NL1009618C2 - Werkwijze en inrichting voor het overdragen en analyseren van digitale communicatiesignalen. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze en inrichting voor het overdragen en analyseren van digitale communicatiesignalen.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en een inrichting voor het overdragen en analyseren van digitale communicatiesignalen volgens de aanhef van conclusie 1.

5 Dergelijke werkwijzen zijn bijvoorbeeld bekend uit de literatuur door Robert B. Ash: "Information Theory". In hoofdstuk 4 van dit boek wordt het begrip "Hamming-afstand" beschreven, waaronder men het aantal bits verstaat waarin zich twee woorden uit een opsomming van de afzonderlijke 10 codewoorden, het zogenaamde alfabet van een code, onderscheiden. Een goede code wordt gekenmerkt, doordat deze Hamming-afstand zo groot mogelijk is.

De bekende werkwijzen voor het decoderen en 15 foutencorrectie omvatten de analyse van een foutvector - het zogenaamde syndroom. Hierbij wordt echter uitgegaan van het feit dat de communicatieontvanger steeds correct, dat betekent met de juiste fase gesynchroniseerd is met de klokpuls van de zender.

20

Uit andere literatuur, het werk van Dimitri Wiggert:"Codes.for Error Control and Synchronization", is bekend, dat voor het oplossen van het synchronisatieprobleem een Barker-code of een PN-code, 25 d.w.z. een lineaire schuifregistersequentie met een maximale lengte kan worden ingebed in de transmissie.

Afgezien van het algemene idee, ontbreken hier echter nauwkeurige aanwijzingen voor de verwezenlijking.

1009618- 2

Aan de onderhavige uitvinding ligt de opgave ten grondslag om te voorzien in een werkwijze en een inrichting van de reeds genoemde soort, waarbij een syndroomanalyse wordt vermeden en het synchronisatieprobleem op 5 betrekkelijk eenvoudige wijze zonder problemen wordt opgelost.

Deze opgave wordt opgelost door de in conclusie 1 weergegeven maatregelen. In de volgconclusies zijn 10 uitvoeringsvormen en verdere uitvoeringen aangegeven en in de volgende beschrijving zijn uitvoeringsvoorbeelden uiteengezet. In de figuren van de tekeningen worden deze uiteenzettingen aangevuld. Getoond zijn: 15 in fig. 1 een uitvoeringsvoorbeeld met betrekking tot een schuifregistercodegenerator, in fig. 2 een weergave van de kruiscorrelatiefunctie van (7) met (3), 20 in fig. 3 een weergave van de kruiscorrelatie met de verkeerde woordvolgorde met (3), in fig. 4 een weergave van de correlatiefunctie van 25 het met fouten behept signaal (9) met (3), in fig. 5 een blokschema van de zender, in fig. 6 een blokschema van de ontvanger.

30

Hierna wordt de werkwijze volgens de uitvinding aan de zendzijde beschreven, waarbij de zender beschikt over een alfabet van digitale signalen, d.w.z.a priori vastgelegde sequenties uit nullen en enen, welke gekenmerkt 35 worden door een grote onderlinge Hamming-afstand en de zender zendt deze woorden, zoals de serievolgorde van de letters van de over te dragen "tekst" verlangt, waarbij de 1 o o C ’ 1 O V-* *· 3 aanduiding "tekst" louter en alleen dient voor het eenvoudig uiteenzetten van de essentie van de uitvinding. Synoniem met het alfabet van digitale signalen kan ook worden gesproken van een signaalcatalogus of van een code.

5

Als voorbeeld wordt aangenomen, dat het over te dragen bericht bestaat uit de volgende octale cij fervolgorde: 10 0 4 7 1 1 0 (1)

Dit bericht moet volgens de uitvinding worden gezonden en gereconstrueerd in een ontvanger.

15 Fysisch gezien kunnen deze getalwaarden willekeurige meetwaarden weergeven, bijvoorbeeld temperatuurmetingen, lottogetallen of instelwaarden voor een regeling.

Het alfabet moet vastgelegd en bekend zijn. Voor het 20 uiteenzetten van de werkwijze wordt nu het volgende uitvoeringsvoorbeeld van een alfabet voor het weergeven en overdragen van octale getallen gegeven: CO = 110 1000 0111 0011 0011 0001 1110 1110 25 Cl = 010 0100 1110 1101 0100 1010 1000 1111 C2 = 011 1001 1100 1010 1000 0110 0111 0110 C3 = 111 0101 0101 0100 1111 1101 0001 0111 C4 = 101 1111 1011 0111 1101 0010 1110 0001 C5 = 001 0011 0010 1001 1010 1001 1000 0000 30 c6 = 000 1110 0000 1110 0110 0101 0111 1001 c7 = 100 0010 1001 0000 0001 1110 0001 1000 (2)

Bij dit alfabet onderscheidt zich elk woord van elk ander woord op tenminste 17 bitposities. Dit werd gekozen 35 met het oog op het feit dat het aantal bits in elk woord -gelijk aan 31 - met de lengte van een bekende lineaire schuifregistercode (PN-code) overeenstemt, die op bekende 4 wijze voor elke willekeurige lengte gegenereerd kan worden, d.w.z. bijvoorbeeld voor de lengte 31 of 63 of 127 enz.

Pig. 1 van de tekening toont een bekende schakeling voor het genereren van de PN-code door middel van digitale 5 componenten - zogenaamde schuifregisters - voor het geval n = 5, d.w.z. codelengte 31.

Deze schakeling genereert de volgende sequentie, die zich na 31 klokpulsen continu herhaalt: 10 110 0011 1110 0110 1001 0000 1010 1110 (3)

Een dergelijke sequentie kenmerkt zich door een zeer zuivere autocorrelatiefunctie met zeer lage en constante 15 nevenlobben en is derhalve voor synchronisatiedoeleinden bijzonder geschikt.

Volgens de uitvinding wordt nu elk woord van het alfabet (2) met de sequentie (3) verbonden door een 20 bitsgewijs uitsluitend-of-verbinding. Hierdoor ontstaat een nieuwe volgorde van woorden in het alfabet voor de digitale communicatieoverdracht: do = 000 1011 1001 0101 1010 0001 0100 0000 25 dl = 100 0111 0000 1011 1101 1010 0010 0001 d2 = 101 1010 0010 1100 0001 0110 1101 1000 d3 = 001 0110 1011 0010 0110 1101 1011 1001 d4 = 011 1100 0101 0001 0100 0010 0100 1111 d5 = 111 0000 1100 1111 0011 1001 0010 1110 30 d6 = 110 1101 1110 1000 1111 0101 1101 0111 d7 = 010 0001 0111 0110 1000 1110 1011 0110 (4)

Dit dusdanig gemodificeerde alfabet wordt nu toegepast voor de communicatie. Uitgaande van 35 het bovengenoemd onder (1) gebracht bericht genereert de zender het volgende signaal in de vorm van een digitale modulatie, die op een hoogfrequente drager op een op zich 1 0096 1 8-1 5 bekende wijze wordt opgedrukt. Bijvoorbeeld vindt de modulatie plaats als fasemodulatie of in de vorm van FSK (Frequency Shift Keying) of als pulspositiemodulatie (PPM) of als pulscodemodulatie (PCM) of er wordt een 5 "Manchester II Bi-Phase Level"code tussen geschoven. In dit geval ziet de datastroom als bitsequentie er als volgt uit:

dO d4 d7 dl dl dO

10 of in volle lengte uitgeschreven: 000 1011 1001 0101 1010 0001 0100 0000 011 1100 0101 0001 0100 0010 0100 1111 010 0001 0111 0110 1000 1110 1011 0110 15 100 0111 0000 1011 1101 1010 0010 0001 100 0111 0000 1011 1101 1010 0010 0001 000 1011 1001 0101 1010 0001 0100 0000 (5) de schrijfwijze zonder tussenruimten ziet er als volgt uit: 20 0001011100101011010000101000000011110001010001010 0001001001111010000101110110100011101011011010001 1100001011110110100010000110001110000101111011010

OOIOOOOiOOOlOlllOOlOlOllOlOOOOlOlOOOOOO

25

Aan de zijde van de ontvanger voorziet de uitvinding nu in het feit dat de sequentie (6) in een volgorde van woorden wordt ontbonden, waarvan de lengte telkens door de woordlengte van het toegepaste alfabet is gegeven, 30 bijvoorbeeld 31 bits in het alfabet (2) of (4). Deze ontbinding gaat ervan uit, dat in de ontvanger een tijdreferentie de juiste klokpuls aangeeft, d.w.z. telkens het juiste tijdstip markeert, wanneer een woord in de quasi-eindeloze volgorde (6) begint of eindigt.

35 1 0 n y f - 6

Het terugwinnen van het klokpulssignaal, dat onderdeel is van de werkwijze volgens de uitvinding, wordt nu beschreven:

Onder aanname dat de tijdreferentie van de ontvanger 5 correct is gesynchroniseerd, d.w.z. dat de ontvanger bekend is, op welk tijdstip de zender een nieuw woord begint, wordt elk ontvangen signaalwoord volgens de regels van de Modulo-2-additie met elk woord uit het alfabet (2) verbonden, d.w.z. het alfabet voor de verbinding met de 10 synchronisatiesequentie.

Bij dez$ verbinding blijft als rest van de operatie over datgene wat de volgorde (4) onderscheidt van de volgorde (2), d.w.z. de synchronisatiecode. Deze rest wordt 15 gecorreleerd met de synchronisatiesequentie. Bij een correcte verbinding verschijnt als eindresultaat de bekende autocorrelatiefunctie van de sequentie (3), met andere woorden een periodieke herhaling van scherpe maxima of "Spikes" van deze functie, met de periodeduur - gegeven 20 door de lengte van de sequentie (3) - en met constante nevenlobben met minimale amplitude.

Bij de bitsgewijze verbinding van het signaal (5) of (6), die volgens hun ontstaansgeschiedenis de 25 synchronisatiesequentie (3) in zich bevatten, met de woorden cO, c4, c7, cl, cl en cO uit de catalogus (2),.die de synchronisatiesequentie niet bevat, ontstaat - zoals reeds gezegd - als rest in de verwerking wederom de synchronisatiesequentie, d.w.z. de volgorde van 3 0 woorden: 110 0011 1110 0110 1001 0000 1010 1110 110 0011 1110 0110 1001 0000 1010 1110 110 0011 1110 0110 1001 0000 1010 1110 35 110 0011 1110 0110 1001 0000 1010 1110 110 0011 1110 0110 1001 0000 1010 1110 110 0011 1110 0110 1001 0000 1010 1110 (7) 4 f~' ' ; ; - i w - n_/ 7

Het resultaat van de correlatievorming van het blok (7) met de PN-code (3) is weergegeven in fig. 2. In fig. 3 is de correlatiefunctie weergegeven, zoals deze blijkt, 5 wanneer ten onrechte niet met de correcte woordvolgorde cO, c4, c7, cl, cl, en cO maar met cO, c4, c6, cl, cl, en cO, d.w.z. een verkeerd derde woord is verbonden. Men ziet, dat in dat geval in de correlatiefunctie i.p.v. de zuivere derde "Spike" een soort ruis optreedt, d.w.z. dat daar de 10 correlatiefunctie is verstoord.

Anderzijds leveren de periodiek weerkerende maxima de benodigde informatie, wanneer de ontvanger correct gesynchroniseerd is, d.w.z. wanneer het ontvangstsignaal en 15 de referentiefunctie (3) in de ontvanger precies over elkaar heen liggen. De synchronisatie van de ontvanger wordt gewaarborgd, doordat de verschuiving van de signalen, in het geval de maxima optreden, als nul wordt gezien.

20 De onderhavige communicatieontvanger werkt nu als volgt:

Als test wordt elk ontvangen woord met elk woord uit de catalogus (2) verbonden in een uitsluitend-of-verbinding en wordt het aantal bits berekend, waarin zich het resultaat 25 van deze operatie onderscheidt van de sequentie (3).

Daaraan sluitend neemt de ontvanger een logische beslissing ten gunste van dat woord, waarvoor het aantal verschillende bits minimaal wordt.

30 Wordt de minimale bitafstand op grond van stoorinvloeden-niet slechts bij een enkel maar bij twee of meer verschillende vergelijkingswoorden bereikt, dan bestaat een meerduidigheid, die als zodanig wordt aangegeven. In het laatste geval herkent de ontvanger de 35 meerduidigheid als zodanig en geeft aan de ontvanger alle beslissingen, die op gelijke wijze leiden tot een minimale foutensom. Deze uitspraken worden in het volgende door een 1009618i 8 verdere uitwerking van het voorbeeld aanschouwelijk gemaakt.

In het volgende is het aantal afwijkingen van de 5 ideale code in het geval van de ongestoorde sequentie (5) of (6) berekend. De volgende foutenmatrix is het gevolg: i = 1, aantal fouten = 0 17 17 18 17 18 18 19 i = 2, aantal fouten = 17 18 18 19 0 17 17 18 10 i = 3, aantal fouten - 19 18 18 17 18 17 17 0 i = 4, aantal fouten = 17 0 18 17 18 17 19 18 i = 5, aantal fouten = 17 0 18 17 18 17 19 18 i = 6, aantal fouten - 0 17 17 18 17 18 18 19 (8) 15 Men ziet dat de afwijking nul is, wanneer het eerste woord "i = 1" de kolom 0 - d.w.z. cO - uitkiest, vervolgens voor het tweede woord de 4e kolom, d.w.z.

c4 uitkiest, vervolgens c7 enz. Rijgt men de indices van de codewoorden aan elkaar, die de fout laten verdwijnen, dan 20 verkrijgt men: 0 4 7 1 1 0 en derhalve het bericht.

25

Hierna wordt het gedrag van de ontvanger in het geval van een gestoorde communicatieverbinding beschouwd. Hier kan de storing hetzij op grond van ruis een verkeerde voorstelling van afzonderlijke bits of bitgroepen in (5) of 30 (6) ten gevolge hebben, of kan bewerkstelligen dat afzonderlijke bits of bitgroepen in het ontvangen signaal totaal ontbreken, quasi "uitgestansd" zijn. Het volgende signaal (8) onderscheidt zich van het foutvrije signaal (5) doordat op afzonderlijke plaatsen geen informatie wordt 35 verkregen. De "stansgaten" zijn gekenmerkt met "X": XOO 1011 1001 0101 10XX 0X01 0100 0000 4 | ’ f\ L· \ '7 i w O - - ‘ - 9

Oil 1X00 0101 0001 0100 0010 0100 1111 010 0001 0111 0110 1000 1110 X011 0110 100 0111 0000 1011 1101 1010 00X0 0001

100 0111 0000 1011 1101 1010 0010 XXXI

5 000 1011 1001 0101 1010 0001 0100 0000 (9) of zonder tussenruimten geschreven: ί ! ! ! !

10 XOOIOIIIOOIOIOIIOXXOXOIOIOOOOOOOIIIXOOOIOIOOOIOIOOOO

! 100100111101000010111011010001110X0110110100011100

I III

0010111101101000X00001100011100001011110100010XXX100 15 001011100101011010000101000000 (10)

In dit schema zijn voor een beter zichtbaar maken de foutposities gemarkeerd door uitroeptekens. Dit schema 20 bevat op in totaal 10 van 186 plaatsen een bitleemte.

De hier voorgestelde communicatieontvanger heeft bij deze betrekkelijk geringe bitfoutenverhouding niet de minste problemen om het juiste bericht te verkrijgen. De 25 ontvanger vormt - zoals beschreven - de matrix van de fouten en bevindt op de plaats (8): i « 1, aantal fouten = 2 16 15 19 18 18 17 19 i = 2, aantal fouten = 16 18 17 19 0 16 17 17 30 i = 3, aantal fouten = 19 18 19 18 18 17 19 1 i = 4, aantal fouten = 17 1 18 18 18 18 19 19 i = 5, aantal fouten = 20 3 20 19 18 17 20 19 i=6, aantal fouten = 0 17 17 18 17 18 18 19 (11) 35 Men ziet dat de minimale fout incidenteel niet 0, maar 1,2 of 3 wordt. De beslissing ten gunste van de kleinste : -v, · - ^ 'i 10 fout geeft, niet beïnvloed door de storing, eenduidig het a priori correcte bericht:

Bericht =047110 5

De correlatiefunctie tussen het gestoorde, ontvangen signaal en de synchronisatiesequentie is ingegeven in fig 4. Deze functie onderscheidt zich slechts in betrekkelijk geringe mate van het ideale verloop.

10

Het schakelschema volgens de uitvinding valt uiteen in de twee componenten "zender" en "ontvanger". De zender (fig.5) wordt aan de ingangszijde gevoed met het over te dragen bericht. De zender bezit een codegeheugen, dat de 15 bitvolgorden van het met de synchronisatiesequentie verbonden alfabet bevat, bijvoorbeeld dO tot d7. Uit het codegeheugen worden sequentieel de bitvolgorden afgenomen, zoals het over te dragen bericht verlangt. Is aan de communicatie-ingang het octaal getal "n" aanwezig, dan 20 wordt uit het codegeheugen het woord "dn" afgenomen. Deze woorden of bitsequenties worden sequentieel aangelegd aan de data-ingang van Manchester II encoder. De encoder bevat aan een van zijn andere ingangen een kloksignaal voor het bepalen van de bitvolgordefrequenties. Het uitgangssignaal 25 van de encoder moduleert op bekende wijze in de modulator een aangeboden HF-draaggolfsignaal, bijvoorbeeld door fasemodulatie in de klokpuls van de Manchester II code.

Fig. 6 maakt de schakeling van een 30 uitvoeringsvoorbeeld van de ontvanger duidelijk. Na de demodulatie van het ontvangen HF-signaal ontstaat wederom een Manchester II code. Deze wordt aangelegd aan de ingang van een Manchester II detector. De Manchester II detector heeft de eigenschap dat deze de klokfrequentie in zich 35 heeft zodat een klokingang voor de detector ontbreekt. De detector wint intern de klokfrequentie van het gezonden signaal terug en stelt deze frequentie ter beschikking aan 1 0096 1 8', 11 een van zijn uitgangen. Ook de ontvanger bezit een codegeheugen, dat echter is gevuld met de woorden cO tot c7 die in tegenstelling tot de zender echter de synchronisatiesequentie (3) niet bevatten.

5

Een poortschakeling snijdt uit de van de decoder komende bitvolgorden een sequentie van 2" - 1, bijvoorbeeld 31 naburige bits uit en beschouwt deze sequentie als datawoord. In een aansluitende comparator wordt dit woord 10 vergeleken met elk woord in het codegeheugen en wordt de index "i" bepaald waarvoor het aantal afwijkende bits minimaal wordt.

Aansluitend wordt het ontvangen datawoord met het 15 codewoord ,rci" volgens de regels der uitsluitend-of-verbinding bitsgewijs verbonden. Bij een correcte tijdspositie van de bovengenoemde poortpuls ontstaat door ' deze operatie het restsignaal, dat theoretisch overeenstemd met de synchronisatiesequentie. Het restsignaal wordt 20 gecorreleerd met de a priori bekende 1

synchronisatiesequentie. Bij een correct functioneren van de schakeling wordt een volgorde van naaldpulsen als I

resultaat van de correlatievorming verwacht, gelijk aan * hetgeen in fig. 4 is getoond. 1 25 |

De feitelijk verkregen correlatiefunctie wordt in een i

verdere comparator vergeleken met het theoretisch te I

verwachten monster. Wanneer deze vergelijking aangeeft dat j niet de te verwachten naaldpulsen worden gevormd, maar ( 30 slechts ruis ontstaat, dan weet de ontvanger dat de | genoemde poortpuls een verkeerde fasepositie heeft. 1

Vervolgens worden na deling van de klokfrequentie door de * codelengte vertragingen in stappen van het klokpulsinterval ingevoegd, totdat de laatstgenoemde vergelijking positief 35 uitvalt. Het zojuist genoemde klokpulsinterval is de periodeduur van de klokpulsfrequentie, die ter beschikking wordt gesteld door de decoder.

4 r ‘ ·* ·:/; „, 5 U i ·· · ·> 3

Claims (4)

1. Werkwijze voor het overdragen en analyseren van digitale communicatiesignalen door een zender naar een ontvanger en de decodering en foutencorrectie ervan, waarbij zich woorden uit een voorafgegeven en bekend alfabet van een code onderscheiden, 10 met het kenmerk, dat aan de zijde van de zender de gewenste bitvolgorden uit een catalogus van digitale signalen met vastgelegde sequenties - zoals nullen en enen - worden afgenomen, het volgende signaal gegenereerd en digitaal gemoduleerd wordt en de signalen met die 15 bitvolgorden worden verbonden, welke het aantal bitfouten minimaliseren, waarbij elk woord van het alfabet (2) door een bitsgewijs uitsluitend-of-verbinding met de sequentie (3) verbonden en gemodificeerd en vervolgens worden overgedragen aan de van een gesynchroniseerde 20 tijdreferentie voorziene ontvanger, waarin de sequentie (6) in een volgorde van woorden met te kiezen lengte ontbonden wordt en elk ontvangen woord volgens de regels van de "Modulo-2-additie" met het alfabet (2) voor de verbinding met een synchronisatiesequentie verbonden wordt en uit het 25 verschil van alfabet (2) en (4) de synchronisatiecode gevormd en met de synchronisatiesequentie wordt gecorreleerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk,' dat 30 de digitale Modulatie als fasemodulatie of in de vorm van l FSK (Frequency Shift Keying) wordt uitgevoerd. ! !

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de digitale modulatie als pulspositiemodulatie (PPM) of als 35 pulscodemodulatie (PCM) wordt uitgevoerd. < , ' '

4. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de zender is voorzien van een codegeheugen dat een met bitvolgorden van het met de synchronisatiesequentie verbonden alfabet bevat, 5 waaraan sequentieel de bitvolgorden worden afgenomen en sequentieel worden ingevoerd aan de data-ingang van een Manchester II encoder, aan de verdere ingang waarvan een kloksignaal voor het bepalen van de bitvolgordefrequentie aanwezig is en een modulator voor het HF-draaggolfsignaal 10 is aangebracht en aan de ingang van een ontvanger een demodulator aanwezig is voor het herstellen van de Manchester II code voor het ontvangen HF-signaal, en een Manchester II decoder evenals een codegeheugen en een poortschakeling alsmede een comporator met 15 beslissingslogica aanwezig is. 1009618|