DE3838226A1 - Verfahren zur zusaetzlichen uebertragung von digitalen daten in bandbegrenzten uebertragungskanaelen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Verfahren dieser Art dienen der zusätzlichen Übertragung von digitalen Datensignalen über einen bereits vorhandenen und hauptsächlich zur Übertragung von anderen Signalen ge­ nutzten, bandbegrenzten Übertragungskanal.

Bei der zusätzlichen Nutzung vorhandener Übertra­ gungskanäle durch Datensignale (z. B. Radiodaten-Signale im Rundfunk) darf das Programm (Hauptbenutzer) nicht durch die Daten (Mitbenutzer) gestört werden.

Die Datensignale müssen aus diesem Grund so verrundet wer­ den, daß sie diese Bedingung erfüllen. Dies geschieht in den meisten Fällen dadurch, daß das Spektrum der Datensi­ gnale hart begrenzt wird, wie z. B. beim UKW-Hörrundfunk- Radio-Daten-System ("UKW-RDS") oder bei der Datenübertra­ gung über einen Schmalband-Datenkanal, beispielsweise dem Tonkanal vom Studio (im Funkhaus) zum Sender. In anderen Fällen muß die Verrundung so erfolgen, daß die erste zeit­ liche Ableitung der verrundeten Kurvenform ein Minimum an Schwingungen (Extrema) aufweist, wie z. B. beim AM-Hörrund­ funk-Radio-Daten-System ("AM-RDS").

Aus "Tech. 3244-E Specifications of the Radio Data System RDS for VHF/FM Sound Broadcasting" (Brüssel, 1984), Seiten 5 bis 10 von der European Broadcasting Union (EBU) ist eine zeitliche Kurvenform für ein verrundetes Datensignal, die EBU-Kurvenform, bekannt, die von der EBU ursprünglich nur für UKW-RDS verbindlich festgelegt worden ist und de­ ren zeitlicher Verlauf und Spektralverteilung in Fig. 1 gezeigt ist, die jedoch nur die Bedingung einer harten Bandbegrenzung, nicht aber die Bedingung einer ausreichend kleinen Zahl an Schwingungen in der ersten zeitlichen Ab­ leitung der Zeitfunktion der Datensignalfolge erfüllt und daher z. B. für AM-RDS nur bedingt verwendet werden kann.

Das Anwendungsgebiet für solche Kurvenformen ist im Prin­ zip das ganze Gebiet der Datenübertragung, wenngleich auf­ grund nichtlinearer Eigenschaften mancher Systeme (z. B. Wanderfeldwellen-Verstärker im Satellitenfunk) die Zeit­ verläufe der Daten verzerrt werden, weshalb dann oft auf eine exakte Formung verzichtet wird.

Nach dem Stand der Technik läßt sich die Verrundung für langsame Datenübertragung optimal mit Hilfe digitaler Me­ thoden realisieren. Für schnelle Datenübertragung sind bislang analoge Verrundungen üblich, die demzufolge nur näherungsweise die theoretischen Werte erreichen.

Die als Biphasen-Signal ausgebildete EBU-Kurvenform in Fig. 1a ist ursprungssymmetrisch und nähert sich für T→±∞ oszillatorisch sehr schnell dem Wert Null, wobei T die Breite (Dauer) des unverrundeten Datensignals (Einzel­ bit) ist. Wesentlich von Null verschiedene Amplituden sind bei dieser Kurvenform nur im Bereich ±2T anzutreffen.

Die zugehörige Spektralverteilung in Fig. 1b ist ebenfalls ursprungssymmetrisch und weist wesentlich von Null ver­ schiedene Spektralanteile nur innerhalb eines durch die Grenzfrequenzen +Fg und -Fg definierten Bereichs auf, der die Bandbreite dieser EBU-Kurvenform darstellt und der ge­ mäß der o. a. EBU-Vorschrift von der Daten- oder Bandrate abhängt. Für Bisphase-Signalformen z. B. ergibt sich ein Be­ reich von ±2·Bandrate. Bei einer Bandrate von 1,2 kBd für UKW-RDS beispielsweise beträgt die Bandbreite ±Fg so­ mit ±2,4 kHz. Bei AM-Anwendungen dagegen ist die Bandrate ≲200 Bd, woraus für Biphase-Signalformen nach dieser EBU- Vorschrift eine Grenzfrequenz Fg≲400 Hz erfolgt.

Zur Diskussion der hier interessierenden Eigenschaften der EBU-Kurvenform genügt es, das nicht modulierte Datensignal (Basisbandsignal) zu betrachten.

In Fig. 2a ist eine typische zeitliche Folge von unverrun­ deten digitalen Datensignalen im NRZ (No-Return-to-Zero)- Format gezeigt.

Mit der gemäß der o. a. EBU-Vorschrift vorgenommenen Ver­ rundung (vgl. Fig. 1) der Datensignale ergibt sich die in Fig. 2b gezeigte Zeitfunktion F(t) der Folge der nunmehr verrundeten Datensignale der Fig. 2a im Biphasen-Format. Das entsprechende Augenmuster zu dieser EBU-Signalform ist in Fig. 6a gezeigt.

Kennzeichnend für diese gemäß der o. a. EBU-Vorschrift ge­ bildete Zeitfunktion F(t) sind die Einsattelungen S im Be­ reich der Extrema (Minima und Maxima) der Funktion, die in Fachkreisen auch unter der Bezeichnung "Hundeknochen" be­ kannt sind.

Im Gegensatz zur Datenübertragung im UWK-RDS werden die digitalen Datensignale im AM-Bereich, also im AM-RDS, als Phasenmodulation (PM) des Trägers übertragen. Für diesen Dienst gibt es noch keine EBU-Richtlinie, jedoch könnte die in Fig. 1 gezeigte EBU-Kurvenform im Prinzip auch in diesem Bereich zur Verrundung von digitalen Datensignalen eingesetzt werden, was jedoch zu keiner optimalen Lösung führt.

Da die Phasenmodulation (PM) für die Daten und die Ampli­ tudenmodulation (AM) für die Nachricht zueinander orthogo­ nal sind, stören sich die beiden Modulationen im Prinzip gegenseitig nicht und können daher auch wieder empfangs­ seitig getrennt werden.

In der Praxis gibt es allerdings ein wechselseitiges Über­ sprechen von den Daten zur Nachricht und umgekehrt. Da aus Kompatibilitätsgründen die Störung durch die Daten eine Toleranzgrenze (z. B. Störabstand <40 dB) nicht über­ schreiten darf, ist es notwendig, die Signalform für die Daten zu verrunden und die Datengeschwindigkeit und den Phasenhub zu begrenzen. Bei gegebener Toleranzgrenze für das Maß des Kompatibilität ist es das Ziel, die übertrage­ nen Daten so zu verrunden, daß Datengeschwindigkeit und Datenhub maximal groß werden. (Dabei kann die Daten­ geschwindigkeit erhöht werden, wenn der Phasenhub ernied­ rigt wird, um umgekehrt. Der Abgrenzung dieser beiden Pa­ rameter gegeneinander muß aufgrund der Datenfehlerwahr­ scheinlichkeit erfolgen.)

Die Größe des Phasenhubes beeinflußt die Störfestigkeit der Datenübertragung. Bei gegebener Bitfehlerrate (z. B. BER=.0001) ist ein Phasenhub von ca. ±15 Grad erforder­ lich. (Dieser Wert ist abhängig vom Störphasenhub der Sen­ der und der Empfänger und unterliegt somit einem techni­ schen Wandel.)

Nimmt man den Wert des Phasenhubes als fest an, so wirkt sich die Form der verrundeten Daten direkt auf die (auf­ grund der Kompatibilität) erreichbare Datengeschwindigkeit aus.

Die Störung des Programms durch die Daten erfolgt aufgrund einer Umwandlung der PM in eine AM. Exakt ausgedrückt, wird dabei die mit der PM stets verknüpfte Frequenzmodula­ tion (FM) in eine AM gewandelt. Diese Umwandlung der FM in eine AM erfolgt insbesondere an unsymmetrischen Flanken der Zwischenfrequenz (ZF)-Filter.

Dies verdeutlich Fig. 3, die die Durchlaßkurve U(f) eines typischen ZF-Filters als Funktion der Frequenz f zeigt und die zu höheren Frequenzen hin eine unsymmetrische Flanke aufweist. Durch diese Flanke wird die an sich symmetrisch um eine Mittenfrequenz erfolgende Frequenzmodulation mit einem Frequenzhub Δ f in unsymmetrische Schwankungen Δ U der Amplitude des ZF-Signals U um den zur Mittenfrequenz ge­ hörenden Amplitudenwert umgesetzt, was sich beim Empfang des Hauptprogramms störend auswirken kann.

In die Größe dieser Störung geht der gewählte Phasenhub ΔΦ und damit auch der zugehörige Frequenzhub Δ f sowie die Form des verrundeten Datensignals ein.

Phasen- und Frequenzmodulation sind dabei wie folgt mit­ einander verknüpft: Gehört zur Phasenmodulation ein (Daten-) Signal s(t), so gehört zur Frequenzmodulation ein Signal d s(t)/dt, also die zeitliche Ableitung des (Daten-)Signals s(t).

In Fig. 5a ist noch einmal die in Fig. 2b bereits gezeigte und nach der o. a. EBU-Vorschrift gebildete Zeitfunktion F(t) zusammen mit ihrer ersten zeitlichen Ableitung F′(t) dargestellt. Bedingt durch die Einsattelungen S in F(t) weist die Ableitung F′(t) eine vergleichsweise hohe Zahl von Schwingungen bzw. Extrema auf, die, wie praktische Versuche gezeigt haben, ein bei bestimmten Ausbreitungsbe­ dingungen über der Toleranzgrenze liegendes und damit hör­ bares "Datenbrummen" zur Folge haben können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die zusätzlich zu übertragenden Datensignale so verrundet werden, daß sie auch unter extremen Ausbreitungsbedingungen in Da­ tenübertragungssystemen, die ein Minimum an Schwingungen oder Extrema in der ersten Ableitung der Zeitfunktion f(t) der zu übertragenden Datensignalfolge fordern, wie z. B. AM-RDs, unter Einhaltung des vorgegebenen Mindest-Störab­ standes eingesetzt werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Pa­ tentanspruch 1 beschrieben. Die übrigen beiden Ansprüche beinhalten eine vorteilhafte Ausbildung sowie eine bevor­ zugte Anwendung der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht zeitliche Kurvenformen für verrundete Datensignale vor, bei denen die Minima der Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale nur in dem unteren Teilbereich des zulässigen Amplituden- Gesamtbereichs liegen und die Maxima entsprechend nur in dem oberen Teilbereich, wobei sowohl der untere als auch der obere Teilbereich jeweils etwa 25% des Amplituden-Ge­ samtbereichs ausmachen. Des weiteren ist bei den erfin­ dungsgemäßen Kurvenformen die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) dieser Zeitfunktion f(t) einerseits und ihrer er­ sten zeitlichen Ableitung f′(t) andererseits jeweils klei­ ner oder höchstens gleich der Zahl der Extrema (Minima und Maxima) einer auf der Basis der EBU-Kurvenform (vgl. Fig. 1) für die gleiche Folge von Datensignalen gebildeten Zeitfunktion F(t) einerseits und ihrer ersten zeitlichen Ableitung F′(t) andererseits. Schließlich sind die Ampli­ tuden der sowohl im Zeitbereich als auch im Spektralbe­ reich ursprungssymmetrischen erfindungsgemäßen Kurvenform nur in einem inneren Teilbereich Δ Ti (mit Ausnahme des in der Mitte des inneren Teilbereichs liegenden Ursprungs) der doppelten Bitbreite ±T des einzelnen verrundeten Da­ tensignals verschieden von Null (und sonst Null).

In einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt dieser in­ nere Teilbereich Δ Ti vorteilhafterweise etwa 60-90%, vorzugsweise etwa 70-80%, insbesondere etwa 75%, der doppelten Bitbreite ±T, wobei die zeitliche Kurvenform vorteilhafterweise aus drei Teilstücken mit jeweils sinusförmigem Übergang zwischen direkt benachbarten Teil­ stücken besteht.

Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren in Datenübertragungssystemen eingesetzt werden, die ein Minimum an Schwingungen als Extrema in der ersten zeitli­ chen Ableitung der Zeitfunktion der verrundeten Datensi­ gnalfolge fordern, wie z. B. das AM-RDS.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 4 bis 6 näher erläutert.

Die Fig. 4 zeigt, im gleichen Maßstab wie Fig. 1, die Zeitfunktion (a) und die Spektralverteilung (b) einer be­ sonders vorteilhaften erfindungsgemäßen Kurvenform (Typ C) für ein einzelnes verrundetes Datensignal (Einzelbit) im Biphasen-Format, die im Zeitbereich (Fig. 4a) aus drei Teilstücken mit jeweils sinusförmigem Übergang zwischen direkt benachbarten Teilstücken zusammengesetzt ist.

Auch die erfindungsgemäße Kurvenform Typ C ist wie die EBU Kurvenform ursprungssymmetrisch sowohl im Zeitbereich als auch in der Spektralverteilung.

Die Amplitude der erfindungsgemäßen Kurvenform C nimmt im Zeitbereich nur in dem inneren Teilbereich Δ Ti (mit Aus­ nahme des in der Mitte von Δ Ti liegenden Ursprungs) Werte verschieden von Null an und ist sonst Null (auch in den beiden äußeren Teilbereichen Δ Ta).

Der innere Teilbereich Δ Ti beträgt in diesem Ausführungs­ beispiel etwa 75% der doppelten Bitbreite (Dauer) +T ei­ nes verrundeten Datensignals.

Die Bandbreite der erfindungsgemäßen Kurvenformen Typ C ist größer als die der EBU-Kurvenform (Fig. 1), (weshalb die erfindungsgemäße Kurvenform C für UKW-RDS nicht verwendet werden kann). Das entsprechende Augenmuster für die Kurvenform C ist in Fig. 6b dargestellt.

Mit der erfindungsgemäßen Kurvenform C ergeben sich erheb­ liche Verbesserungen in der Zeitfunktion f(t) der verrun­ deten Datensignalfolgen und deren ersten zeitlichen Ablei­ tungen f′(t), wie die Fig. 5 eindeutig zeigt.

Dort sind zum einen die Zeitfunktion F(t) der EBU-Form (vgl. Fig. 2b) und f(t) der erfindungsgemäßen Kurvenform Typ C sowie zum anderen deren erste zeitliche Ableitungen F′(t) und f′(t), die sich für die gleiche (unverrundete) NRZ-Datenfolge (Fig. 2a) ergeben, miteinander verglichen.

Wie klar erkennbar ist, weist die Zeitfunktion f(t) der erfindungsgemäß verrundeten Datensignalfolge keine Einsat­ telungen im Bereich der Extrema mehr auf (im Gegensatz zur Zeitfunktion F(t) der gemäß EBU-Vorschrift verrundeten Da­ tensignalfolge).

Aber auch die Zahl der Schwingungen bzw. Extrema ist bei f′(t) wesentlich kleiner als bei F′(t).

Da die Zeitfunktion f(t) der erfindungsgemäß verrundeten Datensignalfolge keine Einsattelungen und die erste zeit­ liche Ableitung f′(t) dieser Funktion f(t) keine unnötigen Schwingungen mehr aufweisen, ist mit der erfindungsgemäßen Verrundung eine Übertragung zusätzlicher Datensignale auch unter extremen Ausbreitungsbedigungen ohne "Datenbrummen" nunmehr möglich.

Dies trifft insbesondere für AM-RDS zu, da dort die Forde­ rung nach einem Minimum an Schwingungen in der ersten zeitlichen Ableitungen f′(t) ausschlaggebend ist, um die an sich störende Umwandlung von FM in eine AM durch die Da­ tensignale auf Werte unterhalb der Toleranzgrenze für hör­ bares Datenbrummen zu drücken.

Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischem Wissen und Können aus- und weitergebildet sowie an die un­ terschiedlichsten Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies hier näher erläutert werden müßte.

So ist die Erfindung nicht auf die in der Fig. 4 näher er­ läuterte konkrete Ausführungsform beschränkt; vielmehr können auch andere mathematische Formeln gefunden werden, die vergleichbare Kurvenformen ergeben, d. h. die keine Einsattelungen in den Zeitfunktionen f(t) zur Folge haben und die keine unnötigen Überschwinger in deren erster zeitlicher Ableitung f′(t) aufweisen.

Weiterhin ist die Erfindung nicht auf das Biphasen-Format beschränkt, sondern kann auch im NRZ-Format direkt ange­ wendet werden (also ohne Umwandlung der unverrundeten NRZ- Datenfolge in eine verrundete Biphasen-Datenfolge). Dies ist insbesondere für AM-RDS wichtig.

Schließlich ist die Anwendung der Erfindung nicht auf AM-RDS beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf gleichar­ tige Datenübertragungssysteme, bei denen die Forderung nach harter Bandbegrenzung in den Hintergrund tritt gegen­ über der Forderung nach einer minimalen Anzahl von Über­ schwingern in der ersten zeitlichen Ableitung f′(t) der Zeitfunktion f(t) für verrundete Datensignalfolgen.

Hervorzuheben sind letztendlich zwei wesentliche Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich daß eine mini­ male PM→AM-Konversion sowie ein optimales Augenmuster erzielt werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur zusätzlichen Übertragung von digitalen Datensignalen über einen auch zur Übertragung von anderen Signalen genutzten, bandbegrenzten Übertragungskanal, bei welchem Verfahren zur Erzielung eines vorgegebenen Min­ dest-Störabstands zwischen den digitalen Datensignalen und den anderen Signalen die digitalen Datensignale vor der Übertragung in ihre zeitliche Kurvenform verrundet wer­ den, wobei die Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale durch einen Amplituden-Gesamtbereich defi­ niert ist und wobei die doppelte Bitbreite ±T eines ein­ zelnen verrundeten Datensignals (Einzelbit) in zwei äußere Teilbereiche Δ Ta und einen inneren Teilbereich Δ Ti unter­ teilbar ist und die zeitliche Kurvenform und die zugehö­ rige Spektralverteilung jeweils ursprungssymmetrisch sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Minima der Zeitfunktion f(t) der Folge der ver­ rundeten Datensignale (C) nur im etwa 25% des Amplitu­ den-Gesamtbereichs umfassenden unteren Teilbereich lie­ gen und die Maxima nur im ebenfalls etwa 25% des Am­ plituden-Gesamtbereichs umfassenden oberen Teilbereich;
• - daß die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) dieser Zeitfunktion f(t) einerseits und ihrer ersten zeitli­ chen Ableitung f′(t) andererseits jeweils kleiner oder höchstens gleich ist der Zahl der Extrema (Minima und Maxima) einer auf der Basis der in "Tech. 3244-E Speci­ fications of the Radio Data System RDS for VHF/FM Sound Broadcasting" (Brüssel, 1984), Seiten 5 bis 10 von der European Broadcasting Union (EBU) definierten EBU-Kur­ venform für verrundete Datensignale für die gleiche Folge von digitalen Datensignalen gebildeten Zeitfunk­ tion F(t) einerseits und ihrer ersten zeitlichen Ablei­ tung F′(t) andererseits;
• - daß die Amplitude der zeitlichen Kurvenform (C) nur im gesamten inneren Teilbereich Δ Ti mit Ausnahme des in der Mitte des inneren Teilbereichs Δ Ti liegenden Ur­ sprungs Werte verschieden von Null annimmt und sonst Null ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teilbereich Δ Ti etwa 60-90%, vorzugsweise etwa 70-80%, insbesondere etwa 75%, der doppelten Bitbreite ±T beträgt und daß die zeitliche Kurvenform (C) des verrundeten Datensignals (Einzelbit) aus drei Teilstücken mit jeweils sinusförmigem Übergang zwischen direkt benachbarten Teilstücken besteht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch die Verwendung zur zusätzlichen Übertragung von digitalen Datensignalen über ein AM-Hörrundfunk-Radio- Daten-System (AM-RDS).