DE2534696C3 - Auswerteinheit für ein Datenübertragungssystem zur Auswertung extrem schwacher Funksignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Auswerteinheit für ein Datenübertragungssystem zur Auswertung extrem schwacher Funksignale entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es gibt Übertragungsprobleme der Nachrichtentechnik und Telemetrie, bei denen aus verschiedenen Gründen (größere Entfernung, beschränkte Sendeleistung, Antenne ohne Gewinn, ungünstige Frequenzwahl, schlechte Ausbreitungsbedingungen, hohe Signalstörung, zeitweise Signalunterbrechung) am Empfangsort ein Signal entsteht, das mit herkömmlichen Mitteln weder zu einer Identifikation noch zu einer Decodierung der zu übertragenden Nachricht ausreicht. Eine fehlerfreie Nachrichtenübertragung im Echtzeitbetrieb erfordert einen Empfangspegei, der standig oberhalb der Empfangsschwelle des benutzten Systems liegt. Außerdem ist für jede Art von Datenübertragung eine Akquisitionszeit zur Phasensynchronisation erforderlich. Bei extrem schwachen Funksignalen muß aber das System unter Bedingungen arbeiten, bei denen kein kontinuierlicher Empfangspegel oberhalb der vorgegebenen Schwelle vorliegt. Wenn die Signale nur bruchstückhaft ankommen, verursacht die Inanspruchnahme einer Akquisitionszeit eine v/eitere zeitliche Verkürzung der nutzbaren Pegel, Was bei kurzen Signalperioden zum Zusammenbruch des Systems führt* Aus den genannt ten Gründen lassen sich mit konventioneller Technik, auch unter Benutzung einer Filterbank, Signalbruchstücke nicht vollständig empfangen und fehlerfrei aus^· wertetti

Ein Datenübertragungssystem dieserArt wurde bereits mit schwachen Funksignalen erprobt. Der Sender war ein automatischer Alarmgeber auf 1,6 GHz in einer Seenotfunkboje, die sich im Falle eines Schiffsunglucks nach dem Aufschwimmen im Wasser selbständig einschaltet und eine Botschaft mit der Identifikation des Schiffes übertragen kann. Durch Anwendung von FSK-Modulation (Frequenzumtastung) sowie mit Hilfe einer Filterbank aus 1000 Hz-Filtern und eine Korrelationslogik sollte dabei trotz erschwerter Übertragungsbedingungen eine sichere Funkverbindung erreicht werden (vgl.'Goebel, DFVLR-Jahresbericht 1973, Seite 247). Trotz guter Funktion reicht jedoch die Empfindlichkeit für ein späteres Betriebssysttrm nicht aus, und die Pegelschwankungen sind so grob, daß häufige Signalunterbrechungen vorkommen, welche bekannte Systeme nicht mehr verarbeiten können.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, extrem schwache Signale von unter 30 dB-Hz, welche den Empfangsort außerdem bruchstückhaft erreichen, unter Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten richtig auszuwerten. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der durch die Erfindung erzielte technische Fortschritt ist insbesondere im Vergleich zu den eingangs erwähnten Experimenten, bei denen die Übertragung

st, der Seenotfunkboje über einen Ballon zu einer landfesten Empfangsstation durchgeführt wurde, darin zu sehen, daß der Einsatz von geostalionären Satelliten für eine Seenotfunkboje und einem Seenotnachrichtengeber unter vorgegebenen Randbedingungen wie

j-j Frequenz, Antennengewinn, Sendeleistung und Ausbreitungsbedingungen in gewerblich verwertbarer Weise ermöglicht wird. Gegenüber den bisherigen nur auf Grenzwelle und ohne Zuhilfenahme von Satelliten arbeitenden Seenotfunkbojen mit einer Reichweite

■in von M) km können wegen der Benutzung von geostationären Satelliten Seenotsignale, die von einer beliebigen Stelle eines Ozeans herkommen, gehört werden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden Es zeigt

Fig. 1 die Konfiguration eines Seenotfunksystems mit einer Auswerteinheit gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Signalauswertegeräts, und

•;o Fig. 3 ein Programmflußdiagramm für das Signalauswertegerat.

Das dargestellte Seenotfunksytem besteht bodenseitig aus einer Boje und eine Auswerteinheit sowie einem geostationären Satelliten, der lediglieh eine Relaisfunktion hat.

Die V(jn einer Antenne der Satellitenbodenstation empfangenen Signale gelangen über einen Empfanger in die Auswerteinheit, in der zunächst eine Umsetzung auf Tonfrequenz erfolgt, um die F'lterbank passieren zu können, die zweckmäßigerweise aus KK) Hz-Filtern besteht. Für die benutzte Bitrale von f>4 Bit pro Sekunde ist die genannte Bandbreite optimal. Die Filterausgänge sind jeweils mit einer Integrationsstufe mit einer hohen Zeitkonstanten und einer solchen mit einer niedrigen Zeitkonstanten versehen, Erstere dient zum Aufspüren von Signalen, letztere zur Weiterverarbeitung des aus den nunmehr bekannten Kanälen kommenden SignaWRauschgemisches. Nach

der Signalgleichrichtung wird das Signal η mal pro Bit abgetastet, digitalisiert und in den Speicher eines Prozeßrechners eingeschrieben. Da die Anzahl der wiederholtgesendeten Datenrahmen, (worunter im Sinne der Anmeldung eine Botschaft, bestehend aus einer kompletten Information zu verstehen ist, d. h. hier also eine 64-Bit-Folge, die zunächst NRZ (Non-Return-to-Zero)-codiert und dann millercodiert worden ist) sowie die jeweilige Länge t eines Rahmens bekannt sind, weiJen nach Ablauf der Zeit t auf den '° Inhalt des Speichers die neuen Daten addiert. Die Signalpegel werden dabei linear, die Rauschpegel jedoch statistisch addiert und damit das Signal-/Störverhältnismit jeder Addition eines weiteren Rahmens verbessert, bis ein Wert erreicht ist, der die Decodierung ermöglicht. Das Abbild eines Rahmens ist somit - entsprechend der Abtastrate aufgelöst - in digitaler Form im Speicher des Prozeßrechners festgehalten. Durch zyklische Abfrage aller gespeicherten Werte kann ein permanent umlaufender Datenstrom erzeugt werden.

Im folgenden soli die Wirkungsweise des Sipnaiauswertegeräts des beschriebenen Übertragungssystems anhand der Fig. 2 näher erläutert werden.

Folgende wesentliche Anforderungen werden an das System gestellt:

1. Eg sind auf der Filterbank die beiden Kanäle zu suchen, die entsprechend dem Rhythmus des millercodierten Empfangssignals alternierend getastet sind.

2. Nach Erkennung beider Kanäle, die definierten Abstand haben müssen, sind die Signalspannungen beider Kanäle getrennt gleichzurichten und anschließend zu subtrahieren, um so das Abbild des millercodierten Rahmens als Wechselspan- π nung zu erhalten.

3. Aus dieser Wechselspannung ist anschließend die Nachricht zu dechiffrieren und mit den erforderlichen Zusatzinformationen auszudrucken.

In Fig. 2 ist das Blockschaltbild des Signalaus-Wertegerätesuargestellt. Um sowohl die Anforderung nach maximaler Empfindlichkeit als auch nach Flexibilität des Gerätes optimal zu erfüllen, weder, die analog anliegenden Signale unmittelbar nach der Gleichrichtung und Abtastung digitalisiert und in einem Microprocessor gespeichert, statistisch ausgewertet und anschließend die Nachricht zur Ausgabe an den Drucker formatiert.

Die beiden Signalkanäle werden vom Processor dadurch erkannt, daß an ihnen eine höhere Spannung so liegt, nämlich Signal- und Rauschspannung, als an allen anderen Kanälen, die nur die Rauschspannung abgeben.

Jeder der 48 Filterausgänge ist an eine aktive Spitzengleichrichterschpltung mit entsprechenden Zeitkonstanten gelegt. Diese 48 Analogwerte werden entsprechend dem Programmlauf über einen Multiplexer abgetastet, digitalisiert und vom Processor übernommen und gleichzeitig ausgewertet. Die Synchronisation des Programmabiaufs (Processors) mit den Interfaces (Multiplexern etc.) übernimmt eine Programmsteuerung.

Ist ein definiertes Signalkanalpaar gefunden, so werden die beiden Kanaladressen, die untere und die obere, auf den jeweils zugeordneten Kanalmultiplexer (I aus 48) aufgeschaltet. Durch nachfolgende aktive Zweiweggleichrichtung mit entsprechender Zeitkon-,stante und Subtraktion de* modulierten Gleichspannungswerte beider Kanäle wird eine Wechselspannung Up gebildet, die entsprechend dem Informationsinhalt des millercodierten Rahmens zwischen einer Spannung + U₁ und - U₁ alterniert. Der Rauschspannungsanteil ist bei der Subtraktion, statistisch betrachtet, herausgefallen. Per Programm wird die Wechselspannung U₀ als Digitalwert (2er-Komplement) periodisch übernommen und fortlaufend abgespeichert, und zwar lü mal je NRZ-Bit. Ein Rahmen aus 64 NRZ-Zeichen, d. h. es werden insgesamt 640 Werte je Rahmen fortlaufend gespeichert. Da der Rahmen periodisch jede Sekunde vom Codierer ausgegeben wird, besteht die Möglichkeit, mehrere Rahmen wertmäßig zu addieren und somit das Signal-/ Störverhältnis entsprechend dem unterschiedlichen Verhalten der Signal- und Störamplituden zu verbessern. Aufgrund der Quarztoleranz des Codierers können maximal 64 Rahmen (Sekunden) addiert werden.

Die Auswertung und Formatierung der während der Rahmenintegrationszeit η (sec) gespeicherten η x 640 Differenzwerte U₀ soll anh? .1 der Fig. 3 näher erläutert werden. Die so dechiffnerc Nachricht wird zusammen mit weiteren Zusatzinformationen potentialgetrennt vom Drucker zugeführt.

Der Speicherinhalt kann per Programm. Wert für Wert, 2\ /lisch umlaufend über einen Digital-Analog-Konverter am Oszillographen dargestellt werden. Damit kann der abgetastete Rahmen optisch ausgewertet werden.

Wie aus dem ProgrammflußdiagramM in Fig. 3 ersichtlich ist. werden zuerst die ;/ x 640 Abtastwerte in den Speicher des Prozeßrechners übernommen. Als nächstes werden alle Werte daraufhin untersucht, oh Gleichspannungsanteile, hervorgerufen durch z. B. Hardware-Komponenten oder Langzeitrauschen und ähnliches dem eigentlichen Signal überlagert sind. Dementsprechend werden diese Überlagerungen unterdrückt, so daß die Summe aller Abtastwerte Null ergibt. Entsprechend der Definition des Miller-<"ode und der Abtastrate von vorzugsweise IO Abtastpunkten je NRZ-Bit wird die Umwandlung der Abtastwert-, in Miller-Bit (Bit-Synchronisierung) folgendermaßen durchgeführt:

Im ersten Durchgang der Synchmnisiei'ungspmzedur werden, beginnend beim ersten Abtastwert, fünf Abtastwerte nacheinander addiert und anschließend der Betrag des Ergebnisses in einem Summenregister /?, festgehalten. Danach wird mit den nächsten fünf Abtastwerten genauso verfahren und der Betrag wiederum zum ersten dazuaddiert. Dieses Verfahren wird so lange wiederholt, bis sämtliche Abtastwerte erfaßt sind. Im zweiten, dritten, vierten und fünften Durchgang wird das Verfahren, beginnend beim zweiten, driurn, vierten und fünften Abtastwert, wiederholt und die Beträge jeweils im Summenregisicr addiert. Das Summen'cgister mit der höchster¹ Summe kennzeichnet damit eindeutig den Beginn der Um Wandlungsprozedur der Abtastwerte in Miller-Bits. Der Bitentscheid wird durch Addition von jeweils fünf aufeinanderfolgencen Abtastwerten getroffen. Dem Vorzeichen des Ergebnisses wird der entsprechende binäre Zustand zugeordnet, Die NRZ-Bit-Synchronisation und nachfolgend die Umwandlung der Miller-Bits iri NRZ-Bits wird entsprechend der Definition von Miller-Code und NRZ-Code durchgeführt. Nach dieser Prozedur stehtn die 64 NRZ-Bits, d. h. die gesamte Nachricht, im Speicher des Prozeßrechners. Mit Hilfe des Synchronisationszeichens wird nun der Be-

ginn der Nachricht unter Berücksichtigung der entsprechenden zugelassenen Snychronisationsfehler gesucht. Anschließend werden die Bits in BCD-Zeichen geordnet und zur Drucker-Ausgabe Weitcrgeleitct. Außer für Seenotfunksysteme ist die Erfindung auch für sonstige Übertragungssysteme anwendbar, bei denen es auf die Auswertung extrem schwacher Funksignale ankommt, wie beispielsweise für Secnotnachrichtengeber. Ein derartiger, in Fig. I schematisch dargestellter, Scer.otnaehrichtengeber kann aus einem Tastenfeld, einem Encoder₍ einem Sender mit zugehöriger Antenne für 1600 MHz und der Strom* Versorgung bestehen. Er ermöglicht die Übertragung einer individuellen Telegrammbofsciiafi von einem Schiff. Die Botschaft wird mehrmals wiederholt. Der Empfang der Signale in der Satelliten-Bodenstation wird in der oben beschriebenen Form ausgeführt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Auswerteeinheit für ein Datenübertragungssystem zur Auswertung extrem schwacher Funksignale am Empfangsort mittels Filterbank und Korrelationslogik, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterbank extrem schmale Filter aufweist, daß jeder Ausgang der einzelnen Filter an eine als Spitzengleichrichterschaltung mit hoher Zeitkonstante ausgebildete Kanalsucheinrichtung sowie an zwei Multiplexer angeschlossen J₁St, daß ein mit der Kanalsucheinrichtung verbundener Processor über die Multiplexer die zwei die höchste Spannung führenden Filter mit einer Gleichrichterschaltung verbindet, daß die beiden Signale einem Differenzbildner zugeführt werden und daß das Differenzsignal über den Processor digitalisiert und in einem nachfolgenden Addierer so lange aufaddiert wird, bis eine vorgegebene Dekodierungsschwelle überschritten wird.

2. Auswerteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Speicherinhalt ein Gleichspannungsanteil dergestalt addiert wird, daß die Summe aller gespeicherten Werte Null ist.

3. Auswerteinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur 3it-Synchronisierung eines gespeicherten Datenrahmens die Bitwcchsel lediglich durch Korrelation der Speicherwerte ermittelt werden und anschließend der Bitentscheid durch Addition der Speicherwerte getroffen wird.