DE69218652T2

DE69218652T2 - Vorrichtung zur digitalen Datenübertragung über eine Leitung des Stromnetzes

Info

Publication number: DE69218652T2
Application number: DE69218652T
Authority: DE
Inventors: Marc Muller; Herve Schwartz
Original assignee: Schlumberger SA
Current assignee: Itron France SAS
Priority date: 1991-03-18
Filing date: 1992-02-19
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2012-02-20
Also published as: FR2674390B1; EP0505223B1; FR2674390A1; ES2099803T3; US5245633A; ATE151213T1; EP0505223A1; DE69218652D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Übertragung digitaler Informationen auf einer Leitung eines Starkstromnetzes, mit Sendemitteln, die geeignet sind, Informationen in mehreren vorgegebenen Frequenzbändern zu senden, und Empfangsmitteln, die geeignet sind, Informationen in einem beliebigen dieser Bänder zu empfangen.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung gehört daher zur Familie der sogenannten "LTS"-Übertragungssysteme (Leitungsträgerstrom-Übertragungssysteme) und kann insbesondere auf die Zusammenführung und die Fernabfrage von Starkstrom-Zähldaten, auf die Fernsteuerung einer Gruppe von Überlastschaltern, auf die Übertragung von Befehlen oder Informationen in der Haustechnik und allgemeiner auf die Automatisierung eines Stromnetzes und der Gesamtheit der Lasten oder Elemente, die daran angeschlossen sind, angewendet werden.
Die Erfindung ist außerdem gut auf Niederspannungsnetze anwendbar, d. h. auf Netze, deren Spannung typischerweise in der Größenordnung von 100 bis 400 Volt liegt, sowie auf Netze mittlerer Spannung, d. h. auf Netze, deren Spannung typischerweise im Bereich von 3 bis 35 Kilovolt liegt, wobei das gemeinsame Merkmal darin besteht, daß der verwendete Informationsübertragungskanal in allen Fällen durch eine Leitung eines Starkstromnetzes gebildet ist.
Die beim Entwurf der LTS-Systeme angetroffenen Probleme sind vielfältig.
Zunächst trifft die Übertragung mit verhältnismäßig niedrigen Frequenzen, insbesondere unterhalb von 9 kHz, auf das Hindernis, daß Harmonische der Grundfrequenz des Netzes (im allgemeinen 50 oder 60 Hz) vorhanden sind, die die Erfassung der übertragenen Signale sehr schwierig machen.
In der Praxis erzwingt die Übertragung mit niedrigen Frequenzen und a fortion bei sehr niedrigen Frequenzen den Rückgriff auf Hochleistungsinjektoren, ist daher notwendig teuer und benötigt sehr viel Platz.
Obwohl die Übertragung mit hoher Frequenz ermöglicht, das Problem der gegenseitigen Störungen mit den Harmonischen der Netzfrequenz zu beseitigen und die Größe der Injektoren erheblich zu reduzieren, stößt sie im Gegenzug auf andere Schwierigkeiten, nämlich einerseits auf eine eventuell große Dämpfung des übertragenen Signals, die von der Anzahl und der Art der zum selben Zeitpunkt an die elektrische Leitung angeschlossenen Geräte abhängt, und auf das Vorhandensein von impulsartigem Rauschen in der elektrischen Leitung in dem für die Übertragung verwendeten Frequenzband.
Beispielsweise bewirkt dieses impulsartige Rauschen in den meisten herkömmlichen Systemen wenigstens in bestimmten Zeitpunkten das Absinken des Rauschabstands unter den minimalen Erfassungswert für das Signal, der sich im allgemeinen in der Umgebung von 5 dB befindet.
Obwohl bekannt ist, aus all diesen Gründen Systeme mit erweitertem Spektrum zu verwenden, um Informationen auf den Stromnetzen zu übertragen, und obwohl sich diese Systeme bei bestimmten Anwendungen tatsächlich als zufriedenstellend erweisen, besitzen sie trotz allem den Nachteil, daß sie im allgemeinen verhältnismäßig komplex sind und ständig auf ein sehr breites Frequenzband Energie verteilen, wovon gegebenenfalls ein großer Teil nur einen sehr unzureichenden Rauschabstand bietet, um zum Erfolg der Übertragung wirksam beizutragen.
Es ist außerdem aus dem Patent US-A-4 479 215 eine Vorrichtung gemäß der Einleitung der vorliegenden Beschreibung bekannt, d. h. ein LTS-System, das eine Frequenzmodulation auf einem verhältnismäßig schmalen Band verwendet, das aus einer Gruppe von vorgegebenen Frequenzbändern gewählt ist.
Obwohl es dann theoretisch möglich wird, die gesamte Sendeenergie in einem hinsichtlich der Übertragung wirksamen Band zu konzentrieren, bringt der Rückgriff auf eine solche Modulation selbst ein neues Problem hervor, nämlich dasjenige der Wahl dieses Bandes und seiner koordinierten Nutzung durch den Sender einerseits und durch den Empfänger andererseits.
Dieses Problem ist im Stand der Technik sowohl im technischen Zusammenhang der LTS-Übertragung, wie das Patent US-A-4 479 215 selbst zeigt, als auch im Zusammenhang der Funkübertragung, wenngleich diese durch völlig andere Schwierigkeiten gekennzeichnet ist, wie das deutsche Patent DE-A-2 039 409 zeigt, gelöst, indem die Koordination des Senders und des Empfängers darauf gestützt wird, daß der Sender und der Empfänger im voraus die Reihenfolge kennen, in der versucht wird, die verschiedenen Frequenzbänder zu verwenden.
Beispielsweise erfolgt gemäß dem Patent US-A-4 479 215 jede neue Übertragung in einem dem Sender und dem Empfänger bekannten, im voraus definierten Frequenzband, wobei der Sender bei nicht erfolgendem Empfang einer Empfangsbestätigung von seiten des Empfängers auf das Fehlschlagen der Übertragung schließt; in diesem Fall sendet er in Richtung sämtlicher möglicher Empfänger einen Frequenzsprung-Befehl, der diese Empfänger anweist, die Ankunft einer Nachricht auf einem zweiten Frequenzband, das ebenfalls im voraus definiert ist und dem Sender und dem Empfänger im voraus bekannt ist, zu überwachen.
Obwohl in dem Patent US-A-4 479 215 besondere Mittel vorgesehen sind, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, daß die Empfänger den Frequenzsprung-Befehl wirksam erfassen und daher im Prinzip darüber informiert sind, daß sich das zu überwachende Band geändert hat, sind die Probleme im Zusammenhang mit dieser Betriebsart dreifach: zuallererst bleibt die Wahrscheinlichkeit dafür, daß der Empfänger das Frequenzsprung- Signal unter allen Übertragungsbedingungen nicht erfassen kann, relativ hoch; außerdem ist die Wahrscheinlichkeit dafür, daß der Empfänger ein parasitäres Signal empfängt und dieses als Frequenzsprung-Signal interpretiert, noch höher; schließlich und vor allem ist die Wahrscheinlichkeit für die Erfassung der Nachricht durch den Empfänger in jeder der zwei vorangehenden Eventualitäten streng Null, weil der Empfänger sich dann notwendig in einem anderen Frequenzband als jenem befindet, in dem die Nachricht ausgesendet wird.
Das Patent FR-A-2 180 988 beschreibt ein Verfahren zum Übertragen von Daten in Paketen, wobei jedes Paket am Anfang der Nachricht ein Codewort enthält, um die Synchronisation der Phase der Nachricht im Empfänger zu erleichtern.
Die Erfindung hat zum Ziel, eine LTS-Nachrichtenverbindungsvorrichtung vorzuschlagen, die sich an die Übertragung von Informationen in mehreren Frequenzbändern anpassen kann, deren Anpassungsprozeß jedoch nicht darauf beruht, daß der Sender und der Empfänger im voraus die Reihenfolge kennen, in der die verschiedenen Frequenzbänder genutzt werden, um so die obenerwähnten Ausfälle zu vermeiden.
Hierzu ist die Informationsübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung im wesentlichen dadurch gekennzeichnet:
- daß die Sendemittel wenigstens beim Aufbauen einer neuen Nachrichtenverbindung mit den Empfangsmitteln Informationen in Form einer Nachricht schicken, der ein Synchronisationsvorsatz vorhergeht, wobei wenigstens der Synchronisationsvorsatz in jedem der Frequenzbänder geschickt wird, und
- daß die Empfangsmittel enthalten: Aufbereitungsmittel, die jedes Signal verarbeiten können, das in jedem Empfangsband empfangen wird, das zu den vorgegebenen Frequenzbändern gehört; Anpassungsmittel für die Wahl des Empfangsbandes; Synchronisationsmittel, die eine im Synchronisationsvorsatz enthaltene vorgegebenen Folge wiederauffinden können; und Auswertungsmittel, die unter der Steuerung der Synchronisationsmittel arbeiten, um an die Anpassungsmittel ein Auswertungskriterium für die Übertragung von Informationen von jedem ausgewählten Empfangsband zu liefern; wobei die Anpassungsmittel dieses Kriterium verwenden, um als Empfangsband der Nachricht ein Empfangsband auszuwählen und festzuhalten, das eine ausreichende Übertragungsqualität bietet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung verarbeiten die Aufbereitungsmittel das in einem einzigen Empfangsband empfangene Signal auf einmal, wobei die Anpassungsmittel mangels eines Empfangs eines zufriedenstellenden Auswertungskriteriums das ausgewählte Empfangsband periodisch wechseln, mit einer Periodizität, die höchstens gleich der Sendedauer des Vorsatzes, dividiert durch die Anzahl der vorgegebenen Frequenzbänder, ist.
In einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die wenigstens eine erste und eine zweite Nachrichtenverbindungsstation enthält, die jeweils mit Sendemitteln und Empfangsmitteln versehen sind, wird der Wirkungsgrad der Übertragung von Informationen von der ersten Station zur zweiten Station nochmals verbessert, falls die zweite Station Mittel zum Steuern ihrer eigenen Sendemittel enthält, damit diese an die erste Station eine Empfangsbestätigung senden, die das als Empfangsband für die Nachricht festgehaltene Band angibt.
Beispielsweise verwendet die zweite Station dann das als Empfangsband für die Nachricht festgehaltene Band, um diese Empfangsbestätigung zur ersten Station zu senden.
Vorzugsweise verwenden die in die Vorrichtung der Erfindung integrierten Sendemittel eine Modulation durch Verschieben der Frequenz mit kontinuierlicher Phasenänderung (CPFSK-Modulation).
Falls außerdem die Mittel für die Bewertung der Übertragungsqualität einen Viterbi-Algorithmus ausführen, der in einem Phasengitter konstruiert ist, enthalten sie vorteilhaft Erfassungsmittel, die eine Erfassung des pseudokohärenten Typs ausführen.
In diesem Fall sind die Erfassungsmittel vorzugsweise geeignet, die Anzahl von in einem für den Viterbi-Algorithmus vorgesehenen Speicher eingetragenen Informationen zu begrenzen, um eventuelle Probleme bei der Erfassung aufgrund einer plötzlichen Phasenänderung zu beseitigen.
Andererseits ist der Wert des Modulationsindexes h, der die maximale Anzahl von Zuständen des Phasengitters bestimmt, vorteilhaft auf 0,75 festgelegt, ferner ist die verwendete CPFSK-Modulat ion vorzugsweise eine Quartärmodulation.
Schließlich können in dem Fall, in dem die Periodizität der Informationsübertragungen in bezug auf die Stabilitätsperioden des Sendekanals klein ist, die Sendemittel und die Empfangsmittel so beschaffen sein, daß sie das zuletzt als Empfangsband festgehaltene Frequenzband speichern und mit Priorität dieses Band für die folgende Nachrichtenverbindung verwenden und überwachen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich aus der Beschreibung, die im folgenden beispielhaft und keinesfalls beschränkend gegeben wird, indem auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
- die Fig. 1A und 1B ein Phasengitter für eine binäre bzw. quartäre CPFSK-Modulation zeigen;
- Fig. 2 eine funktionale Darstellung der analogen und digitalen Sende-/Empfangs-Karten der Vorrichtung ist;
- die Fig. 3A, 3B, 3C und 3D Informationsaustauschvorgänge zwischen einer ersten Station und einer zweiten Station gemäß ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Protokollen zeigen.
Die allgemeine Idee der Erfindung besteht darin, eine schmalbandige Modulation zu verwenden und das Frequenzband an die Übertragungscharakteristiken des Kanals, den die elektrische Leitung bildet, anzupassen.
Die Informationen werden durch CPFSK-Modulation übertragen, d. h. kraft einer Modulation durch Verschiebung der Frequenz mit kontinuierlicher Phasenänderung, wobei das Prinzip dieser Modulation darin besteht, eine Information mit der Frequenz eines sinusförmigen Signals, dessen Phase sich kontinuierlich verändert, zu codieren und zu übertragen.
Die in der Vorrichtung verwendete CPFSK-Modulation kann insbesondere binär oder quartär sein, d. h. die Übertragung von Symbolen mit zwei Zuständen oder "Bits", die durch zwei unterschiedliche Frequenzen codiert sind, oder von Symbolen mit vier Zuständen, die daher durch vier unterschiedliche Frequenzen codiert sind, ermöglichen.
Mathematisch kann diese Modulation in der folgenden Form ausgedrückt werden:
s(t) A cos[F(t) + G],
wobei t zum Intervall [(n - 1) T, n T] liegt, mit:
A = Quadratwurzel von (2 Es/T),
F(t) = 2 PI fc t + Alphan PI h (t - (n - 1) T)/T
G = PI h Summe(Alphai), wobei i von minus Unendlich bis
(n - 1) läuft,
wobei s(t) das in jedem Zeitpunkt t übertragene Signal; fc die Frequenz des übertragenen sinusförmigen Signals; T die konstante Dauer der übertragenen Bits oder Symbole; Es die Energie des übertragenen Symbols während der gesamten Dauer T; und Alphan den Wert des Symbols darstellt, wobei Alphan die Werte -1 und +1 für eine binäre CPFSK-Modulation und die Werte -3, -- 1, +1 und +3 für eine quartäre Modulation annimmt.
Wie der obige mathematische Ausdruck zeigt, gehen in die Phase des übertragenen Signals die Ausdrücke Alphai für i kleiner als n ein, die sich auf vergangene Symbole beziehen.
Obwohl jedes zu übertragende Symbol durch die Frequenz des ausgesendeten Signals codiert ist, hängt die Phase dieses Signals daher von den vorangehenden Symbolen ab.
Die gemäß der Erfindung bevorzugt ausgeführte Erfassung, die hier als "pseudokohärent" definiert ist, stimmt mit der wohlbekannten kohärenten Erfassung, mit der sie im wesentlichen die gleichen Eigenschaften besitzt, überein und unterscheidet sich nur durch die Tatsache, daß sie jede Operation der Phasenrückgewinnung vermeidet.
Zusätzlich zu ihrer großen Einfachheit bei der Ausführung besitzt diese pseudokohärente Erfassung den Vorteil, daß sie selbst bei geringem Rauschabstand, d. h. in dem Fall, in dem gerade die Rückgewinnung der Phase allgemein schwierig ist, ordnungsgemäß arbeitet.
Die gewählte Modulation ist außerdem, wie der Ausdruck von s(t) zeigt, durch die Wahl eines Modulationsindexes h gekennzeichnet, der den Frequenzabweichungsgrad darstellt und den Abstand zwischen zwei Frequenzen bestimmt.
Für einen gewählten Modulationsindex h und für eine gegebene Anzahl von Phasen bis auf Modub 2 PI bildet die Bahn der möglichen Phasen zu einem präzisen Zeitpunkt ein Gitter, das sich auf einem Zylinder abwickelt. Falls h durch h = p/q gegeben ist, wobei p und q teilerfrernd sind und p ungerade ist, enthält das Gitter dann nur 2 q verschiedene Zustände, wobei die folgenden Zustände nach einem Umlauf um den Zylinder mit den ersten übereinstimmen.
Jede Nachricht, die durch eine Gruppe von Symbolen gebildet ist, ist daher in ein Gitter dieses Typs eingeschrieben.
Fig. 1A zeigt das Phasengitter und das Verhalten des ausgesendeten Signals für eine binäre CPFSK-Modulation. Das Gitter ist durch ein Bezugssystem dargestellt, das als Abszisse die Zeit t und als Ordinate die Phase pH, die in Abhängigkeit vom Modulationsindex h ausgedrückt ist, besitzt.
Fig. 1B zeigt ein anderes Phasengitter, das im Fall einer CPFSK-Quartärmodulation erhalten wird. Bei jedem Symbol-Übergang sind a priori vier Bahnen und daher vier Werte für das folgende Symbol möglich.
Tatsächlich kann eine pseudokohärente Erfassung nicht ohne eine besondere Wahl der Parameter des Phasengitters und genauer des Modulationsindexes h erfolgen.
Obwohl nämlich a priori der Modulationsindex h mehrere Werte annehmen kann, muß er für ein optimales Ergebnis mehrere Beschränkungen respektieren, d. h. er muß:
- als Wert eine rationale Zahl besitzen, damit er zu einem Gitter führt, dessen Anzahl von Zuständen endlich ist;
- zu einem Gitter führen, dessen Anzahl von Zuständen ausreichend groß ist, damit die Phasenverschiebung zwischen der wirklichen Phasenbahn und jeder möglichen Bahn gering ist, so daß die Menge der verlorenen Energie durch Anpassen zweier benachbarter Zustände nicht zu groß ist; und
- hohe Leistungen in bezug auf die Entscheidungs- Fehlerwahrscheinlichkeit liefern, die insbesondere größer als jene von PSK sind.
Ein leistungsfähiger Wert des Modulationsindexes ist beispielsweise h = 3/4, d. h. h = 0,75, für den das Gitter acht (2 q = 2 x 4 = 8) Zustände enthält.
Wenn h keine ganze Zahl ist&sub1; wie dies in der beschriebenen Anwendung der Fall ist, stützt sich die Erfassung nicht nur auf den Zustand des Signals zu einem gegebenen Zeitpunkt, sondern auch auf die früheren Zustände dieses Signals.
Die übertragene Nachricht ist daher in Abhängigkeit von der Bahn ihrer Phase festgelegt, wobei die Erfassung, die vorzugsweise durch Ausführen des Viterbi-Algorithmus verwirklicht wird, darin besteht, die wahrscheinlichste Phasenbahn, die innerhalb des Gitters verfolgt wird, zu finden.
Es. ist nämlich bekannt, daß der Viterbi-Algorithmus, ein dem Fachmann wohlbekannter rekurrenter Prozeß, die Reduzierung der Anzahl der zu berücksichtigenden Phasenbahnen unter allen möglichen Phasenbahnen auf 2 q ermöglicht, so daß jede ein Folge von Symbolen aus sämtlichen möglichen Folgen repräsentiert.
Wenn daher ein Gitter mit acht Zuständen betrachtet wird, das einem Modulationsindex h = 3/4 entspricht, werden von diesem Algorithmus nur acht Bahnen mit von Null verschiedener Wahrscheinlichkeit dafür&sub1; daß sie der von der Nachricht wirklich verfolgten Bahn entspricht, festgehalten.
Diese acht Bahnen, die "Überlebende" genannt werden, werden in der Vorrichtung der Erfindung gespeichert, deren strukturelle Beschreibung mit Bezug auf Fig. 2 erfolgt.
Beim Empfang jedes neuen Symbols werden die Überlebenden anhand der Informationen, die am Ausgang der in dieser Figur dargestellten Korrelatoren 220 verfügbar sind, verlängert.
Genauer ermöglichen die Ausgänge dieser Korrelatoren die Berechnung von Übergangsmetriken, d. h. die Messung der Wahrscheinlichkeit eines Übergangs zwischen zwei Phasenzuständen.
Ausgehend von diesen Übergangsmetriken bestimmt der Viterbi- Algorithmus die Wahrscheinlichkeit einer Bahn und ermöglicht, den günstigsten der Überlebenden zu wählen.
Es erweist sich im Rahmen der Erfindung und insbesondere für die pseudokohärente Erfassung als möglich, den Empfang dadurch zu verbessern, daß der Speicher des Viterbi-Algorithmus begrenzt wird, mit anderen Worten, daß die Vergangenheit entweder periodisch oder progressiv vergessen wird.
In dem Maß, in dem die Ausführung des Viterbi-Algorithmus eine Speicherwirkung einführt, stört nämlich jede plötzliche und ungeeignete Phasenänderung die Erfassung während einer bestimmten Zeit.
Das Vergessen der Vergangenheit ermöglicht daher die Reduzierung der eventuellen Fehler dieses Typs und die Begrenzung der eventuellen Verluste an Information, wobei sich dann jegliche zufällige Phasenänderung nur auf einen Teil der Phasenbahn auswirkt.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist das Vergessen der Vergangenheit progressiv und besteht darin, bei Ankunft jedes neuen Symbols das älteste Symbol jedes Überlebenden nach dessen Berücksichtigung zu vergessen, d. h. sobald in Abhängigkeit von den berechneten Metriken für jeden der Überlebenden das älteste Symbol sämtlicher Überlebender festgelegt worden ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die Vergangenheit periodisch vergessen. In diesem Fall vergleicht der Detektor die Metriken jedes Überlebenden zum gewählten Zeitpunkt, um den Speicher zu leeren, und bestimmt dann die Gesamtheit der Symbole des wahrscheinlichsten Überlebenden.
Um die Nachrichten, die beim Empfänger auftreten, richtig zu interpretieren, muß dieser einerseits das Frequenzband feststellen können, in dem sie ausgesendet worden sind, und muß andererseits den Anfangszeitpunkt jedes Symbols feststellen können und schließlich den Anfangszeitpunkt der Nutznachricht, die an ihn adressiert ist, feststellen können.
All dies wird gemäß der Erfindung in einfacher Weise sowohl durch eine besondere funktionale Kombination des Empfängers als auch durch die Tatsache erhalten, daß jeder Nachricht ein Synchronisationsvorsatz vorhergeht, der eine vorgegebene Folge enthält, kraft derer der Empfänger den Anfangszeitpunkt jedes Symbols, der allgemein mit " Symbol-Timing" bezeichnet wird, feststellen kann.
Fig. 2 zeigt in funktionaler Form die analoge Karte 100 und die digitale Karte 200 der Vorrichtung der Erfindung zum Senden und Empfangen.
Der Kopplungs- und Schutzblock 110, der jedem LTS-System eigentümlich ist, stellt die physikalische Verbindung zwischen der Vorrichtung und der Leitung des Starkstromnetzes her.
Genauer hat der Kopplungs- und Schutzblock 110 beim Empfang die Funktion, jedes von der Leitung 50 am Eingang 110b empfangene Signal in ein von der Vorrichtung verwendbares Signal umzuformen, und hat beim Senden die Funktion, ein von der Vorrichtung verarbeitetes Signal in ein Signal umzuformen, das von seinem Ausgang 110a ausgeht und auf der Leitung 50 laufen kann.
Der Block 120, der "Aufbereitungsblock" genannt wird, besitzt die Funktion, jedes vom Kopplungsblock kommende und an seinem Eingang 120a empfangene Signal aufzubereiten, d. h. vorzuverarbeiten, wobei diese Aufbereitung aus einer Filterung, aus einer Frequenzumsetzung dieses Signals um eine Zwischenfrequenz kraft eines an seinem Eingang 120b empfangenen Signals mit der Umsetzungsfrequenz, und aus einer Verstärkung des empfangenen Signais besteht.
Das am Ausgang 120c des Aufbereitungsblocks 120 verfügbare Signal wird zum Eingang 130a eines Analog/Digital-Umsetzers (ADU) 130 geliefert, wobei die digitalen Abtastwerte, die am Ausgang 130b dieses Umsetzers verfügbar sind, zur digitalen Karte 200 geschickt werden.
Beim Senden sendet der Signalgenerator 140 ein Signal, das von seinem Ausgang 140a zum Eingang 110c des Kopplungs- und Schutzblocks 110 übertragen werden soll. Beim Empfang sendet der Generator 140 das Signal mit der geeigneten Umsetzungsfrequenz von seinem Ausgang 140b zum Eingang 120b des Aufbereitungsblocks 120. Die Wahl der Betriebsart des Generators 140 wird kraft eines Ein/Aus-Schalters 150 verwirklicht, der seinerseits durch eine Nachrichtenverbindungs-Steuereinrichtung 290 gesteuert wird, die außerdem die Betriebsart des Kopplungsblocks 110 steuert.
Die vom ADU 130 kommenden digitalen Abtastwerte werden in einen Schreib/Lese-Speicher (RAM) 210 gespeichert, bevor sie um zwei Übertragungsfrequenzen F0 und F1 für ein binäres CPFSK-Schema (und um vier Frequenzen für ein Quartärschema) unter der Wirkung einer Anordnung von vier (bzw. acht) Korrelatoren 220 gefiltert werden.
Ausgehend von diesen vier (oder acht) korrelierten Werten von F0 und F1 berechnet der Symbolentscheidungsblock 230, der den Viterbi-Algorithmus ausführt, kraft eines Rechners 240 die sechzehn Übergangsmetriken (oder 32 für ein Quartärschema), deren Rolle weiter oben im einzelnen erläutert worden ist.
Die vom Rechner 240 ausgegebenen Metriken werden zur Überlebenden-Steuereinrichtung 250 geschickt, die an ihrem Ausgang die aus der Entscheidung sich ergebenden Symbole liefert, welche zur Fehlerkorrektureinrichtung 270 und zum Rahmensynchronisationsblock 260 für die Synchronisation der Empfangsstation auf die empfangene Information geschickt werden.
Die Fehlerkorrektureinrichtung 270 führt jeden beliebigen bekannten Erfassungs- und Fehlerkorrektur-Algorithmus aus, der die Bestimmung ermöglicht, ob die eventuellen Übertragungsfehler korrigierbar sind oder nicht, und der sie zu korrigieren ermöglicht, falls sie vorhanden sind.
Diese Fehlerkorrektureinrichtung 270 wird von der Nachrichtenverbindungs-Steuereinrichtung 290 gesteuert, die den Erfassungs- und Fehlerkorrektur-Algorithmus aktiviert und der Fehlerkorrektureinrichtung die Länge der erwarteten Nachricht anzeigt.
Im inaktiven Modus überträgt die Korrektureinrichtung 270 zur Nachrichtenverbindungs-Steuereinrichtung 290 die erfaßte Nachricht ohne Korrektur entsprechend der angezeigten Länge. Im aktiven Modus überträgt sie zur Nachrichtenverbindungs Steuereinrichtung 290 die korrigierte Nachricht oder informiert sie, daß die Nachricht nicht korrigierbar ist, wobei diese Korrektureinrichtung daher an der Auswertung der Übertragung teilhat.
Der Rahmensynchronisationsblock 260 empfängt an seinem Eingang 260a die bestimmten Symbole, speichert sie in einem Schieberegister und korreliert sie zu einem ersten Zeitpunkt mit den Symbolen einer vorgegebenen Timing-Wiedergewinnungs folge (z. B.: 101010), die in dem vom Sender übertragenen Vorsatz enthalten ist. Wenn die Korrelation einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, schickt er von seinem Ausgang 260b zum Symbolsynchronisationsblock 280 ein Signal, das die erfolgreiche Timing-Wiedergewinnung, d. h. die Bestimmung des Anfangszeitpunkts der empfangenen Symbole, anzeigt.
Infolge dieser Timing-Wiedergewinnung korreliert der Synchronisationsblock 260 die bestimmten Symbole mit den Symbolen einer zweiten vorgegebenen Synchronisationsfolge, die ebenfalls im Vorsatz enthalten ist, den Beginn der Nutznachricht definiert und "Rahmensynchronisationsfolge" genannt wird. Sobald diese Korrelation einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, wobei der Grad dieses Übersteigens die Empfangsqualität angibt, wird ein Signal, das den Erfolg und die Qualität der Wiedergewinnung des Rahmens angibt, über den Ausgang 260c des Rahmensynchronisationsblocks 260 zur Korrektureinrichtung 270 geschickt. Die Erzeugung dieses Signals, die daher ein Auswertungskriterium für die von der Steuereinrichtung 290 am Ende genutzte Übertragung bildet, verleiht dem Rahmensynchronisationsblock 260 die Rolle eines Auswertungsmittels der Übertragung zusätzlich zu seiner ersten Rolle eines Synchronisationsmittels.
Der Symbolsynchronisationsblock 280 verwendet für jedes empfangene Symbol die Ausgänge 220a der Korrelatoren 220, um den Timing-Fehler zu berechnen, den er über seinen Ausgang 280a zum Eingang 220b der Korrelationseinrichtungen 220 schickt.
Die Korrelationseinrichtungen 220 können somit in Abhängigkeit von diesem Fehler die Adresse der Information, die sie über ihren Ausgang 220c vom Speicher 210 anfordern, anpassen.
Im Sendemodus formatiert die Nachrichtenverbindungs-Steuereinrichtung 290 die zu übertragenden Nachrichten, indem sie sie codiert, wenn es sich um Nutznachrichten handelt, und indem sie ihnen Synchronisationsvorsätze voranstellt, die Symbol- und Rahmensynchronisations folgen enthalten.
Die Nachrichtenverbindungs-Steuereinrichtung 290 wählt dann die zwei (oder für ein Quartärschema: vier) Frequenzen für die Darstellung der Information, die sie am Eingang 140d des Generators 140 gemäß einer der zu übertragenden Nachricht entsprechenden Folge angibt.
Für die Übertragung von Nachrichten können mehrere Austauschprotokolle verwendet werden, wobei diese Protokolle in der Nachrichtenverbindungs-Steuereinrichtung 290 implementiert sind.
Die Ausdrücke "Protokoll" und im Fall der Erfindung "adaptives Protokoll" bezeichnen die Gesamtheit der Nachrichtenaustauschvorgänge zwischen einem Sender und einem Empfänger, um die erfolgreiche Übertragung einer Nutznachricht zu erzielen.
Gemäß der Erfindung ist der übertragungskanal zwischen dem Sender und dem Empfänger in mehrere Frequenzbänder unterteilt.
Jede Sender/Empfänger-Station legt wenigstens zwei Frequenzbänder fest, wobei die Empfangsstation im Verlauf eines Schrittes, der auf die Anpassungseigenschaften Bezug nimmt, das von der Sendestation zum Übertragen der Nachrichten gewählte Frequenzband feststellt.
Genauer handelt es sich für jede der an der Übertragung beteiligten Stationen darum, das beste Frequenzband von allen, die a priori verfügbar sind, oder ein mehr oder weniger gut verwendbares Frequenzband, d. h. ein Frequenzband, das nur zu einer ausreichend niedrigen Anzahl von Fehlern führt, um von der Fehlerkorrektureinrichtung 270 korrigiert werden zu können, zu bestimmen und zu nutzen.
Die Bestimmung des Frequenzbandes, das für die Übertragung der Nutzinformationen festzuhalten ist, weil es eine korrekte Übertragung der Nachrichten ermöglicht, kann gemäß mehrerer unterschiedlicher Nachrichtenaustausch-Protokolle zwischen dem Sender und dem Empfänger erfolgen.
Fig. 3A zeigt einen Austausch von Informationen zwischen dem Sender und dem Empfänger gemäß einem ersten Protokoll. Der Sender E schickt gleichzeitig denselben Vorsatz auf jedem der Bänder einer Gruppe von mehreren vorgegebenen Frequenzbändern, beispielsweise vier Bänder B1, B2, B3, B4. Der Empfänger R, der ständig versucht, sich auf die verschiedenen Frequenzbänder zu synchronisieren, die er seinerseits gewählt hat, gelangt schließlich dahin, sich auf eines von ihnen während der Übertragung dieses Vorsatzes zu synchronisieren. Wenn dieser Vorsatz geschickt ist, schickt der Sender nach diesem Vorsatz die Nutznachricht gleichzeitig auf allen diesen Frequenzbändem, wobei der Empfänger dann die Nutznachricht auf dem Frequenzband erfaßt, auf das er sich erfolgreich synchronisiert hat.
Für eine Übertragung auf vier verschiedenen Frequenzbändern&sub1; für eine binäre Bruttoübertragungsrate von 1000 Bits/s und für eine Nutznachricht von 640 Bits ermöglicht dieses Protokoll, eine binäre Netto-Übertragungsrate von 925 Bits/s zu erhalten, was ein ausgezeichnetes Ergebnis darstellt. Hingegen erfordert dieses Protokoll eine Teilhabe an der in den verschiedenen Übertragungsbändern verfügbaren Senderenergie, so daß seine Hauptvorteile seine Übertragungsqualität und die geringe Verschlechterung der Brutto-übertragungsrate, die es zur Folge hat, bestehen.
Fig. 3B veranschaulicht einen Austausch von Informationen gemäß einem zweiten Protokoll. Der Sender schickt gleichzeitig die gleiche prüfnachricht auf jedem der Frequenzbänder B1, B2, B3, B4 und wiederholt dieses Schicken so oft, wie Bänder vorhanden sind, damit der Empfänger Gelegenheit hat, sich an jedes der Bänder Durchlauf für Durchlauf anzupassen, für jedes von ihnen die Übertragungsqualität auszuwerten und jedem eine entsprechende Qualitätsbemerkung hinzuzufügen, die für ein Band im Fall eines fehlerhaften Empfangs der Prüfnachricht auf ihrem Band Null ist und im entgegengesetzten Fall den folgenden Wert annimmt:
Qualitätsbemerkung = als annehmbar festgelegte Anzahl von Fehlern - Anzahl von Fehlern, die in der vorgegebenen Prüfnachricht erfaßt werden
Der Empfänger, der diese Qualitätsbemerkung als Auswertungskriterium der Übertragung verwendet, wählt dann das Band, das die beste Qualitätsbemerkung besitzt, und schickt darauf zum Sender die "Nummer" Bi, indem er gleichzeitig auf allen Frequenzbändern eine die Nummer dieses Bandes angebende Empfangsbestätigung schickt. Der Sender kann dann, indem er sich nacheinander an die verschiedenen Übertragungsbänder anpaßt, die Angabe des vom Empfänger festgehaltenen Frequenzbandes wiedergewinnen.
Für die Anfangsparameter, die mit dem ersten Protokoll übereinstimmen, ermöglicht dieses Protokoll eine Netto- Übertragungsrate von 600 Bits/s und weist den Vorteil auf, mit der bestmöglichen Qualität zu übertragen, weil es das beste Übertragungsband wählt.
Fig. 3C zeigt einen Austausch zwischen dem Sender E und dem Empfänger R gemäß einem dritten Austauschprotokoll, das erneut Prüfnachrichten verwendet, um das optimale Frequenzband zu bestimmen. In dem in der Figur dargestellten Beispiel wird angenommen, daß das Band B1 eine sehr schlechte Qualität besitzt, daß das Band B2 etwas besser ist, daß das Band B4 eine gute Qualität besitzt und daß das Band B3 ausgezeichnet ist. Der Sender E schickt nacheinander auf jedem Frequenzband Bj dieselbe Prüfnachricht. Der Empfänger R beobachtet nacheinander jedes Band und versucht, die Prüfnachricht (Prüfung Bj) zu erfassen und die eventuellen Übertragungsfehler zu verbuchen.
Wenn jedes Frequenzband beobachtet worden ist, fügt der Empfänger R jedem von ihnen eine Qualitätsbemerkung bei, wobei der fehlerhafte Empfang der Prüfnachricht auf einem Band dazu führt, daß ihm eine Qualitätsbemerkung Null beigefügt wird. Diese Qualitätsbemerkung wird als Übertragungskriterium verwendet, wobei das Frequenzband, das die beste Qualitätsbemerkung erhalten hat, gewählt wird. Der Empfänger R schickt dann auf jedem Band Bj eine Empfangsbestätigung zurück, die die Nummer des für die folgende Übertragung festgehaltenen Bandes angibt.
Da der Empfänger R auf einmal nur ein einziges Band beobachtet, wird das Schicken jeder Prüfnachricht so oft wiederholt, wie Bänder vorhanden sind, oder der Symbolsynchronisationsvorsatz wird um einen Faktor verlängert, der gleich der Anzahl der Bänder ist, um sicherzustellen, daß der Empfänger ausreichend Gelegenheit hat, jedes Band Durchlauf für Durchlauf zu beobachten. Wenn der Sender E vom Empfänger R die das festgehaltene Band bezeichnende Information empfangen hat, schickt er die Nutznachrichten zum Empfänger R, der sie erfaßt und interpretiert.
Bei jeder neuen Übertragung wird der Prozeß erneut begonnen.
Daher müssen für eine Anwendung, die vier Frequenzbänder B1, B2, B3, B4 benutzt, vier Prüfnachrichten (Prüfung B1, Prüfung B2, Prüfung B3, Prüfung B4) auf den vier Bändern geschickt werden, wobei das Senden daher sechzehnmal wiederholt wird. Der Detektor R beobachtet nacheinander die vier Bänder und schickt auf jedem von ihnen eine Information Bi zurück, die das Band angibt, das er festgehalten hat, wobei die Nutznachricht dann auf diesem Band geschickt wird.
Obwohl dieses Austauschprotokoll einen begrenzten Wirkungsgrad besitzt, weil es stark von der Länge der Prüfnachrichten abhängt, besitzt es den Vorteil, verhältnismäßig einfach zu sein. Mit denselben Anfangsparametern wie in den vorangehenden Protokollen, beträgt seine Netto-Übertragungsrate 410 Bits pro Sekunde.
Fig. 3D veranschaulicht ein viertes Austauschprotokoll, das entweder das beste Frequenzband oder wenigstens ein annehmbares Frequenzband bestimmen kann, wobei für die Bänder B1, B2, B3 und B4 die gleiche Qualität angenommen wird wie für jene im Beispiel von Fig. 3C.
Dieses Protokoll nutzt vollständig die Tatsache, daß es für die Sicherstellung der ordnungsgemäßen Übertragung der Nachricht ausreicht, daß der Empfänger auf die empfangene Nachricht synchronisiert ist und daß die eventuellen Fehler, die die Nutznachricht beeinflussen, in einer Anzahl vorliegen, bei der sie korrigierbar bleiben.
Der Sender E schickt zum Empfänger R die Nutznachricht, der ihr Synchronisationsvorsatz vorhergeht, zunächst auf einem beliebigen der Frequenzbänder, dann nacheinander auf jedem der anderen Frequenzbänder Sobald der Empfänger R die Nutznachricht auf einem der Bänder zufriedenstellend erfaßt, schickt er zugleich auf demselben Band eine Empfangsbestätigung zum Sender zurück, die das festgehaltene Empf angsband kennzeichnet.
Dieses Protokoll weist den Vorteil eines großen Einfachheit bei der Ausführung auf. Außerdem ist es möglich, es zu vervollkommnen und die bei ihm mögliche Nachrichtenverbindungs- Übertragungsrate erheblich zu erhöhen, indem im Sender wenigstens die Nummer des vom Empfänger festgehaltenen Bandes gespeichert wird und indem dieses für die folgenden Übertragungen mit Priorität verwendet wird, was bei diesen letzteren wenigstens dann, wenn sich die Übertragungsbedingungen nicht geändert haben, ermöglicht, die für die Wiederauffindung des zufriedenstellenden Übertragungsbandes notwendige Zeit zu sparen. Daher verändert sich für eine vier Frequenzbänder verwendende Anwendung die Länge der Suche des geeigneten Bandes zwischen der Länge des Vorsatzes und der Nutznachricht, denen die Empfangsbestätigung hinzugefügt wird, und dem Vierfachen dieser Länge.
Auf diese Weise wird selbst dann, wenn die Suchdauer eines geeigneten Bandes mit diesem Protokoll länger als mit den anderen Protokollen sein kann, eine erhebliche Zeitdauer kraft der gegebenen Reihenfolge eingespart, in der die verschiedenen Bänder für die folgenden Übertragungen bevorzugt werden.
Dieses Protokoll ermöglicht daher eine Netto-Übertragungsrate, die sich zwischen 870 Bits pro Sekunde und 217 Bits pro Sekunde verändert.
Gemäß der Erfindung ist es beispielsweise möglich, eine Nachricht zu übertragen, indem Frequenzbänder verwendet werden, die im Bereich von 9 bis 95 kHz liegen und beispielsweise um eine Schrittweite von 38 Hz beabstandet sind.

Claims

1. Vorrichtung für die Übertragung digitaler Informationen auf einer Leitung eines Starkstromnetzes, mit Sendemitteln (100, 200), die geeignet sind, Informationen in mehreren vorgegebenen Frequenzbändern (Bi) zu senden, und Empfangsmitteln (100, 200), die geeignet sind, Informationen in einem beliebigen dieser Bänder zu empfangen, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Sendemittel wenigstens beim Aufbauen einer neuen Nachrichtenverbindung mit den Empfangsmitteln Informationen in Form einer Nachricht schicken, der ein Synchronisationsvorsatz vorhergeht, wobei wenigstens der Synchronisationsvorsatz in jedem der Frequenzbänder geschickt wird, und

- daß die Empfangsmittel enthalten: Aufbereitungsmittel (120, 140), die jedes Signal verarbeiten können, das in jedem Empfangsband empfangen wird, das zu den vorgegebenen Frequenzbändern gehört; Anpassungsmittel (290) für die Wahl des Empfangsbandes; Synchronisationsmittel (260, 280), die eine im Synchronisationsvorsatz enthaltene vorgegebene Folge wiederauffinden können; und Auswertungsmittel (230, 260, 270), die unter der Steuerung der Synchronisationsmittel arbeiten, um an die Anpassungsmittel ein Auswertungskriterium für die Übertragung von Informationen in jedem ausgewählten Empfangsband zu liefern; wobei die Anpassungsmittel dieses Kriterium verwenden, um als Empfangsband der Nachricht ein Empfangsband auszuwählen und festzuhalten, das eine ausreichende Übertragungsqualität bietet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitungsmittel das in einem einzigen Empfangsband empfangene Signal auf einmal verarbeiten und daß die Anpassungsmittel mangels eines Empfangs eines zufriedenstellenden Auswertungskriteriums das ausgewählte Empfangsband periodisch wechseln, mit einer Periodizität, die höchstens gleich der Sendedauer des Vorsatzes, dividiert durch die Anzahl der vorgegebenen Frequenzbänder, ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die wenigstens eine erste Nachrichtenverbindungsstation, die mit den Sendemitteln versehen ist, sowie eine zweite Nachrichtenverbindungsstation, die wenigstens mit den Empfangsmitteln versehen ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Station ebenfalls Sendemittel sowie Mittel zum Steuern dieser letzteren enthält, damit diese an die erste Station eine Empfangsbestätigung senden, die das als Empfangsband für die Nachricht festgehaltene Band angibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Station das festgehaltene Band als Empfangsband für die Nachricht verwendet, um die Empfangsbestätigung zur ersten Station zu senden.

5. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendemittel Mittel enthalten(220) zum Ausführen einer Modulation durch Verschieben der Frequenz mit kontinuierlicher Phasenänderung, die CPFSK- Modulation genannt wird.

6. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, die einen Viterbi-Algorithmus ausführt, der in einem Phasengitter konstruiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für die Auswertung der Qualität der Übertragung außerdem Erfassungsmittel enthalten, die eine Erfassung des pseudokohärenten Typs ausführen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel geeignet sind, die Anzahl von in einem für den Viterbi-Algorithmus vorgesehenen Speicher eingetragenen Informationen zu begrenzen, um eventuelle Probleme bei der Erfassung aufgrund einer plötzlichen Phasenänderung zu beseitigen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, in der die Erfassungsmittel einen Modulationsindex h verwenden, der eine maximale Anzahl von Zuständen des Phasengitters bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert dieses Modulationsindexes h auf 0,75 festgelegt ist.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die CPFSK-Modulation eine Quartärmodulat ion ist.

10. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Sendemittel geeignet sind, das letzte als Empfangsband festgehaltene Frequenzband zu speichern und mit Priorität dieses Band für die folgende Nachrichtenverbindung mit den Empfangsmitteln zu verwenden.