DE3536032A1

DE3536032A1 - Demodulationsverfahren fuer binaere frequenzmodulierte signale

Info

Publication number: DE3536032A1
Application number: DE19853536032
Authority: DE
Inventors: Jorge Dipl Ing Guzman-Edery; Wolfgang Dipl Ing Steiger
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1985-10-09
Filing date: 1985-10-09
Publication date: 1987-04-09

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Demodulationsverfahren für binäre frequenzmodulierte Signale nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Verfahren werden benutzt in FSK-(frequency shift keying)-Demodulatoren, mit deren Hilfe ein für die Übertragung durch zwei Kennfrequenzen f ₁ und f ₂ dargestelltes binäres Zeichen am Empfangsort zurückgewonnen wird. Ein FSK-Demodulator muß nicht nur die Kennfrequenzen f ₁ und f ₂ erkennen können, sondern soll auch mit möglichst geringe Fehler den Zeitpunkt der sendeseitigen Umschaltung von einer der Kennfrequenzen f ₁, f ₂ auf die andere rekonstruieren, damit die Zeichenverzerrung innerhalb von z. B. durch CCITT-Empfehlungen vorgegebenen Grenzen bleibt. Das zugrundeliegende Demodulationsverfahren muß außerdem Übertragungsstörungen tolerieren und schließlich soll eine Einrichtung zur Durchführung von Demodulationsverfahren mit geringem Aufwand realsierbar sein und eine hohe Stabilität aufweisen. Diesen Anforderungen werden insbesondere digitale Verfahren gerecht.

Aus der DE-OS-32 09 234 ist ein FSK-Demodulator in digitaler Technik bekannt. Bei diesem bekannten Demodulator durchläuft das Empfangssignal zunächst ein Empfangsfilter mit Bandpaßcharakteristik um Einflüsse des Übertragungsweges weitgehend zu beseitigen. Dem Empfangsfilter ist ein Begrenzungsverstärker nachgeschaltet, der das gefilterte Empfangssignal verstärkt und in ein Rechtecksignal umwandelt. Darauf folgt ein Differnzierglied, das jeweils beim Auftreten einer Flanke des Rechtecksignals am Ausgang einen Nadelimpuls abgibt. Die Nadelimpulse gelangen zum Triggereingang einer Zähler- und Rechnersteuerschaltung, die einen Zähler und einen Rechner steuert. Einem Takteingang der Steuerschaltung ist außerdem ein Grundtakt zugeführt. Dem Rechner sind eine Verzögerungsschaltung, ODER-Schaltungen und ein Flipflopspeicher nachgeschaltet.

Das dem bekannten Demodulator zugrundeliegende Verfahren arbeitet wie folgt:
Mit dem Zähler werden digitale Werte für die Längen der aufeinanderfolgenden Halbperioden des Empfangssignals durch Zählen eines hochfrequenten Zähltaktes ermittelt. Jeweils beim Auftreten eines Nadelimpulses am Ausgang des Differenziergliedes gibt die Steuerschaltung ein Stoppsignal für den Zähler ab, woduch der erreichte Zählerstand in den Rechner zur weiteren Bearbeitung übernommen wird. Der Rechner ermittelt aus den erhaltenen Zählerständen die Kennzeitpunkte der Frequenzumtastung. Zur Durchführung dieser Aufgabe ermittelt der Rechner zu welchem Zeitpunkt eine die Zählerstände verbindene Kurve einen mittleren Zählerstand durchläuft, welcher der Mittenfrequenz zwischen den Kennfrequenzen f ₁ und f ₂ entspricht, zwischen denen die Frequenzumtastung stattfindet. Dazu prüft der Rechner für jeden Zählerstand, ob diese außerhalb eines um den mittleren Zählerstand liegenden kritischen Bereichs liegt. Wenn dies der Fall ist, liegt eindeutig fest, ob der Kennzustand 1 oder 0 besteht. Wenn der Zählerstand innerhalb des kritischen Bereichs liegt, muß durch Vergleich von Vorzeichen aufeinanderfolgender Zählerstandsdifferenzen festgestellt werden, ob ein Durchgang durch den mittleren Zählerstand, also eine Frequenzumtastung stattgefunden hat. Wenn dies der Fall ist, muß noch der Zeitpunkt berechnet werden, zu dem der Durchgang der Verbindungskurve zwischen zwei Zählerständen durch den mittleren Zählerstand stattgefunden hat. Dadurch wird eine Verzögerungszeit ermittelt, die von der erwähnten konstanten Verzögerungszeit abgezogen wird zur Gewinnung der für die Bildung des Ausgangssignals richtigen Verzögerungszeit. Die Durchführung dieses Verfahrens mit Hilfe des bekannten Demodulators erfordert einen relativ hohen Aufwand.

Ein weiteres Verfahren ist aus der DE-OS 29 12 854 bekannt. Auch bei diesem Verfahren werden die Zeiten zwischen zwei jeweils aufeinanderfolgenden 0-Durchgängen des eingangsseitigen FSK-Signals durch Zählen der Taktimpulse eines Taktgenerators gemessen. Wenn senderseitig kein Wechsel von einer Kennfrequenz f ₁, f ₂ stattfindet, können bei idealer, d. h. ungestörter Übertragung nur zwei Zeiten auftreten, nämlich entweder eine Halbperiode T 1 der ersten Kennfrequenz f ₁ oder eine Halbperiode T 2 der zweiten Kennfrequenz f ₂. Wenn eine davon abweichende Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen auftritt, kann auf einen Wechsel der Kennfrequenz geschlossen werden und durch Vergleich der gemessenen Zeit mit den Erwartungswerten T 1, T 2 der exakte Zeitpunkt des Wechsels der Kennfrequenzen f ₁, f ₂ berechnet werden. Von diesem Gedanken wird bei dem bekannten Verfahren Gebrauch gemacht. Da jedoch von den idealen Zeitwerten T 1, T 2 abweichende Zeiten auch durch Übertragungsstörungen verursacht sein können, muß bei diesem Verfahren durch weitere Analysen, insbesondere durch Vergleich mit der gemessenen Zeit für die folgende Halbperiode entschieden werden, ob es sich um eine Störung oder eine Frequenzänderung handelt. Dadurch wird das Verfahren aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues FSK-Demodulationsverfahren anzugeben, das die Nachteile bekannter Verfahren vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichende Merkmale gelöst. Eine Ausgestaltung der Erfindung ist in einem Unteranspruch angegeben.

Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen u. a. darin, daß durch die Bildung und Auflistung von Datenbytes, die die Länge und Polarität von Halbperioden des FSK-Signals angeben, ein Abbild des zeitlichen Verlaufs des FSK-Signalzustandes geschaffen wird. Dadurch ist eine zeitliche Entkopplung zur nachfolgenden Auswertung der Datensignale und Umsetzung in Signalbytes für die Bildung binärer Werte als Ausgangssignal ED gegeben. Das Verfahren erlaubt z. B. eine Aufzeichnung von FSK-Signalen zur späteren Benutzung als Prüftelegramm.

Weitere Vorteile und eine genauere Beschreibung der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema eines FSK-Demodulators nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 eine Darstellung von Datenbytes im Ringfifo- Speicher des FSK-Demodulators und Signalbytes, die in der Decodierungsliste abgeleitet sind,

Fig. 3 ein Zahlenbeispiel zur Ermittlung des Umschaltzeitpunktes der Kennfrequenzen f ₁, f ₂, und

Fig. 4 eine Darstellung zur Ermittlung der im Zahlenbeispiel verwendeten Zahlenwerte für die Kennfrequenzen f ₁, f ₂.

Fig. 1 zeigt ein Blockschema zu einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird zunächst ein aus der DE-OS 31 31 845 bekanntes Verfahren angewendet, mit dessen Hilfe ein listenmäßiges Abbild des Empfangssignals erstellt wirdt. Dabei wird ein empfangenes FSK-Siganl in einem Empfangsfilter 1, das eine Bandfiltercharakteristik hat, gefiltert. Aus dem gefilterten Signal werden in einem nachgeschalteten Begrenzerverstärker 2 Rechtecksignale geformt. Darauf folgt ein Differenzierglied 3, das bei jeder Flanke des Rechtecksignals, d. h. bei jedem Nulldurchgang des FSK- Signals einen Nadelimpuls an einen taktgesteuerten Vorwärtszähler 4 gibt, diesen auf Null zurückgesetzt und neu startet. Vor dem Zurücksetzen wird der jeweils erreichte Zählwert Z in einen Fifo-Speicher 5 übertragen. Außerdem wird dem Fifo-Speicher 5 das Rechtecksignal vom Ausgang des Begrenzerverstärkers 2 zugeführt zur Erfassung der Polarität. Auf diese Weise werden im Fifo-Speicher 5 aufeinanderfolgende Datenbytes zwischengespeichert, die die Dauer der Halbperioden des FSK-Signals als Zählwert Z und die jeweilige Polarität der Halbperiode als 0 oder 1 darstellen.

Das im Fifo-Speicher 5 gespeicherte Abbild des FSK-Signals wird erfindungsgemäß benutzt zur Demodulation.

Dazu wird der Inhalt des Fifo-Speichers 5 von einem Mikroprozssor 6 übernommen in einen Rinfifo-Speicher 7. Der Mikroprozessor 6 wertet den Inhalt des Ringfifo- Speichers 7 aus und legt eine Decodierungsliste 8 an, die Signalbytes enthält, die zur Bildung des Ausgangssignals des FSK-Demodulators, also des decodierten Ausgangssignals ED benutzt werden. Wie die Umformung der Datenbytes im Ringfifo-Speicher 7 in Signalbytes der Decodierungsliste 8 erfolgt, wird weiter unten anhand der Fig. 2 bis 4 erläutert. An dieser Stelle genügt die Feststellung, daß die in der Decodierungsliste 8 enthaltenen Signalbytes ebenfalls ein Bit für die Feststellung der Polarität des Ausgangssignals und mehrere , z. B. sieben Bits zur Feststellung der Signaldauer enthalten.

Die Signalbytes sind als Elemente eines zu rekonstruierenden Zeichens anzusehen und müssen nun zu diesem Zeichen Zusammengesetzt werden. Dazu werden die Signalbytes nacheinander aus der Decodierungsliste 8 entnommen und in einen zweiten Fifo-Speicher 9 geladen. Das jeweils erste Signalbyte im Fifo-Speicher 9 steuert mit seinem Polaritätsbit einen Ausgangsspeicher 12, der das Ausgangssignal ED mit der durch das Polaritätsbit festgelegten Polarität abgibt. Der außerdem im Signalbyte enthaltene Zahlenwert, der die Signaldauer bestimmt, wird von einem Komparator 10 abgefragt und mit dem Zählerstand eines zweiten Vorwärtszählers 11 verglichen. Der Zähler 11 wird durch einen internen Taktgeber und durch den Komparator 10 gesteuert und beginnt bei jedem Signalbyte bei Null zu zählen. Wenn ein Zählerstand erreicht ist, der dem Zahlenwert des Signalbytes entspricht, ist das jeweilige Signalbyte abgearbeitet und - gesteuert durch den Komparator 10 - das nächste Signalbyte an seine Stelle. Solange die Signalbytes die gleiche Polarität wie das jeweils vorausgegangene Signalbyte haben, ändert sich die Polarität des Ausgangssignals ED nicht. Ein Bit des Ausgangssignals ED wird also durch mehrere Signalbytes gebildet. Die Baudrate des Ausgangssignals ED ist durch die Taktfrequenz f ₁ des zweiten Zählers 11 und durch die Zahlenwerte des Signalbytes bestimmt. Das Ausgangssignal ED ist gegenüber dem Eingangssignal um eine konstante Verzögerungszeit z. B. um eine oder mehrere Halbperioden verzögert je nach gewähltem Verarbeitungsalgorithmus.

Fig. 2 zeigt den Inhalt des Ringfifo-Speichers 7 und die daraus gebildete Decodierungsliste 8. Wie bereits erläutert, sind im Ringfifo-Speicher 7 Datenbytes nacheinander aufgeführt mit jeweils einem Bit für die Polarität P 1 der jeweiligen Halbperiode des Empfangssignals und einem durch mehrere Bits dargestellten Zählwert Z für die Dauer der Halbperiode. Zur eigentlichen Decodierung wird die Polarität P 1 der Halbperiode nicht benötigt, weil zur Zuordnung zu einer Kennfrequenzen f ₁, f ₂ die Kenntnis der Dauer der Halbperiode genügt. Die Polarität P 1 kann jedoch für zusätzliche Prüfungen oder Analysen benutzt werden. Aufgrund der Dauer der Halbperiode, also durch Auswertung des Zählwertes Z wird die Polarität P 2 der in der Decodierungsliste 8 abgelegten Signalbytes bestimmt. Die Zahlenwerte für die Dauer der Signalbytes in der Liste 8 entstehen durch Übernahme der Zählwert Z der Datenbytes im Ringfifo-Speicher 7, allerdings nach Prüfung ihrer Gültigkeit und mit Ausnahme des Wechselbereichs WB, in dem das empfangene FSK-Signal von einer Kennfrequenz f ₁, f ₂ zur anderen wechselt. Dieser Wechselbereich WB ist in dem in Fig. 2 dargestellten Zahlenbeispiel hervorgehoben. Im Wechselbereich WB muß ein Zeitpunkt x des Wechsels der Kennfrequenzen f ₁, f ₂ ermittelt werden und die Dauer der Signalbytes im Wechselbereich WB entsprechend festgelegt werden.

Fig. 3 ist ein Zahlenbeispiel zur Ermittlung des Zeitpunktes x für den sendeseitigen Wechsel der Kennfrequenzen f ₁, f ₂ dargstellt, das mit dem Zahlenbeispiel in Fig. 2 übereinstimmt. In der Fig. 3 ist oben ein Rechtecksignal dargestellt, das am Ausgang des Begrenzerverstärkers 2 auftritt. Zu jeder Halbperiode sind die Zählwerte Z angegeben, die im Vorwärtszähler 4 ermittelt wurden. Unterhalb des Rechtecksignals sind die Zählwerte Z, die der Zähler 4 jeweils am Ende einer Halbperiode erreicht hat aufgetragen. Am linken Rand der Darstellung sind als Maßstab Zählwerte Z angegeben. Dabei sind drei Zählwerte Z hervorgegeben, nämlich der Zählwert Z = 71, der der Mittenfrequenz f _m entspricht, der Wert Z = 64, der der höheren Kennfrequenz f ₂ entspricht und der Wert Z = 80 für die niedrigere Kennfrequenz f ₁. Außerdem ist der Wechselbereich WB angegeben, der die Zählwerte Z von 66 bis 77 umfaßt. Wenn ein Wert Z unterhalb von 66 liegt, handelt es sich um eine höhere Kennfrequenz f ₂, liegt ein Wert Z oberhalb von 77, so handelt es sich um die niedrigere Kennfrequenz f ₁. Treten Zählwerte Z auf, die im Wechselbereich WB liegen, so muß der genaue Zeitpunkt x des Wechsels der Kennfrequenzen f ₁, f ₂ ermittelt werden.

Bei dem in Fig. 3 angegebenen Beispiel liegen die aufeinanderfolgenden Zählwerte Z 1 = 67 und Z 2 = 64 im Wechselbereich WB. Zur Berechnung des Wechselzeitpunktes x wird der Abstand der Zählwerte Z 1, Z 2 von idealen Zählwerten 64 bzw. 80 für die Kennfrequenzen f ₂ bzw. f ₁ herangezogen. Die Berechnung des Zeitpunktes x, der bezogen ist auf den Zeitpunkt, zu dem zuletzt ein außerhalb des Wechselbereichs liegender Zählwert Z aufgetreten ist, erfolgt nach nachstehendem Algorithmus:

Darin bedeuten:
A ₁ = Abstand des Zählwerts Z ₁ vom Zählwert für die Frequenz f ₂ (Z = 64)
B ₁ = Abstand des Zählwerts Z ₁ vom Zählwert für die Frequenz f ₁ (Z = 80)
A ₂ = Abstand des Zählwerts Z ₂ vom Zählwert für die Frequenz f ₂
B ₂ = Abstand des Zählwerts Z ₂ vom Zählwert für die Frequenz f ₁.

Setzt man Die Zahlenwerte für das vorliegende Beispiel ein, so ergibt sich

Dieser Wert x = 84 bestimmt die länge des ersten Signalbytes im Wechselbereich WB der Decodierungsliste 8 wie in Fig. 2 angegebenen. Der Zahlenwert 57 des zweiten Signalbytes im Wechselbereich WB ergibt sich durch Substraktion des Zahlenwerts 84 des ersten Signalbytes im Wechselbereich WB von dem Summenwert 141, der sich durch Addieren der beiden Zählwerte Z = 67 und Z = 64 im Wechselbereich WB des Ringfifo-Speichers 7 ergibt.

Anhand der Fig. 4 wird erläutert, wie die für die Mittenfrequenz f _m und die Kennfrequenzen f ₁, f ₂ genannten Zahlenwerte 71, 80, 64 im angeführten Zahlenbeispiel ermittelt wurden. Dem Zahlenbeispiel liegen nachstehende Festlegungen zugrunde:
Mittenfrequenzf _m = 1080 Hz
untere Kennfrequenzf ₁ = 960 Hzobere Kennfrequenzf ₂ = 1200 Hz

Die Abtastung des FSK-Signals erfolgt im Abstand von 6,51 µs.

Aufgrund der Zusammenhänge ergibt sich für den Zusammenhang zwischen Frequenz f des FSK-Signals und der Abtastzahl A

Daraus lassen sich z. B. für die Kennfrequenzen f ₁ und f ₂ die Abtastzahlen 80 und 64 ermitteln. Die Abtastzahlen A entsprechen den Zählwerten Z, da mit einer dem festgelegten Abtastabstand entsprechenden Zählfrequenz gezählt wird. Aus der in Fig. 4 angegebenen Darstellung ist die mit einer bestimmten Frequenz f korrespondierende Abtastzahl A direkt ablesbar.

Ergänzend zu dem beschriebenen Beispiel ist anzumerken, daß der oben angegebene Algorithmus zur Berechnung des Zeitpunktes x nur für den Fall gilt, daß zwei Zählwerte Z im Wechselbereich WB liegen. ES könnte jedoch im Wechselbereich auch nur ein Zählwert Z liegen, oder es könnten drei Zählwerte Z autreten. Deshalb wird nachstehend ein allgemein gültiger Algorithmus zur Berechnung des Zeitpunktes x angegeben: wobei gilt:
n = Anzahl der Zählwerte Z innerhalb des Wechselbereichs WB,
Z _i = Zählwerte Z im Wechselbereich WB
B _i = Abstände der jeweiligen Zählwerte Zi zum Zählwert Z _f1
Z _f1 = Zählwert für die Kennfrequenz f ₁
Z _f2 = Zählwert für die Kennfrequenz f ₂.

Unabhängig davon, ob ein, zwei oder mehr Zählwerte Z im Wechselbereich WB liegen, werden immer zwei Signalbytes gebildet. Dabei wird die Länge des ersten Signalbytes mit der bisherigen Polarität durch den Wert x bestimmt und die Länge des zweiten Signalbytes mit der neuen Polarität durch einen Wert y, wobei sich der Wert y aus dem nachstehenden Zusammenhang ergibt:

Claims

1. Verfahren zur Demodulation eines binären, frequenzmodulierten Signals (FSK-Siganls) mit einer konstanten Verzögerung gegenüber dem eingangsseitigen FSK- Signal, bei dem das FSK-Signal zunächst gefiltert und geformt wird und mit Hilfe einer Zählereinrichtung die Längen der Halbperioden des FSK-Signals ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
- in einem Fifo-Speicher (5) aufeinanderfolgende Datenbytes zwischengespeichert werden, die die Länge der Halbperioden als Zählwert (Z) und die Polarität der Halbperioden enthalten,
- ein Mikroprozessor (6) die Datenbytes aus dem Fifo- Speicher (5) übernimmt und in eine Ringfifo- Speicher (7) ablegt,
- der Mikroprozessor (6) den Inhalt des Ringfifo- Speichers (7) auswertet und Signalbytes mit einer Längen- und Polaritätsangabe für ein Ausgangssignal (ED) bildet, die zunächst in einer Decodierungsliste (8) abgelegt und von dort in einen zweiten Fifo- Speicher (9) übernommen werden und
- das jeweils erste Signalbyte im zweiten Fifo-Speicher (9) mit seinem Polaritätsbit einen Ausgangsspeicher (12) steuert, der das Ausgangssignal (ED) abgibt, wobei ein Komparator (10) sowohl einen zweiten Vorwärtszähler (11) als auch den zweiten Fifo-Speicher (9) steuert und dabei den zweiten Vorwärts-Zähler (11) jeweils solange zählen läßt bis ein Zählerstand erreicht ist, der der Längenangabe im Signalbyte entspricht, den Zähler zurücksetzt und das nächste Signalbyte an die erste Stelle rückt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- bei dem Umsetzen der Zählwerte (Z) in Signalbytes für die Decodierungsliste (8) eine Zuordnung der Zählwerte (Z) zu einer Kennfrequenz (f ₁, f ₂) des FSK-Signals erfolgt, durch Überwachung der Überschreitung eines oberen bzw. unteren Schwellenwertes der Zählwerte (Z), wobei die Polarität der gebildeten Signalbytes von der Zuordnung zu einer der Kennfrequenzen (f ₁, f ₂) abhängt und der Zählwert (Z) die Längenangabe des Signalbytes bildet und - falls zwei aus dem Ringfifo-Speicher (7) entnommene Zählwerte (Z) zwischen den Schwellenwerten für die Zuordnung einer der Kennfrequenzen (f ₁, f ₂) liegen, ein Wechselbereich (WB) angenommen wird, in dem die Kennfrequenz (f ₁, f ₂) wechselt und ein auf den Zeitpunkt des letzten oberhalb oder unterhalb der Schwellwerte liegenden Zählwertes (Z) bezogener Zeitpunkt (x) des Wechsels der Kennfrequenzen (f ₁,- f ₂) berechnet wird durch Berechnung des Unterschiedes zweier aufeinanderfolgender Zählwerte (Z) von idealen Zählwerten, die den Kennfrequenzen (f ₁, f ₂) entsprechen, der Abstand des berechneten Zeitpunktes (x) vom Zeitpunkt des letzten Zählwertes (Z) als Längenangabe des ersten Signalbytes im Wechselbereich (WB) benutzt wird und die Längenangabe für das zweite Signalbyte gebildet wird durch Subtraktion der Länge des ersten Signalbytes von der Summe der beiden im Wechselbereich (WB) liegenden Zählwerte (Z), die Polarität des ersten im Wechselbereich (WB) liegenden Signalbytes derjenigen des vorausgegangenen Signabytes entspricht und die Polarität des zweiten Signalbytes anders ist als die des ersten Signalbytes.