DE2950892C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wechselstromtelegrafiesysteme dienen der gleichzeitigen Übertragung mehrerer Telegrafiekanäle über einen Sprach­ kanal. Die Telegrafiesignale werden zu diesem Zweck auf tonfrequente Träger aufmoduliert (F1-Modulation). Es sind analoge Wechselstromtelegrafiesysteme, im folgenden abge­ kürzt WT-Systeme genannt, bekannt und auf dem Markt erhältlich. Fig. 1 zeigt in A) ein dafür gebräuchliches Frequenzschema sowie die Blockschaltbilder für den Sender in B) und den Empfänger in C) für jeweils nur einen Kanal. Sender und Empfänger müssen in analoger Schaltungs­ technik für jeden WT-Kanal gesondert bereitgestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein digitales Verfahren und eine digitale Anordung anzugeben, die gegenüber der analogen Lösung eine starke Herabsetzung des Aufwands ermöglicht.

Die Erfindung ist im Anspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. vorteilhafte Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens.

Der Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Verwendung des Algorithmus der Schnellen Fourier-Transformation, im folgenden abgekürzt durch die allgemein übliche Bezeichnung FFT (Fast Fourier Transform). Die FFT ist lediglich ein Algorithmus zur schnellen Berechnung der Diskreten Fourier-Transformation. Sie ist dem Fachmann in unterschiedlichen Formen bekannt. Ihre Ver­ wendung in digitalen Filtern ist z. B. beschrieben in NTZ, 1974, Heft 11, Seiten 425-431, ihre Verwendung in einem Zeitmulti­ plex-Frequenzmultiplex-Transmultiplexer z. B. in IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-22, No. 9, Sept. 1974, Seiten 1199-1205.

Anhand einer vorteilhaften Anordnung zum Senden und Empfangen gemäß der Erfindung soll die prinzipielle Wirkungsweise erläutert werden. In den Fig. 2A und 2B ist ein WT-System gemäß der Erfindung mit sechzehn Kanälen dargestellt. Ausgangspunkt sei das Kanalraster, Fig. 3. Kanalabstand und -lage sind durch CCIR- und CCITT-Empfehlungen festgelegt. Es gilt für die Mittenfrequenzen der Kanäle

f _i = (i + ³/₂) · 170 Hz; i = 1, 2, . . ., 16.

Die gleichförmige Rasterung der Kanäle läßt die Anwendung der Diskreten Fourier-Transformation zur gleichzeitigen Berechnung aller Kanäle zu. Der aufwandsgünstige FFT-Algorithmus erfordert eine Zweierpotenz als Kanalzahl, wobei die Kanäle von der Frequenz Null aus gezählt werden. Für das WT-System ist also eine 32kanalige FFT nötig, von der unterhalb und oberhalb des ausgenutzten Bandes nicht verwertete Spektralkanäle übrig bleiben. Dies ist für den Aufwand immer noch günstiger, als auf den FFT-Algo­ rithmus zur Berechnung der Diskreten Fouriertransformation zu verzichten.

Das Raster der Spektralkanäle enthält den Nullpunkt der Frequenzachse. Demgegenüber ist das WT-Raster um den halben Kanalabstand verschoben. Die Fouriertransformation läßt sich entsprechend modifizieren, um das zu berück­ sichtigen.

Es wird zuerst der Empfänger, Fig. 2A, beschrieben. Über den einzelnen Blöcken sind die benötigten Multiplikationen bzw. Divisionen je Abtastwert angegeben, unter den Blöcken die Gesamt-Abtastrate. Das analoge Eingangssignal des WT-Empfängers wird nach der analogen Tiefpaßbegrenzung in 12-Bit-Worte x _i digitalisiert. Die Abtastrate beträgt dabei

f _A = 32 · 170 Hz · 2 = 10 880 Hz

entsprechend dem Abtasttheorem. Die anschließenden Komponenten TF und FFT bilden eine digitale Filterbank mit äquidistanten Bandpässen gleicher Breite. Eine solche digitale Filterbank ist im Prinzip aus der DE-OS 22 62 652 bekannt und wird daher nicht in allen Einzelheiten beschrieben. Die Wichtungseinheit TF führt eine Wichtung und Verknüpfung der Zeitreihendaten durch. Dadurch wird die Filterkurve des Einzelkanals realisiert. Es werden Datenblöcke von 512 Worten x _i verknüpft:

h _i sind die Filterkoeffizienten. Durch die nachfolgende Fouriertransformation im Funktionsblock FFT wird die Filterung vervollständigt. Die Einheiten TF und FFT bilden erst zusammen ein (transversales) Filter und zwar ein Muliplexfilter vom Grad M = 512 für N = 32 einzelne Filterkanäle.

Die FFT ist in ihrer Grundform für komplexe Eingangssignale geeignet. N komplexe Zeitfunktionswerte werden in N komplexe Spektralwerte transformiert. Im WT-Empfänger werden jedoch reelle Daten angeliefert. Daher wird eine abgewandelte Form der FFt benutzt, die genauso ökonomisch ist wie die komplexe N-Punkte-Transformation, und die 2N reelle Eingangswerte in N komplexe Ausgangswerte transformiert (hier: N = 32). Die für die halbe Rasterverschiebung zu­ sätzlich notwendige Abwandlung läßt sich ebenfalls auf­ wandsneutral hinsichtlich der Multiplikationsrate durch­ führen.

Mit der Selektion der Kanalsignale in dem aus TF und FFT gebildeten Filter ist zugleich eine Umsetzung jedes (kom­ plexen) ausgangsseitigen Kanalsignals in das Basisband ver­ bunden. Bekanntlich kann man eine Abtastung auch als Mischung interpretieren, bzw. mathematisch als Faltung. Die Abmischung geschieht also durch Abtastung des Ausgangssignals des FFT-Prozessors mit dem Kanalraster. Aufgrund der tiefen Frequenzlage brauchen die einzelnen Kanalsignale nur noch mit 170 Hz Abtastrate dargestellt zu werden. Das Zeit­ multiplexsignal aus den 16 verwendeten Kanälen hat daher den Worttakt (komplexe Worte) 2720 Hz.

Die Ökonomie der Fouriertransformation als Vielkanalfilter beruht darauf, daß die Kanalinformation im Basisband abgegeben wird. Daher ist die Ausgangsdatenrate der Fouriertransformation trotz Aufspaltung in N Kanäle nicht größer als die Eingangsdatenrate. Für die Demodulation der F1-Signale in den WT-Kanälen ist aber aus Gründen einer geringen Zeichenverzerrung eine höhere Datenrate durchaus erwünscht. Um die (redundanten) Zwischenwerte zu erhalten, wird daher die Datenrate in einem rekursiven Interpolations­ tiefpaß TP vom Grad L = 2 (rekursive digitale Filter sind bekannt) auf 680 Hz je Kanal vervierfacht. Dies ist wesent­ lich einfacher, als die benötigten Zwischenwerte durch stärker überlappende Blockberechnung in der Funktionsgruppe TF+FFT zu ermitteln.

Auf den Interpolationstiefpaß TP folgt ein als arctan- Tafel ausgelegter Phasendetektor, der Lese-Speicher ROM. Da die Phase ϕ eine nichtlineare Funktion des analytischen (komplexen) Kanalsignals ist, kann die Bandbreite erheblich zunehmen. Das ist ein weiterer Grund für die Notwendigkeit der vorangegangenen Abtastratenerhöhung durch den Inter­ polationstiefpaß.

Das Phasensignal wird in der nachfolgenden Differenzier­ stufe DIFF differenziert, um die Frequenz zu erhalten. Die Differenzierstufe ist ein transversales Filter, das im ein­ fachsten Falle nur die Koeffizienten +1 und -1 besitzt.

Aus dem digitalen Frequenzsignal kann der Zeitpunkt des Zeichenwechsels entnommen werden (Frequenz geht durch Null). Die Wortrate beträgt hier 678 Hz, eine zeitliche Rasterung, die bei einer Telegrafiegeschwindigkeit von max. 100 Bd noch zu nicht tolerierbarer Zeichenverzerrung führen würde. Anstatt die Datenrate aber nun noch weiter zu erhöhen, wird der Nulldurchgang der Frequenz durch lineare Interpolation genau (rasterfrei) bestimmt. Das ist im Prinzip eine Dreisatzaufgabe mit einer Division und erfolgt im Funktionsblock Ipol des digitalen WT-Empfängers. Anschließend wird mit dem Multiplexer Tast die Verteilung des Zeitmultiplexsignals auf 16 einzelne Kanalausgänge vorgenommen.

Der digitale WT-Sender, Fig. 2B, ist als Umkehrung des be­ schriebenen Empfängers zu verstehen: Die zweiwertigen Sendesignale (Gleichstromzeichen) der einzelnen Telegrafie­ kanäle werden am Eingang des digitalen WT-Sender mit einem ausreichend hohen Takt abgetasted und als Folge von Einsen und Nullen (im Zeitmultiplex) an den anschließenden Inte­ trator Integr geliefert. Dieser ist einfach ein Vorwärts- Rückwärtszähler. Sein Zählwert, der für jeden Kanal mit 680 Hz abgetastet wird, ist ein Maß für die Phase ϕ des Sendesignals.

Der Zählwert wird modulo-2π als Adresse für den Lese- Speicher ROM gebraucht, der die zugehörigen sinus- und cosinus-Werte erzeugt. Der Wert cos d + j sin ϕ wird als analytisches Kanalsignal (in Basisbandlage) verstanden. Durch einen Tiefpaß (TP, Multiplextiefpaß vom Grad L = 2 für 16 Signale im Zeitmultiplex) wird die Bandbreite so reduziert, daß die Datenrate auf 170 komplexe Werte pro Sekunde pro Kanal reduziert werden kann.

Für die anschließende Verarbeitung in der inversen Fourier­ transformation IFFT werden noch die unbenutzten 16 Kanäle in Form von Null-Signalen eingefügt, so daß Blöcke von 32 komplexen Worten entstehen.

Diese Blöcke werden von der FFT als geordnete Spektren interpretiert. Jeder Kanalwert ist die Vorgabe für einen Spektralwert. Die über FFt realisierte inverse Fourier­ transformation macht daraus eine Zeitfunktion (Zeitreihe) mit 32 Trägern, die mit den Kanalwerten moduliert sind.

Da die Modulation wegen der blockweisen Berechnung der Zeitreihe noch sprunghaft erfolgt, entstehen Modulations­ oberwellen, die erst im Zusammenwirken mit der Wichtungs­ einrichtung TF unterdrückt werden. Die Filterkoeffizienten sind dieselben wie im Empfänger. Die Verwendung der FFT in einem Störsender ist aus der DE-OS 27 52 018 bekannt.

Durch die inverse Fouriertransformation ist das eingangs­ seitige Zeitmultiplexsignal in ein Frequenzmultiplexsignal umgewandelt worden. Die der Transformation entstammenden Datenblöcke bilden, aneinandergereiht, das digitale WT- Sendesignal. Durch Verwendung der schon beim Empfänger gebrauchten speziellen Transformation wird erreicht, daß das Sendesignal reell ist. Dadurch erhöht sich die Wort­ rate auf das Doppelte, nämlich

32 Kanäle · 170 Hz · 2 = 10 880 Hz.

(Die Blockrate ist 170 Hz. Ein Block gleich 32 komplexe Spektralwerte bzw. 64 reelle Abtastwerte der Zeitfunktion).

Mit dem D/A-Wandler wird das Sendesignal in analoge Form gewandelt. Der nachfolgende analoge Tiefpaß (3 kHz) dient der Glättung.

Die beschriebenen Funktionsblöcke von Sender und Empfänger lassen sich bis auf die Wandler (und analoge Tiefpässe) vorteilhaft durch Software realisieren. Der zu verwendende Prozessor muß einen Multiplikationsdurchsatz von 400 kHz bewältigen.

Der abgeschätzte arithmetische Aufwand überfordert moderne 16-Bit-Mikroprozessoren (Intel 8086, Z 8000) um das Zehn­ fache. Mit einem Spezialrechner auf der Basis der "Mikro­ prozessorscheiben" AMD 2901 läßt sich der Durchsatz hin­ gegen mit einem einzelnen Prozessor erreichen. Er ließe sich auf zwei Leiterplatten, Größe F, aufbauen.

Damit läßt sich ein ganzes WT-System auf ca. drei Doppel­ karten aufbauen. Ein in analoger Schaltungstechnik erstelltes, auf dem Markt befindliches Gerät, enthält mehr als 30 Steckeinheiten.

Die benötigten Wandler, A/D und D/A, stellen kein Problem dar, da der dynamische Bereich und die Abtastrate klein sind. Die Wandler können zweckmäßigerweise auf der dritten Leiterkarte zusammen mit den analogen 3-kHz-Filtern und Verstärkern zur Pegelanpassung aufgebaut werden.

Umschaltung auf 8- oder 32-Kanalsystem ist möglich, ohne daß sich die Anforderung an den Prozessor ändert. Ebenso ist Frequenzdiversitybetrieb durch digitale Nachverarbeitung der Kanalsignale des Empfängers möglich.

Mit der Erfindung läßt sich also gegenüber bekannten WT-Systemen der Aufwand beträchtlich reduzieren. Außerdem sind die digitalen Bausteine alterungsstabil und gewähr­ leisten eine höhere Funktionssicherheit.

Claims (6)

1. Digitales Wechselstromtelegrafieverfahren zur gleichzeitigen Übertragung mehrerer Telegrafie-Kanäle über einen Sprachkanal, dadurch gekennzeichnet, daß alle Telegrafie-Kanäle im Zeitmulti­ plex verarbeitet werden in einem einzigen digitalen Empfänger bzw. einem einzigen digitalen Sender, welche die Telegrafie- Kanäle auf der Basis des Algorithmus der Schnellen Fourier-Trans­ formation aus bzw. in den Sprachkanal umsetzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verarbeitungsschritte im digitalen Empfänger: - Das analoge Empfangssignal wird in einem analogen Filter tiefpaßbegrenzt.
- Das Signal wird in ein digitales Signal verwandelt.
- Das digitale Signal wird einer digitalen Filterbank zuge­ führt. Diese besteht aus einer Wichtungseinrichtung, welche die Filterkurve eines Einzelkanals realisiert und einem anschließenden Fourier-Prozessor, in welchem mit der Schnellen Fourier-Transformation die Filterung vervoll­ ständigt wird. Durch geeignete Abtastung des ausgegebenen Signals werden sämtliche Kanäle in das Basisband umge­ setzt. Die Signale der einzelnen Kanäle erscheinen als analytisches Signal im Zeitmultiplex.
- In einem anschließenden rekursiven Tiefpaß werden redundante Zwischenwerte erzeugt.
- Anschließend wird durch Bildung des arcus-tangens die Phase jedes Kanalsignals gebildet.
- Durch Differentiation wird die Frequenz gebildet.
- Die Frequenzsignale werden interpoliert, um den genauen Zeitpunkt des Zeichenwechsels zu erhalten und anschließend auf die verschiedenen Kanäle verteilt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verarbeitungsschritte im digitalen Sender: - Die Signale der einzelnen Kanäle werden mit einer hohen Abtastrate im Zeitmultiplex abgetastet.
- Durch Integration wird von jedem Signal die Phase gebildet.
- Aus der Phase werden anschließend die zugehörigen sinus- und cosinus-Werte gebildet, die zusammen als analytisches Kanalsignal in Basisbandlage verstanden werden.
- Anschließend wird in einem Tiefpaß die Bandbreite reduziert.
- In einem Fourier-Prozessor wird mit der inversen Schnellen Fourier-Transformation eine Zeitfunktion mit verschiedenen Trägern erzeugt, die mit den Kanalsignalen moduliert sind.
- Anschließend werden in einer Wichtungseinrichtung Modula­ tionsoberwellen unterdrückt.
- Die digitalen Sendesignale werden in analoge gewandelt und
- in einem analogen Tiefpaß geglättet.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende hintereinandergeschaltete Komponenten im digitalen Empfänger, bestehend aus: - einem analogen Tiefpaß (3 kHz) am Eingang,
- einem Analog/Digital-Wandler (A/D),
- einer digitalen Filterbank in Form eines Transversalfilters, bestehend aus einer Wichtungseinrichtung (TF) und einem Fourier-Prozessor (FFT),
- einem rekursiven Tiefpaß (TP),
- einem Lesespeicher (ROM), der als arcus-tangens-Tafel aus­ gelegt ist,
- einer Differenzierstufe (DIFF),
- einem Interpolator (Ipol),
- einem Multiplexer (Tast) zur Ausgabe an die verschiedenen Kanäle (Fig. 2A).

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende hintereinandergeschaltete Kom­ ponenten im digitalen Sender, bestehend aus: - einer Abtastschaltung (Tast), die im Zeitmultiplex die einzelnen Kanäle abtastet,
- einem Integrator (Integr), der vorzugsweise als Vorwärts-/ Rückwärtszähler ausgebildet ist,
- einem Lesespeicher (ROM), der als sinus- und cosinus-Tafel ausgebildet ist,
- einem rekursiven Tiefpaß (TP),
- einem inversen Fourier-Prozessor (IFFT),
- einer Wichtungseinrichtung (TF),
- einem Digital/Analog-Wandler (D/A),
- einem analogen Tiefpaß (3 kHz) (Fig. 2B).

6. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Komponenten bis auf die Wandler und die analogen Tiefpässe durch einen entsprechend programmierten Prozessor realisiert sind.