DE4442818A1

DE4442818A1 - Einrichtung zum Empfang und zur Auswertung von Sendersignalen

Info

Publication number: DE4442818A1
Application number: DE4442818A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Ing Fetzer
Original assignee: AFG ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: AFG ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 1994-12-01
Filing date: 1994-12-01
Publication date: 1996-06-05

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Einrichtungen, insbesondere solche zum Empfang von Langwellensender-Signalen, nämlich zum Empfang von Zeitzeichensendersignalen, die in amplitudenmodulierter Form eine digitale Zeitinformation (Uhrzeit, Datum) enthalten, und zwar mit einer fest vorgegebenen Periodendauer und mit einer fest vorgegebenen Datenrate je Zeiteinheit sind bekannt. Derartige Zeitzeichensendersignale werden auch als DCF77-Zeitzeichensignale oder WWVB60-Zeitzeichensignale bezeichnet.

Bei herkömmlichen Empfängern bzw. bei herkömmlichen solche Empfänger aufweisenden Funkuhren (DCF77- oder WWVB60-Uhren) steht nach der Demodulation des empfangenen Sendersignales am Ausgang der Empfängereinheit ein analoges Signal zur Verfügung, welches in codierter Form die Zeitinformation enthält zum Betreiben und/oder Nachstellen einer Uhr verwendet wird. In Abhängigkeit von der Empfangsqualität sind diesem demodulierten analogen Informationssignal, welches bei der DCF77-Norm aus jeweils einem Impuls pro Sekunde besteht, der in Abhängigkeit von der digitalen Information eine Länge von 100 Millisekunden oder 200 Millisekunden aufweist, Stör- und Rauschanteile überlagert, so daß vielfach eine Auswertung des Informationssignals nicht oder aber zumindest nicht eindeutig möglich ist.

Wichtig für die Auswertung des Informationssignals ist auch, daß der Periodentakt des gesendeten Informationssignals in Frequenz und Phase eindeutig vorliegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung aufzuzeigen, mit der auch unter erschwerten Empfangsbedingungen eine eindeutige Auswertung von Sendersignalen, die in Amplituden modulierter Form eine digitale Information enthalten, möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Einrichtung entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.

Durch die Summenbildung aus dem aktuellen Informationssignal und dem jeweils rückgekoppelten, verzögerten Informationssignal und durch das Zuführen dieses modifizierten Signals an den Eingang des Verzögerungsspeichers und das erneute Rückkoppeln des verzögerten Signals werden insbesondere stochastisch auftretende Rauschanteile weitestgehend eliminiert, so daß auch bei erschwerten Empfangsbedingungen noch ein für die weitere Auswertung brauchbares Informationssignal zur Verfügung steht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in einem vorgegebenen Zeitraster oder einem vorgegebenen Arbeitstakt in einer Taktzeit, die kleiner ist als eine volle Periodendauer des Informationssignals dieses Informationssignal mit einer Optimal- oder Idealform des Informationssignales derart verglichen, daß das Vergleichssignal proportional zur Ähnlichkeit zwischen dem Ausgangssignals des Verzögerungsspeichers und der Idealform ist. Das Vergleichssignal besitzt dann ein Minimum, wenn die Ahnlichkeit zwischen dem Ausgangssignal des Verzögerungsspeichers und der Idealform am größten ist. Mit Hilfe einer Auswerteinheit wird aus dem zeitlichen Verlauf des Vergleichssignals der Periodentakt ermittelt.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für DCF-77 oder WWVB60-Empfänger oder Funkuhren.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird in Folgenden anhand der Figur, die im Blockschaltbild bzw. im Funktionsdiagramm eine Signalauswertung gemäß der Erfindung wiedergibt, näher erläutert.

Die in der Figur dargestellte Einrichtung dient zum Empfang und zur Auswertung des Signals eines Zeitzeichensenders für ein Funkwellensignal oder Sendersignal, welches mit einer digital codierten Zeitinformation mit einer Datenrate von 1 bit/Sekunden moduliert, vorzugsweise Amplituden moduliert ist, z. B. zum Empfang und zur Auswertung von Signalen von BCF77- Sendern oder WWVB60-Sendern.

Im einzelnen besteht die Einrichtung aus folgenden Komponenten:

Empfänger 1 zum Empfang und zur Demodulation des Sender-Signales
Analog-Digital-Wandler 2
Gewichtungseinrichtungen 3 und 4
Summiereinrichtung 5
Verzögerungsspeicher 6
Vergleichseinrichtung 7
Idealformspeicher 8
Auswerteinrichtung 9
Einrichtung 10 zur Beurteilung der Signalqualität.

Mit Hilfe des Empfängers 1 wird das Sendersignal empfangen und demoduliert, so daß am Ausgang dieses Empfängers ein demoduliertes Signal (Informationssignal) anliegt, welches die Nutzinformation enthält und dem insbesondere bei schlechten Empfangsbedingungen ein Stör- und Rauschanteil überlagert ist. Dieser überlagerte Stör- und Rauschanteil kann eine eindeutige Auswertung der Nutzinformation erschweren oder unmöglich machen. Mit der nachfolgend näher beschriebenen Einrichtung wird dieser Nachteil vermieden.

Der Ausgang des Empfängers 1 ist mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers verbunden, der an seinem Ausgang ein digitales Signal liefert, und zwar in Form von zeitlich aufeinanderfolgenden Zahlenwerten in digitaler Form, die der jeweiligen Amplitude dem Wert des analogen, am Eingang des Wandlers 2 anliegenden Signals entsprechen. Über die Gewichtungseinrichtung 3 wird dieses digitalisierte gequantelte Informations- oder Zeitzeichensignal der Summiereinrichtung 5 zugeführt, deren Ausgang mit dem Eingang des Verzögerungsspeichers 6 verbunden ist. Letzterer stellt einen wesentlichen Bestandteil der erfindungsgemäßen Einrichtung dar.

Dieser als FIFO-Speicher ausgebildete Verzögerungsspeicher ist bei der dargestellten Ausführungsform so ausgebildet, daß er eine Verzögerung von exakt einer vollen Periode, d. h. bei den DCF77-Zeitzeichensignal exakt einer Sekunde oder einem Vielfachen hiervon bewirkt. Weiterhin bildet der Verzögerungsspeicher 6 eine Vielzahl von Speicherstellen 11, von denen jeder jeweils einen Wert des Informationssignals aufnehmen kann. Im gleichen Takt, in dem die Analog-Digital-Umwandlung erfolgt, werden auch diese Werte schieberegisterartig von Speicherstelle zu Speicherstelle weitergeschoben, so daß jeder Wert schließlich in der der Verzögerungszeit T_v Verzögerungsspeichers entsprechende Zeit durch diesen Speicher hindurchbewegt wird.

Die Verzögerungszeit T_v des Speichers 6 ist zur Periodendauer T_p des Informationssignals und umgekehrt proportional zur Datenrate im amplitudenmodulierten Sendersignal oder entspricht einen geradzahligen Vielfachen hiervon, d. h. bei einer Einrichtung zum Empfangen von DCF77- oder WWVB60-Zeitsignalen beträgt die Verzögerungszeit T_v eine Sekunde oder einen Vielfachen hiervon.

Das Signal am Ausgang des Verzögerungsspeichers 6 wird über die Gewichtungseinrichtung 4 ebenfalls der Summiereinrichtung 5 zugeführt, so daß am Ausgang dieser Einrichtung und damit am Eingang des Verzögerungsspeichers 6 jeweils die Summe aus dem gerade empfangenen oder aktuellen Informationssignal und aus dem verzögerten Signal anliegt, welch letzteres hinsichtlich der Nutzinformation phasengleich mit dem aktuellen Signal ist. Durch diese Überlagerung beider Signale werden Störanteile und Rauschanteile weitestgehend eliminiert, so daß an den einzelnen Speicherstellen sich zeitlich ändernde Zahlenwerte anliegen, die einem Signal entsprechen, aus welchem der stochastisch auftretende Rauschanteil weitestgehend entfernt ist. An den Speicherstellen 11 wird somit in jeder Sekunde der zeitinvariante Signalanteil erhalten, d. h. beim Empfang von DCF77- oder WWVB60-Sendern insbesondere auch der jeweilige Sekundenbeginn.

In der Vergleichseinheit 7 werden die an den Speicherstellen 11 anliegenden Werte mit den Werten eines Idealformspeichers 8 verglichen. Hierfür weist der Idealformspeicher 8 Speicherstellen 12 auf, von denen jede Speicherstelle 12 einer Speicherstelle 11 des Verzögerungsspeichers 6 zugeordnet ist. Die Speicherstellen 12 besitzen jeweils einen festen Wert, der sich von Speicherstelle zu Speicherstelle ändern kann, und zwar entsprechend dem Verlauf der Optimal- oder Idealform des ungestörten Impuls- oder Zeitsignals.

In der Vergleichseinheit 7 wird jeweils der Inhalt einer Speicherstelle 11 und einer zugehörigen Speicherstelle 12 beispielsweise durch Subtraktion verglichen. Die hierbei erhaltenen Differenzwerte werden addiert und als Summensignal am Ausgang der Vergleichsschaltung 7 an die Auswerteinrichtung 9 abgegeben. Da die Werte der Speicherstellen 12 des Idealspeichers 8 fest sind, sich die Werte in jeder Speicherstelle 11 des Verzögerungsspeichers 6 durch das Weiterschieben von Speicherstelle zu Speicherstelle aber zeitlich ändern, ergibt sich am Ausgang der Vergleichseinheit 7 ein sich zeitlich änderndes Vergleichsignal, welches durch die Differenzbildung und Summierung proportional zur Ähnlichkeit und auch Phasenlage zwischen dem Ausgangs-Signal des Verzögerungsspeichers 6 und der Idealform des Idealformspeichers 8 ist. Das Ausgangssignal aller Vergleichseinheit 7 wird zu dem Zeitpunkt ein Minimum erreichen, an dem die Werte in den Speicherstellen 11 jeweils am besten den Werten in den Speicherstellen 12 entsprechen, d. h. einmal in jeder Taktperiode des empfangenen Signals und demnach bei dem betrachteten Beispiel einmal in jeder Sekunde.

Mit Hilfe der Auswerteinrichtung 9 kann der Zeitpunkt des Minimums der Ausgangsspannung der Vergleichseinheit 7, d. h. der Zeitpunkt der besten Übereinstimmung zwischen den Werten der Speicherstellen 11 und 12 festgestellt werde, so daß diese Auswerteinrichtung 9 dann einen ungestörten, dem Takt der Modulation des Sendersignales entsprechenden Takt, d. h. einen ungestörten Sekundentakt liefert. Im Prinzip erfolgt somit in jedem Arbeitstakt ein Summierung der Werte der Speicherstellen 11 und der Speicherstellen 12 mit Differenzbildung, d. h. der Inhalt des Verzögerungsspeichers 6 und Idealformspeichers 8 werden verglichen.

Dieser Takt erfolgt phasengenau mit dem Takt der Modulation des Sendersignals und kann zur weiteren Auswertung in einer die Einrichtung aufweisenden Funkuhr verwendet werden.

Das Signal der Auswerteinrichtung 9 kann weiterhin auch einer Einrichtung 10 zur Bewertung der Empfangsqualität zugeführt werden. Die Einrichtung 10 enthält im wesentlichen einen Schwellwertschalter oder Diskriminator 13, der beispielsweise feststellt, ob das periodisch auftretende Minimum des Ausgangssingals der Vergleichseinheit 7 unter oder über einen vorgegebenen Schwellwert liegt. Ist ersteres der Fall, so ist die Ähnlichkeit des Signals im Verzögerungsspeicher 6 mit der Idealform ausreichend, d. h. das empfangene Signal ist gut. Liegt das Minimum über den vorgegebenen Schwellwert, so ist die Ähnlichkeit zwischen dem Signal des Verzögerungsspeichers und der Idealform unzureichend, d. h. das empfangene Signal ist schlecht.

Durch die beiden Gewichtungseinrichtungen 3 und 4 kann die Gewichtung der beiden der Summiereinrichtung 5 zugeführten Signale eingestellt werden. Weiterhin kann der Einschwingvorgang des rückgekoppelten Verzögerungsspeichers durch geeignete kontinuierliche Veränderung der Gewichtungsfaktoren der Gewichtungseinrichtungen 3 und 4 beschleunigt werden.

Gewichtungseinrichtungen 3 und 4 im Sinne der Erfindung sind Einrichtungen, mit denen die Größe des der Summiereinrichtung 5 zugeführten aktuellen Signals und/oder des rückgekoppelten Signals verändert werden können.

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So ist es beispielsweise möglich, die vorbeschriebene Einrichtung durch konkrete Schaltungselemente zu realisieren oder aber zumindest teilweise durch einen nach einem vorgegebenen Programm arbeitenden Mikroprozessor.

Bezugszeichenliste

1 Empfänger
2 Analog-Digital-Wandler
3, 4 Gewichtungseinrichtung
5 Summiereinrichtung
6 Verzögerungsspeicher
7 Vergleichseinrichtung
8 Idealform-Speicher
9 Auswerteinrichtung
10 Signal-Bewertungseinrichtung
11, 12 Speicherstelle
13 Schwellwertschaltung

Claims

1. Einrichtung zum Empfang und Auswertung von Sender-Signalen, die mit einer digitalen Information in der Amplituden moduliert sind, wobei die Information eine vorgegebenen, konstante Datenrate, d. h. eine vorgegebene Anzahl von Bit in einer vorgegebenen Zeitperiode (T_p) aufweist, insbesondere zum Empfang und zur Auswertung von Signalen von Zeitzeichensender, mit einer Empfangseinrichtung (1) und einer nachfolgenden Auswerteinrichtung zum Auswerten des durch Demodulation erhaltenen Informationssignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung einen Verzögerungsspeicher (6) aufweist, dessen Verzögerungszeit (T_v) gleich der Zeitperiode (T) oder einem Ganzzahligen hiervon ist und dessen Eingang das aktuelle Informationssignal zugeführt wird, und daß der Verzögerungsspeicher (6) rückgekoppelt ist, so daß an dessen Eingang zugleich auch das jeweils um die Zeitperiode oder um das ganzzahliges Vielfache hiervon verzögerte Informationssignal anliegt und der Verzögerungsspeicher ein von Stör- und Rauschanteilen weitestgehend befreites Ausgangssignal liefert, welches aus der Summierung der aktuellen Information und der verzögerten Information gebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verzögerungsspeicher (6) eine Vergleichseinheit (7) nachgeschaltet ist, die die Abweichung des Ausgangssignals des Verzögerungsspeichers (6) von einer Idealform vergleicht, welche den zeitlichen Verlauf Informationssignals in seiner Idealen Form wiedergibt, und daß durch Vergleich zwischen dem Ausgangssignal des Verzögerungsspeichers (6) und der Idealform ein Vergleichssignal gebildet wird, welches proportional zur Ähnlichkeit zwischen dem Ausgangssignal und der Idealform ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß periodisch in einem vorgegebenen Arbeitstakt mit einer Taktzeit, die um ein ganzzahliges Vielfaches kleiner ist als die Verzögerungszeit (T_v) oder die Zeitperiode (T_p), das Ausgangssignal des Verzögerungsspeichers (6) mit der Idealform jeweils verglichen wird, und zwar zur Bildung des Vergleichssignals.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Vergleichseinheit (7) mit einer Auswerteinheit (9) verbunden ist, die jeweils ein Ausgangssignal dann liefert, wenn das Differenz- oder Vergleichssignal einen vorgegebenen Schwellwert und/oder ein Minimum oder ein Maximum durchläuft.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Arbeitstakt jeweils der gesamte Inhalt des Verzögerungsspeichers, d. h. eine volle Periode oder ein Vielfaches einer vollen Periode des Ausgangssignals des Verzögerungsspeichers mit einer vollen Periode oder einem ganzzahligen Vielfachen einer vollen Periode der Idealform verglichen wird.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, der das Informationssignal, bevorzugt das Ausgangssignal des Verzögerungsspeichers zugeführt wird und die periodisch den Inhalt dieses Signals, d. h. die Summe oder das Integral aus dem Werte dieses Signals über eine vorgegebene Zeit, vorzugsweise über die Zeitperiode (T_p) oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon bildet und mit dem entsprechenden Inhalt der Idealform vergleicht.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, der das Informationssignal, bevorzugt das Ausgangssignal des Verzögerungsspeichers, in gequantelter Form, d. h. jeweils in zeitlich aufeinanderfolgenden Werten zugeführt wird, die dem zeitlichen Verlauf des Signals entsprechen, wobei die Einrichtung periodisch jeden dieser Werte mit einem zugehörigen festen Vergleichswert vergleicht, wobei die Vergleichswerte den Verlauf der Idealform wiedergeben.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungsspeicher (6) eine Vielzahl von Speicherstellen (11) aufweist, und zwar zur Aufnahme jeweils eines durch Quanteln gewonnen momentanen Wertes des am Eingang des Verzögerungsspeichers (6) anliegenden Signals, daß der Verzögerungsspeicher (6) schieberegisterartig zur Weitergabe der Werte von Speicherstelle zu Speicherstelle in einem Arbeitstakt ausgebildet ist, und daß die Vergleichseinheit (7) so ausgebildet ist, daß sie in jedem Arbeitstakt den an einer Speicherstelle (11) des Verzögerungsspeichers (6) anliegenden Wert mit einem der jeweiligen Speicherstelle zugeordneten festen Wert vergleicht, wobei die festen Werte in ihrer Folge dem Verlauf der Idealform entsprechen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Speicherstelle (11) des Verzögerungsspeichers (6) eine Speicherstelle (12) eines Idealformspeichers (8) zugeordnet ist, und zwar zur Speicherung eines Wertes der Idealform.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung (9) an einem Ausgang ein Signal liefert, welches dem Takt des empfangenen Informationssignal entspricht bzw. zeitgleich und/oder phasengleich mit diesem Takt ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang der Auswerteinrichtung (9) mit einer Einrichtung zur Signalbewertung verbunden ist, und daß die Einrichtung (10) zur Signalbewertung einen Schwellwertdiskriminator (13) aufweist, der ein erstes Signal dann liefert, wenn das von der Auswerteinrichtung (9) gelieferte Signal einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet und ein zweites Ausgangssignal dann liefert, wenn der vorgegebene Schwellwert von dem Ausgangssignal der Auswerteinrichtung (9) überschritten wird.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das aktuelle Informationssignal und das rückgekoppelte Informationssignal dem Eingang des Verzögerungsspeichers (6) über eine Summiereinrichtung (5) zugeführt werden.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, gekennzeichnet durch einen Demodulator in der Empfängereinrichtung oder durch einen Analog-Digital-Wandler zur Erzeugung eines Informationssignals in digitaler Form, vorzugsweise zur Erzeugung eines seriellen digitalen Informationssignals.