DE3733965C2

DE3733965C2 -

Info

Publication number: DE3733965C2
Application number: DE3733965A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. 6108 Weiterstadt De Bellmann; Wolfgang Dr.-Ing. 6101 Gross-Bieberau De Hilberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-10-08
Filing date: 1987-10-08
Publication date: 1992-09-24
Also published as: DE3733965A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekannte Verfahren, die für den Einsatz in Zeitzeichen empfängern geeignet sind, versuchen, zuverlässige Daten zu gewinnen, indem man bei jedem einzelnen Sekundenimpuls und bei jedem Minutentelegramm die Störungen möglichst gut weg filtert.

Zusammenfassende Darstellungen findet man z. B. in den Dissertationen von R. Kalhöfer (D17, 1980, THD, siehe [3]) und R. Bermbach (D17, 1985, THD, siehe [1]) oder in dem Buch von W. Hilberg (Funkuhren, Oldenbourg Verlag 1983, siehe [4]). Diese Verfahren kommen rasch an eine Grenze, wenn die Amplituden der Störungen in die Größenordnung der Nutzimpulse kommen oder gar darüber hinausgehen. In diesem Falle kann man häufig überhaupt kein fehlerfreies Minutentelegramm empfangen. Bei der Erläuterung der Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf den Stand der Technik noch näher eingegangen werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Gewinnung fehlerfreier Daten aus stark gestörten Empfangssignalen von Zeitzeichensen dern, insbesondere des Senders DCF-77, in Funkuhr empfängern.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Ausführungsarten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der Erfindung kann sowohl die Synchronisation der Funk uhr auf den Sekundenbeginn als auch die Erkennung der Zeitinformation aus fehlerhaft empfangenen binären Proto kollen des Senders DCF-77 nach dem gleichen Prinzip durch geführt werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Bild 1 bis 7 und vergleichende Betrachtung des Standes der Technik näher erläutert.

Es zeigen:

Bild 1 Zeitverlauf einer stark gestörten Modula tion (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. Die Synchronisation der Funkuhr durch eine Anordnung zur Blockfilterung

Bei dem Sender DCF-77 handelt es sich um eine Informa tionsquelle, die in jeder Minute ein vollständiges Zeittelegramm aussendet.

Die Amplitude des Trägersignales von 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 Zeitzei chenempfänger 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 können (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.

2. Methode zur Gewinnung der Zeitinformation aus stark gestörten Protokollen des Senders DCF-77

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].

2.1 Betrachtungen zur notwendigen Empfangssicherheit für das Einzelsignal

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_S³⁸ (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.

2.2. Erzeugung und Auswertung des Protokollfeldes

Wenn man aufeinanderfolgende Minutenprotokolle betrachtet, so ist jedes Sekundenzeichen nach einem einmalig vollständig richtig empfangenen Minutenprotokoll vollkommen bekannt. Es wird praktisch immer wieder dieselbe 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.

2.3 Besondere Anordnung zur Behandlung sich ändernder Daten im Protokollfeld

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.

2.4 Verfahren zur beschleunigten Konvergenz der Gesamtsicherheit durch Einbeziehung von Information aus dem benachbarten Frequenzbereich

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 Δf 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.

Literaturverzeichnis

[1] Bermbach, R.:
Neue Funkuhrkonzepte durch enge Verflechtung von Empfänger und Mikrocomputer. Dissertation TH-Darmstadt D17 1985, S. 109-120.

[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 stör sicherer Funkuhren mit den Mitteln der Mikroelektronik. Dissertation TH-Darmstadt D17 1980, S. 72-129.

[4] Hilberg, W.:
Funkuhren. Oldenbourg-Verlag München 1983, S. 110-119, 169-193.

[5] Shannon, C. E.; Weaver, W.:
Mathematische Grundlagen der Informationstheorie. Oldenbourg-Verlag München 1976, S. 26-34.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung der fehlerfreien Daten aus 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 zugrunde gelegt wird.