DE2646536A1

DE2646536A1 - Matrix multiplexing for coded data signals - uses coding matrix in transmitter circuits and signals are decoded in receiver

Info

Publication number: DE2646536A1
Application number: DE19762646536
Authority: DE
Inventors: Bernhard Kirsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-10-15
Filing date: 1976-10-15
Publication date: 1978-04-20

Abstract

A matrix multiplexing system is used to prepare data for transmission as digital AC signals. Digital signals to be transmitted are coded by a coding matrix. The code consists of a store of 2n amplitude quanta at n signal source. The state of the signal sources is described by words of N = 1d(2n) places. Received signals are decoded by a decoding matrix, and the decoded signal is evaluated by a differentiating element and it is converted into the output signal. Matrix multiplexing method can, if modified, be used for transmission of analogue signals.

Description

Betrifft: Beschreibung des MatrixmultiplexverfahrensSubject: Description of the matrix multiplex method

Mit Hilfe des Matrixmultiplexverfahrens können in der Nachrichtentechnik n amplitudengequantelte Signale über ld(2n) Kanäle übertragen werden.With the help of the matrix multiplex method in telecommunications n amplitude-quantized signals are transmitted over ld (2n) channels.

Damit wird die theo-cetische Kapazität eines Übertragungskanals besser ausgenutzt.This improves the theoretical capacity of a transmission channel exploited.

Es ist üblich, Momentan- oder Mittelwerte einer Signalquelle durch einen Code darzustellen und nur den kodierten Wert zu übertragen. Solche Verfahren sind zinn Beispiel Pulsecodemodulation oder Analog-i)igital= wandlung von Gleichspannungen. (siehe auch Herter/röcker: Nachrichten technik) Ihi:cch diese Digitalisierung von Signalen wird zwar ihre Störbar= keit herabgesetzt und Kanäle im Frequenzbereich optimal ausgenutzt, dafür oft auf die Ausnutzung des Aussteuerbereiches der Amplituden in einem Vbertragungskanal verzichtet.It is common to use instantaneous or mean values from a signal source to display a code and only transmit the coded value. Such procedures are tin example pulse code modulation or analog-i) igital = conversion of direct voltages. (see also Herter / röcker: Nachrichten technik) Ihi: cch this digitization of Signals are reduced in their susceptibility to interference and channels in the frequency range optimally used, but often on the use of the modulation range of the amplitudes waived in a transmission channel.

Diese Lücke zwischen theoretischer und ausgenutzter Kanalkapazität nutzt der Matrixmultiplexer aus, um n Signal auf ld(2n) Kanäle zu komprimieren und damit Bauteile und Kabel zu sparen.This gap between theoretical and used channel capacity uses the matrix multiplexer to compress n signals to ld (2n) channels and thus saving components and cables.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die verschiedenen Zustände der Signalquellen codiert werden. Die Amplitude eines Signals kann nur dir Werte 0 und I annehmen. Die Amplitude auf einem Kanal kann dagegen die Werte von -n.I/2 ... i.I ... bis n.I (mit i natürliche Zahl zwischen -n/2 und n ) annehmen. Dies ist der Zeichenvorrat des Codes. Aus diesem Zeichenvorrat werden Wörter von 1d(2n) Länge gebildet. Diese Codierung ist nicht eindeutig. Man erhält daher beim Decodieren des Signals ein zusätzliches Tauschsignal.This object is achieved in that the various states of the signal sources are coded. The amplitude of a signal can only give you values Assume 0 and I. The amplitude on a channel, on the other hand, can have the values of -n.I / 2 ... i.I ... to n.I (with i natural number between -n / 2 and n). this is the character set of the code. This character set becomes words from 1d (2n) Length formed. This coding is not unique. Therefore, when decoding, one obtains of the signal an additional swap signal.

Aus prinzipiellen Gründen muß ein solches Rauschsignal immer durch Redundanz im Nutzsignal kompensiert werden. Da die benutzten Signale aber im allgemeinen die benötigte Redundanz besitzen, ist es möglich das Rauschsignal zu unterdrücken. Der Codierer und der Dekodierer sind voll integrierbar und benötigen wenig Leistung. Das Verfahren kann an bestehende Kormen angepsßt werden. Deshalb ist es möglich, die Kapazität bestehender Übertragungsunswege besser auszunutzen und den Kabeldbedarf zu vermindern.For reasons of principle, such a noise signal must always pass Redundancy in the useful signal can be compensated. Since the signals used but in general have the necessary redundancy, it is possible the noise signal to suppress. The encoder and the decoder can be fully integrated and require little power. The method can be adapted to existing corms. That's why it is possible to make better use of the capacity of existing transmission routes and reduce the need for cables.

Beschreibung der Signalquellen: Mit den Verfahren Matrixmultiplexen können ntii dibitale Signale ein deutig übertragen werden. Die Rauschsicherheit ist wesentlich von der Form der Signale abhängig.Description of the signal sources: Using the matrix multiplexing method ntii dibital signals can be clearly transmitted. The noise security is essentially dependent on the form of the signals.

Es sollen n Signale übermittelt werden. Zu diesem Zweck werden die Quellen numeriert. Dem Signal Ui(t), das aus der i-ten Signalquelle stammt, wird die Kennzahl ai zugeordnet. Diese Kennzahl ist die Zahl i in binärer Form. Beispiel: n= 32 = Die erste Stelle der Kennzahl ist immer 1; sie ermöglicht die Unterscheid= ung von invertiertem und nicht invertiertem Signal. Außer a. benötigen wir noch die invertierte Kennzahl ai, die aus ai entsteht, indem man alle o durch 1 ersetzt und umgekehrt. Beispiel: n = 32; i = 3 a3 = 100010; a3 = 011101 Die einzelnen Signalquellen liefern die Pulsfolgen Ui(t). Ich unterscheide hierbei: 1) korrelierte Signale, d.h. die Übergänge von 0 nech I und umgekehrt erfolgen nicht unabhäiigig voneinander. Ein Beispiel sind taktabhängige Signalgruppen.N signals are to be transmitted. For this purpose the sources are numbered. The code number ai is assigned to the signal Ui (t), which comes from the i-th signal source. This key figure is the number i in binary form. Example: n = 32 = The first digit of the key figure is always 1; it enables the distinction between inverted and non-inverted signals. Except a. we still need the inverted key figure ai, which arises from ai by replacing all o by 1 and vice versa. Example: n = 32; i = 3 a3 = 100010; a3 = 011101 The individual signal sources supply the pulse trains Ui (t). I differentiate here: 1) correlated signals, ie the transitions from 0 to I and vice versa do not occur independently of one another. One example are clock-dependent signal groups.

2> Unabhängige Signale: die Übergänge erfolgen unabhängig voneinander.2> Independent signals: the transitions take place independently of one another.

Ein Beispiel sind binäre Rauschquellen.Binary noise sources are an example.

Figur 1 beschreibt die Parameter, die die einzelnen Impulse kennzeichnen Es ist Us die Pulshöhe, T die Pulsdauer, #T die Anstige(Abfall)Zeit und p die Übergangshäufigkeit. s heißt Aussteuerungsfaktor.Figure 1 describes the parameters that characterize the individual pulses Us is the pulse height, T the pulse duration, #T the rise (fall) time and p the transition frequency. s is called the modulation factor.

Es gelten die Beziehungen: s= 0.9/n p = 1/f bei periodischen Signalen. Sonst ist p die mittlere Frequenz.The following relationships apply: s = 0.9 / n p = 1 / f for periodic signals. Otherwise p is the mean frequency.

Die Ableitung einer binären Impulsfolge ist eine ternäre Impulsfolge.The derivative of a binary pulse train is a ternary pulse train.

Für den idealen Impuls eine Folge von Diracimpulsen. Für die Pulshöhe eines realen Pulses gilt: US' = US#T Die n Signale können zu einem n-dim Vektor zusammengefaßt werden, dem Signalvektor (t) = (U1(t); ...; Un(t)). Ebenso werden die Signale auf den Übertragungskanälen zum Kanalvektor zusammengefaßt: k = (k1(t) ...k) mit N = ld (2n7. Die Kennzahl ai wird zum Kennvektor ist aufgespalten, indem man die einzelnen Stellen als Komponenten des Vektors nimmt. Eben so wird der invertierte Kennvektor definiert.For the ideal impulse a series of Dirac pulses. The following applies to the pulse height of a real pulse: US '= US # T The n signals can be combined into an n-dim vector, the signal vector (t) = (U1 (t); ...; Un (t)). The signals on the transmission channels are also combined to form the channel vector: k = (k1 (t) ... k) with N = ld (2n7. The code number ai becomes the characteristic vector is split up by taking the individual positions as components of the vector. The inverted characteristic vector is defined in the same way.

Ist a ein Eingangsvektor und b ein Ausgangsvektor, so wird die Einwirkung eines 'Gerätes' auf den Eingangsvektor durch den Übertragungsoperator H beschrieben. b = H a. Der Übertragungsoperator kann z.B. der Frequenzgang im Frequenzbereich sein oder wie in diesem Fall eine Matrix.If a is an input vector and b is an output vector, the action becomes of a 'device' on the input vector is described by the transfer operator H. b = H a. The transfer operator can e.g. the frequency response in the frequency domain be or, as in this case, a matrix.

Beschreibung den Codierers und des Decodieres: In Figur 3 liegt der Schaltplan vor, mit dem die oben beschriebene Codierung bzw Decodierung realisiert werden kann. Die in der Zeichnung verwendeten Symbole für Operationsverstärkers beinhalten die Außenbeschaltung der realen Bauteile. Für die Erstellung der Übertragungsoperatoren wurden ideale Bauteile vorausgesetzt, d.h. ein linearer Frequenzgang, keine Exemplarstreuung, keine parasitäre kapazitäten.Description of the encoder and the decoder: In Figure 3 is the Circuit diagram with which the coding or decoding described above is implemented can be. The symbols used in the drawing for operational amplifiers contain the external wiring of the real components. For creating the transfer operators ideal components were assumed, i.e. a linear frequency response, no specimen variance, no parasitic capacitances.

Die verwendeten Verstärker haben die Funktion als Trennverstärker, gegebenenfalls als Impedanzwandeler; ein Verstärkers arbeitet als Substrahierglied.The amplifiers used have the function of isolating amplifiers, possibly as an impedance converter; an amplifier works as a subtracter.

Die Widerstandsnetzwerke mischen die Eingangsspannungen.The resistor networks mix the input voltages.

Das Verfahren Matrixmultiplexen ist mit der Angabe der Übertragungsoperatoren hinreichend beschrieben. Die reale Schaltung kann von der angegebenen abweichen, aa die einzelnen Bauteile nicht ideal sind.The method matrix multiplexing is with the specification of the transfer operators adequately described. The real circuit may differ from the specified one, aa the individual components are not ideal.

Der Übertragungsoperator der Codiermatrix ist eine N x n-Matrix, mit N = ld(2n). Es gilt: k = KN,n.U(t) Das Matrixelement Ki,j wird gebildet aus der i-ten Komponente des Vektors aj-aj. Beispiel: n = 4; a5 = 10100; a5 - a5 = (1,-1,1,-1,-1) damit folgt K1,5 = 1; K2,5 = -1; .... K5,5 = -1 Ein anderes Beispiels für eine vollständige Codiermatrix ist mit Figur 2 gegeben.The transfer operator of the coding matrix is an N x n matrix, with N = ld (2n). The following applies: k = KN, n.U (t) The matrix element Ki, j is formed from the i-th component of the vector aj-aj. Example: n = 4; a5 = 10100; a5 - a5 = (1, -1,1, -1, -1) it follows that K1,5 = 1; K2.5 = -1; .... K5,5 = -1 Another example of a complete The coding matrix is given in FIG.

Die Impedanzwandlung multipliziert den Kanalvektor noch mit einem konstanten Faktor. Da es güngstig ist, den gesamten Aussteuerungsbereich Ug der einzelnen Kanäle auszunutzen, ergibt sich dieser Faktor@als s'=Ug/n.Us, wobei s' der Aussteuerungsfaktor der Kanäle ist.The impedance conversion multiplies the channel vector by one more constant factor. Since it is cheap to use the entire modulation range Ug the To use individual channels, this factor @ results as s '= Ug / n.Us, where s' is the level factor of the channels.

Am Empfänger ist das gewünschte Signal einstellbar, wenn man das Signal mit der Kennzahl ai wünscht, erhält man an Ausgang der Decodiermatrix das Signal Ua = s'@(ai - ai).K. Der Impedanzwandlungsfaktor s'' hängt von den seinzelnen Widerständen ab. Ua enthält Ui s'.s7N-mal. Die anderen Signale sind in Ua aber nur mit den Gewichten N-2, N-48 ..., je nach Kennzahl, vertreten.The desired signal can be set on the receiver when the signal is activated with the code number ai, the signal is obtained at the output of the decoding matrix Ua = s' @ (ai - ai) .K. The impedance conversion factor s '' depends on the individual resistances away. Ui contains s'.s7N times. The other signals are in Ua only with the weights N-2, N-48 ..., depending on the key figure, represented.

Ändert sich nun Uj um U5 (d,h. es findet ein Sprung statt) so ändert sich auch Ua unabhängig vom momentanen Amplitudenwert um xs's@@. Eine Änderung in der Signalquelle ruft also eine proportionale Änderung in der Senke hervor. Ändert sich ein anderes Signal (Störsignal), das mit einem geringeren Gewicht in U vertreten ist, So ändert sich auch die Amplitude von a ÄAAaA A 4 a dementsprechend weniger. Die Amplitudenänderung ist nur maximal, wenn sich das gesuchte Signal Ui ändert. Differenziert man also Ua mit einem Differnzierglied und wertet die Impulse am Ausgang des Differnziergliedes aus (etwa mit einem Schwellwertschalter), erhält man das gewünschte Signal. Die Art der Auswertung von Ua hängt sehr stark von der Art der ge endeten Impulse ab.If Uj now changes by U5 (i.e. a jump takes place) then changes also Ua independently of the current amplitude value by xs's @@. A change in the signal source causes a proportional change in the sink. Changes another signal (interfering signal), which is represented with a lower weight in U is, So the amplitude of a ÄAAaA A 4 a also changes accordingly fewer. The change in amplitude is only maximal when the signal Ui changes. So differentiate with a differentiator and evaluate the impulses at the output of the differentiating element (e.g. with a threshold switch) get the signal you want. The type of evaluation of Ua depends very much on the Type of ended impulses.

Die Übertragungsstrecken, die zwischen Codierer und Decodierer liegen, müssen in ihren Übertragungseigenschaften natürlich den speziellen Anforderungen des Multiplexverfahrens bezüglich Bandbreite und Laufzeitverzerrungen angepaßt sein. Laufzeitverzerrungen und Beschneidung der Bandbreite machen sich in Ua als Abfachungen der Impulsflanken bemerkbar. Das die Rauscheigenschaften des Systems wesentlich von den Flanken abhängen, werden die Möglichkeiten des Übertragungswegs die Anwendbarkeit latztlich begrenzen.The transmission links between the encoder and the decoder must of course meet the special requirements in terms of their transmission properties of the multiplex process with regard to bandwidth and delay time distortions. Runtime distortions and restriction of the bandwidth make themselves in Ua as flattening of the pulse edges noticeable. That the noise properties of the system are essential Depending on the edges, the possibilities of the transmission path become the applicability ultimately limit.

Rauscheigenschaften: Eine Impulsforge der oben beschriebenen Form differenziert ergibt wiederam eine Impulsfolge mit der Pulshöhe Us.#T. Für die Auswertung erhebt sich die forderung, daß der gesuchte Puls N.U #T von dem mit dem nächstniedrigeren Gewicht N-2 noch unterscheidbar sein muß. Für Amplitudenfehler dUs und Anstiegszeitfehler d#T ergibt sich folgende Unschärferelation: Us.#T > dUs.d#T Ändert sich während der Anstiegszeit einer Signalquelle eine andere Signalquelle, kanne es geschehen, daß sich die Gewichte der beiden Sig nale in U addieren. In der Auswertung wird ein Spring registriert, der a dem Nutzsignal zugerechnet wird. Diese Fehlsprünge überlagern sich dem Nutzsignal als ein binäres Rauschsignal.Noise properties: An impulse shape of the form described above differentiated again results in a pulse train with the pulse height Us. # T. For the evaluation the demand arises that the searched pulse N.U #T differs from the one with the next lower Weight N-2 must still be distinguishable. For amplitude errors dUs and rise time errors d # T results in the following uncertainty relation: Us. # T> dUs.d # T changes during the rise time of a signal source another signal source, it can happen that the weights of the two signals in U add up. The evaluation will a jump registered, which is added to the useful signal. These missed jumps superimpose on the useful signal as a binary noise signal.

Dieses Rauschsignal ist zum iTutzsignal orthogonal: Ur(t).Ui(t) O Sind deshalb die Signale korreliert, so kann durch eine definierte Phasenverschiebung verhindert werden, daß am Empfänger Ur auftritt.This noise signal is orthogonal to the iTutz signal: Ur (t) .Ui (t) O If the signals are therefore correlated, a defined phase shift can be used can be prevented that Ur occurs at the receiver.

Sind die Signale unabhängig voneinander, so läßt sich durch Vergleich verschiedener decodierter Signale das Rauschen unterdrücken.If the signals are independent of one another, a comparison can be made different decoded signals suppress the noise.

Außerdem ist es möglich die Signale im Empfänger aufzuarbeiten. Die Signale auf den einzelnen Kanälen können Amplituden-korrigiert werden, Laufzeitdifferrenzen durch eine Phasenfangschaltung korrigiert werden.It is also possible to process the signals in the receiver. the Signals on the individual channels can be amplitude-corrected, transit time differences can be corrected by a phase lock.

Claims

Affects patent claim I hereby apply for patent protection for the Multiplexing matrix multiplexing. Matrix multiplexing is a multiplexing process for the transmission of digital alarm voltage signals. This procedure is thereby characterized in that those digital signals that are to be transmitted be coded by means of a coding matrix. The code consists of a character set of 2n amplitude quanta with n signal sources.

The state of the signal sources is indicated by words of N = 1d (2n) digits described. At the receiving end, the signals are re-generated by means of a decoding matrix decoded. The decoded signal is evaluated by means of a differentiator and then converted into the output signal.

The matrix multiplexing can, modified, for the transmission of analog AC signals can be used.