DE3838228A1 - Verfahren zur zusaetzlichen uebertragung von digitalen daten in bandbegrenzten uebertragungskanaelen - Google Patents

Description

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

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

Bei der zusätzlichen Nutzung vorhandener Übertragungskanäle 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 werden, daß sie diese Bedeutung erfüllen. Dies geschieht in den meisten Fällen dadurch, daß das Spektrum der Datensignale hart begrenzt wird, wie z. B. beim UKW-Hörrundfunk-Radio-Daten-System ("UKW-RDS") oder bei der Datenübertragung über einen Schmalband-Datenkanal, beispielsweise dem Tonkanal vom Studio (im Funkhaus) zum Sender. In anderen Fällen muß die Verrundung so erfolgen, daß die erste zeitliche Ableitung der verrundeten Kurvenform ein Minimum an Schwingungen (Extrema) aufweist, wie z. B. beim AM-Hörrundfunk-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 deren 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 Ableitung der Zeitfunktion der Datensignalfolge erfüllt und daher z. B. für AM-RDS nur bedingt verwendet werden kann.

Das Anwendungsgebiet für solche Kurvenformen ist im Prinzip das ganze Gebiet der Datenübertragung, wenngleich aufgrund nichtlinearer Eigenschaften mancher Systeme (z. B. Wanderfeldwellen-Verstärker im Satellitenfunk) die Zeitverläufe 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 Methoden realisieren. Für schnelle Datenübertragung sind bislang analoge Verrundungen üblich, die demzufolge nur näherungsweise die theoretischen Werte erreichen.

Die als Biphasen-Signal ausgebildeten 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 (Einzelbit) 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 verschiedene Spektralanteile nur innerhalb eines durch die Grenzfrequenzen +Fg und -Fg definierten Bereichs auf, der die Bandbreite dieser EBU-Kurvenform darstellt und der gemäß der o. a. EBU-Vorschrift abhängig von der Daten- oder Bandrate ist. Für Biphase-Signalformen z. B. ergibt sich ein Bereich von ±2 · Bandrate. Bei einer Bandrate von 1,2 kBd für UKW-RDS beispielsweise beträgt die Bandbreite ±Fg somit ±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 folgt.

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 unverrundeten digitalen Datensignalen im NRZ (No-Return-To-Zero)-Format gezeigt.

Mit der gemäß der o. a. EBU-Vorschrift vorgenommenen Verrundung (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. 8a gezeigt.

Kennzeichnend für diese gemäß der o. a. EBU-Vorschrift gebildete Zeitfunktion F(t) sind die Einsattelungen S im Bereich der Extrema (Minima und Maxima) der Funktion, die in Fachkreisen auch unter der Bezeichnung "Hundeknochen" bekannt sind.

In der Praxis zeigt es sich nun, daß beim Empfang von UKW-RDS-Sendern im Auto häufig starke Störungen durch Mehrwegeempfang entstehen. Dadurch kommt es zu erheblichen Datenfehlern, die besonders auf diese Einsattelungen S zurückzuführen 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 Amplitudenmodulation (AM) für die Nachricht zueinander orthogonal sind, stören sich die beiden Modulationen im Prinzip gegenseitig nicht und können daher auch wieder empfangsseitig getrennt werden.

In der Praxis gibt es allerdings ein wechselseitiges Übersprechen von den Daten zur Nachricht und umgekehrt. Da aus Kompatibilitätsgründen die Störung durch die Daten eine Toleranzgrenze (z. B. Störabstand <40 dB) nicht überschreiten darf, ist es notwendig, die Signalform für die Daten zu verrunden und die Datengeschwindigkeit und den Phasenschub zu begrenzen. Bei gegebener Toleranzgrenze für das Maß der Kompatibilität ist es das Ziel, die übertragenen Daten so zu verrunden, daß Datengeschwindigkeit und Datenhub maximal groß werden. (Dabei kann dann die Datengeschwindigkeit erhöht werden, wenn der Phasenhub erniedrigt wird, und umgekehrt. Der Abgrenzung dieser beiden Parameter gegeneinander muß aufgrund der Datenfehlerwahrscheinlichkeit erfolgen.)

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

Nimmt man den Wert des Phasenschubes als fest an, so wirkt sich die Form der verrundeten Daten direkt auf die (aufgrund 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 Frequenzmodulation (FM) in eine AM gewandelt. Diese Umwandlung der FM in eine AM erfolgt insbesondere an unsymmetrischen Flanken der Zwischenfrequenz (ZF)-Filter.

Dies verdeutlicht 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 gehörenden 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 miteinander 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. 7a 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 Ausbreitungsbedingungen über der Toleranzgrenze liegendes und damit hörbares "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 sowohl in Datenübertragungssystemen, die eine harte Bandbreitenbegrenzung fordern, wie z. B. UKW-RDS, als auch in Datenübertragungssystemen, 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-Störabstandes eingesetzt werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sowie bevorzugte Anwendungen.

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-Gesamtbereichs ausmachen. Des weiteren ist bei den erfindungsgemäßen Kurvenformen die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale kleiner oder höchstens gleich der Zahl der Extrema einer auf der Basis der EBU-Kurvenform (vgl. Fig. 1) für die gleiche Folge von Datensignalen gebildeten Zeitfunktion F(t). Schließlich sind die erfindungsgemäßen Kurvenformen in ihrer Bandbreite auf etwa 70-90%, vorzugsweise etwa 78-82%, insbesondere etwa 80%, der von der gewählten Bandrate abhängigen Bandbreite der EBU-Kurvenform beschränkt.

Besonders vorteilhaft sind dabei die erfindungsgemäßen Kurvenformen, bei denen auch die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der ersten zeitlichen Ableitung f′(t) der Zeitfunktion f(t) kleiner oder höchstens gleich ist der Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der ersten zeitlichen Ableitung F′(t) der Zeitfunktion F(t).

Besonders vorteilhaft sind hierbei Kurvenformen, die erfindungsgemäß aus dem Produkt zweier Cosinus-Funktionen mit einer linearen Funktion oder aus dem Produkt einer Cosinus- und einer Sinus-Funktion gebildet werden.

Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Kurvenformen liegt darin, daß sie universell in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten zur zusätzlichen Übertragung von digitalen Daten über bandbegrenzte Übertragungskanäle eingesetzt werden können, sei es z. B. im UKW-RDS oder im AM-RDS oder bei der Übertragung zusätzlicher Daten über den Tonkanal zwischen Studio und Sender.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 4 bis 8 näher erläutert.

Die Fig. 4 und 5 zeigen, im gleichen Maßstab wie Fig. 1, die Zeitfunktion (a) und die Spektralverteilung (b) von besonders vorteilhaften erfindungsgemäßen Kurvenformen (Typ A und B) für ein einzelnes verrundetes Datensignal im Biphasen-Format, die aus dem Produkt zweier Cosinus-Funktionen mit einer linearen Funktion (Geraden) (Fig. 4) bzw. aus dem Produkt aus einer Cosinus- und einer Sinus-Funktion gebildet sind.

Die beiden Kurvenformen sind, ähnlich wie die EBU-Kurvenform in Fig. 1, "Partial-Response"-Signale.

Auch die beiden erfindungsgemäßen Kurvenformen Typ A und B sind wie die EBU-Kurvenform ursprungssymmetrisch sowohl im Zeitbereich als auch in der Spektralverteilung.

Für T→±∞ nähern sich beide Kurvenformen im Zeitbereich oszillatorisch sehr schnell dem Wert Null, wobei wesentlich von Null verschiedene Amplituden nur innerhalb des Bereichs ±2T anzutreffen sind.

Die Bandbreite der neuen Kurvenformen Typ A und B ist jedoch jeweils auf etwa 80% der Bandbreite der EBU-Kurvenform begrenzt. Dadurch wird bei der Anwendung für UKW-RDS der Störabstand zum Multiplex-Signal und zum Datenkanal (auf 60 kHz) verbessert.

Die entsprechenden Augenmuster der beiden erfindungsgemäßen Kurvenformen Typ A und B sind in Fig. 8b und 8c dargestellt.

Ein Vergleich der beiden erfindungsgemäßen Kurvenformen Typ A und B mit der EBU-Kurvenform zeigt im Zeitbereich, oberflächlich betrachtet, keine großen Unterschiede.

Jedoch ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Verrundung der Datensignale wesentliche Verbesserungen in den Zeitfunktionen f(t) der verrundeten Datensignalfolgen, wie ein Vergleich der Fig. 2 mit der Fig. 6 zeigt.

In Fig. 6 sind, im gleichen Maßstab wie in Fig. 2, die Zeitfunktionen f(t) gezeigt, die sich ergeben, wenn die NRZ-Datenfolge gemäß Fig. 2a mit den erfindungsgemäßen Kurvenformen gemäß Fig. 4a (Typ A) bzw. Fig. 5a (Typ B) verrundet wird.

Auffallend ist, daß die Zeitfunktionen f(t) der erfindungsgemäß verrundeten Datensignalfolge keine Einsattelungen im Bereich der Extrema mehr aufweisen (im Gegensatz zur Zeitfunktion F(t) der gemäß EBU-Vorschrift verrundeten Datensignalfolge).

Aber auch in den ersten zeitlichen Ableitungen f′(t) dieser Zeitfunktionen f(t) ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Verrundung der Datensignale erhebliche Verbesserungen, wie die Fig. 7 zeigt.

Dort werden zum einen die Zeitfunktionen F(t) der EBU-Form (vgl. Fig. 2b) und f(t) der erfindungsgemäßen Kurvenform Typ A sowie zum anderen deren erste zeitliche Ableitungen F′(t) und f′(t) für dieselbe (unverrundete) NRZ-Datenfolge (vgl. Fig. 2a) miteinander verglichen.

Wie klar erkennbar ist, ist auch die Zahl der Schwingungen bzw. der Extrema bei f′(t) wesentlich kleiner als bei F′(t).

Da die Zeitfunktionen f(t) der erfindungsgemäß verrundeten Datensignale keine Einsattelungen und die ersten zeitlichen Ableitungen f′(t) dieser Zeitfunktionen f(t) keine unnötigen Schwingungen mehr aufweisen, ist mit diesen erfindungsgemäßen Verrundungen (Typ A oder B) eine Übertragung zusätzlicher Datensignale bei AM-RDS auch unter extremen Ausbreitungsbedingungen ohne "Datenbrummen" nunmehr möglich.

Während bei Übertragungssystemen mit harter Bandbreitenbegrenzung, wie z. B. UKW-RDS, die Eigenschaft der beiden erfindungsgemäßen Kurvenformen Typ A und B, noch härter bandbegrenzt zu sein (ca. 80%) als die EBU-Kurvenform, besonders wichtig ist, tritt diese Forderung nach einem scharf begrenzten Spektrum bei Systemen wie z. B. AM-RDS aufgrund der Orthogonalität von PM und AM in den Hintergrund gegenüber dem Problem der störenden Umwandlung von FM in AM, so daß in solchen Systemen eher die Eigenschaft der beiden erfindungsgemäßen Kurvenformen Typ A und B, keine unnötigen Schwingungen in der ersten zeitlichen Ableitung f′(t) der Zeitfunktion f(t) zu haben, ausschlaggebend ist.

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

So sind die erfindungsgemäßen Kurvenformen für die Einzelbits nicht auf die beiden in den Figuren näher beschriebenen konkreten Ausführungsformen 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 härter begrenzt sind als die entsprechende EBU-Kurvenform.

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

Schließlich sind die Anwendungen der Erfindung nicht auf die hier näher erläuterten Beispiele UKW-RDS, AM-RDS und Schmalband-Datenkanal-Übertragung beschränkt, sondern können allgemein in Datenübertragungssystemen eingesetzt werden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen vor allem

• a) in der minimalen PM→Am-Konversion,
• b) in der minimalen Bandbreite (bezogen auf die Daten- oder Bandrate) und
• c) in dem sehr guten Augenmuster.

Claims (6)

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 Mindest-Störabstands zwischen den digitalen Datensignalen und den anderen Signalen die digitalen Datensignale vor der Übertragung in ihrer zeitlichen Kurvenform verrundet werden, wobei die maximal zulässige Bandbreite der verrundeten Datensignale durch die von der Bandrate abhängigen Bandbreite ±Fg der durch die European Broadcasting Union (EBU) in: "Tech. 3244-E Specifications of the Radio Data System RDS for VHF/FM Sound Broadcasting" (Brüssel, 1984), Seiten 5 bis 10 definierten EBU-Kurvenform für verrundete Datensignale festgelegt ist und wobei die Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale durch einen Amplituden-Gesamtbereich definiert ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Minima der Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale (A oder B) nur im etwa 25% des Amplituden-Gesamtbereichs umfassenden unteren Teilbereich liegen und die Maxima nur im ebenfalls etwa 25% des Amplituden-Gesamtbereichs umfassenden oberen Teilbereich;
• - daß die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) dieser Zeitfunktion f(t) kleiner oder höchstens gleich ist der Zahl der Extrema (Minima und Maxima) einer auf der Basis der EBU-Kurvenform für die gleiche Folge von digitalen Datensignalen gebildeten Zeitfunktion F(t);
• - daß die Bandbreite der verrundeten Datensignale (A oder B) etwa 70-90%, vorzugsweise etwa 78-82%, insbesondere etwa 80%, der Bandbreite ±Fg der EBU-Kurvenform beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der ersten zeitlichen Ableitung f′(t) der Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale (A oder B) kleiner oder höchstens gleich ist der Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der ersten zeitlichen Ableitung F′(t) der auf der Basis der EBU-Kurvenform für die gleiche Folge von Datensignalen gebildeten Zeitfunktion F(t).

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenform (A) der einzelnen verrundeten Datensignale aus dem Produkt zweier Cosinusfunktionen und einer linearen Funktion gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenform (B) der einzelnen verrundeten Datensignale aus dem Produkt einer Cosinus- und einer Sinusfunktion gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenform mit Hilfe einer Fensterfunktion gewichtet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung zur zusätzlichen Übertragung von digitalen Datensignalen über ein UKW- oder AM-Hörrundfunk-Radio-Daten-System (UKW-RDS oder AM-RDS) oder über einen Schmalband-Datenkanal, insbesondere einen Tonkanal zwischen Studio und Sender.