DE19522621A1 - Verfahren zum Dekodieren von übertragenen Informationseinheiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dekodieren von übertragenen Informationseinheiten durch den Vergleich eines eine Informationseinheit beinhaltenden Signalabschnitts mit einer Anzahl von Referenzfunktionen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Übertragung von Signalen über drahtgebundene oder drahtlose Übertragungsmedien können zum Beispiel durch Störungen Verfälschungen der Signalform und damit des Informationsgehaltes auftreten. Das Erkennen des Informationsgehaltes derartig gestörter Signale, also das Dekodieren der einzelnen Informationseinheiten, ist durch den Vergleich des empfangenen Signals bzw. Signalabschnitts mit Referenzfunktionen möglich. Die Referenzfunktionen können dabei so gewählt werden, daß für ein vorgegebenes Signal alle regelmäßig auftretenden Verfälschungen berücksichtigt sind. Störungen, die im Übertragungsweg oder in den Empfangseinrichtungen zufällig wirken, sind nicht mit festen Regeln zu erfassen. Die bekannten Verfahren sind in einem solchen Fall nicht in der Lage, die übertragenen Informationseinheiten vollständig richtig zu dekodieren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Dekodieren von übertragenen Informationseinheiten durch den Vergleich mit Referenzfunktionen anzugeben, mit dem auch stark gestörte Signale dekodiert werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Durch die dynamische Anpassung der Referenzfunktionen mit Hilfe von zusätzlichen Daten, die aus der laufenden Übertragung ermittelt werden, kann die Sicherheit für das fehlerfreie Dekodieren der Informationseinheiten gesteigert werden.

Kurze Beschreibung der Figuren:

Fig. 1 zeigt ein Referenzsignal im Vergleich mit einem empfangenen Signalabschnitt;

Fig. 2 zeigt die Grundform einer Gerade zur Bildung der Referenzfunktion in einem Unterabschnitt;

Fig. 3 Tabelle zur Ablaufsteuerung in die Unterabschnitte bei der Bildung der Referenzfunktionen;

Fig. 4 zeigt ein Funktionsdiagramm des Verfahrens;

Fig. 5 zeigt Zugehörigkeitsfunktionen für die Fuzzyfizierung.

Im vorliegenden Fall soll das Verfahren gemäß der Erfindung am Beispiel der Zeitzeichenübertragung der Sender DCF-77 bzw. WwVB erläutert werden. Das Verfahren ist jedoch nicht auf diese Anwendung und diese beiden Sendestationen beschränkt. Zum Übertragen von Zeitzeichen werden von den beiden Sendern im Sekundentakt Signale im Langwellenbereich gesendet, bei denen zur Übertragung der vollständigen Zeitinformation die Sekundenimpulse zum Übertragen von Informationseinheiten verwendet werden. Die Kodierung der Informationseinheiten erfolgt durch eine unterschiedlich lange Austastung der Trägerwelle. Zum Empfang wird beispielsweise ein Geradeausempfänger benutzt, wie er in der DE 35 16 810 C2 beschrieben ist. Dann ergeben sich die für die jeweils empfangenen Informationseinheiten typischen Einschwingvorgänge. Die Signalkurve in Fig. 1 (durchgezogene Linie mit Punkten) ist ein derartiger Einschwingvorgang. Zur Dekodierung der übertragenen Information wird das Ausgangssignal der Empfängerschaltung in Abschnitte unterteilt, die jeweils eine Informationseinheit enthalten. Jeder Abschnitt wird zur Dekodierung der Informationseinheit mit den Referenzfunktionen verglichen. Für jede mögliche Art der Informationseinheiten gibt es eine Referenzfunktion. Beim Zeitzeichensender DCF-77 werden logische Nullen und logische Einsen übertragen. Es gibt also zwei Arten von Informationseinheiten, und damit auch zwei Referenzfunktionen. Beim Sender WWVB werden zusätzlich noch Frameimpulse übertragen. Es gibt dort drei Arten von Informationseinheiten. Somit müssen zur Dekodierung drei Referenzfunktionen verwendet werden.

Die Referenzfunktionen werden durch aneinandergesetzte Geradenstücke gebildet, die sich dem Verlauf eines idealen, ungestörten Signalabschnitts optimal annähern. Um die Referenzfunktionen zu generieren werden die Signalabschnitte in Unterabschnitte unterteilt, die jeweils durch eine Gerade näherungsweise angenähert werden können. Jedes Geradenstück ist durch Startwert, Endwert und Steigung charakterisiert (Fig. 2). Die zusammengesetzten Geradenstücke der einzelnen Unterabschnitte ergeben die Referenzfunktion: gestrichelte Linie in Fig. 1.

Da sich der Verlauf des Signals in Abhängigkeit von Störungen in seiner Form sehr stark ändert, müssen die Referenzfunktionen entsprechend angepaßt werden, um auch einen stark gestörten Signalabschnitt sicher dekodieren zu können. Die Referenzfunktionen werden in ihrer Grundform belassen, aber in ihren speziellen Ausprägungen, wie zum Beispiel den Steigungen der Geraden in den Unterabschnitten, an die durch Störungen veränderte Signalform angepaßt.

Die Verläufe der Geraden in den Unterabschnitten können entweder fest vorgegeben sein oder in Abhängigkeit vom Signalverlauf in einem der vorhergehenden Unterabschnitte oder des aktuelle Unterabschnitts verändert werden.

Die Fig. 2 zeigt eine Gerade eines Unterabschnitts mit den für die Anpassung notwendigen Eckdaten: Startwert, Steigung, Grenzwert und Dauer. Der Startwert wird entweder vorgegeben (z. B. durch den Funktionswert am Ende des vorhergehenden Unterabschnitts) oder es wird der aktuelle Signalwert übernommen. Die Steigung und Grenzwert und Dauer sind entweder fest vorgegeben oder in Abhängigkeit vom Signalverlauf in vorangegangenen Unterabschnitten variabel. Erreicht der Funktionswert vor Ablauf der Dauer den Grenzwert, so bleibt er für die restliche Zeitdauer bis zum Ende des Unterabschnittes konstant.

Die Fig. 1 zeigt den Vergleich eines aktuellen Signals mit einem Referenzsignal.

In Fig. 4 sind die Parameter der Übergänge der Unterabschnitte tabellarisch dargestellt. Sie sind nachfolgend erläutert.

Der erste Unterabschnitt beginnt mit dem Beginn der Sekundenaustastung. Das Referenzsignal weist einen vorgegebenen Startwert (gleich Null), eine feste (negative) Steigung, einen festen Grenzwert und eine feste Dauer auf.

Der zweite Unterabschnitt beginnt mit dem Ende des ersten Unterabschnitts. Der Startwert des Referenzsignals ist durch den Signalwert am Ende des ersten Unterabschnitts vorgegeben. Die Gerade weist eine variable Steigung, einen festen Grenzwert und eine feste Dauer auf. Die Dauer des zweiten Unterabschnitts ist eines der Hauptkriterien, in denen sich die unterschiedlichen Referenzfunktionen unterscheiden.

Der dritte Unterabschnitt beginnt mit dem Ende des zweiten Unterabschnitts. Der Startwert der Gerade der Referenzfunktion ist durch den Funktionswert am Ende des zweiten Unterabschnitts vorgegeben. Die Gerade weist eine variable positive Steigung, einen variablen Grenzwert und eine feste Dauer auf. Die Steigung und der Grenzwert werden vom Signalverlauf in ersten Unterabschnitt bestimmt.

Der vierte Unterabschnitt beginnt mit dem Ende des dritten Unterabschnitts. Der Startwert der Gerade der Referenzfunktion ist durch den Funktionswert am Ende des dritten Unterabschnitts vorgegeben. Die Gerade weist eine variable negative Steigung, einen festen Grenzwert und eine feste Dauer auf. Die Steigung wird vom Signalverlauf im ersten Unterabschnitt bestimmt.

Mit dem Ende des vierten Unterabschnitts ist die eigentliche Auswertung nach der im aktuellen Signalabschnitt übertragenen Informationseinheit abgeschlossen. Bis der erste Unterabschnitt im nachfolgenden Signalabschnitt beginnt, liegt ein Zwischenbereich vor, in dem das Signal konstant ist.

Zur Rekonstruktion oder Dekodierung von gestörten Zeitsignalen werden die empfangenen Signalabschnitte mit den Referenzfunktionen verglichen. Der Vergleich kann durch einfache Subtraktion der Referenzfunktionen vom Signal im Signalabschnitt und anschließender Betragsbildung zunächst für jeden Punkt und jede Referenzfunktion durchgeführt werden. Die Entscheidung, welche Informationseinheit gerade gesendet bzw. empfangen wurde, kann aufgrund des Gesamtfehlers getroffen werden, der für jede Referenzfunktion während des Signalabschnitts ermittelt wurde. Die Einzelfehler werden dazu während der Zeitdauer eines Signalabschnitts addiert. Es gilt die Informationseinheit als erkannt, für welches die zugeordnete Referenzfunktion den kleinsten Fehler produziert. Die Fig. 4 zeigt ein entsprechendes Funktionsdiagramm. Das empfangenen Signal übt gemäß dem Verfahren nach der Erfindung auch einen Einfluß auf die Form der Referenzfunktionen aus.

Eine Möglichkeit zur Bestimmung der aktuellen Eckdaten der Geradenstücke der Referenzfunktion in den einzelnen Unterabschnitten ist die Verwendung von FUZZY Rechenmethoden. Durch die Definition von Zugehörigkeitsbereichen und die interpolative Wirkung der Verarbeitungseinheiten zwischen den Zugehörigkeitsbereichen lassen sich nichtlineare Zusammenhänge effektiv beschreiben.

Die variablen Kenngrößen (Eckwerte der Geradenstücke) werden durch einen Mittelwert, einen Minimalwert und einen Maximalwert beschrieben. Der Fuzzy Regler hat nun die Aufgabe, aus diesen drei Werten für jede Gerade und jede Referenzfunktion, gesteuert durch das Signal im aktuellen Signalabschnitt, den korrekten Wert der entsprechenden Kenngröße zu ermitteln.

Als effektive Regelgröße hat sich beim Empfang von Zeitzeichen der im zweiten Unterabschnitt vorliegende Startwert als besonders vorteilhaft herausgestellt. Er steht hier beispielhaft dem Fuzzy Regler als Eingangsgröße zu Verfügung.

Die Fuzzyfizierung bestimmt die Zugehörigkeitsgrade der Eingangsgröße zu den einzelnen Eingangsklassen. Die Zuordnung des Erfüllungsgrads der Eingangsgröße in den Eingangsklassen ist in der Fig. 5 dargestellt. Als Resultat der Fuzzyfizierung wird jeder Eingangsgröße ein Erfüllungsgrad zu jeder Eingangsklasse zugeordnet. Im vorliegenden Beispiel wird zu dem Startwert je ein Erfüllungsgrad z1, z2 und z3 in den Eingangsklassen "klein", ,,mittel" und "groß" berechnet.

Die Größen NU, NW und NO kennzeichnen die in der Fig. 5 gezeigten Übergänge in den Zugehörigkeitsfunktionen. Sie sind bestimmend für Berechnung der anzupassenden Steigungen und/oder Grenzwerte der Referenzfunktionen. Sie müssen für das System einmal ermittelt werden.

Durch die Regelbasis wird die unscharfe Information, d. h. der Zugehörigkeit der Eingangsgröße zu den Eingangsklassen, anhand von Regeln, die aus dem Wissen über den Prozeß abgeleitet sind, verknüpft. Dieser Vorgang heißt Inferenz. Es gelten folgende Regeln:
WENN Eingangsgröße groß, DANN Ausgangsgröße Minimalwert
WENN Eingangsgröße mittel, DANN Ausgangsgröße Mittelwert
WENN Eingangsgröße klein, DANN Ausgangsgröße Maximalwert.

Analog zur Eingangsgröße werden über die Zugehörigkeit zu den Eingangsklassen Wahrscheinlichkeiten über den zulässigen Wertebereich der Ausgangsgröße berechnet.

Bei der Defuzzyfizierung entsteht aus dem unscharfen Inferenzergebnis ein scharfer Ausgangswert. Bei einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel wird eine abgewandelte Flächenschwerpunktsmethode verwendet. Die Erfüllungsgrade aller Regeln werden mit dem Wert der erfüllten Regel multipliziert und dann addiert. Danach werden sie durch die Summe der Werte der erfüllten Regeln geteilt.

Das vorgestellte Verfahren wurde sowohl im Labor als auch im Feldversuch getestet. Es ergaben sich dabei Verbesserungen im Labor bei definierten Störsignalen für einen Sinusstörer, der 600 Hz neben der DCF-77 Bandmittenfrequenz lag, von 20 dB und für einen Gaußstörer von 8 dB. Im Freifeldversuch konnte eine mittlere Verbesserung um 10 dB festgestellt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Dekodieren von übertragenen Informationseinheiten durch den Vergleich eines eine Informationseinheit beinhaltenden Signalabschnitts mit einer Anzahl von Referenzfunktionen, wobei jeder möglichen Informationseinheit eine Referenzfunktion zugeordnet ist und diejenige Art von Informationseinheit als erkannt gilt, für welche die kleinste Abweichung von zugeordneter Referenzfunktion und Signalabschnitt ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfunktionen in Abhängigkeit des Verlaufs des Signals im jeweiligen Signalabschnitt verändert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Signalabschnitt und die Referenzfunktionen in einander entsprechende Unterabschnitte unterteilt sind und
daß der Verlauf des Signals in einem Unterabschnitt des Signalabschnitts Veränderungen in einem oder mehreren Unterabschnitten der Referenzfunktionen bewirkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fuzzy Regelkreis vorgesehen ist, der abhängig von einem oder mehreren Signalwerten im jeweiligen Signalabschnitt die entsprechenden Änderungen an den Referenzfunktionen vornimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfunktionen in den einzelnen Unterabschnitten durch Geraden beschrieben werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Geraden in einzelnen Unterabschnitten angepaßt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geraden der einzelnen Unterabschnitte obere und untere Begrenzungswerte aufweisen und daß diese Begrenzungswerte in Abhängigkeit vom Signalverlauf verändert werden.