DE60129655T2

DE60129655T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Reduzierung von differentiellen Verzögerungen in einem System zur Übermittlung von Audiosignalen mit mindestens zwei Sendern

Info

Publication number: DE60129655T2
Application number: DE60129655T
Authority: DE
Inventors: Stephen Kenneth Oxted Cruickshank
Original assignee: NAT AIR TRAFFIC SERVICES Ltd; National Air Traffic Services Ltd
Current assignee: NAT AIR TRAFFIC SERVICES Ltd; National Air Traffic Services Ltd
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: GB0025916D0; GB2368492A; EP1207507A3; EP1207507A2; EP1207507B1; ES2290099T3; GB2368492B; ATE368915T1; DE60129655D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Audiokommunikationssysteme, bei denen mindestens zwei Transmitter im Stande sind, identische Audiosignale an einen Empfänger zu übertragen. Systeme dieser Art werden manchmal in der Luftfahrtindustrie für die Kommunikation zwischen der Flugsicherungszentrale und dem Flugzeug benutzt. Ein solches System ist schematisch in 1 dargestellt. Wie in 1 gezeigt, werden Audio- und z.B. Sprachsignale von einer Flugsicherungszentrale 10 über ein nachfolgend zu erläuterndes Netzwerk 11 zu zwei Radiofrequenztransmittern 12 und 13 befördert. Die Transmitter kommunizieren mit einer Ausrüstung in einem Flugzeug 14, wo die Audiosignale reproduziert werden. 14 zeigt das spezielle Beispiel, bei dem ein Flugzeug den Südosten Englands von Boulogne an der Küste Frankreichs erreicht. Während sich das Flugzeug England nähert, wird es Flugsicherungssignale von den Transmittern 12 und 13 bei Winstone und Warlingham empfangen. Die Zeit, die die Signale benötigen, um über das Netzwerk 11 und den Transmitter 12 zum Flugzeug zu gelangen, ist verschieden von der Zeit, die von Signalen benötigt werden, die das Flugzeug über das Netzwerk 11 und den Transmitter 13 erreichen. Dieser Unterschied wird als Differentialverzögerung bzw. als Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Frequenzlaufzeit bezeichnet.
Es gibt zwei Faktoren, die zu dieser Verzögerung beitragen. Der erste besteht in den Relativabständen zwischen den jeweiligen Transmittern und dem Flugzeug und der zweite Grund liegt in den unterschiedlichen Laufzeiten der Signale zu den entsprechenden Transmittern über das Netzwerk 11. Die Wirkung der Differentialverzögerung besteht darin, dass sie eine Phasenverschiebung zwischen entsprechenden Signalen hervorruft, was zu einer destruktiven Interferenz bei gewissen Frequenzen führt (ebenso wie zu einer konstruktiven Interferenz bei anderen Frequenzen), und daher eine signifikante Dämpfung (und Verstärkung) und demgemäss eine Verzerrung des empfangenen Signals in gewissen Frequenzbändern. Für den größten Teil seiner Reise wird die Signalstärke, die von dem Flugzeug empfangen wird, nicht gleichmäßig sein, so dass das Signal von einem Transmitter dasjenige des anderen verdeckt und die Verzerrung nicht ins Gewicht fällt. Die Differentialverzögerung kann jedoch Probleme bereiten, wenn der Empfänger dieselbe Audioleistungen von beiden Transmittern empfängt. Eine gleiche Signalstärke liegt nicht notwendigerweise bei gleichen Abständen von jedem Transmitter zur Radiostation vor. Die Signalstärke von jeder Station kann von vielen Faktoren abhängen, wobei einige von ihnen folgende sind:

Polardiagramm der Transmitterantenne
Höhe (der Bodenwelle und Grundwelle, die interagieren, und die Signalstärke variieren)
Landmasse zwischen der Station und dem Flugzeug (insbesondere bei langen Strecken)
Polardiagramm der Flugzeugantenne
Kurvenlage des Flugzeugs

Im Beispiel der 1 sind die Transmitter 12, 13 jeweils 255 km und 125 km vom Flugzeug entfernt. Dies führt zu einer Differentialverzögerung von
Die Verzögerung durch unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten über das Netzwerk 11 wird auf etwa 0,5 Millisekunden geschätzt, was zu einer gesamten Differentialverzögerung von 0,83 Millisekunden führt.
Das subjektive Maß an Qualitätsverlust bei Audiofrequenzen hängt von der Dauer der Differentialverzögerung ab, da verschiedene Verzögerungen zu einer Dämpfung bei verschiedenen Frequenzen führen. Idealerweise sollte die Differentialverzögerung weniger als 0,1 Millisekunden sein. Dies ist jedoch unmöglich zu erreichen, da der Unterschied in den Laufzeitverzögerungen von den Transmittern zum Flugzeug dies übertreffen kann, selbst an Orten, wo die Signalstärken der Transmitter vergleichbar sind. Differentialverzögerungen bis ungefähr 2 ms neigen dazu, sich besonders schlecht anzuhören, weil sie breite Nullen im empfangenen Audiospektrum hervorrufen. Es wurde herausgefunden, dass größere Verzögerungen besser für einen Radiofunker sind, weil sie zu vielen schmalen Audio-Nullen und -Spitzen führen, ein großer Teil der Original-Audioleistung vorliegt und die Sprache leicht verständlich ist. Die Verzögerung darf jedoch nicht zu groß sein oder es kommt zu einer hörbaren Verzögerung in dem Eigenecho zum Funker vom Referenzempfänger, was für den Funker sehr verwirrend ist.
Das Problem wird besser verstanden, wenn die Graphen der 2 und 3 betrachtet werden. Die 2(a) und 3(a) zeigen Zeitänderungen eines typischen Sprachsignals, das simultan von zwei Transmittern empfangen wird, die jeweils eine Differentialverzögerung von 0,20 ms und 4 ms haben, wohingegen die 3(a) und 3(b) Leistungsspektraldichteabtragungen für die übertragenden und empfangenen Signale zeigen. Diese Graphen wurden durch Computersimulationen unter Benutzung realer Sprachdaten erhalten.
Es ist aus 2(b) klar abzulesen, dass eine Differentialverzögerung von 0,2 ms eine erhebliche Verzerrung des Audiosignals hervorrufen kann. Vergleicht man das übertragene Signal, das mit gepunkteten Linien dargestellt ist, mit dem empfangenen Signal, das mit der durchgezogenen Linie dargestellt ist, wird man erkennen, dass es eine erhebliche Dämpfung der Signale bei etwa 2.500 Hz gibt. In 3(b) gibt es jedoch viele schmale Nullen im Spektrum (Das Audiosignal wird oberhalb von 3,4 kHz gefiltert, um die Bandbreite zu begrenzen). Daher geht wenig der Original-Audioinformation verloren und ist das Signal der 3 von akzeptabler Qualität.
Das Problem der Differentialverzögerung wurde vorübergehend dadurch angegangen, dass man eine feste Verzögerung in eine der beiden Verbindungen zu den Transmittern einfügte, um sicherzustellen, dass die Differentialverzögerung stets 4 ms ist. Im Übrigen haben Verzögerungen dieser Größenordnung keinen wahrnehmbaren Effekt auf die Radiofrequenzträgersignale. Diese Lösung erfordert jedoch eine manuelle Messung der Differentialverzögerung und versagt manchmal wegen des Umleitens der Audiosignale durch das Netzwerk 11. Das Netzwerk besteht typischerweise aus digitalen Telekommunikationsverbindungen, deren Betrieb durch eine dritte Person gesteuert wird und außerhalb der Kontrolle des Providers der Flugsicherungszentrale ist. Daher kann der Provider der Flugsicherung nicht immer informiert werden, wenn ein Umleiten des Netzwerks 11 stattfindet.
Es besteht daher ein Bedarf für ein Kommunikationssystem, das die Probleme der Differentialverzögerung vermeidet, selbst wenn die Signale, die über das Netzwerk wandern, umgeleitet werden.
Idealerweise muss die Lösung für dieses Problem alle der folgenden Erfordernisse erfüllen:

Die Audioqualität ist unabhängig von der Verzögerung im digitalen Netzwerk, das die Transmitter versorgt.
Unabhängig vom RICE-(Radio Telephony Interface Control Equipment) Steuerungs- und Verwaltungssystem (da dies schwierig und teuer zu modifizieren wäre).
Kompatibel mit dem aktuellen analogen Steuer- und Verwaltungssystem.
Akzeptable Audioqualität für ein Flugzeug, das einen einzigen dominanten Transmitter empfängt.
Akzeptable Audioqualität für ein Flugzeug, das zwei ähnliche Leistungssignale von verschiedenen Transmittern empfängt (für sowohl zwei als auch drei Transmitter).
Akzeptable Audio-Off-Air-Eigenechoqualität vom Flugsicherungslotsen zur Empfängerstation.
Ausfallarten sind wichtig und sollten berücksichtigt werden.
Darf nur geringfügige Änderungen in der bestehenden Kommunikationsinfrastruktur erfordern.

Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch Ausführen einer zusätzlichen Verarbeitung des Audiosignals, bevor es die Transmitter erreicht.
Daher stellt die vorliegende Erfindung ein Audiokommunikationssystem mit einer Audiosignalquelle, mindestens zwei Transmittern für das Übertragen von identischen Audiosignalen, die von der Audiosignalquelle erzeugt wurden, an einen oder mehrere Empfänger, und eine Netzwerkeinrichtung für das Weiterleiten von Signalen von der Audiosignalquelle zu den Transmittern bereit, wobei die Transmitter modulierte Signale zu dem (den) Empfänger(n) übertragen, die von dem (den) Empfänger(n) demoduliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Transmitter mit einer Einrichtung für das Modifizieren von Signalen, die von der Netzwerkeinrichtung empfangen wurden, vor der Übertragung ausgestattet ist, um die Phase der empfangenen Signale um ein Maß bzw. eine Größe zu verändern, die eine Funktion der Zeit und/oder Frequenz des empfangenen Signals ist, so dass das Signal von zumindest einem Transmitter sich von dem entsprechenden Signal in dem (den) anderen Transmitter(n) unterscheidet.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren für das Betreiben eines Kommunikationssystems bereit, wie es in Anspruch 18 beschrieben ist.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung lediglich einen Filter. Der Filter wirkt auf das digitale Signal, das über das Netzwerk 11 empfangen wird, bevor es von den Transmittern 12 oder 13 übertragen wird. Die Parametervariation kann zufällig sein, aber der bevorzugte Filter ist einer, dessen Antwort periodisch variiert, z.B. sinusförmig mit der Zeit oder mit der Frequenz des empfangenen Signals. Der Filter kann zusätzlich die Amplitude der Signale variieren. In dem Fall, dass das System von der in 1 dargestellten Art ist, kann ein oder können beide Transmitter mit einer Signalverarbeitungseinrichtung ausgestattet sein. In dem Fall, dass beide Transmitter mit Signalverarbeitungseinrichtungen ausgestattet sind, die die Phase des Signals periodisch mit der Frequenz ändern, wird bevorzugt, wenn die Phasenänderungs-/Frequenzcharakteristik der zwei Signalverarbeitungseinrichtungen 180° zueinander phasenverschoben ist. Es sollte angemerkt werden, dass das Ziel der Erfindung darin besteht, dass am Empfänger Audiofrequenzen empfangen werden, von denen einige zueinander in Phase sind, obwohl es andere geben wird, die phasenverschoben zueinander sind.
In der bevorzugten Anordnung übertragen die Transmitter amplitudenmodulierte Signale an den (die) Empfänger, obwohl das System genauso gut mit anderen Modulationsarten wie z.B. Frequenz- oder Pulsbreitenmodulation arbeiten kann. Eine Implementierung der Erfindung erfordert keine zusätzliche Hardware bei den Transmitterstationen. Viele Signaltransmitter haben geeignete Signalprozessoren, die lediglich einer Umprogrammierung bedürfen, um die notwendige Vorfilterung bereitzustellen, mit der die Erfindung praktisch umgesetzt werden kann.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, bei der:
1 ein schematisches Diagramm eines konventionellen Audiokommunikationssystems ist, bei dem eine Flugsicherungszentrale mit einem Flugzeug kommuniziert;
2(a) zeigt die Variation der Amplitude mit der Zeit eines Audiosignals, das von zwei Transmittern gleicher Stärke empfangen wird, relativ zueinander verschoben um etwa 0,2 ms;
2(b) zeigt die Leistungsspektraldichten von übertragenen und empfangenen Signalen korrespondierend zu 2(a);
Die 3(a) und 3(b) sind ähnlich zu den 2(a) und 2(b) und zeigen Signale, die um 4 ms relativ zueinander verschoben sind;
4 ist ein schematisches Diagramm eines Audiokommunikationssystems gemäß der Erfindung, in dem die Flugsicherungszentrale mit einem Flugzeug kommuniziert;
5 ist eine Abtragung der Verzögerung gegenüber der Zeit für einen Filter, der Signale zufällig zeitverzögert;
6 ist eine Abtragung, die die Antwort eines Filters veranschaulicht, der die Phase sinusförmig mit der Frequenz variiert;
7 zeigt eine Impulsantwort, Größenantwort und Gruppenverzögerung für einen Filter, der eine monotone Gruppenverzögerungsvariierung mit der Frequenz auferlegt;
die 8(a) bis 8(d) sind typische Abtragungen von Filterantworten für Filter, die sowohl die Phase als auch die Amplitude sinusförmig mit der Frequenz variieren;
die 9(a) und 9(b) sind Abtragungen von Filterantworten für Filter, die die Phase sinusförmig mit der Frequenz variieren, benutzt in einem Zwei-Transmittersystem;
die 10(a) bis 10(c) sind Abtragungen von Filterantworten für drei Filter, die die Phase lediglich sinusförmig mit der Frequenz variieren, benutzt in einem Drei-Transmittersystem;
11(a) zeigt die Variation in der Amplitude mit der Zeit von einem Audiosignals, empfangen von zwei Transmittern gleicher Stärke, relativ zuinander verzögert um 0,25 ms;
11(b) zeigt die Leistungsspektraldichten von übertragenen und empfangenen Signalen korrespondierend zur 11(a) nach dem Vorfiltern mit dem bevorzugten Filter zum Einsatz in einem Zwei-Transmittersystem gemäß der Erfindung, und
die 12(a) und 12(b) sind ähnlich zu den 11(a) und 11(b) und zeigen Signale, die um 5 ms verzögert sind.
Nun Bezug nehmend auf die 4 korrespondieren Elemente in dieser Zeichnung ähnlichen Elementen in der 1 und werden durch dieselben Bezugszeichen identifiziert. Das System der 4 ist ähnlich zu dem der 1, mit der Ausnahme, dass für jeden Transmitter 12, 13 ein Gruppenverzögerungsfilter 15 zwischen dem Transmitter der Steuerausstattung 16 der Radiostation und den Ausgangstransmittern 17 vorliegt.
Es sollte angemerkt werden, dass obwohl die zwei Transmitter 17 bei der nominal gleichen Amplitudenmodulationsfrequenz betrieben werden, die Frequenzen tatsächlich einen geringen Versatz haben, so dass die Radiostation 12 bei 125,005 MHz und die Station 13 bei 124,995 MHz betrieben werden. Die Ungenauigkeit des Tuners des Flugzeugs ist derart, dass beide Signale simultan empfangen und demoduliert werden.
Wie oben angegeben, findet die Verschlechterung der empfangenen Signale statt, wenn es eine Differentialverzögerung zwischen den zwei Transmittern gibt, weil die zwei identischen Audiosignale miteinander interferieren. Bei solchen Frequenzen, bei denen die Verzögerung gleich einer unge radzahlig Vielfachen von halben Wellenlängen ist, ist die Interferenz destruktiv, und interferieren daher diese Frequenzen, für welche die Verzögerung gleich einer ganzzahlig Vielfachen der halben Wellenlängen sind, konstruktiv, so dass diese Frequenzen verstärkt werden. Die Wirkung besteht darin, dass die empfangenen Signale extrem gedämpft und/oder verzerrt klingen können.
Die Absicht hinter dem Vorfiltern der Audiosignale besteht darin, dass durch Modifizierung der Signale auf unterschiedliche Art und Weise sie ausreichend verschieden voneinander werden, so dass das Maß an Interferenz zwischen ihnen erheblich reduziert wird. Gleichzeitig ist es offensichtlich wichtig, die Signale nicht zu sehr zu verändern, da sie ansonsten hörbar verschlechtert werden. Dies wäre sehr unbefriedigend, da die Verzerrung selbst im Fall eines einzigen dominanten Transmitters hörbar wäre. Wenn das Endergebnis vergleichbar zu dem in der 3 gezeigten wäre, wäre dies akzeptabel.
Eine Anzahl verschiedener Filtertypen wurde untersucht und ihre Geeignetheit unter Benutzung von Computersimulationen getestet. Für jeden Filtertyp wurden sowohl männliche als auch weibliche Stimmen getestet, sowie ein Bereich von Differentialverzögerungen zwischen 0 und 30 ms. In einigen Fällen wurde ein Filter bei nur einem Transmitter eingesetzt und in anderen Fällen eine Vorfilterung bei beiden Transmittern vorgenommen. Die Filter, die am besten funktionierten, verwendeten eine sinusförmige Variation eines Signalparameters (z.B. Phase, Amplitude) mit der Frequenz, aber andere lieferten brauchbare Ergebnisse.
Beispiele von geeigneten Filtern werden nachfolgend beschrieben.
Einige Filter werden mittels ihrer Frequenzantwort H(f) definiert. Diese verknüpft die Eingangs- und Ausgangssignale der Filter im Frequenzbereich wie folgt: Y(f) = H(f)X(f)wobei Y(f) und X(f) jeweils die Fourier-Transformierten der Eingangs- und Ausgangssignale im Zeitbereich y(t) und x(t) sind. Um die Möglichkeit von zwei Filtern vorzusehen, werden zwei Frequenzantworten definiert, nämlich H₁(f) und H₂(f).
Beispiel 1
Sinusförmige Verzögerungsvariation mit der Zeit für einen Transmitter.
Dieser Filter verzögert die Eingangssignale x(t) um ein Maß δ, das sinusförmig mit der Zeit variiert. Daher wird der Ausgang des Filters y(t) wie folgt gegeben sein: y(t) = x(t – δ),wobei δ = A cos (2πt/T).
Parameter, die für Testzwecke benutzt wurden, waren A = 20 und T = 0,2 s. Empfangene Signale unter Benutzung dieser Anordnung waren klar verständlich, aber etwas verzerrt.
Beispiel 2
Zufallsvariation mit der Zeit für einen Transmitter.
Dieser Filter ist ähnlich zum vorhergehenden Filter, mit der Ausnahme, dass δ durch Auswahl einer Anzahl von Zufallswerten n zwischen –0,5 und 0,5 definiert wird, und dass eine Ausgleichskurve zu den Punkten angefertigt wurde, um eine glatte Zufallskurve zu erzeugen. Die Amplitude der Kurve wurde dann auf den Faktor A skaliert. Verschiedene Werte von n wurden getestet. 5 zeigt ein Beispiel einer Variation der Verzögerung mit der Zeit für A = 20.
Beispiel 3
Sinusförmige Amplitudenvariation mit der Zeit für beide Transmitter.
Dieser Filter wendet eine sinusförmige Amplitudenmodulation für die Eingangssignale an, so dass das Ausgangssignal der beiden Transmitter wie folgt gegeben ist: y1(t) = x(t)[1 + A sin(2πt/T)] y2(t) = x(t)[1 + A sin(2πt/T)]
Erneut wurden verschiedene Werte der Parameter A und T getestet, z.B. A = 0,5, T = 0,01, 01 oder 1 s. Obwohl die Signale verständlich waren, waren die periodischen Änderungen in der Signalamplitude deutlich hörbar, insbesondere für den Fall eines einzigen Transmitters, und dies verschlechterte die Klarheit des Signals.
Beispiel 4
Sinusförmige Amplitudenvariation mit der Frequenz für einen Transmitter
Für diesen besonderen Transmitter war die Frequenzantwort wie folgt: H1(f) = 1 H2(f) = 1 + A sin(2πNff'),wobei A die Größe der Amplitudenvariation und N_f die Zahl der Perioden pro Einheitsfrequenz ist. In diesen und allen nachfolgenden Gleichungen bezeichnet f' die normalisierte Frequenz, definiert als Frequenz f dividiert durch die halbe Abtastfrequenz, d.h.
wobei (F_S = 8 kHz).
Geeignete Parameter sind A = 0,6 und N_f = 0,8. Es ist anzumerken, dass die Charakteristika der Filter (wie für alle nachfolgenden Filter) nicht zeitlich variieren).
Beispiel 5
Sinusförmige Phasenvariation gegenüber der Frequenz für einen Transmitter.
In dieser vorgeschlagenen Anordnung sind die beiden Frequenzantworten wie folgt:

1. Transmitter H₁(f) = 1 (d.h. keine Vorfilterung)
2. Transmitter H₂(f) = exp(–jπP sin(2N_ff'))

In diesem Beispiel bezeichnet N_f die Zahl der Perioden pro Einheitsfrequenz und ist P die Amplitude der sinusförmigen Phasenvariation. 6 ist eine Abtragung, die die Filterantwort für einen typischen Parametersatz veranschaulicht. Dieser Filter wurde mit P = 0,3 und N_f = 8 getestet. Dieser Filter führte zu einer spürbaren Verbesserung in der Tonqualität über einen Bereich von verschiedenen Verzögerungen.
Beispiel 6
Monotone Gruppenverzögerungsvariation mit der Frequenz für einen Transmitter
Wie beim vorangegangenen Filter modifiziert dieser die Phase des Signals im Frequenzbereich. Anstelle eine periodische Variation vorzunehmen, erzeugt dieser eine monotone Phasen-(und daher Gruppenverzögerungs-)Variation. Die Frequenzantwort ist wie folgt: H1(f) = 1 H2(f) = exp(–jπPf'2),wobei erneut P eine Konstante ist, die die Größe der Variation definiert. 7 zeigt die Variation der Gruppenverzögerung mit der Frequenz und die entsprechende Impulsantwort des Filters mit P = 128. Die empfangenen Signale sind verständlich, aber dies ist nicht der beste Filter, weil er verursacht, dass die empfangenen Signale sehr metallisch klingen. Der Ausgang des Einzeltransmitters hört sich besonders merkwürdig an. Zusätzlich führt er zu einer großen Gesamtverzögerung der Signale bei höheren Frequenzen, die zu einer verwirrenden Anzahl von Echos in den Seitenbändern führt, die vom Funker gehört werden. Dennoch mag er für gewisse Anwendungen nützlich sein.
Beispiel 7
Sinusförmige Phasen- und Amplitudenvariation mit der Frequenz für beide Transmitter.
Die Frequenzantworten dieser beiden Filter wurden anfangs durch die folgenden Gleichungen initialisiert: H1(f) = (1 – A sin(2πNff' + π/2))exp(–jπPsin(2πNff')) H2(f) = (1 + A sin(2πNff' + π/2))exp(+jπPsin(2πNff'))
Von diesen Frequenzantworten wurden die Verzögerungselemente bzw. Taps der Impulsantworten durch Berechnen der inversen Fourier-Transformierten bestimmt. Eine nützliche Eigenschaft von Filtern mit periodischen Frequenzantworten besteht darin, dass die Impulsantwort aus nur wenigen von Null verschiedenen und gleichmäßig zueinander beabstandeten Verzögerungselementen bzw. Taps besteht (dies ist eine Folge der Tatsache, dass die Impulsantwort und die Frequenzantwort Fourier-Transformierte voneinander sind, und die FT einer periodischen Wellenform eine Serie von diskreten Werten ist). Dies bedeutet, dass diese Art von Filtern sehr einfach zu implementieren ist und nur wenig Verarbeitungsleistung benötigt. Um den Filter zu vereinfachen, wurden nur die größten Taps (oder weniger, wenn weniger, dann wurden 6 gewählt, die größer sind als 0,002) zurückgehalten. Diese Taps waren gleichmäßig beabstandet mit einem Abstand von 2·N_f Abtastungen bei einer 8 kHz-Audioabtastrate.
Wie oben bestimmt der Parameter A die Größe der Amplitudenvariation und bestimmt P die Größe der Phasenvariation. N_f bestimmt die Periode beider Variationen und daher den Abstand der Taps in der Impulsantwort, was der Hauptfaktor für die Bestimmung der durchschnittlichen Verzögerung der Signale ist, die einen Filter passieren. Tatsächlich ist die durchschnittliche Verzögerung ungefähr gleich der Zeit zwischen dem ersten Tap und dem größten Tap der Filterimpulsantwort. In den Filtern, die wir betrachtet haben, ist der größte Tap entweder der zweite oder dritte von Null verschiedene Tap. Dies führt zu einer durchschnittlichen Verzögerung von ungefähr 2·N_f-Abtastungen, äquivalent zu N_f/4 oder N_f/2 ms. Verschiedene Parameterkombinationen wurden getestet. Typische Abtragungen der Filterantworten sind in 8(a) bis (d) dargestellt.
Diese Filter wurden als erfolgreich angesehen. Im Allgemeinen liefern sie einen zufrieden stellenden Ausgang des einzigen Transmitters, ebenso wie eine Verbesserung bei einem Ausgang von zwei Transmittern über den gesamten Bereich der getesteten Differentialverzögerungen. Einige Parameterkombinationen führten zu besseren Ergebnissen als andere, obwohl es in einigen Fällen schwierig war, sie auszuwählen. Insgesamt war der bevorzugte Parametersatz A = 0,3, P = 0,3 und N_f = 8.
Beispiel 8
Sinusförmige Amplitudenvariation mit der Frequenz für beide Transmitter.
Dieses Beispiel betrachtet die Wirkungen, wenn entweder nur die Amplitude oder nur die Frequenz variiert wurde, indem P = 0 in die Formel von Gleichung 7 für die Frequenzantwort eingesetzt wurde. Dies erzeugte akzeptable Ergebnisse, obwohl nicht so klar wie bei Beispiel 7.
Beispiel 9
Sinusförmige Phasenvariation mit der Frequenz für beide Transmitter.
Indem in die Frequenzantwortformel, die für Beispiel 2 gegeben ist, A = 0 gesetzt wurde, war es möglich, auch die Wirkungen zu untersuchen, dass nur die Phase variiert wurde. Für sowohl einen als auch zwei Transmitter waren die empfangenen Signale zu den Ergebnissen der bevorzugten Version der Amplituden- und Phasenvariation, wie sie im Beispiel 2 beschrieben wurde, nahezu identisch. Der beste Parametersatz war der mit P = 0,3 und N_f = 8. Abtragungen der Filterantwort für diesen Parametersatz sind in den 9(a) und (b) gezeigt.
Da diese Anordnung die Amplitude der übertragenen Signale nicht signifikant beeinflusst, wurde sie als geringfügig vorzugswürdig gegenüber der des Beispiels 7 angesehen. Diese Filter sind auch dahingehend geeignet, dass die mittlere Verzögerung, die sie den Signalen hinzufügen, 4 ms war, was vergleichbar ist zu den festen Verzögerungen, die gegenwärtig benutzt werden.
Wie oben angemerkt, kommt es zu einer Verschlechterung bei den empfangenen Signalen, wenn es eine Differentialverzögerung gibt, weil die Interferenz Nullen in gewissen Teilen des Audiospektrums erzeugt. Zusätzlich zu der oben beschriebenen Filterung ist es möglich, die Leistung anzuheben oder die wichtigsten Teile des Spektrums vorher anzuheben, so dass die Wirkung der Nullen nicht so gravierend ist.
Zum Beispiel ist es möglich, eine vorherige Anhebung in Verbindung mit dem sinusförmigen Nur-Phasen-Filter des Beispiels 9 vorzunehmen. Bevor die übertragenen Signale durch diesen Filter gehen, können sie durch einen modifizierten Bandpassfilter gefiltert werden. Dies kann z.B. ein Butterworth-Filter der 1. Ordnung sein, aber seine Koeffizienten sind angepasst, so dass die Ausgabe des Filters gleich dem Eingangssignal plus einem variablen Anteil des Originalbandpassfilters ist. Ist daher die Frequenzantwort H(f) des nicht modifizierten Butterworth-Filters 1. Ordnung gegeben durch: H(f) = B/A,wobei B und A die Filterkoeffizienten sind, so ist die Frequenzantwort H(f) des modifizierten Filters gegeben durch H'(f) = 1 + K(B/A),wobei K eine Konstante ist, die den Anteil des Originalfilters, der zu dem Originalsignal hinzugefügt wird, bestimmt. Die Frequenzen, die eine vorherige Anhebung benötigen könnten, liegen im Bereich 500–2.000 Hz.
Es gibt eine kleine Anzahl von Flugsicherungssektoren, die drei Transmitter benützen anstelle von zweien. Für solche Situationen ist die bevorzugte Lösung eine Vorfilterung von Signalen von allen drei Transmittern, obwohl eine Vorfilterung von zweien der drei übertragenen Signale die Verzerrung wegen der Differentialverzögerung reduzieren kann.
Beispiel 10
Kombinationen der sinusförmigen Phasen- und Amplitudenvariation für drei Transmitter.
Die Filter für jeden Transmitter basieren auf dem Beispiel 7, aber die drei Transmitter haben verschiedene Kombinationen von A und P. Die Frequenzantworten sind gegeben durch: H1(f) = (1 – A1 sin(2πNff' + π/2))exp(–jπP1sin(2πNff')) H2(f) = (1 + A2 sin(2πNff' + π/2))exp(+jπP2sin(2πNff')) H3(f) = (1 + A3 sin(2πNff' + π/2))exp(–jnP3sin(2πNff'))wobei die Parameter wie folgt gewählt wurden:

Tx1:: A₁ = 0,3, P₁ = 0,3
Tx2:: A₂ = 0,0, P₂ = 0,3
Tx3:: A₃ = 0,3, P₃ = 0,0

Die folgenden Kombinationen von Signalamplituden und Verzögerungen wurden getestet:
N.B. Die feste Differentialverzögerung von Tx2 wurde im Fall 1 2 ms gewählt, weil diese Verzögerung die schlechteste ist. Ergebnisse für andere Verzögerungswerte sollten besser sein, da das kombinierte Signal von Tx1 und Tx2 weniger stark abnehmen sollte.
Fall 1 simuliert Situationen, bei denen das Flugzeug etwa den gleichen Abstand zu allen 3 Transmittern hat (dies kann nur in einem kleinen Bereich der Fall sein). Die Fälle 2, 3 und 4 simulieren Fälle, bei denen das Flugzeug äquidistant zu zwei der Transmitter ist, aber recht weit vom Dritten entfernt ist.
Die Ergebnisse für die Fälle 1 und 3 waren gut, wobei die empfangenen Signale über den Bereich der Verzögerungen ziemlich klar blieben. Die Ergebnisse bei den Fällen 2 und 3 waren weniger zufrieden stellend, wobei die empfangenen Signale ziemlich dünn bei wahrnehmbarer Abnahme klangen, hörbar selbst bei kleinen Verzögerungen. Dies ist konsistent mit dem schlechteren Ergebnis, wenn einer der dominanten Transmitter Tx3 war, der keine Phasenvariation vornahm.
Beispiel 11
Lediglich sinusförmige Variation der Phase, aber mit verschiedenen Werten von N_f.
Eine andere Alternative besteht darin, lediglich die Phase zu variieren (da die Amplitudenvariation allgemein weniger wünschenswert ist), aber mit einer unterschiedlichen Periodendauer für einen der Transmitter. In diesem Fall waren die Frequenzantworten wie folgt gegeben: H1(f) = exp(–jπP sin(2πNf1f')) H2(f) = exp(–jπP sin(2πNf2f')) H3(f) = exp(+jπP sin(2πNf2f'))wobei P = 0,3, N_f1 = 0,7 und N_f2 = 0,8. Filterantworten für die drei Filter werden in den 10(a) bis (c) graphisch dargestellt.
Dieselben Kombinationen von Signalamplituden und -verzögerungen wie im Abschnitt zu Beispiel 10 wurden untersucht. (Der Fall 4 ist derselbe wie der Fall mit zwei Transmittern, wie in Beispiel 9 untersucht, so dass die Simulationen nicht wiederholt wurden).
Die Ergebnisse für die Fälle 2 und 3 waren gut. Die empfangenen Signale klangen über einen weiten Bereich von Verzögerungen ziemlich ähnlich und waren fast so klar wie die besten Ergebnisse bei zwei Transmittern. Im Fall 1 klangen die empfangenen Signale nicht so gut – sie klangen greller und es war ein geringfügiges hochtöniges Hintergrundrauschen zu hören. Sie waren jedoch besser als die nicht verarbeiteten Signale. Da schließlich keine Amplitudenmodulation durchgeführt wurde, werden die Fälle mit einem einzigen Transmitter auch weiterhin gut sein.
Filterkoeffizienten
Das Ausgangssignal eines Filters wird durch seine Koeffizienten a und b wie folgt definiert: aoy(n) = box(n) + b1x(n – 1) + ... + bkx(n – k) + ... –a1y(n – 1)– a2y(n – 2)– ... –aky(n – k)– ...,wobei y(n) die n-te Abtastung des Ausgangssignals und x(n) die n-te Abtastung des Eingangssignals ist.
Die Koeffizienten für die zwei zu empfehlenden Filter und für die Filter der vorherigen Anhebung sind nachfolgend aufgeführt. Andere Koeffizienten, die nicht in der Tabelle aufgeführt sind, sind Null.
Für die Filtertypen der Beispiele 7 und 9 sind die von Null verschiedenen Koeffizienten mit gleichem Abstand versehen – der Abstand Δ variiert mit dem Wert von N_f. Für N_f = 6,8 und 12 nimmt Δ die Werte 12, 16 und 24 an. Die Notation b_Δ bedeutet, dass der Δ-te Koeffizient von b, d.h. für Δ = 16, b_Δ, b_Δ und b_2Δ der 1ste, 17te und 33te Koeffizient ist.
Für den Fall mit drei Transmittern sollten zwei der Transmitter dieselben Koeffizienten und Abstände haben, wie sie in der Tabelle von Beispiel 9 aufgeführt sind. Der Dritte sollte denselben Koeffizienten haben wie Tx1, aber in einem Abstand von Δ = 14 (äquivalen zu N_f = 7). Bevorzugte Filter
Anhebungsfilter
Wie oben angemerkt, ist der bevorzugte Filter für ein System mit zwei Transmittern derjenige des Beispiels 9. Die 11(a) und 12(a) zeigen Variationen mit der Zeit eines typischen Sprachsi gnals, das von zwei Transmittern empfangen wurde, die durch Differentialverzögerungen von 0,25 ms und 5 ms voneinander verschieden sind. Die 11(b) und 12(b) zeigen Leistungsspektraldichteabtragungen für übertragene und empfangene Signale, wobei die Signale gemäß der Erfindung mit dem Filter des Beispiels 9 vorgefiltert wurden. Die Ergebnisse, die in beiden Fällen erzielt wurden, sind vergleichbar mit den empfangenen Signalen, die in 3(b) gezeigt sind. Daher erzeugt der Filter des Beispiels 9 akzeptable Ergebnisse über einen Bereich von Differentialverzögerungen. Daher werden mit einem Filter dieses Typs Unterschiede in der Differentialverzögerung, die durch ein Weiterleiten im Netzwerk verursacht werden, das Signal nicht ernsthaft abschwächen.

Claims

Audiokommunikationssystem mit einer Audiosignalquelle, mindestens zwei Transmittern für das Übertragen von identischen Audiosignalen, die von der Audiosignalquelle erzeugt wurden, an einen oder mehrere Empfänger, und einer Netzwerkeinrichtung für das Weiterleiten von Signalen von der Audiosignalquelle zu den Transmittern, wobei die Transmitter modulierte Signale zu dem (den) Empfänger(n) übertragen, die von dem (den) Empfänger(n) demoduliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Transmitter mit einer Einrichtung für das Modifizieren von Signalen, die von der Netzwerkeinrichtung empfangen wurden, vor der Übertragung ausgestattet ist, um die Phase der empfangenen Signale um eine Größe zu verändern, die eine Funktion der Zeit und/oder der Frequenz des empfangenen Signals ist, so daß das Signal von zumindest einem Transmitter sich von dem entsprechenden Signal in dem (den) anderen Transmitter(n) unterscheidet.
System nach Anspruch 1, bei dem die Größe der Phasenveränderung der Signale periodisch mit der Frequenz variiert.
System nach Anspruch 2, bei dem die Größe der Phasenveränderung der Signale sinusförmig mit der Frequenz variiert.
System nach Anspruch 1, bei dem die Größe der Phasenveränderung der Signale periodisch mit der Zeit variiert.
System nach Anspruch 4, bei dem die Größe der Phasenveränderung der Signale sinusförmig mit der Zeit variiert.
System nach Anspruch 1, bei dem die Größe der Phasenveränderung sich zufällig mit der Frequenz und/oder Zeit verändert.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Amplitude der Signale zusätzlich als eine Funktion der Zeit und/oder der Frequenz des empfangenen Signals variiert wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches zwei Transmitter beinhaltet, von denen nur einer der Transmitter mit der Signalverarbeitungseinrichtung ausgestattet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das zwei Transmitter beinhaltet, von denen beide Transmitter mit der Signalverarbeitungseinrichtung ausgestattet sind.
System nach Anspruch 9, wenn abhängig von Anspruch 2 oder 3, bei dem beide Transmitter mit einer Signalverarbeitungseinrichtung ausgestattet sind, für das Verändern der Phase des Signals periodisch mit der Frequenz oder der Zeit und bei dem die Phasenvariationen mit der Frequenz der zwei signalverarbeitenden Einrichtungen um 180° zueinander phasenverschoben sind.
System nach Anspruch 10, bei dem die Größe der Phasenverschiebung für beide Signalverarbeitungseinrichtungen gleich ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, das drei Transmitter beinhaltet, wobei alle drei Transmitter mit der Signalverarbeitungseinrichtung ausgestattet sind.
System nach Anspruch 12, bei dem die drei Signalverarbeitungseinrichtungen jeweils verschiedene Amplitudenantworten haben.
System nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die drei Signalverarbeitungseinrichtungen die Phase der empfangenen Signale um eine Größe verschieben, die periodisch mit der Frequenz variiert, und wobei die drei Signalverarbeitungseinrichtungen jeweils unterschiedliche Perioden haben.
System nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die drei Signalverarbeitungseinrichtungen die Amplitude und die Phase der Eingangssignale verändern, und jeweils unterschiedliche Kombinationen von Parametern für Amplitude und Phase haben.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem zumindest ein Transmitter weiterhin eine Einrichtung für das Vorverstärken bestimmter Frequenzen vor der Verarbeitung beinhaltet.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Transmitter stationär sind.
Verfahren zum Betreiben eines Audiokommunikationssystems einschließlich einer Audiosignalquelle, zumindest zwei Transmitter für das Übertragen identischer Audiosignale, die von der Audiosignalquelle erzeugt wurden, zu einem oder mehreren Empfängern, und einer Netzwerkeinrichtung für das Weiterleiten von Signalen von der Audiosignalquelle zu den Transmittern, wobei die Transmitter modulierte Signale zu dem (den) Empfänger(n) übertragen, die von dem (den) Empfänger(n) demoduliert werden, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Verarbeitung in zumindest einem der Transmitter von Signalen, die von der Netzwerkeinrichtung empfangen wurden, und zwar vor der Übertragung, so daß die Phase der empfangenen Signale um eine Größe verschoben wird, die eine Funktion der Zeit und/oder der Frequenz des empfangenen Signals ist, so daß das Signal von zumindest einem Transmitter sich von dem entsprechenden Signal in dem (den) anderen Transmitter(n) unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 18, das das Variieren der Größe der Phasenveränderung periodisch mit der Frequenz beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 19, das das Variieren der Größe der Phasenveränderung sinusförmig mit der Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Größe der Phasenveränderung periodisch mit der Zeit variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, das die sinusförmige Variation der Größe der Phasenveränderung mit der Zeit beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Größe der Phasenveränderung zufällig mit der Frequenz und/oder der Zeit variiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, das das zusätzliche Variieren der Amplitude als eine Funktion der Zeit und/oder der Frequenz des empfangenen Signals beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei dem die Phase in zwei Transmittern in dem System variiert wird, so daß die Phasenvariationen um 180° zueinander verschoben sind.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Größe der Phasenveränderung für die Signale in beiden Transmittern gleich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, bei dem das System drei Transmitter hat, wobei das Verfahren das Verarbeiten der Signale in allen drei Transmittern vor der Modulation für die Übertragung aufweist, so daß die Amplitudenantworten in den Transmittern sich voneinander unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 25, 26 oder 27, bei dem die Phase der empfangenen Signale um eine Größe verändert wird, die sich periodisch mit der Frequenz ändert unter Verwendung von unterschiedlichen Perioden in jedem der drei Transmitter.
Verfahren nach Anspruch 25, 26, 27 oder 28, bei dem die Signale in den drei Transmittern verarbeitet werden, so daß deren Amplitude und Phase unter Verwendung von unterschiedlichen Kombinationen von Parametern für alle drei Transmitter verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 29, das die Vorverstärkung verschiedener Frequenzen vor der Verarbeitung in zumindest einem der Transmitter beinhaltet.