DE2809418A1 - Verfahren zur demodulation eines phasensprungfreien, mehrfach frequenzmodulierten (fsk-) signals - Google Patents

Description

• Verfahren zur Demodulation eines phasensprungfroien,
• mehrfach frequenzmodulierten (FSK-) Signals Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Demodulation eines phasensprungfreien, insbesondere binär frequenzmodulierten (FSK-) Signals.
• Durch die DE-OS 2 227 171 ist ein Verfahren zum Übertragen einer Folge von Informationsbits bekanntgeworden, bei dem Frequenzumtastung (FSK) verwendet wird. hierbei werden den beiden Pegeln eines binären, synchron mit der Taktfrequenz fT verlaufenden Datensignals jeweils eine Frequenz zugeordnet, die durch Vervielfachung der Talctfrequenz fT gewonnen wird.
• Auf die Länge eines Bits kommt damit mindestens eine ganze Schwingung der niedersten Übertragungsfrequenz.
• Durch die DE-OS 25 03 468 ist eine Datenübertragungseinrichtung bekanntgeworden, bei dor zur Übertragung binär codierter Informationen die Kennung des binär codierten Wertes mittels einer llalbwelle einer Frequenz und dem Abstand bezüglich der llalbwelle einer anderen Frequenz zweier Frequenzen erfolgt und bei der die Bits jeweils in die ilalbperioden zwischen den Nulldurchgängen gelegt werden. Zur Demodulation dieses synchronon Übertragungssystems wird die Zeitdauer zwischen don Nulldurchgängen gemessen und mit einer Bezugsgröße verglichen.
• Bei der Erfindung ist von der Aufgabe ausgegangen worden, ein Verfahren zur Demodulation eines asynchronen, insbcsondere binär frequenzmodulierten (FSK-) Signals mit einer möglichst hohen Datenübertragungsrate, dio beispielsweise betragsgleich der maximalen FSK-Frequenz ist, anzugeben, wobei der Verzerrungsgrad sehr klein gehalten worden kann. Außerdem sollte das Verfahren sehr aufwandsarm sein.
• Die Lösung erfolgt mit don in den Ansprüchen angegebenen Mitteln.
• Durch die Erfindung ergeben sich die Vorteile einer hohen Datenübertragungsrate, die betragsmäßig der oberen FSK-Sendefrequenz entspricht. Durch eine feine Quantisierung, d.h durch eine hohe Meßtaktfrequenz, kann ein Verzerrungsgrad erreicht werden, der praktisch nur von der Phasenverzerung der Leitung abhängt.
• Anhand der Figuren wird die Erfindung nunmehr beschrieben, zunächst sei jedoch etwas allgemeines zum Verfahren gesagt.
• Es handelt sich um oin Verfahren zur Demodulation eines phasensprungfreien, asynchronen, insbesondere binär frequenzmodulierten (FSK-) Signals (frequency stift keying), bei dem die Datenübertragungsrate beliebige Werte bis zum Betrag der oberen FSK-Frequenz enthalten kann. Um Amplituden störungen weitgehend auszuschalten, wird das (FSK-) Signal im allgemeinen begrenzt, so daß man näherungsweise ein rechteckförmiges Signal orhält, bei dem es nicht mehr möglich ist, zwischen zwei Nulldurchgängen einen Umsciialtzeitpunkt des Modulationssignals mit Ililfe von Schaltmitteln direkt zu erkennen. Durch das erfundene Verfahren läßt sich der Umschaltzeitpunkt feststellen und damit das ursprüngliche Modulationssignal rekonstruieren.
• Die zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen eines binären FSK-Signals auftretenden Zoitdifferenzen Ti werden mit ifilfe eines Meßtaktes in in Zeitabschnitte der Dauer Tn unterteilt. Die minimal auftretende Zeitdifferenz entspricht der Zeit n . Tn, die maximalo Zeitdifferenz a . n . Tn, wobei a der Quotient von oberer zu unterer FSK-Frequenz ist und mi die Werte n # mi # a . n annehmen kann. Zerlegt man die Zeitspanne Ti in oi Zeitabschnitte der Dauer Tn und in ui Zeitabschnitte der Dauer a . Tn, so d,ß die Summe von oi und ui konstant gleich n ist, so ergibt sich der Umschaltzeitpunkt nach oi . Tn bzw. ui . a . Tn, wenn die vorhergegangene FSK-Schwingungsfrequenz die obere bzw.
• die untere war. Die Größen oi und ui lassen sich nach den a.n-mi mi-n folgenden Formeln errechnen: oi = und ui = a-1 a-1 Die Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Demodulation binärer FSK-Signale mit a = 2 und beispielsweise n = 15. Dic Schaltung besteht im wesentlichen aus einer Steuerung St, zwei Zählern Z1, Z2, vier Zwischenspeichern B1, B2, B3, DA, einem Rechenwerk RW und einem Multiplexer M. Durch die Steuerung St werden die logischen und zeitlichen Steuerungsabläufe sichergestellt.
• Durch die Eingänge 1 bzw. 2 gelangen Nadelimpulse1 die den Nulldurchgängen des FSK-Signals entsprechen, bzw. eine Grundtaktfrequenz fQ, von der sich sämtliche benötigten Steuerfrequenzen ableiten lassen, in die Steuerung St.
• Über den Ausgang 3 wird ein erstor Zähler Z1 mit der Frequenz 1/Tn versorgt. Mit dem aus den FSK-Nadelimpulsen gewonnenen Signal, das am Ausgang 4 der Steuerung St ansteht, wird der augenblickliche Stand mi des Zählers Z1 in den ersten Zwischenspeicher B1 geladen und nach einer Verzögerungszeit, die-klein gegenüber Tn ist und durch das Zeitglied ZG hervorgerufen wird, wird der Zähler Z1 über seinen Eingang R zurückgestetzt. Die im ersten Zwischenspeicher 131 gespei cherte Meßzaiil mi sowie die Größen a und n wer<Ien in das Rechenwerk RW gegeben, das die Großen oi bzw. ui nach oben angegebener Rechenvorschrift errechnet und dieselben bis zur nächsten FSK-Flanke an seinen beiden Ausgängen dem Multiplexer M zur Verfügung stellt. Durch die Steuerung St wird nun dafür gesorgt, daß unter Berücksichtigung der Vorgeschichte über den Multiplexer M die Zahlen ui bzw. oi sofort nach ihrer Neubildung nacheinander in der richtigen Reihenfolge zusammen mit einem Kennbit N in den zweiten Zwischenspeicher B2 eingelesen werden. Beim Einlesen in diesen zweiten Zwischenspeicher 132 wird dossen vorheriger Inhalt nach einem dritten Zwischenspeicher B3 geschoben.
• Ein zweiter Zähler Z2, der rückwärts zählt, wird dann mit dem Inhalt des dritten Zwischenspeichers B3 gesetzt, wenn der Zählerstand Null erreicht ist. Gleichzeitig wird auch das Kennbit KB3 am Ausgang des dritten Zwischenspeichers 133 in einen vierten Zwischenspeicher BA geladen, dessen Ausgangssignal das Datensignal D ist. Der Zähltakt für den zweiton Zähler hat die Frequenz 1/Tn für den ersten Si-Signalpegel po und 1» . Tn für den zweiten Signalpegel Pu.
• Bei einer Anwendung des beschriebenen Verfahrens zur Demodulation binärer FSK-Signale für beliebige Werte von a ist prinzipiell die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 vor wendbar. Je nach gewähltem Wert von a ist jedoch die folgende Anzahl von Zwischenspeichern B2, B3, ..., Bµ zwischen Multiplexer M und zweitem Zähler Z3 erforderlich: µ - 1 = Entierfunktion von a, beispielsweise ist für a = 2,2 mit p = 4 ein vierter Zwischenspeicher B4 erforderlich.
• Die Figuren 2 bis 13 zeigen den zeitlichen Verlauf von cinigen Signalen, die an der Blockschaltungsanordnung nach Fig. 1 auftreten, wobei jodoch der Wert für n zu 4 gewäiilt worden ist. In Fig. 2 ist das binäre Datensignal vor der Übertragung dargestellt. Das zugehörige übertragene FSK-Signal, zu Quasirechteckimpulsen begrenzt, ist der Fig. 3 zu entnehmen.
• Nach Flakendiskriminierung des FSK-Signals und anschließender Gleichrichtung erhält man die Nadelimpulse nach Fig. 4.
• In Fig. 5 ist ein Meßtakt der Frequenz 1/Tn dargestellt.
• Die Fig. 6 zeigt die Zählung durch den ersten Zähler Z1 und die Meßwerte mi für die einzelnen Zeitspannen Ti. In Fig. 7 ist die Ab speicherung der Meßwerte mi im ersten Zwischenspeicher B1 dargestellt. Der Fig. 8 sind die errochneten Werto ui bzw. oi zu entnahmen. Der zeitliche Verlauf des Inhalts des zweiten Zwishenspeichers B2 ist der Fig. 9 für ui bzw. oi und der Fig. 10 für das Konnbit KB2 zu entnehmen. Der zeitliciie Verlauf des dritten Zwischenspeicherinhalts B3 bzw. dos Kennbits KB3 ist in Fig. 11 bzw.
• Fig. 12 aufgezeichnet. Das Zeitdiagramm für den rückwärts zählenden zweiten Zähler Z2 ist in Fig. 13 gezeichnet.
• Fig. 14 schließlich zeigt das rekonstruierte Datensignal D, das gegenüber dem empfangegen FSK-Signal nach Fig. 3 um etwas mehr als die Halbperiodendauer unteren FSK-Frequenz (a . n . Tn) verzögert ist. Die Überschreitung dieses verfahrensspezifisch kürzesten erreichbaren Verzögerungswertes ist deshalb erforderlich, um die Funktionssichorhoit in der Zusammenarbeit der mittleren Zwischenspoicher B2, B3 mit dem zweiten Zähler Z2 zu gewährleisten.
• Abschließend seien noch einige Besonderheiten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung genannt. Dic Zusammenarbeit zwischon zweitem Zähler Z2 und den mittleren Zwischenspeichern B2, B3 ist dann unterbrochen, wenn letztere nou beschrieben werden. Erreicht der Stand des zweiten Zählers Z2 Null, so wird der Inhalt des vorangehenden Zwischenspeichers B3, sofern or verschieden von Null ist, geladen. Ist letzterer gleich Null, so wird der Inhalt des zweiten Zwischenspeichers 132 in den dritten Zwischenspeicher B3 geschoben. Nach jeder Ladung des zweiten Zählers Z2 wird dor dritte Zwischenspeicher B3 gelöscht. Ist sowohl der Inhalt des zweiten und des dritten Zwischenspeichers B2, B3 gleich Null, so liegt eine Störung vor, beispielsweise Unterbrechung der Übertragung. Ein solciior anormaler Betriebszustand wird von der Steuerung St erkannt und durch entsprechende Funktionsstillogung der übrigen Anordnung während seiner Dauer berücksichtigt.
• Das ausführlich beschriebene Verfahren zur Demodulation binärer FSK-Signale ist in erweiterter Form auch zur Demodulation von mehrfach frequenzmodulierten FSK-Signalen vorteilhaft einsetzbar, vor allem für pseudoternäre, ternäre und quaternäre FSK. Für verzerrungsarme Musik- bzw. Sprachübertragung ist das Verfahron dann gut geeignet, wenn billige Datenbausteino wie Mikroprozessoren usw. eingesetzt werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur Demodulation eines phasensprungfreion, mehrfach frequenzmodulierten (FSK-) Signals P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Demodulation eines phasensprungfreien, mehrfach frequenzmodulierten (FSK-) Signales, wobei zur Erlcennung der einzelnen Schwingungsfrequenz die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulidurchgängen gemessen und der Schwingungsfrequenz ein bestimmter Signalpegel zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der oberen ersten Schwingungsfrequenz eines binär frequonzmoduliorten Signals, die eine Periodendauer von 2n . Tn aufweist, ein erster Signalpegel (Po) und der unteren zweiten Schwing gungsfrequenz, die eine Periodendauer von 2n . a . Tn aufweist, ein zweiter Signalpegel (Pu) zugewiesen wird und daß die Messung der Zeitspanne Ti jeweils durch Abza"hlung mit Zeitabschnitten der Dauer Tn erfolgt, wobei das Ergeb-< .< nis mi die Werte n = mi = a . n annehmen kann, und daß die Zeitspanne Ti jeweils in oi Zeitabschnitte der Dauer Tn und ui Zeitabschnitte der Dauer a . Tn zerlegt wird, wobei ui + oi = n ist, und daß der jeweils der Zeitspanne Ti vorhergehende erste bzw. zweite Signalpegel. (Po bzw. Pu) weiterhin für die Zeitdauer oi . Tn bzw. ui . a . Tn und daran anschließend der zweite bzw. erste Signalpogol (Pu bzw. Po) für die Zeitdauer ui , a . Tn bzw. oi . Tn erzeugt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Signalpegel (Po, Pu) nach einer Vcrzögerungszeit von a . n . Tn nach dem ersten Nulldurchgang (ti) der Zeitspanne Ti beginnt.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gokonnzeichnet, daß die Zerlegung der Zeitspanne Ti in oi bzw.

   ui Zeitabschnitte Tn bzw. a . Tn durch Errechnung nach den Formeln ui n mit bzw. oi = ###### erfolgt.

   a-1 a-1
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Rechenschaltung (RW) verwendet wird.
5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Datenübertragungsrate in bit/s und die obere Schwingungsfrequenz in Hz betragsgleich sind.
6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größen n und n . a ganze Zahlen sind, wobei vorteilhafterweise a < 2 und n r 15 gewählt werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6 mit Zähler, Rechenschaltung, Zwischenspeicher und Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils durch einen Nadelimpuls, der einem Nulldurchgang des FSK-Signals entspricht, der Inhalt mi eines orsten Zählers (Z1), der mit der Frequenz 1/Tn zählt, in einen ersten Zwischenspeicher (B1) geladen und dieser.

   Zähler (Z1) auf Null zurückgesetzt wird und daß durch die Rechenschaltung (RW), an deren Eingängen dor Inhalt mi des ersten Zwischenspeichers (B1) und die Größen a und n anstehen, jeweils bis zum nächsten Nadelimpuls die beiden Ausgangsgrößen ui und oi bereitgestellt werden und daß dieselben, wenn sie ungleich Null sind, über einen Multiplexer (M) zusammen mit einem Kennbit (K) hintereinander in der Reihenfolge, die aufgrund des vorhergehenden Signalpegels durch die Steuerung (St) festgelegt wird, in einen zweiten Zwischenspeicher (B2) eingelesen werden, wobei dessen vorheriger Inhalt in einen dritten Zwischenspeicher (B3) geschoben wird, und daß ein zweiter rückwärts zählender Zähler (Z2) mit dem Inhalt des dritten Zwischenspeichers (B3) und ein vierter Zwischenspeicher (BA), der an seinem Ausgang das demodulierte Signali(D) liefert, mit dem durchgereichten Kennbit (KB3) gesetzt wird, wenn sein Zählerstand Null erreicht ist, und daß der zweite Zähler (2) boim ersten bzw. zweiten Signalpegel (Po bzw. Pu) mit dor Frequenz 1/Tn bzw. 1/a . Tn zählt.
8. 8. Verfahren zur Demodulation eines phasensprungfreien, mindestens ternär frequenzmodulierten (FSK-) Signals 1 wobei zur Erkennung der einzelnen Schwingungsfrequenz die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen gemessen und der Schwingungsfrequenz ein bestimmter Signalpegel zugeordnet wird, dadurch gokennzeichnet, daß jeweils einer Schwingungsfrequenz fj (j = 1 ... k), die eine Periodendauer von 2 . nj . Tnj aufweist, einer Anzahl von k Schwingungsfrequenzen, deren Werteverhältnis jeweils aj = fj/fj-1 > 1 ist, ein Signalpegel Pj derart zugewiesen wird, daß Pj > Pj-1 ist, und die Messung der Zeitspanne Ti jeweils durch Abzahlen mit Zeitabschnitten der Dauer Tnj für j = 1 ... k erfolgt, wobei von den k Ergebnissen ein Ergebnis mij ausgewählt wird, das in dem Wertebereich nj < mij < aj . nj liegt, und daß jeweils die Zeitspanne Ti in oij Zeitabschnitte der Dauer Tnj und in uij Zeitabschnitte der Dauer aj . Tnj zerlegt wird, wobei uij + oij = nj ist, und daß ein unterer Signalpegel Pj-1 für die Dauer uij . aj . Tnj und anschließend ein oberer Signalpegel Pj für die Dauer oij . Tnj erzeugt werden1 wenn der jeweils der Zeitspanne Ti vorhergehende Signalpegel kleiner oder gleich dom unteren Signalpegel Pj-1 ist , und daß oin oberer Signalpegel Pj für die Dauer oij. Tnj und anschließend ein unterer Signalpegel Pj-1 für die Dauer uij . aj . Tnj erzeugt werden, wenn der jeweils der Zeitspanne Ti vorhergehende Signalpegel größer oder gleich dem oberen Signalpegel Pj ist.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Signalpegels nach einer Verzogerungs.-zeit von ak O nk . Tnk nach dem ersten Nulldurchgang (ti) der Zeitspanne Ti beginnt.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlogung der Zeitspanne Ti in uij bzw. oij Zeitabschnitte Tnj bzw. aj O Tnj durch Errechnung nach den Gleichungen bzw.

    erfolgt.
11. 11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Rechenschaltung verwendet wird.
12. 12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche s bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wertverhältnisse der Frequenzen aj = fj/fj-1 = a konstant sind für alle j.
13. 13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Zeitabschnitte Tnj konstant gleich Tn oder die Anzahl nj der zerlegten Zeitabschnitte konstant = n für alle j ist.
14. 14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Signalpegel Pj - Pj-t konstant ist.
15. 15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis i4, gekennzeichnet durch die Anwendung bei Datenübertragung.
16. 16. Verfahren nach einem oder mehreren dor Ansprüche 8 bis t4, gekennzeichnet durch die Anwendung bei Sprach- bzw.

    Musikübertragung.
17. 17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß nach Empfang mindestens einer Halbwelle einer oder mehrerer hohen Übertragungsfrequenzen in einem Feld von tiefen Nachbarfrequenzen die Signalpegel invertiert zugeordnet werden, derart, daß der übertragungsfrequenz fj der Signalpegel Pk - j+1 für J = ... 1 zugewiesen wird und daß danach nach Empfang mindestens einer Halbwelle einer oder mehrerer ho hen Ubertragungsfrequenzen in einem Feld von tiefen Nachbarfrequenzen die inverse Signalpegelzuordnung wieder aufgehoben wird.
18. 18. Verfahren nach einem oder mehreren dor Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei aufeinanderfolgende Schwingungsfrequenzen benachbarte Frequenzen sind.