DE3733965A1 - Verfahren zur informationsgewinnung aus stark gestoerten daten eines zeitzeichensenders - Google Patents
Verfahren zur informationsgewinnung aus stark gestoerten daten eines zeitzeichensendersInfo
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Description
Aufgabe der Erfindung ist die Gewinnung fehlerfreier Daten aus
stark gestörten Empfangssignalen von Zeitzeichensendern, insbesondere
des Senders DCF-77, in Funkuhrempfängern. Die vorliegende
Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Zeitzeichenerkennung
stark gestörter Empfangssignale, wobei sowohl
die Synchronisation der Funkuhr auf den Sekundenbeginn als auch
die Erkennung der Zeitinformation aus fehlerhaft empfangenen,
binären Protokollen des Senders DCF-77 nach dem gleichen Prinzip
vorteilhaft durchgeführt wird.
Bei dem Sender DCF-77 handelt es sich um eine Informationsquelle,
die in jeder Minute ein vollständiges Zeittelegramm
aussendet.
Die Amplitude des Trägersignales vom 77,5 kHz wird genau zu
Beginn jeder Sekunde auf 25% ihres Ausgangswertes abgesenkt.
An der Dauer der Absenkung erkennt man, ob eine "logische 0"
(100 ms) oder eine "logische 1" (200 ms) übertragen wurde. Die
Reihenfolge der auf diese Weise übertragenen Bits repräsentiert
in Form des BCD-Kodes jede einzelne Dezimalstelle der gesamten
Zeitinformation.
Wird ein Zeitzeichenempfänger eingeschaltet, so muß sich dieser
zunächst auf die Sekunde synchronisieren. Dabei sollten die
Anfänge der Sekunden bzw. Minuten der inneren Uhr im Zeitzeichenempfänger
möglichst gut mit den entsprechenden Anfängen
empfangenen Sekunden bzw. Minuten übereinstimmen. Dies ist
notwendig, damit man gerade die Zeitintervalle, in denen die
Bitimpulse liegen (100 ms oder 200 ms lang), genau genug
untersuchen und miteinander vergleichen kann.
Bei der Sekundensynchronisation wird erkannt, inwieweit eine zu
stellende innere Uhr vom tatsächlichen Sekundenbeginn abweicht.
Hierzu muß erkannt werden, wenn die Absenkung in bezug auf die
Vergleichsuhr stattfindet.
Stand der Technik ist die separate Analyse eines jeden empfangenen
Sekundenimpulses und die Analyse eines zusammenhängenden
Minutenintervalles [1,3,4]. Bei schlechtem Empfang enthält das
demodulierte Zeitsignal z. B. zusätzliche Absenkungen, die mit
dem tatsächlichen Sekundenbeginn verwechselt werden könne
(siehe Bild 1), weshalb es häufig nicht zu einer Sekundensynchronisation
kommt.
Bei stark gestörtem Modulationsverlauf versagen alle bekannten
Verfahren, da Fehlentscheidungen (z. B. an falscher Stelle erkannte
fallende Flanke siehe Bild 1) verteilt im zu untersuchenden
Sekundenintervall auftreten. Erfindungsgemäß wird daher eine
Korrelation nicht wie bisher jeweils zwischen einem einzelnen
Sekundenverlauf und einem Modellsignal, sondern jetzt zwischen
einem aus mehreren Sekundenverläufen gewonnenen Signal und dem
Modellsignal eingeführt.
Als ein besonders geeignetes Filterverfahren hierzu wird die
Blockfilterung vorgeschlagen. Bei der Blockfilterung in Anwendung
auf Funkuhrsignale werden im einfachsten Fall jeweils im
Abstand von einer Sekunde die einzelnen Amplitudenabtastwerte an
entsprechenden Zeitstellen addiert (siehe Bild 2). Anstelle der
Addition der Abtastwerte kann auch mit Hilfe eines diskreten
Algorithmus zur Tiefpaßfilterung gearbeitet werden. Es bildet
sich dabei nach einiger Zeit auch bei stark gestörtem Signal ein
mittleres Abbild aufeinanderfolgender Sekundenabsenkungen, siehe
die verstärkt gezeichnete Kurve in Bild 3 (a = Anzahl der erfaßten
Abtastwerte z. B. 1000 pro Sekunde). Die fallende Flanke
unterscheidet sich bei beiden Signalarten nicht. Somit ist der
Sekundenanfang erfindungsgemäß recht genau zu bestimmen.
Um stets die richtige Uhrzeit anzeigen zu können, muß man
zunächst die logischen Werte der Sekundenimpulse so sicher wie
möglich ermitteln. Ist das empfangene Protokoll (d. h. die Menge
der empfangenen und gespeicherten Binärwerte) fehlerhaft, so
versagen herkömmliche Anordnungen sehr früh, da schon bei einer
Fehlerrate von beispielsweise 10% fast nie eine sichere Anzeige
der Uhrzeit stattfinden kann, da alle Bits innerhalb eines
bestimmten Zeitintervalles der Minute (das 21. Bit bis 58. Bit
tragen Protokollinformation) richtig sein müssen. Der
erfindungsgemäße Gedanke besteht darin, auch die in einem stark
gestörten Protokoll enthaltene richtige Teilinformation zu
nutzen und damit die Empfangssicherheit erheblich zu steigern.
Nach der von Shannon [5] definierten maximalen Übertragungskapazität
eines gestörten Nachrichtenkanales wird bei entsprechend
schlechtem Empfang kein Erkennungsverfahren für Einzelsignale in
der Lage sein, ein vollständiges Zeitzeichen (Minutenprotokoll)
aus 38 Einzelsignalen (21. bis 58. Sekunde) sofort richtig zu
erkennen.
Der im folgenden beschriebene Anordnung liegt erfindungsgemäß
die Idee zugrunde, daß man trotz starker Störungen beim Empfang
die richtige Zeitinformation durch Kombination richtig erkannter
Teile aus mehreren gestörten Minutenprotokollen herstellen kann.
Gestört bedeutet, daß bei Betrachtung des empfangenen Minutenprotokolles
(gesamtes Zeittelegramm der Minute) eine oder
mehrere binäre Fehlentscheidungen getroffen worden sind.
Da ohne Überprüfung der Minutenprotokolle eine Übernahme der
möglicherweise falschen Information in die Anzeige der Uhr
stattfinden würde, wurden bereits frühzeitig bei der Entwicklung
von Funkuhren Verfahren zur Sicherung der Übernahmefunktion
vorgestellt [3].
Die in der Literatur beschriebene Vorgehensweise zur Sicherung
gegen Fehlanzeigen [3] bewirkt bei starken Störungen oder
schlechtem Empfang, daß anstelle einer falschen Uhrzeit nach
Einschalten der Funkuhr überhaupt keine Zeit angezeigt wird, da
die entsprechende Prüfbedingung nicht erfüllt wurde. Dies läßt
sich wie folgt zeigen:
Die Wahrscheinlichkeit p M , daß ein Minutenprotokoll fehlerfrei
ist, leitet sich aus dem Produkt von 38 Einzelwahrscheinlichkeiten
p S ab. Dabei wird angenommen, daß alle Bits mit der gleichen
Wahrscheinlichkeit p S richtig sind, und daß die fehlerverursachenden
Störungen unkorreliert sind, wobei im Mittel jedes
zweite (p M = 0,5) Protokoll richtig sein soll.
p M = p S ³⁸ (1)
Hieraus ergibt sich die scharfe Forderung für p S :
Zum Vergleich sei erwähnt, daß sich z. B. bei P M = ¹/₁₀ dieser Wert
nur auf P S = 97% ermäßigt.
Bei der Überprüfung aufeinanderfolgender Protokolle müssen
jeweils die zugehörigen Positionen der beiden betrachteten
Minuten miteinander verglichen werden.
Diese Vorüberlegungen zeigen, welche Größenordnung an Zuverlässigkeit
bisher für die einzelne Bitinformation gefordert
werden mußte. Es ist daher nicht überraschend, daß bei üblichen
Sicherungsverfahren für das Minutenprotokoll, die sich auf die
Richtigkeit eines zusammenhängenden Protokolls stützen, bei
schlechtem Empfang sehr selten eine Übernahme erfolgt. Es kommt
oft dazu, daß ein fast richtiges Protokoll verworfen wird und
die gesamte daraus gewinnbare Information verloren geht.
Wenn man aufeinanderfolgende Minutenprotokolle betrachtet, so
ist jedes Sekundenzeichen nach einem einmalig vollständig richtig
empfangenen Minutenprotokoll vollkommen bekannt. Es wird
praktisch immer wieder die selbe Information übertragen, da
jedes Bit vorhersagbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
beruht auf der Tatsache, daß im Protokoll (nach der Sekundensynchronisation)
eine Zuordnung aller empfangenen Daten im
genauen Minutenabstand vorgenommen werden kann (siehe Bild 4).
Der Eintrag des Elementes P(i,j) erfolgt bezogen auf den Beginn
des Protokollfeldes um j · 60+i Sekunden verschoben. Das Protokollfeld
wird in jeder Sekunde um ein Bit vergrößert. Es stellt
eine Matrix der Zeilenbreite 60 und der Spaltenlänge n (Anzahl
der protokollierten Minuten) dar. Die Elemente der Matrix tragen
zunächst nur die Information einer einfachen binären Entscheidung.
Die binäre Entscheidung über den logischen Zustand des Wertes in
einer Spalte wird nach dem Mehrheitsprinzip vorgenommen. Dabei
wird stets zur Vermeidung der Patt-Situation eine ungerade
Anzahl von Bits pro Spalte betrachtet. Die Formel ergibt sich
aus folgenden einfachen Überlegungen:
Die Wahrscheinlichkeit p K , das genau k Werte in einer Spalte
richtig sind, ist:
Zur Wahrscheinlichkeit p <50%, daß mehr als die Hälfte, d. h.
mindestens (n+1)/2, der Werte richtig sind, muß man alle Fälle
zusammenfassen, die zur richtigen Entscheidung führen:
Diese Wahrscheinlichkeit f <50% konvergiert in Abhängigkeit von n
und p S unterschiedlich schnell gegen 1 (siehe Bild 5). In Bild 5
ist p <50% nach oben (in einem Quader) in Abhängigkeit von n und
p S (in der Ebene) aufgetragen. Es ist auch angedeutet, daß die
Achse für p S nichtlinear geteilt ist. Aus den Kurven ergibt sich
im Überblick, daß das einfache Mehrheitsentscheidungsprinzip
eine sehr gute Konvergenzeigenschaft besitzt. So kann z. B. für
die Einzelwahrscheinlichkeit p S = 70% bereits nach n=31 Minuten
mit über 99% Gesamtsicherheit p <50% der logische Zustand einer
bestimmten Bitposition festgelegt werden. Diese Sicherheit würde
einer üblichen Paritätsprüfung und Kontinuitätsprüfung [2] mit
den oben genannten Werten vollkommen entsprechen, wobei zu
berücksichtigen ist, daß ohne Protokollfeldauswertung bei p S = 70%
eine Anzeige praktisch nie erfolgen würde.
Die Wahrscheinlichkeit p S nimmt unter schlechter werdenden
Empfangsbedingungen ab. Geht man von einer Empfangslage aus, bei
der eine bestimmte Empfangssicherheit p S vorliegt, so ist
interessant, inwieweit die Verschlechterung der Empfangslage
durch Vergrößerung von n ausgeglichen werden kann.
Untersuchungen zeigen, daß eine Verschlechterung der Empfangsleistung,
die man durch eine Multiplikation mit 1/β kennzeichnen
kann (β < 1) durch eine Vergrößerung der Meßzeit um den Faktor β
ausgeglichen werden kann, wenn man die vorgestellte Protokollfeldauswertung
zugrundelegt. Bei einer Meßzeit von zwei Stunden
kann eine Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses von
über 20 db unabhängig von der verwendeten Empfängerschaltung
ausgeglichen werden. Die derzeit realisierte Empfängeranordnung
bewältigt sogar 400 Einträge, sodaß ein über 26 db verschlechterte
Empfangslage ausgeglichen werden kann.
Die bisherigen Betrachtungen gehen vereinfachend davon aus, daß
immer das gleiche logische Zeichen in einer bestimmten Sekunde
auftritt. Dies ist der Fall, solange die entsprechenden
Überträge (Minute, Stunde etc.) nicht stattfinden. Jedoch
ändert sich z. B. bei einem Jahreswechsel fast jede
Einzelinformation in den untersuchten Bitpositionen. Ein Verfahren,
das sich auf die Wiederholung des logischen Sollwertes
verlassen muß, kann zu einem bestimmten Zeitpunkt versagen
(Extremfall: Einschalten der Uhr kurz vor Jahreswechsel). Ein
solches Verfahren wäre im übrigen zur Ermittlung der Daten, die
sich innerhalb einer Zeit von bis zu acht Stunden ändern (n
= 480 derzeit angestrebter maximaler Suchzeitraum) nicht in der
Lage. Hierzu gehören die Kodierungen für die Minute und für die
unterste Stelle der Stunde. Diese Informationen sind jedoch von
großem Interesse.
Abhilfe schafft die Einbeziehung des bekannten inneren Zusammenhanges
aufeinanderfolgender Bits. Hierzu wird der Vergleich mit
im voraus berechenbaren Musterfunktionen vorgeschlagen. In Bild
6 ist eine Musterfunktionsmatrix für die Abfolge der Bitpositionen
der vollständigen Protokollinformation für die Minute dargestellt,
die mit der Zeile m(0) beginnt. Die nächste Musterfunktionsmatrix
beginnt mit der Zeile m(1).
Die verschiedenen Musterfunktionsmatrizen unterscheiden sich
also nur durch die Wahl ihrer ersten Zeile m(j). Vergleicht man
die verschiedenen Musterfunktionsmatrizen mit dem entsprechenden
Abschnitt des Protokollfeldes, so kann man feststellen, welche
Musterfunktion die größte Übereinstimmung hat. Nach dieser
Feststellung weiß man, daß der fehlerfreie Zeitkode der ersten
Zeile der Mustermatrix aller Voraussicht nach der Zeit entspricht,
die zu Beginn des Eintragens in das Protokollfeld
gegolten hat. Es kann dann sofort eine Aussage über die aktuelle
Zeit gemacht werden, da die Zeitdifferenz, die seit dem Beginn
des Eintragens in das Protokollfeld verstrichen ist, genau
bekannt ist.
Aus Beobachtungen geht hervor, daß gelegentlich eine Übernahme
der Zeit in die Anzeige nicht stattfindet, weil impulsartige
Störungen (z. B. Schaltregler) im elektrischen Umfeld der Uhr in
kurzen Abständen Störungen verursachen.
Überträgt man die Ergebnisse auf die Verhältnisse bei der
Protokollfeldauswertung, so kann man nach Möglichkeiten suchen,
eine schnellere Konvergenz der Protokollfeldauswertung zu
erreichen, wenn man die Störungen erkennt und die mit hoher
Wahrscheinlichkeit falschen Einträge kennzeichnet.
Da ein Eintrag in das Protokollfeld in jedem Falle stattfinden
muß, kann man im einfachsten Falle ein "don't care" im Protokollfeld
vorsehen, so daß eine grobe Gewichtung stattfinden
kann.
Geht man noch weiter, so kann eine feinere Gewichtung für die
Empfangssicherheit eingetragen werden. Man kann zeigen, daß bei
geschickt gewählter Gewichtung eine schnellere Konvergenz der
Wahrscheinlichkeit eintritt, mit der ein Protokoll richtig
erkannt wird.
Als Gütekriterium für die Gewichtung läßt sich das jederzeit und
relativ einfach ermittelbare Signal-Rausch-Verhältnis im
abgetasteten Signal benutzen. Je größer die Signalenergie des
Senders DCF-77 im Verhältnis zur Gesamtenergie des empfangenen
Signales ist, desto höher kann der Eintrag gewichtet werden
(z. B. lineare Gewichtung). Die Ermittlung der Gesamtleistung
geschieht durch Abtastung des den Träger beinhaltenden
empfangenen Analogsignales mittels eines A/D-Wandlers und
Quadrierung der einzelnen Abtastwerte, wobei die Gesamtenergie
in einem bestimmten Intervall durch Addition der quadrierten
Werte erfolgt.
Die auf diese Weise einbezogenen Informationen über das elektrische
Umfeld des Funkuhrempfängers durch gezielte und gleichzeitige
Untersuchung des benachbarten Frequenzbereiches erhöht
die Effizienz der Protokollfeldauswertung. In Bild 7 sind
schematisch im Abstand von Δ f von der Senderfrequenz f DCF zwei
weitere Frequenzbänder eingezeichnet, die im Rahmen der Ermittlung
der Gesamtleistung mituntersucht werden. Damit wird
deutlich, daß eine große Klasse von korrelierten Störungen in
beiden Frequenzbändern und dem Empfangsband des Senders DCF-77
gezielt zur effektiven Gewichtung der Feldeinträge herangezogen
werden kann. Treten in den Seitenbändern hohe Störamplituden
auf, so kann eine niedrige Gewichtung des Protokollfeldeintrages
stattfinden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Beispiele näher
erläutert. Es zeigt
Bild 1 Zeitverlauf einer stark gestörten Modulation
(wirklicher Verlauf gestrichelt)
Bild 2 Anordnung zur Blockfilterung des demodulierten
Eingangssignales
Bild 3 Mischform aus kurzer und langer Absenkung
(eventuell durch Vorfilterung verschliffen),
die die Information über den Sekundenbeginn
widerspiegelt
Bild 4 Aufbau des Protokollfeldes
Bild 5 Konvergierende Wahrscheinlichkeit p <50%
der Mehrheitsentscheidung
Bild 6 Beispiel für eine Musterfunktionsmatrix
Bild 7 Zu untersuchendes Seitenband
Dazu seien noch einige Erläuterungen angefügt:
Der in Bild 1 dargestellte Verlauf wird von einer üblichen
Demodulationsstufe und einer Quantisierungsstufe (A/D-Wandler)
zur Verfügung gestellt. Bild 2 ergänzt die bekannten Anordnungen
zur Sekundensynchronisation, und erzeugt erfindungsgemäß
(Anspruch 2) die abrufbaren Inhalte in einem Blockfeld, dessen
Ergebnisse in Bild 3 dargestellt sind. Funktional schließt sich
die bekannte Art der Sekundensynchronisation (Matched-Filter)
[3] anhand des Blockfilters an. Ebenso können beliebige und
bereits bekannte Verfahren zur logischen "0"-"1"-Entscheidung
benutzt werden, um in jeder Sekunde ein mehr oder weniger
gestörtes binäres Signal zu erzeugen. Die Bildung des Protokollfeldes
(Bild 4) schließt sich über einen längeren Zeitraum
(mehrere Stunden) an, wobei durch die Protokollfeldauswertung
eine nahezu beliebig sichere (Konvergenzeigenschaft siehe Bild
5) Anzeige erfolgen kann. Diese Sicherheit wird bei sich
ändernden Daten durch einen Mustermatrizenvergleich (Bild 6)
erreicht. Bild 7 zeigt schematisch die Frequenzbereiche, die zur
gewichteten Eintragung ins Protokollfeld herangezogen werden.
[1] Bermbach R.
Neue Funkuhrkonzepte durch enge Verflechtung von Empfänger und Mikrocomputer, Darmstädter Dissertation D17 1985
[2] Hilberg W., Bermbach R.
Anordnung zum schmalbandigen Filtern der Zeitzeichensignale des Senders DCF 77, Patentschrift DE 34 26 779 C2
[3] Kahlhöfer R.
Realisierung kompakter störsicherer Funkuhren mit den Mitteln der Mikroelektronik, Dissertation TH-Darmstadt 1980
[4] Hilberg W.
Funkuhren, Oldenbourg-Verlag 1983
[5] Shannon C. E., Weaver W.
Mathematische Grundlagen der Informationstheorie, Oldenbourg-Verlag München 1976
Neue Funkuhrkonzepte durch enge Verflechtung von Empfänger und Mikrocomputer, Darmstädter Dissertation D17 1985
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Realisierung kompakter störsicherer Funkuhren mit den Mitteln der Mikroelektronik, Dissertation TH-Darmstadt 1980
[4] Hilberg W.
Funkuhren, Oldenbourg-Verlag 1983
[5] Shannon C. E., Weaver W.
Mathematische Grundlagen der Informationstheorie, Oldenbourg-Verlag München 1976
Claims (5)
1. Verfahren zur Gewinnung der fehlerfreien Daten aus stark gestörten
Empfangssignalen von Zeitzeichensendern, insbesondere des
Senders DCF-77, in Funkuhrempfängern, dadurch gekennzeichnet,
daß die Signale von mehreren aufeinander folgenden Zeitintervallen
(z. B. Sekunden, Minuten) zuerst gespeichert und die
gespeicherten Signale dann so zusammengefaßt und bewertet werden
(z. B. Addition mit zeitabhängigem Löschen, Filtern, Mehrheitsentscheid),
daß sich die fehlerfreien systematisch erscheinenden
Daten aus den zufällig erscheinenden Störungen und Fehlern im
Verlaufe einer anwachsenden Anzahl von Zeitintervallen zunehmend
herausheben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Ermittlung der genauen Zeitlage der vom Sender abgestrahlten
Sekundenimpulse (Sekundensynchronisation) das Zeitsignal abgetastet
wird, die entsprechenden Abtastwerte jeweils genau im
Abstand einer Sekunde addiert werden und ein Dauerbetrieb durch
regelmäßiges Löschen der Summe oder durch kontinuierliches
Tiefpaßfiltern erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Ermittlung der logischen Werte der Sekundenimpulse eines Zeittelegrammes
(im Minutenintervall) und zur Erkennung des Minutenanfanges
die logischen Werte einer jeden Sekundenposition im
Zeittelegramm separat gespeichert werden (jeweils eine Spalte in
der Matrixdarstellung) und daß zur Entscheidung über den logischen
Zustand des betrachteten Sekundenimpulses eine Mehrheitsentscheidung
durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erkennung von Daten, die sich in den Bitpositionen ändern
müssen, ein Vergleich mit sich regelmäßig ändernden Musterfunktionen
durchgeführt wird und daß zur Entscheidung die Mehrheit
der übereinstimmenden Bits zugrunde gelegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
in jeder Sekunde ermittelte binäre Information in Abhängigkeit
der Empfangsqualität gewichtet abgespeichert wird, und daß zur
Entscheidung der Maximalwert der Gewichte zugrundegelegt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873733965 DE3733965A1 (de) | 1987-10-08 | 1987-10-08 | Verfahren zur informationsgewinnung aus stark gestoerten daten eines zeitzeichensenders |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19873733965 DE3733965A1 (de) | 1987-10-08 | 1987-10-08 | Verfahren zur informationsgewinnung aus stark gestoerten daten eines zeitzeichensenders |
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Family
ID=6337844
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873733965 Granted DE3733965A1 (de) | 1987-10-08 | 1987-10-08 | Verfahren zur informationsgewinnung aus stark gestoerten daten eines zeitzeichensenders |
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