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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur digitalen Nachrichtenübertragung
in definierten Rahmen von Nachrichteneinheiten, insbesondere digitale
Audio, Video und Daten, die über
eine Vielzahl von Sendern übertragen
werden, die wenigstens teilweise die gleichen Dienste in benachbarten
Bereichen auf unterschiedlichen Frequenzen liefern.
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In öffentlichen
Nachrichtendienstsystemen, wie etwa DAB, DVB-T oder digitale LF-,
MF- und HF-Übertragung,
werden Techniken zum Umschalten auf alternative Frequenzen verwendet,
jedoch bieten sie kein störungsfreies
Umschalten von einer Frequenz zu der anderen. Das Dokument
WO 97/40595 spricht das
Problem an und beschreibt ein digitales Übertragungsverfahren zur Nachrichtenübertragung,
insbesondere von Radio- und/oder Fernsehübertragungen, bei denen Nachrichten
in unterschiedlichen Teilbereichen eines bestimmten Gebietes in
Nachrichteneinheiten mit unterschiedlichen Frequenzen übertragen
werden. Durch das Synchronisieren der Übertragungseinheiten von benachbarten
Teilbereichen und das Anpassen der Übertragungseinheiten in solchen
Teilen, die die gleiche Nachricht enthalten, ist es möglich, Unterbrechungen während des
Empfangs der Nachrichten zu vermindern, die zum Beispiel verursacht
werden, wenn ein mobiler Empfänger
sich von einem Teilbereich zu einem anderen Teilbereich bewegt.
Obwohl eine Nachrichtenunterbrechung in der Zeitdauer vermindert werden
kann, wenn die Aufmerksamkeit auf die Anpassung der einzelnen Übertragungseinheiten
gerichtet ist, beispielsweise Radioprogrammen, räumt das WO-Dokument selbst
ein, dass ein nahtloses Umschalten von einer Frequenz zu einer anderen
mit diesem bekannten digitalen Übertragungsverfahren nicht
möglich
ist.
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Das
Dokument
EP-A-0689307 spricht
auch das gleiche Problem an.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein störungsfreies Umschalten zwischen
verschiedenen Sendern zu bieten, die die gleichen Dienste in benachbarten
Bereichen auf unterschiedlichen Frequenzen liefern.
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Die
Erfindung basiert auf der Vorstellung, dass es möglich sein sollte, eine Überwachung
von alternativen Frequenzen zu ermöglichen, bis ein spezieller
Dienst-Identitätscode
(ID) ohne jeglichen Verlust von relevanten Nachrichtensignalen dekodiert werden
kann, beispielsweise Audiosignale in dem ausgewählten Dienst. Mit anderen Worten
sollte ein geeignetes Kriterium, um zu einer alternativen Frequenz
ohne Verlust des Dienstes (nahtloses Umschalten) umzuschalten, ausgestaltet
werden, so dass der Empfänger
die alternative Frequenz ohne Verlust irgendeiner relevanten Nachricht
von der gegenwärtig
geschalteten Frequenz testen kann.
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Basierend
auf solchen Betrachtungen als einem ersten Schritt, ist ein Verfahren
zur digitalen Übertragung
gemäß dem Oberbegriff
nach Anspruch 1 und gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass, um einen wenigstens quasi-nahtloses
Umschalten eines Empfängers
von einer zu einer anderen Alternativen der unterschiedlichen Frequenzen zu
erhalten, die definierten Rahmen von Nachrichteneinheiten so strukturiert
sind, dass sie aus zwei Rahmenabschnitten bestehen, das heißt
- – einem
kontinuierlichen Datenkanal (CDC = continuous data-channel) als
einen ersten Rahmenabschnitt, das heißt „Nutzlast-Nachricht" und
- – einem
statischen Datenkanal (SDC = static data-channel) als einen zweiten
Rahmenabschnitt, der wenigstens eine Kennung für den Rahmenanfang und eine
weitere Nachricht für
den Empfänger
enthält,
um in Frequenz und Zeit eine Synchronisation auf einen bestimmten
Datenstrom herzustellen, worin einige der weiteren Nachrichten aus
wenigstens quasi-statischen Symbolen bestehen, deren Struktur dem
Empfänger
zu dem Zeitpunkt des Umschaltens bekannt ist, und dass der Empfänger nach
dem Ermitteln der Rahmenposition der quasistatischen Symbole in
der Lage ist, eine alternative Frequenz während der Zeit zu testen, in
der die quasi-statischen Symbole von aufeinander folgenden Rahmen übertragen
werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsbeispiele und
Verbesserungen des obigen definierten Erfindungskonzeptes sind Gegenstände der
abhängigen Ansprüche.
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Eine
Rahmenstruktur eines Datenstromes für ein digitales Übertragungssystem
mit einer Vielzahl von Sendern, die wenigstens teilweise die gleichen
Dienste liefern, ist in Anspruch 12 definiert und bietet im Besonderen,
dass der statische Datenkanal im Zeitmultiplex übertragen kann, und es umfasst zwei
Teile, das heißt
einen ersten Teil, der so angeordnet ist, dass er direkt nach oder
innerhalb eines Rahmenstartsymboles kommt und dass er eine Übertragungs-ID,
eine Dienst-ID und Information des Ortes innerhalb des Rahmens eines
zweiten Teiles des statischen Datenkanals umfasst, der statische Symbole
oder wenigstens quasi-statische Symbole umfasst. Wenn solche eine
Rahmenstruktur während der
statischen Datenkanalübertragung
verwendet wird, hat der Empfänger
Zeit, um alternative Frequenzen ohne Verlust relevanter Daten zu
prüfen
und folglich ein nahtloses Umschalten auf alternative Frequenzen
zu ermöglichen.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf einen Empfänger für digital übertragene Nachrichten, welcher
nach seiner Hardware- und Software-Ausgestaltung auf das Verfahren
und die Datenrahmen-Strukturverarbeitung abgestimmt ist, wie in
der vorliegenden Beschreibung der Erfindung angegeben ist.
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Die
Erfindung und das zugrunde liegende Konzept wird im Folgenden unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 die
grundsätzliche
Rahmenstruktur der Nachrichteneinheiten gemäß der Erfindung darstellt;
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2 ein
Beispiel für
einen Empfangszustand für
Kurzwellenfrequenzen in einem bestimmten Bereich zeigt;
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3 die
grundlegende Rahmenstruktur eines Signals mit seiner verzögerten Version
auf einer alternativen Frequenz erläutert;
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4 ein
Flussdiagramm für
eine alternative Frequenzumschaltung in einem Empfänger darstellt, der
für das
Verfahren und Nachrichtenrahmenstruktur gemäß der Erfindung angepasst ist;
und
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5 ein
Blockdiagramm eines Empfängers mit
Merkmalen gemäß der Erfindung
ist.
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Ein
digitales Übertragungssystem,
das die Erfindung enthält,
sollte eine Rahmenstruktur aufweisen, wie in 1 gezeigt
ist. Das Signal in der Luft soll aus zwei Teilen bestehen, das heißt
- – einem
kontinuierlichen Datenkanal (CDC) ähnlich einem Audiokanal mit
einer Zeitverschränkung
(einem Zeit-Interleaving), jedoch nicht wiederholt, und
- – einem
statischen Datenkanal (SDC), der die Nachricht über den entsprechenden Dienst
umfasst, das heißt,
Multiplexort, Programmart, alternative Frequenz (AF), Sender-ID
und gegebenenfalls zusätzliche
Dienstinformation.
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Der
statische Datenkanal (SDC) sollte vorzugsweise die folgenden Regeln
erfüllen:
- – das
SDC soll im Zeitmultiplex übertragen
werden;
- – er
kann aus verschiedenen Datensymbolen bestehen;
- – er
kann aus zwei Teilen bestehen, wobei der erste direkt nach oder
innerhalb eines Anfangs des Rahmensymbols kommen muss, und der zweite zyklisch
innerhalb des Rahmens permuttieren kann;
- – wenn
der SDC zwei Teile hat, sollte er explizit in dem ersten Teil und/oder
implizit durch eine Algorithmus, z.B. durch Rahmen- und Symbolzähler in Verbindung
mit einer zyklischen Verschiebung, dargestellt werden, bei der der
Abstand oder die Position des zweiten Teiles innerhalb der statischen
Daten folgt;
- – in
dem letzteren Fall müsste
das Rotationsschema des zweiten Teiles der statischen Symbole dem
Empfänger
bekannt sein;
- – wenn
eine Änderung
in den Daten des quasi-statischen Teiles, beispielsweise eine Multiplex-Neukonfigurierung,
vorgenommen wird, muss dies in dem quasi-statischen Teil rechtzeitig
und während
verschiedener Rahmen signalisiert werden, so dass der Empfänger seinen
gegenwärtigen
quasi-statischen Teil auf kommende Änderungen überprüfen kann.
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Mit
einem in der Luft übertragenen
Signal, das der obigen beschriebenen Rahmenstruktur folgt, ist es
für den
Empfänger
möglich,
jede mögliche alternative
Frequenz während
der Zeit zu prüfen,
wenn das statische Signal, das heißt der zweite Teil des SDC übertragen
wird, welches dem Empfänger
bereits bekannt ist und folglich keinen Verlust von relevanten Nachrichten
für den
Empfänger
verursacht.
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2 zeigt
ein Beispiel für
ein typisches Empfangsszenario. Ein Empfänger Rx erhält die gleichen Dienste von
zwei unterschiedlichen Sendern Tx1 und Tx2 auf zwei unterschiedlichen
Frequenzen f1 und f2. Die zwei Signale von Tx1 und Tx2 werden zeitsynchron übertragen,
das heißt
die gleiche Nachricht wird zur gleichen Zeit von den Sendern ausgegeben,
oder es besteht ein vorgegebener Zeitversatz. Wenn der Empfänger auf
die Frequenz f1 des Senders Tx1 eingestellt ist, ist das Signal
von der alternativen Frequenz f2 von dem Sender Tx2 verspätet, und
wenn der Empfänger
auf Tx2 eingestellt ist, ist das Signal von Tx1 verfrüht.
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Um
ein Umschalten ohne hörbare
oder sichtbare Unterbrechung zu bieten, sollten zusätzlich zu der
Basisrahmenstruktur, wie oben beschrieben, die Signale die folgenden
Anforderungen erfüllen:
- – die
Modulation und Rahmenstruktur auf beiden Frequenzen sollte die gleiche
sein oder sollte dem Empfänger
bekannt sein, beispielsweise durch eine Verbindung vom DAB-Modus
I zum DAB-Modus II oder umgekehrt;
- – ein
Rahmen sollte immer mit der gleichen Rahmen-Synchronisation, Sender-ID,
Dienst-ID beginnen, ein Rahmenzähler,
von dem der Ort des variablen Teiles des SDC für ein gegebenes Rotationsschema
abgeleitet werden könnte;
- – das
SDC sollte aus einem feststehenden Teil bestehen, das, wie oben
erwähnt
ist, den Rahmenanfang zusammen mit der Dienst-ID anzeigt, und aus
einem zweiten Teil mit eventuell flexibler Position innerhalb des
Rahmens von Rahmen zu Rahmen, der jedoch beispielsweise durch Bezugnahme
auf einen Symbolzähler
bestimmt ist;
- – es
besteht eine Regel, wie der zweite Teil, das heißt die flexiblen SDC-Symbole, innerhalb
des Rahmens in der Zeitdomäne
geortet werden,
- – das
SDC wird über
die maximal erwartete Verzögerung
innerhalb des Multiplexrahmens, beispielsweise die maximale Verzögerung zwischen jede
der zwei Sender des Übertragungsnetzwerkes,
zum Beispiel Tx1 und Tx2, gestreut;
- – das
zu verarbeitende Signal in dem Empfänger ermöglicht dem Empfänger, sich
mit den entsprechenden anderen Datenstrom zu synchronisieren und
seine Dienst-ID innerhalb der vorgegebenen Zeit durch die Länge des
flexiblen zweiten Teiles des SDC zu dekodieren.
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Das Überprüfen der
alternativen Frequenz verläuft,
wie es durch das Blockdiagramm der 5 gezeigt
ist, und ferner durch das Flussdiagramm eines entsprechenden Algorhythmus
der 4 erläutert
ist. Die typische Hardwarestruktur eines digitalen Empfängers ist
in 5 gezeigt. Das Übertragungssignal im besonderen
ist ein digitales Audio-Übertragungssignal,
das durch eine Antenne 1 empfangen wird und nach der Verstärkung eine
selektive Vorstufe 2 durchläuft und zu einem ersten Eingang
eines Mischers 3 zugeführt
wird, der an einem zweiten Eingang davon ein Frequenzsteuersignal
empfängt,
das über
eine adaptierbare PLL-Schaltung 4 zugeführt wird.
Die durch die PLL-Schaltung 4 zu dem Mischer 3 zugeführte Frequenz
wird durch eine Schaltung 13 zum Einstellen des Empfängers ebenso
wie für
die alternative Frequenzumschaltung gemäß der Erfindung gesteuert.
Nach einer IF-Filterstufe 5 wird das resultierende Signal
zu einem Eingang eines Mischers 6 zugeführt, dem an seinem anderen
Eingang davon eine feststehende Frequenz von einem lokalen Oszillator 7 zugeführt wird.
Das resultierende Signal wird erneut im IF-Filter und der automatischen Verstärkungs-Steuerschaltung 8 (AGC
= automatic gain control) gefiltert und wird dann in 9 Analog-Digial umgesetzt.
Das digitale Verfahren in dem unteren Teil des Blockdiagramms der 5 beginnt
mit einer I/Q-Erzeugung 10 gefolgt von einer Entzerrung
und schnellen Fourier-Transformation (FFT) 11. Eine Demodulatorschaltung 12 wird
durch SDC-Daten von der Schaltung 13 gesteuert, deren detaillierte
Funktion nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 erläutert wird.
Das demodulierte Signal durchläuft
dann einen Viterbi-Dekoder (Kanal-Dekoder) 14, und einen Audio-Dekoder 15.
Schließlich
werden die dekodierten Audiodaten nach einer entsprechenden Spannungsverstärkung einem
Lautsprecher oder einem Paar von Lautsprechern 16 zugeführt.
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Der
dem Flussdiagramm der 4 zugrunde liegende Algorhythmus,
der grundsätzlich
in Block 13 der 5 implementiert ist, folgt der
nachfolgend erläuterten
Sequenz:
Nachdem der Empfänger
in Schritt S1 synchronisiert ist, und eine entsprechende alternative
Frequenzliste von dem SDC dekodiert hat, wertet der Empfänger bei
dem Rahmenanfang in Schritt S2 die Position (Symbolnummer) des zweiten
variablen Teiles der quasi-statischen Daten in Schritt S3 aus und
fährt mit der
normalen Verarbeitung zu Schritt S4 fort, wenn das Auswertungsergebnis
positiv ist; wenn „NEIN", geht das Programm
zu Schritt S9 über,
um auf das nächste
Symbol zu warten. Nach vollständigem Empfang
des letzten Symbols vor dem variablen Teil schaltet der Empfänger in
Schritt S4 auf die nächste alternative
Frequenz in seiner Liste um. Dann wird das Leistungsniveau in Schritt
S5 gemessen, und, wenn es oberhalb eines zuverlässigen Schwellenwertes ist,
fährt der
Empfänger
mit Schritt S6 fort und versucht das alternative Signal zu synchronisieren. Da
es nur eine Position gibt, wo der variable zweite Teil des SDC mit
dem Rahmenanfang der alternativen Frequenz übereinstimmt, muss dieses Verfahren im
Schritt S7 einige Male wiederholt werden, im schlimmsten Fall so
oft, wie es der Anzahl von Symbolen pro Rahmen geteilt durch eine
Anzahl von Symbolen des zweiten variablen Teiles des SDC entspricht.
Wenn τmax die maximale mögliche Signalverzögerung ist,
und td die Dauer eines Symbols ist und ns die Anzahl der Symbole in dem variablen
Teil des SDC ist, ist die Anzahl von Versuchen im schlimmsten Fall
2τmax/ns td.
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Letztendlich überprüft der Empfänger in Schritt
S8 während
des rechten Intervalls und versucht auf das alternative Signal zu
synchronisieren und die Dienst-ID zu dekodieren. Wenn es die gleiche
Dienst-ID ist, wird die in Schritt S10 getestete Frequenz als gültige alternative
Frequenz in Schritt S11 gespeichert und das Verfahren beginnt mit
der nächsten
Frequenz in der alternativen Frequenzliste. Wenn die Dienst-ID's nicht identisch
sind, wird das Ergebnis als eine ungültige alternative Frequenz
für eine
bestimmte Zeitdauer gekennzeichnet.
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3 zeigt
die Reihenfolge von Datensymbolen für die zwei Signale für zwei unterschiedliche Rahmen,
die an dem Empfänger
Rx ankommen. Es wird in diesem Fall angenommen, dass der zweite flexible
Teil des SDC aus zwei Symbolen besteht und, dass sich dieser Teil
zyklisch durch ein Symbol von Rahmen zu Rahmen bewegt. Wenn sich
dieser Teil über
den Rahmenanfang bewegt, werden die Symbole N und 3 in 3 für drei aufeinander
folgende Rahmen verwendet. In dem ersten (oberen) Beispiel wird
der Empfänger
Rx auf die Frequenz f2 eingestellt und muss die Frequenz f1 überprüfen. In dem
zweiten (unteren) Beispiel kann der Empfänger die Frequenz f2 überprüfen, wenn
er auf die Frequenz f1 eingestellt ist.
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In 3 werden
die folgenden Abkürzungen verwendet:
- Sid
- = Dienst-ID
- Txid
- = Sender-ID
- sdc loc
- = eine statische Datenposition
von dem zweiten Teil des SDC
- FS
- = Beginn der Rahmensynchronisation
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Die
vorgeschlagene Rahmenstruktur gemäß der Erfindung ermöglicht es
dem Empfänger,
die Qualität
von alternativen Frequenzen ohne Verlust von relevanten Daten von
seinem gegenwärtigen Hauptdienst-Empfang
zu prüfen,
das heißt,
dass ein nahtloses Umschalten zwischen alternativen Frequenzen von
verschiedenen Sendern, die den gleichen Dienst liefern, möglich ist.
Der Empfänger überprüft die alternative
Frequenz während
der SDC-Periode der entsprechenden Rahmen. Die Verzögerung zwischen
unterschiedlichen Signalen kann durch das Verfahren gemäß der Erfindung
mit einer Genauigkeit von wenigstens einer Symboldauer erkannt werden,
und diese Information kann für
hyperbolische Navigation verwendet werden, wenn wenigstens drei alternative
Frequenzen in einer gegenwärtigen
Empfängerposition
empfangen werden können.
Wenn andererseits der Ort der Sender, der Ort des Empfängers (beispielsweise
mittels GPS) und die statische Verzögerung zwischen den Sendersignalen
dem Empfänger
bekannt ist, kann er den Zeitunterschied genau berechnen, welchen
die verschiedenen Signale an dem Ort des Empfängers haben, welcher der relative
Pfadabstand der Sender und des Empfängers dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit
addiert mit der statischen Verzögerung
ist. Durch das Teilen dieser Verzögerung durch die Symboldauer
kennt der Empfänger
genau, bei welchem Symbol er auf die alternative Frequenz umschalten
muss, wenn der derzeitige die SDC vorliegt. Dies spart Rechenzeit ein.
Die genaue Kenntnis der gültigen
alternativen Frequenz ist jedoch eine Voraussetzung für ein nahtloses
Umschalten während
schlechter Empfangsbedingungen.