DE2656975B2

DE2656975B2 - Verfahren zur Übertragung von modulierten Datensignalen mittels adaptiver Deltamodulation

Info

Publication number: DE2656975B2
Application number: DE2656975A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr.-Ing. 8501 Heroldsberg Kittel; Dieter Dipl.-Ing. 8500 Nuernberg Schwarz
Original assignee: Te Ka De Felten & Guilleaume Fernmeldeanlagen 8500 Nuernberg GmbH
Current assignee: Felten and Guilleaume Fernmeldeanlagen GmbH
Priority date: 1976-12-16
Filing date: 1976-12-16
Publication date: 1979-02-01
Also published as: DE2656975A1; CH626204A5; US4215311A; IE45851B1; GB1567283A; AT356711B; ATA885477A; SE418133B; IE45851L; DE2656975C3; FR2374779A1; SE7713820L; FR2374779B1; JPS5394758A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Übertragung von modulierten Datensignalen unter Anwendung von adaptiver Deltamodulation.

Bei Anwendung von Deltamodulation zur Nachrichtenübertragung wird sendeseitig das zu modulierende Analogsignal, beispielsweise ein Sprachsignal, zu äquidistanten Zeitpunkten mit einem aus dem deltamodulier-' ten Signal gewonnenen Schätzsignal verglichen, wobei bei einem positiven Vergleichsergebnis der eine und bei einem negativen Vergleichsergebnis der andere Binärzustand übertragen wird. Die Abtastfrequenz ist so gewählt, daß sich die Amplitude des zu modulierenden

H) Analogsignals zwischen zwei Abtastzeitpunkten höchstens um die Höhe einer vorgegebenen Quantisierungsstufe ändert Die Höhe der Quantisierungsstufe soll bei kleinen Amplitudenwerten des Analogsignals klein sein, damit im empfangsseitig rekonstruierten Signal das ■> Quantisierungsgeräusch niedrig bleibt Andererseits soll bei großen Amplitudenwerten und hohen Signalfrequenzen des Analogsignals die Quantisierungsstufe groß sein, damit die Verzerrungen durch die sogenannte Steigungsüberlastung gering sind. Diese Verzerrungen treten dann auf, wenn die Steigung des Analogsignals größer ist als die entsprechende, sich aus dem Produkt von Stufenhöhe und Abtastfrequenz ergebende Steigung des Schätzsignals. Beide Verzerrungen, sowohl das Quantisierungsgeräusch als auch die Verzerrungen

^ dutch Steigungsüberlastung kann man nun dadurch niedrig halten, daß die Quantisierungsstufe variabel gestaltet wird. Die Steuerung der Stufenhöhe geschieht dabei proportional zur Steigung des Analogsignals, wobei die entsprechende Information aus dem deltamo-

J» dulierten Signal gewonnen wird. Deltamodulationsverfahren mit variabler Quantisierungsstufe heißen auch adaptive Deltamodulationsverfahren. Bei der Anwendung von adaptiver Deltamodulation für die Übertragung von Sprachsignalen wird von der Eigenschaft des

" Sprachsignals ausgegangen, daß für die Dauer einer gesprochenen Silbe die Amplitude der Hüllkurve annäherend konstant bleibt. Während dieser Dauer sollte daher die Quantisierungsstufe nur gering verändert werden. In der DE-OS 19 11431 ist eine

·*<> Übertragungsvorrichtung zur Signalübertragung durch Deltamodulation angegeben, welche nach derartigen Gesichtspunkten ausgelegt ist. Zur Bestimmung der Steigung des Analogsignals werden dabei drei oder mehrere aufeinanderfolgende Binärimpulse des delta-

■·"' modulierten Signals auf Koinzidenz überprüft. Von der Impulsfolge dieser Koinzidenzentscheidungen wird der Mittelwert gebildet, welcher als Steuersignal für die Höhe der Quantisierungsstufe dient.

Es kann in einem Nachrichtenübertragungssystem,

^r'H bei dem adaptive Deltamodulation angewandt wird, notwendig sein, modulierte Datensignale anstelle von Sprachsignalen 7U übertragen. Die Datenübertragung über Fernsprechverbindungen erfolgt in der Regel mittels sogenannter Modems. Dabei wird ein binäres

^r>'> rechteckförmiges Datensignal auf der Sendeseite in ein für den Übertragungskanal geeignetes moduliertes Datensignal umgewandelt und daraus auf der Empfangsseite wieder das binäre rechteckförmige Datensignal erzeugt. Diese Umwandlung geschieht mittels

^h|) bestimmter Modulationsverfahren. So hat sich für Datensignale mit Bitfolgefrequenzen <1200 bit/s die Frequenzmodulation durchgesetzt. Die CCITT-Empfehlung V 23 liefert hierzu einen Normierungsvorschlag. Aufgrund dieses Vorschlags bilden die beiden Kennfre-

·>'■ quenzen 1300 Hz und 2100Hz die Symbole für die übertragene Information. Für Datensignale mit Bitfolgefrequenzen < 1200 bit/s hat sich die Phasendifferenzmodulation durchgesetzt. Die CCITT-Empfehlungen

V 26, V 26. bis V 27, V 27 bis und V 27 ter liefern dazu Normierungsvorschläge. Bei dieser Modulationsart wird im Rhythmus einer Symbolfolgefrequenz f_s die Phasenlage eines Trägers umgetastet, wobei die jeweilige Differenz der zwischen zwei Tastzeitpunkten auftretenden Phasenlagen das Symbo! für die übertragene Information ist. Die Anzahl m vier zur Übertragung verwendeten Symbole bzw. Phasendifferenzen richtet sich dabei nach der ausnutzbaren Bandbreite des Sprachkanals und der Übertragungsgeschwindigkeit bzw. Bitfolgefrequenz h des binärer, rechteckförmigen Datensignals. Allgemein gilt m = 2", wobei η die Anzahl der zu einer Bitkombination zusammengefaßten Bits des rechteckförmigen Datensginals ist Jeden möglichen Binärzustand dieser Bitkombination ist dabei eine bestimmte Phasendifferenzlage zugeordnet Für die Bitfolgefrequenz h gilt dabei die Beziehung /* = η ■ U

In der CCITT-Empfehlung V 26 wird ein Modem für eine Bitfolgefrequenz von 2400 bit/s vorgeschlagen, der mit vier Symbolen bzw. Phasendifferenzlagen arbeitet. Das rechteckförmige Datensignal wird dabei zu Bitkombinationen von η = 2, auch Dibits genannt, zusammengefaßt Die Symbolfolgefrequenz (bei diesem Beispiel auch Dibitfrequenz genannt) beträgt daher 1200 Hz. Bei einem Modem für eine Bitfolgefrequenz von 4800 bit/s, welcher nach der CCITT-Empfehlung

V 27 aufgebaut ist, beträgt die Symbolfolgefrequenz 1600 Hz (n = 3).

Bei einer weiteren Modulationsart, der Phasenreferenzmodulation, werden die Symbole für die übertragene Information nicht aus der jeweiligen Differenz zwciär zeitlich aufeinanderfolgender Phasenlage;!, sonder ι aus der Differenz der Phasenlage eines getasteten Trägers in Bezug auf die konstante Phase eines Referenzträgers gebildet.

Um die Eigenschaften eines Systems, bei dem ein solches moduliertes Datensignal mittels adaptiver Deltamodulation übertragen wird, beurteilen zu können, wird dem Eingang des Deltamodulationssenders zusätzlich zu dem modulierten Datensignal ein definiertes Rauschsignal mit einer bestimmten Pegeldifferenz zum Datensignal zugeführt und die Bitfehlerquote zwischen dem eingangs- und ausgangsseitigen rechteckförmigen Datensignal als Funktion des Pegels dieses modulierten Datensignals gemessen.

Es zeigt sich nun, daß diese Bitfehlerquote nicht konstant ist, sondern nur bei einem mittleren Pegel des modulierten Datensignals einen Minimalwert aufweist und zu größeren und kleineren Pegelwerten hin stark ansteigt. Dieses pegelabhängige Verhalten erweist sich deshalb als besonders nachteilig, da die im Betriebsfall als Übertragungsleitung dienenden Leitungen große Dämpfungsunterschiede aufweisen und die übertragenen Signale somit leicht in den Bereich großer Bitfehlerquoten gelangen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Übertragung von modulierten Datensignalen mittels adaptiver Deltamodulation anzugeben. Dabei soll die bei sendeseitiger Überlagerung eines aus weißem Rauschen bestehenden Störsignals auftretende Bitfehlerquote im gesamten Pegelbereich des modulierten Datensignals möglichst gering sein. Durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung sollen die Übertragungseigenschaften für ein Sprachsignal, welches an Stelle des Datensignals übertragen werden kann, nicht merkbar verschlechtert werden. Die unterschiedlichen Werte des modulierten Datensignals bilden die Symbole für die zu übertragene Funktion.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Steuerung der Höhe der Quantisierungsstufen abhängig von der Amplitude der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz des modulierten Datensignals erfolgt

Im folgenden soll die Erfindung näher beschrieben und erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzipschaltbild eines Deltamodulationssenders gemäß der Erfindung für modulierte Datensignale.

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel des Steuernetzwerks Stvon Fig. 1-

F i g. 3 das Prinzipschaltbild eines Deltamodulationsempfängers gemäß der Erfindung.

Fig.4 den prinzipiellen Verlauf der Bitfehlerquote des binären rechteckförmigen Datensignals bei einem mittels den Anordnungen nach F i g. 1 und 3 aufgebauten Übertragungssystem unter Verwendung von Modems.

F i g. 5 ein Prinzipschaltbild eines Deltamodulationssenders gemäß der Erfindung für wahlweise Übertragung von Sprachsignalen oder modulierten Datensignalen.

Fig.6 den prinzipiellen Verlauf der Bitfehlerquote eines mit dem Sender nach Fig. 5 sowie mit einem entsprechenden Empfänger aufgebauten Übertragungssystem.

Die Anordnung nach F i g. 1 weist eine Differenzstufe Di auf, deren einem Eingang über die Leitung L 1 das modulierte Datensignal ν des Modemsenders zugeführt wird. Am anderen Eingang der Differenzstufe Di liegt das Schätz- oder rekonstruierte Signal r an. Das am Ausgang der Differenzstufe Di auftretende Differenzoder Fehlersignal e = v—rwird dem Schwellwertschalter S zugeführt. Die Schwelle dieses Schwellwertschalters S ist auf das Bezugspotential 0 Volt eingestellt, so daß am Ausgang des Schwellwertschalters 5 lediglich die Vorzeicheninformation des Differenzsignals e auftritt. In der als bistabile Kippstufe ausgeführten Abtastschaltung A wird diese Vorzeicheninformation mit der Abtastfrequenz f_ab abgetastet. Am Ausgang der bistabilen Kippstufe liegt das auszusendende deltamodulierte Signal d vor, welches sowohl dem Steuernetzwerk St und über den Impulswandler /Wdem Eingang M1 des Multiplizierers Mals auch der Übertragungsleitung L 2 zugeführt wird. Die Steuerspannung U_s, am Ausgang des Steuernetzwerkes St wird der Addierstufe /Wzugeführt, welcher über einen weiteren Eingang eine Spannung AU zugeführt wird, die zu dieser Steuerspannung Uα addiert wird. Diese Spannung Δ U entspricht der im Falle Us₁ = 0 auftretenden kleinsten Höhe der Quantisierungsstufe. Das Ausgangssignal U₅, + Δ U der Addierstufe Ad gelangt auf den Eingang M 2 des Multiplizierers Mund wichtet die aus dem Impulswandler / kommenden bipolaren Impulse konstanter Amplitude. Diese in ihrer Höhe beeinflußten Impulse gelangen in das integrierende Netzwerk /, an dessen Ausgang das rekonstruierte Signal rauftritt, welches in der Differenzsutfe Di mit dem modulierten Datensignal ν vergleichen wird.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des im Prinzipschaltbild in F i g. 1 enthaltenen Steuernetzwerks St weist das Schieberegister SR auf, welches aus einer Anzahl von u Stufen besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform sind es drei Stufen. Diesem Schieberegister SR wird mit der Abtastfrequenz f„t> das von der Abtastschaltung A gelieferte deltamodulierte Signal d eingeschoben. Die Ausgänge sämtlicher Stufen (x, y,...

u) des Schieberegisters SR sind mit den Eingängen des Koinzidenz-Gatters G verbunden, dessen Ausgang nur dann einen Impuls abgibt, wenn an sämtlichen Eingängen entweder der eine oder der andere Binärzustand anliegt. Am Ausgang des Koinzidenz-Gatters G ist eine Anordnung angeschlossen, die aus dem Schmalbandfilter BF und der Gleichrichterstufe Gr besteht, welche diesem Schmalbandfilter BF nachgeschaltet ist. Der Ausgang der Gleichrichterstufe Gr ist mit dem Eingang des /?C-Tiefpasses TPX verbunden, an dessen Ausgang der Eingang des Verstärkers Vr angeschlossen ist. Das Schmalbandfilter BF ist auf die Symbolfolgefrequenz f_s des Modems abgestimmt. Wie bereits erwähnt, beträgt diese Symbolfrequenz f_s 1200Hz bei einem der CCITT-Empfehlung V 26 entsprechenden Modem und 1600 Hz bei einem Modem nach V 27. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung liegt die 3 dB-Bandbreite des Schmalbandfilters BF zwischen 30 Hz und 80 Hz.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei der Übertragung von modulierten Datensignalen mit gegebener Symbolfrequenz, speziell auch phasenmodulierten Datensignalen, ein im Zeittakt der Symbolfrequenz periodischer Anteil der Steigungsüberlastung auftritt, der mit dem Pegel des Datensignals zunimmt.

Die vom Schmalbandfilter BF ausgesiebte Schwingung mit der Symbolfolgefrequenz f_s wird in der Gleichrichterstufe Grgleichgerichtet und die entstandenen Halbwellen im nachfolgenden RC-Tiefpaß TPX geglättet. Diese gelättete Spannung wird im nachfolgenden, als Gleichspannungsverstärker ausgeführten Verstärker Vr verstärkt, so daß am Ausgang dieses Verstärkers das Signal U_S! zur Steuerung der Höhe der Quantisierungsstufe abnehmbar ist.

In der Empfangsschaltung nach F i g. 3 gelangt das empfangene deltamodulierte Signal deinerseits auf den Impulswandler IW, an dessen Ausgang entsprechend den logischen Werten 1 und 0 des Signals d bioplare Impulse konstanter Amplitude vorhanden sind. Andererseits gelangt das Signal c/auf das Steuernetzwerk Sf'. an dessen Ausgang die Steuerspannung U_s, auftritt. Dieses Steuernetzwerk St' ist wie das in Fig. 2 dargestellte Steuernetzwerk St aufgebaut. In der Addierstufe Ad'wird analog zu Fig. 1 zur Steuerspannung Uu die Größe Δ U addiert. Mit der Ausgangsspannung U_s, + Δ U des Addierers Ad' werden im Multiplizierer M' die von Impulswandler IW kommenden Impulse konstanter Amplitude bewertet. Die so bewerteten Impulse gelangen auf das intergrierende Netzwerk /',das mit dem integrierenden Netzwerk /des in F i g. 1 dargestellten Senders identisch ist. Das mit dem Bandpaß BP gefilterte Ausgangssignal des integrierenden Netzwerks /' stellt eine gute Annäherung des ursprünglichen modulierten Datensignals ν dar.

In Fig.4 ist der Verlauf der Bitfehlerquote q des rechteckförmigen Datensignals eines Übertragungssystems dargestellt, welches aus einer Deltamodulations- strecke in Verbindung mit Modems aufgebaut ist Diese Bitfehlerquote q ist abhängig vom Pegel des am Eingang des Deltamodulationssenders eingespeisten modulierten Datensignals ν angegeben. Ein zusätzlich eingespeistes definiertes Rauschsignal wird in der Weise eingestellt, daß die Pegeldifferenz zwischen beiden Signalen unabhängig vom Pegel des Datensignals ν ist Die verwendeten Modems entsprechenden den CCTTT-Empfehlungen V 26 bzw. V 26 bis für eine Übertragungsgeschwindigkeit von 2400 bit/s. Die Kurve 1 zeigt

den typischen Verlauf bei Verwendung eines bekannten sprachadaptiven Deltamodulationssystems. Die Kurve 2 zeigt den Verlauf der Bitfehlerquote q bei Verwendung der Sende- und Empfangsanordnungen nach F i g. 1 und Fig. 3, bei denen die Steuerung der Höhe der Quantisierungsstufe ausschließlich durch die Amplitude der Symbolfolgefrequenz /"_s, in diesem Fall der Dibitfrequenz, erfolgt. Man sieht daraus, daß bei Kurve 2 der Talverlauf der Bitfehlerquote q wesentlich breiter und der Kurvenverlauf damit wesentlich günstiger ist.

Ein adaptives Deltamodulationsverfahren, welches beispielsweise wie in obengenannter DE-OS 19 11 431 angegeben die besonderen Eigenschaften der Sprache berücksichtigt, wird auch sprachadaptives Deltamodulationsverfahren genannt. Sollen mit einem Deltamodulationssystem, welches nach einem derartigen sprachadaptiven Verfahren arbeitet, wahlweise Sprachsignale oder modulierte Datensignale übertragen werden, so wird in einer Weiterbildung der Erfindung bei Datenübertragung mittels der nunmehr auftretenden Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz f_s vom sprachadaptiven Verfahren auf das erfindungsgemäße Verfahren umgeschaltet. In einer anderen Weiterbildung der Erfindung bleibt nach dem Übergang von Sprach- auf Datenübertragung das sprachadaptive Verfahren eingeschaltet und das erfindungsgemäße Verfahren übt eine zusätzliche Steuerungsfunktion aus. Für den letzteren Fall ist in Fig.5 eine Schaltungsanordnung für einen Deltamodulationssender angegeben. Bei dieser Anordnung ist zusätzlich zu der in F i g. 1 bzw. F i g. 2 dargestellten Anordnung zwischen dem Ausgang des Koinzidenz-Gatters G und einem dritten Eingang der Addierstufe Ad ein weiterer Tiefpaß TPl eingefügt. Dieser Tiefpaß TP 2 ist an der Durchführung des sprachadaptiven Verfahrens mitbeteiligt. Der mit dem Schmalbandfilter BF versehene Zweig hat bei Sprachübertragung keinen Einfluß, während er bei der Übertragung eines modulierten Datensignals unterstützend auf das sprachadaptive Verfahren einwirkt und damit eine Verkleinerung der Bitfehlerquote q bewirkt. Diese unterstützende Einwirkung auf das sprachadaptive Verfahren bewirkt, daß der auch Adaptionskennlinie genannte Verlauf von Höhe der Quantisierungsstufe als Funktion vom Pegel des modulierten Datensignals ν im gesamten Pegelbereich linearisiert wird. Diese unterstützende Einwirkung wird im Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 mittels einer einstellbaren Ansprechschwelle des Verstärkers Vr reguliert. Durch diese Ansprechschwelle hat der Verstärker Vr eine bestimmte konstante Gleichspannungsverstärkung, wenn seine Eingangsspannung größer ist als die Ansprechschwelle und die Verstärkung Null, wenn seine Eingangsspannung kleiner ist als die Ansprechschwelle. Diese Maßnahme geht davon aus, daß durch das sprachadaptive Verfahren bei niedrigen Pegelwerten des Datensignals ν eine gute Annäherung an die geforderte Adaptionskennlinie bewirkt wird, bei höheren Pegelwerten jedoch nicht mehr als notwendige Steuerspannung U_a für die geforderte Höhe der Quantisierungsstufe geliefert werden kann. Die Ansprechschwelle hat daher die Aufgabe, daß die zusätzliche Steuerungsfunktion durch die Amplitude der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz f_s bei niedrigen Pegelwerten des Datensignals * unwirksam bleibt und erst bei mittleren und höheren Pegelwerten wirksam wird. Durch die Ansprechschwelle des Verstärkers Vr wird also im gesamten Pegelbereich des Datensignals eine gute Annäherung an die erwünschte lineare Adaptionskennlinie erreicht

Die Verkleinerung der Bitfehlerquote q, die mit der Anordnung nach Fig.5 bei Übertragung eines modulierten Datensignals erreicht wird, ist prinzipiell in F i g. 6 dargestellt. Die Kurve t zeigt dabei den Verlauf bei einem ausschließlichen sprachadaptiven Verfahren,

während die Kurve 2 den unterstützenden Einfluß des mit dem erfindungsgemäßen Schmalbandfilter BF versehenen Zweiges zeigt. Man sieht dabei die wesentliche Verbesserung der Bitfehlerquote q bei höheren Pegelwerten des Datensignals v.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Übertragung von modulierten Datensignalen mittels adaptiver Deltamodulation, wobei die unterschiedlichen Werte des Datensignals die Symbole für die zu übertragene Information bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Quantisierungsstufen abhängig von der Amplitude der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f_s) des Datensignals gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei wahlweiser Übertragung von Sprachsignalen oder modulierten Datensignalen die Höhe der Quantisierungsstufen während der Übertragung der Datensignale ausschließlich abhängig von der Amplitude der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f_s) gesteuert wird.

3. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei wahlweiser Übertragung von Sprachsignalen oder modulierten Datensignalen die Höhe der Quantisierungsstufen während der Übertragung der Datensignale nach einem auf die Sprachsignale angepaßten Verfahren gesteuert wird und die Amplitude der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f_s) eine zusätzliche Steuerungsfunktion auf die Höhe der Quanitisierungsstufen ausübt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom Auftreten der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f_s) das auf Sprachsignale oder das auf modulierte Datensignal angepaßte Verfahren des Deltamodulationssystems eingeschaltet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Steuerung der Höhe der Quantisierungsstufen durch die Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f_s) erst bei mittleren und großen Amplitudenwerten dieser Spektrallinie erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f_s) aus dem deltamodulierten Ausgangssignal fc/,)gewonnen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das deltamodulierte Ausgangssignal in ein Schieberegister geschoben und der Inhalt des Schieberegisters durch ein Koinzidenz-Gatter (G) ausgewertet wird und dall die am Ausgang des Koinzidenz-Gatters (G) auftretende Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f_s) mit einem Schmalbandfilter (BF) ausgesiebt, in einer nachfolgenden Gleichrichterstufe (Gr)gleichgerichtet und geglättet und diese geglättete Spannung in einem Verstärker (Vr) verstärkt wird, wobei die Ausgangsspannung des Verstärkers (Vr) zur Steuerung der Höhe der Quantisierungsstufen dient.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (Vr) eine einstellbare Ansprechschwelle aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die 3 dB-Bandbreite des Schmalbandfilters (W?30 Hz .. .80 Hz beträgt.