DE3719650A1 - Regelung fuer funkzeitzeichenempfaenger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelung für Funkzeitzeichen­ empfänger, insbesondere Funkzeitzeichenempfänger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Regelung für Funkzeitzei­ chenempfänger zu schaffen, die in der Lage ist, auf Grund von a priori-Wissen über das zu empfangene Signal, das im Programmschalter der Rechenschaltung gespeichert ist, selb­ ständig den breitbandigen Empfangsschwingkreis (1) auf den einzigen richtigen Sender abzustimmen und darüber hinaus die Feineinstellung so zu optimieren, daß immer ein maxima­ les Signal/Stör-Verhältnis entsteht.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiter­ bildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Bekannt sind selbstabstimmende Anordnungen insbesondere aus den Offenlegungsschriften DOS 32 36 162 und DOS 33 46 091, in denen Schaltungen nach dem Audionprinzip mit einstellbarer Güte und Frequenz in moderner Halbleitertechnologie be­ schrieben sind. Es werden auch, insbesondere in einer wei­ teren DOS 35 04 338 Algorithmen offengelegt, wie eine Empfän­ gerabstimmung erfolgen kann. Darüber hinaus werden auch in den Offenlegungsschriften DOS 27 25 016, DOS 29 52 793 und DOS 30 25 312 bei verschiedenen anderen Empfängerprinzipien Re­ gelung- und Einstellungsstrategien beschrieben.

In der Offenlegungsschrift 33 46 091 wird ein Verfahren zur Senderidentifikation beschrieben, das ausschließlich durch die Überprüfung der Modulation des empfangenen Signals den gesuchten Zeitzeichensender identifiziert. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, daß das automatische Einstellen auf ei­ nen bestimmten Sender nach dem Einschalten nur mit einiger Unsicherheit bezüglich der Richtigkeit des Senders erfolgen kann. Im Anspruch 3 der DOS 33 46 091 wird ausgeführt, daß "derjenige Sender fest eingestellt wird, dessen charakteris­ tischen Sendesignale, z. B. Impulse im Sekundentakt", er­ kannt wurden. Dies kann zu Falscheinrastungen führen, wie man leicht an der Tatsache zeigen kann, daß insbesondere der deutsche Zeitzeichensender DCF77 auf 77,5 kHz und der frequenzmäßig eng benachbarte schweizer Zeitzeichensender HGB auf 75 kHz Zeitzeichen im Sekundentakt aussenden. Auch der englische Sender MSF60, der auf 60 kHz ausstrahlt, macht dies unter anderem im Sekundentakt.

Darüber hinaus ist das Auffinden des "richtigen" Senders, insbesondere im Frequenzbandabtastverfahren sehr langwierig, da bei großen Anfachungen des Audions, also bei sehr gerin­ gen Bandbreiten des Eingangskreises, wie sie zur Erreichung einer hinreichenden Selektivität notwendig werden, unter Berücksichtigung der kontinuierlichen Abtastung und unter Vermeidung von Eigenschwingungen nur sehr kleine, von der eingestellten Bandbreite abhängige Frequenzschritte möglich sind. Gerade diese feinfühlige Frequenzeinstellung überfor­ dert die heute verfügbaren Rechenschaltungen in der Regel­ geschwindigkeit und in der Regelungsauflösung.

Weiterhin zeigt sich bei den oben erwähnten Offenlegungen als sehr nachteilig, daß insbesondere bei sehr kleinen Emp­ fangssignalen das dort aufgezeigte Audionprinzip nicht mehr funktionsfähig ist. Wenn die Störsignale in die Größenord­ nung der Nutzsignale kommen, oder gar kleiner werden, dann bewirkt dies bei einer Rückführung auf den Empfangsschwing­ kreis nichts anderes, als eine Modulation der Güte und so­ mit eine Modulation der HF-Amplitude sowie der Bandbreite mit einem Störsignal, was insgesamt bei Signal/Stör-Verhältnis­ sen nahe 1 und insbesondere im Falle kleiner 1 zu einer drastischen Verschlechterung des HF-Signals am Empfänger führt.

Erst, wenn es gelingt, die Bandbreite so stark zu verrin­ gern, bis das Verhältnis Nutz-/Stör-Signal wieder deutlich größer 1 wird, verbessert sich das Empfangssignal wieder.

Bei sehr kleinen Empfangssignalen kommt es aber im allge­ meinen vorher zum Eigenschwingen des Audions oder es wird das Empfangssignal so bandbegrenzt, daß es auch seinen In­ formationsgehalt verliert. Darüber hinaus kann es vorkom­ men, daß auch in sehr engen Bandgrenzen um die Mittenfre­ quenz des Empfangssignals die spektralen Anteile der In­ formation immer kleiner sind als die Anteile des Störspek­ trums. Für diesen besonders interessanten Empfangsfall ist das Audion völlig ungeeignet.

Die minimal zulässige Empfangssignalamplitude ist bei den obigen Schaltungen durch die Bandbreite des Informations­ spektrums des Empfangssignals, der Verhältnisse der spek­ tralen Anteile des Stör- und des Nutzsignals in der nähe­ ren Umgebung der Empfangsmittenfrequenz, der Schwingneigung der Schaltungsanordnung und durch die Regelfähigkeit der übergeordneten Rechenschaltung begrenzt.

Bekannt ist die Offenlegungsschrift DOS 35 31 548, in der un­ ter anderem eine Anordnung und ein Verfahren zum störmin­ dernden Empfang von Zeitzeichen mit Hilfe eines einstellba­ ren und digital arbeitenden HF/NF-Signalwandlers und mit Hil­ fe von Korrelationsmethoden, insbesondere der Kreuzkorrela­ tion zwischen den empfangenen Signalen und einem im elektro­ nischen Programmspeicher gespeicherten Mustersignal des zu empfangenden Senders durchgeführt wird. Die Ergebnisse der Korrelation werden in der erwähnten Offenlegungsschrift nur zur Detektion der verschiedenen logischen Zeichenmuster he­ rangezogen.

In der vorliegenden Erfindung ist der Empfänger nach dem Ge­ radeausprinzip konzipiert, wobei der abstimmbare Eingangs­ kreis (1) breitbandig gehalten ist. Erst nach einer geregel­ ten breitbandigen Verstärkung auf den vordefinierten sehr kleinen Pegel bei der Übergabe an den HF-AM/NF-FM-Signal­ wandler (3) wird das für die weitere Signalverarbeitung in­ teressierende Frequenzband selektiert. Diese Vorgehensweise bringt zwei sehr wichtige Vorteile mit sich: Zum einen er­ gibt sich dadurch ein großer Senderfangbereich mit grob durchführbarer Sendereinstellung, zum anderen kann der Ver­ stärker (2) auch mit sehr stark rauschbehafteten und daher billigen Komponenten in der Massenfertigung realisiert wer­ den, ohne Nachteile in der Empfindlichkeit des Empfängers hinnehmen zu müssen. Dies gilt im besonderen Maße, wenn eine Korrelationsauswertung des Empfangssignals erfolgt.

Zur Einstellung der Steuerparameter für die Mittenfrequenz f _M des breitbandigen Empfangskreises (1) des Empfängers wird erfindungsgemäß eine Kombination der Information aus dem Ausgangssignal des HF-AM/NF-FM-Signalwandlers (3) und aus dem Ergebnis der Kreuzkorrelation, die von der Rechenschaltung mit elektronischem Speicher (4) durchgeführt wird, herangezo­ gen.

Dabei werden die Amplitudenmaxima des HF-AM-Signals über den Verstärkersteuereingang des Verstärkers (2) so eingestellt, daß ein bestimmtes vorgegebenes Signalamplitudenintervall nicht verlassen wird. Zur Vermeidung der üblichen Schwing­ probleme bei Geradeausempfänger wird durch das Programm bei der Einstellung der Verstärkung v des Verstärkers (2) dafür gesorgt, daß die HF-Amplituden am Ausgang des Verstärkers (2) einen bestimmten sehr kleinen Wert, z. B. 500 µV, nicht überschreiten. Damit befindet sich gleichzeitig der nachge­ schaltete HF-AM/NF-FM-Signalwandler (3) immer im vordefi­ nierten Arbeitsbereich.

Bei sehr großen Empfangsamplituden ist es vorteilhaft, eine zusätzliche Dynamik der Amplitudenregelung durch die geziel­ te Verstimmung der Empfangsmittenfrequenz f _M über den Mit­ tenfrequenzsteuereingang des breitbandigen Empfängerschwing­ kreises (1) in die Regelung einzubeziehen.

Werden die gesuchten Signalmuster durch die Kreuzkorrelation mit einem im elektronischen Programmspeicher abgelegten Mus­ tersignal im Empfangssignal erkannt, dann wird die weitere Einstellung der Empfangsmittenfrequenz f _M so optimiert, daß der Signal/Stör-Abstand des Kreuzkorrelationssignals maximal wird, bzw. die Streuung des Kreuzkorrelationssignals ein Mi­ nimum annimmt. Auf diese Weise können auch gut funktionie­ rende Empfangseinstellungen noch gefunden werden, die durch­ aus deutlich neben der zu erwartenden Sendermittenfrequenz liegen können, wenn z. B. durch die fünfte Oberwelle der Zeilenfrequenz eines Fernsehgerätes Störungen beim Empfang des Zeitzeichensenders DCF77 auftreten.

Intermodulation, beispielsweise zwischen dem HF-Signal des Zeitzeichensenders DCF77 und dem HF-Signal eines Störsenders, insbesondere mit der fünften Oberwelle der Zeilenfrequenz eines Fernsehgerätes oder der eines Datensichtgerätes, kön­ nen im Kreuzkorrelationssignal eine Vorzeichenumkehrung ge­ genüber dem im Normalfall zu erwartenden Kreuzkorrelations­ signal bewirken. Während bei seither bekannten Systemen bei Intermodulationseinflüssen kein Zeichenempfang mehr möglich ist, werden von dem erfindungsgemäßen System die Intermodu­ lationen durch das Programm der elektronischen Rechenschal­ tung erkannt, so daß die empfangenen Zeichen als richtig be­ wertet werden können.

Die Hierarchie der beiden Regelungsschleifen für die Ein­ stellung der Empfangsmittenfrequenz f _M und für die Einstel­ lung der Verstärkung v ist die, daß die Regelung der Emp­ fangskreismittenfrequenz f _M durch das Ergebnis der Kreuz­ korrelation die innere Schleife bildet und die Einstellung der Verstärkung v über die absolute Signalamplitude des HF-AM/NF-FM-Signalwandlerausgangssignals die überlagerte äußere Regelschleife darstellt.

Die Senderidentifikation wird in der vorliegenden Erfindung durch den Vergleich und die Bewertung der aktuell empfange­ nen charakteristischen Werte für die Periodizität und für den Amplitudenverlauf der Kreuzkorrelation mit den im elek­ tronischen Speicher der Rechenschaltung (4) abgelegten Richtwerten durchgeführt. Weiterhin werden die Ergebnisse der Plausibilitätsprüfung des empfangenen Zeitprotokolls und die Ergebnisse der statistischen Auswertung der Anzahl der verschiedenen empfangenen und erkannten logischen Muster (Histogramme) während eines definierten Zeitintervalls zu­ sammengefaßt und derjenige Sender eingestellt, der im unter­ suchten Frequenzband die größte Übereinstimmung mit den im Speicher der Rechenschaltung abgelegten charakteristischen Werten des gesuchten Senders hat.

Zum Zwecke der Beschleunigung der Erstabstimmung des Empfän­ gers nach dem erstmaligen Inbetriebnehmen der Anordnung er­ folgen die Einstellungen der Mittenfrequenz f _M des Empfangs­ schwingkreises (1) und die der Verstärkung v des Verstär­ kers (2) in Abhängigkeit von der Schwierigkeit der Detektion der Zeitzeichen nach drei verschiedenen zeitaufwendigen Fre­ quenzbandabtastverfahren.

Zuerst wird beginnend mit Programmalgorithmen, die eine "erste Schnellsuche" ermöglichen und die mit relativ großen Frequenzabständen und sehr kurzen Verweildauern, das interes­ sierende Frequenzband abgetastet und das Zeitsignal aufge­ spührt. Dabei sind die Frequenzabstände so bemessen, daß die groß gehaltenen Bandbreiten des Empfangsschwingkreises (1) und des Bandfilters nach dem Verstärker (2) voll genützt werden. Wird ein Signal empfangen, dann wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Rechenprogramms eine Feinabstimmung und eine Senderidentifikation vorgenommen.

Wenn die "erste Schnellsuche" erfolglos war, wird das glei­ che Verfahren in einer zweiten "Schnellsuche", allerdings mit kleineren Frequenzschritten und längeren Verweildauern und nochmals durchgeführt. Wird diesmal ein Zeitsignal er­ kannt, dann wird jetzt mit Hilfe der erfindungsgemäßen Al­ gorithmen eine Feinabstimmung und eine Senderidentifikation vorgenommen. Wenn diese feinere "zweite Schnellsuche" eben­ falls nicht zum gewünschten Empfang führt, dann kommt der zeitaufwendigste Algorithmus zur Anwendung.

Bei der dritten Suchweise werden in hinreichend kleinen Frequenzschritten für jede zu untersuchende Frequenz die erfindungsgemäßen Signaldetektionalgorithmen angewendet. Die hier benötigten Frequenzschritte sind aber immer noch um Potenzen größer als die in der Offenlegungsschrift DOS 35 04 338 geforderten Frequenzschritte, was für das be­ schriebene Empfangssystem extrem gute Stabilität bedeutet.

Nach dem Empfang der gesuchten Zeitzeichen, werden die Steu­ erparameter für die Mittenfrequenz f _M und für die Verstär­ kung v von der Rechenschaltung (4) im Datenspeicher gespei­ chert. Bei erneuten Empfangsversuchen werden die im Daten­ speicher gespeicherten Parameter als Startwerte für die Mittenfrequenz und für die Verstärkung verwendet. Falls diese Voreinstellungen dann aber nicht sofort zu einem er­ folgreichen Empfang führen, insbesondere dann, wenn die Zeitzeichenempfangseinrichtung zwischenzeitlich an einen an­ deren Ort gebracht wurde, oder wenn sich zwischenzeitlich die Empfangsbedingungen entscheidend verschlechtert haben, wird der Algorithmus für die Erstabstimmung wieder einge­ setzt.

Claims (15)

1. Regelung für Funkzeitzeichenempfänger bestehend aus einem durch elektronische Signale in der Mittenfrequenz f _M abstimmbaren breitbandigen Empfangsschwingkreis (1), einem durch elektronische Signale in der Verstärkung v einstellbaren bandselektiver Verstärker (2) und einem HF-AM/NF-FM-Signalwandler (3) und einer elektronischen Rechenschaltung mit elektronischem Speicher (4) so ver­ schaltet, daß der breitbandige Empfangschwingkreis (2) mit einem Eingang des HF-AM/NF-FM-Signalwandlers (3) ver­ bunden ist und der Ausgang der HF-AM/NF-FM-Siganlwand­ lers (3) mit einem Eingang der Rechenschaltung mit elek­ tronischen Speicher (4) verbunden ist und eine Verbin­ dung zwischen einem Ausgang der Rechenschaltung mit el­ ektronischem Speicher (4) und dem Mittenfrequenzsteuer­ eingang des breitbandigen Empfangsschwingkreises (1) vor­ handen ist und eine weitere Verbindung zwischen einem Ausgang der Rechenschaltung mit elektronischem Speicher (4) und dem Steuereingang des bandselektiven Verstärkers (2) vorhanden ist und eine Kreuzkorrelation zwischen dem Ausgangssignal des HF-AM/NF-FM-Signalwandlers (3) mit dem im Speicher der Rechenschaltung mit elektronischem Spei­ cher (4) abgelegten charakteristischen Muster der zu er­ wartenden Zeichen von der Rechenschaltung mit elektroni­ schem Speicher (4) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die vom bandselektiven Verstärker (2) abgegebenen analogen HF-Signalamplituden so eingestellt werden, daß die Frequenz und/oder die Perioden­ dauer des digitalen Ausgangssignals des HF-AM/NF-FM-Signal­ wandlers (3) durch die Rechenschaltung mit elektronischem Speicher (4) gemessen wird und über die Einstellung der Ver­ stärkung und des bandselektiven Verstärkers (2) auf einen von der Rechenschaltung mit elektronischem Speicher (4) vor­ gegebenen Bereich der Frequenz und/oder der Periodendauer eingestellt wird und nach Identifikation der gesuchten Zeichen die weitere Abstimmung der Mittenfrequenz f _M des breitbandigen Empfangsschwingkreises (1) über den Mitten­ frequenzsteuereingang des breitbandigen Empfangsschwing­ kreises (1) so erfolgt, daß das über das Rechenprogramm der Rechenschaltung mit elektronischem Speicher (4) er­ mittelte Verhältnis von Signalamplituden zu Störamplitu­ den im Kreuzkorrelationssignal maximal wird und/oder die Streuung des Kreuzkorrelationssignals ein Minimum annimmt.

2. Nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erstabstimmung der Mittenfre­ quenz f _M des breitbandigen Empfangschwingkreises (1) und der Verstärkung v des bandselektiven Verstärkers (2) auf den gesuchten Sender und die Detektion der Zeitzeichen nach dem erstmaligen Inbetriebnehmen der Anordnung in Ab­ hängigkeit von der Feldstärke und in Abhängigkeit vom Störpegel nach unterschiedlich zeitaufwendigen Frequenz­ bandabtastverfahren erfolgt, wobei mit einem Rechenpro­ gramm begonnen wird, das in weiten und versetzt geschach­ telten Frequenzabständen, die den Bandbreiten des Empfangs­ schwingkreises (1) und des Bandfilters des Verstärkers (2) angepaßt sind, mit jeweils nur sehr kurzen Identifikations­ prüfzeiten nach den zu erwartenden Zeitzeichen des gesuch­ ten Senders recherchiert und falls erforderlich, mit immer kleiner werdenden Frequenzschritten und zeitintensiveren Senderidentifikationsverfahren das erreichbare Frequenzband nach dem gesuchten Sender überprüft.

3. Nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Identifikation des jeweils ein­ gestellten Senders durch die kombinierte Bewertung und Ver­ gleich der charakteristischen Werte des jeweils eingestell­ ten Senders mit den in der Rechenschaltung mit elektroni­ schen Speicher (4) hinterlegten charakteristischen Werten für den gesuchten Sender während eines definierten Zeitin­ tervalls so erfolgt, daß die Ergebnisse des Vergleichs der charakteristischen Werte für die Periodizität und für den Amplitudenverlauf des Kreuzkorrelationssignals sowie die Er­ gebnisse der Plausibilitätsprüfungen des empfangenen Zeit­ zeichenprotokolls und weiterhin die Ergebnisse des Ver­ gleichs der statistischen Auswertung der Anzahl logischen Muster im Zeitzeichenprotokoll zusammengefaßt werden und derjenige Sender mit der gesamtheitlichen größten Überein­ stimmung der empfangenen charakteristischen Werte mit dem erwarteten charakteristischen Wert eingestellt wird.

4. Nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die im Speicher der Rechenschaltung mit elektronischen Speicher (4) abgelegten charakteristi­ schen Werte zur Senderidentifikation für jeden Sender in­ dividuell bestimmt werden können und bei Bedarf für belie­ bige Sender in die Rechenschaltung mit elektronischen Spei­ cher (4) einprogrammiert werden können.

5. Nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die bei einer Abstimmung auf einen gesuchten Sender ermittelten Steuerwerte der Mittenfrequenz f _M und der Verstärkung v im Speicher der Rechenschaltung mit elektronischem Speicher (4) abgelegt und bei erneuten Empfangsversuchen als Startwerte für die Steuerwerte zur An­ wendung kommen und falls diese dann nicht sofort zu einem erfolgreichen Empfang führen, der Algorithmus für die Erst­ abstimmung eingesetzt wird.

6. Nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekenn­ zeichnet, daß auftretende Intermodulationen zwi­ schen dem HF-Signal des Nutzzeichensenders und dem HF-Sig­ nal eines Störsenders im Kreuzkorrelationssignal eine Vor­ zeichenumkehrung gegenüber dem nach Anspruch 1 zu erwar­ tenden Kreuzkorrelationssignal bewirken können und dies durch das Rechenprogramm der elektronischen Rechenschaltung mit elektronischem Speicher (4) erkannt wird, sodaß die empfangenen Zeichen als richtig bewertet werden.

7. Nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine zusätzliche Dynamik der Emp­ fangssignalamplitudenregelung bei großen Empfangsamplitu­ den durch die Verstimmung der Empfangsmittenfrequenz f _M des breitbandigen Empfangsschwingkreises (1) erreicht wird.

8. Nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerung der Mittenfrequenz f _M des breitbandigen Empfangsschwingkreises (1) durch digita­ le Signale erfolgt.

9. Nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerung der Mittenfrequenz f _M des breitbandigen Empfangsschwingkreises (1) durch ein ana­ loges Signal erfolgt.

10. Nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerung der Verstärkung v des bandselektiven Verstärkers (2) durch digitale Signale er­ folgt.

11. Nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerung der Verstärkung v des bandselektiven Verstärkers (2) durch ein analoges Signal erfolgt.

12. Nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bandselektion am Ausgang des bandselektiven Verstärkers (2) mit einem breitbandig ge­ schalteten Quarz, insbesondere einem Stimmgabelquarz er­ folgt.

13. Nach Anspruch 1 und 11 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bandselektion am Ausgang des breitbandigen Verstärkers (2) mit einem breitbandig be­ schalteten Quarz, insbesondere einem Stimmgabelquarz er­ folgt.

14. Nach Anspruch 1, 11 und 12 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bandselektion am Aus­ gang des breitbandigen Verstärkers (2) durch monolithisch integrierte Bandfilter erfolgt.

15. Nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltung zur Steuerung der Mit­ tenfrequenz f _M des breitbandigen Empfangsschwingkreises (1) monolithisch mit dem breitbandigen Verstärker (2) und dem HF-AM/NF-FM-Wandler (3) integrierbar ist.