DE3532912C1 - Verfahren zur Bitbestimmung in einem Signalverlauf, der im Harvard-Bi-Phase Code aufgezeichnet ist - Google Patents

Description

• Unteransprüche.
• Die Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht
• und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt F i g. 1 das Prinzip des Verfahrens.
• F i g. 2 zwei Möglichkeiten, Bitlängenschwankungen zu berücksichtigen.
• F i g. 3 eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens in einem Blockschaltbild.
• Das im Harvard-Bi-Phase Code aufgezeichnete AlDS-Signal wird aufgrund der Begrenzung des Übertragungsbereiches nach oben in Form von Kurven übertragen, wobei die Grundschwingung einer »0«-Folge die halbe Bit-Takt-Frequenz und die einer »1«-Folge die Bit-Takt-Frequenz aufweist. Die »I«-er-Schwingung wird gedämpft, so daß sie zusätzlich das Kriterium erhält, daß sie nur die halbe Amplitude der Schwingung besitzt, die einer »O«-Folge entspricht. Ein derartiger Kurvenverlauf ist im Regelfall bei einer Aufzeichnung zu beobachten.
• Das AIDS-Signal kann aus den eingangs erwähnten Gründen durch hoch- und niederfrequente Störungen in seiner Form und Lage mehr oder weniger stark verändert werden. Diese Veränderungen können dazu führen, daß mit den bekannten Verfahren derartige gestörte Bits nicht mehr identifizierbar sind.
• Die Nachteile der bekannten Verfahren werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden, das auf der Basis der Korrelation arbeitet und hierbei auf eine Ähnlichkeit der Signalkurve mit Musterkurven abhebt.
• Nieder- oder hochfrequente Störungen stören dabei erst, wenn sie eine größere Amplitude erreichen als das Nutzsignal.
• Das auf dem Band gespeicherte Analogsignal wird digitalisiert und jeweils schrittweise über eine Mehrzahl von Bitlängen mit Mustersignalverläufen mit entsprechender Anzahl von Bitlängen korreliert. Vorzugsweise werden dabei Mustersignalverläufe mit drei Bitlängen verwendet. Es ergeben sich damit 23 = 8 Mustersignalverläufe für die möglichen Bitkombinationen über drei Bitlängen.
• Der Bitbestimmung wird folgende Strategie zugrunde gelegt. Es wird ausgegangen von dem letzten aus der vorherigen Bestimmung sicher erkannten Bit. Der Korrelation werden damit dann die Bitmuster zugrunde gelegt, deren erstes Bit dem erkannten Bit entspricht. Der Bestimmung werden damit wenigstens vier mögliche Bitkombinationen zugrunde gelegt, in denen die beiden hinteren Bits variiert sind. Entsprechend wird das Signal mit den vier zugehörigen Mustern korreliert. Aus dem höchsten Kreuzkorrelationskoeffizienten wird die Identität des mittleren Bits sicher erkannt. Der Wert des hinteren Bits ist noch nicht sicher erkennbar. Das Verfahren wird dann um ein Bit verschoben weitergeführt.
• Das Verfahren wird unter Bezug auf F i g. 1 näher beschrieben.
• F i g. 1 zeigt oben die Bitfolge eines Signalverlauf S.
• Unter dem Signalverlauf S sind vier mit einer »0« beginnende Bitmuster M1 bis M4 wiedergegeben. In dem Signalverlauf S sind die stark wiedergegebenen drei ersten Bits sicher erkannte Bits. Zu bestimmen ist das Bit II im Signalverlauf. Dieser Bestimmung werden die drei aufeinanderfolgenden Bits I bis III zugrunde gelegt. Das Bit list in der vorangegangenen Bestimmung als sicher erkannt. Das gestrichelt dargestellte Bit II ist bei der vorangegangenen Bestimmung unsicher geblieben. Da das letzte als sicher erkannte Bit I eine »0« ist, sind bei der Bestimmung des Folge-Bit II im Signalverlauf S die Bitmuster zu verwenden, die mit einer »0« beginnen.
• Die Korrelation wird mit allen vier Bitmustern 0-0-0, 0-0-1, 0.1.0 und 0-1.1 durchgeführt. Aus der Korrelation ergibt sich für die Bitfolge mit den Bits I, II und III im Signalverlauf S das Bitmuster M3 »0.1.0« den höchsten Korrelationsfaktor. Damit ist das Folge-Bit II sicher als »1« erkannt Die Erkennung des Bit III, das beim Bitmuster M3 gestrichelt dargestellt ist, bleibt unsicher.
• Das vorstehend beschriebene Verfahren wird dann beginnend mit dem zuletzt als sicher erkannten Bit II, das einer »1« entspricht, als Anfangsbit fortgesetzt.
• Hierbei werden dann die vier in F i g. 1 nicht dargestellten Bitmuster verwendet, die mit einer »1« beginnen.
• Da aufeinanderfolgende Nullen jeweils wechselnde Vorzeichen haben, sind diese bei der Korrelation zu berücksichtigen, beispielsweise durch Vorzeichenwechsel der Musterkoeffizienten oder des Korrelationsergebnisses.
• Bei der Bitbestimmung muß auch mit Schwankungen der Bitlängen gerechnet werden. Aufgabe der Bestimmung ist es deshalb nicht nur, den Wert eines Bits zu erkennen, sondern auch zumindest seine ungefähre Länge. Bitlängen-Schwankungen können auf zwei Arten berücksichtigt werden: 1. Durch Lagevariation.
• Hierbei werden die Korrelationen nicht nur an der für normale Bitlängen erwarteten Stelle durchgeführt, an der die Bitanfänge im Signalverlauf mit denen der Muster zur Deckung gebracht werden. Es werden vielmehr zusätzlich weitere Korrelationen durchgeführt, bei denen die Bitmuster die der Bestimmung zugrunde liegenden Bitfolgen im Signalverlauf in der Phase gegeneinander um wenigstens eine vorgegebene Bitlängenschwankung verschoben sind. Vorzugsweise wird so vorgegangen, daß das betreffende Bitmuster jeweils um das Ein-oder Mehrfache einer Abtastperiode nach vorwärts und/oder rückwärts gegenüber dem Signalverlauf S verschoben wird. Anhand des maximalen Kreuzkorrelationskoeffizienten wird dann neben dem Bit selbst dessen Länge erkannt. Anhand der Abstände der so ermittelten Korrelationsmaxima kann auch auf eine Veränderung der durchschnittlichen Bitlänge geschlossen und auf diese reagiert werden, indem beispielsweise die Bitlängen der Muster sowie die erwarteten Abstände der Bitbestimmung daran angepaßt werden. Im einfachsten Fall wird die Bitbestimmung nach Feststellung einer Veränderung der durchschnittlichen Bitlänge von vornherein mit entsprechend in der Phase verschobenen Bitmusterfolgen vorgenommen.
• 2. Durch Bitlängenvariation.
• Statt der vorstehend beschriebenen Phasenverschiebung der Bitmuster relativ zum Signalverlauf können auch bei jeder Korrelation gleiche Bitmuster mit unterschiedlichen Bitlängen verwendet werden. Aus der Bitlänge, bei der der maximale Korrelationsfaktor auftritt, ist dann der Anfangspunkt für die nachfolgende Bitbestimmung erkennbar. Schwankungen der durchschnittlichen Bitlänge wird in diesem Fall durch mehrfache Korrelation mit gleichen Bitmustern unterschiedlicher Bitmusterlänge Rechnung getragen und der Erkennung das Bitmuster zugrunde gelegt, das zum höchsten Korrelationsfaktor führt.
• Der Rechenaufwand für die beiden Anpassungsmöglichkeiten ist annähernd gleich. Im Fall der Lage-Variation besteht der Nachteil, daß mit Bitmustern der falschen Länge bei der Korrelation gerechnet wird und infolgedessen der optimale Korrelations-Koeffizient bei einer Bitlängen-Anderung niedriger ist als beim Arbeiten mit unterschiedlicher Länge. Der Vorteil der Lage- Variation besteht andererseits darin, daß die Rechnung schneller durchzuführen ist, da kein zusätzlicher Bitmusterwechsel stattzufinden braucht.
• Die beiden Verfahrensvarianten mit Lage- bzw. Längenvariation des Bitmusters sind in Fig.2 dargestellt.
• Oben in F i g. 2 ist ein Signalverlauf S mit einer Bitfolge wiedergegeben, die der Bestimmung des zweiten Bit zugrunde liegt, hier die Bitfolge 0.0.0, von der das erste Bit in der oben beschriebenen Weise bereits sicher erkannt ist. Die Bits sind jeweils in acht Abtastperioden digitalisiert, die im allgemeinen für eine Korrelation ausreichen.
• Unter A ist die Berücksichtigung einer Bitlängenschwankung durch Lagevariation veranschaulicht. Das Bitmuster entsprechend dem Bitmuster M1 in F i g. 1 hat eine bestimmte Länge. Die Korrelation wird hier dreimal durchgeführt. Beginnend mit der Position A' des Bitmusters, in der sein Anfang um eine Abtastperiode nach links gegen den Anfang der zu bestimmenden Bitfolge verschoben ist, wird die Korrelation anschließend jeweils um eine Abtastperiode nach rechts verschoben in den Positionen A "und A "'wiederholt und der Erkennung wird dann das beste Korrelationsergebnis zugrunde gelegt, das hier in der Position Angegeben ist.
• Unter B ist das Verfahren mit gleichen Bitmustern unterschiedlicher Länge dargestellt Die drei dargestellten Bitmuster 0-0.0 variieren in der Länge jeweils um den Betrag einer Abtastperiode pro Bit, also um jeweils 3/8 in der Gesamtlänge. Die Korrelation wird nacheinander mit den drei in der Länge unterschiedlichen Bitmustern B: B" und B"' durchgeführt. Das beste Korrelationsergebnis wird hier mit dem Bitmuster B"erreicht.
• Im nachstehenden wird die Bitbestimmung anhand des Blockschaltbildes im einzelnen erläutert.
• Das analoge Signal 2 wird in einem A/D-Wandler 4 digitalisiert. Der Takt kann dabei so gewählt werden, daß acht Abtastungen pro Bitlänge durchgeführt werden. Die Wandlung erfolgt mindestens mit der vierfachen Baudrate. Das digitalisierte Signal wird in einem primären Schieberegister 10 zwischengespeichert. Dieses hat eine Länge, die einem Bit im Signal entspricht, also bei einer Digitalisierung mit acht Abtastperioden acht Speicherstellen.
• Nachdem alle acht Speicherstellen belegt sind, also ein Bit in das primäre Register eingegeben ist, werden die Signalwerte in ein sekundäres Register 12 übernommen. Dieses Register hat eine Länge entsprechend den Abtastwerten von drei Bits. In diesem sekundären Register stehen für die weitere Verarbeitung die Signalwerte des zuletzt übernommenen Bits und der beiden vorherigen Bits zur Verfügung. In einem Steuerwerk 14 sind wenigstens die Musterkoeffzienten von 23 = 8 möglichen Bitfolgen abgelegt. Nach Übernahme der Signalwerte aus dem primären Register werden die Signalwerte des sekundären Registers in einem Korrelator 16 mit dem in diesen Korrelator nacheinander eingegebenen Koeffizienten der durch das bekannte Anfangsbit vorbestimmten vier Muster mit drei Bitlängen korreliert Die Korrelation wird nacheinander für jedes Muster durchgeführt. Die jeweiligen Korrelationskoeffizienten werden in einen Vergleicher 18 übertragen, in dem anhand des höchsten ermittelten Korrelationskoeffizienten das diesem maximalen Korrelationskoeffizienten zugeordnete Muster bestimmt wird. Aus diesem Muster wird dann das als übereinstimmend erkannte zweite oder Folgebit in ein Ausgaberegister 20 übertragen, in dem das als zutreffend erkannte Bit dann für die Weiterverarbeitung zur Verfügung steht.
• Bei sehr stark gestörten Bits ist es möglich, daß das beschriebene Verfahren keine eindeutige Biterkennung ermöglicht. Um hier ein Kriterium zu erhalten, wird zweckmäßig neben dem jeweils anhand der Kreuzkorrelation ermittelten wahrscheinlichsten Bit im Ausgaberegister zusätzlich der Korrelationsfaktor angegeben, der ein Maß für die Sicherheit der Biterkennung gibt. So können beispielsweise bei einem Korrelationskoeffizienten von 80% und mehr die Bestimmungen jeweils als gesichert angesehen werden. Unterhalb eines Mindestwertes, der beispielsweise bei einem Korrelationsfaktor von 50% liegen kann, ist die Biterkennung zu verwerfen.
• In dem Steuerwerk 14 ist zusätzlich zu der Speicheranordnung für die Musterkoeffizienten die Steuerung der einzelnen Bauteile enthalten, deren Steuerbefehle jeweils über gestrichelt dargestellte Steuerleitungen jeweils den betreffenden Bausteinen zugeleitet werden.

Claims (11)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Bitbestimmung in einem Signalverlauf, der im Harvard-Bi-Phase Code aufgezeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Signale gemäß einer vorbestimmten Abtastrate digitalisiert werden, daß die digitalisierten Signalwerte einer vorbestimmten Anzahl von Bitlängen des Analogsignals gespeichert werden, daß der Speicherinhalt rekursiv mit vorbestimmten digitalisierten Bitmusterfolgen, die der gleichen Anzahl von Bitlängen des Analogsignals entsprechen, korreliert wird, und daß aufgrund des Korrelationsergebnisses das bzw. die wahrscheinlichste(n) Folge-Bit(s) ausgegeben werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitbestimmung jeweils vom letzten als wahrscheinlichst ausgegebenen Folge-Bit der vorausgegangenen Bitbestimmung ausgeht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsbit das vorletzte Bit aus der vorhergegangenen Bitbestimmung verwendet wird.
4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Bitmusterfolgen mit drei Bitlängen verwendet werden.
5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitmusterfolgen und das Signal in der Phase gegeneinander um wenigstens eine vorgegebene Bitlängenschwankung verschiebbar sind.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß um das Ein- oder Mehrfache einer Abtastperiode nach vorwärts oder rückwärts verschoben wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitmuster um t/8 Bitlänge verschoben werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschluß einer ersten Korrelation mit einem Bitmuster wenigstens eine weitere Korrelation mit einer Phasenverschiebung des gleichen Bitmusters durchgeführt wird und daß der Erkennung das jeweils beste Korrelationsergebnis zugrunde gelegt wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelation mit wenigstens zwei Bitmustern mit unterschiedlicher Bitlänge nacheinander durchgeführt wird und der Erkennung das beste Korrelationsergebnis zugrunde gelegt wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschluß einer Bitbestimmung die Korrelation mit einem weiteren Bitmuster beginnend mit dem bei der vorherigen Erkennung ermittelten wahrscheinlichsten Ende des letzten ausgegebenen Bits durchgeführt wird.
11. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem durch Korrelation ermittelten wahrscheinlichsten Bit dessen Korrelationsfaktor ausgegeben wird.

    Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bit- bestimmung in einem Signalverlauf, der im Harvard-Bi-Phase Code aufgezeichnet ist.

    Alle großen Verkehrsflugzeuge besitzen ein umfangreiches Flugdatensystem, in der Fachsprache »Aircraft Integrated Data System« oder kurz »AIDS« genannt.

    Innerhalb dieses Systems werden einige wichtige Flugdaten in digitaler Form aufgezeichnet (Digital Flight Data Recorder - DFDR). Der Flugdatenschreiber speichert die Informationen im Harvard-Bi-Phase Code auf Magnetband. Die Spuren des Bandes werden in einer Endlos-Schleife durchfahren, so daß alle Daten nach 25 Stunden wieder überschrieben werden.

    Die Datenstruktur wird in der Norm ARINC 573-7 definiert. Ein Hauptrahmen beinhaltet vier Unterrahmen, die sich aus einem Synchronisations-Wort und 63 Daten-Worten zusammensetzen. Jedes Wort besteht aus 12 bit.

    Die Zuordnung der Bits zu den einzelnen aufgezeichneten Größen ist nur durch ihren Abstand zu den Synchronisations-Worten möglich. Deshalb ist es von besonderer Bedeutung, daß alle Bits richtig erkannt werden und insbesondere auch die Anzahl der erkannten Bits mit der Anzahl der aufgezeichneten Bits übereinstimmt.

    Der korrekten Bitbestimmung steht häufig die mangelhafte Qualität des Signals entgegen. Das gekapselte Aufzeichnungsgerät und der Informationsträger an Bord sind in extremer Weise auf mechanische Robustheit und Hitzebeständigkeit ausgelegt, um bei Unfällen die Information zu retten. Entsprechend robust und damit einfach muß die Aufzeichnungstechnik ausgelegt sein. In jedem Falle treten bei jeder Aufnahme und Wiedergabe Verzerrungen auf, die die Identifikation der Bits sehr erschweren können.

    Aus sicherheitstechnischer und/oder juristischer Sicht kann der Rekonstruktion von Flugphasen eine hohe Bedeutung beikommen, beispielsweise Flugphasen vor einem Unfall oder anderen schwerwiegenden Folgen während des Fluges. So ist ein hoher Aufwand bei der Auswertung der aufgezeichneten Flugdaten zu vertreten.

    Bekannte Verfahren zur Bitbestimmung arbeiten auf der Basis der Nulldurchgangs-, Extremwert- oder Wendepunkt-Detektion.

    Bei der Nulldurchgangsdetektion können niederfrequente Störungen zu Ausfällen von Nulldurchgängen führen, so daß die Zugrundelegung der Nulldurchgänge kein sicherer Anhaltspunkt für die Biterkennung ist.

    Die Extremwert- und Wendepunkt-Betrachtungen führen zu falschen Ergebnissen, wenn hochfrequente Störungen zusätzliche Wendepunkte verursachen. Bei Bandaufzeichnungen liegen derartige Störungen häufig in Form von dritten harmonischen Oberwellen vor. Da die dritte Oberwelle des Harvard-Bi-Phase Code zum Teil noch im Nutzspektrum liegt, kann sie nicht herausgefiltert werden.

    Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem bei Signalverläufen mit starken hoch- und niederfrequenten Störungen zuverlässigere Bitbestimmungen möglich sind.

    Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale.

    Die Digitalisierung analoger Signale gemäß einer vorbestimmten Abtastrate und die Speicherung der digitalisierten Signalwerte ist bekannt.

    Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der