DE4441634A1

DE4441634A1 - Datenübertragung durch Überlagerung mehrerer definierter Frequenzen mit codierten Amplituden

Info

Publication number: DE4441634A1
Application number: DE19944441634
Authority: DE
Inventors: Raimund Kaiser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-23
Filing date: 1994-11-23
Publication date: 1996-06-05

Description

Problem

Zur Übertragung von Daten über Zwei-Punkt-Verbindungen werden Sinus-Pulse in definierte Zustände gesetzt. Die maximalen Übertragungsraten sind meist durch die geringen zulässigen Bandbreiten des jeweiligen Mediums stark beschränkt. Um den Informationsgehalt während eines Übertragungsschrittes zu erhöhen, wird nach dem QAM- Verfahren die Phase in definierte Schritte unterteilt. Gleichzeitig wird die Amplitude in einzelne binärcodierte Stufen unterteilt.

Zur Zeit wird nach V.32 bis-Norm bis zu 14400 Baud erreicht. Nach der V32terbo (AT & T) bei einer Schrittgeschwindigkeit von 2400 Zyklen pro Sekunde, einer Unterteilung der Phase in 2 Bit (=4 Zustände) und der Amplitude in 7 Bit (1 Bit für Trellis-Code) eine Übertragungsgeschwindigkeit von maximal 2400 Zyklen _* 8 Bit = 19200 Baud erreicht. Unter Anwendung verschiedener Kompressionsarten können hieraus maximale Daten- Durchsatzraten von 1 kBaud erreicht werden. (Funkschau 17/94, Seite 54-58)/(Funkschau 8/94, Seite 28-35) (Design & Elektronik, S. 347-353, Markt & Technik-Verlag).

Immer schneller werdende Rechnerstrukturen werden durch die niedrigen Übertragungsraten gebremst.

Entsprechend gilt für Funkverbindungen im Telekommunikationsbereich, daß zwar bei einer offenen Nutzung der Bandbreite höhere Übertragungsraten möglich wären, aber durch die Bündelung der Kanäle nur kleine Bandbreiten offenstehen. Das GSM-Netz beschränkt die Übertragungsrate auf 9600 Baud durch die interne Strukturierung.

Eine Lösung der obigen Probleme ist nur nur durch einen relativ hohen Aufwand möglich. Eine der Endlösungen wird die Vernetzung von Koaxial- oder Glasfaserkabel sein. Leider bleiben dann Gebiete mit schwacher Infra-Struktur auf der Strecke.

Eine Verbesserung wird durch verschiedene Datenkompressionsverfahren erreicht, indem die eigentliche Datenmenge reduziert wird. Liegen aber ungünstige Datensätze vor, so können die Daten nur wenig komprimiert werden. Gängige Datenkompressionen können die Übertragung bis zu 4 mal beschleunigen.

Eine Erhöhung der Übertragungsrate ist im seriellen Modus ist also nur begrenzt möglich.

Das Problem der bisherigen seriellen Übertragungsweise ist die Tatsache, daß nur die Zustände genutzt werden, die zu einem exakten Zeitpunkt gemessen werden. Das Zeitraster dieser Zeitpunkte kann nicht beliebig erhöht werden, da ansonsten das Nyquist-Theorem verletzt wird.

Der Informationsgehalt zwischen den Meßpunkten geht total verloren. Vereinfacht ausgedrückt könnte man sagen, daß der Übergang zwischen 2 Meßpunkten ebenfalls mit Information versehen werden könnte. Dieser Übergang unterliegt nicht dem Gesetz der beschränkenden Bandbreite. Wird das Signal aber nach Shannon gesampelt und nur als getaktete Meßwerte weitergegeben, so geht auch dieser Informationsgehalt verloren. (8 kHz PCM-Codierung im digitalen Netz).

Bisherige, analoge Verbindungen gewährleisten die günstigere Grundlage für dieses Patent.

Lösung

Das oben aufgeführte Patent soll mehrere Frequenzen gleichzeitig übertragen. Der Informationsgehalt soll in der Amplitude der einzelnen Frequenz gespeichert sein. Aufgrund des Super-Positionsprinzips behindern sich diese Informationen nicht gegeneinander und können deshalb gleichzeitig überlagert werden.

Soll ein angelegter Datenstrom übertragen werden, so wird er in kleine Datengruppen eingeteilt (zum Beispiel 4 Bit). Diese Datengruppen bestimmen die Amplituden der Frequenzen, die gleichzeitig gesendet werden sollen. Die Amplitude der jeweiligen Frequenz ist durch die jeweilige binare Datengröße bestimmt.

Eine DSP-Einheit errechnet das Überlagerungs-Signal aller Frequenzen. Der angehängte Digital-/Analogwandler bildet das analoge Frequenzgemisch.

Diese Frequenzen werden alle gleichzeitig als komplexes Signal über eine Leitung geschickt. Der Empfänger untersucht das Gemisch auf die definierten Frequenzen und wertet ihre Amplituden aus. Dadurch können die Bitgruppen wieder rückgeordnet werden.

Der zusammengesetzte Bitstrom kann dann weitergegeben werden.

Bei dieser Art von Übertragung ist die Information zwischen den zwei Zeitrastern enthalten. Dieser Sachverhalt ist in Abb. 1 dargestellt.

Wird zum Beispiel der Bereich 2000 Hz bis 3000 Hz in einzelne informative Frequenzen unterteilt, so muß mindestens für die Dauer von 1/2000 = 0,5 mSekunden das ganze Signal untersucht werden. Erst wenn das ganze Signal erfaßt wurde, kann ein neuer Übergabe- Zyklus eingeleitet werden. Deshalb kann entgegen der bisherigen Übertragungsmethode nicht jede Periode hintereinander genutzt werden, da der D/A-Wandler nach der 1. Informations-Periode nicht sofort auf die 2. Periode einschwingen kann.

Es muß entweder 1 Periode ausgelassen werden, oder eine kurze Pause zwischen den Übertragungsperioden eingebaut werden. Man könnte aber auch das Informations-Signal und Anteile länger als nur für 1 Periode übertragen (zum Beispiel für 1,5 Perioden Dauer).

Sinnvoller Weise werden zu Beginn und während der Kommunikation ständig Sender und Empfänger durch Referenz und Protokoll-Signale in Einklang gehalten.

Damit die Dämpfung der Leitung ausgeglichen wird, muß zuvor mit einem Normierungssignal das ankommende Signal analog verstärkt werden.

Der Empfänger muß das Frequenzspektrum des Signals erfassen und auswerten können. Falls der Empfänger ständig das Signal nicht fassen kann, könnte entsprechend den Fallback-Methoden auf ein gröberes Raster oder sogar auf bisherige serielle Übertragungsmethoden rückgeschaltet werden.

Das Umwandeln von digitalem Signal → der analoger Frequenz und zurück, wird durch preisgünstige DSP-Prozessoren oder spezielle DSP-Einheiten möglich.

Die Erhöhung der Übertragungsrate kann dadurch erreicht werden, daß die die Anzahl der Frequenzen erhöht wird oder die Auflösung der Amplitude verbessert wird.

Je genauer die DSP-Einheit in Frequenzen auflöst, desto höher kann die Übertragungsrate werden.

Die Auslegung einer ISDN-Verbindung kann bei einigen Anwendungen gespart werden.

Anwendungsbereiche

Das Patent ist auf alle Geräte anwendbar, die Daten übertragen müssen.

Schwerpunkte einer effektiveren Datenübertragung wären:
Rechner-Verbindungen
digitales Fernsehen
digitaler Rundfunk
Büro-Kommunikation
Bildtelefon (Daten-Highway?)

Beispiele

Die Ausführung wird an folgendem Beispiel erläutert:
Digitale Datenübertragung per Modem zu gekoppelten Rechnern:
Der Rechner gibt ein Datenpaket an das Modem. Der dort integrierte DSP wandelt den Bitstrom in das relativ niederfrequente Frequenzgemisch im Band von 3400-300 Hz. Vorzugsweise wird nur ein kleiner Bereich genutzt z. B. 2000-3400 Hz. Dieser Bereich wird in 100 Hz Schritte unterteilt.

Das komplexe Signal wird über das Telefon-Netz geschickt. Das dort angeschlossene Modem übernimmt das Signal und analysiert es nach zuvor vereinbarten Frequenzen. Der interne DSP ermittelt die Amplitude im binären Code. Er gibt die gefilterten Bitwerte an den Cache weiter. Der Cache wird als Bitstrom an den dortigen Computer weitergegeben.

Kommt eine ordentliche Kommunikation nicht zustande, muß mit einem Fallback-Verfahren entweder die Auflösung verkleinert werden, oder sogar auf normale serielle Verbindung rückgeschaltet werden.

Da die modernen Modern schon einen DSP integriert haben, sollte auch dieser DSP zur Erzeugung des Summensignals genutzt werden.

Erläuterungen (DSP = Digital Signal Processing)

Eine DSP-Einheit besteht aus einem reinen Digitalteil, der die mathematische Wandlung durchführt, sowie aus einem Analogteil, der die digitalen Informationen in einen analogen Wert (beim Empfänger umgekehrt) umwandelt. Der Analogteil kann als DSP-integrierte oder separate Schaltung vorliegen.

Eine Übertragungseinheit kann ein Sender, ein Empfänger oder eine Kombination aus beiden sein.

Die Übertragungseinheit kann als eigenständiges Gerät (Übertragungseinrichtung) oder als Funktionseinheit innerhalb eines anderen Gerätes vorliegen.

Zum Aufbau eines sicheren Datenverkehrs wird ein Kommunikationsprotokoll mit Kontroll- und Normierungssignale nötig sein. Diese Signale sind aber nicht Inhalt der eigentlichen Erfindung.

Die Anzahl der Amplituden-Stufen ist im Rahmen der binären Codierung frei definierbar.

Mögliche Anzahlen wären 1, 2, 4, 8, 16, 32 . . .

Die Bitinformation der Amplitude kann gleichzeitig für Steuer- und Referenzcodes genutzt werden. Zum Beispiel für Prüfsumme.

Claims

1. Daten-Übertragungseinheit für Verbindungen über Telefon-Netz (Modem, Fax . . .), dadurch gekennzeichnet, daß mehrere definierte Frequenzen gleichzeitig übertragen werden. Die Amplitude der einzelnen Frequenz ist in binär codierte Stufen unterteilt und enthält somit die Bitinformation. Eine DSP-Einheit erzeugt das Summensignal und übergibt es an die Transport- Einheiten. Im Empfänger wird das Summensignal durch eine DSP-Einheit nach den definierten, sinusförmigen Frequenzen analysiert. Die Bitinformation wird aus der Amplitude jeder definierten Frequenz ausgelesen.

2. Daten-Übertragungseinheit für öffentliche und nichtöffentliche Datennetze, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere definierte Frequenzen gleichzeitig übertragen werden. Die Amplitude der einzelnen Frequenz ist in binär codierte Stufen unterteilt und enthält somit die Bitinformation. Eine DSP-Einheit erzeugt das Summensignal und übergibt es an die Transport- Einheiten. Im Empfänger wird das Summensignal durch eine DSP-Einheit nach den definierten, sinusförmigen Frequenzen analysiert. Die Bitinformation wird aus der Amplitude jeder definierten Frequenz ausgelesen.

3. Daten-Übertragungseinheit für Zwei-Draht-Verbindungen (außer Anspruch 1 und 2), dadurch gekennzeichnet, daß mehrere definierte Frequenzen gleichzeitig übertragen werden. Die Amplitude der einzelnen Frequenz ist in binär codierte Stufen unterteilt und enthält somit die Bitinformation. Eine DSP-Einheit erzeugt das Summensignal und übergibt es an die Transport- Einheiten. Im Empfänger wird das Summensignal durch eine DSP-Einheit nach den definierten, sinusförmigen Frequenzen analysiert. Die Bitinformation wird aus der Amplitude jeder definierten Frequenz ausgelesen.

4. Daten-Übertragungseinheit für Funkverbindungen im Telekommunikationsbereich (Funktelefone, . . .) dadurch gekennzeichnet, daß mehrere definierte Nutz-Frequenzen gleichzeitig übertragen werden. Die Amplitude der einzelnen Frequenz ist in binär codierte Stufen unterteilt und enthält somit die Bitinformation. Eine DSP-Einheit erzeugt das Summensignal und übergibt es an die Transport- Einheiten. Das Summensignal (Nutzsignal) wird auf das Trägersignal moduliert und übertragen. Im Empfänger wird das Signal demoduliert und das Nutzsignal durch eine DSP- Einheit nach den definierten sinusförmigen Frequenzen analysiert. Die Bitinformation wird aus der Amplitude jeder definierten Frequenz ausgelesen.

5. Daten-Übertragungseinheit für Funk- oder Koaxialverbindungen im Fernsehbereich, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere definierte Nutz-Frequenzen gleichzeitig übertragen werden. Die Amplitude der einzelnen Frequenz ist in binär codierte Stufen unterteilt und enthält somit die Bitinformation. Eine DSP-Einheit erzeugt das Summensignal und übergibt es an die Transport- Einheiten. Das Summensignal (Nutzsignal) wird auf das Trägersignal moduliert und übertragen. Im Empfänger wird das Signal demoduliert und das Nutzsignal durch eine DSP- Einheit nach den definierten sinusförmigen Frequenzen analysiert. Die Bitinformation wird aus der Amplitude jeder definierten Frequenz ausgelesen.

6. Daten-Übertragungseinheit für Funk- oder Koaxialverbindungen im Rundfunkbereich, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere definierte Nutz-Frequenzen gleichzeitig übertragen werden. Die Amplitude der einzelnen Frequenz ist in binär codierte Stufen unterteilt und enthält somit die Bitinformation. Eine DSP-Einheit erzeugt das Summensignal und übergibt es an die Transport- Einheiten. Das Summensignal (Nutzsignal) wird auf das Trägersignal moduliert und übertragen. Im Empfänger wird das Signal demoduliert und das Nutzsignal durch eine DSP- Einheit nach den definierten sinusförmigen Frequenzen analysiert. Die Bitinformation wird aus Amplitude jeder definierten Frequenz ausgelesen.

7. Daten-Übertragungseinheit für Verbindungen mit Trägerfrequenzen (außer Anspruch 4, 5 und 6), dadurch gekennzeichnet, daß mehrere definierte Nutz-Frequenzen gleichzeitig übertragen werden. Die Amplitude der einzelnen Frequenz ist in binär codierte Stufen unterteilt und enthält somit die Bitinformation. Eine DSP-Einheit erzeugt das Summensignal und übergibt es an die Transport- Einheiten. Das Summensignal (Nutzsignal) wird auf das Trägersignal moduliert und übertragen. Im Empfänger wird das Signal demoduliert und das Nutzsignal durch eine DSP- Einheit nach den definierten sinusförmigen Frequenzen analysiert. Die Bitinformation wird aus der Amplitude jeder definierten Frequenz ausgelesen.