DE3023375C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur stör­ resistenten Übertragung von über Vocoder aufbereiteten Sprachsignalen über Funk, unter Verwendung gespreizter Frequenzbänder (SSMA) oder eines schnellen Radiofrequenz­ wechsels (FH).

Für den Einsatz von taktischen Funkgeräten im militä­ rischen Bereich ist eine hohe Widerstandskraft gegen absichtliche Störungen aller Art von entscheidender Be­ deutung. Hierzu muß von Übertragungsverfahren Gebrauch gemacht werden, deren Übertragungssignale so leicht nicht von starken Störsendern beeinträchtigt werden können. Ein solches Übertragungsverfahren stellt bei­ spielsweise die sogenannte SSMA-Technik zur Verfügung. Dieser Ausdruck leitet sich aus dem englischen Fachaus­ druck "Spread-Spectrum-Multiple-Access-Modulation" ab. Eine Anwendung dieses Verfahrens ist beispielsweise in der DE-PS 21 21 117 angegeben. Hierbei wird das zu über­ tragende Nutzsignal in seinem Frequenzband mittels einer Kennmodulation stark gespreizt und diese Spreizung empfangsseitig mittels eines Korrelators wieder aufge­ hoben. Dadurch werden starke Störer in Form einzelner Spektrallinien gegenüber dem Nutzsignal erheblich ge­ dämpft. Ein weiteres Verfahren besteht darin, während der Übertragung von einem schnellen Radiofrequenz­ wechsel Gebrauch zu machen, so daß ein starker Stör­ sender es schwer hat, sich rasch genug auf den gerade benutzten Radiofrequenzkanal einzustellen. Von einem Radiofrequenzsprungverfahren Gebrauch machende Funk­ systeme sind beispielsweise durch die US-PS 40 37 159 bekannt. Die Störresistenz zu übertragender Signale ist um so höher, je geringer die Nutzbandbreite des Signals im Vergleich zur Übertragungsbandbreite bemessen werden kann. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, bei der Sprach­ übertragung zur Erhöhung der Störresistenz neben der Anwendung der beschriebenen Verfahrenstechniken von Vocodern Gebrauch zu machen. Hierbei wird auf der Sende­ seite mittels eines Vocoderanalysators das Sprachsignal hinsichtlich seiner sprachspezifischen Parameter ausge­ wertet und lediglich diese in codierter Form zur Emp­ fangsseite hin übertragen. Empfangsseitig wird im Vocodersynthesator mittels dieser Parameter in Verbindung mit einer pulsförmigen und einer rauschförmigen Anregungs­ funktion das ursprüngliche Sprachsignal synthetisiert. Neben einer Reduzierung der Nutzbandbreite bietet sich die codierte Form des zu übertragenden Signals gleich­ zeitig für eine Verschlüsselung mit hohem Geheimhal­ tungsgrad an, die bei militärischen Anwendungen neben der bereits erwähnten Störresistenz in der Regel eben­ falls gefordert wird.

Wie die Praxis zeigt, geben die geschilderten Verfahren zur störresistenten Nachrichtenübertragung mitunter Anlaß zu Eigenstörungen. Bei Anwendung der SSMA-Technik benutzen sehr viele Stationen gleichzeitig das gleiche Frequenzband. Für einen bestimmten Empfänger, der mit Hilfe des ihm zugeordneten Korrelators lediglich ein durch die Kennmodulation bestimmtes Signal als Nutz­ signal empfängt, wirken sich sämtliche gleichzeitig gesendeten Nutzsignale für andere Stationen als Stör- bzw. Rauschsignale am Empfängereingang aus. Mit an­ deren Worten muß, bezogen auf das vorgegebene Frequenz­ band, die Anzahl der gleichzeitig sich in Betrieb be­ findlichen Stationen auf ein solches Maß beschränkt bleiben, daß ein Empfänger das ihm zugeordnete Signal noch einwandfrei aus dem Rauschen heraus empfangen kann.

Entsprechendes gilt bei Anwendung eines schnellen Radio­ frequenzwechsels. Hier muß davon ausgegangen werden, daß insgesamt nur eine begrenzte Anzahl von Radiofrequenzen in der Größenordnung von etwa 500 zur Verfügung stehen. Von diesen 500 Radiofrequenzen können dann beispiels­ weise einem von mehreren Funkkreisen eine Auswahl von rund 120 Radiofrequenzkanälen zur Verfügung gestellt werden. Eine übergeordnete Steuerung mehrerer Funkkreise zur Realisierung eines synchronen Sprungverfahrens ist aus vielen Gründen praktisch nicht möglich. Aus Gründen der Frequenzverfügbarkeit ist es ebenso ausgeschlossen, jedem Funkkreis ein reserviertes Kanalbündel zuzuteilen. Nachdem die Funkkreise weder in der Sprungphase noch im Sprungfrequenzprogramm synchron laufen, muß es deshalb mit kalkulierbarer Wahrscheinlichkeit zu Überdeckungen variabler Breite der von den verschiedenen Funkgeräten verschiedener Funkkreise abgestrahlten Informations­ blöcken gleicher Frequenz kommen.

Bei der bereits erwähnten redundanzmindernden Übertra­ gung von Sprache mittels eines Vocoders ergibt sich in der Praxis eine akzeptable Sprachqualität, wenn weniger als 2% aller Übertragungsblöcke gestört sind, falls die Blocklänge genügend klein ist und der Sprachsynthe­ sizer von der Störung Kenntnis erhält. Bei einem Kollektiv von 128 Radiosprungfrequenzen wäre diese Stör­ menge schon bei simultanem Betrieb von mehr als 3 Funk­ kreisen innerhalb des störenden Feldstärkebereichs überschritten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Ver­ fahren der einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung anzugeben, durch die die Eigenstörung wesent­ lich herabgesetzt und somit bei vorgegebenem Übertra­ gungsfrequenzband bzw. Kollektiv an Radiofrequenz­ kanälen im Bedarfsfall die zulässige Anzahl von gleich­ zeitig in Betrieb befindlichen Stationen wesentlich erhöht werden kann.

Ausgehend von einem Verfahren zur störresistenten Über­ tragung von über Vocoder aufbereiteten Sprachsignalen über Funk, unter Verwendung gespreizter Frequenzbänder oder eines schnellen Radiofrequenzwechsels, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei der Aufbereitung des zu übertragenden Sprachsignals im sendeseitigen Vocoder-Analysator ein auf den systeminter­ nen Rahmentakt bezogenes Signalkriterium gewonnen wird, mit dessen Hilfe bei im zugehörigen Zeitelement einer Rahmentaktperiode vorhandenen bzw. nicht vorhandenen Signal der Sender bzw. die Senderendstufe ein- bzw. ausgeschaltet wird, daß ferner die auf den system­ internen Rahmentakt bezogenen, für ihre Übertragung zur Empfangsseite digitalisierten Signalabschnitte gege­ benenfalls abschnittsweise mit einer Datensicherungsinformation zur Fehlererkennung versehen werden und daß empfangsseitig das Signalkriterium bei der Decodierung der ankommenden Signalabschnitte gegebenenfalls aus der Datensicherungs­ information zurückgewonnen und, bezogen auf die Rahmen­ taktperiode, zum Ein- bzw. Ausschalten des empfänger­ ausgangsseitigen Vocoder-Synthesators in Abhängigkeit eines vorhandenen bzw. nicht vorhandenen Signals aus­ gewertet wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß selbst bei Wechselsprechverbindungen im Mittel etwa 40% der Sendezeit unnötig ist, wenn auch kleine Stücke (ab ca. 20 ms Länge) ausgespart werden. Die Duplexverbin­ dungen kann unter diesen Umständen die einzusparende Sendezeit sogar mehr als 60% betragen. Diese Einspa­ rung kommt der Eigenstörung voll zugute. So können bei Simplexbetrieb fast doppelt, bei Duplex fast dreimal so viele Stationen im gleichen Funkfeld gleichzeitig be­ trieben werden, wenn hierfür die bei bekannten Systemen noch zugelassene Restfehlerrate einzuhalten ist. Von großem Vorteil ist in diesem Zusammenhang auch die Tat­ sache, daß diese Einsparung an Sendezeit sich zugleich in Form einer Erhöhung der ECM-Resistenz auswirkt, weil hier ja die Empfänger auch nur dann eingeschaltet sind, wenn in den durch den internen Rahmentakt vorge­ gebenen Zeitabschnitten ein Signal vorhanden ist.

Bei Anwendung eines schnellen Radiofrequenzwechsels ist es für eine optimale Ausschöpfung der durch die Lösung nach der Erfindung ermöglichten Herabsetzung von Eigen­ störungen erforderlich, das Frequenzsprungintervall exakt 1, 2, . . . n Rahmenperioden des Vocoders groß zu machen und auf den Rahmentakt bzw. ein Vielfaches davon zu synchronisieren.

Um zu verhindern, daß auf der Empfangsseite der Vocoder­ synthesator abgeschaltet wird, wenn die Anzeige "kein Signal" durch eine Störung des Empfangs verursacht wird, ist es sinnvoll, das empfangsseitig zurückgewonnene Signalkriterium in einem Signalbewerter auszuwerten, dessen zweiten Eingang das empfangene Signal zugeführt wird. Dabei gibt der Signalbewerter nur dann ein Steuer­ signal für die Abschaltung des Vocoder-Synthesators ab, wenn im Zeitpunkt eines Signalkriteriums "kein Signal" keine Signalunterbrechung infolge Störung festge­ stellt wird.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

Fig. 1 das Blockschaltbild der Sende- und Empfangs­ seite eines mit der erfindungsgemäßen Ein- und Ausschaltung des Senders bzw. Empfängers arbei­ tenden Funkstation eines Frequenzsprungtechnik verwendenden Funksystems,

Fig. 2 das Blockschaltbild der Sende- und Empfangs­ seite einer mit der erfindungsgemäßen Ein- und Ausschaltung des Senders bzw. des Empfängers arbeitenden Funkstation eines SSMA-Technik verwendenden Funksystems,

Fig. 3 das nähere Einzelheiten aufweisende Blockschalt­ bild eines sendeseitigen Vocoder-Analysators nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 das nähere Einzelheiten aufweisende Blockschalt­ bild des empfangsseitigen Vocoder-Synthesators nach den Fig. 1 und 2.

Die Sendeseite des in Fig. 1 dargestellten Blockschalt­ bildes einer Funkstation weist den Vocoder-Analysator VOS auf, der eingangsseitig vom Ausgangssignal des Mikro­ fons Mi angesteuert wird. Der Vocoder-Analysator VOS hat zwei Ausgänge. Der eine Ausgang liefert die die Sprache repräsentierenden Parameter, die im Codierer CO zur Erkennung von Übertragungsfehlern redundant codiert und anschließend dem Sender SR zugeführt werden. Der Sender SR ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit einer Vorrichtung FS für einen schnellen Frequenzwechsel ausgerüstet. Im Sender SR werden die codierten Signale in die Radiofrequenzebene umgesetzt und über die An­ tenne As abgestrahlt.

Die empfangsseitig über die Antenne Ae empfangenen Radio­ frequenzsignale werden im Empfänger ER, der entsprechend dem Sender SR mit einer Vorrichtung FS zum synchronen schnellen Frequenzwechsel ausgerüstet ist, in die Basis­ bandebene umgesetzt und anschließend im Decodierer DE auf Übertragungsfehler hin untersucht. Der Decodie­ rer DE hat zwei Ausgänge, die mit den beiden Eingängen des empfangsseitigen Vocoder-Synthesators VOE verbunden sind. Über den einen Eingang empfängt der Vocoder- Synthesator vom Decodierer DE die sprachspezifischen Parameter der sendeseitig im Vocoder-Analysator analysierten Sprache, mit deren Hilfe im Synthesator das ursprüngliche Signal durch Synthese wieder aufbaut und über den Hörer H abgestrahlt wird.

Gemäß der Erfindung gibt der sendeseitige Vocoder- Analysator VOS an seinem zweiten Ausgang ein Signal­ kriterium sc ab, das jeweils angibt, ob, bezogen auf den internen Rahmentakt, während einer Rahmenperiode ein Nutzsignal vorliegt oder nicht. Dieses Signal sc wird im Zuge der Analyse gewonnen und über ein Ver­ zögerungsglied τ einem zweiten Eingang des Senders SR zugeführt und dort zum Ein- und Ausschalten des Senders in Abhängigkeit eines vorhandenen bzw. nicht vorhandenen Signals verwendet. Mit anderen Worten wird der Sender SR im Rhythmus des internen Rahmentakts des Vocoder- Analysators VOS während des Betriebs immer dann abge­ schaltet, wenn im Zeitintervall einer Rahmenperiode kein Signal vorhanden ist. Die Einrichtung FS zum schnellen Frequenzwechsel ist in diesem Falle ebenfalls auf den Rahmentakt bezogen, und zwar derart, daß ein Radiofrequenz­ wechsel stets beim Übergang von einem Signalabschnitt auf einen anderen vorgenommen wird.

Um auf der Empfangsseite in gleicher Weise den Empfänger, je nach dem ein- und ausschalten zu können, ob ein Signal vorhanden oder nicht vorhanden ist, muß der Empfänger bzw. der Vocoder-Synthesator VOE zwischen Signal und Geräusch unterscheiden können. Um dies zu gewährleisten, werden sendeseitig die jeweils einen Signalabschnitt darstellenden, innerhalb einer Rahmenperiode gewonne­ nen sprachspezifischen Abtastwerte am Eingang des Codierers CO bei vorhandenem Signal mit einer Daten­ sicherungsinformation versehen, welche im Decodierer DE eine Erkennung oder auch Korrektur von Übertragungs­ fehlern erlaubt und ein entsprechendes Signal über seinen zweiten Ausgang als Signalkriterium sc′ an den zweiten Eingang des Vocoder-Synthesators VOE abgibt. Im Vocoder- Synthesator VOE wird das auf diese Weise gewonnene Signalkriterium sc′ für das Ein- und Ausschalten des Vocoder-Synthesators ausgewertet.

Eine Variante zur Funkstation nach Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild nach Fig. 2 für eine Funkstation in einem mit SSMA-Technik arbeitenden Funknetz. Hier wer­ den sendeseitig die Signalabschnitte am Ausgang des Vocoder-Analysators VOS einem Modulator M zugeführt, in dem jedem einzelnen Bit dieser Signalabschnitte eine von einem Quasi-Zufallsgenerator QZ gelieferte Kenn­ modulation aufmoduliert wird. Die hierdurch erreichte Spreizung des Nutzfrequenzbandes wird empfangsseitig in der gleichen Weise mit einer dort in einem identi­ schen Quasi-Zufallsgenerator QZ erzeugten Kennmodu­ lation in dem dem Ausgang des Empfängers ER nachge­ schalteten Modulator M rückgängig gemacht und das auf diese Weise gewonnene Signal einer Auswerteschaltung zugeführt. Die Auswerteschaltung AS liefert über ihren ersten Ausgang die die Nutzübertragung darstellenden Signalbits an den ersten Eingang des Vocoder-Synthe­ sators VOE. Am zweiten Ausgang der Auswerteschaltung tritt nur dann ein Signal auf, wenn kein Signalbit bzw. nur Rauschen vorhanden ist. Dieses Signal wird im Integrator I für die Dauer eines Signalabschnitts auf­ integriert. Das am Ausgang des Integrators I auftre­ tende Signal si wird einer Entscheidungsschaltung ES zugeführt, welche am Eingang eines Signalabschnittes das Signalkriterium sc′ erzeugt und an den zweiten Ein­ gang des Vocoder-Synthesators VOE zu dessen Ein- und Ausschalten in Abhängigkeit eines vorhandenen bzw. nicht vorhandenen Signalabschnitts liefert.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der erfin­ dungsgemäßen Ein- und Ausschaltung des Senders bzw. Emp­ fängers bei den Funkstationen nach den Fig. 1 und 2 sind in den Fig. 3 und 4 jeweils Einzelheiten aufweisende Blockschaltbilder des senderseitigen Vocoder-Analysa­ tors VOS und des empfangsseitigen Vocoder-Synthesators VOE angegeben. Das sendeseitige Analyseteil des Vocoders nach Fig. 3 weist am Ausgang des Mikrofons Mi parallelge­ schaltete Spektralkanäle SK 1, SK 2 . . . Skn auf. Diese Spektralkanäle teilen das Sprachband mittels Bandfilter in verschiedene Teilbänder auf, die ausgangsseitig gleichgerichtet und über einen Tiefpaß von unerwünschten höheren Frequenzanteilen befreit werden. Anschließend werden diese auch als Hüllkurven-Teilsignale bezeich­ neten Ausgangssignale der Spektralkanäle abgetastet und in einem Analog-Digital-Wandler A/D in codierte Signale umgesetzt.

Für die empfangsseitige Synthese der am Mikrofonausgang anstehenden Sprache müssen noch ein die Sprachgrundfre­ quenz kennzeichnendes Signal, ein sogenanntes Pitch- Signal, und ein den Lautcharakter angebendes Signal ge­ wonnen werden. Im Analyseteil des Vocoders nach Fig. 3 sind hierfür noch zwei Kanäle vorgesehen, nämlich ein Kanal SGF mit einem Sprachgrundfrequenz-Filter und ein Kanal LB mit einer Schaltung zur Ermittlung des Laut­ charakters. Die ausgangsseitigen Signale der Kanäle SGF und LB werden ebenfalls über einen Analog-Digital- Wandler A/D hinweg codiert und zusammen mit den digi­ talen Ausgängen der Spektralkanäle SK 1 . . . SKn im Multiplexer MUX zu einem Pulsrahmen mit einer Rahmen­ periode von ca. 20 ms Periodenlänge vereinigt. Das für das Ein- und Ausschalten des Senders SR erforder­ liche Signalkriterium sc wird mit Hilfe des Summenver­ stärkers SU und der ihm nachgeschalteten Schwellwert­ schaltung SW gewonnen. Der Summenverstärker SU summiert die an den Eingängen der Analog-Digital-Wandler A/D der Spektralkanäle anstehenden Signale auf. Je nach dem, ob der Summenwert die Schwelle der Schwellwertschaltung SW überschreitet oder nicht überschreitet, zeigt das Ausgangssignal der Schwellwertschaltung das Kriterium "Signal vorhanden" bzw. "Signal nicht vorhanden" an.

Das empfangsseitige Syntheseteil des Vocoders weist ein­ gangsseitig den Zwischenspeicher SP auf, dem der Um­ schalter U 1 nachgeschaltet ist. Der Umschalter U 1 hat drei Schaltstellungen, von denen er in der angezeigten Schaltstellung das Eingangssignal unter Umgehung des Zwi­ schenspeichers SP direkt an den ihm nachgeschalteten Demultiplexer DE-MUX weitergibt. In der mittleren Schalt­ stellung ist der Eingang des Demultiplexers DE-MUX mit dem Ausgang des Zwischenspeichers SP verbunden und in der oberen Schaltstellung mit dem Ausgang der Einrich­ tung R, die im allgemeinsten Falle ein den Ruhestand kennzeichnendes Impulsmuster liefert.

Den Ausgängen des Demultiplexers ist jeweils ein Digital- Analog-Wandler D/A nachgeschaltet. An diese schließen sich die Spektralkanäle SK 1, SK 2, . . . SKn an. Das die Sprachgrundfrequenz beinhaltende Signal wird am Ausgang des zugehörigen Digital-Wandlers D/A dem Steuereingang für die Tonhöhe eines Tongenerators TG zugeführt. Das den Lautcharakter angebende Signal steuert seinerseits den Umschalter U 2, der in Abhängigkeit davon, ob das Sprachsignal stimmhaft oder stimmlos ist, sämtlichen zweiten Eingängen der Spektralkanäle entweder das Aus­ gangssignal des Tonhöhengenerators TG oder das Ausgangs­ signal des Rauschgenerators RG zuführt. Die am Ausgang der Spektralkanäle SK 1, SK 2, . . . SKn anstehenden synthe­ tisierten Teilbandkanäle des ursprünglichen Sprachkanals werden im Summenverstärker SU′ aufsummiert und ausgangs­ seitig dem Hörer H zugeführt.

Wie Fig. 4 erkennen läßt, weist der Vocoder-Synthesator VOE eingangsseitig zusätzlich einen Signalbewerter SB auf, dessen erstem Eingang das ankommende Signal eben­ falls zugeführt wird, während an seinem zweiten Eingang das entweder im Decodierer DE nach Fig. 1 oder im Integrator I nach Fig. 2 gewonnene Signalkriterium sc′ zugeführt wird. Der Signalbewerter SB umfaßt einen Rechner, der das ihm am ersten Eingang zugeführte Signal daraufhin untersucht, ob eine auftretende Signalpause spracheigen ist, oder aber durch eine Störung des Si­ gnals auf dem Übertragungsweg verursacht wurde. Nur, wenn im Zeitpunkt des Auftretens des Signalkriteriums "Signal nicht vorhanden" der Signalbewerter keine Signal­ störung feststellt, wird der Umschalter U 1 vom Signal­ bewerter in die obere, mit der Einrichtung R verbundene Stellung gebracht. Andernfalls steuert der Signalbe­ werter SB den Umschalter U 1 in die mittlere Schaltstel­ lung, in der dem Demultiplexer DE-MUX anstelle des ge­ störten Signalabschnitts ein vorhergehender, um Zwischen­ speicher SP zwischengespeicherter Signalabschnitt zuge­ führt wird.

Claims (3)

1. Verfahren zur störresistenten Übertragung von über Vocoder aufbereiteten Sprachsignalen über Funk, unter Ver­ wendung gespreizter Frequenzbänder (SSMA) oder eines schnellen Radiofrequenzwechsels (FH), dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufberei­ tung des zu übertragenden Sprachsignals im sendeseiti­ gen Vocoder-Analysator (VOS) ein auf den systeminternen Rahmentakt (RT) bezogenes Signalkriterium (sc) gewon­ nen wird, mit dessen Hilfe bei im zugehörigen Zeit­ element einer Rahmentaktperiode vorhandenen bzw. nicht vorhandenen Signal der Sender (SR) bzw. die Senderend­ stufe ein- bzw. ausgeschaltet wird, daß ferner die auf den systeminternen Rahmentakt bezogenen, für ihre Über­ tragung zur Empfangsseite digitalisierten Signalab­ schnitte gegebenenfalls abschnittsweise mit einer Daten­ sicherungsinformation zur Fehlererkennung versehen werden und daß empfangsseitig das Signalkriterium (sc′) bei der Decodierung der ankommenden Signalabschnitte gegebenenfalls aus der Datensicherungsinformation zurück­ gewonnen und, bezogen auf die Rahmentaktperiode, zum Ein- bzw. Ausschalten des empfängerausgangsseitigen Vocoder- Synthesators (VOE) in Abhängigkeit eines vorhandenen bzw. nicht vorhandenen Signals ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung eines schnellen Radiofrequenzwechsels, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzsprung­ intervall exakt 1, 2, . . . n Rahmenperioden des Vocoders groß ist und auf den Rahmentakt (RT) bzw. ein Viel­ faches davon synchronisiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das empfangsseitig zurückgewonnene Signalkriterium (sc′) in einem Signal­ bewerter (SB) ausgewertet wird, dessen zweiten Eingang das empfangene Signal zugeführt wird und daß der Signal­ bewerter nur dann ein Steuersignal für die Abschaltung des Vocoder-Synthesators (VOE) abgibt, wenn im Zeit­ punkt eines Signalkriteriums (sc′) "kein Signal" keine Signalunterbrechung infolge Störung festgestellt wird.