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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Übertragung
oder Funkübertragung.
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Es
gilt insbesondere für
die Herstellung von Systemen, die es erlauben, eine Funkübertragung
digitaler Signale in Amplitudenmodulation im Kurzwellenbereich sicherzustellen.
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Zum Übertragen
von Daten im Kurzwellenbereich ist es bekannt, Modulationsverfahren
mehrerer Trägerwellen
parallel zu verwenden. Solche Verfahren, wie zum Beispiel das in
der Patentanmeldung EP-A-0 549 445, eingetragen auf den Namen der
Antragstellerin beschriebene, erlauben es, ein Frequenzspektrum
des gesendeten Signals des rechteckigen Typs zu erzielen, das in
dem Frequenzbereich, dessen Bandbreite als quasi gleich dem Abstand
zwischen Kanälen
betrachtet werden kann, gut abgegrenzt ist, ohne dass merkliche
Interferenzen zwischen Nachbarkanälen auftreten. Die Bedeutung eines
solchen Verfahrens besteht darin, dass es ein Rauschverhältnis deutlich
kleiner als das benötigt, das
im Allgemeinen von den analogen Modulationsverfahren einer reinen
Trägerwelle
gefordert wird, wenn die Trägerwellen
durch digitale Signale mit mehreren Amplituden- und Phasenzuständen moduliert werden.
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Es
weist auch die Bedeutung auf, dass es auf der Ebene der Empfänger eine
stets annehmbare Wiedergabequalität aufweist, denn diese hängt großteils nur
von der Anzahl der verwendeten Trägerwellen ab. Typisch beträgt das minimale
geforderte Frequenzband 3 kHz für
Verbindungen mit alleinigem Seitenband, was Durchsätze zu 8
KB/s erlaubt.
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In
der Praxis ist jeder Sender einer Verwendung auf einem bestimmten
Frequenzband zugeordnet, und ein gleicher Sender kann nicht verwendet werden,
um sowohl die kleinen Benutzer, zum Beispiel die Funkamateure, als
auch Rundfunkveranstalter zufrieden zu stellen, die auf variablen
Frequenzbändern
arbeiten möchten,
die in Abhängigkeit von
der gewünschten
Qualität
einstellbar sind. Das ist für
die Rundfunkveranstalter, die für
jedes Frequenzband eine geeignete Modulationsvorrichtung für jeden
Verwendungsbereich erwerben müssen, sehr
einengend.
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Das
Ziel der Erfindung besteht darin, den oben genannten Nachteilen
abzuhelfen.
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Dazu
hat die Erfindung ein Verfahren zur digitalen Funkübertragung
mit modulierbarem Übertragungsdurchsatz
des Typs zum Gegenstand, der darin besteht, die digitalen Daten
durch Modulation mehrerer Trägerwellen
parallel durch periodisches Erzeugen einer Basisgruppe zu übertragen,
die eine bestimmte Anzahl M von Rahmen hat, die selbst aus einer
bestimmten Anzahl von Trägerwellen
mit festgelegter Dauer T bestehen, und ein bestimmtes Frequenzband
B belegen, wobei das Basismuster aus einem ersten zeitlichen Synchronisationsrahmen
bekannter Form besteht, gefolgt von Signalsymbolrahmen, dadurch
gekennzeichnet, dass es darin besteht, zum Steigern des binären Durchsatzes
der vom Sender übertragenen
Daten zur Basisgruppe getrennte Zusatzgruppen hinzuzufügen, die
ausschließlich
aus einer bestimmten Anzahl von Signalsymbolrahmen bestehen, die
von einer bestimmten Anzahl von Trägerwellenfrequenzen getragen
werden.
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Die
Erfindung weist den Vorteil einer großen Anpassungsfähigkeit
in der Verwendung auf, denn sie erlaubt es, die Breite des Frequenzbands
eines Senders jedes Mal in Abhängigkeit
von der Qualität oder
dem binären
Durchsatz anzupassen, die für eine
bestimmte Verwendung charakteristisch sind, ohne dazu besondere
Strukturänderungen
der Sender zu fordern. Sie erlaubt es auch, eine ursprüngliche
Synchronisation zwischen dem Sender und den Empfängern in einer sehr kleinen Zeit,
die bei den Rundfunkverwendungen typisch geringer ist als 1 Sekunde
sicherzustellen, und Schmalbandinterferenzen unter Eliminieren ihrer
Effekte zu erfassen.
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Andererseits
ist die Rechenleistung, die erforderlich ist, um es einem Empfänger zu
erlauben, die übertragenen
digitalen Daten zurückzugewinnen, so
reduziert wie möglich.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich mit Hilfe der nachfolgenden
Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die Figuren der anliegenden
Zeichnungen erfolgt, die Folgendes darstellen:
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1 das
Frequenzspektrum eines gemäß einer
erfindungsgemäßen Multiträgerwellenmodulation
gesendeten Signals.
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2 das
Modulationskonzept durch Gruppen mit erfindungsgemäßen zusätzlichen
Multiträgerwellen.
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3A, 3B, 3C und 3D Einrichtungsbeispiele
von Zusatzgruppen in Abhängigkeit
von den erwarteten binären Übertragungsdurchsätzen.
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4 das
Signalformat in einem Zeit-Frequenzraum.
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Das
Spektrum des für
die Anwendung der Erfindung gesendeten Signals ist das, das sich
aus einer Sendung durch mehrere parallel gekoppelte Modulatoren
von Signalen auf einer großen
Anzahl von Trägerwellen
ergibt. Diese Trägerwellen
sind wie 1 zeigt regelmäßig beabstandet
und gleichzeitig voneinander unabhängig moduliert. Sie werden
gemäß einem
bekannten Verfahren der Amplitudenmodulation auf zwei Kanälen in Quadratur,
auch unter der Abkürzung
MAQ bekannt, amplitudenmoduliert.
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Um
dem Rauschen und den Interferenzen besser zu wider stehen, kann das
modulierte Signal auch gemäß dem unter
der angelsächsischen
Abkürzung
TCM bekannten Verfahren „Treillis
Coded Modulation" codiert
werden, das darin besteht, die in Paketen einer bestimmten Anzahl
m von Bit zu übertragenden
Datenbits zu gruppieren, wobei jedem Paket eine besondere Wellenform
aus einer bestimmten Anzahl M zugeordnet wird, wobei M größer ist
als 2m und in der Größenordnung von 2 bis 4 Mal
2m.
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Wie 1 zeigt,
ist das Spektrum des resultierenden Signals, das durch Kurve A dargestellt wird,
die Summe der Frequenzspektren aller Trägerwellen und belegt eine Bandbreite
Bn. Dank der Enge des Frequenzspektrums
der einzelnen Trägerwellen, ist
das Frequenzspektrum des digitalen Signals daher sehr gut im Gegensatz
zu dem abgegrenzt, das von der gestrichelten Kurve B dargestellt
wird, die für den
gleichen binären
Durchsatz mit einer einzigen in gleicher Weise modulierten Trägerwelle
erzielt würde.
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Um
es zu erlauben, das Frequenzband Bn zu verbreitern
und folglich den Durchsatz der übertragenen
Daten, besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin,
eine modulare Konstruktion des Spektrums durchzuführen, indem
das Spektrum in eine Gruppe von Basisträgerwellen „GB", zu der ein oder mehrere Zusatzträgerwellengruppen „GA" hinzugefügt werden,
aufgegliedert wird. Die Basisträgerwellengruppe belegt
die minimale für
das Funktionieren des Senders erforderliche Frequenzbandbreite,
nämlich
zum Beispiel eine Bandbreite von 3 kHz. Diese Gruppe umfasst alles,
was für
die ursprüngliche
Synchronisation des Empfängers
und für
die Übertragung
der Daten mit einem binären
Mindestdurchsatz von zum Beispiel 8 KB/s sowie aller stark geschützten Daten, die
das genaue Format des übertragenen
Signals definieren, erforderlich ist. Die Zusatzträgerwellengruppen
sind vorzugsweise in gleicher Weise definiert, um eine allmähliche Steigerung
des binären
Durchsatzes zu erlauben und die erforderlichen Durchsatzbedingungen
zu erzielen. zum Beispiel erzielt man durch Kalibrieren der Bandbreite
jeder Zusatzgruppe mit einer Bandbreite von 1,5 kHz Durchsatzsteigerungen
in Schritten von 4 KB/s. Die Zusatzgruppen „GA" können
wie 2 zeigt in zwei symmetrischen Formen konzipiert
werden, um eine Verbreiterung der Bandbreite des Senders in den
niedrigen Frequenzen oder in den hohen Frequenzen zu erlauben. Sie
können
auch zur Basisgruppe in dem Frequenzbereich entweder auf der Seite
der niedrigen Frequenzen oder auf der Seite der hohen Frequenzen oder
auch zu beiden Seiten der Basisgruppe wie in 3A bis 3D,
deren Frequenzebenen Durchsatzschwankungen zwischen 8 und 32 KB/s
in Schritten von 4 KB/s entsprechen, gezeigt hinzugefügt werden.
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Wie
es das Zeit-Frequenz-Diagramm der 4 zeigt,
ist das erzielte zeitliche Signal, das im Frequenzbereich einer
Basisgruppe entspricht, ein gemäß einer
bestimmten Anzahl L benachbarter Rahmen Ti zerschnittenes
Signal. Jeder Rahmen besteht aus einer bestimmen Anzahl N benachbarter Trägerwellen.
Während
der ganzen Dauer eines Rahmens ist die komplexe Amplitude aller
Trägerwellen
konstant. Nimmt man zum Beispiel an, dass die Dauer eines zu übertragenden
Nutzsymbols 15 ms beträgt,
wird die Dauer eines Rahmens zum Beispiel auf 18 ms festgelegt,
was 3 ms Marge lässt,
um die Ausbreitung und das Nachziehen der Signale in den Filtern
des Senders und des Empfängers
zu berücksichtigen.
Der Abstand zwischen Frequenzen wird festgelegt, um gleich dem Kehrwert
der Dauer eines Symbols zu sein, das heißt im Beispiel gleich 1/15
ms = 66,666 Hz, was zum Erzielen eines Frequenzbands von 3 kHz einer
Anzahl von Trägerwellen
N gleich 45 entspricht. Diese Anordnung gewährleistet die Orthogonalität der Signale,
die erforderlich ist, damit beim Demodulieren keine Interferenzerscheinung
zwischen Symbolen auftritt. Dieser Abstand in Frequenz berücksichtigt
auch die voraussehbare Instabilität der Oszillatoren der Empfänger und
der Entwicklungsgeschwindigkeit des Übertragungskanals.
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In
dem Beispiel der 4 sind die Rahmen in Paketen
mit einer bestimmen Anzahl K = 4 Rahmen gruppiert. In dem ersten
Rahmen jedes Pakets umfasst die Hälfte der Frequenzen ein bekanntes komplexes „Verstärkungsreferenz"-Amplitudensymbol,
das in 4 Verstärkungsreferenz
genannt wird, das als Referenz zum Schätzen sowohl der Verstärkung des
Kanals als auch des Rauschens in seiner Position und den benachbarten
Positionen dient. Die Anzahl der Referenzen wird bestimmt, um ein
geeignetes Abtasten des komplexen Frequenzgangs des Kanals unter
Berücksichtigung
seiner Variationsgeschwindigkeit und seiner zeitlichen Ausbreitung
zu erlauben. Es werden einmal die geraden Frequenzen und das andere
Mal die ungeraden Frequenzen verwendet, um die Präsenz von
Schmalbandstörsignalen
zu erfassen, egal welche Frequenz sie haben.
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Eine
beschränkte
Anzahl von Referenzfrequenzen „REF1" und „REF2" in
Vollstrichen auf 4 sind reine, nicht modulierte
Trägerwellen.
Diese Referenzfrequenzen sind dazu bestimmt, das ursprüngliche
Aufschalten der Empfänger
innerhalb kürzester Fristen
ungeachtet ihres ursprünglichen
Frequenzversatzes zu erleichtern.
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Schließlich werden
die Pakete selbst in einem Muster gruppiert, das eine bestimmte
Anzahl von M Paketen umfasst. In 4 ist M
= 6, was einer Musterdauer von 432 ms entspricht. In dem ersten
aller Pakete werden bestimmte der Frequenzen des ersten Rahmens
T1 des Pakets, die Nutzsymbole enthalten,
durch Referenzfrequenzen ersetzt, um eine hinsichtlich der Zeit
und Frequenz kompakte Wellenform zu erzielen, die es erlaubt, eine
schnelle Synchronisation der Empfänger zu erzielen. Diese Synchronisation
kann wie bekannt durch Korrelation der empfangenen Wellenform mit
der erwarteten durchgeführt
werden.
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Die
Nutzsymbole sind in zwei Kategorien unterteilt.
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Die
erste Kategorie betrifft die Servicesymbole. Diese werden zum Beispiel
gemäß einer MAQ-Modulation
zu 16 Amplituden- und Phasenzuständen übertragen,
die jeder 3 Datenbits befördern. Sie
sind in Zeit und Frequenz regelmäßig angeordnet und
werden in mehreren Rahmen, zum Beispiel drei, wiederholt, um ihre
Wahrscheinlichkeit eines guten Empfangs aufgrund ihrer Bedeutung
zu steigern. In dem Beispiel der 4 beträgt die Anzahl
der Servicesymbole 5.
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Bei
einer Musterdauer von 288 ms führen
die 15 Datenbits, die diesen 5 Symbolen entsprechen, zu einem Durchsatz
von 52,1 b/s. Für
ein Muster zu 432 ms und mit 10 Symbolen zu 3 Bit, wird der Durchsatz auf
69,4 b/s angehoben.
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Eine
zweite Kategorie betrifft die Funksymbole. Diese werden ebenfalls
in MAQ-Modulation zu 64 Amplituden- und Phasenzuständen übertragen, die jeder zum Beispiel
4 Datenbits befördern.
Diese bilden den größten Teil
des Durchsatzes.
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Anders
als die Servicesymbole, werden die Audiosymbole ohne Wiederholung
und unabhängig von
den Empfangsbedingungen übertragen.
Für eine Musterdauer
von 288 ms und unter Betrachten von 576 Symbolen zu 4 Bit, das heißt 2 304
Bit, beträgt der
entsprechende Durchsatz 8 KB/s.
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Die
Zusatzgruppen GA1 bis GAn haben
alle die gleiche Struktur. Ihre zeitliche Unterteilung ist ähnlich wie
die der Basisgruppe GB, mit der Ausnahme, dass sie keine fixen Trägerwellenfrequenzen
und kein Synchronisationsmuster enthalten. Es sind zum Beispiel
Na = 22 Frequenzen nötig, um jeder Zusatzgruppe
eine Bandbreite von 1,5 kHz zu verleihen. Wie bei der Basisgruppe
GB, werden die Rahmen einer Zusatzgruppe GA in Paketen mit gleicher
Struktur gruppiert, und die gleiche Kontinuität wird sichergestellt. Ebenso
werden die Nutzsymbole nach zwei Kategorien verteilt. Eine erste
Kategorie betrifft die Servicesymbole. Diese werden zum Beispiel
gemäß einer
MAQ-Modulation zu 16 Phasen- und Amplitudenzuständen übertragen, die jeder drei Datenbits befördern. Im
Gegenteil zu den Servicesymbolen der Basisgruppe, brauchen diese
nicht wiederholt zu werden, was es erlaubt, den Nutzdurchsatz an
Daten, die keine Audiodaten sind, zu steigern.
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Für eine Musterdauer
von 288 ms führt
das zum Beispiel zu 20 Datensymbolen pro Zusatzgruppe zu 80 Bit
und zu einem Durchsatz von 208,3 b/s. Eine zweite Kategorie betrifft
die Audiosymbole. Diese werden zum Beispiel gemäß einer MAQ-Modulation zu 64
Phasen- und Amplitudenzuständen übertragen,
die jeder 4 Datenbits befördern.
Für eine
Musterdauer von 288 ms und 288 Symbole, entspricht das 1 152 mit
einem Durchsatz von 4 KB/s übertragenen
Bit oder eventuell 864 Bit mit einem Durchsatz von 3 KB/s bei einem
Schadbetrieb, oder wenn die Empfangbedingungen schlecht sind.