Verfahren zur zusätzlichen Übertragung von digitalen Datensignalen über bandbegrenzte Übertragungskanäle

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zusätzlichen Übertragung von digitalen Daten in bandbegrenzten Übertra­gungskanälen. Bei dem Verfahren werden zur Erzielung eines ausreichenden Mindest-Störabstandes zwischen Datensignalen und den anderen zu übertragenden Signalen die Datensignale vor der Übertragung verrundet. Die erfindungsgemäßen Kur­venformen für verrundete Datensignale sind härter bandbe­grenzt (ca. 80 %) als die entsprechende EBU-Kurvenform für UKW-RDS. Die Zeitfunktionen der verrundeten Datensignal­folgen weisen keine Einsattelungen auf. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahren bestehen vor allem

a) in der minimalen PM → AM-Konversion,

b) in der minimalen Bandbreite (bezogen auf die Datenrate) und

c) in dem sehr guten Augenmuster.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbe­griff des Anspruchs 1.

[0002] Verfahren dieser Art dienen der zusätzlichen Übertragung von digitalen Datensignalen über einen bereits vorhandenen und hauptsächlich zur Übertragung von anderen Signalen ge­nutzten, bandbegrenzten Übertragungskanal.

[0003] Bei der zusätzlichen Nutzung vorhandener Übertra­gungskanäle durch Datensignale (z.B. Radiodaten-Signale im Rundfunk) darf das Programm (Hauptbenutzer) nicht durch die Daten (Mitbenutzer) gestört werden.

[0004] Die Datensignale müssen aus diesem Grund so verrundet wer­den, daß sie diese Bedingung erfüllen. Dies geschieht in den meisten Fällen dadurch, daß das Spektrum der Datensi­gnale hart begrenzt wird, wie z.B. beim UKW-Hörrundfunk-­Radio-Daten-System ("UKW-RDS") oder bei der Datenübertra­gung über einen Schmalband-Datenkanal, beispielsweise dem Tonkanal vom Studio (im Funkhaus) zum Sender. In anderen Fällen muß die Verrundung so erfolgen, daß die erste zeit­liche Ableitung der verrundeten Kurvenform ein Minimum an Schwingungen (Extrema) aufweist, wie z.B. beim AM-Hörrund­funk-Radio-Daten-System ("AM-RDS").

[0005] Aus "Tech. 3244-E Specifications of the Radio Data System RDS for VHF/FM Sound Broadcasting" (Brüssel, 1984), Seiten 5 bis 10 von der European Broadcasting Union (EBU) ist eine zeitliche Kurvenform für ein verrundetes Datensignal, die EBU-Kurvenform, bekannt, die von der EBU ursprünglich nur für UKW-RDS verbindlich festgelegt worden ist und de­ren zeitlicher Verlauf und Spektralverteilung in FIG. 1 gezeigt ist, die jedoch nur die Bedingung einer harten Bandbegrenzung, nicht aber die Bedingung einer ausreichend kleinen Zahl an Schwingungen in der ersten zeitlichen Ab­leitung der Zeitfunktion der Datensignalfolge erfüllt und daher z.B. für AM-RDS nur bedingt verwendet werden kann.

[0006] Das Anwendungsgebiet für solche Kurvenformen ist im Prin­zip das ganze Gebiet der Datenübertragung, wenngleich auf­grund nichtlinearer Eigenschaften mancher Systeme (z.B. Wanderfeldwellen-Verstärker im Satellitenfunk) die Zeit­verläufe der Daten verzerrt werden, weshalb dann oft auf eine exakte Formung verzichtet wird.

[0007] Nach dem Stand der Technik läßt sich die Verrundung für langsame Datenübertragung optimal mit Hilfe digitaler Me­thoden realisieren. Für schnelle Datenübertragung sind bislang analoge Verrundungen üblich, die demzufolge nur näherungsweise die theoretischen Werte erreichen.

[0008] Die als Biphasen-Signal ausgebildete EBU-Kurvenform in FIG. 1a ist ursprungssymmetrisch und nähert sich für T → ± ∞ oszillatorisch sehr schnell dem Wert Null, wobei T die Breite (Dauer) des unverrundeten Datensignals (Einzel­bit) ist. Wesentlich von Null verschiedene Amplituden sind bei dieser Kurvenform nur im Bereich ± 2T anzutreffen.

[0009] Die zugehörige Spektralverteilung in FIG. 1b ist ebenfalls ursprungssymmetrisch und weist wesentlich von Null ver­schiedene Spektralanteile nur innerhalb eines durch die Grenzfrequenzen +Fg und -Fg definierten Bereichs auf, der die Bandbreite dieser EBU-Kurvenform darstellt und der ge­mäß der o.a. EBU-Vorschrift abhängig von der Daten- oder Bandrate ist. Für Biphase-Signalformen z.B. ergibt sich ein Bereich von ± 2 ^. Bandrate. Bei einer Bandrate von 1,2 kBd für UKW-RDS beispielsweise beträgt die Bandbreite ± Fg somit ± 2,4 kHz. Bei AM-Anwendungen dagegen ist die Bandrate ≲ 200 Bd, woraus für Biphase-Signalformen nach dieser EBU-Vorschrift eine Grenzfrequenz Fg ≲ 400 Hz folgt.

[0010] Zur Diskussion der hier interessierenden Eigenschaften der EBU-Kurvenform genügt es, das nicht modulierte Datensignal (Basisbandsignal) zu betrachten.

[0011] In FIG. 2a ist eine typische zeitliche Folge von unverrun­deten digitalen Datensignalen im NRZ (No-Return-to-Zero)-­Format gezeigt.

[0012] Mit der gemäß der o.a. EBU-Vorschrift vorgenommenen Ver­rundung (vgl. FIG. 1) der Datensignale ergibt sich die in FIG. 2b gezeigte Zeitfunktion F(t) der Folge der nunmehr verrundeten Datensignale der FIG. 2a im Biphasen-Format. Das entsprechende Augenmuster zu dieser EBU-Signalform ist in FIG. 8a gezeigt.

[0013] Kennzeichnend für diese gemäß der o.a. EBU-Vorschrift ge­bildete Zeitfunktion F(t) sind die Einsattelungen S im Be­reich der Extrema (Minima und Maxima) der Funktion, die in Fachkreisen auch unter der Bezeichnung "Hundeknochen" be­kannt sind.

[0014] In der Praxis zeigt es sich nun, daß beim Empfang von UKW-­RDS-Senders im Auto häufig starke Störungen durch Mehrwe­geempfang entstehen. Dadurch kommt es zu erheblichen Da­tenfehlern, die besonders auf diese Einsattelungen S zu­rückzuführen sind.

[0015] Im Gegensatz zur Datenübertragung im UWK-RDS werden die digitalen Datensignale im AM-Bereich, also im AM-RDS, als Phasenmodulation (PM) des Trägers übertragen. Für diesen Dienst gibt es noch keine EBU-Richtlinie, jedoch könnte die in FIG. 1 gezeigte EBU-Kurvenform im Prinzip auch in diesem Bereich zur Verrundung von digitalen Datensignalen eingesetzt werden, was jedoch zu keiner optimalen Lösung führt.

[0016] Da die Phasenmodulation (PM) für die Daten und die Ampli­tudenmodulation (AM) für die Nachricht zueinander orthogo­nal sind, stören sich die beiden Modulationen im Prinzip gegenseitig nicht und können daher auch wieder empfangs­seitig getrennt werden.

[0017] In der Praxis gibt es allerdings ein wechselseitiges Über­sprechen von den Daten zur Nachricht und umgekehrt. Da aus Kompatibilitätsgründen die Störung durch die Daten eine Toleranzgrenze (z.B. Störabstand > 40 dB) nicht über­schreiten darf, ist es notwendig, die Signalform für die Daten zu verrunden und die Datengeschwindigkeit und den Phasenhub zu begrenzen. Bei gegebener Toleranzgrenze für das Maß der Kompatibilität ist es das Ziel, die übertrage­nen Daten so zu verrunden, daß Datengeschwindigkeit und Datenhub maximal groß werden. (Dabei kann dann die Daten­geschwindigkeit erhöht werden, wenn der Phasenhub ernied­rigt wird, um umgekehrt. Der Abgrenzung dieser beiden Pa­rameter gegeneinander muß aufgrund der Datenfehlerwahr­scheinlichkeit erfolgen.)

[0018] Die Größe des Phasenhubes beeinflußt die Störfestigkeit der Datenübertragung. Bei gegebener Bitfehlerrate (z.B. BER = .0001) ist ein Phasenhub von ca. ± 15 Grad erforder­lich. (Dieser Wert ist abhängig vom Störphasenhub der Sen­der und der Empfänger und unterliegt somit einem techni­schen Wandel.)

[0019] Nimmt man den Wert des Phasenhubes als fest an, so wirkt sich die Form der verrundeten Daten direkt auf die (auf­grund der Kompatibilität) erreichbare Datengeschwindigkeit aus.

[0020] Die Störung des Programms durch die Daten erfolgt aufgrund einer Umwandlung der PM in eine AM. Exakt ausgedrückt, wird dabei die mit der PM stets verknüpfte Frequenzmodula­tion (FM) in eine AM gewandelt. Diese Umwandlung der FM in eine AM erfolgt insbesondere an unsymmetrischen Flanken der Zwischenfrequenz(ZF)-Filter.

[0021] Dies verdeutlicht FIG. 3, die die Durchlaßkurve U(f) eines typischen ZF-Filters als Funktion der Frequenz f zeigt und die zu höheren Frequenzen hin eine unsymmetrische Flanke aufweist. Durch diese Flanke wird die an sich symmetrisch um eine Mittenfrequenz f erfolgende Frequenzmodulation mit einem Frequenzhub Δf in unsymmetrische Schwankungen ΔU der Amplitude des ZF-Signals U um den zur Mittenfrequenz f ge­hörenden Amplitudenwert U umgesetzt, was sich beim Empfang des Hauptprogramms störend auswirken kann.

[0022] In die Größe dieser Störung geht der gewählte Phasenhub Δφ und damit auch der zugehörige Frequenzhub Δf sowie die Form des verrundeten Datensignals ein.

[0023] Phasen- und Frequenzmodulation sind dabei wie folgt mit­einander verknüpft:

[0024] Gehört zur Phasenmodulation ein (Daten-)Signal s(t), so gehört zur Frequenzmodulation ein Signal d s(t)/dt, also die zeitliche Ableitung des (Daten-)Signals s(t).

[0025] In FIG. 7a ist noch einmal die in FIG. 2b bereits gezeigte und nach der o.a. EBU-Vorschrift gebildete Zeitfunktion F(t) zusammen mit ihrer ersten zeitlichen Ableitung F′(t) dargestellt. Bedingt durch die Einsattelungen S in F(t) weist die Ableitung F′(t) eine vergleichsweise hohe Zahl von Schwingungen bzw. Extrema auf, die, wie praktische Versuche gezeigt haben, ein bei bestimmten Ausbreitungsbe­dingungen über der Toleranzgrenze liegendes und damit hör­bares "Datenbrummen" zur Folge haben können.

[0026] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die zusätzlich zu übertragenden Datensignale so verrundet werden, daß sie auch unter extremen Ausbreitungsbedingungen sowohl in Da­tenübertragungssystemen, die eine harte Bandbreitenbegren­zung fordern, wie z.B. UKW-RDS, als auch in Datenübertra­gungssystemen, die ein Minimum an Schwingungen oder Ex­trema in der ersten Ableitung der Zeitfunktion f(t) der zu übertragenden Datensignalfolge fordern, wie z.B. AM-RDS, unter Einhaltung des vorgegebenen Mindest-Störabstandes eingesetzt werden können.

[0027] Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Pa­tentanspruch 1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche beinhal­ten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sowie bevorzugte Anwendungen.

[0028] Die erfindungsgemäße Lösung sieht zeitliche Kurvenformen für verrundete Datensignale vor, bei denen die Minima der Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale nur in dem unteren Teilbereich des zulässigen Amplituden-­Gesamtbereichs liegen und die Maxima entsprechend nur in dem oberen Teilbereich, wobei sowohl der untere als auch der obere Teilbereich jeweils etwa 25 % des Amplituden-Ge­samtbereichs ausmachen. Des weiteren ist bei den erfin­ dungsgemäßen Kurvenformen die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale kleiner oder höchstens gleich der Zahl der Extrema einer auf der Basis der EBU-Kurvenform (vgl. FIG. 1) für die gleiche Folge von Datensignalen gebildeten Zeitfunktion F(t). Schließlich sind die erfindungsgemäßen Kurvenformen in ihrer Bandbreite auf etwa 70 - 90 %, vor­zugsweise etwa 78 - 82 %, insbesondere etwa 80 %, der von der gewählten Bandrate abhängigen Bandbreite der EBU-Kur­venform beschränkt.

[0029] Besonders vorteilhaft sind dabei die erfindungsgemäßen Kurvenformen, bei denen auch die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der ersten zeitlichen Ableitung f′(t) der Zeitfunktion f(t) kleiner oder höchstens gleich ist der Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der ersten zeitlichen Ableitung F′(t) der Zeitfunktion F(t).

[0030] Besonders vorteilhaft sind hierbei Kurvenformen, die er­findungsgemäß aus dem Produkt zweier Cosinus-Funktionen mit einer linearen Funktion oder aus dem Produkt einer Co­sinus- und einer Sinus-Funktion gebildet werden.

[0031] Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Kurvenformen liegt darin, daß sie universell in den unterschiedlichsten An­wendungsgebieten zur zusätzlichen Übertragung von digita­len Daten über bandbegrenzte Übertragungskanäle eingesetzt werden können, sei es z.B. im UKW-RDS oder im AM-RDS oder bei der Übertragung zusätzlicher Daten über den Tonkanal zwischen Studio und Sender.

[0032] Im folgenden wird die Erfindung anhand der FIG. 4 bis 8 näher erläutert.

[0033] Die FIG. 4 und 5 zeigen, im gleichen Maßstab wie FIG. 1, die Zeitfunktion (a) und die Spektralverteilung (b) von besonders vorteilhaften erfindungsgemäßen Kurvenformen (Typ A und B) für ein einzelnes verrundetes Datensignal im Biphasen-Format, die aus dem Produkt zweier Cosinus-Funk­tionen mit einer linearen Funktion (Geraden) (FIG. 4) bzw. aus dem Produkt aus einer Cosinus- und einer Sinus-Funk­tion gebildet sind.

[0034] Die beiden Kurvenformen sind, ähnlich wie die EBU-Kurven­form in FIG. 1, "Partial-Response"-Signale.

[0035] Auch die beiden erfindungsgemäßen Kurvenformen Typ A und B sind wie die EBU Kurvenform ursprungssymmetrisch sowohl im Zeitbereich als auch in der Spektralverteilung.

[0036] Für T → ± ∞ nähern sich beide Kurvenformen im Zeitbereich oszillatorisch sehr schnell dem Wert Null, wobei wesent­lich von Null verschiedene Amplituden nur innerhalb des Bereichs ± 2T anzutreffen sind.

[0037] Die Bandbreite der neuen Kurvenformen Typ A und B ist je­doch jeweils auf etwa 80 % der Bandbreite der EBU-Kurven­form begrenzt. Dadurch wird bei der Anwendung für UKW-RDS der Störabstand zum Multiplex-Signal und zum Datenkanal (auf 60 kHz) verbessert.

[0038] Die entsprechenden Augenmuster der beiden erfindungsge­mäßen Kurvenformen Typ A und B sind in FIG. 8b und 8c dar­gestellt.

[0039] Ein Vergleich der beiden erfindungsgemäßen Kurvenformen Typ A und B mit der EBU-Kurvenform zeigt im Zeitbereich, oberflächlich betrachtet, keine großen Unterschiede.

[0040] Jedoch ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Verrundung der Datensignale wesentliche Verbesserungen in den Zeit­funktionen f(t) der verrundeten Datensignalfolgen, wie ein Vergleich der FIG. 2 mit der FIG. 6 zeigt.

[0041] In FIG. 6 sind, im gleichen Maßstab wie in FIG. 2, die Zeitfunktionen f(t) gezeigt, die sich ergeben, wenn die NRZ-Datenfolge gemäß FIG. 2a mit den erfindungsgemäßen Kurvenformen gemäß FIG. 4a (Typ A) bzw. FIG. 5a (Typ B) verrundet wird.

[0042] Auffallend ist, daß die Zeitfunktionen f(t) der erfin­dungsgemäß verrundeten Datensignalfolge keine Einsattelun­gen im Bereich der Extrema mehr aufweisen (im Gegensatz zur Zeitfunktion F(t) der gemäß EBU-Vorschrift verrundeten Datensignalfolge).

[0043] Aber auch in den ersten zeitlichen Ableitungen f′(t) die­ser Zeitfunktionen f(t) ergeben sich mit der erfindungsge­mäßen Verrundung der Datensignale erhebliche Verbesserun­gen, wie die FIG. 7 zeigt.

[0044] Dort werden zum einen die Zeitfunktionen F(t) der EBU-Form (vgl. FIG. 2b) und f(t) der erfindungsgemäßen Kurvenform Typ A sowie zum anderen deren erste zeitliche Ableitungen F′(t) und f′(t) für dieselbe (unverrundete) NRZ-Datenfolge (vgl. FIG. 2a) miteinander verglichen.

[0045] Wie klar erkennbar ist, ist auch die Zahl der Schwingungen bzw. der Extrema bei f′(t) wesentlich kleiner als bei F′(t).

[0046] Da die Zeitfunktionen f(t) der erfindungsgemäß verrundeten Datensignale keine Einsattelungen und die ersten zeitli­chen Ableitungen f′(t) dieser Zeitfunktionen f(t) keine unnötigen Schwingungen mehr aufweisen, ist mit diesen erfindungsgemäßen Verrundungen (Typ A oder B) eine Über­tragung zusätzlicher Datensignale bei AM-RDS auch unter extremen Ausbreitungsbedingungen ohne "Datenbrummen" nun­mehr möglich.

[0047] Während bei Übertragungssystemen mit harter Bandbreitenbe­grenzung, wie z.B. UKW-RDS, die Eigenschaft der beiden er­findungsgemäßen Kurvenformen Typ A und B, noch härter bandbegrenzt zu sein (ca. 80 %) als die EBU-Kurvenform, besonders wichtig ist, tritt diese Forderung nach einem scharf begrenzten Spektrum bei Systemen wie z.B. AM-RDS aufgrund der Orthogonalität von PM und AM in den Hinter­grund gegenüber dem Problem der störenden Umwandlung von FM in AM, so daß in solchen Systemen eher die Eigenschaft der beiden erfindungsgemäßen Kurvenformen Typ A und B, keine unnötigen Schwingungen in der ersten zeitlichen Ab­leitung f′(t) der Zeitfunktion f(t) zu haben, ausschlagge­bend ist.

[0048] Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischem Wissen und Können aus- und weitergebildet sowie an die un­terschiedlichsten Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies hier näher erläutert werden müßte.

[0049] So sind die erfindungsgemäßen Kurvenformen für die Einzel­bits nicht auf die beiden in den Figuren näher beschriebe­nen konkreten Ausführungsformen beschränkt; vielmehr kön­nen auch andere mathematische Formeln gefunden werden, die vergleichbare Kurvenformen ergeben, d.h. die keine Einsat­telungen in den Zeitfunktionen f(t) zur Folge haben und die härter begrenzt sind als die entsprechende EBU-Kurven­form.

[0050] Weiterhin ist die Erfindung nicht auf das Biphasen-Format beschränkt, sondern kann auch im NRZ-Format direkt ange­wendet werden (also ohne Umwandlung von unverrundeten NRZ-­Datenfolgen in verrundete Biphasen-Datenfolgen). Dies ist insbesondere für AM-RDS wichtig.

[0051] Schließlich sind die Anwendungen der Erfindung nicht auf die hier näher erläuterten Beispiele UKW-RDS, AM-RDS und Schmalband-Datenkanal-Übertragung beschränkt, sondern kön­nen allgemein in Datenübertragungssystemen eingesetzt wer­den.

[0052] Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen vor allem

a) in der minimalen PM → AM-Konversion,

b) in der minimalen Bandbreite (bezogen auf die Daten- oder Bandrate) und

c) in dem sehr guten Augenmuster.

Ansprüche

1. Verfahren zur zusätzlichen Übertragung von digitalen Datensignalen über einen auch zur Übertragung von anderen Signalen genutzten, bandbegrenzten Übertragungskanal, bei welchem Verfahren zur Erzielung eines vorgegebenen Min­dest-Störabstands zwischen den digitalen Datensignalen und den anderen Signalen die digitalen Datensignale vor der Übertragung in ihrer zeitlichen Kurvenform verrundet wer­den, wobei die maximal zulässige Bandbreite der verrunde­ten Datensignale durch die von der Bandrate abhängigen Bandbreite ± Fg der durch die European Broadcasting Union (EBU) in: "Tech. 3244-E Specifications of the Radio Data System RDS for VHF/FM Sound Broadcasting" (Brüssel, 1984), Seiten 5 bis 10 definierten EBU-Kurvenform für verrundete Datensignale festgelegt ist und wobei die Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale durch einen Amplituden-Gesamtbereich definiert ist,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Minima der Zeitfunktion f(t) der Folge der ver­rundeten Datensignale (A oder B) nur im etwa 25 % des Amplituden-Gesamtbereichs umfassenden unteren Teilbe­reich liegen und die Maxima nur im ebenfalls etwa 25 % des Amplituden-Gesamtbereichs umfassenden oberen Teil­bereich;
- daß die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) dieser Zeitfunktion f(t) kleiner oder höchstens gleich ist der Zahl der Extrema (Minima und Maxima) einer auf der Ba­sis der EBU-Kurvenform für die gleiche Folge von digi­talen Datensignalen gebildeten Zeitfunktion F(t);
- daß die Bandbreite der verrundeten Datensignale (A oder B) etwa 70 - 90 %, vorzugsweise etwa 78 - 82 %, insbesondere etwa 80 %, der Bandbreite ± Fg der EBU-­Kurvenform beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der ersten zeit­lichen Ableitung f′(t) der Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale (A oder B) kleiner oder höchstens gleich ist der Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der ersten zeitlichen Ableitung F′(t) der auf der Basis der EBU-Kurvenform für die gleiche Folge von Datensignalen ge­bildeten Zeitfunktion F(t).

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenform (A) der einzelnen ver­rundeten Datensignale aus dem Produkt zweier Cosinusfunk­tionen und einer linearen Funktion gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenform (B) der einzelnen ver­rundeten Datensignale aus dem Produkt einer Cosinus- und einer Sinusfunktion gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeich­net, daß die Kurvenformen mit Hilfe einer Fensterfunktion gewichtet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­zeichnet durch die Verwendung zur zusätzlichen Übertragung von digitalen Datensignalen über ein UKW- oder AM-Hörrund­funk-Radio-Daten-System (UKW-RDS oder AM-RDS) oder über einen Schmalband-Datenkanal, insbesondere einen Tonkanal zwischen Studio und Sender.

Zeichnung