen groß genügen Negativwert initialisiert wird (z. B. -10⁴ in dem in Fig. 3 dargestell­ ten Beispiel). Bei diesem Verfahren erscheint die gleiche Sequenz nach der Verschie­ bung, so wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Die korrigierte Sequenz wird dann einem zweiten Nulldurchgangsdetektor 5 zugeführt.

Es sei angemerkt, daß die Längen der Segmente AB, BC, CD usw., die in Fig. 5 dargestellt sind, proportional zur Anzahl der Bits 1, Bits 0, Bits 1 usw. sind, welche auf das ankommende frequenzmodulierte Signal aufmoduliert sind und in Sequenzgruppen auftreten. Das gleiche Verfahren der Inkrementierung des Zählers 5 mit einem festen Wert L₂ oder einem Bruchteil von L₂ (wenn ein Nulldurchgang stattfindet) ermöglicht die Berechnung abgeschätzter Werte für die Segmente AB, BC, CD usw.

Wenn ein Segment generisch so definiert wurde, daß es sich zwischen zwei aufeinan­ derfolgenden Nulldurchgängen befindet, wobei EINS-Werte mit x+ definiert werden und für ein NULL-Werte definierendes Segment mit x- definiert werden, ergibt sich die Anzahl der EINS- und NULL-Werte im allgemeinen durch die folgenden Glei­ chungen:

Anzahl der EINS-Werte = Rundung (x+/k+)
Anzahl der NULL-Werte = Rundung (x-/k-).

Die Konstanten k+ und k- werden experimentell bestimmt und sind eine Funktion der Konstanten L2, welche von dem Nulldurchgangsdetektor 5 verwendet wird. Bei einem Laborprototyp wurde herausgefunden, daß für

(k+/k-) ≅ (f_L/f_H)

ein gutes Zeitverhalten gegeben ist.

Am Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 5 werden Gruppen von NULL- und von EINS-Werten anstelle von jeweils einem Bit indiziert. Das Ausgangssignal des Fre­ quenzmodulationsempfängers ist somit asynchron und nicht synchron; eine Anwen­ dung eines derartigen asynchronen Ausgangssignals ist ein CLASS-Empfänger.

Ein Vorteil dieses frequenzmodulierten Empfängers und des entsprechenden Verfah­ rens besteht in der großen Einfachheit. Das benötigte Ausgangssignal wird ohne AGC oder Baudtaktwiedergewinnungsschaltungen erhalten. Dementsprechend sind die Kosten für die Herstellung erheblich geringer als die für bekannte Schaltungen.

Claims (10)

1. Digitaler Empfänger für frequenzmodulierte Signale mit folgenden Merkmalen:

• (a) einem Bandpaßfilter, dessen Durchgangsbänder jeder Modulationsfrequenz eines frequenzmodulierten Signals entsprechen, zum Empfang und zur Umsetzung dieses frequenzmodulierten Signals,
• (b) einem ersten Nulldurchgangsdetektor zum Empfang des umgesetzten Sig­ nals und zur Erzeugung eines Wertsignals mit einem hohen oder einem tiefen Wert während eines logischen EINS-Bits des umgesetzten Signals und eines entgegengesetzten tiefen oder hohen Wertsignals während eines logischen NULL-Bits des umgesetzten Signals,
• (c) einen zweiten Nulldurchgangsdetektor zum Empfang dieser Wertsignale und zum Ausgeben von Gruppen von EINS- und NULL-Werten, wo­ bei die Gruppenlängen von den Intervallen zwischen den höheren und niederen Werten abhängen.

2. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel zur Korrektur des Wertsignals aufweist, um etwa gleiche Abweichungen um eine Null-Linie und damit vorzeichenverschiedene Werte zu erzeugen, wobei der zweite Nulldurchgangsdetektor aus einem Zähler und einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Inkrementierung des Zählers besteht, welche einen festen Wert verwendet, der Intervallen des Wertsignals zwischen Nulldurchgängen der Null-Linie entspricht, wobei jede Gesamtanzahl der Werte zwischen Nulldurchgängen an dieser Null-Linie etwa der Anzahl der NULL- oder EINS-Werte zwischen den Nulldurchgängen innerhalb einer Gruppe entspricht.

3. Empfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert eine ganze Zahl ist, wobei ein Bruchteil dieser Zahl den Zähler inkrementiert und ein verbleibender Bruchteil dieser Zahl den Zähler für ein neues Intervall in­ itialisiert.

4. Empfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der EINS-Werte innerhalb einer Gruppe gleich der Rundung von (x-/k-) ist, wo­ bei x+ der Zählerwert zwischen Nulldurchgängen des Wertsignals einer Pola­ rität, x- der Zählerwert zwischen Nulldurchgängen des Wertsignals der ande­ ren Polarität und k+ und k- Konstanten sind, welche eine Funktion des festen Werts sind, der den Zähler inkrementiert.

5. Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß (k+/k-) ≅ (f_L/f_H) ist, wobei f_L eine geringere Modulationsfrequenzkomponente des fre­ quenzmodulierten Signals und f_H eine größere Modulationsfrequenzkompo­ nente des frequenzmodulierten Signals ist.

6. Empfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenz­ modulierte Signal eine Baudrate von etwa 1200 aufweist und die entsprechen­ den Modulationsfrequenzen etwa 1200 und 2400 Hz betragen und EINS- bzw. NULL-Werten entsprechen und wobei die Abtastrate etwa 24 kHz beträgt, was etwa 20 Abtastwerten pro Bit entspricht.

7. Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fil­ ter Mittel zur Erzeugung einer großen Anzahl von Abtastwerten pro Bit des frequenzmodulierten Signals enthalten sind und zur Zuführung der Frequenz­ komponenten f_L und f_H, während Frequenzkomponenten außerhalb eines vor­ bestimmten Bereichs gedämpft werden.

8. Empfänger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bereich von (f_L - 100) bis (f_L + 100) erstreckt.

9. Empfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Null­ durchgangsdetektor einen zweiten Zähler zum Empfang der Abtastwerte des umgesetzten Signals aufweist, sowie Mittel zur Inkrementierung des zweiten Zählers mit einer numerischen Konstante immer wenn ein Abtastwert die glei­ che Polarität wie der vorangegangene Abtastwert aufweist und durch einen Bruchteil dieser Konstante, wenn ein Nulldurchgang des umgesetzten Signals stattgefunden hat, und zur Erzeugung des einem Intervall aus EINS- oder NULL-Werten entsprechenden Wertsignals sowie zur Initialisierung des zwei­ ten Zählers auf Null oder auf einen Bruchteil dieses Zählers zwischen Null­ durchgängen des umgesetzten Signals.

10. Verfahren zum Empfang eines frequenzmodulierten Signals, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• (a) Abtasten eines ankommenden frequenzmodulierten Signals mit einer großen Anzahl von Abtastwerten pro Bit,
• (b) Erzeugen einer Sequenz aus Zahlen, welche den Zeitintervallen zwischen Nulldurchgängen jeder Frequenz des frequenzmodulierten Signals ent­ spricht,
• (c) Korrigieren dieser Zahlen, so daß sie etwa zu gleichen Beträgen um eine Null-Linie schwanken,
• (d) Bestimmen der Zeitintervalle zwischen Nulldurchgängen der korrigierten Zahlen, und
• (e) Indizieren der Zahlen von EINS- und NULL-Werten in den Zeitinterval­ len, je nach den Polaritäten der korrigierten Zahlen bezüglich der Null-Linie.