DE3723343A1 - Verfahren zum uebertragen eines digitalen zusatzsignals in einem ukw-fm-signal - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem unter der Bezeichnung "Audiodat" bekannten Fernwirkverfahren für Rundfunkübertragungsstrecken zwi­ schen Sendern und Umsetzern werden auf einen Hilfs­ träger im Bereich oberhalb 53 kHz ein digitales Zusatz­ signal in 2-PSK-Modulation (auch als Zweiseitenband- AM mit unterdrücktem Träger zu verstehen) aufmoduliert und der so modulierte Hilfsträger in das UKW-FM-Signal eingefügt. Die Bandbreite des gesendeten modulierten Hilfsträgers ist mit etwa 500 Hz sehr klein gewählt, um im Hinblick auf eine möglichst geringe Hörempfind­ lichkeit mit schmalbandigen Empfängern arbeiten zu können, da weder eine Datensicherung mit der Möglich­ keit einer Korrektur von Übertragungsfehlern noch eine flankensynchrone Datenübertragung mit der Möglichkeit einer Erhöhung der Demodulationssicherheit vorgesehen sind. Aufgrund dieser notwendigen Schmalbandigkeit ist die Schrittgeschwindigkeit für die Datenübertragung auf etwa 200 Baud beschränkt, was in der Praxis dazu führt, daß Nachrichten mit größerem Informationsin­ halt (z.B. 150 bit/Nachricht) eine relativ lange Über­ mittlungszeit (z.B. 1 s) benötigen.

Zur Übertragung digitaler Zusatzsignale im UKW-FM- Rundfunk ist es ferner bei einem als "Radio-Daten- System" (RDS) bezeichneten Verfahren bekannt, die auf einen 57 kHz-Hilfsträger in 2 PSK-Modulation aufmodulierten Zusatzsignale block- und gruppenweise zu übertragen, wobei jeder Datenblock Prüfdaten ent­ hält und die Datenübertragung flankensynchron erfolgt. Die Übertragungskapazität von 731 bit/s teilt sich indessen auf mehrere unterschiedliche Gruppen von Nutzinformationen, wie beispielsweise Programmkennung, alternative Frequenzen, Programmartkennung, so daß für die Übertragung von Fernwirkdaten zwischen Sendern und Umsetzern nur ein Teil der Gesamtkapazität mit zudem relativ hoher Zugriffszeit zur Verfügung steht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welches eine wesentlich höhere Übertragungskapazität als das erwähnte "Audiodat"-System bei praktisch un­ verminderter Zugriffszeit, ferner eine verbesserte Demodulationssicherheit und schließlich die Möglich­ keit einer Korrektur von kanaltypischen Übertragungs­ fehlern bietet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung beruht auf der überlegung, eine takt­ synchrone Datenübertragung vorzusehen, welche durch geeignete Quellen- und Kanalcodierung die Möglich­ keit bietet, Übertragungsfehler zu erkennen und weit­ gehend zu korrigieren. Zudem gewährleistet eine Takt­ synchronität der Datenübertragung eine sichere Demo­ dulation mit entsprechend hohem Störabstand, was in Verbindung mit der Fehlerkorrekturmöglichkeit eine Vergrößerung der Datenrate und damit eine Verringerung der Übermittlungszeit gestattet. Eine weitere Ver­ ringerung der Übermittlungszeit ergibt sich daraus, anstelle eines Blockcodes mit größerer Blocklänge und vergleichbaren Korrektureigenschaften zwei getrennte, aneinander angepaßte Kanalcodes zu verwenden, und zwar einen inneren Faltungscode zur Korrektur einfacher Bit­ fehler sowie einen äußeren, kürzeren Blockcode mit verkürzter Zyklsudauer zur anschließenden Erkennung verbleibender Fehler bzw. zur Korrektur von Bündel­ fehlern (d.h., es können Fehler beliebiger Struktur erkannt werden).

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild der Sende- und Empfangsseite eines erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des auf der Sendeseite von Fig. 1 vorgesehenen Datenprozessors;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des auf der Empfangsseite von Fig. 1 vorgesehenen Datenprozessors;

Fig. 4 ein Blockschaltbild des auf der Sendeseite von Fig. 1 vorgesehenen Modulators, und

Fig. 5 ein Blockschaltbild des auf der Empfangs­ seite von Fig. 1 vorgesehenen Demodulators.

Die in Fig. 1 gezeigte Datenquelle 1 gibt über eine serielle Schnittstelle 21 Datenworte an den Datenprozessor 2 der Sendeseite 200 ab. Die Datenworte werden zur Re­ dundanzreduktion in einm Quellencoder 22 von Wortsynchro­ nisations- und Paritätsbits befreit. Das synchrone Über­ tragungsverfahren setzt in regelmäßigen Zeitabständen ankommende Quellendaten voraus. Bei fehlendem Ausgangs­ signal der Datenquelle werden deshalb vom Datenprozessor 2 Füllwörter eingefügt. Die Füllwörter werden so gewählt, daß die Bittaktinformation hoch ist und eine Quasi-Zu­ fallsverteilung von "Nullen" und "Einsen" entsteht. Damit wird einerseits im Demodulator 9 auf der Empfangs­ seite 300 die Zuverlässigkeit der Trägerrückgewinnung 91 und der Bittaktrückgewinnung 93 erhöht, wie auch die Synchronisation der im empfangsseitigen Datenprozessor 10 enthaltenen Block- und Faltungsdecoder 101 c bzw. 102 b (Fig. 3) verbessert. Andererseits wird damit ein energie­ verwischtes Signal erzeugt, dessen Intermodulationspro­ dukte mit anderen Signalen ebenfalls energieverwischt sind und somit eine kleinere Störwirkung als diskrete Störfrequenzen zeigen.

Zur Kennzeichnung der Füllwörter, die auf der Empfangs­ seite 300 nicht an die Senke 11 abgegeben werden dürfen, wird vom sendeseitigen Datenprozessor 2 ein spezielles Datenwort zur Ausfallerkennung erzeugt. Hierzu werden im äußeren Kanalcoder 23 (Blockcoder) des Datenprozessors 2 jeweils fünf Datenworte zusammengefaßt und gemäß einer Blockcodierregel mit Prüfdaten zur Fehlersicherung und Blocksynchronisation versehen. Diese Blockdaten werden anschließend in dem inneren Kanalcoder 24 des Daten­ prozessors 2 faltungs- und differenzcodiert (Faltungs­ coder 24 a, Differenzcoder 24 b (Fig. 2)).

Die codierten Daten am Ausgang des Differenzcoders 24 b werden im Bittakt dem Modulator 3 übergeben. Der Modu­ lator 3 umfaßt eine Stufe 31 zur Spektralformung und einen ZSB-Modulator 32. Die Stufe 31 besteht wiederum, wie Fig. 4 zeigt, aus der Serienanordnung eines NRZ/ RZ-Wandlers 31 a, einer Differenzierstufe 31 b, einer Gleichrichterstufe 31 c und einem Sendeimpulsformungs­ filter 31 d. Der Wandler 31 a transformiert die NRZ- Codierung des vom Datenprozessor 2 angelieferten Daten­ signals in eine RZ-Codierung ("NRZ" = Non-Return-to-Zero; "RZ" = Return-to-Zero). Mit Hilfe der anschließenden Stufen 31 b und 31 c wird bei jeder logischen 1 des Ein­ gangsdatensignals ein Delta-Impuls erzeugt, der das Sendeimpulsformungsfilter 31 anregt. Das Spektrum am Aus­ gang dieses Filters 31 d entspricht dann seiner Über­ tragungsfunktion. Die Impulsantwort ermöglicht in Ver­ bindung mit der Impulsantwort des signalangepaßten Fil­ ters 94 a (Fig. 5) im Regenerator 94 (Fig. 1) des empfangsseitigen Demodulators 9 einen optimalen Störab­ stand des Datensignals.

Die niederfrequenten Modulationssignale am Ausgang des Sendeimpulsformungsfilters 31 d (Fig. 4) werden an­ schließend in einem Mischer 32 a durch das Trägersignal eines Oszillators 32 b zweiseitenbandamplitudenmoduliert (auch als 2-PKS-Modulation anzusehen). Das so erzeugte Zusatzsignal wird dem stereocodierten Signal (Links­ signal 42, Rechtssignal 43; Fig. 1) und anderen Zusatz­ signalen wie ARI und/oder RDS 41 in einem Stereocoder 4 zugefügt und von einem UKW-FM-Sender 5 über dessen Sende­ antenne 6 abgestrahlt.

Auf der Empfangsseite 300 wird das von 6 abgestrahlte Signal mit der Empfangsantenne 7 empfangen und einem Ballempfänger 8 zugeführt, wo die ursprüngliche Fre­ quenzlage des Zusatzsignals wiederhergestellt wird. Durch Selektion und Synchrondemodulation des 2-PSK- modulierten Zusatzsignals sowie anschließender Regenera­ tion wird in einem Demodulator 9 (Fig. 5) der digitale Datenstrom wiedergewonnen. Der Demodulator 9 umfaßt ge­ mäß Fig. 1 eine Regelschleife 91, einen Synchrondemo­ dulator 92, eine Stufe 93 zur Bittaktrückgewinnung und einen Regenerator 94. Die - wegen des sendeseitig fehlen­ den Trägersignals erforderliche - Trägerrückgewinnung erfolgt, wie in Fig. 1 mit strichpunktierter Umrißli­ nie 90 angedeutet ist, innerhalb einer modifizierten Costasschleife, welche die Regelschleife 91, den Synchron­ demodulator 92 und einen Teil des Regenerators 94 umfaßt. Wie aus Fig. 5 im einzelnen ersichtlich ist, besteht die modifizierte Costas-Schleife aus

• - einem ersten Mischer 91 a, dem das Ausgangssignal des Ballempfängers 8 und das um 90° phasengedrehte Schlei­ fen-Ausgangssignal (= rückgewonnenes Trägersignal) zugeführt wird,
• - einem Tiefpaßfilter 91 c, dem das Ausgangssignal des ersten Mischers 91 a zugeführt wird,
• - dem als zweiten Mischer ausgebildeten Synchrondemo­ dulator 92, dem das Ausgangssignal des Ballempfängers 8 und das Schleifen-Ausgangssignal zugeführt werden,
• - einem signalangepaßten Tiefpaßfilter 94 a, dem das Ausgangssignal des Synchrondemodulators 92 zugeführt wird,
• - einem Amplitudenentscheider 94 b, dem das tiefpaß­ gefilterte Ausgangssignal des signalangepaßten Fil­ ters 94 a zugeführt wird,
• - einem dritten Mischer 91 d, dem das tiefpaßgefilterte Signal des Tiefpaßfilters 91 c und das Ausgangssignal des Amplitudenentscheiders 94 b zugeführt werden,
• - einem weiteren Tiefpaß 91 e, dem das Ausgangssignal des dritten Mischers 91 d zugeführt wird,
• - einem spannungsgesteuerten Oszillator 91 f (VCO), dem das tiefpaßgefilterte Ausgangssignal des Tiefpaß­ filters 91 e zugeführt wird und welcher das Schleifen- Ausgangssignal bereitstellt.

Das im Inphase-Zweig der modifizierten Costas-Schleife demodulierte und in seinem Störabstand optimierte Daten­ signal wird beim Durchlaufen des signalangepaßten Filters 94 a und des Amplitudenentscheiders 94 b in der Mitte der vertikalen Augenöffnung abgetastet und somit in der Amnlitudenebene regeneriert. Tiefßaßfilter 94 a und Amplitudenentscheider 94 b sind neben Zeitentschei­ der 94 c gleichzeitig auch Bestandteile des Regenerators 94. Im Zeitentscheider 94 c des Regenerators 94 erfolgt auch die Abtastung des Ausgangssignals des Amplituden­ entscheiders 94 b zum störsichersten Zeitpunkt (in der Mitte der horizontalen Augenöffnung). Dies setzt die Kenntnis der Bittaktfrequenz und -phase voraus. In der Stufe 93 zur Bittaktrückgewinnung aus dem Ausgangs­ signal des Amplitudenentscheiders 94 b werden die Bit­ taktfrequenz und -phase wiedergewonnen. Das Datensignal­ spektrumweist allerdings nach dem Amplitenentscheider 94 b bei der Taktfrequenz eine Nullstelle auf. Durch Differen­ tiation (Differenzierstufe 93 a) und Doppelweggleich­ richtung (Gleichrichter 93 b) wird ein relatives Maximum des Spektrums bei der Bittaktfrequenz erzeugt, damit innerhalb der nachfolgenden PLL-Schaltung 93 c ein Phasen­ vergleich stattfinden kann. Die regenerierten Daten und der zugehörige Takt werden an den Datenprozessor 10 der Empfangsseite 300 übergeben (Fig. 1). Ferner wird der Takt dem Zeitentscheider 94 c zugeführt.

Wie in Fig. 3 angedeutet, werden die Daten im Daten­ prozessor 10 zunächst differenzdecodiert (Differenz­ decoder 101 a), um die durch das Demodulatorkonzept bedingte Unsicherheit in der Datenpolarität zu besei­ tigen. Die durch den Differenzdecoder 101 a verfälschte Struktur der Übertragungsfehler wird im nachfolgenden Faltungsdecoder 101 b berücksichtigt, so daß Kanal­ einzelbitfehler korrigiert werden können. Gleich­ zeitig werden Fehlerbündel, die die Korrekturfähig­ keit des Faltungsdecoders 101 b überschreiten, in prak­ tisch unveränderter Länge an den Blockdecoder 102 weitergereicht und dort korrigiert. Wird auch die Korrekturfähigkeit des Blockdecoders überschritten, werden die betroffenen Daten verworfen.

Da in jedem Decoder n Eingangsbits m Ausgangsbits zugewiesen werden (n < m), können n verschiedene Syn­ chronisationszustände entstehen, wovon nur einer richtig ist. Durch Überwachung und statistische Aus­ wertung der fehlererkennenden und -korrigierenden Funktion jedes Decodertyps können beide Decoder 101 b, 102 a unabhängig voneinander auf ihren jeweiligen Ein­ gangsdatenstrom mittels gesonderten Synchronisier­ stufen 101 c bzw. 102 b svnchronisiert werden.

Der Datenprozessor 10 trennt mit Hilfe der übertragenen Ausfallerkennung aus den fehlerfreien Ausgangsdaten des Blockdecoders 102 a die tatsächlich gesendeten Daten ab. Im nachfolgenden Quellendecoder 103 werden den Daten­ worten die für die Übertragung zur Datensenke 11 er­ forderlichen Synchronisations- und Paritätsbits zuge­ führt. Die wiederhergestellten Quellendaten gelangen schließlich über die serielle Schnittstelle 104 an die Datensenke 11.

Claims (5)

1. Verfahren zum übertragen eines digitalen Zusatz­ signals in einem UKW-FM-Signal, bei dem sendeseitig

• - ein Hilfsträger mit dem digitalen Zusatzsignal phasenmoduliert wird,
• - der phasenmodulierte Hilfsträger in das UKW- FM-Signal eingefügt wird
  und empfangsseitig
• - aus dem Empfangssignal das digitale Zusatzsignal durch Demodulation gewonnen wird, und
• - das gewonnene digitale Zusatzsignal gefiltert wird,

gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:

• a) Das digitale Zusatzsignal wird vor der Modula­ tion einer Quellencodierung und einer Kanalco­ dierung unterzogen, wobei
  • - zur Quellencodierung aus einem von einer beliebigen Datenquelle gelieferten Ausgangs­ signal die Nutzdaten abgetrennt werden, und
  • - zur Kanalcodierung zunächst die Nutzdaten mit Prüfdaten blockweise dahingehend kombi­ niert werden, daß die resultierenden Block­ daten einer bestimmten Blockcodierungsvor­ schrift genügen, anschließend die codierten Blockdaten einer auf die Block- und Differenz­ codierung abgestimmten Faltungscodierung unterzogen werden und schließlich die faltungs­ codierten Blockdaten einer Differenzcodierung unterzogen werden.
• b) Die aus dem Empfangssignal gewonnenen, differenz­ und faltungscodierten Blockdaten werden einer Differenz- und einer Faltungsdecodierung unter­ zogen, wobei die Blockdaten auf die Einhaltung der Faltungscodiervorschriften geprüft und gegebenenfalls korrigiert werden und die gegebenen­ falls korrigierten Blockdaten einer abschließen­ den Blockdecodierung unterzogen werden, wobei die Einhaltung der Blockcodiervorschrift geprüft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum einen die Abstimmung der Faltungscodierung auf die Differenzcodierung in der Weise vorgenommen wird, daß durch die Differenzdecodierung in ihrer Struktur veränderte Übertragungsfehler korrigier­ bar sind und zum anderen die Abstimmung der Fal­ tungscodierung auf die Blockcodierung in der Weise vorgenommen wird, daß bei der Blockdecodierung die nach der Faltungsdecodierung und Fehlerkorrektur verbleibenden restlichen Übertragungsfehler nach Maßgabe der Prüfung der Blockcodierungsvorschrift korrigierbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei fehlendem Ausgangssignal der Datenquelle die Blockdaten eine Ausfallkennung enthalten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das quellen- und kanal­ codierte, digitale Zusatzsignal vor der Modulation einer Spektralformung unterzogen wird.