DE19904747A1 - Verfahren zur Übertragung von Informationen sowie ein geeignetes System hierfür - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Übertragung von Informationen bzw. ein System hierfür, welches insbesondere für die digitale Übertragung geeignet ist. Hierbei wird zumindest ein aus einem Bezugsfrequenzkanal und zumindest einem Informationsfrequenzkanal bestehendes Informationssignal erzeugt, wobei der Bezugsfrequenzkanal und der Informationsfrequenzkanal jeweils diskrete Zustände zur Bereitstellung eines Bitmusters ausbilden. Dadurch wird erreicht, daß eine Signalübertragung auch über mehrere Kilometer, beispielsweise unter Wasser, möglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Informatio­ nen und ein geeignetes System hierfür.

In vielen Bereichen der Technik werden Wellen zur Informationsübertragung ge­ nutzt. Dabei kann es sich beispielsweise um elektromagnetische bzw. akustische Wellen handeln, die sich entweder in einem speziellen Leiter oder frei in einem gegebenen Übertragungsmedium ausbreiten und so vom Sender bzw. Sendeeinheit zum Empfänger bzw. Empfängereinheit gelangen. Sind beide Einheiten beispielsweise auf die entspre­ chende Frequenz bzw. den zur Informationsübertragung vorgesehenen Frequenzbereich abgestimmt, wird eine Verbindung hergestellt. Über diese Verbindung können auf ver­ schiedene Weise Informationen übertragen werden.

Dazu muß die Ausgangsinformation, die als Sprache, Text, Zahlenreihe, Musik, Bilddaten- oder anderweitige Daten in einer geeigneten Form vorliegen kann, umge­ wandelt bzw. codiert werden, um dann vom Sender in Gestalt von Wellensignalen in das Übertragungsmedium ausgestrahlt zu werden. Der Empfänger empfängt diese Si­ gnale, wandelt sie wieder in die ursprüngliche Form um, d. h. decodiert sie, und gibt die der Ausgangsinformation entsprechende Information aus.

Je nachdem, in welcher Form die Information in den Wellen codiert ist, unter­ scheidet man zwischen der analogen und der digitalen Informationsübertragung.

Bei der analogen Informationsübertragung werden die zu übertragenden Werte in einem stufenlosen, kontinuierlichen Spektrum von physikalischen Zuständen abgebil­ det. Das geschieht typischerweise in Form einer Amplituden-, Frequenz- und/oder Phasenmodulation der Trägerwellen. Damit können in einem gegebenen Zeitintervall sehr große Informationsmengen übertragen werden.

Bei der digitalen Informationsübertragung beschränkt man sich dagegen auf be­ stimmte diskrete Zustände. Hinsichtlich der Übertragungsrate ergeben sich, sofern elek­ tromagnetische Wellen verwendet werden, jedoch in der bisherigen Praxis noch keine Einschränkungen, da die Frequenzen der betreffenden Trägerwellen sehr hoch sind und unterschiedliche digitale Zustände in extrem kurzen Zeitabständen realisiert werden können.

In einigen Übertragungsmedien, wie z. B. Wasser, ist die Informationsübertragung mittels elektromagnetischen Wellen jedoch nur bedingt möglich, da diese nur eine ge­ ringe Reichweite haben. Hier bietet sich deshalb die Verwendung von Schallwellen zur Informationsübertragung an, die sich oftmals über wesentlich größere Distanzen fort­ pflanzen können. Die Schallwellen lassen sich in ähnlicher Weise - wie oben beschrie­ ben - modulieren. Diese Schallwellen sind jedoch mechanische Druck-Wellen, die sich, abgesehen von der erheblich niedrigeren Frequenz, die sich natürlich auf die übertragba­ re Informationsrate auswirkt, auch hinsichtlich der generellen Ausbreitung unterschei­ den. So hängt z. B. ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit stark von den jeweiligen Umge­ bungsbedingungen ab.

Die vielfältigen Probleme, die bei der akustischen Informationsübertragung auf­ treten können, seien kurz am Beispiel der Übertragung von Schallsignalen unter Wasser erläutert. Bei der Ausbreitung der von einem Sender abgegebenen Schallwellen im Raum kann ein Teil von ihnen z. B. von der Wasseroberfläche und/oder in Abhängigkeit von der Tiefe vom Grund des Gewässers, von diversen Gegenständen, Luftblasen, Schwebeteilchen und auch von schichtweisen Inhomogenitäten im Wasser reflektiert oder an diesen gebeugt werden. Die diversen Komponenten der Schallwellen treffen dann je nach Lauflänge, Winkelverhältnissen und akustischer Beschaffenheit der ent­ sprechenden Grenzflächen bzw. Medien mit unterschiedlicher Amplitude und Phasen­ lage beim Empfänger ein. Infolge der Interferenz kann das eigentliche Signal im Emp­ fangspunkt in nicht vorhersehbarer Weise verstärkt, abgeschwächt, verzerrt oder gar ganz ausgelöscht werden bzw. der Empfang kann auch durch das sogenannte Nach­ hallen gestört werden.

Um die Problematik näher zu erläutern, wird zunächst der einfache Fall betrachtet, wenn nur ein sehr kurzes Signal einer bestimmten Frequenz, ein sogenannter CWP (Continuous Wave Pulse) gesendet wird. Dann kann man in der besagten Situation am Empfänger nicht nur ein einzelnes Signal, sondern zeitlich versetzt eine ganze Gruppe von unterschiedlich starken Einzelpulsen erhalten. Dieser Effekt wird als "Channel Re­ sponse" bezeichnet. Während es in diesem Fall noch möglich ist, empfängerseitig die betreffenden Einzelpulse zu unterscheiden und z. B. den jeweils am besten geeigneten Pulse als "eigentliches Signal" auszuwählen (woraufhin die anderen Pulse dann konse­ quenterweise als "Störsignale" aufgefaßt und ggf. entsprechend behandelt werden kön­ nen), läßt sich eine derartige Trennung bei der Übermittlung eines längeren Wellenpa­ ketes normalerweise nicht mehr vornehmen, da der Empfänger nur ein summarisches bzw. zusammengesetztes Signal erhält, das zwar immer noch die gleiche Frequenz wie das Ausgangssignal besitzt, in dem aber das eigentliche Signal und die Störsignale mit ihren unterschiedlichen Amplituden und Phasenlagen dergestalt überlagert sind, daß sich unvorhersehbare Schwankungen der Amplitude und auch der Phasenlage ergeben können. Dieser unliebsame Effekt, der die Signalauswertung erschweren oder unter Umständen auch ganz unmöglich machen kann, wird als "Intersymbol-Interaction" be­ zeichnet. Bewegen sich Sender und Empfänger relativ zueinander, können als zusätzli­ ches Problem noch Frequenzverschiebungen infolge von Doppler-Effekten hinzukom­ men.

Die Fülle dieser Probleme macht die Unterwasserkommunikation, z. B. mittels Ultraschall zwischen Tauchern und/oder Unterwasserfahrzeugen und auch die Fern­ steuerung entsprechender Unterwassergerätschaften sehr schwierig. Bislang erwies sich insbesondere die analoge Informationsübertragung als nur sehr bedingt praktikabel. Sie wurde und wird jedoch häufig noch zur Übertragung von Sprache eingesetzt, wobei man sich zunutze macht, daß der Mensch ihm bekannte Wörter und Sinnzusammenhänge auch noch bei sehr stark verrauschtem Empfang erkennen kann. Durch entsprechende Übung und Vereinbarung eines beschränkten Vokabulars kann die Erkennungsrate et­ was verbessert werden. Dieses Verfahren ist jedoch ungeeignet, um z. B. Computerdaten oder andere Informationen maschinell zu übertragen. Deshalb sucht man auch im Be­ reich der akustischen Informationsübertragung nach geeigneten Digitalverfahren.

Heutige technische Digital-Systeme, speziell für den Unterwassereinsatz, basieren meist auf der sequentiellen Übertragung von Tonsignalen gleichbleibender Höhe, wel­ che in einem mehr oder weniger engen Frequenzband festliegen. Um eine möglichst große Reichweite zu erzielen und auch Informationsverluste durch akustisch blinde Fre­ quenzbereiche auszuschalten, wird bei einigen Anwendungen mit hoher Energie syn­ chron in einem breiten Frequenzband gesendet. Unabhängig davon, ob in einem engen oder breiten Frequenzband die Übertragung erfolgt, gestattet die Codierung mittels seri­ eller "Klicks" nur eine begrenzte Informationsübertragungsrate, was die Übermittlung großer Informationsmengen z. B. bei der Übertragung von Bildern einer Unterwasser­ kamera etc. erschwert, bzw. bisher noch unmöglich gemacht hat. Neben dem relativ großen Energieaufwand, der auch eine "akustische Umweltverschmutzung" bedeutet, haben die bislang bekannten, verhältnismäßig "starren" Systeme aber Probleme mit Doppler-Effekten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. ein geeignetes System zur Übertragung von Informationen bereitzustellen, welche bzw. welches eine hohe Übertragungsrate über eine große Reichweite ermöglicht.

Ferner wird angestrebt, ein Verfahren bzw. ein System zur Übertragung von In­ formation bereitzustellen, welche bzw. welches robust gegenüber den oben beschriebe­ nen Störungen ist und an unterschiedliche Übertragungsbedingungen anpaßbar ist.

Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und vorrichtungstechnisch mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.

Anmeldungsgemäß wird ein Informationssignal erzeugt, welches aus mindestens zwei Signalkomponenten besteht, die auf einem Bezugsfrequenzkanal und zumindest einem Informationsfrequenzkanal gesendet werden, so daß mehrere Frequenzkanäle zur Verfügung stehen, wodurch durch die gleichzeitige Verwendung mehr Informationsein­ heiten pro Zeiteinheit übermittelt werden können. Ferner stellen sowohl der Bezugsfre­ quenzkanal als auch der Informationsfrequenzkanal diskrete Zustände zur Verfügung, welche ein Bitmuster ausbilden. Als wesentlicher Unterschied z. B. zur bisherigen Ra­ diotechnik wird beim anmeldungsgemäßen Verfahren keine hochfrequente Trägerwelle verwendet, auf die niederfrequente Wellen aufmoduliert werden. Das erzeugte Informa­ tionssignal, welches für die Übertragung von Informationen herangezogen wird, stellt eine Welle dar, die aus der Überlagerung sowohl des Bezugsfrequenzkanals als auch des zumindest einen Informationsfrequenzkanals besteht.

Zur Bereitstellung des Bitmusters im einfachsten Fall können die Frequenzen bzw. Töne der Informationsfrequenzkanäle ein- bzw. ausgeschaltet werden, wobei das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der betreffenden Signalfrequenzkomponenten als binäre digitale Information (ON/OFF), d. h. 1 oder 0, gewertet wird. Auf diese Weise kann auf jedem dieser Informationsfrequenzkanäle somit ein Bit übertragen werden. Daraus ergibt sich somit in Abhängigkeit der Informationsfrequenzkanäle ein Bitmuster, in dem die Information auf beliebiger Weise verschlüsselt werden kann.

Während dieser einfachste Fall praktisch alle Parameter des betreffenden Infor­ mationssignals betrifft, können in den ON-Zuständen aber auch verschiedene Signalpa­ rameter so variiert werden, daß zusätzlich weitere digitale Zustände unterschieden wer­ den können.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß Anspruch 2 wird auf einfachste Weise eine zeitliche Folge von Bitmuster erzeugt.

Der Anspruch 3 beinhaltet eine vorteilhafte Grundvariante, in der die Frequenzka­ näle eine harmonische Reihe bilden.

Wird gemäß Anspruch 4 der Bezugsfrequenzkanal als Grundton bzw. Grundwelle und zumindest einer der Informationsfrequenzkanäle als harmonischer Oberton bzw. Oberwelle zu dem Grundton oder aber auch alle Informationsfrequenzkanäle als harmo­ nische Obertöne zu dem Grundton ausgebildet, so bilden die einzelnen Frequenzen bzw. Töne oder Signalkomponenten eine harmonische Reihe und somit ein Konsonanzsy­ stem. Eine wesentliche Besonderheit dieses anmeldungsgemäßen Systems besteht darin, daß der Grundton mit der niedrigsten Frequenz, der die größte Reichweite, permanent während der Informationsübertragung gesendet werden kann und somit quasi eine stän­ dige Brücke zwischen Sendeeinheit und Empfängereinheit bildet. Der als Grundton aus­ gebildete Bezugsfrequenzkanal dient in diesem Fall nicht der eigentlichen Informa­ tionsübermittlung sondern als ständiger Bezug zur Abstimmung der übrigen Informati­ onsfrequenzkanäle und gegebenenfalls - wie später noch dargestellt wird - zur Bestim­ mung der relativen Phasenlagen sowie als Energiespender im Fall der Nutzung von nicht linearen Effekten zur Erhöhung der Reichweite des gesamten Frequenzsystems. An dieser Stelle sei aber grundsätzlich darauf hingewiesen, daß anstelle des tiefen Tones auch ein beliebiger anderer Ton eines vorgegebenen Frequenzspektrums als Bezugston oder Grundton verwendet werden kann, falls dieses bei bestimmten Umwelteinflüssen oder für eine gegebene Anwendung vorteilhafter ist.

Durch die Festlegung, daß die Informationsfrequenzkanäle stets einen definierten Abstand zum Bezugsfrequenzkanal haben, wird gewährleistet, daß die Empfängerein­ heit, der die entsprechenden Abstände bzw. Proportionalitätsfaktoren bekannt sind, le­ diglich den als Grundton ausgebildeten Bezugsfrequenzkanal aufzuspüren braucht, um im Bezug darauf alle anderen aktiven Informationsfrequenzkanäle zu erkennen und ständig operativ abstimmen zu können. Dieser Abstimmprozeß läßt sich dahingehend automatisieren, daß das System ohne großen Zusatzaufwand an die unterschiedlichsten Übertragungsbedingungen angepaßt werden kann. Die automatische Erkennung des Grundtons und dementsprechende selbstadaptive Abstimmungen der Informationska­ näle seitens der Empfängereinheit bedeutet insbesondere bei der Kommunikation mit oder zwischen bewegten Objekten einen enormen Vorteil, da damit die bei den her­ kömmlichen Verfahren durch beispielsweise Doppler-Effekte verursachten Probleme entfallen, wenn beispielsweise ein harmonisches Frequenzkanalsystem genutzt wird.

Ändert sich gemäß Anspruch 5 die Frequenz des Bezugsfrequenzkanals während der Übertragung zeitlich, so ergibt sich auf dieser Basis nunmehr das beim adaptiven System nicht nur empfängerseitig eine ständige Nachjustierung zur Kompensation von naturbedingten Frequenzverschiebungen (Doppler-Effekten etc.) durchgeführt werden kann. Vielmehr kann nunmehr auch seitens der Sendeeinheit ganz bewußt eine geregelte zeitliche Veränderung des Frequenzspektrums erzeugt werden, ohne die Verbindung zum Empfänger zu gefährden.

Erfolgt die zeitliche Änderung der Frequenz des Bezugsfrequenzkanals gemäß Anspruch 6 stufenweise oder kontinuierlich, so können ein bzw. mehrere Frequenzgra­ dienten zur Verfügung gestellt werden. Dieser Vorgang wird im folgenden als Fre­ quenz-Gradienten-Methode (FGM) bezeichnet. Mit dieser Methode wird erreicht, daß beispielsweise Reflexionen bzw. Störsignale eliminiert werden.

Durch die Verwendung der FGM wird eine wesentlich schärfere und zuverlässi­ gere Signalanalyse als bei den herkömmlichen Techniken, insbesondere solchen mit feststehenden Frequenzkanälen, ermöglicht. Da sich in diesem Fall die Arbeitsfrequen­ zen der Informationsfrequenzkanäle ständig ändern, haben alle Signalkomponenten, die auf unterschiedlichen Übertragungswegen zu einem gegebenen Zeitpunkt bei der Emp­ fängereinheit eintreffen, nunmehr auch unterschiedliche Frequenzen. Aufgrund dieser Frequenzunterschiede können die eigentlichen Informationsfrequenzkanäle von gegebe­ nenfalls vorliegenden Störkomponenten getrennt werden, d. h. die Intersymbol- Interactions können weitestgehend, wenn nicht sogar völlig eliminiert werden, wodurch somit empfängerseitig ein wesentlich eindeutigeres Abbild des von der Sendeeinheit ausgestrahlten Informationssignal rekonstruiert werden kann.

Da bei der FGM die Frequenz des Bezugsfrequenzkanals und da proportional auch alle anderen Informationsfrequenzkanäle in nahezu beliebiger Weise variiert werden können, ist sowohl das anmeldungsgemäße Verfahren als auch das anmeldungsgemäße System außerordentlich flexibel. Durch die bewußt herbeigeführten Frequenzdriften lassen sich gegenseitige Überlagerungen von mehreren Übertragungssystemen vermei­ den und das ggf. unerwünschte Abhören wird erschwert.

Werden ferner neben der Frequenz des Bezugsfrequenzkanals und des Informati­ onsfrequenzkanals auch andere Signalparameter zur Erzeugung eines Bitmusters heran­ gezogen, so kann die Kodierung auf einfache Weise komplexer gemacht und die Infor­ mationsrate entsprechend erhöht werden.

Wird gemäß Anspruch 7 das Informationssignal amplitudenmoduliert, so können bei den Schwingungsknoten der zur Modulation herangezogenen Amplitude Zeitpunkte festgelegt werden, an denen sich beispielsweise die einzelne Informationsfrequenzka­ näle ändern können, ohne die als sogenanntes "Glitching" bezeichnete Störung in dem Informationssignal hervorzurufen. Dadurch kann die Übertragungsqualität weiter ver­ bessert werden.

Werden gemäß Anspruch 8 die Bitmuster in einem gegebenen Zeittakt erzeugt, so können sie auch empfängerseitig auf einfache Weise entschlüsselt werden, womit sich die Übertragungsgenauigkeit erhöht.

Wird gemäß Anspruch 9 das Bitmuster innerhalb eines Zeittaktes verändert, so kann insbesondere ein erster Teil innerhalb des Zeittaktes dafür verwendet werden, zu erkennen, welche Informationsfrequenzkanäle für die Übertragung der Information grundsätzlich verwendet werden, und beispielsweise der restliche Teil für die Erzeu­ gung des Bitmusters selbst. Außerdem stellt in diesem Fall der erste Teil zusätzlich zum Bezugsfrequenzkanal eine weitere Referenz zur Verfügung, mit deren Hilfe die Para­ meter der im zweiten Taktabschnitt übermittelten Signalkomponenten mit sehr größer Präzision bestimmt werden können. Auf diese Weise wird die Übertragungssicherheit erhöht.

Die vorteilhafte Ausführungsform gemäß Anspruch 10 unterstützt die Möglich­ keit, an unterschiedliche Übertragungsumgebungen und Nutzeransprüche angepaßt zu werden.

Mit der Maßnahme des Anspruchs 11 wird erreicht, daß die Übertragungsrate er­ höht werden kann.

Aufgrund der insbesondere durch Anwendung der FGM erreichbaren hohen Emp­ fangsqualität kann in Kombination mit dem bereits beschriebenen Ein- und Ausschalten der einzelnen Signalkomponenten oder anstatt dessen die Information auch in feineren Variationen bestimmter Signalparameter oder Parameterkombinationen verschlüsselt werden. Da in den empfangenen Signalen neben den Frequenzen nunmehr auch die Amplituden und Phasenwinkel der Signalkomponenten einen stärker definierten Bezug zum ursprünglich generierten Signal haben, können praktisch alle Parameter in die Co­ dierung eingezogen werden. Dieses kann z. B. durch stufenförmige Veränderungen ge­ schehen.

Dabei besteht ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens darin, daß für die Codie­ rung signalinterne Bezüge in dem gegebenen Frequenzsystem genutzt werden können. Durch diese Relativierung wird erreicht, daß die Bitmuster bzw. Symbole bereits an­ hand von ein oder zwei empfangenen Takten identifiziert werden können, ohne daß eine zusätzliche Referenz zu einer externen Bezugsgröße erforderlich ist.

So können beispielsweise die Phasenwinkel in Form der jeweils im gegebenen Zeittakt aktuellen Relation zwischen Signalkomponente und BK bzw. GT festgelegt werden. Diese Codierungsmethode sei als Relative Phasen-Winkel-Methode, abgekürzt RPWM, bezeichnet. In dieser Methode spielt die Vorgeschichte keine Rolle mehr, die äußere Zeit verliert ihre Bedeutung für die Signalauswertung. An ihre Stelle tritt die relative, systeminterne Zeit, die z. B. anhand der momentanen Zykluszeit etwa des GT abgelesen werden kann, die - von außen betrachtet - von der jeweils aktuellen Frequenz abhängt. Die relativen Phasenwinkel lassen sich auf einfache Weise bestimmen, wenn beispielsweise im Auswerteprozeß alle Signalkomponenten, d. h. Informationsfrequenz­ kanäle und Bezugsfrequenzkanal zunächst auf eine einheitliche Periodendauer normiert werden. Da im Ergebnis der proportionalen FGM eine Reihe von Störeffekten eliminiert werden können, lassen sich auch die relativen Phasenwinkel mit größerer Präzision er­ mitteln, was für eine feinere Diskretisierung, also der Unterscheidung von mehr Digital­ zuständen und damit für eine weitere Steigerung der Informationsrate genutzt werden kann.

Eine weitere Variante besteht beispielsweise darin, daß die Information nicht di­ rekt in dem Phasenwinkel der jeweiligen Komponente bezüglich des BK oder GT als sogenannte vertikale signalinterne Referenz, sondern in der Differenz zwischen diesem und dem im letzten zuvor ermittelten relativen Phasenwinkel derselben Komponente als sogenannte horizontale signalinterne Referenz verschlüsselt wird. Diese Methode sei als Relative Phasen-Differenz-Methode, abgekürzt RPDM bezeichnet. Bei der RPDM dient der jeweils erste Takt einer in sich geschlossenen Übertragungssequenz ausschließlich als horizontale Referenz. Unter sehr komplizierten Übertragungsbedingungen kann es aber auch vorteilhaft sein, die RPDM in Verbindung mit dem Verfahren nach Anspruch 9 einzusetzen. Weiterhin sei vermerkt, daß sowohl bei der RPWM als auch bei der RPDM das Nichtvorhandensein einer Signalkomponente bzw. das Unterschreiten eines bestimmten Amplitudenschwellwertes einen zusätzlichen Digitalzustand verkörpern kann. Die RPDM ist besonders günstig auf der Basis des Anspruchs 3 oder 4 zu realisie­ ren.

Neben den konkreten Zuständen bzw. Proportionen der Signalparameter kann in dem gegebenen Verfahren die Information aber auch in deren momentaner zeitlicher Veränderung, d. h. in der dynamischen Charakteristik verschlüsselt werden.

Wird gemäß Anspruch 12 die Anzahl der Informationskanäle in Abhängigkeit des Übertragungsweges geändert, so wird erreicht, daß insbesondere bei Verringerung des Abstands zwischen Sendeeinheit und Empfängereinheit zusätzliche, typischerweise hö­ here oder zwischen den bisherigen Kanälen liegende, z. B. auch andere konsonante Fre­ quenzen genutzt werden, wohingegen andererseits bei sehr großen Abständen haupt­ sächlich niedrigere Frequenzbereiche genutzt werden. Werden gemäß Anspruch 13 der Bezugsfrequenzkanal und zumindest ein Informationsfrequenzkanal als Schallwelle ausgebildet, so konnten insbesondere bei der Anwendung im Unterwasserbereich bis­ lang schwer erreichbare Übertragungsstrecken bereitgestellt werden.

Werden gemäß Anspruch 13 die einzelnen Informationsfrequenzkanäle breiter bzw. breitbandig ausgelegt, ohne sich jedoch zu überlappen, so wird die Möglichkeit geschaffen, eine kontinuierliche Phasenverschiebung der betreffenden Signalkompo­ nenten zu erzeugen und diese beispielsweise für die Informationskodierung zu nutzen. Diese Maßnahme sei als Phasen-Gradienten-Methode oder Phasen-Geschwindigkeits- Methode PGM bezeichnet. Die Abstände zum Bezugston beziehen sich dann typischer­ weise auf die Kennlinien der Mittelwerte der entsprechenden Kanäle. Während der In­ formationsübertragung können nunmehr in jedem Zeittakt die Frequenzen der einzelnen Informationsfrequenzkanäle innerhalb eines gegebenen Kanals geringfügig - typischer­ weise um weniger als 0,5% des jeweils aktuellen Sollwertes - verschoben oder konti­ nuierlich verändert werden, wodurch eine kontinuierliche gleichförmige bzw. beschleu­ nigte Phasenverschiebung des jeweiligen Informationsfrequenzkanals gegenüber dem Grundton bzw. Bezugsfrequenzkanals bewirkt wird. Die Empfängereinheit erkennt nicht nur, ob in einem gegebenen Zeittakt eine Frequenz auf dem entsprechenden Kanal ge­ sendet wurde, sondern bestimmt - falls eine Frequenz vorliegt - auch die relativen Pha­ senwinkel und/oder charakteristische Parameter, die deren Funktion etwa in Abhängig­ keit von der jeweils aktuellen Zykluszeit des Grundtones bzw. Bezugsfrequenzkanals beschreiben. Somit können neben den eigentlichen Zustands- bzw. Proportionswerten auch deren zeitliche Veränderungen für die Codierung verwendet werden. Daraus erge­ ben sich vielfältige Variations- und Kombinationsmöglichkeiten, die zur Steigerung der Informations-Übertragungsrate, für eine größere Adaptivität des Übertragungssystems an unterschiedliche Einsatzbedingungen, bzw. auch für eine Optimierung der Vorrich­ tungen und ihrer Kosten genutzt werden können. Diese Maßnahme läßt sich am günstig­ sten auf der Basis harmonischer Frequenzreihen realisieren.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegen­ stand der übrigen Unteransprüche.

Unter Bezugnahme auf die Figuren sollen unterschiedliche Ausführungsformen des anmeldungsgemäßen Gegenstandes detaillierter beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren und Sy­ stem verwendbaren Informationssignals bestehend aus einem Bezugsfrequenzsignal und drei Informationsfrequenzkanälen;

Fig. 2a zeigt ein einer Amplitudenmodulation unterworfenes Informationssignal von Fig. 1;

Fig. 2b zeigt eine Folge von getakteten Informationssignalen;

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung zur Kodierung einer Information;

Fig. 4 zeigt die Kodierung von Fig. 3 lediglich mit paralleler FGM;

Fig. 5 zeigt die Signalanalyse zum Zeitpunkt t_i einer vorauseilenden und nachfol­ genden Störkomponente mittels der proportionalen FGM bezüglich drei im harmoni­ schen Verhältnis zueinander stehenden Informationsfrequenzkanälen;

Fig. 6 zeigt das Grundprinzip zur Verbesserung der Signalanalyse hinsichtlich der Störsignalen entsprechend Fig. 5 unter der Verwendung eines Bezugsfrequenzsignals und vier Informationsfrequenzkanälen;

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der Anwendung einer gestufter Fre­ quenzverschiebung mit zusätzlicher Änderungen der Informationsfrequenzkanäle inner­ halb des Zeittakts; wobei jeweils die erste Takthälfte die zusätzliche horizontale Refe­ renz für die RPDM bildet;

Fig. 8a zeigt eine schematische Darstellung der Kodierung jedoch nur mit zwei Frequenzstufen;

Fig. 8b zeigt als Beispiel das Prinzip einer pentären Kodierung eines Informati­ onsfrequenzkanals;

Fig. 9a und 9b zeigen zwei unterschiedliche mittels der pPGM erzeugten Phasen­ gradienten;

Fig. 10 zeigt verschiedene Phasengradienten, welche mittels der nPGM (oben) und der pPGM (unten) erzeugt werden können;

Fig. 11 zeigt einen Grundaufbau einer Sendeeinheit des anmeldungsgemäßen Sy­ stems;

Fig. 12 zeigt einen weiteren Grundaufbau einer Sendeeinheit mit Amplitudenmo­ dulation des anmeldungsgemäßen Systems;

Fig. 13 zeigt einen Grundaufbau einer Empfangseinheit des anmeldungsgemäßen Systems;

Fig. 14 zeigt einen weiteren Grundaufbau der Empfängereinheit mit zusätzlicher Phasendetektion.

In Fig. 1 wird dargestellt wie das Informationssignal IS beispielsweise aus einem Bezugsfrequenzkanal BK, welcher in diesem Fall auch als Grundton GT ausgebildet ist, und beispielsweise drei Informationsfrequenzkanäle, I1, I2, I3 zusammengesetzt wird. Die in Fig. 1 dargestellten Informationsfrequenzkanäle sind harmonische Obertöne HK1, HK2 und HK3 zum Grundton GT, welche durch Überlagerung das Informations­ signal bilden. Aus dieser Figur ist zu entnehmen, daß jeder der Informati­ onsfrequenzkanäle durch Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eine binäre digitale Information, was gleichbedeutend mit 1 oder 0 ist, bereitstellen kann (vgl. auch Fig. 2b).

In Fig. 2a ist eine Amplitudenmodulation des Informationssignals IS aus Fig. 1 dargestellt, um beispielsweise zu Beginn und am Ende eines Taktes einen stetigen bzw. fließenden Übergang zu gewährleisten, wenn sich das Informationssignal durch zeitliche Änderung der Informationsfrequenzkanäle ändert.

Eine derartige Änderung ist beispielsweise in Fig. 2b gezeigt, wobei sich die Form des Informationssignals von Takt zu Takt ändert, so daß beispielsweise in dem Bereich I ein Informationssignal IS vorliegt, welches aus der Überlagerung des Grundtons und des zweiten und dritten harmonischen Obertons (GT + HK2 + HK3) besteht, welches beim nächsten Takt (Bereich II) stetig durch Nichtvorhandensein der zweiten und dritten harmonischen Obertöne lediglich in den Grundton (GT) übergeht, um dann beim näch­ sten Takt durch Überlagerung des ersten harmonischen Obertons mit dem Grundton ein verändertes Informationssignal, welches einem anderen codierten Bitmuster entspricht, aufzuzeigen (siehe Bereich III). Auf diese Weise kann auf jedem dieser Informationska­ näle somit ein Bit pro Zeittakt übertragen werden. Insgesamt ergibt sich daraus für jeden Zeittakt ein Bitmuster, in dem die Information auf beliebige Weise verschlüsselt werden kann. Generell kann somit je nach Anzahl der zur Verfügung stehenden Informations­ kanäle und in Abhängigkeit von dem verwendeten Codierungssystem zum Beispiel ein Buchstabe oder anderweitige Symbole verschlüsselt werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß sich bei Verwendung von 2, 4, 8, 12, 16 und weiteren Informationskanälen eine direkte Kompatibilität zu verschiedenen gän­ gigen Verfahren der elektronischen Datenverarbeitung ergibt.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie beispielsweise das Wort "DolphinCom" im allgemeinen bekannten ASCII-Code bei Verwendung von vier Informationskanälen übertragen wer­ den kann. Das das Informationssignal bildende Frequenzsystem besteht in diesem An­ schauungsbeispiel aus einem als Grundton GT verwendeten Bezugsfrequenzkanal und vier darauf aufbauende harmonische Informationsfrequenzkanäle (I1, I2, I3 und I4) als Obertöne, die mittels der proportionaler FGM zeitlich variiert werden. Die Codierung erfolgt in diesem Beispiel nur durch Ein- bzw. Ausschalten der Obertöne. Die senk­ rechten Linien zeigen die Takte, die hier immer die gleiche Länge haben. Für jeden Takt ergibt sich ein spezielles Bitmuster, das als Symbol bezeichnet wird. Jeweils 2 Symbole ergeben zusammen einen Buchstaben im ASCII-Code. Dargestellt wurde das Wort "DolphinCom". Grundsätzlich kann für die Verschlüsselung der zu übertragenden Infor­ mation aber auch jeder beliebige andere Code verwendet werden, was dem Benutzer einen maximalen Spielraum für eigene Programmierungen ermöglicht und das Verfah­ ren zu nahezu allen Systemen der EDV kompatibel macht. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ändert sich der Bezugsfrequenzkanal kontinuierlich, wobei sich die Frequenzen der vier Informationsfrequenzkanäle (I1, I2, I3 und I4) sich proportional verschieben. Demge­ genüber zeigt Fig. 4 ebenfalls das Wort "DolphinCom" im ASCII-Code bei Verwen­ dung von vier Informationskanälen übertragen werden kann, wobei sich wie in Fig. 4 der Bezugsfrequenzkanal kontinuierlich ändert, allerdings werden die beispielsweise zu dem Bezugsfrequenzkanal zunächst harmonisch angeordneten Informationsfrequenzka­ nälen stetig parallel mit der Änderung des Bezugsfrequenzkanals verschoben.

In Fig. 5 ist dargestellt, wie eine wesentlich schärfere und zuverlässigere Signal­ analyse durchgeführt werden kann, wenn beispielsweise der Bezugsfrequenzkanal sich im Sinne der FGM kontinuierlich verändert. In dem in Fig. 5 dargestellten Beispiel wurden in der Anlehnung an Fig. 3 exemplarisch drei Informationsfrequenzkanäle aus­ gewählt, auf denen neben der eigentlichen Signalfrequenz jeweils eine vorauseilende und eine nachfolgende Frequenz als Störsignale beim Empfänger eintreffen, wobei der jeweilige Zeitversatz für alle drei Informationsfrequenzkanäle identisch gewählt wurde. Zur Verdeutlichung des grundlegenden Prinzips wurde auf das Einzeichnen der Takte verzichtet. Die vertikale Schnittlinie (ausgehend von t_i) veranschaulicht, daß sich in ei­ nem gegebenen Zeitpunkt t_i alle empfangenen Informationsfrequenzen voneinander un­ terscheiden. Allerdings ist von besonderer Bedeutung, daß anhand dieser Frequenzun­ terschiede nunmehr die eigentlichen Signalfrequenzen von den Störfrequenzen getrennt bzw. die Intersymbol-Interactions weitestgehend wenn nicht sogar völlig eliminiert werden können. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß die Amplituden und Pha­ senlagen der empfangenen und solchermaßen "bereinigten" Signalkomponenten einen klaren Bezug zu dem Bezugsfrequenzkanal haben. Bei Anwendung der FGM können zur Trennung der eigentlichen Signalfrequenzen von den jeweiligen Störfrequenzen spezielle Frequenzfilter eingesetzt werden. Aus Fig. 5 ist deutlich zu erkennen, daß der Abstand der Signalfrequenz zu den Störfrequenzen um so größer wird, je steiler der Gradient der Frequenzänderung df/dt, d. h. die jeweilige Frequenzgeschwindigkeit ist. Da in dem in Fig. 5 dargestellten System alle Informationsfrequenzkanäle stets propor­ tional zueinander verändert werden, ergibt sich für die höheren Informationsfre­ quenzkanäle ein zunehmend steilerer Gradient und damit eine immer bessere Trennung der aktuellen Signalfrequenz von den Störfrequenzen.

In Fig. 6 ist diese Funktionsweise bzw. der Effekt schematisch für ein System mit einem Bezugsfrequenzkanal und vier Informationsfrequenzkanälen, mit jeweils zwei benachbarten Störfrequenzen gezeigt. Die in Fig. 6 dargestellte gestrichelte Linie sym­ bolisiert die Charakteristik eines üblicherweise eingesetzten Filters. Es ist deutlich zu erkennen, daß selbst bei konstanter Fensterbreite des Filters für die höheren Informati­ onsfrequenzen eine zunehmend bessere Trennschärfe erreicht wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ergibt sich insgesamt eine deutlich bessere Auflösung. Hier­ bei ist insbesondere zu erwähnen, daß mit dem anmeldungsgemäßen Verfahren vor al­ lem auch die höheren Informationsfrequenzkanäle, die auf der Übertragungsstrecke stets am stärksten gedämpft werden und folglich beim Empfänger mit der geringsten Energie eintreffen, besser aus dem Rauschen herausgelöst werden können. Aus diesem Verhal­ ten wird deutlich, daß man beispielsweise bei Störfrequenzen, welche sehr dicht bei der eigentlichen Signalfrequenz liegen, zur besseren Trennung zweckmäßigerweise einen steileren Frequenzgradienten auswählt, d. h. die Driftgeschwindigkeit der Frequenzen erhöht, wohingegen bei größeren Abständen flachere Gradienten ausreichen können. Für derartige Anpassungen kann beispielsweise entweder eine vorbereitete Palette von Fre­ quenzverschiebemustern genutzt oder eine operative Anpassung der Gradienten der Fre­ quenzänderung vorgenommen werden. Letzteres ist beispielsweise leicht möglich, wenn die Verbindungen bidirektional genutzt werden, d. h. die Sendeeinheit auch empfangen und die Empfängereinheit auch senden kann. Auf diese Weise können beispielsweise zwischen der Sendeeinheit und der Empfängereinheit Analysen des Kanalansprechver­ haltens durchgeführt bzw. ausgetauscht werden oder auch ein entsprechendes Muster­ training durchgeführt werden, woraufhin die jeweils optimalen Gradienten für die Fre­ quenzverschiebung eingestellt werden. Allerdings können bei entsprechend günstigen stationären Übertragungsbedingungen, unter denen die Störungen vernachlässigbar klein sind, die Gradienten im Grenzfall auch Null werden.

In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß es sich grundsätzlich anbietet, zur Maximierung der Übertragungsrate die Taktfrequenz proportional zur Frequenzhöhe des Bezugsfrequenzkanals zu verändern, da stets nur eine bestimmte Anzahl von Schwin­ gungsperioden erforderlich ist, um das Gesamtsignal hinsichtlich der darin enthaltenen Einzelkomponenten zu analysieren.

In Fig. 7 und 8a, b sind weitere Möglichkeiten dargestellt, welche insbesondere bei einer stufenweisen Änderung des Bezugsfrequenzkanals auftreten. Diese Möglich­ keiten sind insbesondere dann eine interessante Alternative zur FGM, wenn der Zeitver­ satz zwischen der Signalfrequenz und den Störfrequenzen ausreichend groß ist bei­ spielsweise im Bereich von mehreren Millisekunden liegt. In diesem Fall kann eine gute Trennung zwischen den Signalfrequenzen und den Störfrequenzen auch dadurch erreicht werden, wenn alle Kanäle gleichzeitig von Takt zu Takt oder in Schritten zu mehreren Takten sprunghaft etwas zu höheren oder kleineren Frequenzwerten verschoben werden, innerhalb der Stufen jedoch konstant gehalten werden. Auch in diesem Fall ist es natür­ lich von Vorteil, die Frequenzverschiebung möglichst so vorzunehmen, daß die signal­ internen Proportionen in allen Stufen gleichermaßen definiert sind. Dies läßt sich am leichtesten mittels proportionaler oder paralleler stufenförmiger Veränderungen errei­ chen. Diese Alternative wird allgemein als Frequenz-Sprung-Methode oder als Fre­ quenz-Stufen-Methode, abgekürzt FSM bezeichnet. Anhand von den Fig. 7 und 8a, b ist klar ersichtlich wie beispielsweise durch zusätzliche relative Phasencodierung eine pentäre Codierung der einzelnen Informationsfrequenzkanäle erzeugt wird. Hierzu wird zur Erhöhung der Sicherheit am Anfang eines jeden Taktes auf allen Informationsfre­ quenzkanälen ein Referenzsignal gesendet, dem in der zweiten Takthälfte das entspre­ chend codierte Signal folgt. Wie in der seitlichen Legende in Fig. 7 u. 8a dargestellt ist, kann eine Unterscheidung von jeweils 5 Zuständen erfolgen, nämlich kein Signal (0) und vier digitalen Stufen mit der RPDM. Insgesamt ergeben sich somit für jeden Takt bei einem Informationssignal bestehend aus einem Bezugsfrequenzkanal (BK) und 3 Informationsfrequenzkanälen (RK) 5³ = 125 Kombinationsmöglichkeiten, die einer Codierung zur Verfügung stehen.

Die Fig. 8b zeigt als Beispiel das Prinzip einer pentären Codierung eines Informa­ tionsfrequenzkanals. Die mit Bezugszeichen D1 bis D4 angegebenen Punkte sind Si­ gnalkomponenten, bei denen die Amplitude einen Schwellenwert Ao überschreitet und vier unterschiedliche Phasenwinkel Φ bzw. vier Winkelbereiche beispielsweise mittels der RPWM oder der RPDM digital unterschieden werden können, und Zustand D5 be­ inhaltet, daß die Amplitude der Signalkomponente kleiner als der Schwellenwert Ao ist.

Eine weitere Methode zur Informationskodierung ist beispielsweise die Phasen- Gradienten-Methode oder auch Phasen-Geschwindigkeits-Methode, welche im folgen­ den als PGM abgekürzt wird und mit den Fig. 9a und 9b sowie Fig. 10 veranschaulicht werden soll. Die Fig. 9a und 9b zeigen die sogenannte proportionale Phasen-Geschwin­ digkeits-Methode (pPGM), wobei die Fig. 10 zusätzlich die Verhältnisse bei der nicht­ proportionalen Phasen-Gradienten-Methode (nPGM) darstellt.

Das übergeordnete Prinzip der PGM läßt sich am einfachsten anhand der folgen­ den Ausgangskonfiguration erklären.

Gegeben sei ein System, in dem die Informationsfrequenzkanäle stets eine harmo­ nische Reihe bilden, d. h. Frequenzänderungen nur mittels der proportionalen FGM durchgeführt werden. Herausgegriffen sei ein beliebiger Informationsfrequenzkanal, auf dem die entsprechende Frequenz nunmehr aber in einem gegebenen Taktintervall nicht exakt als Oberton des GT gesendet wird, sondern gegenüber der entsprechenden "Soll­ frequenz" geringfügig (typischerweise weniger als 0,5% des Sollwertes) nach oben oder unten verstimmt ist (siehe Abb. 10 obere Reihe). Im Grunde genommen wird hier eine Frequenzverschiebung vorgenommen, die jedoch so gering ist, daß empfängerseitig allein anhand der Frequenzanalyse schwerlich als Modulation erkannt und folglich auch nicht als digitale Zustandsgröße interpretiert werden kann. Die Frequenz liegt weiterhin im Schärfebereich des betreffenden Analysefilters. Je nachdem, ob sie nun aber etwas höher oder niedriger als ihr Sollwert ist, kommt es in der Überlagerung mit dem GT zu dem in Abb. 9a bzw. 9b dargestellten Bild, in dem der relative Phasenwinkel kontinu­ ierlich zu- bzw. abnimmt. Die Phase der Frequenz des Informationsfrequenzkanals eilt der des GT voraus oder bleibt entsprechend zurück. In dem entsprechenden Takt wird somit ein Phasengradient erzeugt, dessen Richtung schon mit dem bloßen Auge erkannt und gleichermaßen unproblematisch bestimmt werden kann. Bei Auswertung der Pha­ sengradienten in Bezug zur momentanen Periodendauer des GT ergibt sich im vorlie­ genden Fall ein konstanter Anstieg. Voraussetzung für eine solche lineare Charakteristik ist jedoch, daß bei einer kontinuierlichen Frequenzveränderungen des gesamten Fre­ quenzsystems die internen, in dem gegebenen Taktintervall nunmehr aber leicht verän­ derten Proportionen beibehalten werden, d. h. sich auch die relative Verstimmung der Frequenz des Informationsfrequenzkanals im Bezug zum GT nicht ändert. Die Erfüllung dieser Bedingung sei durch die Bezeichnung pPGM deutlich gemacht, wobei das kleine p für proportional steht. Zyklisch betrachtet ergibt sich im Fall der pPGM eine gleich­ förmige Rechts- bzw. eine Linksdrehung der Informationsfrequenzphase gegenüber der Phase des Bezugsfrequenzkanals.

Dieser Effekt läßt sich nun sehr vorteilhaft für die Informationscodierung nutzen, da in der Signalanalyse der Drehsinn, d. h. die Richtung des Phasengradienten wesent­ lich leichter bestimmt werden kann, als z. B. der Betrag der Phasenverschiebung. Ma­ thematisch bedeutet das, daß lediglich das Vorzeichen der ersten Ableitung der relativen Phasenverschiebung zwischen der Frequenz des Informationsfrequenzsignals und GT bestimmt werden muß, das mit anderen Worten besagt, ob die relative Phasengeschwin­ digkeit größer oder kleiner als Null ist (vergl. Abb. 10 oben).

Dieser Vorgang kann nun in jedem Zeittakt für jeden Informationskanal individu­ ell angewendet werden. Nutzt man ihm z. B. in Kombination mit dem bisher beschriebe­ nen einfachen Ein- und Ausschalten, ergeben sich für jeden Informationskanal in einem gegebenen Zeittakt bezüglich des GT bis zu vier unterschiedliche diskrete Zustände: 1. Kein Signal, 2. Signal mit positivem Phasengradient, 3. Signal mit negativem Phasen­ gradient und 4. Signal ohne Phasengradient, wobei man ggf. in der Praxis auf den 4. Zustand verzichten wird, da die quaternäre Codierung de facto eine ternäre Phasengra­ dientcodierung beinhaltet, die unter Umständen nicht ganz so sicher wie die binäre zu realisieren ist, weil sich einer dieser Digitalwerte auf einen singulären Geschwindig­ keitswert (Null) bezieht. Diese Problematik hängt aber von der jeweiligen Empfangs­ qualität ab, denn senderseitig lassen sich alle Gradienten in der Regel mit großer Präzi­ sion generieren. Theoretisch könnte jedenfalls im ersten Fall die Informationsrate auf jedem Kanal gegenüber dem einfachen Ein- und Ausschalten verdoppelt und bei der zweiten Variante um ein Drittel gesteigert werden.

Als Alternative hierzu können auch entsprechend viele Informationsfrequenzka­ näle eingespart werden, womit das Frequenzspektrum insgesamt schmaler gehalten werden kann, was ebenfalls mehrere Vorteile mit sich bringt, die wahlweise genutzt werden können. In diesem Fall müssen die Transducer nicht ganz so breitbandig sein, was sich u. a. bei Verwendung von Transducerkaskaden dahingehend auswirken kann, daß einzelne oder ggf. auch mehrere Elemente eingespart werden können. Das kann nützlich sein, um z. B. die Gerätekosten zu reduzieren. Andererseits kann aber auch bei unveränderter Gerätekonfiguration die nunmehr gegebene größere Variabilität und Ad­ aptivität des Systems genutzt werden. So kann man wahlweise die Informationsrate da­ durch erhöhen, daß bei Weglassen der niedrigeren Frequenzen die Taktzeiten verkürzt werden, während sich bei Verzicht auf die höheren Frequenzen eine größere Übertra­ gungsreichweite ergibt. Es gibt somit eine ganze Reihe guter Gründe, eine möglichst große Kardinalität (Anzahl von Digitalstufen) anzustreben und so die Informations­ dichte auf den Informationskanälen zu erhöhen.

Die pPGM läßt sich nun dahingehend weiter ausbauen, daß neben der Richtung z. B. auch unterschiedliche Anstiege von linearen Phasengradienten, die sich durch un­ terschiedlich starke Verstimmungen der Frequenzen der Informationsfrequenzkanäle erzeugen lassen, für die Codierung genutzt werden können, wobei sich je nach der im konkreten Fall erreichbaren Diskretisierung weitere Kombinations- und Codierungs­ möglichkeiten ergeben.

In Verbindung mit der FGM können positive oder negative Phasengradienten aber auch durch solche Frequenzveränderung der Informationsfrequenzkanäle erzeugt wer­ den, die nicht ganz exakt proportional zur Veränderung des Grundtones durchgeführt werden (siehe Abb. 10 unten).

Zur Unterscheidung von der pPGM sei diese Variante als nPGM bezeichnet, wo­ bei das n für nicht proportional steht. Die nPGM kann etwa dergestalt realisiert werden, daß die Frequenz des jeweiligen Informationsfrequenzkanals in einem gegebenen Tak­ tintervall geringfügig schneller oder langsamer verändert wird, als es z. B. die Basisvari­ ante der proportionalen FGM vorsieht. Es ist nunmehr klar erkennbar, daß beide Vari­ anten der PGM am günstigsten für harmonische Frequenzreihen in Verbindung mit der proportionalen FGM anzuwenden sind.

Das Grundprinzip der sich gegenüberstehenden Alternativmethode zur Erzeugung von Phasengradienten besteht mit anderen Worten darin, die proportionale FGM dahinge­ hend zu modifizieren, daß nun auch innerhalb eines jeden Taktes für jede Signalkompo­ nente individuell ein kleiner zusätzlicher, typischerweise linearer Frequenzgradient er­ zeugt werden kann. Dann ergibt sich im Unterschied zur pPGM in der Überlagerung mit dem GT anstelle des linearen Phasendrift eine etwas andere Charakteristik, nämlich ty­ pischerweise eine quadratische Kurve, die einer beschleunigten Winkelbewegung ent­ spricht, deren Richtung und Form jedoch von der Lage der Start und Endwerte der je­ weiligen Frequenzänderung bezüglich der Sollwertkurve abhängt (vergl. Abb. 10). Bei der nPGM können allein schon anhand der Vorzeichen der ersten und zweiten Ableitung der relativen Phasenwinkel als Funktion der Zykluszeit des GT bis zu 6 Konfigurationen unterschieden werden. Nimmt man nun beide Varianten zusammen, ergeben sich für die PGM insgesamt bis zu 8 unterschiedliche Vorzeichenkombinationen.

Interessant an der nPGM ist aber auch, daß ggf. zusätzlich zu den Vorzeichen auch bestimmte relative Phasenwinkel, z. B. die Phase der Start- oder Endwerte oder der Schnittpunkte mit der Sollwertkurve im Sinne der RPWM genutzt werden können.

In Fig. 11 ist der Grundaufbau einer Sendeeinheit zur Informationscodierung dar­ gestellt. Das Grundprinzip weist eine Informationseinheit auf, welche die zu kodierende Information einem Codierer 3 zuführt. Der Codierer verschlüsselt die von der Informa­ tionseinheit gelieferte Information in eine entsprechend der Frequenzkanäle bestehend aus Bezugsfrequenzkanal und Informationsfrequenzkanal notwendigen Codierung und führt die codierte Information entsprechend dem Mittel zum Erzeugen eines Bezugsfre­ quenzkanals und zumindest einem Informationsfrequenzkanals in Form von Generato­ ren 5 zu, welche von einem Steuermodul 7 angesteuert werden. Die von den Generato­ ren erzeugten Wellenkomponenten mit gegebener Amplitude, Frequenz und Phase werden einem Mischer 9 zugeführt, welche wiederum von dem Steuermodul 7 ansteuer­ bar ist.

Gemäß dieser Ausführungsform wird das in dem Mischer erzeugte Informations­ signal, falls erforderlich einem Leistungsverstärker 11 zugeführt, welche das Informati­ onssignal entsprechend dem Übertragungsmedium angepaßten Wandler bzw. Wandler­ kaskade zuführt.

Gemäß dieser Ausführungsform ist für jeden Frequenzkanal ein Generator vorge­ sehen.

Die in Fig. 12 gezeigte Ausführungsform einer bevorzugten Sendeeinheit wird dargestellt, wenn eine Amplitudenmodulation hinsichtlich des Informationssignals vor­ genommen werden soll. Hierzu wird bevor das in Einzelkomponenten hinsichtlich des Bezugsfrequenzkanals und der Informationskanäle zerlegte Informationssignals dem Mischer zugeführt wird, das Informationssignal über beispielsweise jeweils einem Mo­ dulator für jeden Informationsfrequenzkanal unter Ansteuerung von dem Steuermodul zugeführt.

In Fig. 13 ist eine Ausführungsform einer Empfangseinheit des anmeldungsgemä­ ßen Systems dargestellt. Ein entsprechend dem Übertragungsmedium angepaßter Wandler bzw. Wandlerkaskade nimmt das ankommende Informationssignal, welches in Fig. 13 als akustisches Signal dargestellt ist, auf und führt es einem Verstärker 23 zu. Hinter dem Verstärker ist ein Filter 25 zur Trennung und Analyse der einzelnen Fre­ quenzkanäle und insbesondere zum Herausfiltern des Bezugsfrequenzkanals vorgese­ hen. Das von dem Filter, vorzugsweise ein Low-Pass-Filter, kommende Signal wird dem Bezugsfrequenzdetektor 27 zugeführt, welches die Bezugsfrequenz und die Emp­ fangsstärke ermittelt. Diese Daten werden dem Steuermodul 29 der Empfangseinheit zugeführt. Parallel hierzu wird das Informationssignal vor Eintreten in den Low-Pass- Filter 25 abgegriffen und den ansteuerbaren Filtern 31 für die einzelnen Informations­ frequenzkanäle zugeführt. Die von dem Filter abgehenden Signale werden in einem an­ steuerbaren Schwellwertschalter 33 analysiert und einem Dekoder 35 zugeführt, welcher die ursprünglich vorhandene Information entschlüsselt.

In Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, welche zusätzlich Pha­ sendetektoren für beispielsweise die proportionale bzw. nicht-proportionale Phasen- Geschwindigkeits-Methode bzw. der Phasendifferenz-Methode dargestellt. Zur Analyse der Phasenkomponenten werden hierzu zwischen den ansteuerbaren Filter 31 und den ansteuerbaren Schwellwertschalter 33 die Phasendetektoren 32, vorzugsweise entspre­ chend der Anzahl der zu ermittelnden Informationsfrequenzkanäle angeordnet, wobei zur Phasenbestimmung als Referenz die Bezugsfrequenz beim Grundton-Detektor abge­ griffen wird.

Im folgenden werden weitere Möglichkeiten bzw. Anwendungen des anmel­ dungsgemäßen Verfahrens und des anmeldungsgemäßen Systems detailliert beschrie­ ben.

Als weitere Option können in diesem Verfahren bei Verringerung des Abstandes zwischen Sender und Empfänger problemlos zusätzlich auch andere, zwischen den ur­ sprünglichen Frequenzkanälen liegende bzw. auch höhere Frequenzkanäle genutzt oder das gesamte Spektrum in Richtung höherer Frequenzen verschoben werden. Dabei kann man sich den Effekt zunutze machen, daß mit Verringerung der Übertragungsdistanz in der Regel auch die Störeinflüsse zurückgehen. Dazu brauchen Sender und Empfänger nur für ein entsprechend breites Frequenzspektrum ausgelegt und mit der Fähigkeit aus­ gestattet zu werden, auch ihre Codierer entsprechend umzustellen. Seitens des Empfän­ gers kann die Erkennung eventuell neu hinzugekommener Frequenzen entweder auto­ matisch erfolgen, oder der Wechsel zu einem neuen Arbeitsregime wird ihm vom Sen­ der in einer geeigneten Weise (z. B. mit dem letzten Informationspaket) mitgeteilt. Die einzelnen Tonkanäle müssen jedoch soweit auseinander liegen, daß sie unter den jewei­ ligen Übertragungsbedingungen gut vom Empfänger unterschieden werden können. Umgekehrt kann die Vergrößerung der Distanz eine Verschiebung des gesamten Spek­ trums zu niedrigeren Frequenzen oder die Aufgabe der oberen Kanäle bzw. auch (insbe­ sondere bei zunehmenden Störeinflüssen) eine Vergrößerung der Abstände zwischen den Kanälen durch proportionales Auseinanderziehen oder Auslassen von Zwischenstu­ fen erforderlich machen.

Die in der Grundvariante des Verfahrens vorgesehene Auswahl der Frequenzbän­ der dergestalt, daß die Töne bzw. Frequenzen konsonieren oder ganzzahlige Vielfache (Obertöne) des Tones mit der niedrigsten Frequenz sind, zielt auf die Erreichung einer energetisch günstigen Konstellation ab.

Bei der Verwendung von harmonischen Frequenzreihen ergibt sich außerdem die Möglichkeit nichtlineare Effekte der Schallausbreitung zu nutzen und so eine Si­ gnalübertragung über größere Distanzen zu erreichen. Schallwellen sind Longitudi­ nalwellen, bei denen sich Abschnitte mit höherer und niedrigerer Dichte abwechseln. Da die Schallgeschwindigkeit aber u. a. von der Dichte des Mediums abhängt, pflanzen sich die verdichteten Anteile schneller fort. Die Flanken einer ursprünglichen Sinusschwin­ gung werden allmählich asymmetrisch, d. h. die Sinusschwingung verformt sich mehr und mehr in Richtung etwa einer Sägezahnschwingung. Physikalisch bedeutet das einen Energietransfer zu den Obertönen. Im Wasser ist dieser Effekt erst nach einigen Kilo­ metern Weglänge spürbar. Sendet man gleichzeitig mit dem Grundton z. B. ein oder mehrere Obertöne aus, so erhalten diese aufgrund der Harmoniebeziehung durch die besagten nichtlineare Effekte zusätzliche Energie von den jeweils tieferen Tönen. In der Konsequenz werden sie nicht so schnell gedämpft, sie bleiben länger über dem Niveau des Grundrauschens und erreichen somit eine größere nutzbare Reichweite. Da die die Reichweite des Gesamtsystems in erster Linie durch die des jeweils höchsten Frequenz­ bandes bestimmt ist, ergibt sich insgesamt ein größerer Senderadius. Dazu ist es zweckmäßig, den Grundton permanent und diesen, wie nach Möglichkeit auch alle an­ deren Töne, mit hoher Energie zu senden.

Aufgrund der großen Variabilität des Systems können möglicherweise auch noch andere Eigenschaften der Übertragungsstrecke genutzt werden. Häufig bilden sich z. B. infolge schichtweiser Inhomogenitäten des Wassers bestimmte Übertragungskanäle aus, die ein eigenes Schwingungsverhalten besitzen. Je nach den betreffenden Eigenwerten können hier leicht verschiedene Moden angeregt werden, die zwar in der Regel relativ niedrige Frequenzen haben, dafür aber sehr weit tragen. Prinzipiell besteht die Möglich­ keit, die Frequenzbänder des Übertragungssystems auf diese Moden abzustimmen. Dar­ über müssen sich Sender und Empfänger jedoch auf geeignete Weise verständigen.

Falls die Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger so gering ist, daß Doppler-Effekte vernachlässigbar sind, können als Alternative zu der o. g. propor­ tionalen FGM auch geeignete, für das gesamte System einheitliche Frequenzverände­ rungen durchgeführt werden. In diesem Fall wird gewissermaßen eine "Offset-Kurve", oder bildlich gesprochen eine "Melodie" vorgegeben bzw. operativ nach Analyse der jeweiligen Übertragungsbedingungen bestimmt, und additiv allen Frequenzkanälen hin­ zugerechnet (vergl. Fig. 4). Diese Methode wird als parallele FGM bezeichnet. Die Be­ sonderheit dieser Methode besteht darin, daß sich infolge Parallelverschiebung für alle Frequenzkanäle stets der gleiche Gradient, d. h. die gleiche Driftgeschwindigkeit ergibt, womit im Idealfall über das gesamte Spektrum eine optimale Trennung der eigentlichen Signale von den Störkomponenten erreicht werden kann. Das solchermaßen modifizierte Verfahren hat zudem den Vorteil, das sich das Frequenzspektrum nicht mit dem Anstei­ gen der Bezugsfrequenz aufspreizt. Aufgrund der stärkeren Bündelung laufen die oberen Töne dann nicht so leicht in Gefahr, in Frequenzbereiche mit zu geringem Ausbrei­ tungsradius zu geraten und somit abgeschnitten zu werden. Damit können die in Sinne der Informationsübertragung schnelleren oberen Frequenzbereiche besser ausgenutzt werden. Die parallele FGM läßt sich vielleicht auch praktisch leichter realisieren, da oftmals die Transducer nur in einem jeweils begrenzten Frequenzband arbeiten können und auch die Verwendung von entsprechenden Wandler-Kaskaden nicht immer möglich ist.

Selbstverständlich muß auch bei der parallelen FGM dem Empfänger in einer ge­ eigneten Form mitgeteilt werden wie er die einzelnen Frequenzkanäle in Bezug zum GT anstimmen soll. Prinzipiell dürfte aber auch das Umschalten zwischen proportionaler FGM und paralleler FGM kein Problem sein, da dies hinsichtlich der Bestimmung der Frequenzen der Informationsfrequenzkanäle in Bezug zum GT lediglich einen Wechsel zwischen Multiplikation und Addition beinhaltet.

Falls die Phasensprünge an den Taktübergängen Probleme bereiten sollten, kann die eingangs beschriebene taktbezogene Amplitudenmodulation verwendet werden. Ei­ ne weitere Methode zur Minimierung von Störeinflüssen besteht darin, ein Codie­ rungsverfahren zu verwenden, das auf den Informationskanälen das Vorhandensein ei­ nes Tones in zwei aufeinanderfolgenden Takten ausschließt. Der gleiche Effekt kann auch durch Multiplexen, z. B. den abwechselnden Betrieb der geraden und ungeraden Informationskanäle erreicht werden. Daß neben diversen anderen Parametern auch die frequenzbezogene Geschwindigkeitscharakteristik des jeweiligen Übertragungskanals durch spezielle Sondierungen oder im Prozeß der wechselseitigen Kommunikation er­ mittelt und bei der Signalgenerierung berücksichtigt werden kann und auch sollte, ver­ steht sich von selbst.

Es ist ferner denkbar, daß der Bezugsfrequenzkanal bei Bedarf und sofern es die speziellen Übertragungsbedingungen zulassen als zusätzlicher Informationskanal ver­ wendet wird.

Claims (22)

1. Verfahren zur Übertragung von Information, bei dem zumindest ein aus einem Bezugsfrequenzkanal (BK) und zumindest einem Informationsfrequenzkanal (I1; I2; . . .; IN) bestehendes Informationssignal (IS) erzeugt wird, und der Bezugsfrequenzkanal (BK) und der Informationsfrequenzkanal (I1; I2; . . .; IN) jeweils diskrete Zustände zur Bereitstellung eines Bitmusters ausbilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zumindest eine Informationsfrequenzkanal (I1; I2; . . .; IN) sich zeitlich verändert.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Bezugsfrequenzkanal (BK) und der Informationsfrequenzkanal (I1; I2; . . .; IN) in einem ganzzahligen bzw. harmonischen Verhältnis zum niedrigsten Frequenzkanal des verwendeten Systems stehen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Bezugsfrequenzkanal (BK) als Grundwelle (GT) und der Informationsfrequenzkanal (I1; I2; . . .; IN) als harmonischer Oberwelle (HK1; HK2; HK3) zu der Grundwelle ausgebildet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Frequenz des Bezugsfrequenzkanals (BK) sich während der Übertragung zeitlich verändert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die zeitliche Änderung der Frequenz des Bezugsfrequenzkanals (BK) stufenweise oder kontinuierlich erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Informationssignal (IS) amplitudenmoduliert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Erzeugung des Bitmusters in einem gegebenen Zeittakt erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem sich das Bitmuster innerhalb eines Zeittaktes ändert.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem sich die Frequenz des Bezugsfrequenzkanals (BK) und die Frequenz des Informationsfrequenzkanals (I1; I2; . . .; IN) proportional bzw. parallel zueinander verändert.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Bitmuster durch Variation der Frequenz, der Amplitude, des Phasenwinkels bzw. der dynamischen Phasencharakteristik festgelegt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem sich die Anzahl der Informationsfrequenzkanäle (I1; I2; . . .; IN) in Abhängigkeit des Übertragungsweges ändert.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Informationsfrequenzkanal (I1; I2; . . .; IN) breitbandig ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Bezugsfrequenzkanal (BK) und der zumindest eine Informationsfrequenzkanal (I1; I2; . . .; IN) als Schallwelle ausgebildet sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Bezugsfrequenzkanal (BK) und der zumindest eine Informationsfrequenzkanal (I1; I2; . . .; IN) als elektromagnetische Welle ausgebildet ist.

16. System zur Übertragung von Information bestehend aus einer Sendereinheit und einer Empfängereinheit, zwischen denen ein Informationssignal (IS) übermittelt wird, wobei
die Sendereinheit ein Mittel zum Erzeugen eines Bezugsfrequenzkanals (BK) und zumindest einem Informationsfrequenzkanals (I1; I2; . . .; IN) aufweist, um ein Bitmuster bereitzustellen, und
die Empfängereinheit ein Mittel zum Erfassen des aus der Bezugsfrequenzkanals (BK) und der zumindest einen Informationsfrequenzkanals (I1; I2; . . .; IN) bestehendem Informationssignals (IS) aufweist.

17. System nach Anspruch 16, wobei das Mittel zum Erzeugen einen Codierer, zumindest einen Generator zum Erzeugen des Bezugsfrequenzkanals (BK) und zumindest eines Informationsfrequenzkanals, ein erstes Steuermodul zum Ansteuern des Generators und eine Mischeinheit aufweist.

18. System nach Anspruch 17, wobei das Mittel zum Erzeugen ferner zumindest einen Modulator aufweist, welcher von dem Steuermodul angesteuert wird und die von dem Generator erzeugten Frequenzkanäle moduliert, vorzugsweise amplitudenmoduliert.

19. System nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei das Mittel zum Erfassen eine Einheit zum Erkennen des Bezugsfrequenzkanals (BK), ein zweites Steuermodul, zumindest eine Filtereinheit und einen Decoder aufweist.

20. System nach Anspruch 19, wobei die Einheit zum Erkennen des Bezugsfrequenzkanals (BK) einen Low-Pass-Filter und einen Grundtondetektor aufweist, welche vorzugsweise in Reihe geschaltet und mit dem zweiten Steuermodul verbunden sind.

21. System nach einem der Ansprüche 19 oder 20, wobei die Filtereinheit einen ansteuerbaren Filter und einen ansteuerbaren Schwellwertschalter aufweist, wobei das Informationssignal (IS) vorzugsweise vor dem Mittel zum Erkennen des Bezugsfrequenzkanals abgegriffen wird und der Filtereinheit zugeführt wird.

22. System nach Anspruch 21, wobei ein Phasendetektor vorgesehen ist, welcher zwischen dem ansteuerbaren Filter und dem ansteuerbaren Schwellwertschalter angeordnet und mit der Grundton-Detektor verbunden ist.